纖維增強(qiáng)薄壁塑件翹曲變形分析

張繼祥，殷筱依，劉鳳芝，楊 泮

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

纖維增強(qiáng)薄壁塑件翹曲變形分析

張繼祥，殷筱依，劉鳳芝，楊 泮

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

選取平均壁厚為1 mm薄壁塑件為研究對象，并選取不同玻璃纖維含量的塑料，以塑件翹曲變形最小為優(yōu)化目標(biāo)，采用模流分析軟件Moldflow并結(jié)合正交實驗法分析研究了玻纖含量和模具溫度、熔體溫度、注射時間等工藝參數(shù)對塑件翹曲變形的影響，得到了最優(yōu)的工藝參數(shù)組合和玻纖含量。結(jié)果表明：玻纖含量和注射時間是影響塑件翹曲變形的顯著因素。使塑件翹曲變形最小的注塑成型工藝方案為模具溫度65 ℃、熔體溫度260 ℃、注射時間2 s、保壓壓力85 MPa、保壓時間4 s、玻纖含量10%。適當(dāng)?shù)牟＠w含量可以明顯減小薄壁塑件的翹曲變形。

車輛工程；薄壁塑件；翹曲變形；正交實驗；玻纖含量

0 引 言

薄壁塑件在日常生活中被廣泛應(yīng)用，其有很多優(yōu)點。薄壁注塑成型技術(shù)是一種新技術(shù)，它專門用于薄壁塑件的成型生產(chǎn)。在薄壁件注塑成型中，模具設(shè)計或者塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、材料和成型參數(shù)選擇不同，都會導(dǎo)致成型塑件出現(xiàn)很多質(zhì)量問題，如翹曲、短射、熔接痕、燒焦、縮痕等，其中翹曲變形對塑件質(zhì)量的影響最明顯[1-2]。薄壁件的翹曲程度已成為衡量其質(zhì)量好壞的一項重要指標(biāo)。在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的前提下，工藝參數(shù)是影響薄壁塑件翹曲變形的主要因素[3-4]。另外，纖維是一種應(yīng)用最普遍的充填物，它可以提高材料的彎曲強(qiáng)度、提高材料的拉伸強(qiáng)度、提高材料的熱變形溫度、改善混合物的尺寸穩(wěn)定性，且纖維取向通常是引起塑件翹曲變形的主要原因，在塑料中適量加入纖維可以減小塑件的翹曲變形。所以合理地選擇注塑成型工藝參數(shù)和纖維充填物含量對減小塑件的翹曲變形非常重要。

E.HAKIMIAN等[5]選擇PC/ABS、PPE/PS、POM 3種塑料，研究在改變保壓壓力和熔體溫度等工藝參數(shù)和纖維含量的條件下其對塑件收縮和翹曲的影響，結(jié)果表明纖維含量對收縮和翹曲影響最大。N.SANTHANAM等[6]采用集成CAE工具提高纖維充填塑件的強(qiáng)度、剛度和減小塑件的收縮、翹曲。廖秋慧等[7]采用模流分析軟件Moldflow模擬注塑件的保壓過程并且研究了保壓壓力和保壓方式對注塑件翹曲變形的影響。董金虎等[8]利用數(shù)值模擬技術(shù)對一手機(jī)外殼進(jìn)行模擬，并且得到一組最優(yōu)工藝參數(shù)，使得翹曲變形最小。張繼祥等[9]采用Moldflow軟件并結(jié)合正交實驗法研究了工藝參數(shù)對薄壁塑件翹曲變形的影響規(guī)律。熊愛華等[10]采用模流分析軟件Moldflow并結(jié)合正交實驗法對聚丙烯及短玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯的注塑成型過程進(jìn)行研究，分析了工藝參數(shù)及其纖維含量對注射壓力和翹曲變形的影響。

