注塑制品翘曲变形的最显著影响因素 - 图文-

1、第23卷第6期中国塑料Vol.23,No.6 2009年6月CHINA PLASTICS J une,2009注塑制品翘曲变形的最显著影响因素曾亚森1,谢小鹏2(1.中山火炬职业技术学院光机电工程系,广东中山528436;2.华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640摘要:采用Moldflow进行了塑料制品注塑过程模拟实验,分析了模具温度、熔体温度、保压时间、保压压力、冷却时间、注射时间和速度/压力控制转换(V/P转换对注塑制品翘曲的影响,从中确定影响最显著的注塑过程参数。首先按一次因子法进行实验,根据因子效应,各因子影响权重顺序为:保压时间冷却时间熔体温度注射时间V/P转换保压压力

2、模具温度,其中熔体温度、保压时间、冷却时间、注射时间对制品的翘曲有明显影响;再采用田口实验方法对这4个因素进行模拟实验,用L9(34正交表设计实验,根据实验数据计算信噪比以评判影响因子的权重,由翘曲信噪比、体积收缩率信噪比和缩痕指数信噪比三方面分析发现,熔体温度对制品翘曲的影响最为显著。关键词:注射成型;翘曲;田口方法;模流分析中图分类号:TQ320.66+2文献标识码:B文章编号:100129278(20090620069205Most E ffective F actors Affecting W arpage ofInjection Molded PartsZEN G Ya2sen1,X

3、IE Xiao2peng2(1.Department of Opto2electro2mechanical Engineering,Zhongshan Torch Polytechnic,Zhongshan528436,China;2.School of Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou510640,ChinaAbstract:Plastic injection molding was simulated using software Moldflow.Mol

4、d temperat ure,melt temperat ure,packing time,packing p ressure,cooling time,injection time,and V/P switchwere taken as t he affecting factors on t he warpage of injection molding part s.In one2factor2at2a2time experiment s,t he order of influencing weight was:packing timecooling timemelt tempera2t

5、ureinjectio n timeV/P switchpacking p ressuremold temperat ure.The first four were f ur2t her st udied using Taguchi met hod in an L9(34ort hogonal experiment.The effect of t he factorswas measured by signal2to2noise ratios(S/Nfor warpage,volumet ric shrinkage,and sink index.The result indicated t h

6、at melt temperat ure was t he mo st important factors for warpage.K ey w ords:injectio n molding;warpage;Taguchi met hod;Moldflow analysis塑料在从熔融状态冷却凝固的过程中均有很大的体积收缩。在未施加压力的情况下,一般收缩25%1。虽然无法完全消除收缩,但在注射成型过程中,如果能很好地控制成型工艺,就可以有效地减少体积收缩,所以注射成型过程的工艺参数一直是影响制品收缩与翘曲的重要因素。注塑制品翘曲及成型尺寸的影响因素很多,几乎与整个成型加工过程有关2。在国外一

7、些文献中,认为翘曲是由不均匀收缩产生的残余应力造成的3,4,而对不均匀收缩的成因的看法目前尚不收稿日期:2009202221统一。在国内一些文献中,认为引起注塑件翘曲变形的残余应力是由不均匀的温差、不均匀的温度分布引起的,其他诸多因素是通过影响温度、压力分布而间接影响注塑件的残余应力和成型尺寸的5。Lee等6对给定的工艺条件,采用复合形法以塑件的壁厚、注射时间、保压和冷却时间、熔体温度、冷却介质温度为设计变量减小了翘曲变形。Subramanian 等7以光盘盒为例,采用复合形法优化了壁厚,减小了翘曲变形,同时分析了壁厚的改变对部件各部分翘曲变形的影响,并且给出了成型参数对翘曲的影响。Rakes

8、h等8以充填时间、保压时间、后充填时间、熔体 70注塑制品翘曲变形的最显著影响因素温度、模具温度和保压压力为设计变量,以翘曲为目标函数,分别采用遗传算法、田口(Taguchi方法和复合形法3种不同的优化方法进行了优化设计。这种直接的优化设计有效的减小了翘曲变形,但是在优化过程中,要进行多次数值分析、迭代优化,计算量大。很多学者采用Taguchi实验设计方法来得到工艺参数的最优组合913,而没有在可行设计空间中寻找最优工艺参数。这种方法计算量小,但是没有对工艺参数进行全面的优化设计。按生产经验,注射速度(的常用值为1520cm/s,对于厚度和尺寸都很大的制件,可以在812cm/s 之间;保压压力

