數碼相機外殼模具結構及其成型工藝優(yōu)化

傅建鋼

(紹興職業(yè)技術學院機電工程與交通學院, 浙江 紹興，312000)

衡量注塑產品成型質量的主要指標有熔接痕、翹曲變形、飛邊等。不同類型的產品對成型質量的指標有不同的要求。裝配體需要將多個塑料件組裝成一體，對于裝配體而言，翹曲變形是一個非常重要的指標。許多研究者在減小翹曲變形上做了大量研究。季寧等[1]使用正交試驗優(yōu)化體積收縮率。傅建鋼[2]分析了影響塑件質量的主要因素，提出了優(yōu)化措施。陳曉春[3]對A柱內飾件進行分析，得出最佳工藝參數組合。陳澤中等[4]通過模擬明確了影響產品質量的重要原因。研究者使用了多項式響應面模型和神經網絡模型的方法，建立了關系模型[5-7]。下面從優(yōu)化相機外殼模具結構入手，建立正交試驗方案，得到最優(yōu)工藝參數組合，提高了產品質量。

1 模具結構優(yōu)化設計

1.1 產品及材料分析

數碼相機外殼如圖1所示，外殼總體尺寸為94 mm×60 mm×13 mm，殼蓋壁厚約為1.5 mm。該外殼為相機上蓋，需要與其他零件進行裝配，對產品的尺寸和形狀都有較高的精度要求。

數碼相機外殼材料選用Monsanto Kasei公司生產的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的三元共聚物(ABS)塑料(牌號為TFX-610-EB)，ABS塑料具有強度高、表面硬度大、光滑、易清潔處理和尺寸穩(wěn)定等特點。

1.2 澆注系統(tǒng)優(yōu)化設計

相機外殼表面質量要求較高，不能有澆口的痕跡，所以不能在產品表面設置點澆口。為了找出產品的較佳澆口位置，以側澆口的方式分別設置單點澆口(方案1)、兩點橫向澆口(方案2)和兩點縱向澆口(方案3)進行對比分析，3種澆口方案如圖2所示，3種澆口方案的填充時間分析如圖3所示。

由圖3可以看出：方案3的填充時間最長，為0.951 s，方案2的填充時間最短，為0.942 s，3種方案均無短射情況；方案1單點澆口的壓力最大，達到53.06 MPa，方案3兩點縱向澆口的壓力最低，達到34.82 MPa，兩點橫向澆口的壓力比兩點縱向澆口的壓力稍高，達到41.02 MPa；方案1的熔接線較少，而兩點澆口的2種方案的熔接線均較多，方案2和方案3的區(qū)別在于熔接線的位置不同，方案2的熔接線出現在產品較厚的區(qū)域，而方案3的熔接線出現在產品較窄區(qū)域，會導致產品的強度不夠。因此，澆注系統(tǒng)設計選用方案2，即兩點橫向澆口方案。

1.3 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設計

根據產品結構特點，設計了2種冷卻方案。一種是上下兩側分別設置冷卻水路(冷卻方案1)；另一種是在產品四周增加了冷卻水路，產品背面使用了隔水板水路(冷卻方案2)。冷卻水路設計方案如圖4所示。

分別對2種水路方案以默認工藝參數開展“流動+冷卻+翹曲”分析，對受冷卻回路影響最大的幾項結果進行了對比，結果表明：冷卻方案2的回路冷卻液溫差更小、達到頂出溫度的時間(零件)更短、由冷卻不均和收縮不均等引起的翹曲變形更小，冷卻方案2的各項結果均優(yōu)于冷卻方案1，能夠更好地滿足生產要求。因此，冷卻系統(tǒng)設計選擇冷卻方案2。

冷卻方案2中由不同因素引起的翹曲變形，由收縮不均引起的翹曲變形為0.282 mm，而由冷卻不均引起的翹曲變形僅為0.007 mm。可以看出，大部分變形均由收縮不均引起，而冷卻不均對翹曲變形的影響可以忽略不計，即冷卻系統(tǒng)的改變對翹曲變形的影響不大。如果想要減少收縮不均造成的翹曲值，可以嘗試通過優(yōu)化成型工藝參數來實現。

