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(bào)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(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。選擇注塑時(shí)間、保壓時(shí)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(jìn)行模擬，結(jié)合Design Expert軟件對(duì)方案結(jié)果進(jìn)行分析，利用回歸方程擬合預(yù)測(cè)值。得到了最優(yōu)工藝參數(shù)為：注塑時(shí)1.5ｓ，保壓時(shí)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(bào)警器在汽車(chē)領(lǐng)域有許多應(yīng)用，本課題研究的報(bào)警器在車(chē)速低于30km/h時(shí)，會(huì)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)引擎的聲音來(lái)提醒行人，屬于車(chē)輛低速報(bào)警器。通常報(bào)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(hù)其內(nèi)部系統(tǒng)不受腐蝕。基于此，注塑時(shí)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(lèi)零件的注塑過(guò)程中影響較大的工藝參數(shù)有保壓壓力、注射時(shí)間和保壓時(shí)間，其余參數(shù)影響較小。此外，對(duì)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(diǎn)和測(cè)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(cè)最優(yōu)參數(shù)組合；響應(yīng)面法精密度高、預(yù)測(cè)性能好，比較適合做工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[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(shí)間、保壓時(shí)間和保壓壓力對(duì)報(bào)警器上蓋翹曲變形的影響，通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)和產(chǎn)品測(cè)試證實(shí)了優(yōu)化結(jié)果的可靠性。
1 工藝分析
報(bào)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(hào)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(diǎn)，該種材料常用于電子電器設(shè)備中。
由圖１可以看出，報(bào)警器上蓋長(zhǎng)105ｍｍ，寬97ｍｍ，是典型的方盒件。在其注塑成型過(guò)程中，模具結(jié)構(gòu)是影響翹曲的關(guān)鍵因素之一，該報(bào)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(diǎn)澆口注塑。注塑過(guò)程中澆口尺寸過(guò)大會(huì)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(huì)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(diǎn)澆口注塑，設(shè)計(jì)了４個(gè)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(gè)方案對(duì)于產(chǎn)品性能的影響。各澆口尺寸對(duì)應(yīng)的翹曲量和剪切應(yīng)力如表１所示。
對(duì)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(guò)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(jì)變量和響應(yīng)目標(biāo)
工藝參數(shù)對(duì)不同類(lèi)型零件翹曲影響有差異，根據(jù)前文分析，在報(bào)警器上蓋成型優(yōu)化中，挑選注射時(shí)間Ａ、保壓時(shí)間Ｂ和保壓壓力Ｃ３個(gè)參數(shù)作為優(yōu)化對(duì)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(shí)間為0.5～1.5ｓ，保壓時(shí)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(jì)方法相互聯(lián)系，根據(jù)試驗(yàn)方案的樣本點(diǎn)，建立試驗(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)方法，CCD會(huì)選出超出參數(shù)范圍的樣本點(diǎn)，可以更好地?cái)M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(jì)方法（CCD）進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)Design Expert中的CCD設(shè)計(jì)方案，試驗(yàn)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(diǎn)。
將參數(shù)范圍輸入到Design Expert軟件中，生成CCD設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，表４所示為試驗(yàn)方案和翹曲量（響應(yīng)值）結(jié)果。
３試驗(yàn)結(jié)果分析
３.1回歸方程擬合
基于表４的樣本點(diǎn)和響應(yīng)結(jié)果，采用二階方程擬合翹曲量Ｄ與注射時(shí)間Ａ、保壓時(shí)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(cè)翹曲響應(yīng)值，圖２為報(bào)警器上蓋翹曲的預(yù)測(cè)值和實(shí)際模擬值的離散對(duì)比圖，以翹曲量實(shí)際值作為離散點(diǎn)。由圖２可知，預(yù)測(cè)值與實(shí)際模擬值較為接近，由此說(shuō)明該響應(yīng)面模型的準(zhǔn)確度較高，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)報(bào)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(guò)響應(yīng)曲面圖來(lái)觀測(cè)因素之間對(duì)目標(biāo)的影響。圖３為響應(yīng)模型的三維曲面，反映了３個(gè)因素交互作用對(duì)翹曲量的影響。由圖3(a)可以看出，當(dāng)保壓時(shí)間Ｂ不變時(shí)，翹曲量隨著注射時(shí)間的減小有所降低，因?yàn)樽⑸渌俾试龃螅梢詼p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(shí)間Ａ和保壓時(shí)間Ｂ不變時(shí)，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(bǔ)料充足，從而減少收縮和翹曲［９］，響應(yīng)曲面的趨勢(shì)和實(shí)際預(yù)測(cè)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(duì)響應(yīng)值的影響越顯著，Ｐ值小于0.05時(shí)表明為顯著項(xiàng)，大于0.1時(shí)為非顯著項(xiàng)。由此可以判斷，Ａ，Ｂ，Ｃ，ＡＢ，ＡＣ和Ａ２為顯著項(xiàng)，其余為非顯著項(xiàng)。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(shuō)明只有5.4％的響應(yīng)值不能用此模型來(lái)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(yàn)結(jié)果驗(yàn)證
４.1模擬驗(yàn)證
以最小翹曲量為期望目標(biāo)，通過(guò)Design Expert軟件可以預(yù)測(cè)報(bào)警器上蓋的最優(yōu)工藝參數(shù)，即注射時(shí)間為1.5ｓ，保壓時(shí)間為9.6ｓ，保壓壓力為70MPa，翹曲量的預(yù)測(cè)值為0.4092 mm。重新利用Moldflow軟件對(duì)該組合進(jìn)行仿真分析，模擬的翹曲結(jié)果為0.4112ｍｍ，與優(yōu)化的預(yù)測(cè)值較為接近，說(shuō)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(duì)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(yàn)證
為了驗(yàn)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(bào)警器上蓋，圖５為試生產(chǎn)的樣品。經(jīng)過(guò)三維尺寸測(cè)量，產(chǎn)品實(shí)際翹曲變形與模擬結(jié)果相似。同時(shí)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(jìn)行-40～＋105℃、60min的溫度循環(huán)，隨后浸入40℃水中進(jìn)行防水測(cè)試，結(jié)果顯示無(wú)泄漏，說(shuō)明經(jīng)過(guò)溫度循環(huán)后產(chǎn)品沒(méi)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(yǔ)
課題組對(duì)報(bào)警器上蓋的注塑方案進(jìn)行分析，對(duì)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(jì)響應(yīng)面優(yōu)化方案，結(jié)合前人分析經(jīng)驗(yàn)，選擇注射時(shí)間、保壓時(shí)間和保壓壓力進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，期望減少產(chǎn)品翹曲，通過(guò)回歸模型的預(yù)測(cè)得到了最優(yōu)工藝參數(shù)組合：注射時(shí)間為1.5s，保壓時(shí)間為9.6s，保壓壓力為70MPa。利用Moldflow對(duì)最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行模擬，結(jié)果證明優(yōu)化后的產(chǎn)品翹曲降低了15％。同時(shí)，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(cè)量結(jié)果符合預(yù)期。經(jīng)過(guò)測(cè)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(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的可靠性。
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