注塑工艺参数的优化选择模板.doc

第5章 注塑工艺参数优化选择

注塑工艺参数包含模具温度、熔体温度、注射压力、保压压力、注射时间等[66]。前面注塑成型过程分析比较全部是在统一注塑工艺参数下进行，没有考虑到注塑工艺参数对注塑成型过程影响。即使浇注系统保持不变，流动过程也会伴随注射时间、熔温和模温等注塑工艺参数改变而发生改变。为确保流动过程合理性，就需要考虑注塑工艺参数影响。在注塑成型过程中，注塑成型工艺参数如熔体温度、模具温度、注射压力、保压压力、注射时间和保压时间等全部会对塑件注塑成型后成型周期、塑件质量、体积收缩率等有着很大影响。其中塑料熔体温度和模具温度对注塑过程影响尤其显著，塑料熔体温度和模具温度改变会直接影响到熔体在型腔内流动情况。假如塑料熔体温度升高，流动速率可能会增加，这么就有利于充模；不过假如塑料熔体温度过高就可能会引发塑件烧焦甚至材料降解[67]。模具温度改变也会直接影响制品生产效率和质量，假如模温过高可能会延长塑件注塑成型周期，就会降低生产效率；假如模温过低就可能会发生熔体滞留，造成欠注和熔接痕等缺点[68]。
在传统塑件注塑成型中，注塑工艺参数确实定通常需要经过数次试模，而经过Moldflow模拟分析就能够一次性确定注塑工艺参数。Moldflow中注塑工艺参数优化包含两种方法，一个是在DOE模块进行优化分析，一个是在流动分析模块进行优化分析。DOE模块优化分析关键是对塑料熔体温度和模具温度进行优化分析，不过不能够对其它注塑工艺参数进行优化分析，这个也是现在软件在DOE模块开发方面限制，有待科技深入发展。DOE模块优化分析是依据设置变量情况，软件自动利用类似正交试验方法来分析塑料熔体温度和模具温度对塑件各方面影响情况，然后经过对模拟结果分析比较来确定塑料熔体温度和模具温度。流动分析优化方法是在流动分析模块对注塑工艺参数如保压压力、注塑速率等进行优化选择方法。这种方法经过对被注塑工艺参数影响较大流动过程描述量如充填时间、体积收缩率、残余应力和锁模力等比较分析来确定优化注塑工艺参数。下面将经过这两种方法来对注塑工艺参数进行优化分析。
5.1 DOE模块熔体温度和模具温度优化选择
下面将经过对关键描述量如循环时间、体积收缩率、注射压力等进行分析来优化选择熔体温度和模具温度。
5.1.1 DOE（流动）试验设置
材料推荐熔体温度为255℃，模具温度65℃为中间值，熔体温度范围在235℃-275℃之间，模具温度范围在45℃-85℃之间；以5℃改变来设置，这么产生9组水平（数值），设为1-9；设熔体温度为因子A，模具温度为因子B。设置如表5-1参量，然后在软件中依据表中数据进行试验设置。
表5-1 数据设置
子
平
因
水

1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
210℃
215℃
220℃
225℃
230℃
235℃
240℃
245℃
250℃
B
17.5℃
22.5℃
27.5℃
32.5℃
37.5℃
42.5℃
47.5℃
52.5℃
57.5℃

5.1.2 熔体温度查看分析结果
熔体温度是熔体注塑时温度，熔体温度是关键注塑工艺参数之一。下面将分析熔体温度改变对循环时间、体积收缩率、注射压力和制品质量四个量影响。
(1) 循环时间
循环时间指注塑成型周期，关键包含充填时间、保压时间、冷却时间等。循环时间能够看出注塑效率，循环时间越短则注塑效率越高，企业生产效益就越好[69]。下面将分析熔体温度改变对循环时间影响。

图5-1 随熔体温度改变循环时间
从图5-1能够看出，伴随熔体温度增加，循环时间先减小，当熔体温度抵达某个点时，循环时间最小，然后伴随熔体温度升高，循环时间也变大。从图表看出，当熔体温度在258℃时循环时间最小，此时注塑周期最短，生产效率最高。所以从熔体温度角度来说，选择258℃熔体温度。
(2) 体积收缩率
体积收缩率指塑件固化收缩时体积改变率。体积收缩率越小，则塑件变形会越好，塑件质量会越好。下面将分析熔体温度改变对体积收缩率影响。

