1、基于 Taguchi 实验设计法 CAE 技术优化注塑成型工艺参数基于 Taguchi 实验设计法 CAE 技术优化注塑成型工艺参数 上海塑料2007 年第 3 期(总第 139 期)基于 Taguchi 实验设计法 CAE 技术优化注塑成型工艺参数黄娜斌,江波,张志莲,李翱(北京化工大学机电工程学院,北京 100029)摘要:收缩,沉降斑和残余应力是衡量注塑制品性能和表面质量的重要指标 .将CAE 与 DOE(designofexperiment)技术相结合,可在较少的分析次数下获得优化工艺,从而改善制品质量.文中基于一个工业产品,在(3)正交试验设计与 Moldflow 模拟分析的基础上,
2、研究工艺参数对注塑制品体积收缩率变化,沉降斑指数和残余应力的影响,获得优化工艺参数,使体积收缩率变化,沉降斑指数和残余应力达到最小.关键词:注塑成型;CAE;工艺优化;TaguchiDOE 技术中图分类号:rQ320.66+3 文献标识码:A 文章编号:1009 5993(2007)030028040 前言注塑成型是重要的塑料制品成型方式.制品的质量受到许多因素的影响.这些因素有:与模具设计和冷却管道设计有关的几何参数,材料性能参数以及在充填,保压和冷却过程中的工艺参数等.CAE 技术的出现,可通过对成型过程工艺的计算机模拟,及早发现不合理的工艺设置,修改参数,并最终获得无明显缺陷的注塑制品.
3、但目前 CAE 技术的应用只是在计算机上的反复试错,依赖于设计者的经验,费时,费力,且难以获得最优化工艺.而 CAE 技术与 DOE 技术的结合,可方便实现工艺的优化.本文结合 CAE 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.基于一个工业产品,采用 TaguchiDOE 技术设计实验;利用注射模 CAE 软件 Mold/low 对注射成型充填/后充填过程进行数值模拟;结合 CAE 模拟;分析结果,优化工艺参数,以降低制品的收缩率变化,沉降斑指数和残余应力.收稿日期:20070322作者简介:黄娜斌(1981 一),男,硕士生.一281 实验设计 DOE 技术DOE 是
4、研究实验数据的获得和科学地分析处理实验数据与结果的一种方法-3.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;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.目前应用较多的是正交实验设计方法,通过正交试验的极差分析和模糊加权综合评价方法得出较优的参数组合.2 注塑成型 CAE 数值模拟分析2.1 控制方程本文以非牛顿流体在非等温下的广义 HeleShaw 流动作为研究对象,建立的注塑成型充后充填过程压力控制方程是二维的;而温度场控制方程仍然保持三维的数学模型4j.(1)连续性方程+()+y(pVy)=0(1)(2)动量方程一啬(7 警)=0(
5、2)一啬(鲁)=0(3)(3)能量方程基于 Taguchi 实验设计法 CAE 技术优化注塑成型工艺参数 上海塑料2007 年第 3 期(总第 139 期)p(T)【箬+】:善(Ij()+叼(4)dzdz(4)本构方程=卵()(5)式中:p 为压力,为温度,P 为密度,C(T)为比热,k(T)为热传导率,为剪切粘度 ,为剪切速率.剪切粘度采用 CrossWLF 粘度模型:叼?,c,Pc6叼 o(,):10TPBexp()exp()(7)叼 o(,)=)(7)式中:t0 为零剪切应力,/Z 为非牛指数,r/o 为零剪切粘度,和为材料物性常数.2.2 材料选用以及参数与优化指标的确定本研究实验产品
6、几何模型及浇 1:3,冷却设置,如图 l 所示.(a)注塑件有限元网格划分模型(b)浇口形式及冷却水道设置模型图 1 注塑件模型Fig.1ModelofInjectionmoldedpart选用的材料牌号为 PP(GenericEstimates),材料为 CMOLDGenericEstimates 公司生产的结晶性聚合物 PP,其流动指数为 20g/10min,玻璃化转变温度为 135oC.性能参数,如表 1 所示.选择填充/后填充过程中的主要工艺参数作为实验因子,并配置好相应的参数水平.具体的实验因素和因素水平,见表 2.表 1PP 的性能参数Tab.1Propertyparameters
