注塑保压曲线的优化设计与分析

万 彬，范希营，郭永环，单以波

(江苏师范大学机电工程学院，江苏 徐州 221116)

注塑保压曲线的优化设计与分析

万 彬，范希营*，郭永环，单以波

(江苏师范大学机电工程学院，江苏 徐州 221116)

针对空调温控器下壳体这类注塑模具在注射成型时产生的过大变形缺陷，采用多因素田口试验法，再运用Moldflow软件对温控器下壳体进行分析、模拟，并观察可能发生的缺陷，进行优化设计。结果表明，最佳工艺参数组合模具温度为60 ℃、熔体温度为230 ℃、保压压力为60 MPa、保压时间为20 s；且在最佳工艺参数下塑件的最大翘曲变形量得到显著改善，翘曲变形量减少了0.036 mm。

注塑模具；工艺参数；翘曲变形；田口试验；极差分析法

0 前言

温控器下壳体属于外观件，因此对其外表面的表面粗糙度、精度都有着较高的要求；并且它需要与温控器上壳体、电池盖装配使用，为避免装配时出现问题，所以对于形状尺寸、配合尺寸的公差要求较高。温控器下壳体总体形状接近长方形，4个侧面都有一定的倾斜角，为使重心后移，电池仓设在下壳体外表面的下端，电池仓上有凹凸槽以便和电池盖紧密结合为一体。在温控器下壳体内表面侧壁上有凸起卡扣，以便和上壳体装配在一起。下壳体是温控器的重要保护结构，其成型品质直接影响着温控器的使用性能，传统的人工试模法通过不断的实验来改进工艺参数，不仅浪费了大量的人力物力，而且效率低。软件的开发和利用在一定程度上降低了模具的设计和开发周期，提高了模具生产率，利用Moldflow软件可以划分出产品的三角形单元，并通过计算内部流动方程，建立节点压力与流量的函数，得到各个节点温度的分布及变化；然后根据熔体充模流动过程的基本方程以及热传导微分方程得到熔体流动、冷却的分析数据。

注塑温度、模具温度、注塑时间、注塑机选择、保压时间、保压压力，这6个工艺参数对制品的收缩率和翘曲变形量具有一定的影响[1]，同时制品凝固时其内部分子的结晶、收缩及不平衡应力等也是影响制品成型的主要因素[2]。通过田口试验法对工艺参数进行优化，并依次完成对模具和制品的温度场、成型流动及填充过程、压实过程等分析后，可得到翘曲变形分析，从而减少收缩[3]。本文运用Moldflow软件对浇口型式及位置、熔体的填充保压和冷却情况、注射参数做出正确的选择，从而使模具品质得以保证。

1 网格划分及浇注系统设计

双面层网格划分形式主要应用于薄壳类件，可用来诊断出不匹配的单元并且进行修复，因此选择双面层网格。计算网格划分是模流分析的基础，通过计算每个节点可得到模塑的特性，如图1(a)所示，单个模型划分网格选择全局网格的边长为1.6 mm，划分情况统计如图1(b)所示，三角形单元数为28066个，节点数为14015个，相互匹配率高于翘曲分析的最低要求90 %，该网格平均纵横比为1.88，符合要求，而最大纵横比达到13.9。由于软件计算时以网格为单位进行推算，因此网格跨越的宽度和长度越接近越好，所以一般要求最大横纵比为6∶1，而此处的13.9远远高于6，影响了分析计算结果的精确性，因此需要进行网格修复。

(a)下壳体模型 (b)下壳体的网络划分情况图1 下壳体的网格划分情况Fig.1 Network division of the lower shell

Moldflow Insight 2012网格修复有自动修复和手工修复2种方式，系统自动修复采用的是一般修补方法，因此并不是每次采用“修改纵横比”指令都能得到和目标值最近的最大纵横比；而手动修补的精度更高，尤其对于最大纵横比较小的网格。因此采用手工修复的方式修复温控器下壳体网格，使用合并节点、插入节点、移动节点和交换边等工具，根据最大纵横比诊断显示修复不合理的单元，降低最大纵横比，经过一系列的网格修复后，单元最大纵横比低于6，符合后续运算要求。经过复制、镜像单元网格命令，形成1模4腔布局，通过创建直线来建立浇注系统和冷却系统，用于塑件的模流分析，如图2所示。

