趙毅，劉淑梅∗，潘泓誼
（上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海 201620）
摘要：為降低某報警器上蓋注塑的翹曲變形，課題組在分析不同尺寸澆口的翹曲量和剪切力結(jié)果后，選用了較優(yōu)的１.３ｍｍ澆口。在此基礎(chǔ)上建立了響應(yīng)面方案，對工藝參數(shù)進行優(yōu)化。選擇注塑時間、保壓時間和保壓壓力為優(yōu)化參數(shù)，以翹曲量為響應(yīng)目標(biāo)，利用Moldflow進行模擬，結(jié)合Design Expert軟件對方案結(jié)果進行分析，利用回歸方程擬合預(yù)測值。得到了最優(yōu)工藝參數(shù)為：注塑時1.5ｓ，保壓時間9.6ｓ，保壓壓力70MPa。根據(jù)最優(yōu)方案獲得了合格的產(chǎn)品，證明了優(yōu)化結(jié)果的可靠性。
關(guān)鍵詞:注塑成型；翹曲；響應(yīng)面法；Moldflow；Design Expert
報警器在汽車領(lǐng)域有許多應(yīng)用，本課題研究的報警器在車速低于30km/h時，會模擬發(fā)動機引擎的聲音來提醒行人，屬于車輛低速報警器。通常報警器殼體為注塑件，殼體內(nèi)部裝載電子系統(tǒng)，因此殼體上蓋需要與底座緊密配合，確保良好的密封性，以保護其內(nèi)部系統(tǒng)不受腐蝕。基于此，注塑時盡量減少翹曲以降低尺寸誤差。王桂龍等[1-3]發(fā)現(xiàn)在蓋類零件的注塑過程中影響較大的工藝參數(shù)有保壓壓力、注射時間和保壓時間，其余參數(shù)影響較小。此外，對于工藝參數(shù)的優(yōu)化，響應(yīng)面法可以根據(jù)參數(shù)指定范圍內(nèi)的樣本點和測試結(jié)果，擬合目標(biāo)和參數(shù)的線性回歸方程，根據(jù)方程預(yù)測最優(yōu)參數(shù)組合；響應(yīng)面法精密度高、預(yù)測性能好，比較適合做工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計[4-5]。課題組結(jié)合前人的研究成果，在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上建立響應(yīng)面方案，研究注射時間、保壓時間和保壓壓力對報警器上蓋翹曲變形的影響，通過實際生產(chǎn)和產(chǎn)品測試證實了優(yōu)化結(jié)果的可靠性。
1 工藝分析
報警器上蓋的結(jié)構(gòu)如圖１所示，所用材料為PBT+PC，含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的玻纖，牌號為Pocan B 7616。由于具有優(yōu)良的耐熱性能、電氣性能和阻燃性能以及吸水率低的優(yōu)點，該種材料常用于電子電器設(shè)備中。
由圖１可以看出，報警器上蓋長105ｍｍ，寬97ｍｍ，是典型的方盒件。在其注塑成型過程中，模具結(jié)構(gòu)是影響翹曲的關(guān)鍵因素之一，該報警器上蓋形狀規(guī)則，尺寸居中，出于模具成本考慮，采用單澆口，結(jié)合Moldflow的澆口位置分析，最終選用中心點澆口注塑。注塑過程中澆口尺寸過大會導(dǎo)致熔料各向異性增大，垂直料流方向的收縮率變大；澆口尺寸太小會導(dǎo)致澆口處的剪切速率和剪切應(yīng)力變大，導(dǎo)致塑料斷層，影響產(chǎn)品性能［６］。課題組采用點澆口注塑，設(shè)計了４個澆口尺寸，分別為1.0，1.3，1.5和2.0 ｍｍ。采用相同的工藝參數(shù)仿真模擬，觀察４個方案對于產(chǎn)品性能的影響。各澆口尺寸對應(yīng)的翹曲量和剪切應(yīng)力如表１所示。
對比發(fā)現(xiàn)，采用1.0和1.3ｍｍ澆口產(chǎn)生的翹曲較小，但根據(jù)材料注塑性能，材料允許的最大剪切應(yīng)力為0.4 MPa，1.0ｍｍ澆口的剪切應(yīng)力為0.416 MPa，超過了臨界值，所以考慮選用1.3ｍｍ澆口尺寸。
２基于響應(yīng)面法的參數(shù)優(yōu)化
２.1設(shè)計變量和響應(yīng)目標(biāo)
工藝參數(shù)對不同類型零件翹曲影響有差異，根據(jù)前文分析，在報警器上蓋成型優(yōu)化中，挑選注射時間Ａ、保壓時間Ｂ和保壓壓力Ｃ３個參數(shù)作為優(yōu)化對象，翹曲量Ｄ作為響應(yīng)值。由成型窗口分析的質(zhì)量填充發(fā)現(xiàn)，在0.3～2.8ｓ內(nèi)可以完成注塑，因此選取注射時間為0.5～1.5ｓ，保壓時間為4.0～12.0ｓ，保壓壓力為50～70MPa。各工藝參數(shù)的取值范圍如表２所示。
2.2建立響應(yīng)面方案
響應(yīng)面法（RSM）是一種將數(shù)學(xué)方法和統(tǒng)計方法相互聯(lián)系，根據(jù)試驗方案的樣本點，建立試驗變量與響應(yīng)值之間函數(shù)關(guān)系的方法。響應(yīng)面法有BBD（box behnken）和CCD（central composite design）兩種試驗設(shè)計方法，CCD會選出超出參數(shù)范圍的樣本點，可以更好地擬合響應(yīng)曲面[7-8]。因此課題組采用中心復(fù)合響應(yīng)面設(shè)計方法（CCD）進行優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)Design Expert中的CCD設(shè)計方案，試驗因素水平表如表３所示，－α和＋α分別表示各因素超出上下限范圍的樣本點。