采用正交實驗法與Moldflow軟件相結(jié)合，對比研究了不同實驗方案下薄壁塑件的變形，分析了影響塑件翹曲的關(guān)鍵因素，并分析了玻璃纖維含量對塑件翹曲的影響，優(yōu)化了注塑成型工藝，得到了最優(yōu)的工藝參數(shù)和最佳的玻纖含量，實現(xiàn)了減小薄壁塑件翹曲變形的目的。

1 有限元建模及研究方案

1.1 注塑件及Moldflow有限元建模

所用塑件是一移動空調(diào)的空氣過濾器薄板，它的長、寬和平均壁厚分別為238 mm、230 mm和1 mm，如圖1。該塑件主要應(yīng)用于移動空調(diào)過濾部分，塑件整體尺寸較大且壁厚較薄，注塑成型時不易控制尺寸且翹曲變形量較大，且該塑件和整機(jī)外殼裝配配合間隙較小，如果翹曲變形過大，將很難裝配，影響整機(jī)的性能。該塑件長度與厚度的比值為238，按照薄壁塑件的定義可知其為典型的薄壁件。選用Ferro公司生產(chǎn)的3種不同玻璃纖維含量(分別為0，10%和20%)的結(jié)晶性聚合物PP，其熔體流動性好，易注塑成型。3種材料的基本性能參數(shù)如表1。

圖1 薄壁塑件Fig.1 The thin-wall plastic part

該塑件的模具采用一模一腔，并且采用點澆口進(jìn)行注塑。通過一系列實驗得到了模具最佳的冷卻系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)，然后根據(jù)Moldflow軟件中的冷卻系統(tǒng)及澆注系統(tǒng)向?qū)нM(jìn)行創(chuàng)建，最后選擇雙面模型對其劃分網(wǎng)格，得到的有限元模型如圖2。

圖2 有限元模型Fig.2 The finite element model表1 3種不同玻纖含量的材料的基本性能參數(shù)Table 1 The basic performance parameters of three kinds of materials with different glass fiber content

材料性能參數(shù)值(0)參數(shù)值(10%)參數(shù)值(20%)導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·℃)0.1990.2590.168比熱容J/(kg·℃)237023081925推薦注塑溫度Tr/℃230240230推薦頂出溫度Tt/℃9310093推薦模具溫度Tm/℃505250熔體密度ρ/(kg.m-3)775.1806.99998.05最大剪切應(yīng)力P/MPa0.260.250.26最大剪切速率V/(1·s-1)2400010000024000

1.2 研究方案

以塑件翹曲變形最小為優(yōu)化目標(biāo)，選取6個因素，分別為模具溫度、熔體溫度、注射時間、保壓壓力、保壓時間和玻纖含量，采用正交實驗法進(jìn)行研究。綜合考慮Moldflow推薦的3種材料工藝參數(shù)范圍，在模擬分析時選取模具溫度45～65 ℃，選取熔體溫度230～260 ℃；注射時間根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置為1～2 s；綜合3種材料的保壓時間與成型收縮率關(guān)系曲線，在模擬分析時將保壓時間設(shè)置為4～8 s；在實際注塑過程中，將保壓壓力設(shè)置為注塑壓力的80 %左右，根據(jù)Moldfow推薦的成型參數(shù)，及薄壁注塑成型的特點，將保壓壓力設(shè)置為：65～85 MPa。根據(jù)正交實驗，各因素取3個水平，這樣就得到一個6因素3水平的因素水平表，如表2。

表2 正交實驗因素水平Table 2 The orthogonal experimental factor level

考慮模具溫度和熔體溫度、熔體溫度和注射時間之間的交互作用，采用L27(313)正交表及其交互作用表進(jìn)行表頭設(shè)計，結(jié)果如表3，其中e是誤差列。

表3 L27正交陣列Table 3 The L27orthogonal array

2 結(jié)果分析與討論

2.1 影響因素的顯著性判斷

按照表3設(shè)置的參數(shù)變量進(jìn)行注塑模擬實驗，由于該薄壁塑件翹曲變形的位置主要在Z方向上，所以通過模擬實驗取Z方向翹曲變形的最大值。將正交實驗結(jié)果塑件翹曲變形值轉(zhuǎn)化為信噪比S/N期望值，選用如下公式進(jìn)行計算。

