基于MoldFlow和正交實驗的電位器盒蓋注射成型工藝參數(shù)優(yōu)化分析＊

汪紅兵

（1.蘇州市職業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇蘇州 215104；2.江蘇省3C產(chǎn)品智能制造工程技術(shù)研究中心，江蘇蘇州 215104）

1 引言

在注射成型過程中，影響成型質(zhì)量的因素非常多，在塑料原材料、注塑機類型及模具基本結(jié)構(gòu)確定后，合理的注射工藝參數(shù)對注射質(zhì)量優(yōu)劣有著非常重要的影響[1]。確定注射成型工藝參數(shù)的過程非常復(fù)雜，傳統(tǒng)的方法都是根據(jù)實際經(jīng)驗進(jìn)行反復(fù)實驗，造成巨大的模具的整體生產(chǎn)經(jīng)濟成本和時間。近年來，隨著模具CAE技術(shù)的快速發(fā)展和普及，在CAE仿真技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合正交實驗設(shè)計方法對成型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[2～4]，可明顯降低模具設(shè)計生產(chǎn)的經(jīng)濟和時間成本。本文針對電位器盒蓋注射成型工藝參數(shù)不合理的問題，在模流軟件MoldFlow分析基礎(chǔ)上，結(jié)合正交實驗方法優(yōu)化成型參數(shù)，通過優(yōu)化得出成型工藝參數(shù)對塑件翹曲量指標(biāo)的影響程度以及各個工藝參數(shù)的最佳水平組合，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)了產(chǎn)品問題，降低了模具生產(chǎn)的經(jīng)濟和時間成本，分析過程對使用模具CAE軟件和正交實驗方法進(jìn)行塑件的注射成型工藝參數(shù)選擇和控制有較好的借鑒作用。

2 聚合物熔體在圓形管道中流動狀態(tài)分析[5]

在注射過程中，聚合物熔體在螺桿或柱塞的作用下從注塑機的噴嘴經(jīng)過澆注系統(tǒng)到達(dá)模具型腔，熔體在流動過程中壓力損失的研究對合理選擇成型工藝參數(shù)非常重要。電位器盒蓋的澆注系統(tǒng)采用圓形管道，因此下面研究了熔體在管道中的運動狀態(tài)。設(shè)圓形管道半徑為R，熔體在管道里作等溫穩(wěn)定的層流運動，并且服從指數(shù)流動規(guī)律。取管道內(nèi)長度為L的圓柱體單元，則熔體流動時的壓力損失Δp的表達(dá)式為：

從式中可以看出壓力損失Δp與流動距離L成正比，流道越長，壓力損失就越大，因此，在模具結(jié)構(gòu)允許的情況下，流道應(yīng)該越短越好，從而減少壓力損失。在圓形管道中，壓力損失Δp與流道半徑的4次方成反比，即流道界面越小，壓力損失就越大，因此需要適當(dāng)增大澆注系統(tǒng)的截面積。但截面積不是越大越好，截面積太大會導(dǎo)致流速變慢，剪切速率變小，流動性降低，壓力損失反而會加大。壓力損失和熔體表觀粘度成正比，降低表觀粘度有利與充模，較高的熔體溫度可有效降低表觀粘度，但熔體溫度不能超過其降解溫度。另外降低粘度還可以通過提高聚合物剪切速率的方式，減小澆口尺寸或增加注射壓力均可提高剪切速率。

一般情況下影響注射成型質(zhì)量的因素非常多，在原材料和模具結(jié)構(gòu)確定好后，成型參數(shù)的合理設(shè)置對塑件質(zhì)量的好壞至關(guān)重要。

3 電位器盒蓋網(wǎng)格模型

在三維軟件中設(shè)計出電位器盒蓋的幾何模型，如圖1所示。塑件尺寸為97×58×30mm，壁厚均勻，均為2.5mm。材料采用PS，該材料的電絕緣性優(yōu)良，著色性、耐水性、化學(xué)穩(wěn)定性良好，機械強度中等，適于制作儀表外殼、化學(xué)儀器零件、接線盒以及電池盒等。

圖1 電位器盒蓋幾何模型

在設(shè)計電位器盒蓋的幾何模型時，在不影響塑件結(jié)構(gòu)和功能要求的情況下，盡量簡化幾何模型，忽略模型中的細(xì)節(jié)部分，這樣可簡化后續(xù)的網(wǎng)格模型的生成和修改。

