基于CAE與正交試驗法的工藝參數(shù)對翹曲變形的影響分析

劉成娟，劉成剛，劉 艷，李延平

(1.福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程系，福州 350100；2.中國石油吉林石化公司研究院，吉林 132021；3.吉林化工學(xué)院理學(xué)院，吉林 132021；4.集美大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 前言

針式打印機是集機械、制造、軟件等技術(shù)于一體的產(chǎn)品，采用獨特“敲擊式”打印原理，由于承擔(dān)高負(fù)荷工作量，焊接件、鉚接件和注塑件等零部件構(gòu)造需簡潔穩(wěn)固，滿足精密機械加工制造的技術(shù)要求。高精度帶金屬嵌件打印板是針式打印機的主要核心零件之一，在塑料產(chǎn)品中放置金屬嵌件，不僅可以提高塑件的強度、耐磨性、電性能，還可增加塑件尺寸和形狀的穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品精度。但是實際生產(chǎn)中，塑料和金屬嵌件成型的收縮率不均，80 %以上的產(chǎn)品翹曲變形都過大，不能滿足尺寸要求。需增加整形設(shè)備、專用治具和操作工人對產(chǎn)品進(jìn)行二次加工來矯正變形，這樣生產(chǎn)成本大大增加，延長了生產(chǎn)周期。注塑是一個多變量、多參數(shù)、非線性、強耦合且需人工參與的復(fù)雜成型工藝過程[1]，其直接影響著熔體在型腔中的流動狀態(tài)及最終產(chǎn)品的品質(zhì)，因此選擇合理的成型工藝參數(shù)尤為重要[2-3]。改善塑料產(chǎn)品在x、y、z三方向上的翹曲變形，優(yōu)化注塑工藝參數(shù)是需要不斷探究的關(guān)鍵問題。本文以帶金屬嵌件打印機板為研究對象(圖1所示)，以產(chǎn)品在x、y、z軸3個不同方向的翹曲變形量為品質(zhì)指標(biāo)，結(jié)合CAE與正交試驗方法，通過極差和方差分析得到影響要素的最優(yōu)方案，以便指導(dǎo)和滿足生產(chǎn)實際要求。

圖1 帶金屬嵌件的打印機板Fig.1 Printer boards with metal inserts

1 正交優(yōu)化試驗設(shè)計

帶金屬嵌件打印機板的塑件部分基本尺寸為304 mm×26 mm×6 mm，最大壁厚為6 mm，最小壁厚為1 mm。通過3D網(wǎng)格模型劃分及修復(fù)和確定合適澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)后，產(chǎn)品有限元分析模型如圖2所示。其中，塑件部分節(jié)點數(shù)為31 141，四面體單元數(shù)為170 843，嵌件部分節(jié)點數(shù)為9 415，四面體單元數(shù)為48 663，有限元模型的網(wǎng)格劃分詳見文獻(xiàn)[4]。對產(chǎn)品進(jìn)行冷卻→流動→保壓→翹曲4個方面的數(shù)值仿真分析，在Moldflow軟件的工藝設(shè)置向?qū)υ捒蛑校O(shè)置模具溫度、溶體溫度、保壓壓力、保壓時間等工藝參數(shù)，高級選項對話框中設(shè)置成型材料、工藝參數(shù)、模具材料、注塑機選擇等。試驗材料采用德國Bayer Material Science公司生產(chǎn)的熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)，牌號為Desmopan DP 3660D。該TPU的推薦工藝參數(shù)如表1所示。

通過正交試驗方法，采用L18(36)正交試驗[5-7]，分析產(chǎn)品在不同注塑工藝參數(shù)設(shè)置條件下，x、y、z三方向翹曲變形量的變化情況，翹曲變形量越小，產(chǎn)品的品質(zhì)越好。由于模具溫度、熔體溫度、注射時間、保壓壓力(在Moldflow軟件中設(shè)置保壓壓力等于保壓時間對應(yīng)填充壓力的百分比)、保壓時間和冷卻時間對翹曲變形的影響較大，本實驗選取上述6個工藝參數(shù)作為試驗因素進(jìn)行正交試驗。工藝參數(shù)模具溫度和熔體溫度由Moldflow軟件中成型材料的推薦成型工藝參數(shù)范圍確定，其他因素范圍則由生產(chǎn)實際和一定數(shù)量前期模擬分析的結(jié)果來綜合確定，試驗因素和水平設(shè)置如表2所示。

