基于CAE和DOE技術的薄壁塑件翹曲變形分析及優化

孫健華　顧海　張捷

摘要：

以某型號儀表顯示器外殼為研究對象，采用CAE和DOE技術對其在注塑過程中出現的翹曲變形缺陷進行數值模擬試驗，研究熔體溫度、模具溫度、保壓壓力和保壓時間等成型工藝參數對翹曲變形的影響，并根據試驗數據進行極差分析，進而對工藝參數進行優化，獲得最佳工藝參數組合.該工藝參數組合可提高塑件注塑質量和生產效率，縮短試模周期，對薄壁塑件的生產實踐具有參考意義.

關鍵詞：

薄壁塑件； 儀表外殼； 注塑成型； 翹曲變形

中圖分類號： TQ320.66

文獻標志碼： B

1 引 言

注塑成型具有可以生產和制造形狀較為復雜的制品、易與計算機技術結合、易于實現自動化生產等優點，已成為主要的塑料成型方法.[1]薄壁件壁面較薄、流長比大，所以熔體達到較長流動距離的能力弱，成型難度大.翹曲變形程度是衡量薄壁件注塑質量的重要指標之一.[2]張繼祥等[3]采用Moldflow模流分析研究各工藝參數對翹曲變形的影響規律，通過優化分析得到最優工藝方案，可顯著減少塑件翹曲變形；ERZURUMLU等[4]利用Moldflow分析研究不同材料及結構的塑料發生翹曲變形量，并通過優化參數減小變形量.

研究表明，在薄壁塑件成型研究過程中，結合CAE技術，可以確定對研究指標的影響較大的工藝條件.利用DOE，應用正交矩陣執行最少的實驗次數而獲得有效的實驗信息，使用該技術查看某些干預（如更改實驗工藝變量）對零件質量的影響.與傳統的試湊法實驗相比，DOE可從測試數據的生成陣列獲得數量顯著增多的高質量信息.

本文選取薄壁塑件——某型號儀表顯示器外殼——作為研究對象，采用基于AMI軟件的DOE技術對其進行數值模擬，預測其注塑缺陷，并提出優化方案，為改善薄壁件注塑質量提供依據.

2 薄壁塑件翹曲原因及成型工藝參數影響分析

薄壁注塑成型容易出現翹曲變形、熔接痕及欠注等問題，這是由于塑料熔體進入模腔后，容易形成流動性較差的冷凝層，熔體在模腔內流動的區域變小，導致流動阻力增大、壓力損失增大，以及在冷卻時收縮不均勻等[56]，除此之外，內部殘余應力也是造成薄壁塑件翹曲變形的重要因素.[7]

根據實際生產經驗，影響塑件翹曲變形的因素包括模具結構、產品結構、制品材料及成型工藝參數等，其中成型工藝參數的影響巨大.[89]

2.1 模具溫度的影響

在薄壁件注塑時，模具溫度高會降低聚合物熔體的冷卻速度，導致收縮過大，延長冷卻時間；但是模具溫度會使熔體填充不充分，形成欠注，同時在離澆口位置較遠處的保壓壓力得不到有效傳遞，易引起塑件各部位收縮差異大而產生翹曲及熔接痕等問題.

2.2 熔體溫度的影響

諸多研究表明，薄壁件注塑過程中當熔體溫度較低時，在充模過程中所受的應力由于冷卻速度過快而來不及釋放，會使塑件產生翹曲變形；當熔體溫度過高時，流動性提高，利于充模，但是會導致塑件體積收縮增大，易產生變形，必須加大保壓壓力來滿足較好的保壓效果.因此，選取合適的熔體溫度可降低翹曲變形程度.

2.3 保壓時間的影響

保壓時間的設定與薄壁件注塑過程中澆口的凝固時間有關：若保壓時間縮短，則澆口在保壓完成時沒有完全凝固，會使熔體回流，影響澆口處收縮；若保壓時間延長，則澆口在保壓時間完成前就完成凝固，對塑件影響不大，但保壓時間過長會降低生產效率.因此，選擇合適的保壓時間可提高塑件注塑質量及生產效率.

2.4 保壓壓力的影響

一般情況下，增加保壓壓力會減少塑件的體積收縮率，改善翹曲變形問題，但是過高的保壓壓力會使塑件產生殘余應力，過低的保壓壓力會使塑件在各部位的收縮大小不同，進一步增加塑件翹曲變形.

