丁永峰顶燕，龍嬋娟
（重慶文理學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院凑保，重慶 402160）
摘要：以某暢銷手機(jī)后蓋為例，采用正交試驗(yàn)方法涌攻，應(yīng)用 MoldFloｗ 軟件模擬了注射時(shí)間欧引、熔 體溫度、模具溫度恳谎、保壓壓力等對 PC+ABS工程塑料合金制件最大翹曲變形量的影響芝此，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)因痛，以驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性婚苹。結(jié)果表明：注塑工藝參數(shù)對手機(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、熔體溫度鸵膏、模具溫度膊升、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谭企，熔體溫度280℃廓译，模具溫度72℃，保壓壓力60MPa赞咙，此時(shí)制件的最大翹曲變形量最小责循，為0.5090mm，翹曲變形主要出現(xiàn)在手機(jī)后蓋四角處攀操，耳機(jī)插孔旁的翹曲變形量最大院仿；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)果一致速和，這驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性歹垫。
關(guān)鍵詞：翹曲變形；薄壁制件颠放；注塑成型排惨；正交試驗(yàn)；有限元模擬
0 引 言
隨著5G 時(shí)代 的 到 來 以 及“智 慧 城 市”的 推 廣碰凶，智能手機(jī)暮芭、超級本、智能家電等電子設(shè)備的設(shè)計(jì)更加 趨向于高質(zhì)欲低、輕薄辕宏、美觀，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)更趨于復(fù)雜砾莱，這對塑料制件的研發(fā)與應(yīng)用提出了更為嚴(yán)格的要求瑞筐，包括更高的零件材料性能要求，更苛刻的產(chǎn)品的尺寸精度要求腊瑟。 塑料制件聚假，特別是薄壁制件在生產(chǎn)過程中會(huì)出 現(xiàn)較大的翹曲變形块蚌、收縮等缺陷［1］，這不僅會(huì)影響產(chǎn)品的外觀膘格，還會(huì)延長產(chǎn)品的開發(fā)周期峭范。目前，國內(nèi)外研究者對薄壁制件的工藝優(yōu)化進(jìn)行了大量的研究工作瘪贱。蔡厚道等［2］利用有限元分析方法對液晶顯示器（LCD）外殼進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)虎敦，提高了薄壁產(chǎn)品的成型質(zhì)量。肖國華等［3］利用 MoldFlow 有限元軟件對iPad平板電腦面殼的澆注系統(tǒng)政敢、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)流板為例胚迫，分析了角落效應(yīng)對塑料制件翹曲變形的影響喷户，并對零件的壁厚進(jìn)行了優(yōu)化。趙龍志等［5］利用 MoldFlow 軟件對汽車卡扣座注塑塑成型過程中的材料種類访锻、熔體 溫度褪尝、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期犬、制品壁厚河哑、注射速度、制品直徑等參數(shù)的函數(shù)關(guān)系式龟虎，通過分析各參數(shù)對能耗的影響規(guī)律璃谨，擬合出關(guān)于能耗的函數(shù)關(guān)系式。王樹勛［7］對薄板零件在注射成型過程中出現(xiàn)翹曲的原因進(jìn)行了分析鲤妥，并改進(jìn)了模具的結(jié)構(gòu)佳吞。KITAYAMA 等［8］采 用 多 指 標(biāo) 模 型 對 一 方 盒 零 件 的 成 型 過 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 程 中 塑 料制件拐 角 處 的 冷 卻 效 應(yīng)棉安。AZAMAN 等［10］對 以 木屑為填充物的薄壁零件在注射成型過程中的收縮與翹曲變形進(jìn)行了研究底扳。SINGH 等［11］通過多響 應(yīng) 優(yōu)化法降低了塑料零 件 在 成 型 過 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)方法贡耽，以信噪比為手段衷模，研究了在薄壁零件成型過程中各工藝參數(shù)對翹曲變形的影響規(guī)律。