許建文,劉斌

(華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院,福建泉州 362021)

非球面塑料光學(xué)透鏡收縮變形的數(shù)值分析

許建文,劉斌

(華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院,福建泉州 362021)

運(yùn)用田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,模擬分析不同工藝參數(shù)組合下的收縮變形,研究不同工藝參數(shù)對(duì)非球面塑料光學(xué)透鏡平均體積收縮率的影響程度.分析結(jié)果表明,保壓壓力、填充時(shí)間、熔體溫度和澆口尺寸對(duì)塑件平均體積收縮率有顯著的影響,且影響程度依次降低.正交實(shí)驗(yàn)得出其最優(yōu)化的工藝參數(shù)組合:模具溫度為45℃、熔體溫度為250℃、保壓壓力為25 M Pa、填充時(shí)間為6.2 s、保壓時(shí)間為13 s、冷卻時(shí)間為38 s和澆口尺寸(寬×深)為3 mm×2 mm.最后,選取保壓壓力、填充時(shí)間、熔體溫度和澆口尺寸進(jìn)行有交互作用的正交試驗(yàn),結(jié)果顯示4個(gè)參數(shù)之間的交互作用對(duì)非球面塑料光學(xué)透鏡的平均體積收縮率影響較小.

非球面塑料光學(xué)透鏡;田口實(shí)驗(yàn);工藝參數(shù);平均體積收縮率

注塑件的收縮行為對(duì)其最終尺寸和形狀的確定起著重要的作用[1].對(duì)注塑件收縮率有影響的因素,主要為注塑材料特性、注塑工藝條件和模具成形結(jié)構(gòu)[2].成型工藝參數(shù)是直接影響模具內(nèi)塑料熔體的狀態(tài)和最終塑件的質(zhì)量,而獲取優(yōu)化的工藝參數(shù)是成型高質(zhì)量塑件的前提.非球面塑料光學(xué)透鏡表面質(zhì)量要求較高,收縮變形要求較小.因此,本文結(jié)合M oldflow軟件和田口實(shí)驗(yàn)技術(shù),研究不同工藝參數(shù)對(duì)塑件平均體積收縮率的影響,以及各主要影響因素之間的交互作用.

1 體積收縮變形的模擬分析

以透鏡體積收縮變形量作為田口實(shí)驗(yàn)[3]的品質(zhì)特性.由于非球面塑料光學(xué)透鏡表面質(zhì)量要求高,透光性好,上下表面不能有殘留痕跡,因此,選擇聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為研究材料,采用矩形側(cè)澆口,一模四腔.塑件尺寸、澆注系統(tǒng)尺寸與塑件的分析模型,如圖1～3所示.其中:主流道小端直徑為4 mm,大端直徑為6 mm,高度為40 mm;分流道的直徑為5 mm;澆口的長(zhǎng)度為2 mm;冷卻管道的直徑為10 mm,長(zhǎng)度為100 mm,與塑件表面的距離為20 mm.

圖1 塑件的尺寸(單位:mm)Fig.1 Sizes of injection product(unit:mm)

圖2 澆注系統(tǒng)尺寸(單位:mm) Fig.2 Sizes of gating system(unit:mm)

圖3 塑件分析模型Fig.3 Analysis mode of injection product

利用前面的模擬分析結(jié)果,確定適宜的工藝參數(shù)范圍,采用7參數(shù)3水平的正交表(L18(37))進(jìn)行實(shí)驗(yàn),各因素的水平配置如表1所示.表1中:A為模具溫度;B為熔體溫度;C為保壓壓力;D為填充時(shí)間;E為保壓時(shí)間;F為冷卻時(shí)間;G為澆口尺寸(澆口尺寸為截面尺寸的寬×深).

表1 工藝參數(shù)水平安排表Tab.1 Arrangement table of process parameter level

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 模擬結(jié)果

用Mold flow模擬來代替真實(shí)的實(shí)驗(yàn),得到塑件在不同工藝參數(shù)設(shè)置下的體積收縮變形結(jié)果,如表2所示.表2中:η為平均體積收縮率,rSN為信噪比值.定義均方偏差(DMS)和信噪比值(rSN)為

上式中:yi為第i個(gè)品質(zhì)特性;為平均品質(zhì)特性;n為實(shí)驗(yàn)數(shù)目;s為標(biāo)準(zhǔn)差.由表2模擬分析結(jié)果可計(jì)算出均方偏差與信噪比值,結(jié)果如表2所示.

