打印机底壳翘曲变形分析及工艺参数正交优化

谭安平，幸晋渝，刘克威

(成都理工大学 工程技术学院 四川 乐山 614000)

0 引言

注塑成型中常见的问题有： 收缩凹陷、熔接痕、填充不足、飞边、烧焦、流痕、表面光泽不良、翘曲变形等。而其中最普遍也是最难以控制的就是翘曲变形。若采用模流分析软件对产品的翘曲变形进行预测，并采用科学的方法降低变形量，可以降低成本、减少修模费用、缩短产品的上市时间[1-4]。

以某打印机底壳为例，用于装配的结构特征比较多，产品翘曲变形量要求不超过2 mm。为保证开模一次性成功，采用模流分析软件Moldflow加以分析。

1 产品3D模型及Moldflow前处理

使用三维软件Unigraphics NX(UG)对打印机底壳建模，如图1所示，产品尺寸为547 mm×343 mm×49 mm，平均厚度为3 mm，体积为728.25 cm3，属于中大型制件。

图1 产品3D建模

制件的材质采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，牌号为Techno ABS F7850，生产厂商为大科能树脂(上海)有限公司。材质的推荐加工工艺为模具温度50℃，熔体温度205℃。

将产品3D模型导入到Moldflow中，采用双层面网格划分网格。网格的自由边、重叠边、相交单元、重叠单元均为0，最大纵横比16.88，网格匹配率91.7%，满足分析要求。

2 最佳浇口分析

浇口是浇注系统中截面积最小、流动长度最短的通道。浇口的形式、大小、数量及位置的确定在很大程度上决定了制品质量的好坏，也影响成型周期的长短。熔接痕、气穴、翘曲变形等缺陷都是浇口设计不当所造成的[5]。

本例属于中大型制件，为了保证填充效率和流动性，拟设置三点进浇的浇注系统。在Moldflow中设置分析序列为浇口位置，工艺参数中设置浇口数量为3，模拟完成后得到最佳浇口位置如图2所示。

图2 最佳浇口位置(三点进浇)

如果熔体从最佳浇口位置进浇，会有如下特点： ①从进浇点到填充末端，流长最短、流动阻力最小。②多点进浇的系统中，各点进浇的填充末端所需的填充时间相等；③模腔压力均匀，最大注射压力和锁模力较小；④产品各部位收缩率一致，制件的成型质量比较好，翘曲变形量小。依据最佳浇口的分析结果创建浇注系统，如图3所示。

图3 浇注系统建模

3 冷却分析

不均匀冷却是导致翘曲变形的一个重要因素。不均匀冷却表现为凸模和凹模的温度不一致，这会使塑件的上、下表面产生热应力及热变形，产品变形时会向较热的一侧弯曲，使制件发生翘曲变形。

3.1 使用Moldflow水路向导建立冷却系统

在用UG设计模具水路之前，先用Moldflow的水路向导创建冷却水路(见图4)。虽然这种水路不是真实的UG三维水路，但可以为模具设计人员提供设计参考，为改进方案提供科学的技术指导。

图4 水路向导设计的冷却系统

3.2 冷却仿真分析结果

设置冷却+填充+保压+翘曲的分析序列，工艺参数设为默认，模拟完成后，凸凹模的模温分析结果如图5所示。

(a) 凹模模具温度

(b) 凸模模具温度

由图5可知： 对于本产品，采用Moldflow水路向导创建冷却系统，凸凹模的模温不均匀，温差比较大，为20℃以上(合理的冷却系统凸凹模温差为10℃以内)。因此，这套冷却系统不合理，因冷却不均产生的翘曲变形量会比较大。

2.3 冷却优化

查看之前冷却分析的结果，发现产品的深腔部位温度较高，考虑增加隔水板来降低深腔区域的温度。优化后的冷却系统如图6所示。

图6 优化后的冷却系统

优化冷却系统之后的凸凹模的模温分析结果如图7所示，可以看出： 凸凹模模温趋于一致，温差在10℃以内，模温较为均匀，优化成功，实际水路模具设计可以参考此优化方案来进行。

