洪蓓蓉

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院（上海 200092）

1 引言

從加工成本、模具壽命、模具精度、標(biāo)準(zhǔn)化程度幾個(gè)方面考慮，傳統(tǒng)的注射成型模具一般適用于大批量塑件生產(chǎn)，倘若生產(chǎn)小批量塑件，則會(huì)出現(xiàn)材料利用率低，加工周期長，后處理多，成本高等問題。為此，我們嘗試將傳統(tǒng)注射成型模具加工和快速成型加工方法相結(jié)合，采用快速成型加工注射模鑲塊生產(chǎn)小批量塑件[1～2]，該生產(chǎn)方式的特點(diǎn)是制造周期短、工藝簡單、互換性強(qiáng)、操作方便[3～4]。但目前還存在的問題有：鑲塊耐熱性差，成型參數(shù)不合理、試模時(shí)間較長都會(huì)影響塑件質(zhì)量以及降低模具壽命。針對成型參數(shù)不合理，減少試模時(shí)間和次數(shù)，運(yùn)用模流分析軟件和正交分析試驗(yàn)對注射成型參數(shù)進(jìn)行預(yù)判和優(yōu)化，使最后的塑件質(zhì)量接近于傳統(tǒng)注射模生產(chǎn)出的塑件質(zhì)量，達(dá)到公差要求。

2 采用3D打印技術(shù)制造鑲塊的成型特點(diǎn)和條件

2.1 3D打印技術(shù)制造鑲塊遇到的問題

目前，3D打印技術(shù)制造鑲塊遇到的問題主要有以下兩方面：

（1）材料局限性。因?yàn)椴牧蠟樗芰?，其溫度、?qiáng)度、硬度等方面受到限制，通用性不強(qiáng)，需要進(jìn)行比較和篩選。

（2）試模次數(shù)少。注射成型參數(shù)與傳統(tǒng)注射模試模參數(shù)有所不同，但因材料耐熱問題，使用次數(shù)過多會(huì)影響模具壽命和精度，無法多次試模得到確切工藝參數(shù)，只得后續(xù)借助軟件進(jìn)行仿真預(yù)判。

2.2 3D打印技術(shù)制造鑲塊制備過程

3D打印中的PolyJet技術(shù)成型精度高、表面質(zhì)量高、力學(xué)性能好、成型速度快。結(jié)合本文所探討的“中小批量快速制?！毙枨?，采用PolyJet技術(shù)來打印注射成型鑲塊。PolyJet成型方法可選用多種成型材料，選用有很好的抗沖擊強(qiáng)度，熱變形溫度高，尺寸穩(wěn)定性好的ABS-like材料，選用名稱為RGD515和RGD535分別作為鑲塊的主體和打印時(shí)產(chǎn)生的支撐，采用Stratasys公司的Objet260 Connex3型快速成型機(jī)進(jìn)行注射模鑲塊制造，并在打印結(jié)束后進(jìn)行后處理加工，提高耐熱性和熱穩(wěn)定性。

設(shè)計(jì)并加工完成好的3D打印成型鑲塊如圖1所示，組裝完成的注射模如圖2所示。采用注塑機(jī)注射成型，注塑機(jī)成型工藝參數(shù)輸入優(yōu)化后的試驗(yàn)結(jié)果：熔體溫度195℃、模具溫度65℃、保壓時(shí)間4s、保壓壓力50MPa。

圖1 3D打印鑲塊的三維建模和實(shí)物

圖2 快速成型鑲塊注射模實(shí)物圖

3 快速成型鑲塊注射成型工藝主要參數(shù)的優(yōu)化

3.1 采用MoldFlow軟件仿真確定主要工藝參數(shù)

但因材料耐熱問題，使用次數(shù)過多會(huì)影響模具壽命和精度，為了減少試模次數(shù)得到合理的工藝參數(shù)，這里利用MoldFlow 2013模流分析軟件進(jìn)行仿真預(yù)判。通過經(jīng)驗(yàn)值和比較確定對塑件精度造成影響的試驗(yàn)因素：熔體溫度（A）、模具溫度（B），保壓時(shí)間（C），保壓壓力（D），這4個(gè)主要成型因素會(huì)導(dǎo)致塑件的翹曲變形，嚴(yán)重影響了塑件精度。下面將結(jié)合正交試驗(yàn)，確定成型因素中的影響因素和水平。

在MoldFlow分析中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定本例中迷你調(diào)色盤網(wǎng)格化數(shù)據(jù)的三角形沒有“自由邊”與“多重邊”問題，共用邊為15,534，雙層面網(wǎng)格10,356個(gè)單元?！翱v橫比”最大值為8.9，滿足分析要求。檢查模型整體“匹配百分比”和“相互百分比”，結(jié)果分別達(dá)到92.2%以及91.2%，滿足后續(xù)分析要求（填充、保壓分析85%以上，翹曲分析90%以上），如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)對話框

迷你調(diào)色盤結(jié)構(gòu)簡單，呈對稱形式，1模1腔，采用直澆口進(jìn)料的方式，設(shè)置在塑件底部中心位置。在材料選項(xiàng)中，選用Generic PP材料進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 工藝設(shè)置

根據(jù)不同的料溫、模溫、保壓時(shí)間和保壓壓力的工藝參數(shù)的選擇，以及正交試驗(yàn)因素和水平的確定，得到以下16次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 16次試驗(yàn)結(jié)果

完成對迷你調(diào)色盤的注射成型仿真模擬，初步確定了設(shè)計(jì)的可行性，通過軟件分析得出一些注射成型中可能產(chǎn)生的一些問題，尤其是“所有因素的翹曲分析”一項(xiàng)完全對應(yīng)塑件成型精度，如此則為后續(xù)優(yōu)化注射工藝參數(shù)做好了準(zhǔn)備。

