薄壳件注塑成型的计算机模拟及工艺参数优化
|
摘要
本文利用Moldflow有限元分析软件模拟了薄壁件注塑成型过程，对注塑工艺参数进行了优化。
利用Moldflow软件对宽浇口平板进行了变形分析的正交试验；对潜伏式浇口的手机外壳，先进行了浇口定位分析以及流动、保压、冷却分析，优化了浇口位置和成型工艺条件，然后进行了翘曲变形分析的正交试验。翘曲变形是整个注塑成型过程的综合反映，文中的变形分析以翘曲变形量作为质量指标，采用多因素正交试验的方法进行变形分析，获得了塑料(PC／ABS)在熔料温度、模具温度、注射时间、保压压力、保压时间、冷却时间六因素三水平下成型薄壁件的翘曲变形量。通过方差分析比较了不同工艺参数对翘曲变形量的影响程度，得到了优化的工艺参数组合。
文中还以正交试验得到的最优工艺参数组合为基准，只变动其中一个工艺参数，研究了单个工艺参数对翘曲变形量和体积收缩率的影响趋势和机理。论证了正交试验方法所得到的工艺参数组合使生产的薄壳制件翘曲量最小，从而为薄壳件的注塑工艺分析和模具设计提供了一种有效减小翘曲量的方法。
In this paper, the plastic injection processes of an injection-molded part with a thin shell feature have been simulated using the commercial software Moldflow. The injection molding conditions and factors have been optimized.
The warpage problem of a fan-gated rectangular part is simulated using the experimental design of Taguchi method. The injection processes of a submarine-gated mobile telephone cover are simulated. First, gate location analysis, flow analysis, packing analysis and cooling analysis are performed, and the gate position and the processing parameters are optimized. Then warpage analysis is performed using the experimental design of Taguchi method. The warpage is a comprehensive reflection of the whole course of plastic injection molding. Therefore, this paper regards the degree of warpage as the quality characteristic in warpage analysis. The warpage data are obtained under different molding conditions including melt temperature, mold temperature, filling time, packing pressure, packing time and cooling time. The warpage data are also analyzed using ANOVA. The results are used to compare the significance of each factors and obtain the optimum set of factors.
Furthermore, using the optimum set of effective factors obtained from the previous analysis, more simulations are carried out by changing one factor at a time and keeping the others at their optimum level, to investigate the effect of each factor on the warpage and the rate of volume shrinkage. Applying the experimental design of Taguchi is a quite effective method of deducing the optimum set of effective factors in injection molding to produce plastic parts with minimum warpage.
利用Moldflow软件对宽浇口平板进行了变形分析的正交试验；对潜伏式浇口的手机外壳，先进行了浇口定位分析以及流动、保压、冷却分析，优化了浇口位置和成型工艺条件，然后进行了翘曲变形分析的正交试验。翘曲变形是整个注塑成型过程的综合反映，文中的变形分析以翘曲变形量作为质量指标，采用多因素正交试验的方法进行变形分析，获得了塑料(PC／ABS)在熔料温度、模具温度、注射时间、保压压力、保压时间、冷却时间六因素三水平下成型薄壁件的翘曲变形量。通过方差分析比较了不同工艺参数对翘曲变形量的影响程度，得到了优化的工艺参数组合。
文中还以正交试验得到的最优工艺参数组合为基准，只变动其中一个工艺参数，研究了单个工艺参数对翘曲变形量和体积收缩率的影响趋势和机理。论证了正交试验方法所得到的工艺参数组合使生产的薄壳制件翘曲量最小，从而为薄壳件的注塑工艺分析和模具设计提供了一种有效减小翘曲量的方法。
In this paper, the plastic injection processes of an injection-molded part with a thin shell feature have been simulated using the commercial software Moldflow. The injection molding conditions and factors have been optimized.
The warpage problem of a fan-gated rectangular part is simulated using the experimental design of Taguchi method. The injection processes of a submarine-gated mobile telephone cover are simulated. First, gate location analysis, flow analysis, packing analysis and cooling analysis are performed, and the gate position and the processing parameters are optimized. Then warpage analysis is performed using the experimental design of Taguchi method. The warpage is a comprehensive reflection of the whole course of plastic injection molding. Therefore, this paper regards the degree of warpage as the quality characteristic in warpage analysis. The warpage data are obtained under different molding conditions including melt temperature, mold temperature, filling time, packing pressure, packing time and cooling time. The warpage data are also analyzed using ANOVA. The results are used to compare the significance of each factors and obtain the optimum set of factors.
