塑料插座面板的模流分析及參數(shù)優(yōu)化

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,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)分析制造過程中可能出現(xiàn)的問題,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。

王昶等人通過對(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):譚鋒等人通過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):吳凌云利用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,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×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)格邊長為1.80mm。網(wǎng)格劃分完成后,通過網(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?？v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,圓圈部分為最佳澆口位置[8]。由于插座面板的體積小,市場需求大,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,無須采用大直徑的水管,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6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5所示的折線圖。從圖5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A3B1C3a3E1,即熔體溫度317<,模具表面溫度95℃,冷卻時(shí)間2Ds,保壓壓力141Pp,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),說明該因素對(duì)翹曲變形有高度顯著性影響:當(dāng)P<0.0D時(shí),說明該因素對(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A3B1C3a3E1,即熔體溫度317℃,模具表面溫度95℃,冷卻時(shí)間2Ds,保壓壓力161Pp,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D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0.577Dmm,比初始分析中的翹曲值減小了約3D.8D%,說明翹曲變形的優(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0.7553mm。

(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D個(gè)因素,建立三水平五因素的正交試驗(yàn)方案,并進(jìn)行極差和方差計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,得到影響翹曲變形值的最佳參數(shù)組合為:熔體溫度317℃,模具表面溫度95℃,冷卻時(shí)間25s,保壓壓力161Pa,保壓時(shí)間7s。

(3)對(duì)得到的最佳參數(shù)組合重新進(jìn)行模流分析,則新參數(shù)條件下的翹曲變形值為0.4775mm,比默認(rèn)參數(shù)條件下的翹曲變形值減小了約35.85%,翹曲變形優(yōu)化效果明顯,有效減小了零件變形。