殷燕芳，廖鈴鋼

（武漢輕工大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北武漢 430023）

隨著社會的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的快速進步，人們對塑料產(chǎn)品的品質(zhì)要求也越來越高，不斷提高塑件產(chǎn)品質(zhì)量是塑料成型行業(yè)技術(shù)人員持之以恒的目標。塑件的翹曲變形會使塑件外觀及尺寸變得不合格。要想獲得更好的產(chǎn)品質(zhì)量，有必要采用科學(xué)的手段，而不是一味地憑借傳統(tǒng)經(jīng)驗來處理問題。顯然，當(dāng)注塑成型塑件結(jié)構(gòu)簡單且對產(chǎn)品質(zhì)量要求不高時，僅依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗來控制質(zhì)量還是可以接受的，如果產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜且有較高的質(zhì)量要求時，單一依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗來控制產(chǎn)品質(zhì)量就顯得很盲目了，因為塑件的質(zhì)量往往是由很多因素聯(lián)合決定的。

塑件的翹曲變形主要是由塑件各部位收縮不一致造成的，所以只要能控制好塑件各部位的收縮差異，就可能減少翹曲變形量，以獲得更好的產(chǎn)品質(zhì)量。收縮不均勻表現(xiàn)在以下幾個方面[1]：（1）塑件不同部位的收縮率不一樣；（2）沿塑件厚度方向收縮率不同；（3）與分子取向平行和垂直方向的收縮率不同。

翹曲分析是Moldflow2010中的一個翹曲分析模塊，用于分析整個塑件的翹曲變形（包括線性、線性彎曲和非線性），同時還可以指出產(chǎn)生翹曲的主要原因及相應(yīng)的補救措施。Moldflow2010中實驗設(shè)計是以概率論與數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)、合理安排實驗的一種方法，通過優(yōu)先選擇對塑件屬性影響較大的各相關(guān)參數(shù)，確定出各實驗參數(shù)對實驗?zāi)繕说挠绊懚却笮。瑥亩梢哉{(diào)節(jié)對實驗?zāi)繕擞绊懽畲蟮膶嶒瀰?shù)，以取得更好的實驗結(jié)果[1]。Moldflow2010中的實驗設(shè)計分析提供了兩種方法：Taguchi和Factorial實驗設(shè)計。Taguchi方法通過運用數(shù)目較少的一組優(yōu)化實驗，確定出對實驗?zāi)繕擞绊懽畲蟮膶嶒瀰?shù)。Factorial方法運行的實驗數(shù)目要大于Taguchi方法中運行的實驗，它可以確定實驗參數(shù)的最佳實驗水平組合。

1 Moldflow在改善翹曲變形中的應(yīng)用

1.1 對塑件進行三維建模

本文選用的塑件是現(xiàn)有實驗注塑機可以加工的小塑件。注塑機為實驗用小注塑機，模具為鋁合金模具，一模一腔，模具沒有冷卻系統(tǒng)。塑件是厚度為2 mm的薄壁六邊不規(guī)則盒狀物，該塑件的最大尺寸不超過50 mm，屬于薄壁小件。采用Solidworks2010進行3D建模，并將模型保存為igs格式，以便于導(dǎo)入到Moldflow中去。不同格式文件的同一塑件導(dǎo)入到Moldflow2010中去，即使設(shè)定的各參數(shù)相同時，在進行網(wǎng)格劃分時所產(chǎn)生的網(wǎng)格質(zhì)量是不一樣的。igs格式的文件塑件在劃分網(wǎng)格后其匹配率往往較高，不過對于有些產(chǎn)品來說，igs格式文件劃分網(wǎng)格后會有很多重疊或缺失的曲面，這又會使網(wǎng)格的質(zhì)量降低。igs文件質(zhì)量較好時，優(yōu)先使用igs格式文件。導(dǎo)入Moldflow2010并進行網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格修正后的塑件模型如圖1所示，在劃分網(wǎng)格式，選擇雙層面網(wǎng)格，全局網(wǎng)格邊長選默認值1.92 mm。

