基于翘曲分析的注塑模工艺参数的优化

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基于翘曲分析的注塑模工艺参数的优化
& o4 g8 u; C1 C. t0 j( o" s% l  
) ?! K- ~$ @- |2 }- g. O  V$ x# }　　随着塑料工业的疾速开展，塑料制品日益进步，曾经普遍应用于汽车、家电、医药等各个行业，对注塑制品日益增长的需求推进了注射成型技术的开展和进步。信息产品和电子产品的疾速开展对注塑制品的质量提出了更高请求，如笨重、小巧等，这些就促使了薄壳制品的呈现。但是，由于制件的壁很薄，所以更容易呈现收缩、翘曲、剩余应力等缺陷。翘曲变形是指注塑制品的外形偏离了模具型腔的外形，是注塑制品常见的一种缺陷。翘曲变形可以分为两种方式，即稳定翘曲和非稳定翘曲。稳定翘曲是指翘曲变形与收缩应变成正比；非稳定翘曲是指由于平面应变过大招致制品弯曲，普通这种翘曲变形较大。翘曲变形是由于制品的不均匀收缩产生的。关于翘曲分析而言，收缩本身并不重要，重要的是收缩上的差异，普通均匀收缩只惹起制件体积上的变化，只需不均匀收缩才会惹起翘曲变形。制品的不均匀收缩表现为3个方面：(1)制品不同部位的收缩不同；(2)沿制品厚度方向的收缩不同；(3)与分子取向平行和垂直方向的收缩不同。翘曲变形的影响要素很多，与整个注射成型的加工过程及模具构造有关，而且这些影响很复杂。减小翘曲变形的主要措施有：(1)修正制件的几何外形；(2)修正模具构造(包括浇注系统、冷却系统和顶出系统的设计)；(3)调整工艺参数。在理论消费中，制件的几何外形和模具构造曾经固定，所以调整工艺参数来减小变形更为理论。本文将运用模拟软件moldflow对收缩翘曲问题停止定量的模拟分析。对主要的工艺参数用实验优化设计理论停止统计分析；研讨工艺参数对制品质量影响的同时优化工艺参数.1翘曲CAE的数学模型及数值计算从工程角度讲,翘曲分析就是在塑件的设计阶段完成注射成型制品尺寸的预测,并可以预测注射制品的运用性能,考证模具构造、注塑工艺参数能否合理,为用户设计提供直观有效的信息.从力学研讨角度讲,就是根据初应力、初应变、边境条件、工作载荷等求解静态(准静态)平衡方程,得到位移的构造分析过程.在注射成型过程中产生的应变可完好地表示为式(1)的方式:初应力(注塑制品剩余应力)主要包括：活动／保压过程的活动剩余应力及温度不均匀惹起的热剩余应力，可用黏弹本构方程求出。初应力、初应变肯定后，可用有限元数值方法完成翘曲变形分析。注塑制品翘曲变形的CAE普通是：先求出制品出模时的剩余应力，然后应用热弹性小变形理论，采用基于三角形薄板、薄壳离散单元的有限元模型，计算脱模后的变形值。翘曲变形的数值模拟公式为：式(4)右端第一项为温度等效载荷，第二项为初始应力、初始应变的等效载荷。从数值计算角度讲，普通二次单元(如六点三角形板单元)比线形单元(如三结点三角形板)有更高的精度；而且关于同一种网格，单元数目越多，其解越接近于真实解。就翘曲变形CAE本身而言，数学模型、数值算法能保证相当高的精度，但是，由于有些参数，如黏弹性的剪切松弛时间，丈量拟合获得比拟困难，加上注射成型过程对结晶、取向的影响机理有待于进一步研讨，工程应用时对计算机计算间的请求，模型的简化比拟多，在数学模型、数值算法两方面会带来一定的误差。2实验设计(DOE)技术Taguchi实验设计技术是应用正交矩阵执行最少的实验次数而获得足够实验信息的一种统计学工具。传统的方法是设置各个影响因子的程度组合，停止真实实验并研讨实验结果。但是，多数情况下真实实验难以停止且有些指标很难丈量。所以，用多种解析和数值方法来模拟真实实验。本研讨应用模拟分析软件Moldflow替代真实实验停止模拟实验。注塑制品质量遭到很多要素的影响，而且这些变量的变化范围很广，即使采用CAE模拟，工作量也非常大。因此，如在理论实验中一样，采用DOE技术可设计实验以减少实验次数而获得足够的信息。