Furthermore, using the optimum set of effective factors obtained from the previous analysis, more simulations are carried out by changing one factor at a time and keeping the others at their optimum level, to investigate the effect of each factor on the warpage and the rate of volume shrinkage. Applying the experimental design of Taguchi is a quite effective method of deducing the optimum set of effective factors in injection molding to produce plastic parts with minimum warpage.
引文
[1] 《塑料工业》编辑部．1996～1997年我国塑料工业进展[J]．1998，26(2)：79
[2] 张佑生，王永智．模具计算机辅助设计[M]．北京：机械工业出版社，1998
[3] 敖晖．金属粉末注射成形充模流动计算机模拟：[硕士学位论文]．长沙：中南大学，2002．2
[4] 陈曦．基于质量的注塑过程建模方法研究：[博士学位论文]．杭州：浙江大学，2001，8
[5] 李海梅，申长雨等．优化方法在注塑成型数值模拟中的应用[J]．机械设计，2000，10(10)：30
[6] 申长雨，李倩．橡塑模具优化设计技术[M]，北京：化学工业出版社，1997
[7] B.H.Lee, B.H.Kim. Optimization of part wall thicknesses to reduce warpage of injection-molded parts based on the modified complex method[J]. Polymer-plastics technology engineering, 1995,34(5):793
[8] B.H.Lee, B.H.Kim. Automated design for the runner systerm of injection molds based on packing simulation[J]. Polymer-plastics technology engineering, 1996,35(1):147
[9] B.H.Lee, B.H.Kim. Automated selection of gate location based on desired quality of injection-molded part[J]. Polymer-plastics technology engineering, 1996,35(2):253
[10] B.H.Lee, B.H.Kim. Variation of part wall thicknesses to reduce warpage of injection-molded part: robust design against process variability[J]. Polymer-plastics technology engineering, 1997,36(5):791
[11] 陈立周．工程稳健设计[J]．机械设计．1998，(7)：4
[12] 林旭东，王鹏驹．面罩镜片注塑制品及工艺条件对比优化设计[J]．塑料工艺，1997，6：73
[13] 董祥忠，林旭东．董杰，皇冠轿车前保险杠注塑模设计和熔体动态充模研究[J]．塑料工业，1997，5：72
[14] 项辉宇，孙胜．边界点集规划与注塑模具浇口位置的优化[J]．计算机辅助设计与图形学学报，2003，15(12)：1544-1548
[15] 郑生荣，辛勇等．注塑参数优化研究方法[J]．中国塑料．2003，17(4)：1-7
[16] 王德翔，刘来英等．基于人工神经网络技术的注塑成型工艺参数优化[J]．模具技术，2001，(6)：1-4
[17] 刘春太，肖长江等．基于遗传算法的注塑成型充模过程优化[J]．郑州大学学报，2002，23(4)：4-8
[18] 朱昱，黄国立等．基于遗传算法的注塑工艺优化设计[J]．机械设计与制造工程，2001，30(1)：13
[19] 郑生荣，辛勇等．基于混合神经网络与遗传算法方法的注塑参数优化[J]．计算机应用，2004，24(2)：92-94
[20] 王利霞，王蓓等．工艺参数对注塑制品质量的影响研究[J]．郑州大学学报，2003，24(3)：62-66
[21] Ming-Chih Huang, Ching-Chih Tai. The effective factors in the warpage problem of an injection-molded part with a thin shell feature[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2001, 110(1):1-9
[22] 金新明，朱学峰．用正交法研究注塑过程参数对产品质量的影响[J]．华南理工大学学报，2000，28(9)：77