9、的大小取决于模具对熔体的静态压力,并与制件的形状、壁厚有关,当保压压力与注射压力相等时,制件的收缩率减小,批量产品中的尺寸波动小,同时会出现较大的应力;保压时间一般为20120s,与料温、模温、制件壁厚及模具的流道和浇口有关。保压时间长、保压压力大、浇口冻结温度低,则补缩作用强,有助于减小制件收缩。根据塑料品种不同,其熔体温度、模具温度也不同,如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS的熔体温度为200270,模具温度为50 90。这些经验值与规律的可调空间很大,只有通过现场试验才能确定。本文采用一次因子法和Taguchi方法进行模拟实验,分析模具温度、熔体温度、保压时间等因素对制品翘曲影响的权重,确定

10、影响最为显著的因素。1Moldflow模拟实验本文以显示器外壳的注射成型过程为实例,用Moldflow MPI软件进行注塑过程模拟分析,以翘曲为寻优目标,研究模具温度、熔体温度、保压时间、保压压力、冷却时间、注射时间和V/P转换对翘曲的影响,并从中寻找影响最显著的因素,以帮助生产中快速确定最佳过程参数组合。1.1模拟实验模型显示器外壳网格图如图1所示,共20352个网格单元,尺寸为378mm290mm323mm,采用两点浇口进料,浇口的位置在壳后面,浇口尺寸为:浇口直径d=1.5mm、浇口长度L=2mm;分流道尺寸为:分流道直径d1=6mm、d2=8mm、d3=10mm;主流道采用圆锥式,主流

11、道直径D1=12mm、D2=14mm;由于制件较大,开模时间间隔会长些,所以设置了冷料穴。显示器的尺寸较大,而且四周是不平的,所以在后面凹下处的两条冷却水道的尺寸相对较大,取冷却水道直径D3=12mm,其他的取冷却水道直径D4=10mm。图1模拟实验方案Fig.1Design of the simulative experiment1.2实验材料根据实际生产经验,这种显示器外壳采用ABS材料,ABS的注射压力在60120M Pa之间,模具温度在5090之间,熔体温度在200270之间。根据实际情况,若制件薄而深,注射压力也可提高至130 150M Pa。本次实验选用的材料为日本旭道化成工业有限

12、公司的牌号为121的ABS,其性能如表1所示。表1材料的性能Tab.1Properties of the materials材料材料结构熔体密度/gcm-3固体密度/gcm-3弹性模量/MPa泊松比ABS非晶型0.93724 1.042622400.3922模拟实验结果与讨论2.1一次因子法实验设计与分析用Moldflow模拟显示器外壳的注射成型过程代替真实实验,用模拟实验的过程数据进行结果分析。在注射成型中,影响制品品质的是熔接痕、翘曲、缩痕指数、气穴等缺陷,最直观且对制品品质影响程度最大的因素是制品成型后的翘曲量,所以本实验以翘曲为优化目标,以过程参数为影响因子。先按一次因子实验方法,确定

13、各因子对翘曲量的影响权重。每次实验只变动一个因子,其他因子不变,每次变动因子的实验与同一初始实验比较,因子变动水平如表2所示。表2因子水平Tab.2Levels of the process factors因子水平12模具温度(A/6070熔体温度(B/230245保压时间(C/s1015保压压力(D/MPa96102冷却时间(E/s3035注射时间(F/s 2.5 3.0V/P转换(G/%9798 2009年6月中国塑料71初始实验参数按照Moldflow 推荐工艺:模具温度60、熔体温度230、保压时间10s 、保压压力96M Pa (80%、冷却时间30s 、注射时间2.5s 、V /P

14、转换97%,进行第一次实验,以后按一次因子法设计实验,如表3所示。V /P 转换是指填充过程中采用的是速度控制与压力控制,Moldflow 的控制方式是先进行速度控制,当模腔填充97%99%时转换为压力控制,V /P 转换之后进行保压。将因子从水平1变动至水平2时的翘曲量差值定义为因子对翘曲量的影响。 表3一次因子法实验设计Tab.3The design of one 2factor 2at 2a 2time experiments 实验编号A B C D E F G 翘曲量1#111111126.342#211111126.353#121111129.064#112111122.835#11

15、1211126.306#111121122.967#111112123.968#111111227.14效应-0.01-2.72 3.510.043.382.38-0.50-一次因子实验的结果反映出每个因子的变动对翘曲量的影响,将因子变动对翘曲量的影响称为因子效应,翘曲量的变化值反映因子效应。按推荐工艺注射成型后制品存在的翘曲量为26134mm,如图2所示。从表3的因子效应数据可知,效应较明显的因子有B 、C 、E 、F ,实验输出的翘曲量如图3所示。图2按推荐工艺注塑的制品的翘曲量Fig.2Warpage of the product prepared viathe recommended