这里采用TaguchiDOE技术来设计实验和计算各个工艺参数对制品质量的影响，并经过一系列数值实验而得到近似优化解。3实验与结果本文选用手机上壳作为研讨算例，如图1所示，共划分13960个三角形网格单元。采用埋伏式浇口。注塑材料为丙烯腈一丁二烯苯乙烯共聚物(ABS)／聚碳酸酯(PC，CycoloyC2950，美国GE塑料公司)。经过两次正交实验得出优化的工艺参数，使得翘曲量最小。3.1实验一与结果细致的参数及参数程度设置如表1所示。按表1各要素的设定值，同时思索熔体温度与模具温度(A×B)、保压压力和保压时间的交互作用(C×D)，按L16(215)正交表在计算机上停止了16次模拟。数据处置的方法是直观分析和方差分析.将收缩翘曲量最小设为优化目的,并用S／N比望小特性值来描绘收缩翘曲量的特性.表2给出了不同工艺和程度的实验结果和信噪比计算结果.使手机上壳收缩与翘曲最小的各要素的程度可基于直观分析得到.如图2所示,得出在本例中各要素程度最佳组合为A2B2C2D2E1.优化参数程度组合包含在正交矩阵的主实验中,因此需求进一步实验考证.如图3所示,得出最佳要素程度组合的翘曲量为0.3123mm,比主实验中的翘曲量都小.因此,应用优化因子程度可以改善注塑制品的翘曲量.为了肯定各个参数对翘曲量的影响程度，需求计算方差和。表3给出各因子对制品翘曲量的影响程度。基于表中的值可知各个参数对翘曲质变化的相对重要性。从表3可以得出，熔体温度和保压压力对制品的翘曲量影响非常显著，注塑时间对制品翘曲量的影响显著,其他要素的影响不显著.所以,将影响不显著的要素去除,再次设置参数程度停止实验,进一步研讨影响翘曲量的要素.3.2实验二和结果本实验研讨的要素与程度如表4所示表5给出了不同工艺和程度的实验结果和信噪比计算结果。基于图4可以预测使制品的翘曲质变化最小的优化的参数程度。由图4可以看出，优化的参数程度组合是A3B3C1D2，优化参数程度组合未包含在正交矩阵的主实验中，需预测对应于优化组合的制品质量响应。由于选用的参数之间没有互相作用，优化参数程度的比可由式(6)预测。由式(6)，对应于优化参数程度下的翘曲量的S／N是12．06761dB，预测值比主实验值均高。根据优化参数程度组合采用数值分析停止实验考证。在优化工艺程度A3B3C1D2下制品的翘曲量为0.2474，如图5所示，该值比主实验的翘曲量均小。考证明验的S／N是12.13201dB，比预测值及主实验值均高。因此，再次应用优化因子程度又一次改善了注塑制品的翘曲量的变化。3.3工艺参数对翘曲量的影响经过以上实验可以得出：保压压力和熔体温度对翘曲的影响非常显著，充填时间的影响显著。保压压力过低可能呈现熔体回流现象，或者型腔内的熔体没有被压实而构成较大的体积收缩率，招致翘曲；过高的保压压力固然可以使补料充足从而减小收缩和翘曲，但是也可能因此而惹起较高的活动剩余应力和熔体的压应力，招致翘曲；熔体温渡过低，熔体的活动性则较差，在活动过程中遭到较大的应力，由于没有足够的时间释放，则会产生翘曲，另外还容易发作短射现象；熔体温渡过高，容易使材料降解，而且制件冷却到室温后收缩较大。
　　4结论
　　(1)CAE和TaguchiDOE的别离曾经成为有效的工具,可用于研讨工艺参数对制品质量的影响并优化工艺参数；
; l, l: S  T& Y; s- S2 e& O( |　　(2)保压压力和熔体温度对手机上壳翘曲的影响非常显著,充填时间的影响显著.熔体温度对翘曲量的奉献率为16.9542%,保压压力对翘曲量的奉献率为81.4984%.经过实验得出保压压力是对翘曲量影响最大的要素；
$ K, r7 [% D5 Y8 P1 r　　(3)经过两次正交设计实验,使手机上壳制品的翘曲量减少了34.23%,有效进步了制品质量,这证明了TaguchiDOE在翘曲优化中的有效性。
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