丁永峰，龍嬋娟
（重慶文理學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，重慶 402160）
摘要：以某暢銷手機(jī)后蓋為例，采用正交試驗(yàn)方法，應(yīng)用 MoldFloｗ 軟件模擬了注射時(shí)間、熔 體溫度、模具溫度、保壓壓力等對(duì) PC+ABS工程塑料合金制件最大翹曲變形量的影響，得到最佳的注塑工藝參數(shù)；采用模擬得到的最佳工藝參數(shù)進(jìn)行試制生產(chǎn)，以驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性。結(jié)果表明：注塑工藝參數(shù)對(duì)手機(jī)后蓋薄壁制件翹曲變形影響的主次順序?yàn)樽⑸鋾r(shí)間、熔體溫度、模具溫度、保壓壓力；模擬得到制件的最佳注塑工藝參數(shù)為注射時(shí)間0.40ｓ，熔體溫度280℃，模具溫度72℃，保壓壓力60MPa，此時(shí)制件的最大翹曲變形量最小，為0.5090mm，翹曲變形主要出現(xiàn)在手機(jī)后蓋四角處，耳機(jī)插孔旁的翹曲變形量最大；在優(yōu)化工藝參數(shù)下試制產(chǎn)品的最大翹曲變形量為0.530mm，翹曲變形位置與有限元模擬結(jié)果一致，這驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性。
關(guān)鍵詞：翹曲變形；薄壁制件；注塑成型；正交試驗(yàn)；有限元模擬
0 引 言
隨著5G 時(shí)代 的 到 來(lái) 以 及“智 慧 城 市”的 推 廣，智能手機(jī)、超級(jí)本、智能家電等電子設(shè)備的設(shè)計(jì)更加 趨向于高質(zhì)、輕薄、美觀，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)更趨于復(fù)雜，這對(duì)塑料制件的研發(fā)與應(yīng)用提出了更為嚴(yán)格的要求，包括更高的零件材料性能要求，更苛刻的產(chǎn)品的尺寸精度要求。 塑料制件，特別是薄壁制件在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出 現(xiàn)較大的翹曲變形、收縮等缺陷［1］，這不僅會(huì)影響產(chǎn)品的外觀，還會(huì)延長(zhǎng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。目前，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)薄壁制件的工藝優(yōu)化進(jìn)行了大量的研究工作。蔡厚道等［2］利用有限元分析方法對(duì)液晶顯示器（LCD）外殼進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了薄壁產(chǎn)品的成型質(zhì)量。肖國(guó)華等［3］利用 MoldFlow 有限元軟件對(duì)iPad平板電腦面殼的澆注系統(tǒng)、成型工藝等進(jìn)行了分析及優(yōu)化。孟兵等［4］以前風(fēng)窗導(dǎo)流板為例，分析了角落效應(yīng)對(duì)塑料制件翹曲變形的影響，并對(duì)零件的壁厚進(jìn)行了優(yōu)化。趙龍志等［5］利用 MoldFlow 軟件對(duì)汽車卡扣座注塑塑成型過(guò)程中的材料種類、熔體 溫度、模具溫度等參數(shù)進(jìn)行了分析及優(yōu)化。江舜成等［6］利用 MoldFlow MPI軟件建立了澆口寬度、制品壁厚、注射速度、制品直徑等參數(shù)的函數(shù)關(guān)系式，通過(guò)分析各參數(shù)對(duì)能耗的影響規(guī)律，擬合出關(guān)于能耗的函數(shù)關(guān)系式。王樹(shù)勛［7］對(duì)薄板零件在注射成型過(guò)程中出現(xiàn)翹曲的原因進(jìn)行了分析，并改進(jìn)了模具的結(jié)構(gòu)。KITAYAMA 等［8］采 用 多 指 標(biāo) 模 型 對(duì) 一 方 盒 零 件 的 成 型 過(guò) 程 進(jìn) 行 了 分 析 與 優(yōu) 化。KOVACS等［9］重點(diǎn)研究了在注射成型過(guò) 程 中 塑 料制件拐 角 處 的 冷 卻 效 應(yīng)。AZAMAN 等［10］對(duì) 以 木屑為填充物的薄壁零件在注射成型過(guò)程中的收縮與翹曲變形進(jìn)行了研究。SINGH 等［11］通過(guò)多響 應(yīng) 優(yōu)化法降低了塑料零 件 在 成 型 過(guò) 程 中 的 耗 時(shí) 與 翹 曲 變形程 度。OKTEM 等
