基于Moldflow及正交試驗(yàn)的箱包下底盤注塑工藝參數(shù)優(yōu)化

摘 要：以某箱包下底盤為研究對象，采用Moldflow與正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對其進(jìn)行注塑成型數(shù)值模擬分析。以熔體溫度、注射時間、保壓壓力、保壓方式和模具溫度為試驗(yàn)因素，分析其對翹曲變形量的影響規(guī)律，旨在找到最佳的工藝參數(shù)組合以獲取最小翹曲變形量。結(jié)果表明，各因素對翹曲變形影響由大到小依次為：保壓壓力，熔體溫度，保壓方式，注射時間，模具溫度。用優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合再次模擬得到的翹曲變形量為0.8768mm，與用默認(rèn)工藝得到的1.404mm相比，降幅為36%，為實(shí)際注塑工藝參數(shù)的設(shè)置提供了理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：Moldflow；正交試驗(yàn)；參數(shù)優(yōu)化；翹曲變形

中圖分類號：TG76； TQ320.662

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Optimization of injection molding parameters for lower chassis

of luggage based on moldflow and orthogonal test

LI Xingjun1， ZHANG Yingben2， YU Jian1， JIANG Songtao1， XU Qingqing1

（1. Jiaxing Nanyang Polytechnic Institute， Jiaxing 314031， Zhejiang， China；

2. Zhejiang Xietong Optics-electronics Co.， Ltd， Jiaxing 314031， Zhejiang， China）

Abstract： Taking the lower chassis of a bag as the research object， the injection molding numerical simulation analysis was carried out by using Moldflow and orthogonal test method.The effects of melt temperature， injection time， packing pressure， packing mode and mold temperature on the warpage were analyzed in order to find the best combination of process parameters to obtain the minimum warpage.The results showed that the influence degree of each factor on warpage deformation was as follows： packing pressuregt;melt temperaturegt;packing methodgt;injection timegt;mold temperature.The warpage deformation was 0.8768mm， which was 36% lower than the default process of 1.404mm.It provided a theoretical guidance for the setting of the actual injection process parameters.

Key words： Moldflow; orthogonal test; parameter optimization; warping Deformation

0 引 言

注塑成型過程復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)熔接痕、短射和翹曲變形等質(zhì)量缺陷，而影響制品質(zhì)量的主要因素包括模具和注塑成型工藝［1-4］。利用Moldflow軟件對塑料件的充填、保壓、冷卻和翹曲變形等過程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以優(yōu)化模具設(shè)計(jì)［5-7］，但翹曲變形往往還需要優(yōu)化成型工藝來改善。傳統(tǒng)方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反復(fù)調(diào)整工藝參數(shù)進(jìn)行試模，調(diào)試周期長且成本高。采用正交試驗(yàn)進(jìn)行模流分析可以有效地優(yōu)化注塑工藝參數(shù)，降低翹曲變形量，提升產(chǎn)品質(zhì)量［8-10］。

筆者以某箱包下底盤為研究對象，利用Moldflow進(jìn)行多澆口位置分析，根據(jù)分析結(jié)果合理選擇了澆口位置，設(shè)計(jì)了澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。以產(chǎn)品翹曲變形量為優(yōu)化指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)法和Moldflow對各工藝參數(shù)組合進(jìn)行分析，找尋最優(yōu)工藝組合。

1 初始模流分析

1.1 網(wǎng)格劃分及材料選擇

某箱包下底盤的主體壁厚1.7mm，外形尺寸為374mm×180mm×48mm。為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格劃分前將產(chǎn)品底面的文字及符號特征去除。將模型導(dǎo)入Moldflow，網(wǎng)格類型為雙層面，邊長取3.5mm。網(wǎng)格修復(fù)后的最大縱橫比為6，平均縱橫比為1.87，匹配率為91.5%，滿足分析要求。有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。產(chǎn)品材料選擇Polypropylene PPC 4660聚丙烯。