图5-2 随熔体温度改变体积收缩率
从图5-2能够看出，伴随熔体温度增加体积收缩率也变大，熔体温度增加到某点时体积收缩率最大，然后伴随熔体温度增加，体积收缩率又变小。从图表看出，当熔体温度在255℃时体积收缩率最大，熔体温度在235℃时体积收缩率最小。熔体温度235℃时体积收缩率最小，此时塑件变形会最小，塑件质量最好。所以从体积收缩率角度来说，选择235℃作为熔体温度。
(3) 注射压力
注射压力是注塑时注塑机对型腔施加压力。注射压力是由液压压力提供，注射压力越小则所需液压压力就越小，越能节省能量[70]。

图5-3 随熔体温度改变注射压力
从图5-3能够看出熔体温度改变时注射压力改变情况。从图表中看出，伴随熔体温度增加，注射压力基础成直线变小，在熔体温度为275℃时，注射压力最小。在注射压力最小时，注塑机所施加液压压力最小，所需能量最小，最能提升企业效益。所以，从注射压力角度来说，选择熔体温度为275℃。

(4) 制品质量
制品质量是软件依据分析情况对塑件作综合质量评价。制品质量评价指数越高，制品就越好[71]。制品质量随熔体温度改变情况图5-4所表示。

图5-4 随熔体温度改变制品质量
从图5-4能够看出熔体温度改变时，制品质量改变情况。从图表看出，伴随熔体温度增加，制品质量指数也是基础呈直线下降，熔体温度为235℃时制品质量指数最大，此时制品质量最好。所以，从制品质量角度来说，选择235℃为熔体温度。
总而言之，从循环时间角度来说熔体温度为258℃时最好，从体积收缩率来说熔体温度为235℃最好，从注射压力来说熔体温度为275℃最好，从制品质量来说熔体温度235℃最好。从循环时间图表能够看出，熔体温度改变对循环时间影响很小，综合考虑选择熔体温度为235℃。
5.1.3 模具温度查看结果和分析比较
(1) 循环时间

图5-5 随模具温度改变循环时间
从图5-5能够看出，伴随模具温度增加，循环时间改变情况。从图表看出，伴随模具温度增加，循环时间成直线变小，当模具温度在85℃时循环时间最小，此时注塑周期最短，生产效率最高。所以从模具温度角度来说，选择85℃模具温度。
(2) 体积收缩率改变

图5-6 随模具温度改变体积收缩率
从图5-6能够看出，伴随模具温度增加，体积收缩率改变情况。从图表看出，伴随模具温度增加，体积收缩率成曲线变小，当模具温度在85℃时体积收缩率最小，此时塑件变形会最小，塑件质量最好。所以从体积收缩率角度来说，选择85℃作为模具温度。
(3) 注射压力
模具温度对注射压力影响图5-7所表示。

图5-7 随模具温度改变注射压力
从图5-7能够看出模具温度改变时注射压力改变情况。从图表中看出，伴随模具温度增加，注射压力成曲线变小，在模具温度为85℃时，注射压力最小。在注射压力最小时，注塑机所施加液压压力最小，所需能量最小，最能提升企业效益。所以，从注射压力角度来说，选择模具温度为85℃。

(4) 制品质量
制品质量随模具温度改变情况图5-8所表示。

图5-8 随模具温度改变制品质量
从图5-8能够看出模具温度改变时，制品质量改变情况。从图表看出，伴随模具温度增加，制品质量指数呈曲线下降，模具温度为45℃时制品质量指数最大，此时制品质量最好。所以，从制品质量角度来说，选择45℃为模具温度。
总而言之，从循环时间角度来说模具温度为85℃时最好，从体积收缩率来说模具温度为85℃最好，从注射压力来说模具温度为85℃最好，从制品质量来说模具温度45℃最好。从制品质量图表能够看出，模具温度改变对制品质量影响很小，综合考虑选择模具温度为85℃。
5.2 流动模块参数优化选择
流动模块注塑工艺参数分析关键是对注射压力、注射时间、保压压力、保压时间进行优化选择。注射压力关键用来克服塑料熔体流动阻力；充填阶段注射压力改变很复杂，受到塑件形状结构、厚度分布、流道粗糙度等很多原因影响，所以充填阶段注射压力是不可确定原因，注塑机设置注射压力只是额定注射压力[72]。因为充填阶段注射压力改变不确定性，通常充填过程全部采取注射速率控制方法来控制充填过程，所以充填阶段注塑工艺参数优化选择只能对注射速率进行而不能对注射压力和注射时间进行优化选择；注射压力和注射时间是经过对优化注射速率进行流动分析后确定。充填完成后进入保压阶段，流动过程控制就从注射速率控制进入压力控制，也就是V（注射速率）/P（保压压力）切换。保压阶段就需要对保压压力进行优化选择，而保压时间经过优化保压压力能够确定。下面将经过对流动过程关键描述量如充填时间、体积收缩率和残余应力（此处描述量和DOE模块是不一样）等分析来对注射速率和保压时间进行优化选择。
5.2.1 注射速率优化选择
注射速率指单位时间注入模腔内树脂量，通常见每秒注入多少体积来表示，单位为cm3/s[73]。材料注射速率范围通常为148cm3/s到168cm3/s，推荐注射速率是159cm3/s。以5cm3/s改变来划分注射速率范围以设置注射速率量，这么设置变量为148cm3/s、153cm3/s、158cm3/s、163cm3/s、168cm3/s。注射速率关键对充填阶段影响，所以这里将列举充填阶段被注射速率影响比较大多个量进行分析。下面将从充填时间和流动前沿处温度来分析注塑速率对充填阶段影响，以确定最好注射速率。
(1) 充填时间比较分析
经过充填时间比较分析能够找出最小充填时间所对应注射速率，这时注射速率从充填时间角度来说是最好。不一样注射速率充填时间图5-9。