图2 浇注系统和冷却系统的模型Fig.2 Model of gating system and cooling system

2 注塑保压曲线的优化设计与分析

2.1 流动分析

流动分析是利用小规模的实验设计方法获得建模数据集，然后通过所得的数据集针对后期将出现的问题提出的一种数据预处理方法[4]，这对于预测塑件缺陷、选择并确定合理的浇注系统有着重要作用。通过流动分析可得到熔体流动前沿的状况、压力和温度变化、缩痕、体积收缩、气穴和熔接痕的位置等参数，经分析得到熔体充满整个型腔的充填时间为1.032 s，如图3所示。流动前沿温度指的是熔体在充填过程中，流动前沿的瞬时温度值，在保证充填平衡的前提下，流动前沿温度分布需均匀，温度差不能相差太大，一般允许值为20 ℃[5]；流动前沿显示的温度结果为到达指定点时在塑料横截面中心的聚合物的温度，流动前沿得温度变化大往往说明注射时间太短，或有不连贯的地方，如果流动前沿是零件薄的区域，不连贯可能会导致浇不足；同时注射位置的最大压力不能超过选择的注塑机的最大压力，否则需要重新选择注塑机，如图4所示最大注射压力为78.6 MPa，较为合理。由图5可知流动前沿温度最大值为221.6 ℃，最小值为214.5 ℃，差值为7.1 ℃，远小于20 ℃，因此具有较好的填充效果。

图3 充填时间Fig.3 Fill time

图4 压力分布图Fig.4 Distribution diagram of pressure

图5 流动前沿温度Fig.5 Temperature of the flow front

2.2 冷却分析和保压曲线的优化设计与分析

通过对塑件的冷却系统进行分析来检验模具的冷却效果，并优化冷却系统的布局和确定冷却系统合理的设计，提高成型产品品质。由图6可知，回路冷却液温度差在1 ℃以内，回路管壁温度差在4 ℃以内，有效回路热去除效率在0.25以上，因此冷却管道的布局较为合理。零件达到顶出温度的时间为39.48 s，塑件成型周期在50 s左右。

保压阶段是在充填结束后通过对型腔继续补料来减少塑件的体积收缩。保压阶段需要保持较高的压力，从而减少因体积收缩不均引起的翘曲变形，获得性能良好的塑件制品。恒定压力的结束时间一般为填充末端压力最大时刻和压力为零时刻两者的平均值，由图4可以看出压力最大时刻为1.35 s，压力为零的时刻为32.25 s，计算得平均值为16.8 s，因此第一段保压曲线设定使用60 MPa 的恒定压力进行保压，持续时间为15.5 s，之后迅速衰减，减轻塑件的局部压力。保压压力的结束是以浇口凝固的时间作为标准，在Moldflow中可通过冻结层因子有效地判断出浇口凝固的具体时间为21.4 s。优化后得到的保压曲线如图7所示，通过Moldflow软件将优化后的保压时间和保压压力进行工艺参数设定，进行分析验证，得到的优化后的翘曲变形结果如图8(b)所示，最大翘曲变形量为0.0959 mm，较之前得到的结果0.0995 mm[图8(a)]更小，翘曲变形量减少了0.036 mm。因此保压曲线的优化是非常有必要的。

(a)回路冷却液温度 (b)回路管壁温度 (c)回路去热效率 (d)零件达到顶出温度的时间图6 冷却系统的主要参数Fig.6 Main parameters of cooling system

图7 保压曲线优化方案Fig.7 Optimization scheme of holding pressure curve

2.3 翘曲分析

翘曲变形是指塑件脱离模具型腔后，其形状未按照设计的形状成型，是塑料制品常见的缺陷之一。进行翘曲分析主要是为了预测制品成型后翘曲变形程度以及产生翘曲的原因，结合图8、图9可知本文的温控器下壳体翘曲量为0.0959 mm，符合要求。导致翘曲变形的主要原因主要有由保压不合理导致各区域的收缩不均匀；由冷却系统设计不合理导致各区域冷却不一致；由浇口的设计不良而引起各区域的取向效应。

图8 优化前、后的翘曲变形Fig.8 Buckling deformation of the part before and after optimization

(a)所有因素 (b)冷却 (c)收缩不均 (d)取向图9 不同因素引起的翘曲量Fig.9 Warpage caused by different factors

3 田口试验设计

3.1 田口试验

田口试验设计是研究多因素多水平的一种设计方法，是从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，整齐可比”的特点，它能够很好地描述注塑过程保压段特性，且方法简单、可靠性强[6]。采用田口试验法来优化注塑工艺参数，对多个不同的工艺参数进行模流分析，基于田口法规划优化实验，并通过对试验结果分析得到其中最佳的注塑工艺参数[7]。翘曲影响塑件的成型品质，导致外观有瑕疵，内部力学性能降低，选择翘曲变形为试验指标，具有工程实用价值。

