塑料插座面板的模流分析及參數(shù)優(yōu)化

摘

要：將生活中常見的塑料插座面板作為主要研究分析的對(duì)象，利用模流分析軟件對(duì)產(chǎn)品注塑過(guò)程中的翹曲變形進(jìn)行分析，得出引起翹曲變形的主要原因。選取模具表面溫度、熔體溫度、冷卻時(shí)間、保壓壓力、保壓時(shí)間為影響因素，進(jìn)行三水平五因素的正交試驗(yàn)優(yōu)化，通過(guò)方差和極差結(jié)果的分析，得出各個(gè)因素對(duì)翹曲變形的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，最佳的工藝參數(shù)組合為熔體溫度317℃，模具表面溫度94℃，冷卻時(shí)間25s，保壓壓力161Pa，保壓時(shí)間7s。對(duì)最佳工藝參數(shù)組合再次進(jìn)行分析驗(yàn)證，翹曲值明顯降低，這一結(jié)果為生產(chǎn)實(shí)際中的注塑工藝參數(shù)設(shè)置提供了參考。關(guān)鍵詞：模流分析；正交試驗(yàn)；方差分析；插座面板；工藝參數(shù)0引言塑料具有質(zhì)量小、化學(xué)性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜、易加工成型等優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車制造、家用電器和辦公用品等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。而塑料制品的生產(chǎn)又離不開塑料模具，因此近年來(lái)塑料模具也得到了飛速發(fā)展。塑料模具的設(shè)計(jì)和塑料成型工藝參數(shù)的設(shè)置對(duì)于塑料產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率等影響巨大。注塑成型加工過(guò)程包含模具設(shè)計(jì)與制造、原材料選擇與處理、成型工藝設(shè)置等，并且與加工環(huán)境、后處理等密切相關(guān)，因此注塑產(chǎn)品難免會(huì)出現(xiàn)各種缺陷，如飛邊、氣泡、縮痕、翹曲變形等。近年來(lái)，CAE軟件發(fā)展迅速，相關(guān)功能進(jìn)一步擴(kuò)充，性能也得到了大幅度提高。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)階段，運(yùn)用模流分析軟件能夠幫助設(shè)計(jì)人員改善模具結(jié)構(gòu)、優(yōu)化工藝參數(shù)設(shè)置，讓模具設(shè)計(jì)人員從成型工藝的角度，調(diào)整產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)，選擇適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品材料，同時(shí)分析制造過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，從而達(dá)到不斷降低研發(fā)成本、提高生產(chǎn)效率、縮短模具研發(fā)周期的目的。通過(guò)對(duì)比三種不同澆口的澆注方案，仿真模擬不同澆口情況下的注塑情況，優(yōu)化了注塑工藝參數(shù)；通過(guò)分析不同澆口位置選擇對(duì)塑件質(zhì)量的影響，總結(jié)了澆口選擇的原則，為注塑模具的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)；利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)塑料產(chǎn)品的最大翹曲值進(jìn)行了預(yù)測(cè)，從而提高了生產(chǎn)制造的效率。為了進(jìn)一步研究塑料制件在注塑過(guò)程中產(chǎn)生翹曲變形的主要原因，優(yōu)化工藝參數(shù)，本文以生活中常見的塑料插座面板為主要研究對(duì)象，模擬仿真產(chǎn)品的注塑過(guò)程，分析塑料產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷的原因，從而提前優(yōu)化加工工藝參數(shù)，改善模具結(jié)構(gòu)，縮短研發(fā)周期，提高生產(chǎn)制造效率。下面利用模流分析軟件對(duì)塑料插座面板在默認(rèn)的工藝參數(shù)條件下進(jìn)行仿真分析，并選取模具表面溫度、熔體溫度、冷卻時(shí)間、保壓壓力、保壓時(shí)間5個(gè)影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，得到最佳工藝參數(shù)組合。最后對(duì)得到的工藝參數(shù)組合進(jìn)行分析驗(yàn)證，由驗(yàn)證結(jié)果可知，采用最佳工藝參數(shù)組合有效減少了產(chǎn)品缺陷，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。1產(chǎn)品建模利用三維建模軟件UGNX對(duì)插座面板進(jìn)行建模，模型如圖1所示。其中，產(chǎn)品長(zhǎng)×寬×高=86mm×86mm×5mm，面板厚度為1mm，體積為8666mm3，該模型屬于小型塑料產(chǎn)品。2模流分析前準(zhǔn)備2.1