將參數(shù)范圍輸入到Design Expert軟件中，生成CCD設(shè)計方案并進行試驗?zāi)M，表４所示為試驗方案和翹曲量（響應(yīng)值）結(jié)果。
３試驗結(jié)果分析
３.1回歸方程擬合
基于表４的樣本點和響應(yīng)結(jié)果，采用二階方程擬合翹曲量Ｄ與注射時間Ａ、保壓時間Ｂ和保壓壓力Ｃ之間的回歸模型，公式為
D=0.424+0.142A+0.013B+5.353×10-4C+3×10-3AB-1.9×10-3AC-1.437×10-4BC-0.021A2-3.339×10-4B2-7.745×10-6C2? (1)
Design Expert可以根據(jù)擬合的回歸方程預(yù)測翹曲響應(yīng)值，圖２為報警器上蓋翹曲的預(yù)測值和實際模擬值的離散對比圖，以翹曲量實際值作為離散點。由圖２可知，預(yù)測值與實際模擬值較為接近，由此說明該響應(yīng)面模型的準(zhǔn)確度較高，可以準(zhǔn)確預(yù)測報警器上蓋的翹曲量。
３.2響應(yīng)曲面分析
為了更直觀地分析因素之間的交互作用，通過響應(yīng)曲面圖來觀測因素之間對目標(biāo)的影響。圖３為響應(yīng)模型的三維曲面，反映了３個因素交互作用對翹曲量的影響。由圖3(a)可以看出，當(dāng)保壓時間Ｂ不變時，翹曲量隨著注射時間的減小有所降低，因為注射速率增大，可以減少殘余應(yīng)力的堆積。由圖3(b)和3(c)可以看出，當(dāng)注射時間Ａ和保壓時間Ｂ不變時，翹曲量隨著保壓壓力Ｃ的增大而減少，是由于保壓壓力高可以使補料充足，從而減少收縮和翹曲［９］，響應(yīng)曲面的趨勢和實際預(yù)測基本一致。
表５為翹曲量響應(yīng)模型的方差分析表。其中，模型Ｐ值越小代表模型對響應(yīng)值的影響越顯著，Ｐ值小于0.05時表明為顯著項，大于0.1時為非顯著項。由此可以判斷，Ａ，Ｂ，Ｃ，ＡＢ，ＡＣ和Ａ２為顯著項，其余為非顯著項。此外，模型相關(guān)系數(shù)Ｒ２＝87.3％，表明響應(yīng)面模型的擬合程度良好，校正系數(shù)為94.6％，說明只有5.4％的響應(yīng)值不能用此模型來解釋。本模型的信噪比為22.42（大于４即是合理的），證明模型的分辨能力良好[10]。
４試驗結(jié)果驗證
４.1模擬驗證
以最小翹曲量為期望目標(biāo)，通過Design Expert軟件可以預(yù)測報警器上蓋的最優(yōu)工藝參數(shù)，即注射時間為1.5ｓ，保壓時間為9.6ｓ，保壓壓力為70MPa，翹曲量的預(yù)測值為0.4092 mm。重新利用Moldflow軟件對該組合進行仿真分析，模擬的翹曲結(jié)果為0.4112ｍｍ，與優(yōu)化的預(yù)測值較為接近，說明最優(yōu)參數(shù)組合的選取比較合理。圖４為工藝參數(shù)優(yōu)化前后的最大翹曲量對比。由圖４可以看出，與最初方案的翹曲量０.4861ｍｍ相比，優(yōu)化后的翹曲量降低了１5％。
4.2生產(chǎn)驗證
為了驗證優(yōu)化結(jié)果的可靠性，采用最優(yōu)工藝參數(shù)組合生產(chǎn)報警器上蓋，圖５為試生產(chǎn)的樣品。經(jīng)過三維尺寸測量，產(chǎn)品實際翹曲變形與模擬結(jié)果相似。同時優(yōu)化的目的是提高上蓋與底座配合的可靠性，將產(chǎn)品與底座裝配后進行-40～＋105℃、60min的溫度循環(huán)，隨后浸入40℃水中進行防水測試，結(jié)果顯示無泄漏，說明經(jīng)過溫度循環(huán)后產(chǎn)品沒有出現(xiàn)較大變形，仍具有良好的防水性，由此判定產(chǎn)品質(zhì)量合格。
５結(jié)語
課題組對報警器上蓋的注塑方案進行分析，對比不同尺寸澆口的翹曲量和剪切應(yīng)力，后采用了1.3mm澆口，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品翹曲小，剪切應(yīng)力適中。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計響應(yīng)面優(yōu)化方案，結(jié)合前人分析經(jīng)驗，選擇注射時間、保壓時間和保壓壓力進行參數(shù)優(yōu)化，期望減少產(chǎn)品翹曲，通過回歸模型的預(yù)測得到了最優(yōu)工藝參數(shù)組合：注射時間為1.5s，保壓時間為9.6s，保壓壓力為70MPa。利用Moldflow對最優(yōu)工藝參數(shù)進行模擬，結(jié)果證明優(yōu)化后的產(chǎn)品翹曲降低了15％。同時，將最優(yōu)工藝參數(shù)組合用于指導(dǎo)樣品生產(chǎn)，得到的產(chǎn)品尺寸測量結(jié)果符合預(yù)期。經(jīng)過測試產(chǎn)品溫度循環(huán)和防水性能，確認(rèn)產(chǎn)品質(zhì)量合格，驗證了優(yōu)化結(jié)果的可靠性。
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