［12］應(yīng)用田口設(shè)計(jì)方法，以信噪比為手段，研究了在薄壁零件成型過(guò)程中各工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形的影響規(guī)律。上 述工作主要從不同方面研究了 工 藝 參 數(shù) 對(duì) 薄 壁 制 件 翹 曲變形或收縮等缺陷的影響規(guī)律，但 綜 合 采 用 試 驗(yàn) 設(shè) 計(jì)與有限元模擬方法 研 究 薄壁制件翹曲變形的報(bào)道較少。為此，作者以 某 暢 銷 手 機(jī) 后 蓋 為 例，采 用 正 交試 驗(yàn) 方 法，應(yīng) 用 MoldFloｗ 軟 件 模 擬 了 注 射 時(shí) 間、熔體溫 度、模 具 溫 度、保 壓 壓 力 等 對(duì) 制 件 最 大翹曲變形量的影 響，得 到 最 佳 的 注 塑 工 藝 參 數(shù)；采用模擬得到的最佳工藝參數(shù)對(duì)品進(jìn) 行 試 制 生產(chǎn)，以驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法
1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及成型工藝
某手機(jī)后蓋產(chǎn)品模型如圖1所示，產(chǎn)品外形尺寸為131MM×67MM×7.1MM，體積為10.22cm，最大投影面積為87.77CM2，平均壁厚 為1MM，最 小壁厚僅為0.4MM，屬于典的塑料薄壁。該制件的尺寸公差為 MT3級(jí)，脫模斜度為30′～1°，外表面應(yīng)光滑，不允許有斑及熔接痕，內(nèi)表面無(wú)成型缺陷。塑料熔體充填流程較長(zhǎng)，充填較困難，擬采用注塑成型工藝。將澆口位置設(shè)置在制件內(nèi)表面，分模面為 制件最大投影處；脫模方式采用推板推出機(jī)構(gòu)，以確保產(chǎn)品平穩(wěn)可靠推出。
1.2 材料屬性
為滿足薄壁及復(fù)雜制件成型的要求，材料選用 DaiCElPolyMEr公司生產(chǎn)的工程塑料金 （PC+ ABS）。PC+ABS是 一 種 無(wú) 定 形 塑 料，兼 具 優(yōu) 良 的尺 寸 穩(wěn) 定 性 及 良 好 的 流 動(dòng) 性，其 比 熱 容 為1720J·Kg-1·K-1，熔體密度為0.98ｇ·CM－3，固 體 密度為1.12ｇ·CM－3，收縮率為0.5%~0.7%，熔點(diǎn) 為175～185 ℃。
研究表明，材料的 PVT（壓力－體積－溫度）關(guān)系是影響注塑產(chǎn)品體積收縮程度的主要因素［13］，而因體積收縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)使產(chǎn)品產(chǎn)生翹曲、收縮等 缺陷［14－15］。材料的PvT 特性對(duì)于計(jì)算較寬溫度和 壓力范圍內(nèi)聚合物的體積性質(zhì)有著重要的意義。由文獻(xiàn)［16］可知，PC+ABS聚合物熔體的體積與溫度為正相關(guān)性，與壓力為負(fù)相關(guān)性。由文獻(xiàn)［5］可知，PC+ABS為典型的假塑性流體，隨著溫度及剪切速率的增大，熔體的黏度降低。
1.3 有限元模型參數(shù)設(shè)計(jì)
1.3.1 模型網(wǎng)格劃分
運(yùn)用有限元分析工具可以較好地模擬整個(gè)制件 的成型過(guò)程［17］。將計(jì) 算 機(jī) 輔 助 設(shè) 計(jì)（CAD）模 型 導(dǎo)入 MoldFlow 軟件中，并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及優(yōu)化［18］，網(wǎng)格類型為 Fusion網(wǎng)格，數(shù)量為8670個(gè)，節(jié) 點(diǎn)數(shù)為 4321，最 大 縱 橫 比 為 9.7，平 均 縱 橫 比 為 1.90，網(wǎng)格匹配率為92.8%。
1.3.2 成型窗口分析
根據(jù)運(yùn)算得到最佳澆口位置，建立澆注系統(tǒng)及冷卻 系 統(tǒng)。 采 用 潛 伏 式 點(diǎn) 澆 口，冷 卻 水 管 直 徑8MM，單 面 冷 卻 管 道 6 條，管道中心之間距離30MM，管道之間使用軟管進(jìn)行連接，冷卻水溫度為25 ℃，所得薄壁制件有限元模型如圖2所示。根據(jù)有限元模型進(jìn)行成型窗口分析，以確定最佳初步工藝參數(shù)，并用作后續(xù)步驟的初步輸入?yún)?shù)。經(jīng)成型窗口 分 析 得 到 最 佳 成 型 工 藝 參 數(shù) 為：注 射 壓 力180MPa，模具溫 度72.22 ℃，熔 體 溫 度290 ℃，注射時(shí)間0.34ｓ。
1.3.3 正交設(shè)計(jì)