b
c
a

e
d

图 5-9 不一样注射速率下充填时间 (a) 注射速率为148cm3/s (b)注射速率153cm3/s (c) 注射速率158cm3/s (d) 注射速率163cm3/s时充填时间 (e) 注射速率为168cm3/s
从图5-9能够看出伴随注射速率增加，充填时间改变情况。具体改变情况如表5-2。
表5-2 充填时间随注射速率改变
注射速率(cm3/s)
148
153
158
163
168
充填时间(s)
5.698
5.506
5.333
5.169
5.01
从表5-2中能够看出，伴随注射速率不停增加，充填时间不停减小。注射速率为148cm3/s时充填时间最小，生产效率最高。从充填时间角度来说，选择148cm3/s为注射速率。
(2) 流动前沿处温度比较分析
流动前沿处温度越高，塑件热膨胀就会越严重，塑件变形就会越大，塑件质量会越差；流动前沿处最高最低温度差异越大，塑件变形也会越大，质量也会越差。不一样注射速率流动前沿处温度图5-10所表示。
b
c
a

e
d

图5-10 不一样注射速率下流动前沿处温度 (a) 注射速率为148cm3/s (b)注射速率153cm3/s (c) 注射速率158cm3/s (d) 注射速率163cm3/s时充填时间 (e) 注射速率为168cm3/s
从图5-10中能够看出注射速率增加时流动前沿处温度改变情况。具体如表5-3。
表5-3 流动前沿温度随注射速率改变
注射速率(cm3/s)
148
153
158
163
168
最大流动前沿处温度(℃)
262.3
262.2
262.1
261.9
261.8
最小流动前沿处温度(℃)
254
254.8
254.8
254.8
254.8
最高最低温度差异(℃)
8.3
7.4
7.3
7.1
7
从表5-3中能够看出，伴随注射速率增加，最大流动前沿处温度降低，最高最低温度差异也降低。这么在注射速率为168 cm3/s时最高流动前沿处温度最低，最高最低温度差异最小，此时塑件因温度引发变形会最小，塑件质量最好。所以，从流动前沿处角度来说，选择168cm3/s为注射速率是最好。
总而言之，从充填时间角度来说注射速率为148cm3/s时最好，从流动前沿处温度来说注射速率为168cm3/s最好。从充填时间图能够看出，注射速率改变对充填时间影响很小，所以以流动前沿处温度为依据选择注射速率为168cm3/s。
5.2.2 保压压力优化选择
保压压力指塑件收缩后补缩时给型腔施加压力。塑件冷却固化时，密度变大，体积收缩，这时为了得到完整塑件就需要对型腔进行补缩，就需要对型腔施加一定保压压力。材料保压压力范围通常为140 MPa到160 MPa，对材料保压压力范围数据进行分析能够确定最好保压压力。以5MPa改变量对保压压力范围进行设置，设置五组数据即140MPa、145MPa、150MPa、155MPa、160MPa。保压压力通常对流动过程体积收缩率、锁模力和型腔残余应力影响较大，下面将从这多个方面进行研究。
(1) 顶出时体积收缩率比较分析
流道最大致积收缩率
塑件冷却固化后就会产生体积收缩，体积收缩率越大，塑件变形就会越大，塑件质量就会越差。下面将分析伴随保压压力改变，顶出时体积收缩率改变情况。
塑件最大致积收缩率
c
a
b

e
d

图5-11 不一样保压压力下体积收缩率 (a) 保压压力为140MPa (b) 保压压力为145MPa (c) 保压压力为150MPa (d) 保压压力为155MPa (e) 保压压力为160MPa
从图5-11能够看出伴随保压压力改变，体积收缩率改变情况。具体部分数据如表5-4。
表5-4 体积收缩率随保压压力改变
保压压力(MPa)
140
145
150
155
160
顶出时塑件最大致积收缩率(%)
1.058
0.9481
0.8423
0.7358
0.6327

