基于正交優(yōu)化的ABS卡扣平板裝配工藝指標(biāo)分析

林 權(quán)

（武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建武夷山354300）

基于正交優(yōu)化的ABS卡扣平板裝配工藝指標(biāo)分析

林 權(quán)

（武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建武夷山354300）

應(yīng)用正交試驗(yàn)法，結(jié)合Autodesk Moldflow模流分析軟件，分別對(duì)3種不同進(jìn)料方案的ABS注塑件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探討注塑成型工藝條件對(duì)制品裝配指標(biāo)——翹曲變形量與體積收縮率的影響。通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)得到了最佳的工藝參數(shù)組合，即塑料溫度為210℃、充填時(shí)間為0.5 s、保壓時(shí)間為7 s、冷卻時(shí)間為10 s、開模時(shí)間為1.5 s、注射壓力為105 MPa和保壓壓力為注射壓力的60%。

薄壁塑件；翹曲變形；體積收縮率；工藝參數(shù)；正交試驗(yàn)；Moldflow

注射成型是塑料加工最重要的技術(shù)之一。依靠注塑模具不僅可以大批量復(fù)制生產(chǎn)，而且成品尺寸精度高，大多數(shù)產(chǎn)品不需二次加工，節(jié)省了大量的時(shí)間和人力成本［1］?，F(xiàn)代塑料制品設(shè)計(jì)越來越精巧化，薄殼的設(shè)計(jì)也越來越多，而薄件塑料產(chǎn)品生產(chǎn)過程需要較大的注射壓力，產(chǎn)品容易發(fā)生變形翹曲，尤其是薄件平板類塑料制品［2-3］。

本文以卡扣塑料平板為例，應(yīng)用正交試驗(yàn)法，結(jié)合Autodesk Moldflow模流分析軟件，對(duì)3種不同成型工藝方案的ABS注塑件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過系統(tǒng)有序?qū)嶒?yàn)，探討澆注系統(tǒng)建構(gòu)模式與注塑成型工藝條件對(duì)制品裝配指標(biāo)——翹曲變形量與體積收縮率的影響，進(jìn)而獲得最佳工藝參數(shù)組合。

1 創(chuàng)建模型與材料選擇

應(yīng)用Solidworks創(chuàng)建制品的3D模型，再導(dǎo)入MPI（Moldflow Plastics Insight），通過網(wǎng)格劃分與修改、材料選擇、澆道系統(tǒng)設(shè)計(jì)和創(chuàng)建冷卻系統(tǒng)，建立3種不同卡扣塑料平板成型工藝方案的有限元分析模型，如圖1所示。圖中制品外觀尺寸為長260 mm、寬104 mm、平均厚度約2.0 mm，在制品上表面中心線上均布著三個(gè)卡扣。在下表面的四角左右對(duì)稱均布著四個(gè)卡扣?？鬯芰掀桨鍨檠b配件，平板的幾何形狀尺寸尤為重要，注射成型中頂出體積收縮率與翹曲變形量是評(píng)定制品是否合格的重要指標(biāo)。圖1中方案一為兩點(diǎn)進(jìn)料，方案二與方案三為四點(diǎn)進(jìn)料；方案二采用的是矩形分流道，分流道頂部寬度為5 mm，底部寬度為4 mm，高度為4 mm，點(diǎn)澆口形狀為椎體，始端直徑為2 mm，錐體角度為2°；方案三采用圓形分流道，分流道直徑為6 mm，冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與方案二類似。

圖1 卡扣塑料平板有限元分析模型

實(shí)驗(yàn)材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS），奇美公司生產(chǎn)的牌號(hào)為一般注塑級(jí)Polylac PA-757，材料呈淺象牙色，外形為粒狀或珠狀，210℃即可達(dá)到材料的熔融溫度，250℃即可達(dá)到材料的降解溫度。ABS樹脂以其沖擊強(qiáng)度較高、力學(xué)性能優(yōu)越等特點(diǎn)，在工程塑料市場上占有較大的比重，因而在建材工業(yè)、機(jī)械制造、電氣電子儀表等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。推薦塑料溫度為210～250℃，模具溫度為50～80℃。在此使用模具溫度為80℃，注射壓力為80～150 MPa，由于保壓時(shí)間相對(duì)較短，保壓壓力可取注射壓力的50%～80%。該原料具體材料特性見表1。

