基于Taguchi试验的空调导风板预变形控制_杜鹏辉 (1).pdf

第 51 卷，第 6 期2023 年 6 月工程塑料应用Vol.51，No.6Jun.2023ENGINEERING PLASTICS APPLICATION基于Taguchi试验的空调导风板预变形控制杜鹏辉1，于江涛2，于昕世2，逄玉红2，胡锐2，李光议2，王小新1(1.青岛科技大学高分子科学与工程学院，山东青岛 266042；2.青岛佳友模具科技有限公司，山东青岛 266317)摘要：空调导风板是典型的长条形外观塑件，其模具需要采用多浇口浇注，在注塑生产时塑件表面容易产生熔接痕和翘曲变形，严重影响塑件的表面质量和装配精度。针对塑件表面熔接痕问题，选用针阀式热流道系统，对浇口进行时序控制，通过浇口的有序打开有效消除塑件表面的熔接痕。针对空调导风板容易翘曲变形的问题，应用模拟仿真软件Moldflow对其成型过程进行仿真分析，利用Taguchi试验对注塑工艺参数进行优化设计，得出优化工艺参数组合，即熔体温度230、模具温度60、保压压力35 MPa、保压时间10 s、冷却时间16 s。在此基础上，对塑件进行反向预变形设计，预变形量为8 mm，仿真分析结果显示产品总翘曲变形量为7.962 mm，方向与预变形方向相反，二者相抵后塑件的翘曲变形量约为0.038 mm，接近零变形。经过实际生产验证，塑件表面无熔接痕、无缩痕，翘曲变形量在0.5 mm以内，具有良好的表面质量和装配精度，满足生产和使用要求。关键词：空调导风板；模拟仿真；Taguchi试验；预变形中图分类号：TQ320.66 文献标识码：A 文章编号：1001-3539（2023）06-0068-05Predeformation Control of Air Conditioner Deflector based on Taguchi ExperimentDu Penghui1，Yu Jiangtao2，Yu Xinshi2，Pang Yuhong2，Hu Rui2，Li Guangyi2，Wang Xiaoxin1(1.School of Polymer Science and Engineering，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266042，China；2.Qingdao Justuse Moulds Technology Co.，Ltd.，Qingdao 266317，China)Abstract：Air conditioner deflector is a typical strip appearance plastic part，the mould needs to use multiple gates，it is easy to produce weld marks and warping deformation during injection molding，which seriously affect the surface quality and assembly accuracy of the plastic parts.To solve the weld marks on the surface of the plastic parts，the valve hot runner system was selected to control the time sequence of the gate and effectively eliminate the weld marks on the surface of plastic parts through the orderly opening of the gate.Aiming at the problem that the air conditioner deflector was easy to warp and deform，the injection molding process was simulated and analyzed by using the simulation software Moldflow，and the injection molding parameters were optimized by Taguchi experiment.The optimal process parameter combination is obtained:melt temperature is 230，mould temperature is 60，holding pressure is 35 MPa，pressure holding time is 10 s，cooling time is 16 s.On this basis，the reverse predeformation was designed for the plastic parts，and the predeformation amount was set as 8 mm.The analysis results show that the total warping deformation value of the product is 7.962 mm，and the direction is opposite to the direction of the predeformation.After the two offset，the warping deformation of the plastic parts is about 0.038 mm，which is close to zero deformation.After the actual production verification，the surface of the plastic parts has no weld marks，no shrinkage marks，the warping deformation value is less than 0.5 mm，with good surface quality and assembly accuracy，which can meet the requirements of production and use.Keywords：air conditioner deflector；simulation；Taguchi experiment；predeformation空调导风板是典型的长条状注塑件，在成型过程中非常容易产生较大的翘曲变形。