基于Moldflow 的玻纖PP 對擾流板翹曲變形的影響研究

代元祥，劉泓濱

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

汽車塑料擾流板具有尺寸穩(wěn)定性好、韌性好及性價比高等特點(diǎn)。但其注塑成型過程較為復(fù)雜，質(zhì)量不易得到保證。為提高其剛度及力學(xué)性能，在成型過程中，以純PP 材料作為基體，加入玻璃纖維，使物料的熔融溫度、塑化能力及流動性能等都發(fā)生改變。由于短時間內(nèi)玻璃纖維復(fù)合材料的分子取向受到高速流動纖維取向的影響，玻璃纖維增強(qiáng)PP 比純PP 表現(xiàn)出明顯各項異性[1]。因此，玻璃纖維增強(qiáng)PP 注塑件的翹曲變形及力學(xué)性能與未增強(qiáng)的PP 具有很大差異。

在實際注塑過程中，玻璃纖維復(fù)合塑料表現(xiàn)出不同的材料特性，會影響其流動、凝固及變形等行為，從而影響塑件質(zhì)量，尤其對于大型注塑制件常表現(xiàn)出的翹曲變形嚴(yán)重等缺陷影響更大，因此，研究工藝參數(shù)及不同纖維含量對注塑件的翹曲變形影響具有深遠(yuǎn)意義[2]。

本文結(jié)合CAE 技術(shù)與正交試驗設(shè)計相結(jié)合的方法，選取含量不同纖維增強(qiáng)PP 材料，研究各工藝參數(shù)對塑件翹曲變形的影響，對工藝參數(shù)做進(jìn)一步優(yōu)化，以獲得更高質(zhì)量的制件。

1 分析模型建立

1.1 CAE 模型建立及網(wǎng)格劃分

以汽車擾流板為分析研究對象，利用SolidWorks 軟件建立CAE 模型，整體尺寸為1 200 mm×180 mm×50 mm，厚度最大3 mm，最小2 mm。為了提高模流分析精度，先將分析模型導(dǎo)入到Moldflow CAD Doctor 中對塑件邊緣有復(fù)雜拐角、尖角等結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)先修繕，保證沒有多重邊、自由邊、相交單元和完全重疊單元[3]。將簡化后的模型導(dǎo)入到Moldflow 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用雙層面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格邊長為2 mm，劃分的三角形網(wǎng)格單元數(shù)為68 692 個，匹配百分比為94.1%，縱橫比最大為5.98，平均為1.52，符合模流分析的要求。汽車擾流板三維分析模型如圖1 所示，對模型建立合理的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖1 汽車擾流板三維模型Fig.1 Three dimensional model of car spoiler

圖2 塑件澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)Fig.2 Plastic gating system and cooling system

1.2 材料選擇及工藝條件設(shè)定

在Moldflow 軟件中選擇短玻纖維增強(qiáng)PP 作為分析材料，纖維含量分別為10%，20%，30%，40%，牌號分別為Thermylene P6-10FG-0600 BK711，Thermylene P6-20FG-0738，Thermylene P7-30FG-0600，Thermylene P7-40FG-0790，制造商為Asahi Kasei Plastics North America Inc。注塑機(jī)中注塑機(jī)最大注射速率選定為5 000 cm3/s，對于其他成型工藝參數(shù)，按照實際產(chǎn)品注射成型時調(diào)試的最優(yōu)值設(shè)定即可。試驗分析序列選擇冷卻+填充+保壓+翹曲進(jìn)行模擬分析[4]。設(shè)定具體工藝參數(shù)：注塑壓力為自動，冷卻時間為30 s，保壓壓力為注塑壓力的80%，速度/壓力為99%[5]。

2 正交試驗設(shè)計

2.1 確定試驗因素

本文采用標(biāo)準(zhǔn)化的5 因子4 水平的L16(45)正交試驗方案表，通過均值分析，尋求影響翹曲變形量最顯著的因素，確定最優(yōu)工藝參數(shù)組合[6]。以模具溫度、熔體溫度、注射時間、保壓時間[7]及纖維含量5 個變量為試驗因子，對制件翹曲變形量的影響進(jìn)行分析，分別記為A，B，C，D，E（假設(shè)各因素之間無交互作用），根據(jù)軟件分析推薦的工藝參數(shù)范圍再取4 個水平，如表1 所示。

