基于Moldflow汽車配件注塑工藝參數(shù)優(yōu)化

王善凱，李 晶，胡激濤，孫曉盼，范曉健

（1.西安工程大學(xué) 機電工程學(xué)院，陜西 西安710048；2.惠州市銀寶山新科技有限公司，廣東 惠州516000）

0 引 言

隨著模擬分析技術(shù)的不斷發(fā)展以及模具工業(yè)體系的不斷完善，注塑模具的大部分設(shè)計、分析工作可以由軟件代替人工來完成，在一定程度上降低了模具的設(shè)計、開發(fā)周期，提高模具生產(chǎn)率［1-3］.文獻(xiàn)［4］利用Moldflow對模具的澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，降低注塑件缺陷情況的發(fā)生；文獻(xiàn)［5］利用Moldflow對壁厚不均勻的注塑件進行了結(jié)構(gòu)修正，改善了注塑件的縮痕，降低了翹曲量.上述文獻(xiàn)僅是利用Moldflow對模具結(jié)構(gòu)或制件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并沒有對注塑工藝進行參數(shù)分析，導(dǎo)致反復(fù)試模多次才能得到較佳注塑工藝參數(shù).因此，在注塑模具開模之前甚至在模具設(shè)計之初確定注塑工藝參數(shù)，具有一定的實際意義［6］.

本文所要分析的對象為比亞迪某型號汽車的配件，此配件整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且所使用材料為含有15%玻璃纖維的PP材料.如果在注塑過程中工藝參數(shù)設(shè)置不合理，注塑件極易產(chǎn)生翹曲、熔接痕等質(zhì)量問題.因此，在模具試模之前采用Autodesk公司的Moldflow軟件對注塑件的注塑成型過程進行分析，以注塑件的翹曲變形量為主要指標(biāo)來確定注塑過程的工藝參數(shù)設(shè)置，并對注塑成型過程中產(chǎn)生的翹曲變形進行一定優(yōu)化［7］.這樣可以提高試模的成功率，在最大程度上降低模具生產(chǎn)成本，縮短模具開發(fā)周期.

1 初始分析

在Moldflow中，初始分析的目的在于為后續(xù)模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化、注塑工藝參數(shù)設(shè)置及注塑件質(zhì)量提高提供有效依據(jù)［8］.但Moldflow中的初始分析并非所有參數(shù)全部按照系統(tǒng)默認(rèn)來進行設(shè)置，其相關(guān)參數(shù)的設(shè)置必須在合理的計算范圍之內(nèi).這樣才能使初始分析的結(jié)果更加精確，同時為后續(xù)優(yōu)化和設(shè)置提供更為有利的依據(jù).

由于分析實驗以翹曲變形為主要參考指標(biāo)，因此初始分析中，分析類型選擇“冷卻＋充填＋保壓＋翹曲”.在工藝參數(shù)設(shè)置中“注射＋保壓＋冷卻時間”設(shè)置為“指定30s”，開模時間為5s，充填控制、V／P切換方式為默認(rèn)設(shè)置“自動”，保壓控制為10s的80%V／P切換點壓力，最后分離翹曲原因.工藝設(shè)置完成后開始注塑成型分析.

分析結(jié)束后，通過分析日志及結(jié)果文件查看分析結(jié)果：充填時間為1.917s，充填速率約為140cm3／s，充填體積達(dá)到98.09%時進行 V／P切換.翹曲變形如圖1所示，注塑件的翹曲主要發(fā)生在邊角處，所有因素引起的總翹曲量最大為0.819 6mm，其中收縮不均、角效應(yīng)及取向效應(yīng)是引起翹曲變形的主要因素.由冷卻不均所引起的翹曲較小，忽略不計.

圖1 初始分析翹曲變形Fig.1 The warping deformation initial analysis

2 實 驗

Moldflow中的實驗設(shè)計（DOE）的基礎(chǔ)是正交試驗法，可以通過確定試驗參數(shù)對試驗?zāi)繕?biāo)影響程度的大小來調(diào)整工藝參數(shù)，從而獲得較佳工藝水平組合.在Moldflow注塑成型分析中，應(yīng)用實驗設(shè)計可以判斷注塑溫度、模具溫度、沖填時間、保壓時間、保壓壓力等對注塑件質(zhì)量影響大小以及確定較佳工藝參數(shù)組合［9-11］.