圖1 塑件模型的網(wǎng)格

1.2 對該塑件進行充填+保壓+翹曲分析

在對塑件網(wǎng)格修正后，塑件的網(wǎng)格統(tǒng)計參數(shù)如下：

實體計數(shù)---------------

三角形 7 974

節(jié)點 3 987

柱體 0

連通區(qū)域 1

網(wǎng)格體積 7.905 5 cm3網(wǎng)格面積 104.475 cm2

邊細節(jié)-------------------

自由邊 0

共用邊 11 961

交叉邊 0

配向細節(jié)------------------

配向不正確的單元 0

相交細節(jié)------------------

相交單元 0

完全重疊單元 0

復(fù)制柱體 0

三角形縱橫比-----------------

最小縱橫比 1.155

最大縱橫比 5.816

平均縱橫比 1.545

匹配百分比-------------------

匹配百分比 95.2%

相互百分比 92.9%

由網(wǎng)格統(tǒng)計參數(shù)發(fā)現(xiàn)該3D模型的網(wǎng)格匹配百分比和相互百分比都在90%以上，說明網(wǎng)格的質(zhì)量比較好。

本文選擇的注塑原材料為Basell Australia公司生產(chǎn)的POLYPROPYLENES(PP)系列中牌號為Moplen EP341T(ZMA6170P)的 PP(聚苯烯)。該材料供應(yīng)商推薦的工藝參數(shù)為模具表面溫度40℃，熔體溫度220℃，其中模具溫度范圍是20℃～60℃，熔體溫度范圍是200℃～240℃。注塑機選用LG公司制造的，牌號為LGE30。對該塑件進行充填+保壓+翹曲分析，工藝采用默認工藝，即模具表面溫度40℃，熔體溫度220℃，充填控制和速度/壓力切換設(shè)置為自動，保壓控制采用%充填壓力與時間，具體設(shè)置如圖2所示，冷卻時間指定為20 s。分析完成后，所有因素影響下總的翹曲變形如圖3所示。由于冷卻不均勻造成的翹曲變形程度如圖4所示。由收縮不均勻造成的翹曲變形如圖5所示。由取向因素造成的變形程度如圖6所示。從翹曲分析的結(jié)果中可以看出，該塑件的翹曲變形主要是由收縮不均勻所造成的，冷卻因素及取向因素對該塑件的翹曲變形基本上沒有什么影響。這與實際情況基本符合，所用的模具是沒有冷卻系統(tǒng)的鋁合金模具，選用的材料是不含填充物的材料，其取向?qū)βN曲變形的影響主要是由大分子取向所造成的的?？梢酝ㄟ^優(yōu)化工藝參數(shù)來盡可能降低塑件收縮的不均勻性，進而可以實現(xiàn)減小塑件翹曲變形的目標。下一步要確定是哪些因素對塑件的收縮性能影響比較大，為優(yōu)化工藝參數(shù)提供相應(yīng)的依據(jù)。

圖2 保壓曲線設(shè)置

圖3 總的變形分布

圖4 冷卻不均勻的變形

圖5 收縮不均勻的變形

圖6 取向不均勻的變形

由分析可知，該塑件的翹曲變形主要是由收縮不均勻所造成的，冷卻因素及取向因素對該塑件的翹曲變形基本上沒有什么影響。這與實際情況基本符合，所用的模具是沒有冷卻系統(tǒng)的鋁合金模具，選用的材料是不含填充物的材料，其取向?qū)βN曲變形的影響主要是由大分子取向所造成的?？梢酝ㄟ^優(yōu)化工藝參數(shù)來盡可能降低塑件收縮的不均勻性，進而可以實現(xiàn)減小塑件翹曲變形的目標。下一步要確定是哪些因素對塑件的收縮性能影響比較大，為優(yōu)化工藝參數(shù)提供相應(yīng)的依據(jù)。

1.3 對塑件進行實驗設(shè)計分析

現(xiàn)在需要對塑件基于Moldflow2010進行實驗設(shè)計分析，通過分析可以知道哪些因素對該塑件收縮性能有什么程度的影響。對塑件進行實驗設(shè)計分析時，在此選用的原材料與以上一致。實驗設(shè)計分析輸入摘要如下。

