基于正交试验法进行注塑制品翘曲模拟分析及工艺优化

作者:xingyang                         时间：2010-12-02

轴承及轴承相关技术文章（轴承型号查询网提供） 关键字：轴承, 翘曲变形是薄壳类塑料件注塑成型中的常见缺陷之一。不同材料、形状及不同成型工艺的注塑件的翘曲变形规律差别很大,翘曲变形问题的存在会影响注塑件的形状精度和表面质量,甚至成为成型缺陷,进而影响产品装配及外观。翘曲作为塑件变形的重要特征之一,其研究有着重要的应用价值。利用数值模拟技术研究制件注塑成型,降低塑件成型的翘曲量,对于提高注塑产品精度、缩短新产品开发周期、降低成本、提高生产率等都有着重要的意义。 1.翘曲变形及其影响因素 (1)翘曲变形及其研究 翘曲变形是注塑制品常见的一种缺陷。翘曲变形可以分为两种形式,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导致制品弯曲,一般这种翘曲变形较大。 20世纪70年代以前,翘曲变形分析大都采用定性分析。随着数值技术、材料科学等学科的发展,注塑制品的翘曲理论研究更加深入。由于翘曲变形与不均匀收缩有关,许多学者从研究不同塑料在不同工艺条件下的收缩行为入手,来分析收缩与制品翘曲的关系。塑料熔体在成型过程中,由于取向、收缩的不均匀,导致内应力的不均匀,所以制品出模后,在不均匀内应力的作用下,发生翘曲变形。因此,许多学者从力学角度分析、计算制品的内应力和翘曲。在国外一些文献中,翘曲被看成是不均匀收缩产生的残余应力造成的。 (2)翘曲变形的影响因素 对于翘曲分析而言,产生翘曲变形的原因主要有3个方面:①不均匀冷却。不均匀冷却导致制品的温差很大,使制品在顶出后的二次收缩值相差很大。这种收缩差别导致弯曲力矩的产生而使制品发生翘曲。②区域收缩。区域收缩是指不同区域之间的收缩不同而导致制品翘曲。通常,可以利用区域收缩来衡量制品不同区域收缩的差别,而用分子取向来衡量制品不同方向上的收缩变化。③分子取向。分子取向会导致平行流动方向和垂直流动方向的收缩不一致,便会导致翘曲。对纤维增强的塑料制品,取向效应是导致制品翘曲的主要原因之一。 影响翘曲变形的因素很多,与整个注塑成型过程及模具结构有关,而且这些影响是很复杂的。注塑全过程所涉及到的主要工艺参数有:熔体温度、模具温度、充填时间(注射速度)、注射压力、保压压力、保压时间和冷却时间等。这些参数都影响着制品的质量。每个工艺参数对翘曲变形的影响是不同的。分析各因素对翘曲影响程度的大小对提高产品质量和翘曲优化设计意义重大。通过这种分析,可以将影响较小的因素从优化设计变量中删除,这样既减小了优化的计算量、节省了时间,又提高了优化设计的有效性。 减小翘曲变形的主要措施有:修改制件的几何形状;修改模具结构(包括浇注系统、冷却系统和顶出系统的设计);调整工艺参数等等。在实际生产中,制件的几何形状和模具结构已经固定,所以调整工艺参数来减小翘曲变形更为实际。 2.运用正交试验法进行数值模拟 (1)正交试验法 是研究与处理多因素试验的一种科学有效的方法,其利用正交表来对试验进行整体设计、综合比较、统计分析,实现通过少数的试验次数找到较好的生产条件,以达到最高生产工艺效果。正交表能够在因素变化范围内均衡抽样,使每次试验都具有较强的代表性,由于正交表具备均衡分散的特点,保证了全面试验的某些要求,这些试验往往能够较好或更好地达到试验的目的。我国在正交试验法的理论研究工作已有了很大的进展,使这种科学的方法能够为经济发展服务。 (2)注塑CAE 注塑CAE通过建立塑料成型过程的数学和物理模型,构造有效的数值计算方法,实现成型过程的动态仿真分析,使对塑料成型过程的认识从宏观进入微观、从定性进入定量、从静态进入动态,为优化模具设计和控制产品成型过程以获得理想的最终产品提供了科学的依据和设计分析手段。