塑料插座面板的模流分析及參數(shù)優(yōu)化

錢 超

（1.安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽淮南 232001；2.合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽合肥 230011）

0 引言

塑料具有質(zhì)量小、化學(xué)性能穩(wěn)定、價格便宜、易加工成型等優(yōu)點，因此在汽車制造、家用電器和辦公用品等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。而塑料制品的生產(chǎn)又離不開塑料模具，因此近年來塑料模具也得到了飛速發(fā)展。塑料模具的設(shè)計和塑料成型工藝參數(shù)的設(shè)置對于塑料產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率等影響巨大。注塑成型加工過程包含模具設(shè)計與制造、原材料選擇與處理、成型工藝設(shè)置等，并且與加工環(huán)境、后處理等密切相關(guān)，因此注塑產(chǎn)品難免會出現(xiàn)各種缺陷，如飛邊、氣泡、縮痕、翹曲變形等。近年來，CAE軟件發(fā)展迅速，相關(guān)功能進一步擴充，性能也得到了大幅度提高。在產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)階段，運用模流分析軟件能夠幫助設(shè)計人員改善模具結(jié)構(gòu)、優(yōu)化工藝參數(shù)設(shè)置，讓模具設(shè)計人員從成型工藝的角度，調(diào)整產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)，選擇適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品材料；同時分析制造過程中可能出現(xiàn)的問題，從而達到不斷降低研發(fā)成本、提高生產(chǎn)效率、縮短模具研發(fā)周期的目的。

王昶等人通過對比三種不同澆口的澆注方案，仿真模擬不同澆口情況下的注塑情況，優(yōu)化了注塑工藝參數(shù)；譚鋒等人通過分析不同澆口位置選擇對塑件質(zhì)量的影響，總結(jié)了澆口選擇的原則，為注塑模具的設(shè)計提供了依據(jù)；吳凌云利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對塑料產(chǎn)品的最大翹曲值進行了預(yù)測，從而提高了生產(chǎn)制造的效率。

為了進一步研究塑料制件在注塑過程中產(chǎn)生翹曲變形的主要原因，優(yōu)化工藝參數(shù)，本文以生活中常見的塑料插座面板為主要研究對象，模擬仿真產(chǎn)品的注塑過程，分析塑料產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷的原因，從而提前優(yōu)化加工工藝參數(shù)，改善模具結(jié)構(gòu)，縮短研發(fā)周期，提高生產(chǎn)制造效率。下面利用模流分析軟件對塑料插座面板在默認的工藝參數(shù)條件下進行仿真分析，并選取模具表面溫度、熔體溫度、冷卻時間、保壓壓力、保壓時間5個影響因素進行正交試驗，得到最佳工藝參數(shù)組合。最后對得到的工藝參數(shù)組合進行分析驗證，由驗證結(jié)果可知，采用最佳工藝參數(shù)組合有效減少了產(chǎn)品缺陷，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

1 產(chǎn)品建模

利用三維建模軟件UG NX對插座面板進行建模，模型如圖1所示。其中，產(chǎn)品長×寬×高=86 mm×86 mm×5 mm，面板厚度為1 mm，體積為8 666 mm，該模型屬于小型塑料產(chǎn)品。

2 模流分析前準備

2.1 劃分網(wǎng)格

首先通過三維建模軟件將之前生成的插座模型導(dǎo)出成STL格式文件，之后將STL文件導(dǎo)入模流分析軟件。導(dǎo)入過程中，網(wǎng)格類型選擇雙層面網(wǎng)格，之后進行網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格邊長為1.80 mm。網(wǎng)格劃分完成后，通過網(wǎng)格統(tǒng)計命令查看網(wǎng)格信息，其中匹配百分比為97.9%，相互百分比為99.6%，匹配效果較好?？v橫比最大值為3.32，平均值為1.49，最小值為1.16，網(wǎng)格適合雙層面分析。

2.2 尋找最佳澆口位置

將分析序列設(shè)置為澆口位置，分析找出插座面板注塑時的最佳澆口位置，如圖2所示，圓圈部分為最佳澆口位置。由于插座面板的體積小，市場需求大，為了滿足生產(chǎn)實際需求，同時提高生產(chǎn)效率，故采用一模兩腔的澆注系統(tǒng)?？紤]到本方案采用一模兩腔的模具設(shè)計以及插座外觀設(shè)計的需求，選取插座外殼藍色區(qū)域為進膠口，即圖2中圓圈部分。

2.3 創(chuàng)建澆注系統(tǒng)

注塑模具的澆注系統(tǒng)通常包括主流道、分流道及澆口，選取圖2插座的圓圈部分作為澆口，創(chuàng)建冷流道澆注系統(tǒng)。其中澆口形式為冷澆口，澆口長度為3 mm，形狀為圓形非錐體，始端直徑為2 mm，末端直徑為5 mm；分流道為圓柱形，直徑為5 mm；主流道長度為50 mm，形狀為圓形非錐體，始端直徑為3 mm，末端直徑為5 mm。

2.4 創(chuàng)建冷卻系統(tǒng)

設(shè)計合理的冷卻水管，可以有效降低產(chǎn)品的翹曲值，改善產(chǎn)品外觀。由于插座產(chǎn)品體積比較小，無須采用大直徑的水管，因此水管直徑設(shè)置為8 mm。水管對稱分布在插座的上下部分，沿X方向排布，水管數(shù)量為4根，水管之間的中心距為30 mm，水管超出零件20 mm，選擇25 ℃的純凈水作為冷卻介質(zhì)。利用模流分析軟件中的幾何建模工具，按要求的規(guī)格尺寸創(chuàng)建冷卻系統(tǒng)。

