塑料插座面板的模流分析及参数优化分析

摘 要：

将生活中常见的塑料插座面板作为主要研究分析的对象，利用模流分析软件对产品注塑过程中的翘曲变形进行分析，得出引起翘曲变形的主要原因。选取模具表面温度、熔体温度、冷却时间、保压压力、保压时间为影响因素，进行三水平五因素的正交试验优化，通过方差和极差结果的分析，得出各个因素对翘曲变形的影响规律。试验结果表明，最佳的工艺参数组合为熔体温度317 ℃，模具表面温度94 ℃，冷却时间25 s，保压压力161 Pa，保压时间7 s。对最佳工艺参数组合再次进行分析验证，翘曲值明显降低，这一结果为生产实际中的注塑工艺参数设置提供了参考。

引言

塑料具有质量小、化学性能稳定、价格便宜、易加工成型等优点，因此在汽车制造、家用电器和办公用品等领域得到了广泛应用。而塑料制品的生产又离不开塑料模具，因此近年来塑料模具也得到了飞速发展。塑料模具的设计和塑料成型工艺参数的设置对于塑料产品的质量、生产效率等影响巨大。注塑成型加工过程包含模具设计与制造、原材料选择与处理、成型工艺设置等，并且与加工环境、后处理等密切相关，因此注塑产品难免会出现各种缺陷，如飞边、气泡、缩痕、翘曲变形等。近年来，CAE软件发展迅速，相关功能进一步扩充，性能也得到了大幅度提高。在产品的设计研发阶段，运用模流分析软件能够帮助设计人员改善模具结构、优化工艺参数设置，让模具设计人员从成型工艺的角度，调整产品形状结构，选择适当的产品材料，同时分析制造过程中可能出现的问题，从而达到不断降低研发成本、提高生产效率、缩短模具研发周期的目的[1-2]。

王昶等人[3]通过对比三种不同浇口的浇注方案，仿真模拟不同浇口情况下的注塑情况，优化了注塑工艺参数；谭锋等人[4]通过分析不同浇口位置选择对塑件质量的影响，总结了浇口选择的原则，为注塑模具的设计提供了依据；吴凌云[5]利用BP神经网络对塑料产品的最大翘曲值进行了预测，从而提高了生产制造的效率。

为了进一步研究塑料制件在注塑过程中产生翘曲变形的主要原因，优化工艺参数，本文以生活中常见的塑料插座面板为主要研究对象，模拟仿真产品的注塑过程，分析塑料产品出现缺陷的原因，从而提前优化加工工艺参数，改善模具结构，缩短研发周期，提高生产制造效率[6-7]。下面利用模流分析软件对塑料插座面板在默认的工艺参数条件下进行仿真分析，并选取模具表面温度、熔体温度、冷却时间、保压压力、保压时间5个影响因素进行正交试验，得到最佳工艺参数组合。最后对得到的工艺参数组合进行分析验证，由验证结果可知，采用最佳工艺参数组合有效减少了产品缺陷，提高了产品质量。

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产品建模

利用三维建模软件UG NX对插座面板进行建模，模型如图1所示。其中，产品长×宽×高=86 mm×86 mm×5 mm，面板厚度为1 mm，体积为8 666 mm3，该模型属于小型塑料产品。

2

模流分析前准备

2.1

划分网格

首先通过三维建模软件将之前生成的插座模型导出成STL格式文件，之后将STL文件导入模流分析软件。导入过程中，网格类型选择双层面网格，之后进行网格划分，其中网格边长为1.80 mm。网格划分完成后，通过网格统计命令查看网格信息，其中匹配百分比为97.9%，相互百分比为99.6%，匹配效果较好。纵横比最大值为3.32，平均值为1.49，最小值为1.16，网格适合双层面分析。

2.2

寻找最佳浇口位置

将分析序列设置为浇口位置，分析找出插座面板注塑时的最佳浇口位置，如图2所示，红色圆圈部分为最佳浇口位置[8]。由于插座面板的体积小，市场需求大，为了满足生产实际需求，同时提高生产效率，故采用一模两腔的浇注系统。考虑到本方案采用一模两腔的模具设计以及插座外观设计的需求，选取插座外壳蓝色区域为进胶口，即图2中红色圆圈部分。

2.3

创建浇注系统

注塑模具的浇注系统通常包括主流道、分流道及浇口，选取图2插座的圆圈部分作为浇口，创建冷流道浇注系统。其中浇口形式为冷浇口，浇口长度为3 mm，形状为圆形非锥体，始端直径为2 mm，末端直径为5 mm；分流道为圆柱形，直径为5 mm；主流道长度为50 mm，形状为圆形非锥体，始端直径为3 mm，末端直径为5 mm。