1.2 澆口數(shù)量及位置分析

產(chǎn)品尺寸比較大，模具結(jié)構(gòu)采用“一出一”的三板模。首先根據(jù)流程比，即熔體流程L與制品厚度T的比值L/T（50～80）計(jì)算澆口數(shù)量。產(chǎn)品主體壁厚T為1.7mm，可計(jì)算出流程L應(yīng)控制在85～136之間。因?yàn)辄c(diǎn)膠口注射壓力損失比較大，流程應(yīng)盡量短。根據(jù)產(chǎn)品尺寸374mm×180mm×48mm計(jì)算可知，澆口數(shù)量設(shè)計(jì)為6個比較合理。由于產(chǎn)品不是完全對稱，很難根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定各個澆口的最佳位置，而利用Moldflow進(jìn)行6個澆口位置分析，可以快速獲得比較理想的結(jié)果。由于點(diǎn)澆口盡量設(shè)置在制品表面較高處，使流程最短，其次側(cè)面不能進(jìn)膠，因此利用“邊界條件”將產(chǎn)品不便于進(jìn)膠的4個角以及側(cè)面的節(jié)點(diǎn)設(shè)置為“限制性澆口節(jié)點(diǎn)”。分析結(jié)果如圖2所示。

1.3 成型窗口分析

根據(jù)澆口位置分析結(jié)果，綜合考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及冷卻系統(tǒng)不能與澆注系統(tǒng)的豎直流道干涉的前提，設(shè)置6個最佳澆口位置。根據(jù)推薦工藝，設(shè)置模具溫度30℃，熔體溫度230℃，運(yùn)行“成型窗口”分析。從質(zhì)量XY圖結(jié)果查詢質(zhì)量較好的注射時間是0.3～0.8s，質(zhì)量最高點(diǎn)的注射時間為0.51s，如圖3所示。

1.4 冷卻+填充+保壓+翹曲分析

首先，設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，主流道大端直徑4mm，錐體角度4°，長度53mm。分流道為梯形流道，頂部寬度8mm，高度6mm，角度5°。豎直流道大端直徑7mm，高度22mm，錐體角度10°。點(diǎn)澆口長度2mm，直徑1mm。由網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，產(chǎn)品體積為254.3cm3，澆注系統(tǒng)體積為28.4cm3。計(jì)算可獲得包括澆注系統(tǒng)的注射時間為0.57s。

其次，設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)。型腔設(shè)計(jì)6條水道，直徑為10mm，距離產(chǎn)品表面11mm。型芯采用水井冷卻，水井直徑為16mm。中間每條通道設(shè)計(jì)4個水井，兩邊每條通道3個水井，共4條。結(jié)果如圖4所示。

工藝條件設(shè)定如下：模具溫度30℃，熔體溫度230℃，注射時間0.57s。注塑機(jī)參數(shù)設(shè)置如下：鎖模力300t，最大注射行程234mm，最大注射速率925cm3·s-1，螺桿直徑65mm。其他參數(shù)按照默認(rèn)設(shè)置，運(yùn)行“冷卻+填充+保壓+翹曲”分析。主要結(jié)果如下。

充填時間0.65s，充填無短射、無滯流。最大鎖模力200t，小于注塑機(jī)最大鎖模力。翹曲變形結(jié)果顯示，最大變形量為1.404mm，而設(shè)計(jì)要求小于1mm，通過正交試驗(yàn)優(yōu)化工藝參數(shù)以降低變形量。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響注塑件翹曲變形量的工藝參數(shù)有模具溫度、熔體溫度、注射時間、保壓方式、保壓壓力、保壓時間、冷卻條件等。本試驗(yàn)選擇熔體溫度（A）、注射時間（B）、保壓壓力（C）、保壓方式（D）以及模具溫度（E）作為試驗(yàn)因子?？紤]到注射周期及成本，熔體溫度不要太高以節(jié)約能耗，所以取210～240℃。注射時間受注塑機(jī)最大注射速率的限制，所以取0.6～0.9s。保壓壓力為60～90MPa。保壓時間要保證澆口凝固，將熔體溫度設(shè)置為240℃，模具溫度設(shè)置為40℃進(jìn)行分析，由分析結(jié)果可知，澆口凝固時間最長為14s。因?yàn)槁N曲變形主要是由收縮不均引起，因此保壓方式采用先恒壓再衰減的方式。模具溫度取25～40℃。最終各試驗(yàn)因子水平如表1所示。

