劉峰，沈洪雷

(常州工學院機械與車輛工程學院，江蘇 常州 213032)

0 引言

翹曲變形是注塑件常見的缺陷，導致翹曲變形的因素很多，但主要是由注塑件收縮不均造成的。翹曲造成的注塑件的彎曲和扭曲，不僅包括尺寸上的改變，也包括外觀輪廓的改變，嚴重影響制品的質量[1]。隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，對注塑件翹曲變形的研究也越來越深入。國外不少高校已做了大量研究，文獻[2]提出采用修改模具的方法來降低翹曲變形量，文獻[3]采用穩(wěn)健設計的方法降低翹曲變形量。國內(nèi)也有院校對此做了相關探索，文獻[4]提出一種優(yōu)化翹曲變形量的注塑模具澆口位置設計方法，文獻[5]研究了澆口位置對翹曲變形的影響。但這些方法難以分析澆口和結構已定的塑件，相對而言，以工藝參數(shù)為分析對象適應性更為廣泛。因此，本文在研究注射成型過程中，以注射工藝參數(shù)為研究對象，利用Moldflow軟件提供的正交、單因素實驗方法分析各工藝參數(shù)對平板類注塑件翹曲變形的影響，為快速優(yōu)化工藝參數(shù)以及模具設計提供可靠依據(jù)[6-9]。

1 模擬分析前處理

以國內(nèi)某公司生產(chǎn)的平板類注塑件為例，其外形尺寸為276 mm×106 mm×9 mm，壁厚2 mm，材料為PP(牌號GPP20CF57HBGY)，要求表面光潔無瑕疵，翹曲變形量不超過0.5 mm。考慮塑件結構與要求，采用一模一腔多點進澆成型，分析中采用雙層面網(wǎng)格模型，如圖1所示。對注塑成型工藝按照冷卻、填充、保壓、翹曲順序，進行模擬分析。

圖1 澆注系統(tǒng)與網(wǎng)格模型

2 工藝參數(shù)對翹曲變形的影響程度

采用Moldflow中基于正交實驗法的Taguchi設計法，分析注射成型工藝參數(shù)對塑件翹曲變形的影響，找出主要影響因素并進行優(yōu)化。

在Taguchi實驗設計分析中，選擇熔體溫度A、注射時間B(這里用設定注射時間的百分率表示)、保壓時間C、保壓壓力D(這里用注射壓力的百分率表示)和注射+保壓+冷卻時間E共5個因素作為分析對象，分別設定3個水平值進行實驗，見表1。實驗目的主要是考察塑件的翹曲變形量，考慮塑件翹曲變形主要是由收縮不均造成的，實驗中也將頂出時體積收縮率一并作為評價指標，以便全面考察塑件的翹曲情況。

表1 實驗參數(shù)取值

經(jīng)模擬計算可得到各工藝參數(shù)對評價指標的影響權重，見表2。

表2 模擬實驗結果 %

由表2可見：

1)對于頂出時體積收縮率，各參數(shù)的影響程度由大到小依次為：保壓壓力D、保壓時間C、注射時間B、注射+保壓+冷卻時間E、熔體溫度A。

2)對于翹曲變形量，各參數(shù)的影響程度由大到小依次為：保壓時間C、保壓壓力D、注射+保壓+冷卻時間E、熔體溫度A、注射時間B。

對上述2個評價指標而言，保壓壓力和保壓時間的影響權重較大，為主要工藝參數(shù)；熔體溫度、注射時間和注射+保壓+冷卻時間的影響權重較小，為次要參數(shù)。

3 工藝參數(shù)對翹曲變形的影響規(guī)律

根據(jù)上述正交實驗結果，考慮工藝參數(shù)對翹曲變形的影響權重，選擇保壓壓力、保壓時間、熔體溫度和注射+保壓+冷卻時間4個參數(shù)進行分析。利用Moldlfow中單因素實驗方法來分析各參數(shù)對塑件評價指標的影響趨勢，能夠為優(yōu)化工藝參數(shù)提供實驗依據(jù)。為獲得較好的形狀和尺寸精度，需考慮塑件評價指標的極值和差值，極值要小，同時差值也越小越好。