圖2 產(chǎn)品的有限元模型Fig.2 Finite element model for the product

表1 TPU推薦工藝參數(shù)Tab.1 Processing parameters of TPU

表2 試驗因子因素與水平設(shè)置Tab.2 Test factor and level settings

2 試驗結(jié)果分析

將表2中的每個水平數(shù)值分別代入Moldflow的工藝參數(shù)設(shè)置中，進(jìn)行CAE數(shù)值模擬試驗，得出帶金屬嵌件打印機板塑件部分各個因素水平下翹曲變形數(shù)值模擬的試驗結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗方案及結(jié)果Tab.3 Orthogonal experiment methods and results

2.1 x方向翹曲變形分析

圖3 各因素水平對x方向翹曲變形量的影響Fig.3 Influence of each factor and level on warping deformation of x direction

x方向翅曲變形水平影響趨勢圖如圖3所示。翹曲量最大均值為0.227 8 mm，最小均值為0.162 2 mm。產(chǎn)品的翹曲變形量隨冷卻時間的延長而降低，而模具溫度、熔體溫度和保壓時間隨其各水平值增加呈先增加后降低的趨勢；保壓壓力和注射時間隨其各水平值增加呈先降低后增加的趨勢，均存在一個最佳值，低于或高于最佳值，翹曲變形量都出現(xiàn)增加的趨勢。取x方向翅曲變形趨勢圖中各折線的最低點，當(dāng)模具溫度為45 ℃，熔體溫度為215 ℃，注射時間為1.3 s，保壓時間為28 時，保壓壓力為填充壓力的40 %，冷卻時間13 s時，得到最佳方案為A3B1C2D1E3F2，最優(yōu)工藝參數(shù)組合在正交表中。此時，如圖4所示，產(chǎn)品在x方向的翹曲變形量最小。

圖4 x方向最優(yōu)工藝參數(shù)組合下的翹曲模擬(A3B1C2D1E3F2)Fig.4 Simulation of warpage deformation of x direction under the best injection parameters(A3B1C2D1E3F2)

2.2 y方向翹曲變形分析

y方向翅曲變形水平影響趨勢圖如圖5所示。從圖可知，翹曲量最大均值為0.438 2 mm，最小均值為0.366 7 mm。產(chǎn)品的翹曲變形量隨保壓壓力的增加而降低，隨保壓時間的減少而降低；模具溫度、熔體溫度隨其各水平值增加先增加后降低；注射時間和冷卻時間隨其各水平值增加先降低后增加，均存在一個最佳值，而低于或高于最佳值，翹曲變形量都出現(xiàn)增加趨勢。取y方向翅曲變形趨勢圖中各折線的最低點，當(dāng)模具溫度為35 ℃，熔體溫度為215 ℃，注射時間為1 s，保壓壓力為填充壓力的120 %，保壓時間16 s，冷卻時間16 s時，得到最佳方案為A2B1C1D3E2F3，由于最優(yōu)工藝參數(shù)組合不在正交表中，把這組工藝組合在軟件Moldflow軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬結(jié)果驗證，產(chǎn)品在y方向的翹曲變形量為0.285 7 mm，如圖6所示，比18組正交試驗的任何一組翹曲變形量都小。

圖5 各因素水平對y方向翹曲變形量的影響Fig.5 Influence of each factor and level on warping deformation of y direction

圖6 y方向最優(yōu)工藝參數(shù)組合下的翹曲模擬(A2B1C1D3E2F3)Fig.6 Simulation of warpage deformation of y direction under best injection parameters(A2B1C1D3E2F3)