本文田口试验法所考察的工艺参数为模具温度(A，℃)、熔体温度(B，℃)、保压压力(C，MPa)、保压时间(D，s)，各因素均匀地取3个水平。A、B因子的水平值根据材料的推荐温度范围均匀选取，C、D因子的水平值由流动分析结果确定，如表1所示。

表1 因素与水平表Tab.1 Factors and levels

根据表1的因素及水平划分设置模拟实验田口表，考察4因素3水平对塑件翘曲变形量的影响，所有不同的试验条件共有34个，而由田口试验设计，只需作9次试验，实验的目的是为了找出各个工艺因素对塑件翘曲变形量的影响程度，并得到最佳工艺参数组合。

3.2 田口试验结果及生产验证

根据Moldflow模流分析，得到的数据如表2所示，并采用Minitab软件对表2进行数据处理。

表2 田口试验方案及试验结果Tab. 2 Taguchi experiment scheme and test results

表3中的ki(i=1, 2, 3)表示任意因素列(即表2中的因素所在列)上水平为i时，所对应的实验结果的算术平均值，例如k1=(0.1381+0.1455+0.2144)/3=0.1660，同理可以计算出表3中的其他数值。R为因素均值在3个水平下最大值和最小值的差，即因素水平的极差。极差分析可以比较各个工艺参数对翘曲变形的影响程度，极差值越大，表明该工艺参数对翘曲变形的影响程度越大，通过表3可得，RA=0.212，RB=0.0170，RC=0.0790，RD=0.0198，因此各因素对翘曲变形的影响程度为保压压力>模具温度>保压时间>熔体温度。经分析得出最佳工艺参数组合为A2B2C1D3，即模具温度为60 ℃、熔体温度为230 ℃、保压压力为60 MPa、保压时间为20 s。再通过Moldflow软件进行分析验证，可知，在最优成型工艺参数组合下塑件的翘曲变形量得到了显著改善，翘曲变形量减少了0.036 mm，如图8所示。

表3 因素水平的极差分析Tab.3 Range analysis of factor level

如图10所示为空调温控器下壳体注塑模具，其生产的下壳体制品如图11所示，经测量其最大翘曲变形量均小于0.0959 mm，满足了产品翘曲变形较小的品质要求。

(a)凹模 (b)凸模图10 空调温控器下壳体注塑模具Fig.10 Lower shell injection molds of the air conditioner thermostats

(a)下壳体外表面 (b)下壳体内表面图11 空调温控器下壳体制品Fig.11 Lower shell products of the air conditioner thermostat

4 结论

(1)根据田口试验及Moldflow模拟分析，得出主要工艺参数对翘曲变形的影响程度为保压压力>模具温度>保压时间>熔体温度；

(2)根据外壳塑料件用Moldflow数值模拟模具设计方案，设计并制作出外壳注塑模具，再用优化出的工艺参数进行注塑生产得到了合格的外壳注塑件，验证了模拟结果的正确性。

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提速医疗行业创新 第三届医用塑料论坛加码出击

据中国医药信息2016年发布的《中国健康产业蓝皮书》显示，医疗器械产业是健康产业中增长最为迅速的领域，“十二·五”期间医疗器械规模年均增长超过20%，2015年医疗器械市场总量达到3千亿，预计到2019年医疗器械总规模会再翻一番。中国政府积极推进医疗设备高端化的过程，在《中国制造2025》、《“健康中国2030”规划纲要》等多个文件中均有体现。医疗器械“进口替代”成为趋势，高端医疗器械长期被外资企业垄断的局面正逐渐转变。

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Optimal Design and Analysis of Pressure Holding CurveDuring Injection Molding Process

WAN Bin, FAN Xiying*, GUO Yonghuan, SHAN Yibo

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangsu Normal University, Xuzhou 221116, China)

To resolve the problem of excessive deformation generating in the injection-molded lower casing of temperature controller of an air conditioner, the lower casing was analyzed by a multi-response Taguchi method and then simulated by a Moldflow software. The results indicated that the optimum combination of processing parameters included a mold temperature of 60 ℃, a melt temperature of 230 ℃, a packing pressure of 60 MPa and a holding time of 20 s. The maximum warping deformation was significantly suppressed to decrease by 0.036 mm when the lower casing was injection molded with these optimum process parameters.

injection mold; processing parameter; warping deformation; Taguchi method; range analysis method

2016-10-28

江苏省产学研前瞻性联合研究项目(BY2016028-02)；徐州市科技计划资助项目(KC16SG277)；国家级高等学校大学生创新创业训练计划项目(201610320075)

TQ320.66+2

B

1001-9278(2017)05-0071-07

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.05.014

*联系人，fxy8441@163.com