2.1 實驗設(shè)計

在利用實驗設(shè)計進行工藝參數(shù)優(yōu)化過程中，確定試驗指標(biāo)、因子及水平是其首要工作.在此次分析中，將翹曲變形量作為試驗指標(biāo)，而試驗因子及水平設(shè)置如下：

（1）注塑溫度 該注塑件采用Asahi Thermofil公司的Thermylene P6-15FG-1734型號的PP材料，該型號材料添加有15%的玻璃纖維.在Moldflow材料庫中，此材料的注塑溫度范圍為218℃～243℃，推薦溫度是231℃.因此，注塑溫度選取220℃，225℃，230℃，235℃4個值.

（2）模具溫度 Moldflow材料庫中，Thermylene P6-15FG-1734型號的PP材料的模具溫度范圍為49℃～82℃，推薦溫度為64℃.因此，在推薦范圍內(nèi)選取60℃，65℃，70℃，75℃4個值.

（3）充填時間 根據(jù)首次模擬情況，充填時間選取1.7s，1.8s，1.9s，2.0s4個值，其中開模時間默認(rèn)5s不變.

（4）保壓時間 根據(jù)首次模擬情況，保壓時間選取8s，10s，12s，14s4個值.

（5）保壓壓力 根據(jù)首次模擬情況，保壓采用百分比形式，即保壓壓力為100%的V／P轉(zhuǎn)換點壓力.因此，選取保壓壓力為80%，87%，93%，100%.

將注塑溫度、模具溫度、充填時間、保壓時間、保壓壓力分別簡稱為A，B，C，D，E 5個因子，并假設(shè)每個因子之間不存在交互作用，取值結(jié)果如表1所示.

表1 影響翹曲指標(biāo)的因子及水平Table 1 The factor and level which influences warp indicators

2.2 數(shù)值分析

由于選擇的是5個因子，且每個因子有4組水平值，因此采用5因素4水平的正交試驗矩陣進行試驗設(shè)計，并按照L16（45）的正交表在電腦上進行模擬試驗，同時取所有因素導(dǎo)致翹曲變形量Z（mm）為試驗指標(biāo)，得到相應(yīng)正交表及翹曲變形量如表2所示.

表2 L16（45）試驗表及翹曲變形量Z數(shù)值Table 2 The orthogonal table of L16（45）and warpage

模擬試驗結(jié)束后，為找出試驗指標(biāo)隨因素變化的規(guī)律及趨勢，觀察因素變化對指標(biāo)的影響效果，需要對16組進行分析計算，得出各因素在每個水平上的均值，并創(chuàng)建因子水平極差分析表，如表3所示.表中極差R的大小為因子在4個水平下最大值與最小值之差，即因子水平的極差.極差的大小反映了試驗因素對試驗指標(biāo)的影響程度，極差大則試驗因素對指標(biāo)影響程度大，為主要因素；反之亦然.由表3可知，極差R的大小順序為0.084＞0.062＞0.033＞0.019＞0.016，表明注塑工藝參數(shù)對汽車配件翹曲變形量的影響程度順序為E＞A＞D＞C＞B，即保壓壓力＞注塑溫度＞保壓時間＞充填時間＞模具溫度.

通過分析可以得出以下結(jié)論：對于汽車配件翹曲變形量，保壓壓力的影響最大，其次為注塑溫度，模具溫度、充填時間，保壓時間對翹曲變形影響最小.同時注塑工藝參數(shù)的最優(yōu)方案為A1B3C1D3E4，即選用注塑溫度220℃，模具溫度70℃，充填時間1.7s，保壓時間12s，保壓壓力為100%的V／P轉(zhuǎn)換點壓力.

由于上述各因素水平組合A1B3C1D3E4沒有包含在正交矩陣實驗設(shè)計中，因此需要對這一因素水平組合進行進一步驗證.將因素水平數(shù)據(jù)設(shè)置到工藝設(shè)置中后進行運行分析，結(jié)果如圖2所示，其翹曲變形量為0.466 3mm，比16組數(shù)據(jù)中的翹曲量小.