劃分網(wǎng)格首先通過(guò)三維建模軟件將之前生成的插座模型導(dǎo)出成STL格式文件，之后將STL文件導(dǎo)入模流分析軟件。導(dǎo)入過(guò)程中，網(wǎng)格類型選擇雙層面網(wǎng)格，之后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格邊長(zhǎng)為1.80mm。網(wǎng)格劃分完成后，通過(guò)網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)命令查看網(wǎng)格信息，其中匹配百分比為97.9%，相互百分比為99.6%，匹配效果較好。縱橫比最大值為3.32，平均值為1.49，最小值為1.16，網(wǎng)格適合雙層面分析。2.2

尋找最佳澆口位置將分析序列設(shè)置為澆口位置，分析找出插座面板注塑時(shí)的最佳澆口位置，如圖2所示，紅色圓圈部分為最佳澆口位置。由于插座面板的體積小，市場(chǎng)需求大，為了滿足生產(chǎn)實(shí)際需求，同時(shí)提高生產(chǎn)效率，故采用一模兩腔的澆注系統(tǒng)?？紤]到本方案采用一模兩腔的模具設(shè)計(jì)以及插座外觀設(shè)計(jì)的需求，選取插座外殼藍(lán)色區(qū)域?yàn)檫M(jìn)膠口，即圖2中紅色圓圈部分。2.3

創(chuàng)建澆注系統(tǒng)注塑模具的澆注系統(tǒng)通常包括主流道、分流道及澆口，選取圖2插座的圓圈部分作為澆口，創(chuàng)建冷流道澆注系統(tǒng)。其中澆口形式為冷澆口，澆口長(zhǎng)度為3mm，形狀為圓形非錐體，始端直徑為2mm，末端直徑為5mm；分流道為圓柱形，直徑為5mm；主流道長(zhǎng)度為50mm，形狀為圓形非錐體，始端直徑為3mm，末端直徑為5mm。2.4

創(chuàng)建冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理的冷卻水管，可以有效降低產(chǎn)品的翹曲值，改善產(chǎn)品外觀。由于插座產(chǎn)品體積比較小，無(wú)須采取大直徑的水管，因此水管直徑設(shè)置為8mm。水管對(duì)稱分布在插座的上下部分，沿X方向排布，水管數(shù)量為4根，水管之間的中心距為30mm，水管超出零件20mm，選擇25℃的純凈水作為冷卻介質(zhì)。利用模流分析軟件中的幾何建模工具，按要求的規(guī)格尺寸創(chuàng)建冷卻系統(tǒng)。3模流分析插座外殼的材料采用聚碳酸酯（PC），牌號(hào)選擇Lexan105。系統(tǒng)給出了該材料的推薦工藝參數(shù)，其中模具表面溫度為104℃，熔體溫度為307℃。選擇“冷卻+填充+保壓+翹曲”的分析序列，采用系統(tǒng)默認(rèn)的材料加工工藝參數(shù)，即模具表面溫度為104℃，熔體溫度為307℃，冷卻時(shí)間為20s，同時(shí)在工藝設(shè)置中選擇分析翹曲原因，圖3為翹曲變形的分析結(jié)果。從圖3可以看出，產(chǎn)品總翹曲變形值為0.7443mm，由冷卻不均引起的翹曲變形值為0.0074mm，由收縮不均引起的翹曲變形值為0.7439mm，由取向效應(yīng)引起的翹曲變形值為1×10-8mm，因此收縮不均是引起翹曲變形的主要原因。4正交試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化分析4.1