16、process (a 熔体温度(b 保压时间(c 冷却时间(d 注射时间图3因子效应Fig.3Effect on the factors2.2T aguchi 法分析过程参数显著性根据一次因子法的实验结果,选取熔体温度、保压时间、冷却时间、注射时间进入下一轮优化分析。Taguchi 方法能以较少的实验次数来获得有用的统计资讯,因其可以以较少的实验次数进行实验,根据控制因子和水平的数目从而选用适当的实验正交表,寻优目标可以是制品品质或过程,可以确定干扰因子影响的大小。 72注塑制品翘曲变形的最显著影响因素本实验中塑料制品的品质直接由翘曲量、体积收缩率、缩痕指数决定,注射成型制品冷却后都发生收缩现

17、象,收缩量越小越好,因为收缩不均匀会引起制品的翘曲。对于T aguchi 方法,翘曲量、体积收缩率、缩痕指数都属于望小特性的信噪比。本实验采用L9(34正交表设计实验,实验结果如表4所示,参数的3个水平如表5所示。由表4可知B3C2E1F3组合的实验制品的翘曲量、体积收缩率、缩痕指数最小,实验结果如图4所示。表4正交表设计Tab.4Design of orthogonal arrays实验编号B C E F 翘曲量体积收缩率范围体积收缩率对照点缩痕指数范围缩痕指数对照点1#111126.3410.150-0.767 3.433 5.010-0.275 1.0392#122218.049.967

18、-0.613 3.622 4.309-0.283 1.2773#133313.1510.130-0.683 3.693 3.745-0.319 1.3434#212321.7810.570-0.728 3.698 5.619-0.279 1.3065#223120.9310.590-0.632 3.521 4.908-0.295 1.7126#231220.5710.740-0.753 3.610 4.297-0.285 1.1597#313213.968.202-0.717 3.271 3.686-0.284 1.0048#321313.027.981-0.967 3.072 3.164-0

19、.2780.7059#332113.878.653-0.9143.346 2.729-0.3111.066表5正交实验因子水平Tab.5Levels of the factors因子水平123B/230245200C/s 101520E/s 303540F/s2.53.0 3.5Taguchi 法主要采用信噪比来评判影响因子的权重,以衡量制品的品质,信噪比采用式(114计算。S/N =-10logni =1y i 2n(1式中S/N 信噪比y i 品质特性n 实验数据数目 (a 翘曲量(b 体积收缩率(c 缩痕指数图4最佳因素水平组合条件下制品的Moldflow 图Fig.4Moldflow

20、chart of the product under the best process factors以信噪比作为选取控制因子的标准,使其品质特性有最大的信噪比。以每组实验数据计算信噪比,对信噪比作因子反应分析,因子效应以各水平的信噪比最大值减去最小值来计算,信噪比反应表如表6所示。表6信噪比反应表Tab.6Response table of the S/N ratio水平翘曲信噪比体积收缩率信噪比缩痕指数信噪比B C E F B C E F B C E F 1-25.99-26.57-26.32-26.45-11.09-10.81-10.57-10.72-1.77-1.02+0.12-2.3

21、42-26.49-24.92-25.19-24.98-11.15-10.66-11.03-10.89-2.99-2.27-1.73-1.233-22.68-24.19-24.29-24.35-10.19-11.01-10.88-10.88+0.55-1.55-2.82-1.26因子效应 3.81 2.38 2.03 2.10.960.350.460.17 3.54 1.25 2.94 1.08排序124313241324 2009年6月中国塑料733结论(1由一次因子法实验结果得到的各因子影响权重大小顺序为:保压时间冷却时间熔体温度注射时间V/P转换保压压力模具温度,由于各因子实验改变的幅度难

22、以统一衡量,因此只能说明相对影响的大小;(2从Taguchi方法实验结果得到的翘曲信噪比、体积收缩率信噪比和缩痕指数信噪比的因子效应排序都说明熔体温度对制品翘曲与收缩影响最显著;(3根据最小信噪比原则,基于翘曲的最佳过程参数组合为B3C3E3F3,即熔体温度200,保压时间20s,冷却时间40s,注射时间3.5s。参考文献:1Balof usji H.Plastics Product Design and Process Engi2neeringM.Beijing:Chemical Industry Press,2000.10. 2Rheinfeld D.Injection Molding T

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