基于響應(yīng)面方法的注塑件翹曲變形優(yōu)化策略

孫大輝

珠海格力精密模具有限公司 廣東 珠海 519000

1 注塑件翹曲變形分析

目前，注塑制品之中最為常見的質(zhì)量問題之一就是翹曲變形，翹曲變形會導(dǎo)致制品結(jié)構(gòu)發(fā)生十分嚴重的尺寸誤差與形狀誤差，這勢必會影響到制品的內(nèi)部品質(zhì)。出現(xiàn)翹曲變形的主要因素就在于注塑制品在垂直與平行在流動方向之上的分子或者是纖維取向不一致，引發(fā)制作過程之中出現(xiàn)不均勻冷卻、不均勻取向與不均勻收縮。在計算機發(fā)展與人們對于傳熱學、聚合物加工流變學、流體力學與計算力學等各項學科進行分析研究，運用有限元技術(shù)為主的注塑成型數(shù)值模擬技術(shù)來改善該種情況，并且提供諸多全新的方式。

翹曲變形，實質(zhì)上指的就是注塑制品的形狀與模具型腔的形狀發(fā)生了偏離，其是塑料制品之中最為常見的質(zhì)量缺陷。翹曲變形主要可以分為非穩(wěn)定翹曲與穩(wěn)定翹曲。在這之中非穩(wěn)定翹曲為因為平面應(yīng)變過大而使得制品發(fā)生彎曲的現(xiàn)象；穩(wěn)定翹曲則指的是翹曲變形和收縮應(yīng)之間成正比。

2 分析模型的建立

運用UG等3D造型軟件來將塑件的三維模型構(gòu)建出來，之后再運用STL文件格式導(dǎo)入到Moldflow軟件實施“填充+保壓+翹曲”分析，最終來獲取到注塑件在各項不同工藝參數(shù)之下的翹曲變形量。Moldflow軟件，這是運用一套來進行模擬、分析、優(yōu)化與驗證塑料零件與磨具設(shè)計的工具，其優(yōu)勢體現(xiàn)在方便使用、功能性強之上，可以運用模擬9個獨特的成型工藝，這是一個提供深入塑件與模具設(shè)計分析的軟件包，其功能主要體現(xiàn)在項目管理功能、可視化功能、分析功能。

該模型是薄殼類手機上殼注塑件，外形尺寸是150.0 mm×83.0 mm×8.0mm，平均壁厚是2.0mm，所運用的材料為丙烯腈/丁二烯/苯乙烯樹脂(ABS)。那么設(shè)定的第1彈性模量E1是9200，相應(yīng)的第2彈性模量E2是5654，泊松比v23是0.66、泊松比v12是0.42，GlassFiber的密度就是2.63g/cm3。

3 基于響應(yīng)面方法的注塑件翹曲變形優(yōu)化策略

某公司所生產(chǎn)的薄殼類手機上殼注塑件，其外形尺寸是150.0 mm×83.0 mm×8.0 mm，平均壁厚為2.0 mm，所運用到的材料是丙烯腈/丁二烯/苯乙烯樹脂(ABS)。

手機上殼主視圖、左視圖及主要尺寸，見圖1。規(guī)定該手機上殼與下殼自然裝配間隙不能超過0.5 mm，但在實際產(chǎn)中由于上殼發(fā)生了翹曲變形，使上、下殼不能自然裝配，因此，需要對上殼進行翹曲變形優(yōu)化。

圖1 手機上殼主要尺寸(單位：mm)

3.1 正交試驗方案及仿真試驗 保壓壓力、熔體時間、保壓時間、磨具溫度，這些都是影響翹曲變形的因素來進行正交試驗。假使各個因子之間是相互獨立的，并沒有交互的作用。依照正交試驗的設(shè)計原則與約束條件，來設(shè)置表1的正交試驗，運用Moldflow軟件實施27次CAE模擬試驗，從而得到相應(yīng)的翹曲變形值。之后運用均值分析方式與方差分析方式來分析研究翹曲變形值，從而得到影響手機上殼翹曲變形的關(guān)鍵藝術(shù)。

以上試驗充分的表明，注射時間、溶體溫度和手機上殼翹曲變形影響十分明顯、模具溫度、保壓時間與保壓壓力方面的影響不明顯，從而這也更好的為優(yōu)化注塑工藝打下堅實的基礎(chǔ)。

表1 正交試驗因素水平

3.2 拉丁方試驗設(shè)計 拉丁方試驗設(shè)計(L HD)，實質(zhì)上就是一類研究因素設(shè)計的方式，其主要特征主要體現(xiàn)在均衡性能好、效率高等之上。運用有限元仿真與數(shù)理統(tǒng)計，相應(yīng)的也得到影響手機上殼的關(guān)鍵因素為注射時間(x2)與熔體溫度(x1)，實際在該實驗的設(shè)計區(qū)間之內(nèi)，建立在拉丁方試驗設(shè)計，相應(yīng)的就可以得到擬合響應(yīng)曲面的40個點的拉丁采樣分布情況，見圖2。

圖2 拉丁方抽樣點分布

3.3 基于移動最小二乘法擬合響應(yīng)曲面 依照圖3所示的響應(yīng)曲面去，其直接性的將設(shè)計變量對于最大翹曲變形量方面的影響反饋出來。那么在各個變量的取值范圍之內(nèi)，加大熔體溫度相應(yīng)的就會使得最大翹曲變形量降低，然而溫度過大就會促使塑料出現(xiàn)熱分解的情況，過小則會引發(fā)熔融不夠的現(xiàn)象。從整體情況來進行分析，加大溶體溫度可以顯著的改善充模的現(xiàn)象，減小分子的取向性，減小翹曲出現(xiàn)變形的可能性，加大制品的綜合性。

圖3 最大翹曲變形量的響應(yīng)曲面模型

3.4 粒子群尋優(yōu)法優(yōu)化注塑成型工藝 粒子群尋優(yōu)法(PSO)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)具備較強的通用性之上，在針對不連續(xù)、不可微、多變量、非線性方面的優(yōu)勢更為顯著。運用粒子群尋優(yōu)法來針對相應(yīng)曲面模型來實施全方位的尋優(yōu)，隨即就可以得到共優(yōu)化工藝參數(shù)方面問題的最優(yōu)解釋。迭代15次就可以實現(xiàn)收斂，從而得到最小翹曲變形值是0.5458 mm，與之相對應(yīng)的溶體溫度可以實現(xiàn)270℃，注射的時間則是2.5s，具體情況見圖4。

圖4 PSO尋優(yōu)收斂結(jié)果

優(yōu)化之后的工藝參數(shù)在經(jīng)過有限元分析之后，隨即得到手機上殼的最小翹曲變形量在0.557 9 mm，這和優(yōu)化之前的翹曲變形量0.862 9 mm對比之下，翹曲變形量則直接性的減小了35.3%。

總之，目前在塑料科技高速發(fā)展的形勢之下，注塑產(chǎn)品的質(zhì)量得到了顯著的提升，從而促使其在制藥、汽車、計算機、通信與的電子行業(yè)得到了極為寬泛的運用。但是近些年來，人們對于環(huán)保方面的意識的逐步提升，綠色和節(jié)能已經(jīng)發(fā)展成為新型化產(chǎn)品與制造的關(guān)鍵所在，相應(yīng)的也會提升注塑制品的性能、質(zhì)量與重量方面的標準。因此，本文的研究也就顯得十分的有意義。