表2 分析結(jié)果與信噪比表Tab.2 Table of analysis result and ratio of signal to noise

2.2 模型的反應(yīng)表

將因子所有相同水平的信噪比值取平均值,如A因子的各水平平均值分別為

模型控制因子對(duì)信噪比值的反應(yīng)表,如表3所示.從表3可得到如下2點(diǎn)結(jié)論.

表3 模型的信噪比值表Tab.3 Table of the value of model′s signal to noise

(1)由極差的大小可直觀得出各工藝參數(shù)對(duì)平均體積收縮率的影響,其由大到小的順次:保壓壓力、填充時(shí)間、熔體溫度、澆口尺寸、模具溫度、冷卻時(shí)間和保壓時(shí)間.其中:保壓壓力、填充時(shí)間、熔體溫度和澆口尺寸的影響較為顯著,其他因素的影響很小.因此,在下面研究中,主要探討保壓壓力、填充時(shí)間、熔體溫度和澆口尺寸之間的交互作用.

(2)在考察的工藝參數(shù)水平上,最優(yōu)化的工藝參數(shù)組合:模具溫度為45℃、熔體溫度為250℃、保壓壓力為25 M Pa、填充時(shí)間為6.2 s、保壓時(shí)間為13 s、冷卻時(shí)間為38 s和澆口尺寸(寬×深)為3 mm× 2 mm.在此工藝條件下,獲得的平均體積收縮率為5.061 6%,與已做過的實(shí)驗(yàn)相比,該工藝條件所得的平均體積收縮率確實(shí)最小.

2.3 變異分析

利用變異分析,可以精確地分析不同的注塑工藝參數(shù)對(duì)非球面鏡片的體積收縮所造成的影響.下面分別定義6個(gè)變異參數(shù).

(1)因子的變異偏差σ.其計(jì)算式為

(2)自由度D.其計(jì)算式為

(3)平均變異偏差ˉσ.其計(jì)算式為

(4)純變異偏差σ′.其計(jì)算式為

(5)因子貢獻(xiàn)的百分比ρF.其計(jì)算式為

(6)變異數(shù)比(RF).變異數(shù)比值越大,表示該因子對(duì)η的貢獻(xiàn)愈大或表示誤差對(duì)η的影響較小.其計(jì)算式為

上幾式中:n×r代表有n組實(shí)驗(yàn),每組實(shí)驗(yàn)有r個(gè)重復(fù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);L為水平數(shù);為平均數(shù);為該因子在水平k時(shí)的反應(yīng)值;下標(biāo)F,e分別表示因子和誤差;σtot=4.297 5,Dtot=17.

根據(jù)以上變異參數(shù)公式計(jì)算,結(jié)果如表4所示.由表4可知,保壓壓力、填充時(shí)間、熔體溫度和澆口尺寸對(duì)塑件體積收縮的貢獻(xiàn)百分比總和超過99%.由此可見,這4個(gè)因素對(duì)塑件的體積收縮影響較大.這是因?yàn)楸簤毫δ軌蜓a(bǔ)償塑件因冷卻收縮的量;填充時(shí)間與填充速率有關(guān)系,而填充速率的快慢能決定塑件因流動(dòng)所造成的分子配向性的收縮差異;澆口尺寸的大小關(guān)系著塑件的流動(dòng)情況和塑件能否被充分保壓.

表4 變異數(shù)據(jù)分析表Tab.4 Analysis table of variance data

3 交互作用的模擬分析

選取保壓壓力、填充時(shí)間、熔體溫度和澆口尺寸進(jìn)行交互作用的模擬分析.水平1的配置:熔體溫度A為250℃,保壓壓力B為15 M Pa,填充時(shí)間C為4.2 s,澆口尺寸D(截面的寬×深)為2 mm×1 mm;水平2的配置:熔體溫度A為260℃,保壓壓力B為20 M Pa,填充時(shí)間C為5.2 s,澆口尺寸D(截面的寬×深)為2 mm×2 mm.