綜上所述，成型工藝參數的合理確定直接影響薄壁塑件的翹曲變形量大小，因此，基于CAE與DOE技術，合理選擇成型工藝參數非常重要.

3 實驗準備

3.1 塑件三維建模

分析對象選擇某型號儀表顯示器外殼，結構尺寸為72.5 mm×138.0 mm×27.2 mm，壁厚為1 mm，見圖1.制件表面要求光滑，不能有明顯的注塑缺陷，同時需具備良好的力學性能以及優良的耐熱性、電性能和化學穩定性等，聚丙烯PP材料能滿足要求，牌號為Polyfort FIPP MKF 4025.

3.2 網格劃分與最佳澆口位置選擇

塑件進行數值模擬分析的前提是將CAD模型生成合適的有限元分析模型.AMI軟件可以利用Midplane分析技術進行模流分析仿真三維熔體流動，具有分析速度快、效率高的特點，同時可得到較準確的結果.模型網格劃分見圖2.修改模型后的網格單元數為10 034 個，縱橫比最大為29.7，平均為3.48，匹配百分比達到89.7%，符合AMI分析要求.利用Best Location功能分析塑件的最佳澆口位置，結果見圖3.

3.3 澆注及冷卻系統設置

澆注系統和冷卻系統設計正確與否直接關系到注塑成型的效率和塑件質量，只有順利將壓力傳遞到型腔的各個部位，才能獲得組織細密、外形清晰、表面光潔、尺寸穩定的塑件.根據文獻[10]的研究結果，結合最佳澆口位置分析結果，澆注系統和冷卻系統設置結果見圖4.

3.4 確定試驗方案

將翹曲變形量作為衡量塑件表面質量的指標.根據實踐經驗，將注塑工藝參數熔體溫度θmelt，模具溫度θmold，保壓壓力P，保壓時間t列為試驗因素，確定試驗因素和水平表，見表1.

4 試驗結果分析

計算各因素在不同水平下的平均值，并計算極差R，結果見表3.Kij代表j因素在i水平的作用下的翹曲變形量指標的平均值，由Kij計算極差Rj，根據極差大小，可以判斷各因素的影響大小：Rj越大，表示該因素的水平變化對試驗指標的影響越大，說明該因素就越重要；反之，Rj越小，影響就小，說明該因素的重要性相對較小.[1012]根據表3結果，為直觀分析指標與各因素水平波動的關系，繪制因素與試驗指標趨勢圖，見圖5.

對顯著性進行檢驗，列出方差分析表，見表4.由表4可以看出，在不考慮工藝參數相互影響的情況下，對于該PP材料，各因素對翹曲變形的影響大小順序依次為熔體溫度>保壓壓力>模具溫度>保壓時間.過高的熔體溫度將增大成型固化時的溫降，導致因快速冷卻殘留大量內應力而出現翹曲，因此，適當降低熔體溫度有助于減少翹曲變形.另外，適當增加保壓壓力，型腔內的熔體被壓實，也有助于減少體積收縮率，進而改善翹曲變形缺陷.

5 優化結果分析

選取各因素中均值最小的水平即為各工藝參數的最優組合，最佳工藝方案是A3B2C3D2，即選用熔體溫度260 ℃，模具溫度90 ℃，保壓壓力90 MPa，保壓時間13 s.根據最佳工藝方案模擬試驗，得到的最終翹曲變形量為0.290 8 mm.

6 結 論

（1）選取的4個主要影響因素中，熔體溫度對薄壁塑件翹曲變形的影響最大，若要減少變形量，須首先考慮降低熔體溫度.

（2）4個因素對薄壁塑件翹曲變形量均有不同程度影響且共同作用，當熔體溫度為260 ℃，保壓壓力為90 MPa，保壓時間為13 s時，翹曲變形量最小，為最優組合.

（3）利用CAE與DOE相結合的技術，可以優化薄壁塑件成型工藝參數，通過較少的模擬試驗，能夠獲得較好反映研究指標的結果，解決傳統試湊的盲目性，對提高塑件質量，降低企業生產成本具有積極的意義.

（4）薄壁塑件的外觀質量缺陷不止翹曲變形，還有欠注、熔接痕等缺陷.本文僅對翹曲變形的4個影響因素進行研究.實際上，成型工藝參數僅是一方面，薄壁塑件的外觀質量的影響因素涉及產品結構、模具結構、制品材料等方面，各方面相互牽連，影響程度不盡相同，需要系統性考慮.

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（編輯 武曉英）