您的当前位置：首页注塑成型工艺参数对制品体收缩率变化的影响及工艺参数优化

注塑成型工艺参数对制品体收缩率变化的影响及工艺参数优化

来源：保捱科技网

　第20卷第2期　2004年3月

高分子材料科学与工程

POLYMERMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING

.20,No.2Vol

Mar.2004

注塑成型工艺参数对制品体收缩率变化

的影响及工艺参数优化

王利霞,杨　杨,王　蓓,申长雨

(郑州大学橡塑模具国家工程研究中心,河南郑州450002)

摘要:结合CAE及TaguchiDOE技术研究工艺参数对注塑制品体收缩率变化(制品中体收缩率的最大值与最小值的差值)的影响并获得优化的工艺参数以使制品的体收缩率变化最小。文中采用L9(34)正交矩阵进行实验,并研究了各个参数对制品体收缩率变化的影响程度,对于所选参数,保压压力和模具温度对注塑制品的体收缩率变化的影响较大。关键词:注塑成型;工艺优化;收缩率

中图分类号:TQ320.66+2　　　文献标识码:A　　　文章编号:100027555(2004)0220173204

　　注塑制品的收缩行为对最终尺寸和形状的确定起着重要的作用,制品的收缩率及分布是衡量制品质量的重要指标。注塑成型制品收缩率受几何参数、材料性能参数及工艺参数等许多因素的影响,其中成型工艺参数直接影响到模具内熔体的状态和最终制品的质量,获取优化的工艺参数是成型高质量制品的前提。数值模拟技术[1]可以辅助工艺工程师优化工艺,但目前CAE技术在工艺优化方面的应用仅仅是反复验证2修改的过程,既浪费了时间,又只能得到合理解,而不是最优解。20世纪90年代,基于知识的专家系统可帮助提供工艺设计的智能建议和智能决策。然而,因为其自身的定性和定量推理的不完整性,仅仅靠基于知识的专家系统还难以给出优化解。近年来,研究者们采用多种方法对工艺优化进行了研究,像传统优化技术、遗传算法、神经网络等。注射成型的非线性、多变量特性,使得其工艺的设置非常困难。本文结合CAE技术和DOE技术研究工艺参数对制品质量的影响并优化工艺参数。1　CAE分析

CAE技术可用来模拟既定条件下熔体在

模具内的流动、传热情况,以验证模具设计和工艺设置的合理性,对于大型、复杂的和尺寸要求精确的制品显得尤为重要。应用CAE分析设计方案时,甚至可以没有制品和模具原型,并可节省大量的时间和资金。

1.1　注塑成型充填后充填阶段熔体流动的控

制方程

在注塑成型过程中,熔体在模具中流动的动力学模型可表示为[1]:

5Q5(5(

+Qıvx)+Qıvy)=0(1)5t5x5x5p5(5vx)

(2)-G=0

5x5z5z5p5(5vy)

(3)-G=0

5y5z5z5T5T5T)

=QıCp(T)(+vx+vy

5t5x5y

5(()5T)2a(4)ıCJT+G5z5z

上述方程中:(x,y)——制品平面方向的坐标;z——型腔狭缝方向的坐标;(vx,vy)——坐标(x,y)方向的速度分量;t——时间;T——温

X收稿日期:2003201224;修订日期:2003207201　基金项目:国家“十五”863项目资助(2002AA336120)

　作者简介:王利霞(1969-),女,博士生,副教授.　Email:lxwang@zzu.edu.cn

174高分子材料科学与工程2004年　

度;p——压力;Q——聚合物熔体密度;G——聚合物熔体粘度;Cp(T)——比热;J(T)——聚合物熔体的热传导率。

在充填和后充填阶段,聚合物在模腔中的流动行为强烈地依赖于熔体的剪切粘度,这里采用Cross2WLF粘度模型,p2v2T方程采用双域Tait经验方程。比热Cp(T)和热传导率J(T)也采用如参考文献[1]中方程所描述的形

统计学工具。传统的方法是设置各个影响因子的水平组合,进行真实的实验并研究实验结果。然而,多数情况下真实实验难以进行且有些质量指标很难测量。所以,用多种解析和数值方法来模拟真实实验。本文即利用注塑成型充填后充填的流动模拟代替真实实验进行模拟实验。

注塑制品质量受到很多因素的影响,而且这些变量的变化范围很广,即使采用CAE模拟,工作量也非常大。因此,如在实际实验中一样,采用DOE技术可设计实验以减少实验次数而获得足够的信息[3～5]。这里采用TaguchiDOE技术来设计实验和计算各个工艺参数对制品质量的影响,并通过一系列数值实验而得到近似优化解。