上 述工作主要從不同方面研究了 工 藝 參 數(shù) 對 薄 壁 制 件 翹 曲變形或收縮等缺陷的影響規(guī)律蒲赂，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)道較少阱冶。為此，作者以 某 暢 銷 手 機(jī) 后 蓋 為 例凳宙，采 用 正 交試 驗(yàn) 方 法熙揍，應(yīng) 用 MoldFloｗ 軟 件 模 擬 了 注 射 時(shí) 間、熔體溫 度氏涩、模 具 溫 度届囚、保 壓 壓 力 等 對 制 件 最 大翹曲變形量的影 響有梆，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)對品進(jìn) 行 試 制 生產(chǎn)意系，以驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性泥耀。
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蛔添，體積為10.22cm痰催，最大投影面積為87.77CM2，平均壁厚 為1MM迎瞧，最 小壁厚僅為0.4MM夸溶，屬于典的塑料薄壁。該制件的尺寸公差為 MT3級凶硅，脫模斜度為30′～1°缝裁，外表面應(yīng)光滑，不允許有斑及熔接痕足绅，內(nèi)表面無成型缺陷捷绑。塑料熔體充填流程較長，充填較困難氢妈，擬采用注塑成型工藝粹污。將澆口位置設(shè)置在制件內(nèi)表面，分模面為 制件最大投影處首量；脫模方式采用推板推出機(jī)構(gòu)壮吩，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)雜制件成型的要求蕾总，材料選用 DaiCElPolyMEr公司生產(chǎn)的工程塑料金 （PC+ ABS）粥航。PC+ABS是 一 種 無 定 形 塑 料，兼 具 優(yōu) 良 的尺 寸 穩(wěn) 定 性 及 良 好 的 流 動(dòng) 性生百，其 比 熱 容 為1720J·Kg-1·K-1递雀，熔體密度為0.98ｇ·CM－3，固 體 密度為1.12ｇ·CM－3蚀浆，收縮率為0.5%~0.7%缀程，熔點(diǎn) 為175～185 ℃。
研究表明市俊，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］杨凑，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］摆昧。材料的PvT 特性對于計(jì)算較寬溫度和 壓力范圍內(nèi)聚合物的體積性質(zhì)有著重要的意義撩满。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)性伺帘。由文獻(xiàn)［5］可知昭躺，PC+ABS為典型的假塑性流體，隨著溫度及剪切速率的增大伪嫁，熔體的黏度降低领炫。
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 的成型過程［17］。將計(jì) 算 機(jī) 輔 助 設(shè) 計(jì)（CAD）模 型 導(dǎo)入 MoldFlow 軟件中张咳，并對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及優(yōu)化［18］帝洪，網(wǎng)格類型為 Fusion網(wǎng)格，數(shù)量為8670個(gè)脚猾，節(jié) 點(diǎn)數(shù)為 4321葱峡，最 大 縱 橫 比 為 9.7，平 均 縱 橫 比 為 1.90龙助，網(wǎng)格匹配率為92.8%族沃。
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)泌参。 采 用 潛 伏 式 點(diǎn) 澆 口，冷 卻 水 管 直 徑8MM常空，單 面 冷 卻 管 道 6 條沽一，管道中心之間距離30MM，管道之間使用軟管進(jìn)行連接漓糙，冷卻水溫度為25 ℃铣缠，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)行成型窗口分析昆禽，以確定最佳初步工藝參數(shù)蝗蛙，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醉鳖，模具溫 度72.22 ℃捡硅，熔 體 溫 度290 ℃，注射時(shí)間0.34ｓ盗棵。
1.3.3 正交設(shè)計(jì)