7、ofPPmaterial材料性能参数值导热系数/W?(m?)0比热容/J/(kg?)熔体密度/(kg?m0)推荐注塑温度/()推荐顶出温度/()推荐模具温度/()最大剪切应力/MPa最大剪切率/(s0)表 2 因子和水平设置Tab.2FactorsandlevelsintheTaguchidesign2.3CAE 模拟分析结果体积收缩率 l5_6J 是聚合物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积收缩率是引起制品翘曲的主要原因.型腔中制品的体积收缩率变化(体积收缩率最大值和最小值的差值)越小越好,即制品的体积收缩率
8、越均匀越好.制品中的残余应力-6J 主要是由充模或保压过程中剪应力作用的结果;也可能由于零件不同部位冷却速率不同引起的.残余应力过大会使零件扭曲或过早失效.沉降指数 lJ 反映制品的表面质量;沉降斑被视为制品表面质量的退化.沉降指数用于说明沉降深度受材料,零件几何特征,充模成型条件影响的严重程度.平均体积收缩率和残余应力反映制品的性能指标;沉降指数反映制品的表面指标.本模拟提取体积收缩率变化,沉降斑指数和残余应力作为制品的评价指标;选用模具温度,熔体温度,注射压力和注射时间 4 个工艺参数作为实验因子,并配置好相应的参数水平.采用 CAE 进行一29 一:穹啪3o一一瑚.-$5-Taguchi
9、 实验设计法 CAE 技术优化注塑成型工艺参数上海塑料2007 年第 3 期(总第 139 期)模拟分析,数值模拟得到的结果和基于四参数三水平的正交矩阵,见表 3.根据表 3 所获得的实验数据,分析各个因素水平对收缩率和翘曲度的影响,如图 2 所示.表 3 实验正交矩阵及实验结果Tab.3Experimentarrayandtheresults实因素水平设置体积验收缩率沉降斑残余变化/深度/应力(%)/MPa 号 ABCD(%)lllll5.060.3023.732l222l0.052.2532.993l3334.410.2023.6742l23l1.282.9533.085223l5.740
10、.5623.71623l25.170.5723.6673l326.2l1.0523.80832l37.781.0927.489332ll2.234.7934.41体 Kll6.5l7.526.007.68积 K2l7.407.86l】.197.14收缩 K3l8.747.275457.82蛊 Rl2.230.595.740.68Kl20.921.440.661.89沉 K22l361.303.331.29降斑 K322.3l1.860.611.4lR21.390.562.720.47残Kl326.8o26.8724.9527.28余 K2326.8228.0633.4926.81应 K3328
11、5627.2523.7328.08 力R31.761.199.771.27说明:x 在某个工艺参数第 i 个水平下的第个质量指标的平均值代表某个工艺参数影响下第个质量指标的极差;=1,2,3 代表三个水平;=1,2,3 分别代表体积收缩,沉降斑和残余应力质量指标.,121000褂 4嫖 20量.羹 z萋03O 一因素水平(a)对体收缩率变化的影响因素水平(b)对沉降斑的影响因素水平(C)对残余应力的影响图 2 各个因素对质量指标的影响Fig.2Influenceoffactorsonvolumetricshrinkage.sinkmarkandresidualstress3 结果与分析3.1
12、工艺参数对体收缩率变化的影响由图 2(a)可得出如下结论:(1)填充时间对体积收缩率变化影响最大,在填充时间的变化过程中将会出现体积收缩率变化的一个峰值.因此,应尽量合理设置填充时间,避免其接近于峰值所对应的填充时间.(2) 熔体温度对体积收缩率的影响也较强,熔体温度越高,体积收缩率变化越高.(3)模具温度和保压压力对体积收缩率的影响较弱.3.2 工艺参数对沉降斑的影响图 2(b)给出各因子对沉降斑的影响:(1) 与体积收缩率变化相似,填充时间对沉降斑影响最大,在填充时间的变化过程中沉降斑深度出现一个峰值.(2)熔体温度对沉降斑的影响也较强,熔体温度越高,沉降斑深度越大.(3)模具温度升高导致
