基于Moldflow的接觸器基座數(shù)值模擬與注塑工藝研究

張 景，黃 勇，安振須，陳 振

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院，沈陽 110159)

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基于Moldflow的接觸器基座數(shù)值模擬與注塑工藝研究

張 景，黃 勇，安振須，陳 振

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院，沈陽 110159)

以Moldfow模擬軟件為分析平臺，運用田口正交實驗法研究接觸器基座注塑過程中熔體溫度、模具溫度、保壓壓力、保壓和冷卻時間對塑件整體翹曲變形的影響，得到了一組優(yōu)化的注塑工藝參數(shù)。根據模擬結果設計制造出基座注塑模具，得到了合格的基座產品并投入大批量生產。

Moldflow；數(shù)值模擬；參數(shù)優(yōu)化

接觸器基座采用注塑成型，是接觸器重要的連接件。注塑成型是塑料由粘流態(tài)到固態(tài)的多因素相互作用的復雜過程，加工過程中材料性能、模具設計和工藝參數(shù)等因素都對制件成型質量產生重要影響。目前，注塑成型數(shù)值模擬技術取得了一定的進展，相對傳統(tǒng)的人工試模法，減少了試模次數(shù)，提高了生產效率[1]。

本文以接觸器基座為研究對象，運用田口正交實驗法和Moldflow軟件對注塑成型過程進行仿真模擬，預測填充、保壓、冷卻情況，以及不同工藝參數(shù)組合對翹曲變形的影響，并進行優(yōu)化，提高產品質量[2]。

1 Moldflow分析前處理

1.1 網格劃分

所用的接觸器基座如圖1所示，外型尺寸為74mm×80mm×78mm，平均厚度5mm。利用Moldflow前處理后，劃分網格并進行澆口分析，找出最佳澆口位置，確定澆注方案，然后根據塑件形狀以及模具設計要求設計冷卻系統(tǒng)[3]，如圖2所示。

圖1 接觸器基座3D造型圖

1.2 材料選取及工藝優(yōu)化設計

采用的PA66 GF-25塑料是特種功能增強性材料。由于尼龍66加了25%的玻纖，使原塑料具備高剛度、高耐熱的特點，在某些領域中能代替金屬，但是玻纖增強材料中的玻璃纖維會在流動過程中發(fā)生取向，導致材料在流動方向與垂直流動方向的收縮不一致而引起翹曲變形，所用玻纖增強材料的翹曲比非增強材料更復雜[4]。在Moldflow材料庫中選擇牌號為Ultramid 1703-2 BASF，

化學公式：[—NH(CH2)6—NHCO(CH2)4CO]n,表1是其基本物理性能。

圖2 基座的澆注及冷卻系統(tǒng)

參數(shù)指標密度/(g/cm3)1 10～1 14拉伸強度/MPa60 0～80 0熔點溫度/℃252泊松比0 23彎曲彈性模量/MPa2000～3000

在影響注塑件質量的多個成型工藝參數(shù)中，模具溫度、熔體溫度、填充時間、保壓時間、冷卻時間和保壓壓力對收縮變形和翹曲變形影響尤為重要[5]。根據參考材料庫中的推薦值區(qū)間以及實際產品的使用需求，不考慮各因素間的相互作用，從6個重要的影響因子中篩選出對產品變形缺陷有較大影響的5個工藝參數(shù)，每個工藝參數(shù)取四個水平[6]，如表2所示。

表2 正交因素水平表

2 模擬實驗及結果分析

根據表2進行正交實驗，選擇L15(45)正交表，利用正交實驗矩陣進行模擬分析，如表3所示。選取翹曲變形作為質量指標，翹曲變形量越小越好，采用望小特性信噪比的分析方法，其值越大越好[7]。

(1)

式中:S/N為信噪比；yi為第i次實驗的翹曲變形量；n為實驗重復次數(shù)，此處n=1。

表3 正交實驗結果

對實驗結果進行極差分析和變量分析，求出最佳參數(shù)組合。實驗結果的信噪比均值如表4 所示。ki為任一列因素取水平i時翹曲變形量信噪比的算術平均值。k為所有水平的翹曲變形量信噪比的平均值。R是各列因素最大值和最小值的差值，用來表示各組工藝參數(shù)對翹曲變形量的影響程度，R越大即影響因素越大[8]。從表4可以看出，E(冷卻時間)>C(保壓時間)>B(熔體溫度)>D(保壓壓力)>A(模具溫度)。