電位器盒蓋的網(wǎng)格模型如圖2所示，對網(wǎng)格模型進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表1所示，可看出該網(wǎng)格具有較高的質(zhì)量，滿足分析的要求。

圖2 電位器盒蓋網(wǎng)格模型

表1 電位器盒蓋網(wǎng)格統(tǒng)計情況

4 電位器盒蓋澆注系統(tǒng)設(shè)計

澆注系統(tǒng)是模具系統(tǒng)中位于注塑機噴嘴和模具型腔間熔體流過的通道。澆注系統(tǒng)的設(shè)計是否合理對塑件的內(nèi)在質(zhì)量和外觀均有很大影響。在分流道和型腔之間的通道是澆口，澆口設(shè)計得是否合理對成型質(zhì)量影響較大。

在MoldFlow軟件中有最佳澆口分析模塊，通過該模塊可得出電位器盒蓋單型腔得最佳澆口節(jié)點，為組合型腔的澆注系統(tǒng)進(jìn)一步設(shè)計提供參考。

電位器盒蓋的最佳澆口位置示意圖如圖3所示，圖3中電位器盒蓋的中間位置顯示為最佳澆口位置。在選擇澆口位置時盡量靠近最佳澆口位置，有利于熔體在型腔中均衡流動。

圖3 電位器盒蓋最佳澆口位置

在選擇電位器盒蓋分型面時，考慮不影響盒蓋的外觀、方便清楚毛刺和飛邊、利于排氣、分模后塑件留在動模一側(cè)等影響因素，將分型面設(shè)置在盒蓋外形最大輪廓處，如圖4所示。采用圖4a所示的分型面分型時，塑件由兩個模板成型，會產(chǎn)生一定的誤差，并且飛邊不容易去除。采用圖4b所示的分型面分型時，塑件整體由一個模板成型，消除了合模誤差，產(chǎn)生的飛邊容易去除。因此采用圖4b所示的分型面。

圖4 電位器盒蓋分型面選擇

提出了兩種澆注系統(tǒng)設(shè)計方案，分別是點澆口和側(cè)澆口澆注系統(tǒng)。點澆口澆注系統(tǒng)如圖5所示，側(cè)澆口如圖6所示。兩種澆注系統(tǒng)的主流道和分流道的管道直徑相同。兩種方案在進(jìn)行流動分析時采用相同的工藝參數(shù)。

分別對圖5和圖6所示的兩種澆注系統(tǒng)進(jìn)行流動分析，充填時間結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

圖5 電位器盒蓋 點澆口澆注系統(tǒng)

圖6 電位器盒蓋 側(cè)澆口澆注系統(tǒng)

圖7 點澆口澆注系統(tǒng)注射時間

圖8 側(cè)澆口澆注系統(tǒng)注射時間

兩種澆注系統(tǒng)的翹曲分析結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 點澆口澆注系統(tǒng)翹曲分析

圖10 側(cè)澆口澆注系統(tǒng)翹曲分析

從圖7和圖8的充填時間結(jié)果可看出，采用點澆口的澆注系統(tǒng)充填時間為1.666s，而采用側(cè)澆口的澆注系統(tǒng)充填時間為1.754s，因此時間短。比較圖7和圖8的充填流動過程可看出采用點澆口的澆注系統(tǒng)熔體在型腔內(nèi)向各個部位流道更加均衡。從圖9和圖10的翹曲分析結(jié)果可看出，采用點澆口的澆注系統(tǒng)總體變形量為0.2934mm，而采用側(cè)澆口的澆注系統(tǒng)總體變形量為0.2945mm。比較圖7和圖8的翹曲變形分布可看出點澆口的澆注系統(tǒng)塑件翹曲分布更加均勻。因此決定采用點澆口的澆注系統(tǒng)。

5 注射成型工藝參數(shù)優(yōu)化及結(jié)果分析

在對澆口類型和位置進(jìn)行分析后，選擇點澆口澆注系統(tǒng)方案，采用正交實驗設(shè)計在MoldFlow軟件對其進(jìn)行優(yōu)化分析。正交試驗設(shè)計用來分析因式設(shè)計，是一種多因素試驗設(shè)計方法，具有高效、快速經(jīng)濟的特點。

