汪海濤

(寧波公牛電器有限公司， 浙江寧波 315318)

0 前言

在塑料件的開發(fā)過程中，涉及的方面有很多：結(jié)構(gòu)設(shè)計、模具設(shè)計、注塑成型、后處理工藝、零件組裝、產(chǎn)品包裝等。注塑成型參數(shù)合理設(shè)置是保證成型合格零件的關(guān)鍵因素。雖然注塑成型參數(shù)可以在注塑成型機(jī)上直接進(jìn)行調(diào)試，但前提條件是模具設(shè)計、制造、組裝完成后才能進(jìn)行，同時需要安排試模人員、場地、注塑原料等人力和物力的投入。隨著社會的不斷發(fā)展，大眾對產(chǎn)品的個性化期望越來越高，促使產(chǎn)品的品種越來越繁多,塑料件實際結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、精度更高，以及產(chǎn)品上市周期更短。注塑模具依靠模具設(shè)計人員的經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計、反復(fù)修模和試模已無法滿足生產(chǎn)要求[1]。筆者以墻壁開關(guān)固定架為例，采用正交試驗法對注塑成型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，借助Moldflow軟件進(jìn)行虛擬試模，對正交試驗各種取值情況進(jìn)行驗證，并對極差分析后獲得最終優(yōu)化組合進(jìn)行驗證，檢驗正交試驗的正確性[2]。

1 塑料件模型的創(chuàng)建

筆者研究的塑料件為墻壁開關(guān)固定架(見圖1)，其最大外觀尺寸為85.9 mm×82.0 mm×24.5 mm，平均厚度為1.5 mm。塑料件內(nèi)部有較多的加強(qiáng)筋，成型后需同玻璃面板進(jìn)行裝配，安裝平面度要求較高。

(a) 產(chǎn)品正面

(b) 產(chǎn)品背面

在3D繪圖軟件中創(chuàng)建墻壁開關(guān)固定架實體模型，并轉(zhuǎn)換為step格式，利用CAD doctor軟件對模型進(jìn)行簡化，導(dǎo)出Moldflow軟件可以直接識別的格式。由于制品厚度相對整體尺寸較小，適合雙面網(wǎng)格，圖2為已經(jīng)劃分網(wǎng)格后的模型，結(jié)合軟件分析精度及計算機(jī)分析效率要求，網(wǎng)格縱橫比控制在10以下，匹配百分比控制在90%以上[3]。

圖2 網(wǎng)格模型

2 參數(shù)設(shè)置

2.1 塑料件材料

塑料件材料選擇某材料廠商生產(chǎn)的30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺。玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺在機(jī)械強(qiáng)度、剛性、耐熱性、耐蠕變性和耐疲勞強(qiáng)度等方面，與純聚酰胺相比，均有大幅度提高;另外其伸長率、模塑收縮率、吸濕性、耐磨性等性能下降，綜合性能主要取決于玻璃纖維與樹脂的結(jié)合強(qiáng)度、含量、長徑比以及取向度等因素。材料剪切速率-黏度曲線見圖3，比體積-溫度曲線見圖4。

圖3 剪切速率-黏度曲線圖

圖4 比體積-溫度曲線圖

2.2 注塑成型機(jī)

該塑料件生產(chǎn)選用Haitian MA1600 Ⅱ/540注塑成型機(jī)。螺桿直徑為45 mm，螺桿長徑比為20，最大注塑壓力為148 MPa。在Moldflow 模擬分析中選用相同參數(shù)的注塑成型機(jī)進(jìn)行模擬。

2.3 模具材料

依據(jù)墻壁開關(guān)固定架產(chǎn)品質(zhì)量與注塑要求，該注塑件選用模具材料為P20模具鋼，材料密度為 7. 8 g /cm3，熱傳導(dǎo)率為29 W/(m·K)，彈性模量為2.05×105MPa。

2.4 流道系統(tǒng)

該塑料件模具開發(fā)根據(jù)產(chǎn)能需求設(shè)計為一模四穴，采用熱流道系統(tǒng)連接部分冷流道，兩點潛伏式進(jìn)膠。

3 方案設(shè)計

對于單一因素或兩因素的試驗，由于因素少，試驗的操作與分析相對比較簡單。但在實際工作中，常常需要同時考慮3個或3個以上的試驗因素，如果進(jìn)行全部試驗，則試驗的規(guī)模將變得很大，往往受試驗條件的限制而難以執(zhí)行，需要耗費大量的人力、物力、財力。正交試驗設(shè)計就是安排多因素試驗，尋求最優(yōu)化組合的一種高效試驗設(shè)計方法。此次研究分析的墻壁開關(guān)固定架整體尺寸不大，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，且壁厚厚薄不均。采用正交試驗法，參考同類型產(chǎn)品注塑成型經(jīng)驗，設(shè)計出多套方案，利用Moldflow軟件進(jìn)行模擬分析,最終從分析結(jié)果進(jìn)行極差分析，選出最佳方案并加以驗證。

4 注塑成型工藝參數(shù)優(yōu)化

4.1 試驗指標(biāo)