(a) 优化后凹模模具温度

(b) 凸模模具温度

4 工艺参数正交法优化

工艺参数包括熔体温度、模具温度、注射时间、注射压力、保压压力和保压时间等，这些参数变化范围较宽，且参数之间互相影响、相互耦合[6-8]。为了找出准确的工艺参数，可用正交实验来筛选。

4.1 正交实验设计

为了获得最小的翘曲变形量，采用正交实验法对工艺参数进行筛选，选取对翘曲变形影响最大的4个因素： 熔体温度(A)、模具温度(B)、保压压力(C)及保压时间(D)作为正交因素，并为每组因素设定3个水平。

熔体温度3个水平为195℃、205℃、215℃；模具温度3个水平为20℃、30℃、40℃；保压压力的3个水平参数为V/P切换压力的70%、80%、90%，参看分析日志得到V/P切换压力为85.95 MPa，因此，保压压力3个水平设为60、69、77 MPa。最后，保压时间3个水平设为5、10、15 s。整理数据得到正交实验表如表1所示。

表1 正交因素水平表

建立四因素三水平的正交实验L9(34)，一共9组实验。将每组参数输入Moldflow中，模拟完成后得到的结果如表2所示。

表2 正交实验表

4.2 正交试验结果分析

对实验数据进行统计分析，得到各因素在不同水平的翘曲变形量之和的平均值(记为ki)；同一因素的平均值中，其大值和小值之差为极差(R)，逐一计算各个因素的R。R的大小体现了因素变化对实验指标的影响程度，R越大，表示所对应的工艺参数对实验目标(翘曲变形量)影响越大，这个因素就越重要[9-10]。翘曲变形结果的极差分析如表3所示。

表3 翘曲变形结果的极差分析

由表3可知，影响打印机底壳翘曲变形量的工艺参数中，其重要程度由大到小依次为： D(保压时间)>C(保压压力)>B(模具温度)>A(熔体温度)。

4.3 最佳工艺参数

各影响因素的均值主效应曲线图如图8所示。由表2、表3以及图8可知： 翘曲变形量最低的工艺组合为A1B1C3D2。具体工艺参数为： 熔体温度195℃，模具温度40℃，保压压力77 MPa，保压时间为8 s。

图8 各影响因素的均值主效应曲线图

在工艺设置里输入最佳工艺参数后重新模拟，得到所有效应的翘曲变形量为1.739 mm，如图9所示，满足产品要求。

图9 最佳工艺下之间的翘曲变形量

5 结论

(1) 在模具设计制造之前，为了预测翘曲变形量并使其降到最低，采用模流分析软件Moldflow从浇口分析、冷却分析、工艺参数设置3个方面进行了优化。

(2) 运用最佳浇口分析得到3点进浇的最佳进浇位置，并创建了浇注系统。

(3) 采用Moldflow水路向导创建了冷却系统，发现凸凹模具温差较大，冷却不均使翘曲变形风险增加，需要进行冷却系统优化。观察模温发现，深腔部分冷却不够充分。增加隔水板之后，模温温差明显改善，凸凹模模温温差在10℃以内，优化成功。

(4) 继续优化工艺参数以降低翘曲变形的风险。采用正交实验法优化工艺参数，得到各因素影响程度排列为： 保压时间>保压压力>模具温度>熔体温度。并得到最佳工艺参数为： 熔体温度195℃，模具温度40℃，保压压力77 MPa，保压时间8 s。

(5) 通过浇口优化和工艺参数优化，最终翘曲变形为1.739 mm，满足产品要求。

(6) 在模具设计制造之前预测浇口的位置，对冷却系统建模后预分析及优化，运用正交实验法优化工艺参数，可以极大地降低翘曲变形发生的风险，对实际工程有指导作用。