基于翘曲分析的注塑模工艺参数的优化

随着塑料工业的迅速发展，塑料制品日益普及，已经广泛应用于汽车、家电、医药等各个行业，对注塑制品日益增长的需要推动了注射成型技术的发展和提高。信息产品和电子产品的迅速发展对注塑制品的品质提出了更高要求，如轻便、小巧等，这些就促使了薄壳制品的出现。然而，由于制件的壁很薄，所以更容易出现收缩、翘曲、残余应力等缺陷。翘曲变形是指注塑制品的形状偏离了模具型腔的形状，是注塑制品常见的一种缺陷。翘曲变形可以分为两种形式，即稳定翘曲和非稳定翘曲。稳定翘曲是指翘曲变形与收缩应变成正比；非稳定翘曲是指由于平面应变过大导致制品弯曲，一般这种翘曲变形较大。翘曲变形是由于制品的不均匀收缩产生的。对于翘曲分析而言，收缩本身并不重要，重要的是收缩上的差异，一般均匀收缩只引起制件体积上的变化，只有不均匀收缩才会引起翘曲变形。制品的不均匀收缩表现为3个方面：(1)制品不同部位的收缩不同；(2)沿制品厚度方向的收缩不同；(3)与分子取向平行和垂直方向的收缩不同。翘曲变形的影响因素很多，与整个注射成型的加工过程及模具结构有关，而且这些影响很复杂。减小翘曲变形的主要措施有：(1)修改制件的几何形状；(2)修改模具结构(包括浇注系统、冷却系统和顶出系统的设计)；(3)调整工艺参数。在实际生产中，制件的几何形状和模具结构已经固定，所以调整工艺参数来减小变形更为实际。本文将使用模拟软件Moldflow对收缩翘曲问题进行定量的模拟分析。对主要的工艺参数用实验优化设计理论进行统计分析；研究工艺参数对制品品质影响的同时优化工艺参数.1翘曲CAE的数学模型及数值计算从工程角度讲,翘曲分析就是在塑件的设计阶段完成注射成型制品尺寸的预测,并可以预测注射制品的使用性能,验证模具结构、注塑工艺参数是否合理,为用户设计提供直观有效的信息.从力学研究角度讲,就是根据初应力、初应变、边界条件、工作载荷等求解静态(准静态)平衡方程,得到位移的结构分析过程.在注射成型过程中产生的应变可完整地表示为式(1)的形式:初应力(注塑制品残余应力)主要包括：流动／保压过程的流动残余应力及温度不均匀引起的热残余应力，可用黏弹本构方程求出。初应力、初应变确定后，可用有限元数值方法完成翘曲变形分析。注塑制品翘曲变形的CAE一般是：先求出制品出模时的残余应力，然后利用热弹性小变形理论，采用基于三角形薄板、薄壳离散单元的有限元模型，计算脱模后的变形值。翘曲变形的数值模拟公式为：式(4)右端第一项为温度等效载荷，第二项为初始应力、初始应变的等效载荷。从数值计算角度讲，一般二次单元(如六点三角形板单元)比线形单元(如三结点三角形板)有更高的精度；而且对于同一种网格，单元数目越多，其解越接近于真实解。就翘曲变形CAE本身而言，数学模型、数值算法能保证相当高的精度，但是，由于有些参数，如黏弹性的剪切松弛时间，测量拟合获得比较困难，加上注射成型过程对结晶、取向的影响机理有待于进一步研究，工程应用时对计算机计算间的要求，模型的简化比较多，在数学模型、数值算法两方面会带来一定的误差。2实验设计(DOE)技术Taguchi实验设计技术是应用正交矩阵执行最少的实验次数而获得足够实验信息的一种统计学工具。传统的方法是设置各个影响因子的水平组合，进行真实实验并研究实验结果。然而，多数情况下真实实验难以进行且有些指标很难测量。所以，用多种解析和数值方法来模拟真实实验。