[23] 王蓓，王利霞等．基于神经网络的注塑成型工艺优化[J]．塑料工业，2003，31(5)：31-34
[24] 傅沛福，谷诤巍．薄壳成型技术研究进展[J]．电加工与模具，2000(6)：1-4
[25] 梁汉琼．注塑制品薄壁化技术[J]．国外塑料，1996(3)：31-34
[26] 王志新，贺敏等．基于CAE技术对薄壁制作注射成型的分析研究[J]．汽车工艺与材料，2003(4)：28-30
[27] Y.K. Shen, J.J. Liu, et al. Comparison of the results for semisolid and plastic injection molding process[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2002, 29(1):97-105
[28] 马浩军，胡广洪等．利用Mold Flow软件分析解决注塑件翘曲问题[J]．模具技术，2002(5)：55-58
[29] 余卫东，陈建等．CAE技术在注塑成型过程中的应用[J]．第二届模具技术交流年会，2001
[30] 汤宏群，苏广才．Moldflow 在注塑成型中的应用[J]．广西大学学报，2003，28：62-63
[31] 陈戈，陈建．Moldflow的变形分析及其应用[J]，CAD/CAM与制造业信息化，2003(2)：151-152
[32] 郭志英．注塑制品翘曲变形数值模拟及实验研究：[硕士学位论文]．武汉：华中科技大学，2000
[33] 白新桂．数据分析与试验优化设计[M]．北京：清华大学出版社，1986
[34] R.Zheng, P.Kennedy, et al. Thermoviscoelastic simulation of thermally and pressure-induced stress in injection moulding for the prediction of shrinkage and warpage for fibre-reinforced thermoplastics[J]. Non-Newtonian Fluid Mech, 1999,84: 159-190
[35] 上海市科学技术交流站 组编．正交试验设计法[M]．上海：上海人民出版社，1975
[36] 曹宏深，赵仲治．塑料成型工艺与模具设计[M]．北京：机械工业出版社．1993
[37] 祝铁丽，王敏杰．注塑成型制品收缩率研究进展[J]．模具技术，2002(1)：10-12
[38] 万安民．注塑工艺条件与制件收缩的关系[J]．航天工艺，1996(1)：36-37
[39] 李伟，李荣勋等．CAE在注射模具缺陷分析中的应用与研究[J]．塑料，2000，29(6)：28-31
[40] 李海梅，刘永志等．注塑件翘曲变形的CAE研究[J]．中国塑料，2003，17(3)：53-58
[41] 郭志英，李德群．注塑制品翘曲变形的研究[J]．塑料科技，2001．141：22-24
[42] 李海梅，顾元宪等．注塑件的翘曲变形分析与成形尺寸预测[J]．中国机械工程，2002，13(10)：820-823
[43] 郭志英，李德群．注塑制品翘曲变形有限元数值模拟的误差分析[J]．华中理工大学学报，2000，28(8)：63-65
[2] 张佑生，王永智．模具计算机辅助设计[M]．北京：机械工业出版社，1998
[3] 敖晖．金属粉末注射成形充模流动计算机模拟：[硕士学位论文]．长沙：中南大学，2002．2
[4] 陈曦．基于质量的注塑过程建模方法研究：[博士学位论文]．杭州：浙江大学，2001，8
[5] 李海梅，申长雨等．优化方法在注塑成型数值模拟中的应用[J]．机械设计，2000，10(10)：30
[6] 申长雨，李倩．橡塑模具优化设计技术[M]，北京：化学工业出版社，1997
[7] B.H.Lee, B.H.Kim. Optimization of part wall thicknesses to reduce warpage of injection-molded parts based on the modified complex method[J]. Polymer-plastics technology engineering, 1995,34(5):793
[8] B.H.Lee, B.H.Kim. Automated design for the runner systerm of injection molds based on packing simulation[J]. Polymer-plastics technology engineering, 1996,35(1):147
[9] B.H.Lee, B.H.Kim. Automated selection of gate location based on desired quality of injection-molded part[J]. Polymer-plastics technology engineering, 1996,35(2):253
[10] B.H.Lee, B.H.Kim. Variation of part wall thicknesses to reduce warpage of injection-molded part: robust design against process variability[J]. Polymer-plastics technology engineering, 1997,36(5):791
