基于正交設計的風扇葉片注射成型工藝參數優化

馬常亮，陸廣華，姜恒鑫，張憲政

1.南京理工大學泰州科技學院（江蘇泰州 225300）

2.中航工業江西洪都航空工業集團有限責任公司（江西南昌 330024）

1 引言

數值仿真分析技術被廣泛應用于模具設計領域，可以提前預測注射成型中可能出現的問題，從而能較好地提高模具研發效率，降低研發成本。蔡厚道等人以車載導航面板為研究對象[1]，設計了一副一模一腔的高精度注射模，并通過模流仿真分析確定了模具澆注系統與冷卻系統設計的合理性。方明月等人設計了3 種不同的汽車手柄澆口位置方案[2]，并通過對比分析確定了汽車手柄的最佳澆口位置。陳颯颯等人通過優化澆注系統設計[3]，解決了細長型芯偏移引起的成型塑件翹曲變形的問題。張鳳梅等人基于模流仿真分析技術制定了汽車內飾儲物箱箱體的模具設計方案[4]。陸廣華通過數值仿真分析研究了不同工藝參數組合對電連接器孔蓋板翹曲變形量的影響[5]。綜上所述，借助數值仿真分析技術，研究人員能夠獲得較好的模具設計方案。

本文以風扇葉片為研究對象，進行了工藝性分析，確定了分型面，基于模流分析技術設計了澆口位置，并對壓力、充型時間、流動前沿溫度、氣穴、熔接線、溫度、翹曲變形等參數進行了仿真分析。根據分析結果，選取模具溫度、熔體溫度、保壓壓力和保壓時間等參數，開展正交優化設計，獲得了使翹曲變形達到最小的工藝參數組合。

2 成型工藝分析與模具設計

2.1 成型工藝分析

風扇葉片中心有一個通孔，壁厚比較均勻，適合大批量生產，如圖1所示。塑件材料為ABS，屬于熱塑性材料，材料的收縮率約為0.005，密度為1.05g/cm3，流動性較好，綜合性能優良。因為塑件沒有嚴格的公差要求，故選擇采用一般精度5級來設計，可以降低成本和簡化模具結構。

圖1 風扇葉片

2.2 模具設計

分型面是塑件開模的部位[6]，在模具設計時，選擇一個合適的分型面，可以使模具更容易分離。對于風扇葉片，采用塑件外形最大輪廓處原則設計分型面，如圖2所示。確定好分型面后，需選擇合適的型腔布局。本文采用1 模4 腔的設計，設計為單分型面的模具結構形式，如圖3所示。

圖2 模具分型面的選擇

圖3 型腔布局圖

依次完成澆注系統設計（主流道、分流道、澆口和冷料穴等）、推出機構設計、冷卻系統設計、排氣結構設計、合模導向機構設計等，最后得到了初步的模具，如圖4、圖5所示。

圖4 風扇葉片模具三維裝配圖

圖5 風扇葉片模具二維剖視圖

注射模工作過程：動定模分別安裝在注塑機的模板上，模具動模在注塑機拉桿帶動逐漸前進，完成合模過程。模具閉模后噴嘴進行注射，熔體充滿型腔，塑料件經過保壓、冷卻后完成注射過程。然后開模，使模具動模后退，動、定模分開，完全開模后，推出機構頂出塑件從而完成塑件脫模。取出塑件后，注塑機推桿推動模具動模向定模閉合，通過導柱導套系統定位，推出機構通過彈簧和復位桿復位，模具合模后進行下一輪生產。

3 注射成型過程初步分析

建立電機風扇葉片三維有限元模型，并通過澆口分析獲取最佳澆口位置，分別如圖6、圖7所示。從圖7可知，推薦的最佳澆注口位置位于在中間小孔處，應選擇直澆口。但是，綜合考慮型腔布局、外觀加工質量，最終選擇側澆口進行澆注。

圖6 電機風扇葉片三維有限元模型

圖7 最佳澆口位置

基于MoldFlow 軟件對壓力、充型時間、流動前沿溫度、氣穴、熔接線、溫度、翹曲變形等參數進行了仿真分析，得出電機風扇葉片的成型工藝參數：模具溫度（A）25℃～45℃、熔體溫度（B）200℃～220℃、保壓壓力（C）50～70MPa、保壓時間（D）5～15s。

4 正交實驗設計

模流仿真分析技術與正交實驗方法相結合能顯著減少注射次數，降低研發成本。其工作原理是在多因素、多級別注射試驗中選取具有代表性的工藝因素項目組合來進行仿真模擬分析，然后通過對仿真分析結果做極差和方差分析找出規律，找到對研究目標敏感性最高的工藝參數和最佳的工藝參數組合。這種方法被廣泛應用到薄壁件[7]、汽車檔位桿[8]、收納盒[9]、塑料蓋等工藝參數優化及注塑方案優選[10]。在對風扇葉片進行正交設計時，根據初步分析結果和生產實踐經驗，并忽略各因素間的交互作用，選擇模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時間等因素研究對塑件翹曲變形程度的影響，最終確定三水平四因素正交實驗，如表1所示。

表1 實驗因素和水平設置

采用L9（43）正交表設計出9 組實驗方案，并通過MoldFlow 軟件進行模擬，選取翹曲變形量為研究目標，仿真分析出的各組實驗結果如表2所示。

表2 正交實驗方案及結果

表3 翹曲變形量的極差分析結果

從表3 可以看出：影響電機風扇葉片塑件翹曲變形因素為保壓壓力（C）＞熔體溫度（B）＞模具溫度（A）＞保壓時間（D）。最佳組合參數為：模具溫度25℃，熔體溫度220℃，保壓壓力70MPa，保壓時間15s。在最佳組合參數下對電機風扇葉片注射成型過程仿真分析，得到的翹曲變形云圖如圖8所示。根據優化后的最佳工藝參數制得的電機風扇葉片樣件實物如圖9所示。

圖8 最佳組合參數下的注射成型仿真分析結果

圖9 電機風扇葉片塑件

由圖9可知，塑件質量良好，沒有明顯翹曲變形等成型缺陷。

5 結論

（1）通過成型窗口分析，選擇模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時間等因素作為后續工藝分析的基本參數。

（2）模流仿真分析技術與正交實驗方法相結合能有效確定各工藝參數對翹曲變形量影響的敏感性。分析結果表明保壓壓力對翹曲變形量的影響最大，而保壓時間的影響最小。

（3）根據最佳工藝參數組合注塑得到的電機風扇葉片質量良好，滿足設計要求。