采用正交設(shè)計(jì)來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 量壮韭。結(jié)合上 述 的 分 析 結(jié) 果，并 查 閱 相 關(guān) 文 獻(xiàn)［20－22］纹因，綜 合 確定注射時(shí)間喷屋、熔體溫度、模具溫度及保壓壓力為試驗(yàn) 因素瞭恰。其中：注射時(shí)間應(yīng)保證制件充填完全屯曹；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恶耽；保壓壓力應(yīng)使制件具有較好的尺寸穩(wěn)定性及力學(xué)性能密任，同時(shí)不應(yīng)使殘余應(yīng)力過大而造成脫模困難。由此設(shè)計(jì)出了如表1所示的4因素3水平的 L9（34）正交表驳棱。
2模擬結(jié)果及分析
根據(jù)表1的因素水平批什，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社搅，結(jié)果如表2所示驻债。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形葬，并計(jì)算相應(yīng)因素的極差 Ｒ合呐。由表2可知：對 薄壁制件翹曲變形影響的主次順序?yàn)?A，B笙以，C淌实，D，即注射時(shí)間猖腕、熔體溫度拆祈、模具溫度、保壓壓力倘感，最佳工藝分散組合為 A3B2C1D3放坏；隨著注射時(shí)間的延長和熔體溫度的降低，最大翹曲變形量降低老玛；隨著模具溫度的增大淤年，最大翹曲變形量先降低后增大；隨著保壓壓力的增大蜡豹，最大翹曲變形量先增大后降低麸粮。
最佳工藝參數(shù)組合 A3B1C2D1未出現(xiàn)在正交表中，為驗(yàn)證其可靠性镜廉，在 MoldFloｗ 軟件中再次運(yùn)行該注塑模擬弄诲。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)后蓋四角處娇唯，且耳機(jī)插孔旁的翹曲變形量最大威根，為0.5090 MM，小 于 表2中 的所有數(shù)據(jù)视乐。同時(shí)洛搀，對制件結(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)域佑淀，且位于注塑模具的拐角部位留美，散熱條件較差，極易發(fā)生翹曲變形。
綜上谎砾，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逢倍，熔體溫度280 ℃，模具溫度72 ℃景图，保壓壓力60MPa较雕。
3試驗(yàn)驗(yàn)證
采用上述優(yōu)化的工藝參數(shù)對薄壁制件進(jìn)行生產(chǎn)試制，得到的手機(jī)后蓋的外觀如圖4（a）所示挚币。采用daisyPH10T 型柔性三維激光掃描儀對試制產(chǎn)品進(jìn)行點(diǎn)云掃描亮蒋，獲 得 點(diǎn) 云 數(shù) 據(jù) 模 型，如 圖 4（B）所 示妆毕。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型及原始三維模型導(dǎo)入 GEoMagiC軟件中慎玖，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為測試模型，原始三維模型為參考模型笛粘，在 GEoMagiCQualiFy中將測試模型與參考模型進(jìn)行比較趁怔，得 到 如 圖4（C）所 示 的 尺 寸 檢 測 云 圖。由圖4（C）可以看出薪前，翹曲變形主要出現(xiàn)在手機(jī)后蓋四角處润努，耳機(jī)插孔旁的翹曲變形量最大，為0.530MM示括，與有限元模擬結(jié)果基本吻合任连。
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、熔體溫度例诀、模具溫度、保壓壓力裁着；隨著注射時(shí)間的延長和熔體溫度的降低繁涂，最大翹曲變形量降低；隨著模具溫度的升高二驰，最大翹曲變形量先降低后增大扔罪；隨著保壓壓力的增大，最大翹曲變形量先增大后降低桶雀。
（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矿酵，熔體溫度280 ℃，模具溫度72℃矗积，保壓壓力60MPa全肮，此時(shí)制件的最大翹曲變形量最小，為0.5090 MM棘捣，翹 曲 變 形 主 要 出 現(xiàn) 在 手機(jī)后蓋四角處辜腺，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)果一致评疗，這驗(yàn)證了有限元模擬的可靠性测砂。
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