王善凱，李 晶，胡激濤，孫曉盼，范曉健

（1.西安工程大學 機電工程學院，陜西 西安710048；2.惠州市銀寶山新科技有限公司，廣東 惠州516000）

0 引 言

隨著模擬分析技術的不斷發(fā)展以及模具工業(yè)體系的不斷完善，注塑模具的大部分設計、分析工作可以由軟件代替人工來完成，在一定程度上降低了模具的設計、開發(fā)周期，提高模具生產率［1-3］.文獻［4］利用Moldflow對模具的澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，降低注塑件缺陷情況的發(fā)生；文獻［5］利用Moldflow對壁厚不均勻的注塑件進行了結構修正，改善了注塑件的縮痕，降低了翹曲量.上述文獻僅是利用Moldflow對模具結構或制件結構進行優(yōu)化，并沒有對注塑工藝進行參數分析，導致反復試模多次才能得到較佳注塑工藝參數.因此，在注塑模具開模之前甚至在模具設計之初確定注塑工藝參數，具有一定的實際意義［6］.

本文所要分析的對象為比亞迪某型號汽車的配件，此配件整體結構比較復雜，且所使用材料為含有15%玻璃纖維的PP材料.如果在注塑過程中工藝參數設置不合理，注塑件極易產生翹曲、熔接痕等質量問題.因此，在模具試模之前采用Autodesk公司的Moldflow軟件對注塑件的注塑成型過程進行分析，以注塑件的翹曲變形量為主要指標來確定注塑過程的工藝參數設置，并對注塑成型過程中產生的翹曲變形進行一定優(yōu)化［7］.這樣可以提高試模的成功率，在最大程度上降低模具生產成本，縮短模具開發(fā)周期.

1 初始分析

在Moldflow中，初始分析的目的在于為后續(xù)模具結構優(yōu)化、注塑工藝參數設置及注塑件質量提高提供有效依據［8］.但Moldflow中的初始分析并非所有參數全部按照系統(tǒng)默認來進行設置，其相關參數的設置必須在合理的計算范圍之內.這樣才能使初始分析的結果更加精確，同時為后續(xù)優(yōu)化和設置提供更為有利的依據.

由于分析實驗以翹曲變形為主要參考指標，因此初始分析中，分析類型選擇“冷卻＋充填＋保壓＋翹曲”.在工藝參數設置中“注射＋保壓＋冷卻時間”設置為“指定30s”，開模時間為5s，充填控制、V／P切換方式為默認設置“自動”，保壓控制為10s的80%V／P切換點壓力，最后分離翹曲原因.工藝設置完成后開始注塑成型分析.

分析結束后，通過分析日志及結果文件查看分析結果：充填時間為1.917s，充填速率約為140cm3／s，充填體積達到98.09%時進行 V／P切換.翹曲變形如圖1所示，注塑件的翹曲主要發(fā)生在邊角處，所有因素引起的總翹曲量最大為0.819 6mm，其中收縮不均、角效應及取向效應是引起翹曲變形的主要因素.由冷卻不均所引起的翹曲較小，忽略不計.

圖1 初始分析翹曲變形Fig.1 The warping deformation initial analysis

2 實 驗

Moldflow中的實驗設計（DOE）的基礎是正交試驗法，可以通過確定試驗參數對試驗目標影響程度的大小來調整工藝參數，從而獲得較佳工藝水平組合.在Moldflow注塑成型分析中，應用實驗設計可以判斷注塑溫度、模具溫度、沖填時間、保壓時間、保壓壓力等對注塑件質量影響大小以及確定較佳工藝參數組合［9-11］.

2.1 實驗設計

在利用實驗設計進行工藝參數優(yōu)化過程中，確定試驗指標、因子及水平是其首要工作.在此次分析中，將翹曲變形量作為試驗指標，而試驗因子及水平設置如下：

（1）注塑溫度 該注塑件采用Asahi Thermofil公司的Thermylene P6-15FG-1734型號的PP材料，該型號材料添加有15%的玻璃纖維.在Moldflow材料庫中，此材料的注塑溫度范圍為218℃～243℃，推薦溫度是231℃.因此，注塑溫度選取220℃，225℃，230℃，235℃4個值.

（2）模具溫度 Moldflow材料庫中，Thermylene P6-15FG-1734型號的PP材料的模具溫度范圍為49℃～82℃，推薦溫度為64℃.因此，在推薦范圍內選取60℃，65℃，70℃，75℃4個值.

（3）充填時間 根據首次模擬情況，充填時間選取1.7s，1.8s，1.9s，2.0s4個值，其中開模時間默認5s不變.

（4）保壓時間 根據首次模擬情況，保壓時間選取8s，10s，12s，14s4個值.

（5）保壓壓力 根據首次模擬情況，保壓采用百分比形式，即保壓壓力為100%的V／P轉換點壓力.因此，選取保壓壓力為80%，87%，93%，100%.

將注塑溫度、模具溫度、充填時間、保壓時間、保壓壓力分別簡稱為A，B，C，D，E 5個因子，并假設每個因子之間不存在交互作用，取值結果如表1所示.

表1 影響翹曲指標的因子及水平Table 1 The factor and level which influences warp indicators

2.2 數值分析

由于選擇的是5個因子，且每個因子有4組水平值，因此采用5因素4水平的正交試驗矩陣進行試驗設計，并按照L16（45）的正交表在電腦上進行模擬試驗，同時取所有因素導致翹曲變形量Z（mm）為試驗指標，得到相應正交表及翹曲變形量如表2所示.

