王信瑋，王 權(quán)，張建鵬，王曉東，蔡玉俊

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車模具智能制造技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

插座是常見的生活用品，也是電力傳輸末端與電器之間的連接橋梁。近些年，隨著家用電器與電子產(chǎn)品使用量的增多，插座的需求量也明顯增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年的插座銷量已達(dá)到一億多件，可見這一領(lǐng)域存在巨大的市場(chǎng)空間。插座外殼采用塑膠材質(zhì)，插座內(nèi)部裝有五金彈片、觸電開關(guān)和保險(xiǎn)絲，在使用時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)負(fù)載過大、接觸不良等安全隱患。插座外殼通過注射成型工藝進(jìn)行生產(chǎn)，注射成型具有可控性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高、適用性廣、大批量生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，但成型制品存在困氣、燒焦、開裂、熔接痕、飛邊或翹曲等缺陷，因此應(yīng)在產(chǎn)品制造前期對(duì)制品結(jié)構(gòu)、模具結(jié)構(gòu)、材料和工藝參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)[3]。Huszar等[4]研究了PP、PS、PP+GF30等材料對(duì)塑件翹曲變形的影響，發(fā)現(xiàn)無定形材料PS相較結(jié)晶型材料PP更有利于降低翹曲，比較了4個(gè)不同澆口位置對(duì)PP+GF20材料制品翹曲變形的影響，發(fā)現(xiàn)纖維取向?qū)βN曲變形的影響最顯著，選擇PP+GF30作為成型材料并且頂部進(jìn)膠可以使塑件獲得最小的翹曲變形和最大的剛度。Hakimian等[5]對(duì)比了PC/ABS、PPE/PS以及POM對(duì)微注塑齒輪收縮和翹曲的影響，發(fā)現(xiàn)無定形塑料比結(jié)晶型塑料對(duì)翹曲和收縮的抵抗能力更強(qiáng)，并通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)玻纖含量對(duì)翹曲和收縮的影響作用最大，模具溫度和熔體溫度次之。唐杰等[6]以汽車燈罩為研究對(duì)象，通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化成型工藝參數(shù)，使最大翹曲變形量下降了19.15%。羅鵬飛等[7]選取了注射時(shí)間、模具溫度、熔體溫度、保壓壓力與保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間5個(gè)工藝參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以車標(biāo)塑件的多個(gè)成型指標(biāo)的綜合評(píng)分為目標(biāo)變量，設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)注射時(shí)間的影響作用最為顯著。本文以插座外殼作為研究對(duì)象，利用Moldflow軟件模擬成型過程，比較不同材料對(duì)成型效果的影響，并以最大翹曲變形量為指標(biāo)，利用正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化插座外殼的成型工藝參數(shù)。

1 Moldflow分析模型的建立

1.1 插座外殼成型問題分析

插座外殼的成型問題主要分為三方面[8-10]：一是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，主要表現(xiàn)為壁厚設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的縮痕以及過大的體積收縮；加強(qiáng)筋排布設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的插座外殼剛度不足和翹曲變形過大；必要位置缺少孔和圓角導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象；脫模斜度設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的無法脫模現(xiàn)象。二是選材不合理，材料選擇與產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)直接相關(guān)，如果材料不具備阻燃性能、抗沖擊強(qiáng)度低或者在高溫下分解出有毒氣體，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的安全問題，同時(shí)材料本身可加工性差或者成型工藝范圍窄，也會(huì)給實(shí)際生產(chǎn)帶來問題。三是參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，不合理的工藝參數(shù)會(huì)使塑件出現(xiàn)過大的翹曲變形和體積收縮，還會(huì)帶來熔接痕、縮痕等外觀問題。

1.2 不同材料對(duì)插座外殼體積收縮和翹曲變形的影響

插座外殼制品整體尺寸為150.9 mm×50.3 mm×10.06 mm，整體壁厚均為2 mm，壁厚最大位置處為插座上表面凸臺(tái)位置，約為5 mm，殼體內(nèi)部加強(qiáng)筋壁厚約為0.8 mm。將插座外殼3D模型導(dǎo)入Moldflow軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型選擇雙層面網(wǎng)格，最大縱橫比為13.98，平均縱橫比為2.61，匹配百分比為83.2%，相互百分比為83.3%，建立插座外殼有限元模型，如圖1所示。由于插座外殼結(jié)構(gòu)對(duì)稱，將澆口位置設(shè)置在零件中部，既可以降低注射壓力，也有利于成型時(shí)熔體的溫度和壓力均勻分布。分析序列選擇為“冷卻+填充+保壓+翹曲”，工藝條件保持默認(rèn)設(shè)置并運(yùn)行分析。