3 翹曲變形正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 正交試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1選擇正交表L16（45）。利用Moldflow進(jìn)行16次模流分析，得到箱包下底盤的變形量，如表2所示。

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析

各因素對優(yōu)化目標(biāo)的影響程度可以通過極差反映，極差越大則影響越大。極差R=Ah-Al，其中，Ah是因子A在高水平時指標(biāo)的平均值，Al是因子A在低水平是的平均值［11］。為獲得翹曲變形量與各因素的關(guān)系，尋找最佳注塑成型工藝參數(shù)組合，應(yīng)用極差分析數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，各因素對箱包下底盤翹曲變形的影響由大到小依次為：保壓壓力C，熔體溫度A，保壓方式D，注射時間B，模具溫度E。在試驗(yàn)范圍內(nèi)的最佳工藝參數(shù)組合為A4B4C4D3E4。

3.3 最佳工藝參數(shù)驗(yàn)證

實(shí)際生產(chǎn)時，需要根據(jù)推薦螺桿曲線擬合4段注射。曲線如圖5所示。

因?yàn)槁輻U速度曲線是相對值，要能夠指導(dǎo)實(shí)際注塑機(jī)的工藝設(shè)置，需要計(jì)算流動速率和螺桿位置。過程如下：

（1） 計(jì)算熔體體積。根據(jù)固體質(zhì)量和熔體質(zhì)量守恒計(jì)算，即

m=ρsVs＝ρmVm

（1）

式中：m為產(chǎn)品及流道系統(tǒng)凝料的總質(zhì)量；ρs為固體密度；Vs為固體體積；ρm為熔體密度；Vm為熔體體積。由1.4可知：

Vs=Vp+Vf=254.3+28.4=282.7cm3

從材料資料查詢可知ρs為0.8988g·cm-3； ρm為0.7448g·cm-3。計(jì)算得熔體體積為：

Vm=0.89880.7448×282.7=342cm3

（2） 確定螺桿行程L。由公式（2）計(jì)算：

L=Vm/S

（2）

式中：Vm為熔體體積，mm3； S為螺桿橫截面面積，mm2， S=πr2。r為螺桿半徑，32.5mm。因此螺桿行程為：

L=342×10003.14×32.52=103mm

（3） 計(jì)算名義流動速率vn和各段絕對速率。注射時間為0.9s，根據(jù)式（3）計(jì)算。

VmvnV1v1+V2v2+V3v3+V4v4=0.9

（3）

式中：V1～V4—注射體積分?jǐn)?shù)；v1～v4—注射速率百分比。計(jì)算得：vn=820cm3·s-1。各段絕對速率=各段速率%×vn。起始螺桿位置設(shè)置為110mm，其中V/P切換設(shè)置為98%。最終結(jié)果如表4所示。

將充填控制按照表4的絕對速率和螺桿位置進(jìn)行設(shè)置。其他工藝條件設(shè)置如下：熔體溫度240℃，保壓壓力90MPa，保壓方式為恒壓7s衰減7s，模具溫度40℃。以接近實(shí)際生產(chǎn)工藝參數(shù)用Moldflow進(jìn)行模流分析，結(jié)果總翹曲變形量為0.8768mm，低于正交試驗(yàn)中的最小變形量0.8996mm。與默認(rèn)工藝的1.404mm相比，降幅為36%，改善效果顯著，如圖6所示。

4 結(jié) 論

以箱包下底盤為研究對象，利用Moldflow進(jìn)行了6個澆口位置分析，合理設(shè)計(jì)了澆注系統(tǒng)。利用正交試驗(yàn)并運(yùn)用Moldflow進(jìn)行了16次模流分析，通過極差分析方法分析了試驗(yàn)結(jié)果。各工藝參數(shù)對箱包下底盤翹曲變形的影響由大到小依次為：保壓壓力，熔體溫度，保壓方式，注射時間，模具溫度。根據(jù)工藝參數(shù)的影響程度獲得最佳工藝組合，即熔體溫度240℃，4段注射時間0.9s，保壓壓力90MPa，保壓方式為恒壓7s衰減7s，模具溫度40℃，優(yōu)化翹曲變形量至0.8768mm，與默認(rèn)工藝的1.404mm相比，降幅為36%，為實(shí)際生產(chǎn)提供了可靠理論指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

［1］李興俊，劉元，張英本，等.基于MoldFlow的箱包手柄上蓋雙色注射模設(shè)計(jì)［J］.模具工業(yè)，2021，47（10）：47-51.