考慮到這4個(gè)因素及相互之間的交互作用共有10個(gè)因素,故采用15參數(shù)2水平的L16(215)正交表來安排實(shí)驗(yàn).綜合L16(215)的表頭設(shè)計(jì)與L16(215)的正交表[4],其正交表及模擬分析結(jié)果如表5所示.表5中:η表示平均體積收縮率.

表5 模擬分析結(jié)果Tab.5 Analysis result of simulation

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析,即將各工藝參數(shù)在3個(gè)水平下的平均體積收縮率進(jìn)行平均,其計(jì)算式為

式中:m為工藝參數(shù)在某水平下的平均值,n為該水平下出現(xiàn)的次數(shù),xi為工藝參數(shù)在此水平下的平均體積收縮率.由各工藝參數(shù)最大平均值和最小平均值之差計(jì)算出極差,結(jié)果如表6所示.

由極差的大小可直觀得出各工藝參數(shù)對(duì)塑件平均體積收縮率的影響,其由大到小順序?yàn)?B>C>D>A>A×D>B×C>C×D>B×D>A×B>A×C.由極差值的大小還可知,4因素之間的交互作用對(duì)塑件的平均體積收縮率的影響不是很明顯,在進(jìn)行體積收縮變形分析時(shí)可以不必考慮因素之間的交互作用.

表6 直觀分析表Tab.6 Direct analysis table

4 結(jié)束語

將Moldflow軟件和田口實(shí)驗(yàn)結(jié)合,有利于減少實(shí)驗(yàn)次數(shù),田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法能快速安排實(shí)驗(yàn)并分析出優(yōu)化的工藝參數(shù)方案.在對(duì)材料PMMA研究的工藝范圍內(nèi),保壓壓力、填充時(shí)間、熔體溫度和澆口尺寸對(duì)注塑件的平均體積收縮率影響較為顯著,且影響程度依次降低,而模具溫度、保壓時(shí)間和冷卻時(shí)間的影響很小.此外,在最優(yōu)參數(shù)條件下,獲得的平均體積收縮率為5.061 6%.

[1]王利霞,楊楊,王蓓,等.注塑成型工藝參數(shù)對(duì)制品體收縮率變化的影響及工藝參數(shù)優(yōu)化[J].高分子材料科學(xué)與工程,2004,20(3):173.

[2]祝鐵麗,王敏杰.注塑成形制品收縮過程的數(shù)值模擬[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2002,38(9):145.

[3]MON TGOM ERY DOUGLASC.Design and analysis of experiments[M].New York:John Wiley&Sons,1997.

[4]田勝元,肖曰嶸.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002:221-222.

(責(zé)任編輯:陳志賢英文審校:鄭亞青)

Numerical Simulation of Shrinkage Deformation for Aspherical Plastic Optical Lens

XU Jian-wen LIU Bin
(College of Mechanical Engineering and Automation,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

Using Taguchi method of experimental design,shrinkage deformation of injection product under different compages of process parameters is simulated and analyzed to study degrees of different process parameters′effects on average volumetric shrinkage of as pherical plastic optical lens.It can be concluded from analysis results that,effects of packing pressure,injection time,melt temperature and gate sizes on average volumetric shrinkage of products are prominent,the effect degree of which decreases in turn.And the results of orthogonal experiment have show n that,optimum process parameters are:mold temperature is 45℃,melt temperature is 250℃,packing pressure is 25 MPa,filling time is 6.2 s,packing time is 13 s,cooling time is 38 s and sizes of gate(width and depth)are 3 mm×2 mm.In the end, packing pressure,injection time,melt temperature and gate sizes are selected to conduct orthogonal experiments considering interaction,results have show n that interaction effects between these four process parameters on average volumetric shrinkage of aspherical plastic optical lens are smaller.

aspherical plastic optical lens;Taguchi experiment;process parameter;average volumetric shrinkage

TQ 320.66+1

A

1000-5013(2011)02-0130-05

2009-10-19

劉斌(1972-),男,副教授,主要從事聚合物材料模塑成型的研究.E-mail:mold_bin@hqu.edu.cn.

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E0810040);福建省青年創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2004J033)