可以認(rèn)為翹曲變形是影響塑件質(zhì)量的主要因素，而成型工藝參數(shù)是引起翹曲變形的重要因素，它的合理性會(huì)對塑件的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，如果按照傳統(tǒng)的做法，會(huì)將前人或者專家的知識(shí)點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)值通過試湊得方法，將參數(shù)優(yōu)化，然后一次又一次的試模，故該方法所耗時(shí)間較長，花費(fèi)成本較高，面對塑料材料鑲塊，多次試模定會(huì)降低鑲塊精度和模具壽命。

3.2 設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)確定影響因素和水平

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是以數(shù)理統(tǒng)計(jì)和概率論相關(guān)知識(shí)作為理論基礎(chǔ)[5]，在結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者自身的相關(guān)專業(yè)技術(shù)知識(shí)和實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)來科學(xué)的安排試驗(yàn)，在一定程度上減少反復(fù)試湊的盲目性，能以相對較少的試驗(yàn)次數(shù)得到相關(guān)參數(shù)在試驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)組合。正交法首先是要從大量的試驗(yàn)點(diǎn)中挑選一定量具有典型性和代表性的數(shù)據(jù)點(diǎn)，完成了設(shè)計(jì)“正交表”。

本試驗(yàn)所考察的試驗(yàn)因素包括：因此，選擇L16（44）正交表，其中16為試驗(yàn)次數(shù)，4為此次試驗(yàn)中每個(gè)因素的水平數(shù)，4為此次試驗(yàn)中的因素個(gè)數(shù)。確定試驗(yàn)因素和水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素和水平

3.3 正交試驗(yàn)確定最優(yōu)方案

正交試驗(yàn)的目標(biāo)是分析結(jié)果中翹曲變形的最大值，目標(biāo)值越小則表示所生產(chǎn)出的塑件質(zhì)量越好。根據(jù)試驗(yàn)得出表3看出，16次試驗(yàn)結(jié)果中變形量的差別。

表3 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（1）把16次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，第15號目標(biāo)值（即翹曲最大變形量）最小，其因素水平組合為A4B3C2D4。

（2）分析影響因素影響指標(biāo)的主次順序。根據(jù)R值越大越顯著，由于RA=0.0314，RB=0.0327，RC=0.0641，RD=0.0401，因此因素影響指標(biāo)的主次順序?yàn)锳→B→D→C。

（3）比較k值，選定最優(yōu)方案，原則是用最少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，找到單一因素對于總體結(jié)果的影響趨勢，k值越小，表示該因素在該水平下對結(jié)果是最優(yōu)方案，綜上所述，選定最優(yōu)方案為A4B3C4D4。

（4）確定是否需進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。因A4B3C4D4不在所做的16組試驗(yàn)內(nèi)，需做驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)證的結(jié)果是：最大變形量是0.1921，結(jié)果優(yōu)于試驗(yàn)中第15號A4B3C2D4的結(jié)果，所以為最優(yōu)方案。

3.4 利用極差法分析確定影響因素的顯著性

總變異由A、B、C、D因素以及誤差變異5部分組成，列出方差分析表，進(jìn)行F值檢查，數(shù)值如表4所示。

表4 方差分析表

在表4中F值檢查結(jié)果表明（顯著度α=0.10），查得數(shù)值4.11，F(xiàn)值與之比較，四個(gè)因素對翹曲變形量都有一定影響，C和D因素影響最大，即保壓時(shí)間和保壓壓力對翹曲變形影響最顯著。在其他條件不變情況下，保壓壓力越大，翹曲變形越??；保壓時(shí)間越長，翹曲變形越小。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 數(shù)據(jù)檢測

試驗(yàn)中注射出來的塑件為圓形迷你調(diào)色盤，要求外形美觀均勻，表面質(zhì)量要求一般，且塑件表面無凹痕、縮孔和銀絲。塑件內(nèi)部表面要求光滑，表面粗糙度值達(dá)到Ra0.8μm。任意取5個(gè)塑件進(jìn)行抽查，用游標(biāo)卡尺檢測調(diào)色盤的外徑尺寸、外圈壁厚尺寸，如圖5所示。

圖5 5個(gè)塑件的5個(gè)檢測尺寸

通過數(shù)據(jù)的對比，發(fā)現(xiàn)塑件的實(shí)際尺寸和設(shè)計(jì)理論尺寸存在誤差，但誤差的結(jié)果與模擬仿真的結(jié)果基本吻合。按照測量計(jì)算的平均值來看，塑件尺寸最大的偏差量為0.28mm。小于模流分析中的翹曲變形最大量0.2981mm，同時(shí)也滿足一般注射模塑件的常用精度要求，而經(jīng)過優(yōu)化后的工藝參數(shù)，注射成型的塑件，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，塑件如圖6所示。

圖6 采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)生產(chǎn)出的合格塑件

4.2 結(jié)果分析

（1）通過對塑件的CAE分析以及正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，確定了試模時(shí)候所需要的工藝參數(shù)。根據(jù)優(yōu)化后的試驗(yàn)結(jié)果，注塑機(jī)成型工藝參數(shù)選用一下數(shù)值：熔體溫度195℃、模具溫度65℃、保壓時(shí)間4s、保壓壓力50MPa。

（2）通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了優(yōu)化數(shù)據(jù)的合理性和通用性，利用正交試驗(yàn)和模流分析確定成型參數(shù)在快速成型鑲塊注射模上也同樣適用。