LI X J， LIU Y， ZHANG Y B， et al.Design of two-colour injection mould for upper cover of bag handle based on MoldFlow ［J］. Die amp; Mould Industry， 2021，47（10）：47-51.

［2］洪建明.汽車格柵雙色注射模具熱流道系統(tǒng)的CAE分析與優(yōu)化［J］.塑料，2018，45（2）：117-120.

HONG J M.Analysis and optimization with CAE for two-component injection mould hot runner system of automobile grille ［J］. Plastics， 2018，45（2）：117-120.

［3］易志斌，吳林倩，溫慧，等.基于Moldflow的汽車操縱桿注塑成型質(zhì)量分析與優(yōu)化［J］.塑料科技，2019，47（6）：72-76.

YI Z B， WU L Q， WEN H， et al. Quality analysis and optimization of injection molding of automotive control handle based on Moldflow ［J］. Plastics Science and Technology， 2019，47（6）：72-76.

［4］丁清國，劉泓濱.基于CAE和DOE的注塑成型工藝多目標(biāo)優(yōu)化研究［J］.塑料工業(yè)，2012，40（7）：54-58.

DING Q G， LIU H B.Multi-objective optimization study of the injection molding process based on CAE and DOE ［J］. China Plastics Industry， 2012，40（7）：54-58.

［5］周沃華，黃明瑜，黃寶奎，等.基于Moldflow解決LED燈罩的開裂問題［J］.塑料工業(yè)，2019，47（3）：43-46.

ZHOU W H， HUANG M Y， HUANG B K， et al.Solve the cracking problem of LED lampshade based on moldflow ［J］. China Plastics Industry， 2019，47（3）：43-46.

［6］于洋，盧宇，王夏丹，等.基于纖維填充取向的無人機(jī)固定翼澆口位置優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.塑料科技，2018，46（11）：78-80.

YU Y， LU Y， WANG X D， et al.Optimization design of gate location for UAV fixed wing based on fiber filling orientation ［J］. Plastics Science and Technology， 2018，46（11）：78-80.

［7］邢繼軍.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在注塑成型澆口優(yōu)化中的應(yīng)用［J］.塑料工業(yè)，2018，46（9）：77-80.

XING J J.Application of computer simulation technology in optimization of injection molding gate ［J］. China Plastics Industry， 2018，46（9）：77-80.

［8］牛吉梅.CAE技術(shù)在注塑工藝參數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用［J］.塑料科技，2019，47（7）：74-77.

NIU J M.Application of CAE technology in optimization of injection process parameters ［J］. Plastics Science and Technology， 2019，47（7）：74-77.

［9］潘秀石，林桂霞.基于正交試驗(yàn)法的加濕器底座注塑工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.工程塑料應(yīng)用，2016，44（4）：65-68.

PAN X S， LIN G X.Optimized design of injection molding process for humidifier pedestal with orthogonal experiment method ［J］. Engineering Plastics Application， 2016，44（4）：65-68.

［10］石曉慧，王守城，王恒沖，等.基于Moldflow及正交實(shí)驗(yàn)的雙色注塑工藝參數(shù)優(yōu)化［J］.塑料，2015，44（2）：113-116.

SHI X H， WANG S C， WANG H C， et al.Parameters optimization of two-colored injection molding process based on moldflow and orthogonal test ［J］. Plastics， 2015，44（2）：113-116.

［11］龐龍鳳.基于正交試驗(yàn)汽車前燈注塑工藝參數(shù)優(yōu)化［J］.塑料工業(yè)，2018，46（2）：27-30.

PANG L F.Optimization of injection molding parameters for car headlight based on orthogonal test ［J］. China Plastics Industry， 2018，46（2）：27-30.