2.4

创建冷却系统

设计合理的冷却水管，可以有效降低产品的翘曲值，改善产品外观。由于插座产品体积比较小，无须采取大直径的水管，因此水管直径设置为8 mm。水管对称分布在插座的上下部分，沿X方向排布，水管数量为4根，水管之间的中心距为30 mm，水管超出零件20 mm，选择25 ℃的纯净水作为冷却介质。利用模流分析软件中的几何建模工具，按要求的规格尺寸创建冷却系统。

3

模流分析

插座外壳的材料采用聚碳酸酯（PC），牌号选择Lexan 105。系统给出了该材料的推荐工艺参数，其中模具表面温度为104 ℃，熔体温度为307 ℃。选择“冷却+填充+保压+翘曲”的分析序列，采用系统默认的材料加工工艺参数，即模具表面温度为104 ℃，熔体温度为307 ℃，冷却时间为20 s，同时在工艺设置中选择分析翘曲原因，图3为翘曲变形的分析结果。

从图3可以看出，产品总翘曲变形值为0.744 3 mm，由冷却不均引起的翘曲变形值为0.007 4 mm，由收缩不均引起的翘曲变形值为0.743 9 mm，由取向效应引起的翘曲变形值为1×10-8 mm，因此收缩不均是引起翘曲变形的主要原因。

4

正交试验参数优化分析

4.1

正交试验设计

引起收缩不均的因素有很多，如熔体温度、模具表面温度、充填压力、保压压力、充填时间、保压时间等。为了进一步研究引起翘曲变形的因素，采用正交试验法，选取熔体温度、模具表面温度、冷却时间、保压压力、保压时间5个参数，并设计如表1所示的L18（35）正交因素水平表[9-11]。

4.2

正交试验结果分析

利用上述正交因素水平表，结合正交试验法的相应原则，得出一个三水平五因素的正交试验表，修改相应的注塑工艺参数，最后分析得出不同参数组合下的翘曲变形值，如表2所示。

对表2所得到的结果进行处理，可以得出相应的极差和均值。极差R越大，则表示该因素对翘曲值的影响越大。因此，分析表2可以得到影响翘曲变形的因素由小到大依次为：冷却时间＜模具表面温度＜保压时间＜保压压力＜熔体温度。 为了更好地研究各工艺参数对翘曲值的影响情况，把工艺参数作为横坐标，翘曲值作为纵坐标绘制如图4所示的折线图。

从图4可以看出，熔体温度、冷却时间、保压压力与插座面板零件的翘曲变形值成反比，而模具表面温度、保压时间与插座面板零件的翘曲变形值成正比，因此可以得出最佳工艺参数组合为A3B1C3D3E1，即熔体温度317 ℃，模具表面温度94 ℃，冷却时间25 s，保压压力161 Pa，保压时间7 s。

为使上述得出的结论更加准确，还需要进行方差分析，表3为方差分析的结果。当显著性P＜0.01时，说明该因素对翘曲变形有高度显著性影响；当P＜0.05时，说明该因素对翘曲变形有显著性影响。因此，可以得出如下结论：熔体温度、保压压力对翘曲变形有高度显著性影响。F值越大，说明该因素对翘曲变形的影响越大，因此影响翘曲变形的因素由小到大依次为：冷却时间＜模具表面温度＜保压时间＜保压压力＜熔体温度，该方差分析结果与极差分析结果一致，证明可信度比较高。

5

最佳参数组合分析再验证

结合正交试验分析的结果，翘曲变形的最佳工艺参数组合为A3B1C3D3E1，即熔体温度317 ℃，模具表面温度94 ℃，冷却时间25 s，保压压力161 Pa，保压时间7 s。利用模流分析软件对得到的最佳工艺参数进行模拟分析，得到如图5所示的分析结果，从结果可以看出，产品的最大翘曲值为0.477 5 mm，比初始分析中的翘曲值减小了约35.85%，说明翘曲变形的优化效果明显，产品质量得到明显提升。

6

结论

（1）对插座面板零件采用一模两腔的注塑方案，在系统推荐的工艺参数条件下进行模流仿真分析，得到总翘曲变形值为0.744 3 mm。

（2）为了分析影响翘曲变形的主要因素，选取熔体温度、模具表面温度、冷却时间、保压压力、保压时间5个因素，建立三水平五因素的正交试验方案，并进行极差和方差计算。根据计算结果，得到影响翘曲变形值的最佳参数组合为：熔体温度317 ℃，模具表面温度94 ℃，冷却时间25 s，保压压力161 Pa，保压时间7 s。

（3）对得到的最佳参数组合重新进行模流分析，则新参数条件下的翘曲变形值为0.477 5 mm，比默认参数条件下的翘曲变形值减小了约35.85%，翘曲变形优化效果明显，有效减小了零件变形。

审核编辑：刘清