2.3 z方向翹曲變形分析

z方向翅曲變形水平影響趨勢圖如圖7所示。由圖可見，翹曲變形最大均值為0.206 5 mm，最小均值為0.166 4 mm。產(chǎn)品的翹曲變形量隨注射時間和保壓壓力的增加而降低，隨熔體溫度的減少而降低；模具溫度、保壓時間隨其各水平值增加先增加后降低；冷卻時間隨其各水平值增加先降低后增加，存在一個最佳值，而低于或高于最佳值，翹曲變形量都出現(xiàn)增加趨勢。取z方向翅曲變形趨勢圖中各折線的最低點，當(dāng)模具溫度為35 ℃，熔體溫度為215 ℃，注射時間為1.6 s，保壓壓力為填充壓力的120 %，保壓時間為16 s，冷卻時間16 s時，得到最佳方案為A2B1C3D3E2F3，由于最優(yōu)工藝參數(shù)組合不在正交表中，把這組工藝組合在軟件Moldflow軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬結(jié)果驗證，產(chǎn)品在z方向的翹曲變形量為0.117 8 mm，如圖8所示，比18組正交試驗的任何一組翹曲變形量都小。

圖7 各因素水平對z方向翹曲變形量的影響Fig.7 Influence of each factor and level on warping deformation of z direction

圖8 z方向最優(yōu)工藝參數(shù)組合下的翹曲模擬(A2B1C3D3E2F3)Fig.8 Simulation of warpage deformation of z direction under the best injection parameters(A2B1C3D3E2F3)

3 方差分析

3.1 工藝參數(shù)對產(chǎn)品x方向翹曲變形影響

由4表可知，在所研究的工藝參數(shù)中，對x方向翹曲變形影響大小順序為保壓壓力>冷卻時間>熔體溫度>注射時間>保壓時間>模具溫度。保壓壓力的f值超過了f0.1(2，5)=3.78，為顯著影響因素，其他研究工藝參數(shù)對翹曲變形的影響均不顯著。

表4 方差分析(x方向)Tab.4 Analysis of variance (x direction)

3.2 工藝參數(shù)對產(chǎn)品y方向翹曲變形影響

工藝參數(shù)對產(chǎn)品y方向翹曲變形影響如表5所示。由表5可知，在所研究的工藝參數(shù)中，對y方向翹曲變形影響大小順序為模具溫度>冷卻時間>注射時間>保壓時間>熔體溫度>保壓壓力。模具溫度的f值超過了f0.1(2，5)=3.78，為顯著影響因素，其他研究工藝參數(shù)對翹曲變形的影響均不顯著。

表5 方差分析(y方向)Tab.5 Analysis of variance (y direction)

3.3 工藝參數(shù)對產(chǎn)品z方向翹曲變形影響

工藝參數(shù)對產(chǎn)品z方向翹曲變形影響如表6所示。由表6可知，在所研究的工藝參數(shù)中，對z方向翹曲變形影響大小順序為模具溫度>注射時間>保壓時間>熔體溫度>冷卻時間>保壓壓力。模具溫度的f值超過了f0.1(2，5)=3.78，為顯著影響因素，其他研究工藝參數(shù)對翹曲變形的影響均不顯著。

表6 方差分析(z方向)Tab.6 Analysis of variance (z direction)

4 結(jié)論

(1)在所研究的工藝參數(shù)中，對x方向翹曲變形影響大小順序為保壓壓力>冷卻時間>熔體溫度>注射時間>保壓時間>模具溫度，保壓壓力為顯著影響因素；對y方向翹曲變形影響大小順序為模具溫度>冷卻時間>注射時間>保壓時間>熔體溫度>保壓壓力，模具溫度為顯著影響因素；對z方向翹曲變形影響大小順序為模具溫度>注射時間>保壓時間>熔體溫度>冷卻時間>保壓壓力，模具溫度為顯著影響因素;

(2)通過Moldflow軟件的數(shù)值模擬分析及正交試驗對注塑工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，生產(chǎn)者可以根據(jù)實際生產(chǎn)需要，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整工藝參數(shù)，來減小產(chǎn)品x、y、z方向的翹曲變形量滿足要求，為注塑工藝參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)，提高了產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率。

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