(1)

這里n等于1，27組實驗的翹曲變形及S/N如表4。

雖然正交實驗設(shè)計的直觀分析方法簡便，但這種方法不能估計實驗過程中以及實驗結(jié)果測定中必然存在的誤差的大小，因而不能真正區(qū)分某因素各水平所對應(yīng)的實驗結(jié)果的差異是否是由于水平改變所引起的，分析結(jié)論比較粗糙，并且不能進(jìn)行顯著性檢驗，而方差分析可以彌補直觀分析的不足。所以筆者采用均值分析與方差分析對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

表4 正交實驗結(jié)果Table 4 The orthogonal experimental results

表4主要考察了6因素3水平對塑件注塑成型翹曲變形的影響。由表4直接比較27次正交實驗的結(jié)果可知，第9號實驗方案翹曲變形0.375 1 mm為最小，其因素水平組合為A1B3C3D3E3F2。由表4還可明顯看出，未加纖維的1，6，8，12，14，16，20，22，27號方案，其翹曲變形量均在1.012～1.705之間，平均值為1.313；而加了纖維的方案其塑件翹曲變形明顯較小，有10%纖維充填的2，4，9，10，15，17，21，23，25號方案，其塑件翹曲變形均在0.375 1～0.613 0之間，平均值為0.478；有20%纖維充填的3，5，7，11，13，18，19，24，26號方案，其翹曲變形均在0.466 6～0.684 3，平均值為0.560。

根據(jù)各組實驗的S/N，求出各個因素在3個水平下的均值如表5。

表5 實驗數(shù)據(jù)極差分析結(jié)果Table 5 The analysis results of range of the experiment datas

K1，K2和K3分別表示每個因素水平數(shù)相同的各個實驗方案模擬結(jié)果的總和,如K1-A數(shù)據(jù)為因素A(Mold temperature)水平1(45 ℃)的9次實驗方案模擬結(jié)果的總和，即方案1～9S/N的總和；K3-B數(shù)據(jù)為因素B(Melt temperature)水平3(260 ℃)的9次實驗方案模擬結(jié)果的總和，即方案7，8、9，16，17，18，25，26和27的S/N的總和，其它類推。k1，k2，k3分別為K的平均值，即K1/9，K2/9，K3/9。極差R描述各參數(shù)不同水平下實驗結(jié)果均值的最大值和最小值之差即：

R=kmax-kmin

(2)

極差R[11]反映了相應(yīng)因素對實驗指標(biāo)影響的強(qiáng)弱。極差R大的因素，其水平對實驗結(jié)果造成的差別大，為作用顯著因素，而極差R小的因素為作用不顯著的因素。由表5分析可知，影響翹曲變形的重要因素是玻纖含量和注射時間，次要因素是熔體溫度、保壓壓力、保壓時間、模具溫度。

對正交實驗的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行方差分析結(jié)果如表6。

表6 方差分析Table 6 The analysis of variance (ANOVA) table

(3)

f=q-1

(4)

f表示各因素的自由度。方差F表示各因素影響的顯著水平。

2.2 工藝參數(shù)優(yōu)化及優(yōu)化前后結(jié)果對比

由表6實驗數(shù)據(jù)方差分析結(jié)果可知，玻纖含量和注射時間對翹曲變形的影響是顯著的。各因素及其交互作用的顯著次序為：F>C>B>D>A×B>B×C>E>A。根據(jù)塑件翹曲變形越小，信噪比值越大的原則，并且考慮到交互作用，最終得到最大化信噪比的工藝組合為A3B3C3D3E1F2,即模具溫度65 ℃、熔體溫度260 ℃、注射時間2s、保壓壓力85MPa、保壓時間4s以及玻纖含量10 %。由于優(yōu)化的注塑工藝參數(shù)組合不在已有的27組實驗中，把最優(yōu)的工藝參數(shù)輸入Moldflow中進(jìn)行模擬驗證，得到Z方向翹曲變形量為0.349 6mm如圖3(b)，將它與27組方案中翹曲最小的9號方案進(jìn)行對比，比9號實驗方案的翹曲還小，如圖3。所以A3B3C3D3E1F2為最優(yōu)的注塑成型工藝參數(shù)組合。