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)引起收縮不均的因素有很多，如熔體溫度、模具表面溫度、充填壓力、保壓壓力、充填時(shí)間、保壓時(shí)間等。為了進(jìn)一步研究引起翹曲變形的因素，采用正交試驗(yàn)法，選取熔體溫度、模具表面溫度、冷卻時(shí)間、保壓壓力、保壓時(shí)間5個(gè)參數(shù)，并設(shè)計(jì)如表1所示的L18（35）正交因素水平表。4.2

正交試驗(yàn)結(jié)果分析利用上述正交因素水平表，結(jié)合正交試驗(yàn)法的相應(yīng)原則，得出一個(gè)三水平五因素的正交試驗(yàn)表，修改相應(yīng)的注塑工藝參數(shù)，最后分析得出不同參數(shù)組合下的翹曲變形值，如表2所示。對(duì)表2所得到的結(jié)果進(jìn)行處理，可以得出相應(yīng)的極差和均值。極差R越大，則表示該因素對(duì)翹曲值的影響越大。因此，分析表2可以得到影響翹曲變形的因素由小到大依次為：冷卻時(shí)間＜模具表面溫度＜保壓時(shí)間＜保壓壓力＜熔體溫度。為了更好地研究各工藝參數(shù)對(duì)翹曲值的影響情況，把工藝參數(shù)作為橫坐標(biāo)，翹曲值作為縱坐標(biāo)繪制如圖4所示的折線圖。從圖4可以看出，熔體溫度、冷卻時(shí)間、保壓壓力與插座面板零件的翹曲變形值成反比，而模具表面溫度、保壓時(shí)間與插座面板零件的翹曲變形值成正比，因此可以得出最佳工藝參數(shù)組合為A3B1C3D3E1，即熔體溫度317℃，模具表面溫度94℃，冷卻時(shí)間25s，保壓壓力161Pa，保壓時(shí)間7s。為使上述得出的結(jié)論更加準(zhǔn)確，還需要進(jìn)行方差分析，表3為方差分析的結(jié)果。當(dāng)顯著性P＜0.01時(shí)，說(shuō)明該因素對(duì)翹曲變形有高度顯著性影響；當(dāng)P＜0.05時(shí)，說(shuō)明該因素對(duì)翹曲變形有顯著性影響。因此，可以得出如下結(jié)論：熔體溫度、保壓壓力對(duì)翹曲變形有高度顯著性影響。F值越大，說(shuō)明該因素對(duì)翹曲變形的影響越大，因此影響翹曲變形的因素由小到大依次為：冷卻時(shí)間＜模具表面溫度＜保壓時(shí)間＜保壓壓力＜熔體溫度，該方差分析結(jié)果與極差分析結(jié)果一致，證明可信度比較高。5最佳參數(shù)組合分析再驗(yàn)證結(jié)合正交試驗(yàn)分析的結(jié)果，翹曲變形的最佳工藝參數(shù)組合為A3B1C3D3E1，即熔體溫度317℃，模具表面溫度94℃，冷卻時(shí)間25s，保壓壓力161Pa，保壓時(shí)間7s。利用模流分析軟件對(duì)得到的最佳工藝參數(shù)進(jìn)行模擬分析，得到如圖5所示的分析結(jié)果，從結(jié)果可以看出，產(chǎn)品的最大翹曲值為0.4775mm，比初始分析中的翹曲值減小了約35.85%，說(shuō)明翹曲變形的優(yōu)化效果明顯，產(chǎn)品質(zhì)量得到明顯提升。6結(jié)論（1）對(duì)插座面板零件采用一模兩腔的注塑方案，在系統(tǒng)推薦的工藝參數(shù)條件下進(jìn)行模流仿真分析，得到總翹曲變形值為0.7443mm。（2）為了分析影響翹曲變形的主要因素，選取熔體溫度、模具表面溫度、冷卻時(shí)間、保壓壓力、保壓時(shí)間5個(gè)因素，建立三水平五因素的正交試驗(yàn)方案，并進(jìn)行極