表1 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）材料性質(zhì)

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 選定質(zhì)量特性

本實(shí)驗(yàn)的目的就是為了探討不同澆注系統(tǒng)建構(gòu)模式以及注塑成型工藝條件對(duì)制品幾何形狀精度的影響，在此以翹曲變形量與頂出體積收縮率為質(zhì)量特性，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化［4-6］。

2.2 選定控制因子與水平

因子又稱為自變量，也就是在成型過程中會(huì)影響質(zhì)量特性的參數(shù)，在此選定控制因子為：塑料溫度、充填時(shí)間、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間、開模時(shí)間、注射壓力和保壓壓力。除了塑料溫度取2個(gè)水平，其他分別賦予3個(gè)水平，控制因子水平如表2所示。相關(guān)參數(shù)由實(shí)際現(xiàn)場依照經(jīng)驗(yàn)法則測試而定，搭配不同級(jí)距產(chǎn)生3組參數(shù)來進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，其工藝參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行合理選擇。

表2 ABS控制因子水平

2.3 挑選正交表及實(shí)驗(yàn)

選定7個(gè)控制因子和3個(gè)水平，且不考慮交互作用，采用正交試驗(yàn)法所推薦的L18（21×37）表，根據(jù)表2所設(shè)計(jì)出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3，正交試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 ABS成型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

從表4可以看出，方案一的最小翹曲量為0.6022mm，最大翹曲量為0.803 9 mm，翹曲變形范圍約為0.2 mm，頂出體積收縮率最小為6.000%、最大為7.810%，體積收縮率的變動(dòng)范圍約為1.81%，該方案最大的特點(diǎn)是翹曲變形量較小的實(shí)驗(yàn)組體積收縮率比較大，成型工藝條件對(duì)質(zhì)量特性影響較明顯。方案二的最小翹曲量為0.422 1 mm，最大翹曲量為0.540 8 mm，翹曲變形范圍小于0.12 mm，頂出體積收縮率最小為6.324%、最大為6.976%，體積收縮率的變動(dòng)范圍也較小，約為0.6%，該方案最大的特點(diǎn)是翹曲變形量與體積收縮率波動(dòng)范圍都較小，成型工藝條件對(duì)質(zhì)量特性影響不明顯，當(dāng)翹曲量為0.422 1 mm時(shí)，頂出體積收縮率為6.720%，與最小收縮率相差不到0.4%。方案三的有限元結(jié)構(gòu)與方案二類似，只有分流道設(shè)計(jì)的形狀與尺寸稍有不同，但是方案三的翹曲量比方案二稍大，最小翹曲量為0.645 0 mm，最大翹曲量為0.877 0 mm，翹曲變形范圍約為0.33 mm，而頂出體積收縮率最小值為4.697%、最大值為7.058%，體積收縮率平均值比方案一和方案二小。

為了獲得較高裝配質(zhì)量的卡扣塑料平板，綜合考慮翹曲變形量與體積收縮率，在此選取方案二中實(shí)驗(yàn)8作為最優(yōu)組合。該組翹曲變形量為0.441 4 mm，變形量達(dá)到了最小值，頂出體積收縮率為6.372%，也比較理想，可以滿足制品的生產(chǎn)技術(shù)要求。圖2為最優(yōu)組合條件下卡扣塑料平板翹曲變形云圖，圖3為最優(yōu)組合條件下卡扣塑料平板頂出體積收縮率分布云圖。