在TaguchiDOE中,应用正交矩阵是一种同时研究多个工艺参数对制品质量影响的有效方法。首先,选定要研究的工艺参数,并设置好各参数的水平。一旦参数和水平确定,正交矩阵即确定。在实验中,所选参数必须是相互的且在操作窗口内连续,否则将导致错误结论[4]。3　实验和结果

式。

1.2　体收缩率

体收缩率是聚合物材料线收缩的定性表示。如果材料收缩是各向同性的,线收缩率近似等于体收缩率的三分之一。成型过程中制品在型腔中的非均匀的体收缩率是引起制品翘曲的主要原因。型腔中制品的体收缩率变化(体收缩率的最大值和最小值的差值)越小越好,即,制品的体收缩率越均匀越好。

体收缩率的计算是基于聚合物在大气压下松弛达到室温下的松弛密度。体收缩率的定义如下[2]:。

VShrin(t)=1-

Q(t)Q(Troomıpatm)

(5)

其中,

Q(t)=(12h)

Q(z,t)dz∫

-h

(6)

基于上述方程,本研究采用混合有限元有限差分数值算法求解上述注塑成型充填后充填阶段统一的数学模型,实现充填后充填一体化模拟。

本文选用一个工业产品作为研究算例,材料为PP,具体的参数及参数水平设置见Tab.1。基于4参数3水平的正交矩阵见Tab.2。用

选用制品内的体收缩CAE分析代替真实实验。

率变化作为质量指标。数值实验结果见Tab.2。

.1　FactorsandlevelsTab

FactorsMelttemperature(A)Moldtemperature(B)Filltime(C)

Holdingpressuretime(D)

Level1Level2Level3215451.68

230502.010.0

245552.412

.2　ExperiTabmentsarrayandtheresults

Experi2ment　123

Fig.1　Modelgeometry

4567

FactorA111222333

B123123123

C123231312

D123312231

Volumetricshrinkagevariation0.3937600.5295730.6392620.7474490.3806140.3398690.5748780.5534610.283321

SNratio

ofexperiments8.0953625.5214793.88152.5283698.3903059.3737694.8084825.13826310.954433

2　实验设计(DOE)技术

Taguchi实验设计技术是应用正交矩阵执

行最少的实验次数而获得足够实验信息的一种

　第2期王利霞等:注塑成型工艺参数对制品体收缩率变化的影响及工艺参数优化175

(8),对应于优化参数水平下的体收缩率变化的

SN比是12.15546dB,预测值比Tab.2中主

实验的值都高。

根据优化参数水平组合采用数值分析进行

Fig.2　Factoreffectsonvolumetricshrinkage

variation

实验验证。在优化工艺水平A3B3C1D1下制品内体收缩率的变化为0.136725,该值比主实验中的体收缩率变化都小。验证实验的SN比是17.283026dB,比预测值及主实验的值都高。因而,应用优化因子水平可以改善注塑制品的体收缩率分布情况。

4.1.2　工艺参数的重要性:为了确定各个参数

4　结果分析和讨论

对实验结果进行分析。工艺参数对体收缩

率变化的影响见Fig.2。基于变量分析(ANO2VA),计算各个变量的主效应,预测优化的工艺

组合并对优化结果进行预测。4.1　变量分析(ANOVA)

Taguchi方法不仅可以产生制品质量随各

对产品性能指数的影响程度,需要计算方差和。各参数对产品性能的影响程度为各参数的方差和与总方差和的比值。Tab.3给出各因子对制品内体收缩率变化的影响程度。基于表中的值,可知各个参数对体收缩率变化的相对重要性。

.3　ANOVAtableforvolumetricshrink-Tab

agevariationofinjectionmoldedparts

Factor

Degreesoffreedom

222208

Sumofsquares2.18844412.9880135.23999442.075941

062.492390

100

Factoreffectonvolumetric

shrinkagevariationin

thepart(%)

3.50193620.7833518.38501167.329704

个影响因素变化的响应图,还可以通过变量分

析(ANOVA)定量估计各个因子对目标影响的相对贡献。在分析中,采用统计量性噪比SN(定义为信号的功率除以噪音的功率)来研究各个参数对目标的影响。性噪比由损失函数推导而得,其形式依赖于目标函数的类型。SN比的最大值表示性能对噪音的敏感程度最小。本文选用体收缩率变化作为目标函数研究工艺参数的影响。该质量指标为望小值问题。为了使目标值最小,分析中采用下述方程描述望小值。