DOE分析類型=Taguchi然后Factorial

因子數(shù)量 =3

Taguchi評級基礎(chǔ)=整個范圍

因子變化設(shè)置：

注射時間 =自動

熔體溫度 Delta=20.00℃

展開/壓縮注射曲線=不變

模具溫度 Delta=20.00℃

保壓時間 =自動

保壓曲線倍加器 =自動

厚度倍加器 =自動

質(zhì)量標準權(quán)重：

流動前沿溫度差異=1.00

最大壁上剪切應(yīng)力=1.00

最大注射壓力 =1.00

最大鎖模力 =1.00

體積收縮率變化 =1.00

最大縮痕指數(shù) =1.00

制品總重量 =1.00

循環(huán)時間 =1.00

來自初始分析的因子中間值：

注射時間 = 0.756 s

熔體溫度 =220.000℃

模具溫度 =40.000℃

保壓時間 = 10.000 s

保壓曲線倍加器 = 1.000

厚度倍加器 = 1.000

要進行分析的因子值范圍如表1所示。

熔體溫度/℃模具溫度/℃注射時間 /s保壓時間 /s保壓曲線倍加器厚度倍加器最小值200.00 20.00 0.63 9.00 0.90 0.95中間值220.00 40.00 0.70 10.00 1.00 1.00最大值240.00 60.00 0.77 11.00 1.10 1.05

體積收縮率標準權(quán)重如下：

因子等級權(quán)重(%)

注射時間 1 20.902 29

保壓曲線倍加器 2 20.087 40

保壓時間 3 15.243 70

模壁溫度 4 11.025 67

整體厚度倍加器 5 8.607 73

熔體溫度 6 5.998 13

要進行分析的因子值范圍如表2所示：

表2 因子值范圍

由Moldflow2010實驗設(shè)計分析的結(jié)果可以看出，注射時間對塑件體積收縮率的影響度約為20.9%，保壓曲線對體積收縮率的影響度約為20.1%，保壓時間對體積收縮率的影響度約為15.24%，模壁溫度對體積收縮率的影響度約為11%，塑件壁厚對體積收縮率的影響度約為8.6%，熔體溫度對體積收縮率的影響度約為6%。

注射時間對塑件收縮率的影響比較復(fù)雜，從分子結(jié)構(gòu)形態(tài)的角度來看，如果縮短注射時間則會增強分子的取向和結(jié)晶作用，取向作用會加大收縮而結(jié)晶作用則會減小收縮。當(dāng)注射速率較低時，增大料流速率有利于壓力的傳遞，使收縮率下降；隨著注射速率的提高，分子取向作用將會得到明顯的增強，增加了塑件的各向異性，進而導(dǎo)致收縮率增加。保壓時間應(yīng)以澆口凝固時間為準，如果比澆口凝固時間短，會出現(xiàn)保壓不足而導(dǎo)致熔體回流，進而產(chǎn)生較大的收縮。當(dāng)模具溫度增加時，塑件的收縮率也會隨之上升。模具溫度過高時不僅塑件成型后的收縮率較大，塑件脫模后變形也較大，甚至容易出現(xiàn)溢料和粘模等現(xiàn)象。然而，當(dāng)模具溫度過低時，塑料熔體在模具型腔里的流動性能較差，則易于出現(xiàn)短射、機械強度不足等現(xiàn)象。增加保壓壓力可以降低塑件的收縮率，同時塑件也會變得比較結(jié)實。保壓壓力與塑件的補縮是密切相關(guān)的，如果保壓壓力不足，則塑件會由于在冷卻收縮的過程中得不到補料而出現(xiàn)嚴重的收縮現(xiàn)象。保壓壓力過低會出現(xiàn)短射、收縮嚴重等問題，如果過高則會產(chǎn)生過保壓現(xiàn)象，使塑件脫模后的殘余應(yīng)力較大而產(chǎn)生變形。熔體溫度對塑件收縮的影響是比較復(fù)雜的：當(dāng)熔體溫度過低時不利于保壓曲線在型腔中的傳遞而導(dǎo)致保壓效果不佳，導(dǎo)致塑件出現(xiàn)收縮；當(dāng)熔體溫度較高時，則塑件冷卻所需的時間也會隨之增加，由于冷卻的時間較長，故塑件收縮的機會也會相應(yīng)的得到增加[1]。

