打印機(jī)底殼翹曲變形分析及工藝參數(shù)正交優(yōu)化

譚安平，幸晉渝，劉克威

(成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院 四川 樂山 614000)

0 引言

注塑成型中常見的問題有： 收縮凹陷、熔接痕、填充不足、飛邊、燒焦、流痕、表面光澤不良、翹曲變形等。而其中最普遍也是最難以控制的就是翹曲變形。若采用模流分析軟件對(duì)產(chǎn)品的翹曲變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，并采用科學(xué)的方法降低變形量，可以降低成本、減少修模費(fèi)用、縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間[1-4]。

以某打印機(jī)底殼為例，用于裝配的結(jié)構(gòu)特征比較多，產(chǎn)品翹曲變形量要求不超過2 mm。為保證開模一次性成功，采用模流分析軟件Moldflow加以分析。

1 產(chǎn)品3D模型及Moldflow前處理

使用三維軟件Unigraphics NX(UG)對(duì)打印機(jī)底殼建模，如圖1所示，產(chǎn)品尺寸為547 mm×343 mm×49 mm，平均厚度為3 mm，體積為728.25 cm3，屬于中大型制件。

圖1 產(chǎn)品3D建模

制件的材質(zhì)采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，牌號(hào)為Techno ABS F7850，生產(chǎn)廠商為大科能樹脂(上海)有限公司。材質(zhì)的推薦加工工藝為模具溫度50℃，熔體溫度205℃。

將產(chǎn)品3D模型導(dǎo)入到Moldflow中，采用雙層面網(wǎng)格劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格的自由邊、重疊邊、相交單元、重疊單元均為0，最大縱橫比16.88，網(wǎng)格匹配率91.7%，滿足分析要求。

2 最佳澆口分析

澆口是澆注系統(tǒng)中截面積最小、流動(dòng)長(zhǎng)度最短的通道。澆口的形式、大小、數(shù)量及位置的確定在很大程度上決定了制品質(zhì)量的好壞，也影響成型周期的長(zhǎng)短。熔接痕、氣穴、翹曲變形等缺陷都是澆口設(shè)計(jì)不當(dāng)所造成的[5]。

本例屬于中大型制件，為了保證填充效率和流動(dòng)性，擬設(shè)置三點(diǎn)進(jìn)澆的澆注系統(tǒng)。在Moldflow中設(shè)置分析序列為澆口位置，工藝參數(shù)中設(shè)置澆口數(shù)量為3，模擬完成后得到最佳澆口位置如圖2所示。

圖2 最佳澆口位置(三點(diǎn)進(jìn)澆)

如果熔體從最佳澆口位置進(jìn)澆，會(huì)有如下特點(diǎn)： ①?gòu)倪M(jìn)澆點(diǎn)到填充末端，流長(zhǎng)最短、流動(dòng)阻力最小。②多點(diǎn)進(jìn)澆的系統(tǒng)中，各點(diǎn)進(jìn)澆的填充末端所需的填充時(shí)間相等；③模腔壓力均勻，最大注射壓力和鎖模力較小；④產(chǎn)品各部位收縮率一致，制件的成型質(zhì)量比較好，翹曲變形量小。依據(jù)最佳澆口的分析結(jié)果創(chuàng)建澆注系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 澆注系統(tǒng)建模

3 冷卻分析

不均勻冷卻是導(dǎo)致翹曲變形的一個(gè)重要因素。不均勻冷卻表現(xiàn)為凸模和凹模的溫度不一致，這會(huì)使塑件的上、下表面產(chǎn)生熱應(yīng)力及熱變形，產(chǎn)品變形時(shí)會(huì)向較熱的一側(cè)彎曲，使制件發(fā)生翹曲變形。

3.1 使用Moldflow水路向?qū)Ы⒗鋮s系統(tǒng)

在用UG設(shè)計(jì)模具水路之前，先用Moldflow的水路向?qū)?chuàng)建冷卻水路(見圖4)。雖然這種水路不是真實(shí)的UG三維水路，但可以為模具設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)參考，為改進(jìn)方案提供科學(xué)的技術(shù)指導(dǎo)。

圖4 水路向?qū)гO(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)

3.2 冷卻仿真分析結(jié)果

設(shè)置冷卻+填充+保壓+翹曲的分析序列，工藝參數(shù)設(shè)為默認(rèn)，模擬完成后，凸凹模的模溫分析結(jié)果如圖5所示。

(a) 凹模模具溫度

(b) 凸模模具溫度

由圖5可知： 對(duì)于本產(chǎn)品，采用Moldflow水路向?qū)?chuàng)建冷卻系統(tǒng)，凸凹模的模溫不均勻，溫差比較大，為20℃以上(合理的冷卻系統(tǒng)凸凹模溫差為10℃以內(nèi))。因此，這套冷卻系統(tǒng)不合理，因冷卻不均產(chǎn)生的翹曲變形量會(huì)比較大。

2.3 冷卻優(yōu)化

查看之前冷卻分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的深腔部位溫度較高，考慮增加隔水板來降低深腔區(qū)域的溫度。優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)