G=-10lg[(1n)2yi]

i=1n

ABCDErrorTotal

[5]

(7)

应用方程(7)计算体收缩率变化的SN比(如Tab.2所示)。SN比随变量的变化如Fig.2所示。

4.1.1　工艺参数优化及优化性能预测:这里实

4.4　各参数对体收缩率变化的影响

由Fig.2可以看到体收缩率变化随各个参数的变化情况,图中的符号代表各参数值的变化。对于体收缩率变化,图中的SN比越大,对应的体收缩率变化就越小,性能越好。Tab.3中也给出了各个参数对体收缩率变化的影响程度。由实验结果,可得出如下结论:对于材料PP,在研究的工艺范围内,保压时间对体收缩

验的主要目的是确定各因子的优化水平。基于Fig.2,可以预测使制品内的体收缩率变化最小

的优化的参数水平。由图,优化的参数水平组合

是A3B3C1D1。优化参数水平组合未包含在正交矩阵的主实验中,需预测对应于优化组合的制品质量响应。因为选用的参数之间没有相互作用[4],优化参数水平的SN比可由式(8)预测。

(G(GGGGA3B3C1D1=Gm+A3-m)+B3-m)+

(G(GGGC1-m)+D1-m)

(8)

率变化的影响最强。其次,模具温度对体收缩率的变化也有较强的影响。熔体温度和注射时间对体收缩率变化的影响较弱。升高熔体温度和模具温度可以减小体收缩率的变化。延长注射时间,亦即降低了注射速率,将导致体收缩率的变化增大。在浇口凝固前延长保压时间也导致体收缩率变化增大。5　结论

式中:G—9个主实验的SN比的平均值;m—

—参数f的第i个水平的SN比。由式Gfi—

176高分子材料科学与工程2004年　

(1)CAE和TaguchiDOE结合成为有效

参考文献:

[1]　ChiangHH,HieberCA,WangKK.PolymerEngi2

的工具用于研究工艺参数对制品质量的影响并优化工艺参数。

(2)本文研究中,对于材料PP,在所研究的工艺范围内,保压时间和模具温度对制品内体收缩率变化有较强的影响;但熔体温度和熔体充填时间对体收缩率变化影响较弱。

(3)升高熔体温度和模具温度、降低熔体充填时间和保压时间可减小制品内体收缩率的变化。

～139.neeringandScience,1991,31(2):116

[2]　C2MOLDFillingandPost2FillingUser′sGuide.Ad2

vancedCAETechnology,1997.

[3]　ChangTC.PolymerEngineeringandScience,2001,41

(5):703～710.

babtabinenO,JabrvelabP,ValtaK,etal.Plastics,[4]　Va

RubberandCompositesProcessingandApplications,1994,21(4):21～217.

[5]　LiuSJ.Plastics,RubberandComposites,2001,30

(4):170～174.

INVESTIGATIONOFTHEINFLUENCEOFPROCESSINGPARAMETER

ONVOLUMETRICSHRINKAGEVARIATIONOFPLASTICINJECTIONMOLDEDPARTSANDPROCESSOPTIMIZATION

WANGLi2xia,YANGYang,WANGBei,SHENChang2yu(NationalEngineeringResearchCenterforAdvancePolymerProcessing

Technology,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450002,China)

ABSTRACT:Gettingoptimumprocessconditionsisthekeytoimprovethepartquality.Shrink2ageisoneofseveralimportantindexesdeterminingthequalityofinjectionmoldedparts,andnon2uniformshrinkageinthecavityisamaincauseofthepartwarpage.Inthispaper,CAEandTaguchiDOE(designofexperiment)techniquewerecombinedtoinvestigatetheinfluenceofpro2cessconditionsonthevolumetricshrinkagevariationininjectionmoldedpartandoptimizethe

processconditionsbyusinganindustryproduct.AnL9(3)orthogonalarraydesignbasedontheTaguchimethodwasconductedtominimizethevolumetricshrinkagevariationofinjection2moldedpartsandthesignificanceofeachfactoronthevolumetricshrinkagevariationwasinvestigated.Forthefactorsselectedinthemainexperiments,holdingpressuretimeandmoldtemperaturewerefoundtobetheprincipalfactorsaffectingthevolumetricshrinkagevariationoftheinjectionmoldedparts.

Keywords:injectionmolding;processoptimum;volumetricshringkage

因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容

查看全文