表3 因子水平極差分析Table 3 The range′s analysis of factor′s level

3 保壓曲線優(yōu)化

在注塑件的注塑成型過程中，保壓是其非常重要的一個環(huán)節(jié)，保壓時間及大小的設(shè)置是否合理將直接影響到注塑件成型后的強度、收縮、翹曲等方面的質(zhì)量［12］.良好的保壓設(shè)置可以在很大程度上減小注塑件的收縮，降低翹曲變形量，有助于提高注塑件的外觀質(zhì)量.而保壓時間過長或過短以及保壓壓力的過大或過小都會對注塑件質(zhì)量產(chǎn)生不良影響［13］.在Moldflow中，保壓的分析與優(yōu)化主要是通過調(diào)整保壓曲線來實現(xiàn)的.通過對保壓曲線的調(diào)整，使得注塑件的體積收縮率盡可能減小且均勻分布，從而降低因收縮不均而引起的翹曲變形.

圖2 最佳因素水平組合的翹曲變形Fig.2 The warping deformation of best factors

3.1 保壓時間的確定

在Moldflow中，注塑過程的保壓時間由V／P切換時間起一直持續(xù)到澆口凝固時間為止.當(dāng)澆口凝固以后，模具型腔內(nèi)的塑料溶體再也無法得到補充，同時模具型腔內(nèi)的塑料溶體也不會發(fā)生倒流，這時候如果再繼續(xù)進行保壓，就會造成能量的浪費.但是過早地停止保壓就會導(dǎo)致模具型腔外的壓力小于模具型腔內(nèi)的壓力，造成模具型腔內(nèi)的塑料溶體的回流.因此要選擇合理的保壓時間.

由前面實驗設(shè)計可知，較佳的保壓時間及保壓壓力分別為12s、100%V／P切換壓力.正交試驗選出的是翹曲變形量最小時的保壓時間，12s的保壓時間可能會導(dǎo)致過保壓，因此需要對保壓時間進行進一步確定.利用Moldflow的查詢功能查得澆口的柱狀體為B73724，并查看結(jié)果文件確定12.52s時凍結(jié)層因子變?yōu)?，澆口完全凍結(jié).而查詢充填日志可知，注塑件的充填時間（即V／P切換時間）為1.82s.因此，保壓時間為

式中，t為保壓時間，s；tn為澆口完全凝結(jié)時間，s；tV／P為 V／P切換時的時間，s.

利用Moldflow的查詢功能查得充填末端為N6173，查看結(jié)果文件的壓力—XY圖可知，在3.15s時充填末端壓力達(dá)到最大值，而在13.24s時充填末端壓力值變?yōu)榱?因此保壓曲線中恒壓保壓時間為

式中，t1為恒壓保壓時間，s；tmax為最大壓力時間，s；tmin為達(dá)到零時壓力時間，s.

3.2 保壓曲線擬合

由于大多數(shù)注塑機不能像Moldflow分析一樣設(shè)置壓力衰減的保壓方式，只能提供階梯狀恒定保壓方式，故為了使Moldflow分析更加貼近實際保壓情況，需要將保壓曲線進一步擬合成實際注塑機的保壓曲線.

圖3 壓力衰減分段擬合Fig.3 The piecewise fitting of pressure attenuation

圖4 保壓曲線最終設(shè)置Fig.4 The set of pressure curve

3.3 驗證

根據(jù)注塑件的體積尺寸，并結(jié)合上述Moldflow分析結(jié)果，在實際試模中注塑工藝參數(shù)設(shè)置如下：注塑溫度220℃，模具溫度70℃，充填時間1.7s，保壓時間10.7s，保壓壓力設(shè)置按照圖4所示進行，開模時間為5s.試模結(jié)束后，對注塑件質(zhì)量進行檢查：注塑件翹曲變形量較小，在允許范圍之內(nèi)；同時注塑件沒有明顯的飛邊、短射及熔接痕等質(zhì)量缺陷，符合設(shè)計要求.

4 結(jié) 論

（1）利用Moldflow軟件對比亞迪某型號汽車配件的注塑成型過程的工藝參數(shù)進行了分析和優(yōu)化.通過對汽車配件的成型過程進行分析得出一組較佳工藝參數(shù)組合：注塑溫度220℃，模具溫度70℃，充填時間1.7s，保壓時間10.7s，保壓壓力剛開始時為100%的V／P轉(zhuǎn)換點壓力，并進行分段保壓.

（2）使用Moldflow軟件對注塑工藝參數(shù)進行分析和優(yōu)化不僅可以有效地減少模具設(shè)計、生產(chǎn)中的反復(fù)試模、修模過程，做到一次試模成功；同時還可以縮短模具設(shè)計生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本.

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