采用正交設(shè)計(jì)來(lái)分析不同成型工藝參數(shù)下塑料制件因收縮 不 均［19］而 產(chǎn) 生 的 最 大 翹 曲 變 形 量。結(jié)合上 述 的 分 析 結(jié) 果，并 查 閱 相 關(guān) 文 獻(xiàn)［20－22］，綜 合 確定注射時(shí)間、熔體溫度、模具溫度及保壓壓力為試驗(yàn) 因素。其中：注射時(shí)間應(yīng)保證制件充填完全；熔體溫 度應(yīng)確保材料處于熔融狀態(tài)且不會(huì)發(fā)生降解，同時(shí)在一定的成型工藝下不會(huì)發(fā)生短射；模具溫度不應(yīng)使材料熔融黏度增大；保壓壓力應(yīng)使制件具有較好的尺寸穩(wěn)定性及力學(xué)性能，同時(shí)不應(yīng)使殘余應(yīng)力過(guò)大而造成脫模困難。由此設(shè)計(jì)出了如表1所示的4因素3水平的 L9（34）正交表。
2模擬結(jié)果及分析
根據(jù)表1的因素水平，采用 MoldFloｗ 軟件進(jìn)行正交矩陣模擬，得到制件在不同工藝參數(shù)組合下的最大翹曲變形量，結(jié)果如表2所示。將所得結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，得出各因素在每個(gè)水平下的最大翹曲變形量均值K，并計(jì)算相應(yīng)因素的極差 Ｒ。由表2可知：對(duì) 薄壁制件翹曲變形影響的主次順序?yàn)?A，B，C，D，即注射時(shí)間、熔體溫度、模具溫度、保壓壓力，最佳工藝分散組合為 A3B2C1D3；隨著注射時(shí)間的延長(zhǎng)和熔體溫度的降低，最大翹曲變形量降低；隨著模具溫度的增大，最大翹曲變形量先降低后增大；隨著保壓壓力的增大，最大翹曲變形量先增大后降低。
最佳工藝參數(shù)組合 A3B1C2D1未出現(xiàn)在正交表中，為驗(yàn)證其可靠性，在 MoldFloｗ 軟件中再次運(yùn)行該注塑模擬。由圖3可以看出，最佳工藝參數(shù)下翹曲變形主要出現(xiàn)在手機(jī)后蓋四角處，且耳機(jī)插孔旁的翹曲變形量最大，為0.5090 MM，小 于 表2中 的所有數(shù)據(jù)。同時(shí)，對(duì)制件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)此處也是塑料熔體流動(dòng)最為復(fù)雜的區(qū)域，且位于注塑模具的拐角部位，散熱條件較差，極易發(fā)生翹曲變形。
綜上，模擬得到此薄壁制件的最佳工藝參數(shù)為：注射時(shí)間0.40s，熔體溫度280 ℃，模具溫度72 ℃，保壓壓力60MPa。
3試驗(yàn)驗(yàn)證
采用上述優(yōu)化的工藝參數(shù)對(duì)薄壁制件進(jìn)行生產(chǎn)試制，得到的手機(jī)后蓋的外觀如圖4（a）所示。采用daisyPH10T 型柔性三維激光掃描儀對(duì)試制產(chǎn)品進(jìn)行點(diǎn)云掃描，獲 得 點(diǎn) 云 數(shù) 據(jù) 模 型，如 圖 4（B）所 示。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型及原始三維模型導(dǎo)入 GEoMagiC軟件中，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為測(cè)試模型，原始三維模型為參考模型，在 GEoMagiCQualiFy中將測(cè)試模型與參考模型進(jìn)行比較，得 到 如 圖4（C）所 示 的 尺 寸 檢 測(cè) 云 圖。由圖4（C）可以看出，翹曲變形主要出現(xiàn)在手機(jī)后蓋四角處，耳機(jī)插孔旁的翹曲變形量最大，為0.530MM，與有限元模擬結(jié)果基本吻合。
4 結(jié) 論
（1）應(yīng)用正交法模擬得到影響手機(jī)后蓋薄壁制件翹曲變形的工藝參數(shù)的主次順序?yàn)樽⑸鋾r(shí)間、熔體溫度、模具溫度、保壓壓力；隨著注射時(shí)間的延長(zhǎng)和熔體溫度的降低，最大翹曲變形量降低；隨著模具溫度的升高，最大翹曲變形量先降低后增大；隨著保壓壓力的增大，最大翹曲變形量先增大后降低。
（2）模擬得到手機(jī)后蓋薄壁制件的最佳注塑工藝參數(shù)為注射時(shí)間0.40ｓ，熔體溫度280 ℃，模具溫度72℃，保壓壓力60MPa，此時(shí)制件的最大翹曲變形量最小，為0.5090 MM，翹 曲 變 形 主 要 出 現(xiàn) 在 手機(jī)后蓋四角處，耳機(jī)插孔旁的翹曲變形量最大；在優(yōu)化工 藝 參 數(shù) 下 試 制 產(chǎn) 品 的 最 大 翹 曲 變 形 量 為0.530MM，且翹曲變形位置與有限元模擬結(jié)果一致，這驗(yàn)證了有限元模擬的可靠性。
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