表2 L16（45）試驗表及翹曲變形量Z數值Table 2 The orthogonal table of L16（45）and warpage

模擬試驗結束后，為找出試驗指標隨因素變化的規(guī)律及趨勢，觀察因素變化對指標的影響效果，需要對16組進行分析計算，得出各因素在每個水平上的均值，并創(chuàng)建因子水平極差分析表，如表3所示.表中極差R的大小為因子在4個水平下最大值與最小值之差，即因子水平的極差.極差的大小反映了試驗因素對試驗指標的影響程度，極差大則試驗因素對指標影響程度大，為主要因素；反之亦然.由表3可知，極差R的大小順序為0.084＞0.062＞0.033＞0.019＞0.016，表明注塑工藝參數對汽車配件翹曲變形量的影響程度順序為E＞A＞D＞C＞B，即保壓壓力＞注塑溫度＞保壓時間＞充填時間＞模具溫度.

通過分析可以得出以下結論：對于汽車配件翹曲變形量，保壓壓力的影響最大，其次為注塑溫度，模具溫度、充填時間，保壓時間對翹曲變形影響最小.同時注塑工藝參數的最優(yōu)方案為A1B3C1D3E4，即選用注塑溫度220℃，模具溫度70℃，充填時間1.7s，保壓時間12s，保壓壓力為100%的V／P轉換點壓力.

由于上述各因素水平組合A1B3C1D3E4沒有包含在正交矩陣實驗設計中，因此需要對這一因素水平組合進行進一步驗證.將因素水平數據設置到工藝設置中后進行運行分析，結果如圖2所示，其翹曲變形量為0.466 3mm，比16組數據中的翹曲量小.

表3 因子水平極差分析Table 3 The range′s analysis of factor′s level

3 保壓曲線優(yōu)化

在注塑件的注塑成型過程中，保壓是其非常重要的一個環(huán)節(jié)，保壓時間及大小的設置是否合理將直接影響到注塑件成型后的強度、收縮、翹曲等方面的質量［12］.良好的保壓設置可以在很大程度上減小注塑件的收縮，降低翹曲變形量，有助于提高注塑件的外觀質量.而保壓時間過長或過短以及保壓壓力的過大或過小都會對注塑件質量產生不良影響［13］.在Moldflow中，保壓的分析與優(yōu)化主要是通過調整保壓曲線來實現(xiàn)的.通過對保壓曲線的調整，使得注塑件的體積收縮率盡可能減小且均勻分布，從而降低因收縮不均而引起的翹曲變形.

圖2 最佳因素水平組合的翹曲變形Fig.2 The warping deformation of best factors

3.1 保壓時間的確定

在Moldflow中，注塑過程的保壓時間由V／P切換時間起一直持續(xù)到澆口凝固時間為止.當澆口凝固以后，模具型腔內的塑料溶體再也無法得到補充，同時模具型腔內的塑料溶體也不會發(fā)生倒流，這時候如果再繼續(xù)進行保壓，就會造成能量的浪費.但是過早地停止保壓就會導致模具型腔外的壓力小于模具型腔內的壓力，造成模具型腔內的塑料溶體的回流.因此要選擇合理的保壓時間.

由前面實驗設計可知，較佳的保壓時間及保壓壓力分別為12s、100%V／P切換壓力.正交試驗選出的是翹曲變形量最小時的保壓時間，12s的保壓時間可能會導致過保壓，因此需要對保壓時間進行進一步確定.利用Moldflow的查詢功能查得澆口的柱狀體為B73724，并查看結果文件確定12.52s時凍結層因子變?yōu)?，澆口完全凍結.而查詢充填日志可知，注塑件的充填時間（即V／P切換時間）為1.82s.因此，保壓時間為

式中，t為保壓時間，s；tn為澆口完全凝結時間，s；tV／P為 V／P切換時的時間，s.

利用Moldflow的查詢功能查得充填末端為N6173，查看結果文件的壓力—XY圖可知，在3.15s時充填末端壓力達到最大值，而在13.24s時充填末端壓力值變?yōu)榱?因此保壓曲線中恒壓保壓時間為

式中，t1為恒壓保壓時間，s；tmax為最大壓力時間，s；tmin為達到零時壓力時間，s.

3.2 保壓曲線擬合

由于大多數注塑機不能像Moldflow分析一樣設置壓力衰減的保壓方式，只能提供階梯狀恒定保壓方式，故為了使Moldflow分析更加貼近實際保壓情況，需要將保壓曲線進一步擬合成實際注塑機的保壓曲線.

圖3 壓力衰減分段擬合Fig.3 The piecewise fitting of pressure attenuation

圖4 保壓曲線最終設置Fig.4 The set of pressure curve

3.3 驗證

根據注塑件的體積尺寸，并結合上述Moldflow分析結果，在實際試模中注塑工藝參數設置如下：注塑溫度220℃，模具溫度70℃，充填時間1.7s，保壓時間10.7s，保壓壓力設置按照圖4所示進行，開模時間為5s.試模結束后，對注塑件質量進行檢查：注塑件翹曲變形量較小，在允許范圍之內；同時注塑件沒有明顯的飛邊、短射及熔接痕等質量缺陷，符合設計要求.

4 結 論

（1）利用Moldflow軟件對比亞迪某型號汽車配件的注塑成型過程的工藝參數進行了分析和優(yōu)化.通過對汽車配件的成型過程進行分析得出一組較佳工藝參數組合：注塑溫度220℃，模具溫度70℃，充填時間1.7s，保壓時間10.7s，保壓壓力剛開始時為100%的V／P轉換點壓力，并進行分段保壓.

（2）使用Moldflow軟件對注塑工藝參數進行分析和優(yōu)化不僅可以有效地減少模具設計、生產中的反復試模、修模過程，做到一次試模成功；同時還可以縮短模具設計生產周期，降低生產成本.

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