表1 試驗因素水平表Tab.1 Test factor level

根據(jù)試驗因子水平，通過Moldflow 軟件對分析模型進(jìn)行16 次注塑模擬分析，對每次實驗的翹曲變形量做記錄，試驗安排如表2所示。

表2 正交試驗表及其結(jié)果Tab.2 Orthogonal test and results

2.2 極差分析結(jié)果

本文采用極差分析法，得到各影響因素與質(zhì)量指標(biāo)之間的關(guān)系，求出各工藝參數(shù)在不同水平上的均值和極差，從而找出試驗設(shè)計的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。在本試驗中，Ai，Bi，Ci，Di，Ei（i=1，2，3，4）為各參數(shù)在不同水平下的均值；R 為極差，表示同一試驗因子最大均值與最小均值的差。

從表3 可知各影響因素對注塑件翹曲變形量的影響，得到實驗結(jié)果為A4B1C2D1E3，即當(dāng)模具溫度為65 ℃、熔體溫度為230 ℃、注射時間為4 s、保壓時間為15 s 及纖維含量為30%時，注塑件的翹曲變形量最小。

表3 翹曲變形量均值和極差分析表Tab.3 Analysis of mean and range of warpage deformation

2.3 方差分析結(jié)果

方差分析建立在極差分析基礎(chǔ)上，是評估各因素對指標(biāo)顯著影響的一種分析方法，對數(shù)據(jù)處理更加準(zhǔn)確，能定量分析各工藝參數(shù)對翹曲變形的影響權(quán)重。計算公式如下：

式中：ST——總偏差平方和；Sj——變量j 的偏差平方和；Se——誤差；Pj——工藝參數(shù)對翹曲變形量的主次值；Fi——顯著性水平；n——試驗次數(shù)；r ——試驗水平；f ——自由度為3。

方差分析數(shù)據(jù)結(jié)果如表4 所示。從表4 可看出，各影響因素對注塑件翹曲變形量的顯著影響結(jié)果為纖維含量>模具溫度>熔體溫度>保壓時間>注射時間，纖維含量相較于其他工藝參數(shù)對塑件的翹曲變形影響程度較大,與前面的極差分析結(jié)果保持一致。

表4 方差分析表Tab.4 Variance analysis

3 模擬結(jié)果驗證

在最優(yōu)工藝參數(shù)確定的條件下，以純PP 和纖維含量分別為10%，20%，30%，40%的增強(qiáng)PP做對比，分析纖維含量對注塑件翹曲變形的影響。

結(jié)合圖3 和圖4 可知，隨著纖維含量的增加，塑件翹曲變形量逐漸減小，得到明顯改善。但當(dāng)纖維含量為40%時，注塑件的翹曲變形量開始增大，大于含量為30%的注塑件，呈現(xiàn)出先減后增的趨勢。因此，纖維含量控制在30%左右對改善塑件翹曲變形有顯著作用。

圖3 不同纖維含量對翹曲變形結(jié)果圖Fig.3 Results of different fiber content on warpage deformation

圖4 纖維含量與翹曲變形量曲線圖Fig.4 Graph of fiber content and warpage deformation

4 結(jié)論

（1）通過極差分析得到參數(shù)優(yōu)化組合為A4B1C2D1E3，即當(dāng)模具溫度為65 ℃、溶體溫度為230 ℃、注射時間為4 s、保壓時間為15 s、纖維含量為30%時，翅曲變形量最小，為3.321 mm，且比上述正交試驗16 組中的3.374 mm 還小，驗證了試驗的合理性；

（2）在保證最優(yōu)工藝參數(shù)確定的條件下，隨著短玻璃纖維含量的增加，注塑件的翹曲變形得到明顯改善，控制纖維含量在30%左右對塑件的翹曲變形達(dá)到最優(yōu)值。在選定的最優(yōu)工藝參數(shù)范圍內(nèi)，纖維含量、模具溫度及熔體溫度對塑件翹曲變形的影響較顯著。