由表4直觀分析得出的翹曲較小的9號方案A1B3C3D3E3F2，還有以上分析得出的最優(yōu)方案A3B3C3D3E1F2，其玻纖含量都是10%，由此可知，適當(dāng)?shù)牟＠w含量能減小塑件的翹曲變形，提高塑件的質(zhì)量。

經(jīng)過優(yōu)化，雖然Z向最大翹曲仍在同一區(qū)域，但數(shù)值已然減小，薄壁件翹曲變形量明顯降低了，在所選的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，塑件翹曲已達(dá)到最小，效果顯著。通過工藝參數(shù)的調(diào)整和適當(dāng)?shù)倪x取玻纖含量，能減小薄壁塑件的翹曲變形，提高塑件的質(zhì)量。

圖3 優(yōu)化前后Z方向翹曲變形的對比Fig.3 The comparison of warpage in the Z direction before and after optimization

3 結(jié) 論

1)未加纖維的方案，其翹曲變形量均在1.012～1.705之間，平均值為1.313；而加了纖維的方案其塑件翹曲變形明顯較小，有10%纖維充填的方案其塑件翹曲變形均在0.375 1～0.613 0，平均值為0.478；有20%纖維充填的方案其翹曲變形均在0.466 6～0.684 3，平均值為0.560。所以適當(dāng)?shù)睦w維含量可以明顯減小薄壁塑件的翹曲變形。

2)通過實驗數(shù)據(jù)方差分析可知，玻纖含量和注射時間對翹曲變形的影響是顯著的，而交互作用模具溫度和熔體溫度、熔體溫度和注射時間對翹曲的影響不顯著。

3)通過工藝參數(shù)優(yōu)化可知，最優(yōu)成型工藝方案為A3B3C3D3E1F2，也就是采用模具溫度65 ℃、熔體溫度260 ℃、注射時間2 s、保壓壓力85 MPa、保壓時間4 s、纖維含量10%的注塑工藝塑件翹曲變形最小。

4)采用Moldflow對最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行翹曲模擬分析，得到塑件翹曲變形量為0.349 6 mm，比所有正交實驗方案的翹曲變形量都小，最優(yōu)參數(shù)對塑件翹曲變形的優(yōu)化起到了一定的作用。

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The Analysis of the Warpage of Thin-wall Plastic Part for Fiber Reinforced Plastic

ZHANG Jixiang, YIN Xiaoyi, LIU Fengzhi, YANG Pan

(School of Mechatronics & Avechicle Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074，P.R.China)

The thin-wall plastic part with average thickness of 1 mm was selected as the researched object, and plastics of different glass fiber content were selected. Aiming at achieving minimum warpage, and the mold flow analysis software Moldflow combined with the orthogonal experimental method was used to study the effects on the warpage of the plastic part due to glass fiber content and mold temperature, melt temperature, injection time and other parameters, and the optimal process parameters combination and glass fiber content were obtained. The results showed that glass fiber content and injection time are significant factors affecting the warpage of the plastic part. The injection molding process scheme which generated minimum warpage of the plastic parts smallest is one at mold temperature 65 ℃, melt temperature 260 ℃, injection time 2 s, packing pressure 85 MPa, packing time 4 s, and glass fiber content 10%. It is concluded that appropriate content of glass fiber can obviously reduce the warpage of the thin-wall plastic part.

vehicle engineering;thin-wall plastic part; warpage; orthogonal experiment; glass fiber content

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.34

2015-06-20；

2015-11-10

張繼祥(1971—)，男，山東單縣人，教授，博士，主要從事塑料成型技術(shù)研究及模具設(shè)計方面的工作。E-mail:jixiangzhang@163.com。

U465.4+1;

A

1674-0696(2016)04-173-06