此次研究的是墻壁開關(guān)固定架注塑成型的翹曲變形問題，因此正交試驗設(shè)計選取固定架的總翹曲變形量作為試驗指標(biāo)。

4.2 試驗因子及水平

通過分析發(fā)現(xiàn)影響注塑件產(chǎn)品翹曲變形的因素很多，筆者選取了其中影響較大的5項，即模具溫度、熔體溫度、注塑時間、保壓壓力、冷卻時間。模具溫度和熔體溫度2項參考該款材料推薦的溫度范圍確定，而剩余3項注塑成型參數(shù)則依據(jù)以往同類型注塑件實際成型經(jīng)驗設(shè)定。上述5項作為不存在交互作用的試驗因子A、B、C、D、E。各試驗因子在各自取值范圍均勻地取4個水平，具體數(shù)值見表1。采用正交試驗矩陣進(jìn)行試驗設(shè)計可得5因素4水平的正交表。按照表1設(shè)置的參數(shù)來模擬試驗，同時記錄試驗指標(biāo)最大翹曲變形量，所得數(shù)值見表2。模具溫度越高，一方面熔料越容易充填，保壓更充分，翹曲變形會降低；另一方面塑料件冷卻時間更長，塑料收縮更劇烈，收縮不均會加劇翹曲變形。熔體溫度越高，充填越容易，所需充填壓力低，內(nèi)應(yīng)力小，翹曲變形越小。注塑時間越長，熔料對外散熱越多，流動阻力會越大，所需充填壓力高，內(nèi)應(yīng)力大而加劇翹曲變形。保壓壓力越高，收縮補(bǔ)料越充分，有利于改善收縮不均引起的翹曲變形。冷卻時間影響也具有兩面性，一方面冷卻時間短，應(yīng)力釋放不充分，可能加劇變形；另一方面冷卻時間長，產(chǎn)品收縮更劇烈，收縮不均會加劇翹曲變形。

表1 固定架注塑成型正交試驗因素及水平

表2 固定架注塑成型試驗表及翹曲變形量

4.3 翹曲變形量極差分析

通過分析試驗因子水平的極差，可以獲得工藝參數(shù)對翹曲變形量的影響[4]。極差R為各試驗因子分別在4個水平下引起的翹曲變形量均值的最大與最小之差，用于反應(yīng)翹曲變形結(jié)果的離散程度，極差越大，說明該因素對翹曲變形的影響越顯著，反之則影響越小。注塑時間C的極差最大(0.084 7)，冷卻時間E的極差最小(0.006 2)，將其按大小排列，得RC>RD>RB>RA>RE(見表3)。

表3 固定架注塑成型翹曲變形量極差 mm

通過極差分析可知：在固定架的注塑成型過程中注塑時間對翹曲變形影響最大，是最主要的原因；其次是保壓壓力；再次是熔體溫度；最后是模具溫度和冷卻時間。以注塑成型翹曲變形最小為基準(zhǔn)，分析各試驗因子中翹曲變形量最小的水平項，可以組合成一組最優(yōu)化組合。模具溫度因子中t2(60 ℃) 水平的翹曲變形量最小(見圖5); 熔體溫度因子中t4(270 ℃)翹曲變形量最小(見圖6);注射時間因子中t1(24 s)翹曲變形量最小(見圖7);保壓時間因子中t4(70 MPa) 翹曲變形量最小(見圖8);冷卻時間因子中t1(15 s)翹曲變形量最小(見圖9)。由于翹曲變形量越小越好，根據(jù)以上分析最終確定各因子最優(yōu)組合為:A2B4C1D4E1。

4.4 優(yōu)化參數(shù)驗證

根據(jù)極差分析獲得的最優(yōu)工藝組合方案：A2B4C1D4E1，即模具溫度為60 ℃，熔體溫度為270 ℃，注塑時間為0.8 s，保壓壓力為70 MPa，冷卻時間為15 s。通過模擬試驗，獲得的翹曲變形總量為0.718 1 mm(見圖10)，與表2所示的試驗結(jié)果相比，最優(yōu)組較前16組試驗翹曲變形最小值(0.737 4 mm)降低了3.0%，進(jìn)一步驗證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖5 模具溫度對翹曲變形的影響

圖6 熔體溫度對翹曲變形的影響

圖7 注塑時間對翹曲變形的影響

圖8 保壓壓力對翹曲變形的影響

圖9 冷卻時間對翹曲變形的影響

圖10 產(chǎn)品翹曲變形圖(變形比例因子=5.0)

5 結(jié)語

(1) 利用 Moldflow進(jìn)行模擬分析，對比由經(jīng)驗設(shè)計的注塑方案，可以優(yōu)化過去通過試模、改模的傳統(tǒng)解決方法，縮短了產(chǎn)品開發(fā)時間，同時也降低了產(chǎn)品開發(fā)成本。

(2) 注塑成型過程是復(fù)雜的多物理場、多因子互相影響的過程，利用正交試驗法，確定翹曲變形量為試驗指標(biāo)，以模具溫度、熔體溫度、注塑時間、保壓壓力、冷卻時間為變量的5因子，在各自允許取值范圍內(nèi)進(jìn)行均分得到4水平，形成一個5因子4水平的正交試驗，通過極差分析可以迅速找出固定架注塑成型參數(shù)優(yōu)化組合，節(jié)省了人力、物力、財力，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。

(3) 本次研究同時也驗證了基于正交試驗的快速優(yōu)化注塑成型參數(shù)的科學(xué)性與合理性。