圖1 插座外殼有限元模型

研究分別選擇POM、PP、ABS、PC/ABS、PC/ABS+GF20共5種材料，比較分析其對(duì)制品體積收縮率、翹曲變形和注射壓力的影響。其中，POM和PP為結(jié)晶型結(jié)構(gòu)的聚合物，ABS和PC/ABS為無定形結(jié)構(gòu)的聚合物，對(duì)于同種材料分別選取3個(gè)不同廠家的產(chǎn)品用來對(duì)比，不同材料的體積收縮率和翹曲變形量對(duì)比分別如圖2和圖3所示。

圖2 不同材料的體積收縮率對(duì)比

圖3 不同材料的翹曲變形量對(duì)比

從圖2可以看出，PC/ABS+GF20體積收縮率最低，ABS和PC/ABS的體積收縮率低于POM和PP，每種材料的體積收縮率平均值分別為12.90%、11.58%、7.04%、7.66%、5.39%。不同材料的體積收縮率差異較明顯，這是因?yàn)樵谌廴跔顟B(tài)下，結(jié)晶型塑料和無定形塑料的熔體體積都隨溫度線性變化，但當(dāng)熔體冷卻至固化溫度時(shí)，無定形塑料體積隨溫度仍呈線性變化，而結(jié)晶型塑料則隨熔體溫度呈指數(shù)下降，固化過程中的結(jié)晶現(xiàn)象微觀上表現(xiàn)為更加緊湊的分子排布，宏觀上表現(xiàn)為更大的體積收縮。

材料對(duì)制品的翹曲變形也有很大影響，圖3列出了不同種類材料在默認(rèn)成型工藝條件下模擬得到的最大翹曲變形量，POM、PP、ABS、PC/ABS、PC/ABS+GF20總翹曲變形量平均值分別為1.99 mm、1.66 mm、0.60 mm、0.62 mm、0.33 mm，結(jié)晶型塑料POM和PP的翹曲變形明顯大于無定形塑料ABS和PC+ABS，無玻纖填充材料的翹曲變形大于玻纖填充材料。材料對(duì)翹曲變形的影響主要表現(xiàn)在分子取向上，相比于結(jié)晶型塑料，無定形塑料在流動(dòng)方向上的分子取向排布更加隨機(jī)，彈性模量和剪切模量更高，因此對(duì)翹曲變形的抵抗能力更強(qiáng)，表現(xiàn)為較小的體積收縮差異[11]。當(dāng)材料中加入玻纖時(shí)，纖維取向比分子取向?qū)χ破仿N曲變形的影響更大。從圖2和圖3還可以看出，經(jīng)過玻纖增強(qiáng)的材料可有效降低制品的體積收縮和翹曲變形，玻纖的加入可以限制塑料高分子鏈間的相互移動(dòng)，使制品剛性極大提高，因此有效降低了制件的體積收縮和翹曲變形，同時(shí)玻纖的加入還可以提高制品的阻燃能力。

但加入玻纖也有不足[12]，玻纖增強(qiáng)使塑料的熔體黏度增大，導(dǎo)致其注射壓力明顯高于其他材料，增加了制造成本。不同材料的注射壓力比如圖4所示。

圖4 不同材料的注射壓力對(duì)比

對(duì)比ABS和PC/ABS，二者均為無定形塑料，在成型過程中的體積收縮、翹曲變形和注射壓力相差不大，而PC/ABS作為PC和ABS合成的改性塑料，綜合了2種材料的優(yōu)良特性，既具備ABS材料良好的成型性，又具備PC材料抗沖擊、電性能好、耐高溫的特點(diǎn)。因此，本文選擇LG Chemical公司生產(chǎn)的型號(hào)為L(zhǎng)upoy GN-5001RFA的PC/ABS作為成型材料進(jìn)行研究。

2 工藝參數(shù)優(yōu)化

2.1 塑件翹曲變形因素分析

翹曲變形是指成型后制品的形狀與模腔形狀產(chǎn)生偏差的現(xiàn)象，表現(xiàn)為向澆口位置彎曲或向?qū)蔷€方向扭曲。在Moldflow軟件中以默認(rèn)工藝條件分析出的翹曲變形結(jié)果如圖5所示。

