雙色扁長(zhǎng)塑件在注塑過(guò)程的變形控制

楊雪 黃瑤 周甫芝 劉安林

(1.江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江,212013;2.江蘇立德精密模具有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江,212132)

多色注射成型是將不同材質(zhì)或不同顏色的塑料注射在一起,使之成為一個(gè)產(chǎn)品。雙色模具成型不僅有精度較高、質(zhì)量穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好的優(yōu)點(diǎn),而且由于不同色無(wú)縫連接,給人以良好的外觀視覺(jué)感受[1-2]。但是雙色塑件成型條件復(fù)雜,注塑后產(chǎn)生的變形較難控制,生產(chǎn)工藝參數(shù)的制定一直以來(lái)都是個(gè)難題[3]。

下面以汽車高位制動(dòng)燈雙色燈罩為對(duì)象進(jìn)行研究。一方面是選出配合良好的雙色注塑材料;另一方面是使用中心復(fù)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(CCD)模型得出使產(chǎn)品質(zhì)量最佳的注塑參數(shù)組合,并對(duì)比模型預(yù)測(cè)值與模擬試驗(yàn)值,確定模型的準(zhǔn)確性。

1 方法與步驟

1.1 注塑材料的選擇

汽車高位制動(dòng)燈燈罩是紅、黑兩色組合的雙色塑件,如圖1所示,紅色片為燈罩,其表面質(zhì)量要求很高,指定材料用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),黑色片為燈罩底部裝飾框,起結(jié)構(gòu)加強(qiáng)與裝配作用。考慮到模具結(jié)構(gòu)的合理性,第一次注射紅色片,第二次注射黑色片。由于高分子材料的結(jié)合性對(duì)于兩色結(jié)合至關(guān)重要,可選擇PMMA,丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS),聚碳酸酯(PC)/ABS這3種與PMMA結(jié)合性較好的材料作為第二色材料。

圖1 汽車高位制動(dòng)燈燈罩

1.2 注塑模擬

通過(guò)UG軟件建立汽車高位制動(dòng)燈燈罩的3D數(shù)據(jù)模型,長(zhǎng)為530.0 mm,寬為26.0 mm,壁厚為2.2 mm。將兩色部件分別導(dǎo)入Autodesk Moldflow進(jìn)行網(wǎng)格劃分,此時(shí)選擇網(wǎng)格類型為“3D”才能支持軟件中重疊注塑的翹曲分析。將兩個(gè)部件導(dǎo)入一個(gè)模擬文件中,選擇注塑類型為熱塑性塑料重疊注塑,定義注塑次序,選擇澆口位置。最后選擇“填充+保壓+重疊注塑充填+重疊注塑保壓”即可開(kāi)始運(yùn)行分析。

1.3 中心復(fù)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用Design Expert軟件進(jìn)行6因素5水平的CCD。主要參數(shù)變量有模具溫度(A),第一色熔體溫度(B),第二色熔體溫度(C),保壓時(shí)間(D),保壓壓力(E),注射時(shí)間(F)。試驗(yàn)過(guò)程中,第二色相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)引起各個(gè)部位不均勻的收縮是產(chǎn)品整體翹曲變形的關(guān)鍵原因,因此將燈罩的總翹曲值與第二色的體積收縮率作為響應(yīng)值。

在初步試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選擇因子水平,中心復(fù)合設(shè)計(jì)的各個(gè)試驗(yàn)變量及水平如表1所示。試驗(yàn)總共用120組模擬數(shù)據(jù),以汽車高位制動(dòng)燈燈罩的總翹曲值和第二色的體積收縮率為目標(biāo)對(duì)所列出的6個(gè)注塑參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,使用非線性二階回歸模型來(lái)描述6個(gè)因素之間的相互作用?？紤]到所有的線性交互作用,二階響應(yīng)模型可以由式(1)進(jìn)行描述。

表1 因素水平

(1)

其中，Y是預(yù)測(cè)的響應(yīng)值，xi和xj是變量，β0是偏移項(xiàng)，βi是線性偏移系數(shù)，βii是二階系數(shù)，βij是線性交互效應(yīng)系數(shù)，ε是誤差項(xiàng)。

分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 中心復(fù)合設(shè)計(jì)試驗(yàn)表及試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表

2 模擬結(jié)果分析

基于表2所得注塑模擬試驗(yàn)結(jié)果,在Design Expert軟件使用方差分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析,方程顯著性檢驗(yàn)顯示為顯著,說(shuō)明擬合的方程顯著性較好。將P(失效率)值大于0.05的非顯著性因素排除,得到響應(yīng)面模型的方程式(2)～(7)。