13、沉降斑深度增大.(4) 在浇口凝固前保压压力增加,则沉降斑深度变小.3.3 工艺参数对残余应力的影响图 2(C)给出各因子对制品残余应力的影响:(1)填充时间对沉降斑影响最大,在填充时间的变化过程中沉降斑深度出现一个峰值.(2)熔体温度对残余应力有一定的影响,熔体温度越高,残余应力越大.(3) 模具温度和保压压力对体积收缩率的影响较弱.3.4 工艺参数优化从图 2 可看出:使体积收缩变化最小的参数水平组合为 A1B3c3D2;使沉降斑指数最小的参数水平组合为 A1B2c3D2;使残余应力最小的参数水平组合为 A1B1C3D2.对多个质量指标进行优化,根据各个质量指标的重要性和各个工艺参数对质量
14、指标的影响程度进行综合评判,得出制品总体质量废聚苯乙烯催化热裂解制苯乙烯的研究上海塑料2007 年第 3 期(总第 139 期)最优的工艺组合.综合平衡选取三个指标最优的加工参数:因素A,C,D 对三个指标较优水平均为 Al,C3,D2,故选取 A1,C3,D2;因素 B 对三指标均不同 ,且为次要因素,按最小偏差原则选取 B2.最终所选取的最优加工参数为 C3AlD2B2,即熔体温度为 210,模具温度为 5O,充模时间为 1.8S,保压压力为96MPa4 结论(1)注塑成型工艺优化是涉及多因素,多指标的参数优化配置问题.CAE 和 TaguchiDOE 结合成为一种有效的工具,用于同时研究
15、多个工艺参数对注塑成型制品质量的影响,并优化工艺参数.(2)合理的多指标综合评价体系与试验结果的正确性密切相关.文中采用综合平衡法对多指标参数优化问题进行了设计与分析.在极差分析法的指导下,成功地得出了该试验条件下各参数对质量指标影响的优先次序和注射成型工艺参数的最优配置.(3)本研究中降低熔体温度可以显着地降低制品的体积收缩率变化,沉降斑和残余应力.提高模具温度,增加保压压力可以降低制品的体积收缩率变化;降低模具温度,增加保压压力可明显地降低沉降斑深度;降低模具温度,减少保压压力可降低制品的残余应力.参考文献:1ChangTaoC,ErnestFaison.ShrinkageBehavior
16、andOpfimiza-tionofInjectionMoldedPartsStudiedbytheTaguchiMethodJ.PdymerEngineeringandScience,2001,41(5):703710.2ChenRs,LeeHH,YuCY.ApplicationofTaguchiMethodontheOptimalProcessDesignofanInjectionMoldedPC/PBTAutomobileBumperJ.MaterialsProcessingTechnology,1997,39(34):209214.3HasanOktema,TuncayErzuruml
17、u,IbrahimUzran.ApphcafionofTaguchiOptimizationTechniqueinDeterminingPlasticIn?jectionMoldingProcessParametersforaThinSheUPartJ.MaterialsDesign,2007,28(4):l27ll278.4ChiangHH,HieberCA,WangKK.AUnifiedSimulationoftheFillingandPostFillingStagesinInjectionMolding,PartI:FormulationJ.PolymerEngineeringandSc
18、ience,1991,3l(2):l16139.5ChoiDuSoon,ImYong-Taek.PredictionofShrinkageandWarpageinConsiderationofResidualStressinIntegratedSimulationofInjectionMoldingJ.CompositeStructures,1999,47(14):655665.6HuangMingChih,TaiChingChih.TheEffectiveFactorsintheWarpageProblemofanInjectionMoldedPartwitIIaThinSheUFeatureJ.JournalofMaterialsProcessingTechnology.2001,llO(1):l 一 9.7王利霞,杨杨 ,王蓓,等.注塑成型工艺参数对制品的体积收缩率变化的影响及工艺参数优化J.高分子材料科学与工程,2004,20(2):173 176.8张志莲,江波 .考虑因子之间交互作用优化注射成型工艺