[11] 陈立周．工程稳健设计[J]．机械设计．1998，(7)：4
[12] 林旭东，王鹏驹．面罩镜片注塑制品及工艺条件对比优化设计[J]．塑料工艺，1997，6：73
[13] 董祥忠，林旭东．董杰，皇冠轿车前保险杠注塑模设计和熔体动态充模研究[J]．塑料工业，1997，5：72
[14] 项辉宇，孙胜．边界点集规划与注塑模具浇口位置的优化[J]．计算机辅助设计与图形学学报，2003，15(12)：1544-1548
[15] 郑生荣，辛勇等．注塑参数优化研究方法[J]．中国塑料．2003，17(4)：1-7
[16] 王德翔，刘来英等．基于人工神经网络技术的注塑成型工艺参数优化[J]．模具技术，2001，(6)：1-4
[17] 刘春太，肖长江等．基于遗传算法的注塑成型充模过程优化[J]．郑州大学学报，2002，23(4)：4-8
[18] 朱昱，黄国立等．基于遗传算法的注塑工艺优化设计[J]．机械设计与制造工程，2001，30(1)：13
[19] 郑生荣，辛勇等．基于混合神经网络与遗传算法方法的注塑参数优化[J]．计算机应用，2004，24(2)：92-94
[20] 王利霞，王蓓等．工艺参数对注塑制品质量的影响研究[J]．郑州大学学报，2003，24(3)：62-66
[21] Ming-Chih Huang, Ching-Chih Tai. The effective factors in the warpage problem of an injection-molded part with a thin shell feature[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2001, 110(1):1-9
[22] 金新明，朱学峰．用正交法研究注塑过程参数对产品质量的影响[J]．华南理工大学学报，2000，28(9)：77
[23] 王蓓，王利霞等．基于神经网络的注塑成型工艺优化[J]．塑料工业，2003，31(5)：31-34
[24] 傅沛福，谷诤巍．薄壳成型技术研究进展[J]．电加工与模具，2000(6)：1-4
[25] 梁汉琼．注塑制品薄壁化技术[J]．国外塑料，1996(3)：31-34
[26] 王志新，贺敏等．基于CAE技术对薄壁制作注射成型的分析研究[J]．汽车工艺与材料，2003(4)：28-30
[27] Y.K. Shen, J.J. Liu, et al. Comparison of the results for semisolid and plastic injection molding process[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2002, 29(1):97-105
[28] 马浩军，胡广洪等．利用Mold Flow软件分析解决注塑件翘曲问题[J]．模具技术，2002(5)：55-58
[29] 余卫东，陈建等．CAE技术在注塑成型过程中的应用[J]．第二届模具技术交流年会，2001
[30] 汤宏群，苏广才．Moldflow 在注塑成型中的应用[J]．广西大学学报，2003，28：62-63
[31] 陈戈，陈建．Moldflow的变形分析及其应用[J]，CAD/CAM与制造业信息化，2003(2)：151-152
[32] 郭志英．注塑制品翘曲变形数值模拟及实验研究：[硕士学位论文]．武汉：华中科技大学，2000
[33] 白新桂．数据分析与试验优化设计[M]．北京：清华大学出版社，1986
[34] R.Zheng, P.Kennedy, et al. Thermoviscoelastic simulation of thermally and pressure-induced stress in injection moulding for the prediction of shrinkage and warpage for fibre-reinforced thermoplastics[J]. Non-Newtonian Fluid Mech, 1999,84: 159-190
[35] 上海市科学技术交流站 组编．正交试验设计法[M]．上海：上海人民出版社，1975
[36] 曹宏深，赵仲治．塑料成型工艺与模具设计[M]．北京：机械工业出版社．1993
[37] 祝铁丽，王敏杰．注塑成型制品收缩率研究进展[J]．模具技术，2002(1)：10-12
[38] 万安民．注塑工艺条件与制件收缩的关系[J]．航天工艺，1996(1)：36-37
[39] 李伟，李荣勋等．CAE在注射模具缺陷分析中的应用与研究[J]．塑料，2000，29(6)：28-31
[40] 李海梅，刘永志等．注塑件翘曲变形的CAE研究[J]．中国塑料，2003，17(3)：53-58
[41] 郭志英，李德群．注塑制品翘曲变形的研究[J]．塑料科技，2001．141：22-24
[42] 李海梅，顾元宪等．注塑件的翘曲变形分析与成形尺寸预测[J]．中国机械工程，2002，13(10)：820-823
[43] 郭志英，李德群．注塑制品翘曲变形有限元数值模拟的误差分析[J]．华中理工大学学报，2000，28(8)：63-65