3 模流分析

插座外殼的材料采用聚碳酸酯（PC），牌號選擇Lexan 105。系統(tǒng)給出了該材料的推薦工藝參數(shù)，其中模具表面溫度為104 ℃，熔體溫度為307 ℃。選擇“冷卻+填充+保壓+翹曲”的分析序列，采用系統(tǒng)默認的材料加工工藝參數(shù)，即模具表面溫度為104℃，熔體溫度為307℃，冷卻時間為20 s，同時在工藝設(shè)置中選擇分析翹曲原因，圖3為翹曲變形的分析結(jié)果。

從圖3可以看出，產(chǎn)品總翹曲變形值為0.744 3 mm，由冷卻不均引起的翹曲變形值為0.007 4 mm，由收縮不均引起的翹曲變形值為0.743 9 mm，由取向效應(yīng)引起的翹曲變形值為1×10mm，因此收縮不均是引起翹曲變形的主要原因。

4 正交試驗參數(shù)優(yōu)化分析

4.1 正交試驗設(shè)計

引起收縮不均的因素有很多，如熔體溫度、模具表面溫度、充填壓力、保壓壓力、充填時間、保壓時間等。為了進一步研究引起翹曲變形的因素，采用正交試驗法，選取熔體溫度、模具表面溫度、冷卻時間、保壓壓力、保壓時間5個參數(shù)，并設(shè)計如表1所示的L（3）正交因素水平表。

4.2 正交試驗結(jié)果分析

利用上述正交因素水平表，結(jié)合正交試驗法的相應(yīng)原則，得出一個三水平五因素的正交試驗表，修改相應(yīng)的注塑工藝參數(shù)，最后分析得出不同參數(shù)組合下的翹曲變形值，如表2所示。

對表2所得到的結(jié)果進行處理，可以得出相應(yīng)的極差和均值。極差R越大，則表示該因素對翹曲值的影響越大。因此，分析表2可以得到影響翹曲變形的因素由小到大依次為：冷卻時間＜模具表面溫度＜保壓時間＜保壓壓力＜熔體溫度。

為了更好地研究各工藝參數(shù)對翹曲值的影響情況，把工藝參數(shù)作為橫坐標，翹曲值作為縱坐標繪制如圖4所示的折線圖。從圖4可以看出，熔體溫度、冷卻時間、保壓壓力與插座面板零件的翹曲變形值成反比，而模具表面溫度、保壓時間與插座面板零件的翹曲變形值成正比，因此可以得出最佳工藝參數(shù)組合為A3B1C3D3E1，即熔體溫度317 ℃，模具表面溫度94 ℃，冷卻時間25 s，保壓壓力161 Pa，保壓時間7 s。

為使上述得出的結(jié)論更加準確，還需要進行方差分析，表3為方差分析的結(jié)果。當(dāng)顯著性P＜0.01時，說明該因素對翹曲變形有高度顯著性影響；當(dāng)P＜0.05時，說明該因素對翹曲變形有顯著性影響。因此，可以得出如下結(jié)論：熔體溫度、保壓壓力對翹曲變形有高度顯著性影響。F值越大，說明該因素對翹曲變形的影響越大，因此影響翹曲變形的因素由小到大依次為：冷卻時間＜模具表面溫度＜保壓時間＜保壓壓力＜熔體溫度，該方差分析結(jié)果與極差分析結(jié)果一致，證明可信度比較高。

5 最佳參數(shù)組合分析再驗證

結(jié)合正交試驗分析的結(jié)果，翹曲變形的最佳工藝參數(shù)組合為A3B1C3D3E1，即熔體溫度317 ℃，模具表面溫度94 ℃，冷卻時間25 s，保壓壓力161 Pa，保壓時間7 s。利用模流分析軟件對得到的最佳工藝參數(shù)進行模擬分析，得到如圖5所示的分析結(jié)果，從結(jié)果可以看出，產(chǎn)品的最大翹曲值為0.477 5 mm，比初始分析中的翹曲值減小了約35.85%，說明翹曲變形的優(yōu)化效果明顯，產(chǎn)品質(zhì)量得到明顯提升。

6 結(jié)論

（1）對插座面板零件采用一模兩腔的注塑方案，在系統(tǒng)推薦的工藝參數(shù)條件下進行模流仿真分析，得到總翹曲變形值為0.744 3 mm。

（2）為了分析影響翹曲變形的主要因素，選取熔體溫度、模具表面溫度、冷卻時間、保壓壓力、保壓時間5個因素，建立三水平五因素的正交試驗方案，并進行極差和方差計算。根據(jù)計算結(jié)果，得到影響翹曲變形值的最佳參數(shù)組合為：熔體溫度317 ℃，模具表面溫度94 ℃，冷卻時間25 s，保壓壓力161 Pa，保壓時間7 s。

（3）對得到的最佳參數(shù)組合重新進行模流分析，則新參數(shù)條件下的翹曲變形值為0.477 5 mm，比默認參數(shù)條件下的翹曲變形值減小了約35.85%，翹曲變形優(yōu)化效果明顯，有效減小了零件變形。