各因素水平下的翹曲變形信噪比趨勢如圖3所示。

表4 均值分析表

圖3 各因素水平對翹曲變形的影響

從圖3可以看出，A2、B3、C4、D4、E4時翹曲變形量的信噪比最大，翹曲變形量最小，也就是保壓時間為20s、保壓壓力95%、模具溫度60℃、熔體溫度295℃、冷卻時間35s，可見較高的熔體溫度所需冷卻時間也較長，冷卻時間越長翹曲變形量越小。此時通過Moldflow軟件再次模擬可得翹曲量0.5358mm，如圖4所示，相比優(yōu)化澆注和冷卻系統(tǒng)后的翹曲量0.5849mm有了較大改進，可以達到設計要求。

圖4 翹曲變形量

方差分析是從觀測變量的方差入手，研究諸多控制變量中哪些變量是對觀測變量有顯著影響的變量。本實驗中的方差分析通過百分比的大小來評價各個工藝參數(shù)對模擬翹曲變量的影響。方差平方和的公式為

(2)

式中：SSd為翹曲變形量的信噪比方差平方和；Mi為每列因子在第i水平下的平均信噪比；m表示所用因子在所有水平下的平均信噪比。

(3)

式中SST為翹曲變形量的信噪比方差平方和的總和。

(4)

由于自由度為3，則均方為SSd與自由度的比值。

利用方差分析法再次分析各組實驗結果，更加準確地確定各個因素的影響程度和顯著程度，如表5所示。

表5 翹曲變形量方差分析表

從表5可以看出，工藝參數(shù)對翹曲變形的影響：冷卻時間>保壓時間>熔體溫度>保壓壓力>模具溫度，與極差結果分析一致。可見影響接觸器基座翹曲變形最大因素為冷卻時間，其次為保壓時間和熔體溫度。注塑時熔體溫度295℃，此時熔體溫度較高、粘度較小，注射時間較快，在保壓后塑件溫度仍然很高，若冷卻時間太短，塑件內部未完全固化，頂出時易造成翹曲變形，影響制件質量。所以為了保證制件質量，應合理控制熔體溫度和保壓時間的同時，適當延長冷卻時間[9]。

將優(yōu)化方案應用于接觸器基座模具設計，在側抽芯上添加冷卻管道如圖2所示，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，采用25℃水冷，保證冷卻效果的同時進出水口溫差在1℃內，按照優(yōu)化出的注塑工藝參數(shù)進行試模，注塑機采用CJ320型，生產出合格的基座產品，如圖5所示。

圖5 生產出的基座注塑件

3 結論

(1)通過正交實驗及數(shù)值模擬分析，優(yōu)化出注塑工藝參數(shù)為：保壓時間20s、保壓壓力95%、模具溫度60℃、熔體溫度295℃、冷卻時間35s。

(2)結合均值和極差分析，冷卻時間對翹曲變形指標的影響程度較大，實際生產中應嚴格控制熔體溫度和保壓時間，同時適當延長冷卻時間。

(3)根據優(yōu)化出的注塑工藝參數(shù)，進行注塑生產驗證，得到合格的接觸器基座注塑件，驗證模擬結果可以用于實際生產中。

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(責任編輯：馬金發(fā))

Research on the Numerical Simulation and Injection Molding Process of the Contactor Base on Moldflow

ZHANG Jing,HUANG Yong,AN Zhenxu,CHEN Zhen

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159,China)

Based on Moldflow simulation software,the effects of melt temperature,mold temperature,holding pressure,holding and cooling time on the whole warping deformation of the plastic parts were studied by using Taguchi orthogonal design theory,and a set of injection molding process parameters were obtained.According to the simulation results,injection mold for the base had been designed and manufactured and the qualified base products were put into mass production.

Moldflow;numerical simulation;parameter optimization

2015-10-29

張景(1987—)，男，碩士研究生；通訊作者：黃勇(1959—)，男，教授，研究方向：半固態(tài)成型、注塑成型數(shù)值模擬。

1003-1251(2016)04-0097-05

TB324

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