基于正交試驗(yàn)的端蓋注塑件優(yōu)化

趙蓓蓓,于滬平,李宏生

(上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院塑性成形技術(shù)與裝備研究院,上海 200030)

隨著注塑工藝的發(fā)展,注塑制品的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,人們對(duì)塑料制品的外觀質(zhì)量和使用性能的要求也越來(lái)越高。塑料制品在注射成形過(guò)程中出現(xiàn)的裂紋、縮孔、翹曲等缺陷,會(huì)嚴(yán)重影響制品的外觀質(zhì)量和力學(xué)性能,使塑件很難滿足現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展要求。

本文針對(duì)端蓋在注塑成形過(guò)程中出現(xiàn)的翹曲變形現(xiàn)象進(jìn)行研究,嘗試用正交試驗(yàn)結(jié)合CAE技術(shù)和復(fù)合形法來(lái)解決減小翹曲變形量的問(wèn)題。所采用的CAE分析軟件是塑料流動(dòng)分析軟件Moldflow Plastics Insight 6.1。

1 引起注塑件翹曲變形的主要因素

在塑件成形過(guò)程中,翹曲變形是影響注塑制品質(zhì)量的重要因素,而引起翹曲變形的原因主要有以下幾個(gè)方面:

(1)塑料。塑料原料本身的流動(dòng)性、熱物理性能、力學(xué)性能等對(duì)翹曲都有不同程度的影響,尤其是塑料中玻璃纖維的取向會(huì)造成較大的翹曲變形[1]。

(2)塑件結(jié)構(gòu)。塑件的厚度、質(zhì)量分布、局部貯熱差異、幾何形狀彎曲程度及加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)的合理性等[2],都會(huì)引起塑件的翹曲變形。

(3)注射成形工藝參數(shù)。注射成形全過(guò)程涉及的主要工藝參數(shù)有:模具溫度、熔體溫度、注射速度、注射壓力、保壓壓力、保壓時(shí)間和成形周期等,這些工藝參數(shù)影響材料的定向和結(jié)晶[2]。因此,能否合理地選擇參數(shù)將直接影響塑件的翹曲變形。

(4)模具。冷卻水道、澆口位置及數(shù)量、頂桿的布置、模腔的剛度等設(shè)計(jì)是否合理,也將影響塑件的翹曲變形。

2 翹曲變形分析

2.1 塑件造型及有限元網(wǎng)格劃分

用PRO/ENGINEER軟件構(gòu)建制品三維模型,通過(guò)IGES交換文件格式讀入,并轉(zhuǎn)換成Moldflow的MPI表面網(wǎng)格(Fusion)模型。由于此端蓋零件尺寸較小,為了提高生產(chǎn)效率,采用一模四腔的型腔排布。在對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),綜合考慮分析精度和運(yùn)算時(shí)間,將有限元網(wǎng)格的三角形邊長(zhǎng)設(shè)定為5mm,經(jīng)軟件的自動(dòng)修補(bǔ)和手動(dòng)功能對(duì)網(wǎng)格單元進(jìn)行控制修改,最后得到網(wǎng)格單元共64128個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)為32332個(gè),沒有畸形網(wǎng)格。圖1是在Moldflow軟件中網(wǎng)格劃分完畢的產(chǎn)品模型圖。

圖1 有限元網(wǎng)格劃分

2.2 模擬工藝參數(shù)確定與優(yōu)化

模擬分析采用的材料是牌號(hào)為Akulon k222-KGV4/A的PA6塑料。在數(shù)值模擬軟件Moldflow中,可看到此材料的成形工藝特性,材料適宜的成形模溫為50～80℃,推薦模溫為65℃,熔體溫度為230～265℃,推薦料溫為248℃,推薦頂出溫度為182℃,最大剪切應(yīng)力為0.31 MPa。

采用正交試驗(yàn)方法,選擇不同的工藝參數(shù)進(jìn)行模擬,在成形工藝條件范圍內(nèi)選取最優(yōu)工藝方案。結(jié)合模擬軟件給出的工藝參數(shù)和材料性能,確定影響翹曲的因素有:定模溫度、動(dòng)模溫度、熔體溫度、螺桿速度、螺桿位置、保壓時(shí)間、保壓壓力。分析因素和相應(yīng)水平見表1。

2.2.1 正交試驗(yàn)配置

利用正交試驗(yàn)法對(duì)影響塑件翹曲變形的主要工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)選擇正交表L27(37),利用正交試驗(yàn)矩陣設(shè)計(jì)對(duì)定模溫度、動(dòng)模溫度、熔體溫度、螺桿速度、螺桿位置、保壓時(shí)間、保壓壓力等7個(gè)因素、3個(gè)水平進(jìn)行模擬試驗(yàn),研究其對(duì)翹曲變形的影響,找出最佳的工藝參數(shù)組合。L27(37)正交試驗(yàn)配置見表2[3]。

2.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬結(jié)果分析

試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果是制品的翹曲變形量,采用軟件的Cool-Flow-Warp模塊進(jìn)行分析,其結(jié)果見表2。

表1 因素水平表

表2中,K1、K2、K3分別為某工藝參數(shù)在第1、2、3水平下的翹曲變形量之和;k1、k2、k3分別為某工藝參數(shù)在第1、2、3水平下的翹曲變形量的平均值,即ki=Ki/9;極差為ki中的最大值與最小值之差;S為每列組數(shù)的離差平方和,公式為:S=

通過(guò)分析可知:

(1)對(duì)塑件翹曲變形有顯著影響的因子是定模溫度、保壓時(shí)間和保壓壓力,其次是螺桿位置、填充速度,而熔體溫度和動(dòng)模溫度的影響最小。

(2)最優(yōu)方案是A1B1C1D1E1F2G3,即取定模溫度為60℃,動(dòng)模溫度為60℃,熔體溫度為232℃,填充速度為35mm/s,螺桿位置為28mm,保壓時(shí)間為4 s,保壓壓力為106.5 MPa。

2.2.3 基于正交試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的優(yōu)化

由模擬結(jié)果可知,對(duì)塑件翹曲變形影響最大的因子是定模溫度、保壓時(shí)間和保壓壓力。綜合比較最優(yōu)方案和27組正交試驗(yàn)方案的模擬結(jié)果,可得出翹曲變形量最小的工藝參數(shù)組合為:定模溫度60℃,動(dòng)模溫度60℃,熔體溫度232℃,填充速度35mm/s,螺桿位置32mm,保壓時(shí)間6 s,保壓壓力106.5 MPa,周期17.4 s,余料量26.8mm。經(jīng)Moldflow軟件模擬分析后,可得此時(shí)塑件的模擬翹曲總變形量最大值為0.45mm。

以定模溫度、保壓時(shí)間和保壓壓力3個(gè)因素作為3個(gè)變量 x1、x2、x3,保持其他參數(shù)不變,用復(fù)合形法對(duì)3個(gè)因素進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。所謂復(fù)合形法是指在n維空間中構(gòu)成多面體即復(fù)合形,計(jì)算各頂點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的函數(shù)值,逐一進(jìn)行比較,并利用一定的手段找出函數(shù)值有所改善的點(diǎn),以取代最壞點(diǎn),如此反復(fù),直到滿足要求為止。結(jié)合正交試驗(yàn)最優(yōu)方案的參數(shù),確定各參數(shù)的取值范圍:55≤x1≤65、2≤x2≤11、95≤x3≤120。優(yōu)化過(guò)程如下[4]:

表2 L27(37)正交試驗(yàn)方案與模擬結(jié)果

(1)設(shè) ε=0.0010,反射系數(shù) α=1.3,用任選點(diǎn)法確定初始復(fù)合形的6個(gè)頂點(diǎn),分別為:

對(duì)照參數(shù)的取值范圍,以上6個(gè)頂點(diǎn)滿足約束條件。

采用Moldflow軟件的Cool-Flow-Warp模塊對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行模擬分析,得到初始復(fù)合形各頂點(diǎn)的函數(shù)值(即模擬翹曲總變形量最大值)分別為:

故最壞點(diǎn)(即模擬翹曲總變形量最大的點(diǎn))是x(1)。舍去最壞點(diǎn) x(1),計(jì)算其余各頂點(diǎn)的中心點(diǎn)x(c),即:

經(jīng)檢查x(c)滿足約束條件。

(2)求反射點(diǎn)

經(jīng)檢查x(r)滿足約束條件。

比較反射點(diǎn)與最壞點(diǎn)的函數(shù)值:

(3)終止判別

因?yàn)?.0048＞ε,故重新比較6個(gè)頂點(diǎn)的函數(shù)值,重新求出中心點(diǎn),進(jìn)入第2次循環(huán)。當(dāng)經(jīng)過(guò)10次循環(huán)后:

由此可得,利用復(fù)合形法對(duì)端蓋注塑件的翹曲變形進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化,其最優(yōu)參數(shù)組合為:定模溫度56℃,動(dòng)模溫度60℃,熔體溫度232℃,填充速度35mm/s,螺桿位置32mm,保壓時(shí)間2.5 s,保壓壓力117.1 MPa,周期 17.4 s,余料量26.8mm。經(jīng)Moldflow軟件模擬分析可得,此組合下塑件的模擬翹曲總變形量最大值為0.432mm。

3 結(jié)論

(1)采用正交試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的方法,分析了工藝參數(shù)對(duì)注塑產(chǎn)品翹曲的影響規(guī)律。當(dāng)端蓋產(chǎn)品采用PA6注塑生產(chǎn)時(shí),定模溫度、保壓壓力和保壓時(shí)間對(duì)產(chǎn)品的翹曲變形影響最大。定模溫度降低或保壓壓力升高,都會(huì)使產(chǎn)品的翹曲量減小。

(2)基于正交試驗(yàn)的復(fù)合形法可使定模溫度、保壓壓力和保壓時(shí)間三大影響因素?cái)?shù)值進(jìn)一步收斂,從而獲得翹曲變形量最小的工藝參數(shù)組合。

(3)利用正交試驗(yàn)確定最優(yōu)方案的模擬總翹曲變形量為0.45mm,而采用復(fù)合形法后的總翹曲變形量可優(yōu)化到0.43mm,改進(jìn)了4%。由此得出復(fù)合形法可對(duì)設(shè)定參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化,優(yōu)化效果雖不顯著,但也證明了在正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,可采用其他優(yōu)化方法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步加以優(yōu)化,以縮短實(shí)際試模時(shí)間。

[1]孫寶壽,陳哲,吳真繁,等.薄壁注塑件翹曲影響因素分析及優(yōu)化研究進(jìn)展[J].機(jī)械制造,2009,47(12):25-29.

[2]付燕.注塑件翹曲變形分析及其解決途徑[J].機(jī)電工程技術(shù),2006,35(5):33-34.

[3]楊虎振.基于CAE技術(shù)的注塑制品翹曲變形研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2008.

[4]余俊,廖道訓(xùn).最優(yōu)化方法及其應(yīng)用[M].武漢:華中工學(xué)院出版社,1984.