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1、第20卷第2期高分子材料科学与工程Vol.20,No.22004年3月POL YM ER MA TER I AL S SC IENCE AND EN GI N EER I N GM ar.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X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CA E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L 9(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
2、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:TQ 320.66+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CA E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,
3、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CA E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。1CAE分析CA E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CA E分析设计方案时,
4、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1:5 Q5t+55x(Qvx)+55x(Qvy)=0(1)5p5x-55z(G5vx5z)=0(2)5p5y-55z(G5vy5z)=0(3)QCp(T)(5T5t+vx5T5x+vy5T5y)=55z(J(T)5T5z)+G Ca2(4)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
5、五”863项目资助(2002AA 336120)作者简介:王利霞(1969-),女,博士生,副教授.Email: 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.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Cross2WL F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中方程所描述的形式。1.2体收缩率体收缩率是聚合物
6、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:。V S hrin(t)=1-Q(t)Q(Troompatm)(5)其中,Q(t)=(12h)h-hQ(z,t)dz(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。Fig.1M odel
7、geometry2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CA E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35。这里采用TaguchiDOE技术来设计实验和计算各
8、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独立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CA E分析代替真实实验。选用制品内的体收缩率变化作为质量指标。数值实验结果见Tab.2。Tab.1Factors and levelsFact
9、orsLevel 1 Level 2 Level 3M elt temperature(A)215230245Mold temperature(B)455055Fill ti me(C)1.62.02.4Holding pressure ti me(D)810.012Tab.2Experi ments array and the resultsExperi2mentFactorABCDVolumetricshrinkagevariationSNratioofexperi ments111110.3937608.095362212220.5295735.521479313330.6392623.
10、886415421230.7474492.528369522310.3806148.390305623120.3398699.373769731320.5748784.808482832130.5534615.138263933210.28332110.954433471高分子材料科学与工程2004年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.Fig.2Factor effects on volumetric shrinkagevariation4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
11、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5。G=
12、-10 lg(1n)2ni=1y2i(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A 3B3C1D1。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。GA3B3C1D1=Gm+(GA 3-Gm)+(GB3-Gm)+(GC1-Gm)+(GD1-Gm)(8)式中:Gm9
13、个主实验的SN比的平均值;Gfi参数f的第i个水平的SN比。由式(8),对应于优化参数水平下的体收缩率变化的SN比是12.15546 dB,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实验验证。在优化工艺水平A 3B3C1D1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17.283026 dB,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
14、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。Tab.3ANOVA table for volumetric shrink-agevariationofinjectionmoldedpartsFactorDegreesoffreedomSumofsquaresFactor effect on volumetricshrinkage variation inthe part(%)A22.1884443.501936B212.98801320.783351C25.2399948.385011D242.07594167.329704Er
15、ror00Total862.4923901004.4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
16、时间也导致体收缩率变化增大。5结论571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 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.(1)CA E和TaguchiDOE结合成为有效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。参考文献:
17、1Chiang H H,Hieber C A,W ang K K.Polymer Engi2neering and Science,1991,31(2):116139.2 C2MOLD Filling and Post2Filling U sers Guide.Ad2vanced CAE Technology,1997.3Chang T C.Polymer Engineering and Science,2001,41(5):703710.4V ababt abinen O,J abrvel abP,Valta K,et al.Plastics,Rubber and Composites Pr
18、ocessing and Applications,1994,21(4):21217.5 L iu S J.Plastics,Rubber and Composites,2001,30(4):170174.INVESTIGATI ON OF THE INFLUENCE OF PROCESSING PARAM ETERON VOLUM ETRIC SHRINKAGE VARIATI ON OF PLASTICINJECTI ONMOLDED PARTS AND PROCESSOPTI M IZATI ONWAN G L i2xia,YAN G Yang,WAN G Bei,SHEN Chang2
19、yu(N ational Eng ineering R esearch Center f or A dvance Polym er P rocessingT echnology,Zhengzhou U niversity,Zhengzhou 450002,China)ABSTRACT:Getting opti mum process conditions is the key to i mprove the part quality.Shrink2age is one of several i mportant indexes determ ining the quality of injec
20、tion molded parts,andnon2uniform shrinkage in the cavity is a main cause of the part w arpage.In this paper,CA E andTaguchiDOE(design of experi ment)techniquew ere combined to investigate the influence of pro2cess conditions on the volumetric shrinkage variation in injection molded part and opti m i
21、ze theprocess conditions by using an industry product.A n L 9(34)orthogonal array design based on theTaguchimethodw as conducted to m ini m ize the volumetric shrinkage variation of injection2moldedparts and the significance of each factor on the volumetric shrinkage variation w as investigated.For
22、the factors selected in the main experi ments,holding pressure ti me and mold temperaturew ere found to be the principal factors affecting the volumetric shrinkage variation of the injectionmolded parts.Keywords:injection molding;process opti mum;volumetric shringkage671高分子材料科学与工程2004年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.