从表中能够看出，伴随保压压力增加，塑件顶出时塑件最大致积收缩率变小。保压压力为160MPa时塑件顶出时最大致积收缩率最小，这时塑件变形最小，所以从体积收缩率角度来说，选择保压压力为160MPa。
(2) 锁模力比较分析
锁模力指注塑时使动定模合闭所需要力；将型腔内各点熔体压力乘以其在开模方向投影面积再叠加就能够得到锁模力；锁模力越大则所需要液压压力就越大，所耗能量就会越大[74]。

c
b
a

d
e

图5-12 不一样保压压力下锁模力 (a) 保压压力为140MPa (b) 保压压力为145MPa (c) 保压压力为150MPa (d) 保压压力为155MPa (e) 保压压力为160MPa
从图5-12能够看出，锁模力伴随时间和注塑速率改变，锁模力改变情况。伴随时间增加，锁模力先增加到某个最大值，然后降低到零。伴随保压压力改变，锁模力也在改变，具体改变情况如表5-5。
表5-5 锁模力随保压压力改变
保压压力(MPa)
140
145
150
155
160
锁模力(tonne)
1600
1650
1750
1850
1900

从表5-5能够看出，伴随保压压力增加，锁模力也增加。当保压压力为140MPa时，锁模力最小，这时提供锁模力液压压力最小，消耗能量最小。所以从锁模力角度来说，选择保压压力为140MPa时最好。

(3) 第一主方向型腔残余应力比较分析
伴随保压压力改变，塑件第一主方向型腔残余应力改变情况图5-13。
c
b
a

e
d

图5-13 不一样保压压力下型腔残余应力 (a) 保压压力为140MPa (b) 保压压力为145MPa (c) 保压压力为150MPa (d) 保压压力为155MPa (e) 保压压力为160MPa
具体改变情况能够从表5-6中看出。
表5-6 型腔残余应力随保压压力改变
保压压力(MPa)
140
145
150
155
160
塑件第一主方向型腔内最大残余应力(MPa)
72.20
72.20
72.20
72.20
72.20
塑件第一主方向型腔内最小残余应力(MPa)
23.28
21.93
20.4
19.2
17.81
最大最小残余应力差(MPa)
48.92
50.27
51.8
53
54.39
从表5-6中能够看出，伴随保压压力增加，塑件第一主方向型腔内最大残余应力不变，塑件第一主方向型腔内最小残余应力变小，最大最小残余应力差变大。保压压力增加，最大最小残余应力差变大，塑件变形就会变大，塑件质量变差。当保压压力为140MPa时，塑件最大最小残余应力差最小，这时塑件质量最好。所以从塑件第一主方向型腔内残余应力来说，选择保压压力为140MPa。
总而言之，从顶出时体积收缩率来说保压压力为160MPa时最好，从锁模力来说保压压力为140MPa最好，从第一主方向型腔残余应力来说保压压力为140MPa最好。从顶出时体积收缩率图能够看出，保压压力改变对顶出时体积收缩率影响很小，综合考虑选择保压压力为140MPa。
5.3 其它注塑工艺参数确实定
前面分析确定了最好熔体温度、模具温度、注射速率和保压压力。这里将确定注射压力、充填时间和保压时间。在注射阶段采取速度控制时，注射速率决定了充填时间和注射压力。采取上面最好注塑工艺参数进行流动分析后得到充填时间和注射压力图5-14,5-15所表示。

图5-14充填时间 图5-15 注射位置处注射压力
从图5-14能够看出，充填时间是5.01s；从图5-15能够看出注射位置处注射压力改变，注塑机设置额定注射压力约为151MPa。
保压时间由保压压力决定，查看流动分析结果日志，保压时间为42s。
5.4 本章小结
本章经过DOE模块和流动分析模块优化分析了注塑工艺参数。先依据注塑工艺参数范围划分出存在注塑工艺参数，然后分析不一样注塑工艺参数对注塑成型过程影响，最终选择出最好注塑工艺参数。优化分析注塑工艺参数如表5-7所表示。
表5-7 优化选择注塑工艺参数
熔体温度
235℃
模具温度
85℃
注射速率
168cm3/s
充填时间
5.01s
注射压力
151MPa
保压压力
140 MPa
保压时间
42s