3.1 保壓時間的影響

保壓時間取值范圍為5～19 s，它對上述2個評價指標的影響如圖2所示。保壓時間長，型腔中能補進更多的物料，可以減小收縮，降低翹曲變形，但保壓時間過長，也容易使聚合分子鏈取向變化而導致應力，使翹曲變形和體積收縮率增大。由圖中可看出，2個評價指標曲線圖均呈拋物線形狀，且拐點大致相同，翹曲變形量最小值時的保壓時間為15.8 s。

圖2 保壓時間的影響

3.2 保壓壓力的影響

保壓壓力導致應力集中，翹曲變形增大。由圖3可看出，隨保壓壓力增大，頂出時體積收縮率曲線呈直線下降，翹曲變形量曲線呈拋物線形狀。保壓壓力為115%時，翹曲變形量最小。

保壓壓力取值范圍為67.5%～120%。高的保壓壓力能更好地進行補縮，降低體積收縮率和翹曲變形，但過高的保壓壓力，也容易導致頂出時體積收縮率的增大。由圖3可知，保壓壓力為115%時，體積收縮率為1.13%，符合要求。

綜上，取保壓壓力為115%。

圖3 保壓壓力的影響

3.3 熔體溫度的影響

熔體溫度取值范圍為190～270 ℃，對兩評價指標的影響如圖4所示。溫度低時，聚合物的解纏能力低，熔體比容小、密度大，其收縮也小，有利于翹曲變形的減小。由圖中可看出，隨熔體溫度的升高，兩指標逐漸增大，至峰值后回落。根據(jù)曲線圖，熔體溫度取值越低越好，但為保證流動性，熔體溫度應在熔融溫度之上。因此，可選擇推薦熔體溫度范圍里較低值。

圖4 熔體溫度的影響

3.4 注射+保壓+冷卻時間的影響

注射+保壓+冷卻時間取值范圍為40～80 s，對兩評價指標的影響如圖5所示。隨時間增加，頂出時體積收縮率逐漸增大，翹曲變形量先減小后增大。注射+保壓+冷卻時間為48 s時，翹曲變形量最小，此時與40 s時翹曲變形量相差小于0.000 2 mm，與80 s時翹曲變形量相差小于0.001 5 mm。由此可知該工藝參數(shù)對翹曲變形量的影響較小，為提高效率，塑件表面冷卻到一定剛度后即可將塑件取出。

圖5 注射+保壓+冷卻時間的影響

4 實驗驗證

由上述模擬分析，結合生產(chǎn)實際，經(jīng)優(yōu)化調整后的注射工藝參數(shù)如表3所示。對此工藝參數(shù)進行模擬分析，得到塑件變形結果如圖6所示。翹曲變形最大值為0.342 9 mm，其變形范圍為0.018 8～0.342 9 mm，完全符合塑件的要求。將該組工藝參數(shù)輸入注射機進行試模，經(jīng)測量，樣件最大翹曲值為0.425 mm，滿足了塑件的要求。Moldflow的分析誤差為19.32%，誤差偏大，有待進一步改善。

表3 工藝參數(shù)

圖6 優(yōu)化后的翹曲變形(單位：mm)

5 結論

1)延長保壓時間和增加保壓壓力有助于減小頂出時體積收縮率，對減小塑件翹曲變形量最為明顯，但過長的保壓時間和過大的保壓壓力也容易形成過保壓，導致塑件翹曲變形量增大。為獲得最低變形量，建議選取曲線拐點時的參數(shù)值。

2)降低熔體溫度，有利于降低塑件翹曲變形量。在保證流動性前提下，建議取推薦范圍內(nèi)較小值。

3)注射+保壓+冷卻時間對塑件翹曲變形量影響較小。為提高效率，實際生產(chǎn)中，待塑件表面冷卻到一定硬度即可開模。

4)通過分析得到了翹曲變形量的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，有效減少了翹曲變形，避免了反復調整和試模。希望為平板類薄壁件的工藝參數(shù)優(yōu)化提供一些有益的借鑒。

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