圖5 優(yōu)化前翹曲變形結(jié)果

從圖5可知，總翹曲變形量約為0.420 3 mm，由收縮不均引起的翹曲變形量約為0.426 5 mm，由冷卻不均引起的翹曲變形量約為0.019 2 mm，由取向不均引起的翹曲變形量幾乎為0。插座外殼的翹曲變形主要是由收縮不均引起的，這是由于澆口位于塑件中間位置，導(dǎo)致塑件中間部位的壓力和溫度高于塑件兩端，并致塑件中間和兩端的冷卻速率不同，使塑件固化時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過材料的剛度，從而引發(fā)翹曲變形，因此優(yōu)化工藝參數(shù)是改善翹曲變形問題的有效手段。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

以塑件最大翹曲變形量為指標(biāo)，選取注射時(shí)間、模具溫度、熔體溫度、保壓壓力和保壓時(shí)間作為變量設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)的工藝參數(shù)。正交試驗(yàn)是通過正交原理在局部選取有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)來代替全部試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，該方法可以減少試驗(yàn)次數(shù)，提高試驗(yàn)效率，在注塑成型工藝參數(shù)優(yōu)化的研究中得到廣泛應(yīng)用[13]。本研究將5個(gè)試驗(yàn)因素分別記為A、B、C、D、E，根據(jù)材料推薦的工藝參數(shù)范圍，每個(gè)因素選取4個(gè)水平建立試驗(yàn)因素水平表，如表1所示。按照正交試驗(yàn)表L16（45）共設(shè)計(jì)16組試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素水平

表2 正交試驗(yàn)方案

2.3 結(jié)果分析

對(duì)正交表進(jìn)行極差分析，某列極差的大小反映了置于該列的因子對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的大小，極差越大說明該列因子對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大，極差分析如表3所示。

表3 極差分析

從表3可知，對(duì)翹曲變形量的影響順序?yàn)椋篊=D＞E＞B＞A，最佳的工藝參數(shù)組合為A2B4C4D4E4。為了更直觀地看出試驗(yàn)指標(biāo)隨試驗(yàn)因素的變化趨勢(shì)，以各因素水平為橫坐標(biāo)，翹曲變形值為縱坐標(biāo)繪制極差分析圖，如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)因素極差分析

根據(jù)極差分析圖和極差排序可以看出，熔體溫度和保壓壓力為影響翹曲變形的顯著因素，其他因素對(duì)翹曲變形影響不顯著。產(chǎn)品在成型過程中，熔料因冷卻固化形成冷凝層，對(duì)熔料流動(dòng)產(chǎn)生阻礙，增加熔體溫度可以減小冷凝層厚度，提高熔體流動(dòng)性。提高保壓壓力可以使更多熔體補(bǔ)充到型腔末端，從而減小塑件中間和兩端的收縮差異，降低翹曲變形量。根據(jù)正交試驗(yàn)獲得的最優(yōu)工藝參數(shù)為：注射時(shí)間0.7 s、模具溫度60℃、熔體溫度280℃、保壓壓力110 MPa、保壓時(shí)間12 s。在Moldflow軟件中以最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行模擬分析，分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后翹曲變形結(jié)果

與優(yōu)化前相比，由所有因素引起的最大翹曲變形量下降為0.286 3 mm，下降幅度為31.9%；由收縮不均引起的最大翹曲變形量下降為0.293 2 mm，下降幅度為31.3%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化成型工藝參數(shù)可以有效降低塑件收縮不均帶來的翹曲變形。

3 結(jié)論

本文以插座外殼塑件為研究對(duì)象，分析了材料選擇以及成型工藝參數(shù)對(duì)塑件翹曲變形的影響，得出主要結(jié)論如下：

（1）無定形材料比結(jié)晶型材料更有利于降低制品的體積收縮和翹曲變形，玻纖增強(qiáng)材料可降低塑件的體積收縮和翹曲變形，但需要更高的注塑壓力，增加了制造的成本。PC/ABS混合材料比ABS材料具有更優(yōu)異的綜合性能，可以替代ABS材料用于插座外殼的生產(chǎn)。

（2）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熔體溫度和保壓壓力是影響插座外殼翹曲變形的顯著因素，優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合使插座上蓋翹曲變形量下降了31.9%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化工藝參數(shù)是降低塑件翹曲變形的有效途徑。