复杂注塑零件翘曲最优化控制方法研究及应用.doc

技术与评论复杂注塑零件翘曲最优化控制方法研究及应用梅益，汪希奎，肖石霞，王光艳，陈浪( 贵州大学机械工程学院材料成型及控制研究所，贵州贵阳550025)摘要: 针对复杂结构注塑件成型中的翘曲现象，分析影响翘曲的主要因素，运用注塑仿真设计合理的注射方案，以塑件翘曲量作为评价指标，结合正交试验获得一组最优工艺参数方案，并对其进行仿真验证。关键词: 注塑工艺; 参数优化; 翘曲; 正交试验在复杂塑件注塑成型中，翘曲变形是其常见缺陷之一。翘曲过大对塑料制品的外观质量和使用性能均有重要影响。引起塑件翘曲变形的原因主要有三个方面: 模具设计、成型工艺及塑件结构。首先，在模具设计方面，浇口位置不当或数量不足，均会影响塑料熔体流动的平衡及填充结束时的体积收缩。顶出位置不当或制品受力不均匀，也会对塑件翘曲变形造成影响; 其次，在成型工艺方面，模具及熔体温度、保压压力、注射时间和冷却时间等工艺参数，对塑件翘曲变形会产生重要影响。设计合理的工艺参数组合，对于提高制品质量起着至关重要的作用; 再次，塑件结构方面，塑件的结构是决定其本身翘曲变形程度的关键。壁厚不均的塑件，在注射成型中易产生翘曲变形和残余内应力。本文主要针对复杂制品注射方案及其最优参数组合展开进一步的研究与探讨。1 浇注系统设计1. 1 零件注塑工艺分析如图1 所示，该塑料制品属于壳体类零件，零件最大尺寸为178. 6 mm46 mm40 mm，属中小型塑件，零件壁厚基本均匀，平均壁厚约1. 5 mm。该塑件形状较复杂，细节特征较多，但是大部分结构较对称。塑件两侧有较多突起和孔洞，需设计侧向抽芯机构、采用阶梯分型。1. 2 零件初步注射方案设计在零件批量生产条件下，通常提倡一模多件模具设计，以提高生产效率，降低生产成本。一模多件模具设计主要有: 一模两件、一模四件、一模八件等。本文主要研究一模两件的模具注射方案。方案一: 双分型面，点浇口形式。点浇口的优点在于可以提高塑件表面质量。由于浇口很小，便于塑件和冷凝料分离，同时增加的分流道板有利于浇口位置的自由选择。但是使用点浇口，其缺点也很突出，这种结构增加了模架高度和分流道长度，会使充型速度减小，需较大的注射压力才能保证完整充型。为了取出浇注系统冷凝料，必须使用双分型面或单分型面热流道结构，设计和制造成本较高。其结构形式如图2 所示。方案二: 单分型面，侧面一个侧浇口。侧浇口多开设在模具的分型面上，从塑件的边缘进料，故又称边缘浇口，其截面形状一般为矩形。由于侧浇口的形状简单，加工和去除凝料较方便，通过改变浇口尺寸能有效调整充模时的剪切速率和浇口冷凝时间( 即型腔补料时间) ，因此应用非常广泛。其缺点是脱模后塑件的外表面留有浇口痕迹，适用于生产表面质量要求不高的塑料制品。本方案设计的优点在于塑件侧面只需一个侧浇口，流道和浇口的加工费用较低。但是在设计模具浇口位置的上部需要设计侧抽芯机构，对抽芯滑块的设置会产生干涉。如果避开侧抽芯干涉，塑料熔体的充填不能保持平衡，易导致产品质量缺陷。其结构形式如图3 所示。方案三: 单分型面，侧面两个侧浇口。由于塑件工作位置外表面处于较隐蔽的地方，对制品表面质量要求不高，因此使用侧浇口较适合。侧面设计两个侧浇口，能避免与侧抽芯机构发生干涉，同时可以保证型腔充填平衡，预防欠注情况发生，但是流道加工成本较高。其结构形式如图4 所示。1. 3 确定注射方案综上比较，本塑件浇注系统结构选择方案三。该方案模具结构较简单，材料使用和设计制造费用比点浇口结构少，生产效率较高，而且模具加工制造较方便。同时，既方便斜滑块抽芯机构的设置，避免干涉，也能够满足制品工作和质量要求。2 正交试验设计2. 1 正交试验因素及其水平设计正交试验设计方法是目前常用的一种研究与处理多因素试验的科学试验方法，其试验方法是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验。本文选取六个对注射成型质量有影响的工艺参数: 模具温度( A) 、熔体温度( B) 、保压压力( C) 、冷却时间( D) 、保压时间( E) 、注射时间( F) ，每个因素分别选取三个水平，采用正交试验法对各工艺参数变化与塑件翘曲变化之间的关系进行研究，通过数据结果分析优化参数设置。各因素及其水平如表1所示。2. 2 正交试验方案设计设置正交试验的步骤是: 1) 确定试验目标; 2)确定影响因素及其水平; 3) 选择合适的正交表; 4)选取试验模型并模拟分析; 5) 进行试验结果数据后处理分析; 6) 进行参数优化，选取最优工艺参数组合。本文选用L18( 37 ) 型正交试验表，不考虑因素之间的交互作用，得到18 种试验方案，如表2 所示。2. 3 仿真模拟分析本文设置的仿真模拟步骤是: 1) 使用UG 建立塑件产品三维模型; 2) 将三维模型导出为STL 格式文件; 3) 在仿真系统中导入此STL 格式文件，并进行网格划分、网格诊断和修复; 4) 在网格模型上创建浇注系统; 5) 依次执行正交试验设定的试验方案，设置注塑工艺条件和参数; 6) 执行完整的冷却、充填、保压、翘曲分析; 7) 生成试验报告，记录翘曲变形量; 8) 再次执行5) 、6) 、7) 的循环分析，直到完成正交试验所有分析方案为止。仿真分析结果数据见表2。表2 正交试验表3 数据结果分析3. 1 计算正交表通过仿真模拟对正交试验法所制定的试验方案进行逐一模拟分析，得出每个试验方案的翘曲变形量。把得到的结果数据进行极差分析，计算得到各因素的极差数据。其基本计算过程如下: 其中，KA1、KA2、KA3A 列因素1、2、3 水平分别对应的试验指标之和; yi 试验指标; kA1、kA2、kA3 分别为KA1、KA2、KA3的平均值; RA A 列因素的极差值。其余计算同上，在此均省略。其计算结果如表2所示。经过计算，各列的极差值不相等，这说明不同因素的水平改变对试验结果的影响程度是不相同的。极差越大，说明该因素水平改变对试验结果的影响越大，极差最大的因素就是影响试验结果最主要的因素。经计算结果比较，根据各因素极差大小，得到各影响因素的主次顺序为: BDFECA，即熔体温度水平改变对试验结果影响最大，模具温度水平改变对试验结果影响最小。3. 2 最优方案确定根据塑件使用性能要求，确定的最优方案评价标准为: 塑件翘曲变形量越小越好。因此选取的最优水平组合为: A1 B3C3 D1 E3 F3，即模具温度为60 ，熔体温度为220 ，保压压力为85 MPa，冷却时间为5 s，保压时间为35 s，注射时间为3 s。经仿真计算对最优参数组合进行验证，得出翘曲量为0. 237 3mm，翘曲效果最好。4 结论1) 通过模拟仿真和正交试验法的综合运用，确定了各设计因素对塑件翘曲量影响的主次因素顺序