2 成型工藝參數優(yōu)化

在影響產品翹曲變形的參數中，以熔體溫度、模具溫度、注射時間、保壓壓力占注射壓力的百分比以及保壓時間 5個參數為分析目標，分別用A，B，C，D，E表示。按5因素4水平設計了產品成型的正交試驗分析方案，正交試驗因素及水平如表1所示，正交試驗方案及結果如表2所示。

表1 正交試驗因素及水平

表2 正交試驗方案及結果

由表2可以看出，保壓壓力的極差值最大，是影響翹曲變形最主要的因素，注射時間的影響次之，模具溫度的影響最小。各因素對翹曲變形的影響大小依次為：保壓壓力占注射壓力的百分比>注射時間>熔體溫度>保壓時間>模具溫度。結合均值分析，得到最佳工藝參數組合為：A4B4C4D4E4，即熔體溫度為270 ℃、模具溫度為75 ℃、注射時間為2.5 s、保壓壓力占注射壓力的110%、保壓時間為19 s。

各因素與翹曲值的關系如圖5所示。

由圖5可以看出：在一定的溫度范圍內，隨著熔體溫度的增加，翹曲變形逐漸減小；模具溫度與翹曲變形的關系較為復雜，隨著模具溫度的增加，翹曲變形逐漸減小，當模具溫度達到一定值時，翹曲變形又逐漸變大，隨后翹曲值又逐漸減小；翹曲變形隨著注射時間的增加而減小，當注射時間較短時，塑料熔體在模具型腔中的流動速率會更快，分子間的剪切作用越大，導致分子間產生嚴重的取向問題，進而造成嚴重的收縮不均，產生較大的翹曲變形；在一定壓力范圍內，翹曲變形隨著保壓壓力占注射壓力的百分比增大而減小，保壓的作用在于補充收縮和防止倒流，保壓壓力較高時，通過補縮能夠增大密度，減小成型收縮，進而可以減小因收縮而引起的翹曲變形；隨著保壓時間的增加，翹曲變形逐漸減小，當保壓時間達到一定值后，翹曲變形維持在較低水平，這是因為當保壓時間到達一定值之后，澆口處逐漸凝固，無法對模具型腔進行保壓補縮，再增加保壓時間無法達到減小翹曲變形的目的。

3 試驗驗證

分析得到的最佳工藝參數組合為A4B4C4D4E4，該組合不在正交試驗組合中，故需用模流分析軟件進行分析。以熔體溫度270 ℃、模具溫度75 ℃、注射時間2.5 s、保壓壓力占注射壓力的110%、保壓時間19 s為參數進行分析，得到該組工藝參數下產品的翹曲值為0.177 mm，該翹曲值比正交試驗得到的翹曲值還小，分析結果如圖6所示。相比于模具結構優(yōu)化后得到的較佳翹曲值0.282 mm，模流分析得到的最佳翹曲值減小了0.105 mm，降幅高達37.3%，達到了優(yōu)化目的。

采用優(yōu)化得到的最佳工藝參數組合進行試驗驗證，通過對試驗后得到的產品進行檢測，該數碼相機外殼的最大翹曲值為0.181 mm。該試驗檢測值與模流分析得到的翹曲值僅相差0.004 mm，兩者具有較高的一致性。

4 結論

a) 設計了3種澆注方案和2種冷卻方案，確定了最佳澆注方案和冷卻方案，明確了大部分翹曲變形由收縮不均引起，而非冷卻不均引起。

b) 運用正交試驗分析，獲得了產品成型的最佳工藝參數：熔體溫度270 ℃，模具溫度75 ℃，注射時間2.5 s，保壓壓力占注射壓力的110%，保壓時間19 s。采用最佳工藝參數進行產品成型試驗，塑件的翹曲值為0.181 mm。該值與模流分析得到的翹曲值僅相差0.004 mm，兩者具有較高的一致性，實現了降低產品翹曲值的目的。