2 依據(jù)實驗結(jié)果優(yōu)化工藝參數(shù)

結(jié)合試驗分析的結(jié)果，將對充填+保壓+翹曲分析的工藝參數(shù)進行優(yōu)化，能較好的避免盲目性。將模具表面溫度改為30℃，熔體溫度改為210℃，充填控制自動，速度/壓力切換自動，保壓控制采用保壓壓力與時間，其設(shè)置如圖7所示。修改工藝后對塑件進行充填+保壓+翹曲分析，分析后總的變形分布圖如圖8所示。工藝優(yōu)化后由冷卻產(chǎn)生的變形情況如圖9所示，由收縮產(chǎn)生的變形情況如圖10所示，由取向所產(chǎn)生的變形情況如圖11所示。

圖7 保壓控制曲線設(shè)置

圖8 工藝優(yōu)化后塑件總變形分布圖

圖9 工藝優(yōu)化后冷卻引起的變形

圖10 工藝優(yōu)化后收縮引起的變形分布圖

圖11 工藝優(yōu)化后取向引起的變形分布圖

由比較可以得知，工藝優(yōu)化后塑件的總變形量得到了較大的改善，總變形量由0.512 9 mm降到了0.371 5 mm。通過在Moldflow2010中模擬得到了優(yōu)化的結(jié)果，這樣的參數(shù)設(shè)置可以對現(xiàn)實生產(chǎn)進行實質(zhì)性的指導(dǎo)，避免了工藝參數(shù)改進的盲目性。兩次分析的結(jié)果都表明，該塑件的翹曲變形與冷卻和取向的關(guān)系不大，主要是由收縮造成的。將改進后的工藝參數(shù)應(yīng)用到充填+保壓+翹曲中，分析結(jié)果與原來的結(jié)果進行對比，看看目標結(jié)果是否得到了相應(yīng)的優(yōu)化。如果改進后的工藝參數(shù)使目標結(jié)果變得更差，則說明參數(shù)修改的方向正好與目標方向相反，可以通過反復(fù)模擬直到得到可以接受的結(jié)果為止。通過軟件的反復(fù)模擬代替在注射機上反復(fù)修改參數(shù)，可以提高工藝優(yōu)化的速度，降低了成本，且使操作變得更為簡潔可靠。從對收縮影響的因素分析結(jié)果看，本塑件還具備進一步優(yōu)化翹曲變形的可能性。

3 結(jié)論

（1）在注塑成型工藝參數(shù)優(yōu)化過程中采用軟件進行模擬分析是很有必要的，這能使得工藝參數(shù)的修改具有方向性，而不再是像傳統(tǒng)方法那樣僅憑經(jīng)驗且具有不確定性，操作過程復(fù)雜。

（2）塑料工程領(lǐng)域長期處于快速發(fā)展的軌道之上，對塑料制品的品質(zhì)要求和生產(chǎn)效率要求也越來越高，CAE技術(shù)的引入和應(yīng)用是順應(yīng)時代發(fā)展，是未來塑料加工領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢。

（3）CAE技術(shù)的推廣有著重要的實際意義，作為技術(shù)人員有必要提高自學(xué)意識，以便于更好地跟上時代發(fā)展的步伐。

［1］陳艷霞，陳如香，吳盛金.Moldflow 2010完全自學(xué)與速查手冊［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［2］洪劍城.基于Moldflow軟件的型腔各異模具流動平衡優(yōu)化［J］.工程塑料應(yīng)用，2010，38（1）：35-37.

［3］屈華昌.塑料成型工藝與模具設(shè)計［M］.北京：高等教育出版社，2008.