翹曲是脫模后塑件發(fā)生得變形。翹曲主要是由于塑件成型時不均勻收縮導(dǎo)致。如果塑件收縮均勻，翹曲就不會發(fā)生，而僅僅會縮小尺寸。由于分子配向性、模具冷卻、塑件形狀、模具結(jié)構(gòu)及成形工藝參數(shù)等多個因素的影響，實際注射過程中難以做到均勻收縮。

為減小塑件的翹曲變形量，運用正交實驗設(shè)計方法，并使用模流軟件MoldFlow分析了翹曲量，并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得出優(yōu)化的成型工藝參數(shù)。

影響塑件翹曲的因素很多，綜合考慮各個因素的影響，正交實驗因素設(shè)定為模具表面溫度（A）、熔體溫度（B）、保壓壓力（C）及保壓時間（D）。參考MoldFlow軟件提供的推薦值以及實際經(jīng)驗，設(shè)定各因素的取值范圍為：模具表面溫度（A）為30℃～90℃，熔體溫度（B）為210℃～270℃，保壓壓力（C）為充填壓力的60%～90%及保壓時間（D）4～13s。設(shè)計出各個實驗因素的水平，如表2所示。

表2 正交實驗因素及水平

正交試驗的方案及結(jié)果如表3所示。表3中K1、K2、K3、K4分別表示每個因素水平數(shù)相同的各次實驗結(jié)果的總和。分別表示每個因素水平數(shù)相同的各次實驗結(jié)果的平均水平。極差R大小反映出正交實驗中的相應(yīng)因素對指標(biāo)的作用顯著性，極差大說明該因素對實驗結(jié)果造成的差別大，是較重要的因素。通過比較的值選出最佳因素水平組合。

表3 正交實驗方案及結(jié)果

為直觀了解正交試驗各因素水平改變對翹曲量指標(biāo)的影響情況，給出了各因素對翹曲量影響的變化圖，如圖11所示。

圖11 工藝參數(shù)對翹曲量的影響

從表3和圖4可看出，4個成型工藝參數(shù)對翹曲量指標(biāo)影響程度主次順序為：D>A>C>B，即保壓時間因素對翹曲量指標(biāo)影響最大，模具表面溫度和保壓壓力因素影響次之、熔體溫度因素影響最小。工藝參數(shù)的最佳水平組合：A1-B4-C4-D3，即模具表面溫度可設(shè)定為30℃，熔體溫度可設(shè)定為270℃，保壓壓力設(shè)置為充填壓力90%，保壓時間設(shè)置為10s。

在MoldFlow軟件中設(shè)置優(yōu)化后的成型參數(shù)，得出翹曲變形量為0.2339mm。初始情況根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置的4個工藝參數(shù)分別是：模具表面溫度設(shè)置為50°，熔體溫度設(shè)置為230°，保壓壓力設(shè)置為充填壓力80%，保壓時間設(shè)置為8s，其翹曲變形量為0.2934mm，優(yōu)化設(shè)計后翹曲變形減小了20.28%。

6 結(jié)論

（1）對電位器盒蓋澆注系統(tǒng)中的圓形管道，分析了熔體在圓形管道中流動狀態(tài)，得出熔體在圓形管道中流動時壓力損失的影響因素，為后續(xù)注射成型工藝參數(shù)的選擇和控制提供理論依據(jù)。

對電位器盒蓋進(jìn)行了最佳澆口分析，找出了最佳澆口位置，并設(shè)計了合理的分型面。

（3）比較研究了電位器盒蓋點澆口和側(cè)澆口澆注系統(tǒng)兩種方案，發(fā)現(xiàn)點澆口澆注系統(tǒng)充填時間更短，熔體在型腔內(nèi)向各個部位流道更加均衡，翹曲變形分布更加均勻，變形量更小。因此決定采用點澆口的澆注系統(tǒng)。

（4）使用正交實驗方法優(yōu)化成型參數(shù)，設(shè)定翹曲量為正交實驗質(zhì)量指標(biāo)，選擇保壓壓力、模具表面溫度、熔體溫度及保壓時間4個工藝參數(shù)為實驗因素，通過優(yōu)化得出4個成型參數(shù)對翹曲量指標(biāo)影響程度，并得到工藝參數(shù)的最佳水平組合。優(yōu)化后電位器盒蓋翹曲量從0.2934mm下降到0.2339mm，減小了20.28%，改善了塑件的翹曲變形問題。優(yōu)化取得了非常好的效果。