CAE技术的运用是塑料成型加工技术发展的一个重要里程碑。注塑成型CAE技术一般有流动分析、保压分析、冷却分析、收缩/翘曲变形分析等内容,翘曲变形分析可完成收缩、翘曲变形成因的认定,可提高制品的成型尺寸精度,减小残余应力对制品最终使用性能的影响,为工程技术人员在产品设计,模具设计及成型工艺上提供有应用价值的参考数据。 3.塑件的翘曲模拟分析及工艺优化 (1)塑件的基本情况 塑件是一种盖扣型零件,材料为PA-709AABS塑料,平均壁厚2mm,为外观件,塑件四角有装配结构,塑件外延及平面要求平直。如图1所示。[img]http://www.jinkouzc.com/0903051518334210.bmp[/img]图1 塑件网格模型 (2)正交试验方案 影响翘曲变形的因素很多,因具体情况不同各有其影响。这里基于塑件的具体情况,选择其中比较重要的4个因素来进行模拟试验,其4个因素是浇口位置、冷却系统、注射时间及浇口尺寸,对于每个因素确定3个水平。这里选用L9(34)正交表。因素与因素水平表见表1。[img]http://www.jinkouzc.com/0903051518453228.bmp[/img] 浇口位置的3个水平如图2所示。冷却系统的3个水平如图3所示。 依照L9(34)正交试验表确定的试验方案进行9组试验。在模拟试验中,给出统一位置的边界约束,观察各塑件部位的变形情况,重点考察自由部位的空间变形量,取其中最大值计入塑件的最大翘曲变形量。如图4所示。 通过9组试验,得出正交表数据,并对数据进行计算处理,得到各因素试验数据和极差R。如表2所示。[img]http://www.jinkouzc.com/0903051519037782.bmp[/img]图2 浇口位置方案 [img]http://www.jinkouzc.com/0903051519194621.bmp[/img]图3 冷却系统布局方案[img]http://www.jinkouzc.com/0903051520471056.bmp[/img]图4 试验3模拟结果[img]http://www.jinkouzc.com/0903051520176427.bmp[/img] 根据表2所统计结果,作图分析各工艺因素在不同水平下对变形量的影响。见图5。[img]http://www.jinkouzc.com/0903051519598201.bmp[/img]图5 不同工艺因素对翘曲变形的影响 从图5中可以看出,因素B、C、D曲线基本平行,说明因素B、C、D基本不存在交互作用。因素A曲线与因素B、C、D曲线存在交点,说明因素A与B、C、D因素存在交互作用。全面考察各因素的交互作用对成形性能的影响,是进一步研究的方向。 通过考察图5,可以得出A1B3C3D3是各因素的最优组合。即侧面位置浇口、均匀冷却布局、2S充填时间及直径1.4mm浇口工艺方案组合。 该组合在L9(34)正交试验表恰好存在,如不存在,可再进行模拟分析确认。 4.结语 笔者通过正交试验法,应用MudflowMPI注塑分析软件进行注塑模拟,针对浇口位置、冷却方案、注射时间及浇口尺寸4个工艺因素进行分析,得到了最佳的工艺方案及工艺参数。可以得出结论,注塑成型浇口位置应使得熔料流动取向相对与塑件结构平衡对称,冷却系统应使塑件尽量均匀冷却,注射时间考虑到塑料的流动性、结晶性及模具温度可适当延长以降低注射压力,浇口尺寸在满足熔料流动性的基础上可适当放大尺寸,降低注射压力以降低制品残余应力,如此综合各因素可充分降低塑件的翘曲变形量。【MechNet】

上一篇：数控铣削仿真系统中刀具几何体生成算法

下一篇：新一代可换头立铣刀