本研究利用模拟分析软件Moldflow代替真实实验进行模拟实验。注塑制品品质受到很多因素的影响，而且这些变量的变化范围很广，即使采用CAE模拟，工作量也非常大。因此，如在实际实验中一样，采用DOE技术可设计实验以减少实验次数而获得足够的信息。这里采用TaguchiDOE技术来设计实验和计算各个工艺参数对制品品质的影响，并通过一系列数值实验而得到近似优化解。3实验与结果本文选用手机上壳作为研究算例，如图1所示，共划分13960个三角形网格单元。采用潜伏式浇口。注塑材料为丙烯腈一丁二烯苯乙烯共聚物(ABS)／聚碳酸酯(PC，CycoloyC2950，美国GE塑料公司)。通过两次正交实验得出优化的工艺参数，使得翘曲量最小。3.1实验一与结果具体的参数及参数水平设置如表1所示。按表1各因素的设定值，同时考虑熔体温度与模具温度(A×B)、保压压力和保压时间的交互作用(C×D)，按L16(215)正交表在计算机上进行了16次模拟。数据处理的方法是直观分析和方差分析.将收缩翘曲量最小设为优化目标,并用S／N比望小特性值来描述收缩翘曲量的特性.表2给出了不同工艺和水平的实验结果和信噪比计算结果.使手机上壳收缩与翘曲最小的各因素的水平可基于直观分析得到.如图2所示,得出在本例中各因素水平最佳组合为A2B2C2D2E1.优化参数水平组合包含在正交矩阵的主实验中,因此需要进一步实验验证.如图3所示,得出最佳因素水平组合的翘曲量为0.3123mm,比主实验中的翘曲量都小.因而,应用优化因子水平可以改善注塑制品的翘曲量.为了确定各个参数对翘曲量的影响程度，需要计算方差和。表3给出各因子对制品翘曲量的影响程度。基于表中的值可知各个参数对翘曲量变化的相对重要性。从表3可以得出，熔体温度和保压压力对制品的翘曲量影响非常显著，注塑时间对制品翘曲量的影响显著,其他因素的影响不显著.所以,将影响不显著的因素去除,再次设置参数水平进行实验,进一步研究影响翘曲量的因素.3.2实验二和结果本实验研究的因素与水平如表4所示表5给出了不同工艺和水平的实验结果和信噪比计算结果。基于图4可以预测使制品的翘曲量变化最小的优化的参数水平。由图4可以看出，优化的参数水平组合是A3B3C1D2，优化参数水平组合未包含在正交矩阵的主试验中，需预测对应于优化组合的制品品质响应。因为选用的参数之间没有相互作用，优化参数水平的比可由式(6)预测。由式(6)，对应于优化参数水平下的翘曲量的S／N是12．06761dB，预测值比主实验值均高。根据优化参数水平组合采用数值分析进行实验验证。在优化工艺水平A3B3C1D2下制品的翘曲量为0.2474，如图5所示，该值比主实验的翘曲量均小。验证实验的S／N是12.13201dB，比预测值及主实验值均高。因此，再次应用优化因子水平又一次改善了注塑制品的翘曲量的变化。3.3工艺参数对翘曲量的影响通过以上实验可以得出：保压压力和熔体温度对翘曲的影响非常显著，充填时间的影响显著。保压压力过低可能出现熔体回流现象，或者型腔内的熔体没有被压实而形成较大的体积收缩率，导致翘曲；过高的保压压力虽然可以使补料充足从而减小收缩和翘曲，但是也可能因此而引起较高的流动残余应力和熔体的压应力，导致翘曲；熔体温度过低，熔体的流动性则较差，在流动过程中受到较大的应力，由于没有足够的时间释放，则会产生翘曲，另外还容易发生短射现象；熔体温度过高，容易使材料降解，而且制件冷却到室温后收缩较大。
　　4结论