圖2 卡扣塑料平板翹曲變形云圖（放大20倍）

從圖2中可以看出，制品發(fā)生翹曲比較嚴(yán)重的地方分布在平板的左上角與右下角邊緣處，變形量達(dá)到0.4 mm，卡扣變形位置不同變形量也不同，面板上方中間位置卡扣幾乎沒有翹曲變形，面板上方兩側(cè)的卡扣變形量為0.24 mm左右，主要是向著制品中心方向卷曲變形，面板下方左右對(duì)稱各布置四個(gè)卡扣，靠邊緣的卡扣變形量最大，達(dá)到0.32 mm，靠中心的卡扣變形量不到0.2 mm，它們都朝著制品的中心點(diǎn)背向翹曲變形，但是幅度不大，還是符合技術(shù)要求的。

圖3 卡扣塑料平板頂出體積收縮率云圖

圖3中用等值線表示制品的收縮率，從等值線的數(shù)值可以看出，收縮率的分布特征是以四個(gè)點(diǎn)澆口位置為中心慢慢向外展開，在澆口位置附近的收縮率最小，約為1.7%，最大的收縮率位于制品的邊緣與制品的中心，分別約為2.9%與2.5%。從等值線形狀可以獲知，制品的收縮率分布均勻，靠近澆口的卡扣收縮率比較小，約為1.8%，其余約為3.0%。總之，塑料卡扣平板的翹曲變形量與頂出體積收縮率，無論是大小還是分布特征都能滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求。

3 結(jié)語

本文根據(jù)制品形狀特點(diǎn)，應(yīng)用CAD/CAE技術(shù)建立了3種不同的成型工藝方案，采用Moldflow模流分析法，結(jié)合正交試驗(yàn)法，對(duì)制品的翹曲變形量與體積收縮率兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)展開研究。研究結(jié)果表明，采用矩形分流道、四點(diǎn)點(diǎn)澆口方式進(jìn)料，當(dāng)塑料溫度為210℃、充填時(shí)間為0.5 s、保壓時(shí)間為7 s、冷卻時(shí)間為10 s、開模時(shí)間為1.5 s、注射壓力為105 MPa、保壓壓力為注射壓力的60%時(shí)，翹曲變形量和頂出體積收縮率達(dá)到比較理想的組合，且翹曲變形量為最小值。

［1］宋滿倉，顏克輝.薄壁注塑成型數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.塑料科技，2006（1）：51-54.

［2］沈國保，張馳，趙玲杰，等.薄壁塑件的翹曲數(shù)值分析及模具補(bǔ)償［J］.精密成形工程，2015（1）：51-55.

［3］王桂龍，趙國群，李輝平，等.薄壁注塑制品翹曲影響因素分析與工藝優(yōu)化［J］.中國機(jī)械工程，2009（4）：488-492.

［4］張繼祥，秦海濤，高波，等.基于正交實(shí)驗(yàn)的薄壁塑件翹曲變形模擬分析［J］.塑料工業(yè)，2013（9）：64-67.

［5］林權(quán).基于綜合平衡法的注塑工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.塑料科技，2011（1）：84-88.

［6］陳昌乾，劉斌，王桂林.電視機(jī)小后殼注射成型工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.工程塑料應(yīng)用，2015（2）：51-54.

【責(zé)任編輯 黃艷芹】

Analysis of Process Conditions for the Assembly of ABS Snap-in Plate Based on Orthogonal Optimization

LIN Quan
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Wuyi University，Wuyishan 354300，China）

This paper used the orthogonal experimental method and the engineering analysis software of Autodesk Moldflow to conduct numerical simulation analysis for ABS injection parts from three different feedstocks respectively，discussed the influence of the injection moulding process conditions on the warping deformation and volumetric shrinkag.Through systematic experiments，the optimal process parameter combination of the optimal program was obtained so as to offer certain theoretical guidance for the practical production.

thin-wall plastic part；warping deformation；volume shrinkage；process parameter；orthogonal experiment；Moldflow

TQ320

A

2095-7726（2015）12-0054-04

2015-09-21

福建省教育廳A類科技項(xiàng)目（JA13323）；南平市科技計(jì)劃項(xiàng)目（N2013X01-7）

林權(quán)（1980-），男，福建福州人，講師，碩士，研究方向：塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)。