W1=12.22-0.83A+0.83B-0.68C-1.03D+0.65E+
X0.69F+0.67AD+0.52AE-0.48A2+0.40D2

(2)

S1=7.84+0.17A+0.78C+0.17D-0.31E-0.20F

(3)

W2=7.54-1.40A-1.01C+0.60D+1.63E+2.14AD-1.01A2-1.54D2

(4)

S2=7.85+0.20A+0.83C-0.36D-0.19E+0.19AF+0.17A2+0.37D2+0.19E2

(5)

W3=12.05-0.54A+0.90B-3.78C-1.52D-0.70E+0.59AC-
0.69AF-0.59BD-0.79DE+1.00C2+0.99D2+0.88F2

(6)

S3=6.48-0.076A+0.82C-0.100D-0.17E-0.30F+
0.092AC-0.24AF+0.10BF-0.28CF+0.15F2

(7)

其中，A,B,C,D,E,F分別對(duì)應(yīng)模具溫度,第一色熔體溫度,第二色熔體溫度,保壓時(shí)間,保壓壓力,注射時(shí)間。W1與S1,W2與S2,W3與S3分別表示第二色分別為PMMA,ABS,PC+ABS塑件總翹曲值和第二色體積收縮率的響應(yīng)面預(yù)測(cè)值。

使用Design Expert軟件中的優(yōu)化模塊進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,將優(yōu)化結(jié)果的期望值作為目標(biāo)(即預(yù)測(cè)值)。在最佳參數(shù)條件下采用Moldflow軟件進(jìn)行注塑模擬。每種材料在最佳參數(shù)條件下產(chǎn)品總翹曲值和第二色體積收縮率的預(yù)測(cè)值和模擬試驗(yàn)值如表3所示。

表3 最優(yōu)參數(shù)條件下翹曲值和收縮率相應(yīng)值的預(yù)測(cè)及模擬結(jié)果

結(jié)果表明,Moldflow模擬值與預(yù)測(cè)值非常吻合,翹曲值的預(yù)測(cè)值與模擬值之間誤差小于3.0%,第二色體積收縮率預(yù)測(cè)值與模擬值之間誤差小于2.5%(PMMA,ABS,PC+ABS翹曲預(yù)測(cè)值與實(shí)際值誤差分別為2.8%,2.2%,2.9%,;第二色收縮率預(yù)測(cè)值與實(shí)際值誤差為1.4%,2.0%,1.4%),第二色為ABS時(shí),使用優(yōu)化后參數(shù)組合進(jìn)行模擬的總翹曲值和第二色收縮率分別如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后Moldflow模擬值

通過(guò)以上一系列的試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析,最終確定汽車高位制動(dòng)燈雙色燈罩的注塑參數(shù)為:模具溫度57.49 ℃、第一色熔體溫度247.22 ℃,第二色熔體溫度247.24 ℃,保壓時(shí)間12.50 s,保壓壓力70.06 MPa,注射時(shí)間2.61 s。使用該參數(shù)組合,最終得到了變形小、高質(zhì)量的雙色燈罩。

3 結(jié)論

1) 通過(guò)中心復(fù)合設(shè)計(jì)(CCD)設(shè)計(jì)試驗(yàn),進(jìn)行了汽車高位制動(dòng)燈雙色燈罩的工藝優(yōu)化,得出當(dāng)?shù)诙珵锳BS時(shí),產(chǎn)品的變形最小,最可能得到質(zhì)量合格的產(chǎn)品。

2) 第二色為ABS 時(shí)翹曲變形的響應(yīng)面預(yù)測(cè)值和Moldflow模擬值的誤差為2.2%,第二色體積收縮率的響應(yīng)面預(yù)測(cè)值與Moldflow模擬值的誤差為2.0%,可見(jiàn)響應(yīng)面的預(yù)測(cè)有較高的精度。最終得到最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為模具溫度57.49 ℃、第一色熔體溫度247.22 ℃,第二色熔體溫度247.24 ℃,保壓時(shí)間12.50 s,保壓壓力70.06 MPa,注射時(shí)間2.61 s。

3) 通過(guò)建立響應(yīng)面分析了各個(gè)注塑參數(shù)變量的響應(yīng)關(guān)系和顯著性,大大地降低了注塑費(fèi)用與設(shè)計(jì)成本。