優(yōu)化冷卻系統(tǒng)之后的凸凹模的模溫分析結(jié)果如圖7所示，可以看出： 凸凹模模溫趨于一致，溫差在10℃以內(nèi)，模溫較為均勻，優(yōu)化成功，實(shí)際水路模具設(shè)計(jì)可以參考此優(yōu)化方案來進(jìn)行。

(a) 優(yōu)化后凹模模具溫度

(b) 凸模模具溫度

4 工藝參數(shù)正交法優(yōu)化

工藝參數(shù)包括熔體溫度、模具溫度、注射時(shí)間、注射壓力、保壓壓力和保壓時(shí)間等，這些參數(shù)變化范圍較寬，且參數(shù)之間互相影響、相互耦合[6-8]。為了找出準(zhǔn)確的工藝參數(shù)，可用正交實(shí)驗(yàn)來篩選。

4.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了獲得最小的翹曲變形量，采用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行篩選，選取對(duì)翹曲變形影響最大的4個(gè)因素： 熔體溫度(A)、模具溫度(B)、保壓壓力(C)及保壓時(shí)間(D)作為正交因素，并為每組因素設(shè)定3個(gè)水平。

熔體溫度3個(gè)水平為195℃、205℃、215℃；模具溫度3個(gè)水平為20℃、30℃、40℃；保壓壓力的3個(gè)水平參數(shù)為V/P切換壓力的70%、80%、90%，參看分析日志得到V/P切換壓力為85.95 MPa，因此，保壓壓力3個(gè)水平設(shè)為60、69、77 MPa。最后，保壓時(shí)間3個(gè)水平設(shè)為5、10、15 s。整理數(shù)據(jù)得到正交實(shí)驗(yàn)表如表1所示。

表1 正交因素水平表

建立四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)L9(34)，一共9組實(shí)驗(yàn)。將每組參數(shù)輸入Moldflow中，模擬完成后得到的結(jié)果如表2所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)表

4.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各因素在不同水平的翹曲變形量之和的平均值(記為ki)；同一因素的平均值中，其大值和小值之差為極差(R)，逐一計(jì)算各個(gè)因素的R。R的大小體現(xiàn)了因素變化對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，R越大，表示所對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)(翹曲變形量)影響越大，這個(gè)因素就越重要[9-10]。翹曲變形結(jié)果的極差分析如表3所示。

表3 翹曲變形結(jié)果的極差分析

由表3可知，影響打印機(jī)底殼翹曲變形量的工藝參數(shù)中，其重要程度由大到小依次為： D(保壓時(shí)間)>C(保壓壓力)>B(模具溫度)>A(熔體溫度)。

4.3 最佳工藝參數(shù)

各影響因素的均值主效應(yīng)曲線圖如圖8所示。由表2、表3以及圖8可知： 翹曲變形量最低的工藝組合為A1B1C3D2。具體工藝參數(shù)為： 熔體溫度195℃，模具溫度40℃，保壓壓力77 MPa，保壓時(shí)間為8 s。

圖8 各影響因素的均值主效應(yīng)曲線圖

在工藝設(shè)置里輸入最佳工藝參數(shù)后重新模擬，得到所有效應(yīng)的翹曲變形量為1.739 mm，如圖9所示，滿足產(chǎn)品要求。

圖9 最佳工藝下之間的翹曲變形量

5 結(jié)論

(1) 在模具設(shè)計(jì)制造之前，為了預(yù)測(cè)翹曲變形量并使其降到最低，采用模流分析軟件Moldflow從澆口分析、冷卻分析、工藝參數(shù)設(shè)置3個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化。

(2) 運(yùn)用最佳澆口分析得到3點(diǎn)進(jìn)澆的最佳進(jìn)澆位置，并創(chuàng)建了澆注系統(tǒng)。

(3) 采用Moldflow水路向?qū)?chuàng)建了冷卻系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)凸凹模具溫差較大，冷卻不均使翹曲變形風(fēng)險(xiǎn)增加，需要進(jìn)行冷卻系統(tǒng)優(yōu)化。觀察模溫發(fā)現(xiàn)，深腔部分冷卻不夠充分。增加隔水板之后，模溫溫差明顯改善，凸凹模模溫溫差在10℃以內(nèi)，優(yōu)化成功。

(4) 繼續(xù)優(yōu)化工藝參數(shù)以降低翹曲變形的風(fēng)險(xiǎn)。采用正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化工藝參數(shù)，得到各因素影響程度排列為： 保壓時(shí)間>保壓壓力>模具溫度>熔體溫度。并得到最佳工藝參數(shù)為： 熔體溫度195℃，模具溫度40℃，保壓壓力77 MPa，保壓時(shí)間8 s。

(5) 通過澆口優(yōu)化和工藝參數(shù)優(yōu)化，最終翹曲變形為1.739 mm，滿足產(chǎn)品要求。

(6) 在模具設(shè)計(jì)制造之前預(yù)測(cè)澆口的位置，對(duì)冷卻系統(tǒng)建模后預(yù)分析及優(yōu)化，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化工藝參數(shù)，可以極大地降低翹曲變形發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)實(shí)際工程有指導(dǎo)作用。