而导风板与空调室内机进行装配时，产品的翘曲变形必须控制在较小的范围内才能够满足装配要求，这就对产品的生产工艺和质量控制提出了较高的要求1-3。笔者采用Moldflow模流分析软件，对导风板注doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2023.06.011基金项目：山东省研究生教育质量提升计划项目(SDYAL21102)通信作者：王小新，教授，主要从事高分子材料先进成型及模具技术研究收稿日期：2023-03-22引用格式：杜鹏辉，于江涛，于昕世，等.基于Taguchi试验的空调导风板预变形控制J.工程塑料应用，2023，51(6)：6872，84.Du Penghui，Yu Jiangtao，Yu Xinshi，et al.Predeformation control of air conditioner deflector based on Taguchi experimentJ.Engineering Plastics Application，2023，51(6)：6872，84.68杜鹏辉，等：基于Taguchi试验的空调导风板预变形控制塑件进行注塑仿真模拟分析，通过正交试验，综合考察熔体温度、模具温度、保压时间、保压压力和冷却时间等工艺参数对塑件翘曲变形量的影响，确定最优工艺参数组合，并在此基础上对塑件进行合理的反向预变形设计，满足生产和使用要求。1 产品分析该产品为壁挂式空调的导风板，结构如图1所示。其中产品尺寸为829.7 mm92.7 mm64.2 mm，壁厚为3.5 mm，产品投影面积为665.2 cm2。产品正面区域均为外观面，如图1a所示，表面质量要求较高，不允许存在熔接痕、缩痕等缺陷。产品的背面结构如图1b所示。可以看到塑件背面有3个弯钩形的支架结构，其与大面连接处存在加强筋，筋的厚度约为1.5 mm，容易在产品表面对应处形成缩痕，影响产品外观。此外产品长宽比例较大，属于典型长条状塑件，在注塑过程中容易发生翘曲变形，影响产品装配。该产品主要是悬挂在屋内，除了较高的表面质量要求外，还要求产品有良好的尺寸稳定性、强度和刚度，不受环境湿度影响。根据上述要求，材料选择高光泽、高抗冲击聚苯乙烯，具体牌号为台化(宁波)有限公司的HP825G。该材料推荐的加工温度范围为180240，模具温度范围为2070。2 浇注系统设计及翘曲变形分析浇注系统的设计是影响产品表面质量和变形的重要因素。为了消除塑件表面的熔接痕，选用针阀式热流道对浇口进行时序控制4-5。选用5点热流道+冷流道侧浇口进行成型。根据材料特性和Moldflow软件材料库中的推荐值设置初始工艺参数：熔体温度230，模具温度50，保压压力45 MPa，保压时间8 s，冷却时间20 s。在此基础上，通过模拟仿真分析和方案对比，进一步优化成型工艺参数。2.1浇注系统和冷却系统方案及热流道时序控制浇注系统和冷却系统方案如图2所示。根据产品特点以及模具结构，动静模两侧共设计12条冷却水路，水路直径为12 mm，冷却介质为水。在对浇注系统的时序控制进行模拟过程中，根据节点位置控制浇口流动，得出流动到相应浇口的大概时间，然后转换为时序控制。最终得到的具体浇口打开顺序为先打开浇口3，经过1.7 s后打开2，4两个浇口，2.2 s后打开1，5两个浇口。热流道时序控制的充填结果如图3所示。可以看出，通过5个浇口顺序浇注，能够完全消除塑件表面的熔接痕。2.2翘曲变形分析翘曲变形是注塑件的常见缺陷，主要是由于塑件的不均匀收缩导致内部存在较大的残余应力，塑件在应力作用下发生变形、扭曲现象。在工程实践中，主要采用产品及模具设计改进、成型工艺参数优化等方法对塑件的翘曲变形进行控制6-8。Moldflow软件是进行注塑翘曲变形分析和成型工艺参数优化的有效工具9-11。根据产品特点，将Moldflow分析中Z方向上的变形定义为产品的翘曲变形，分析结果如图4所示。从图4可以得出，塑件7.7284.6711.615-1.442-4.499变形,所有效应:Z方向比例因子=1.000mm图4翘曲变形分析结果(a)(b)a正面；b反面图1产品结构示意图图2浇注系统及冷却系统方案2.3441.7581.1720.5860.000充填时间=2.344ss图3浇口时序控制下的充填结果69工程塑料应用2023 年，第 51 卷，第 6 期的总翘曲变形量(Z方向上正向与负向最大翘曲变形量之和)为12.227 mm，远超产品翘曲变形值小于1 mm的装配要求。过大的翘曲变形不仅会影响装配精度，也会影响产品的使用效能。由以上分析结果可见，产品的翘曲变形较大，不能满足制品装配生产要求，需要进一步对成型工艺参数进行优化。3 Taguchi试验Taguchi试验利用正交表来挑选试验条件并设计试验，是针对生产过程参数变量进行优化的有效方法12-14。采用的导风板产品的翘曲变形受成型工艺参数的影响比较大，根据软件材料库推荐工艺参数范围设计正交试验表，分析不同因素对翘曲变形的影响规律。选取总翘曲变形量为考察目标，以熔体温度(A)、模具温度(B)、保压压力(C)、保压时间(D)、冷却时间(E)为主要的分析对象，根据CAE分析结果范围，以及材料特性和Moldflow软件材料库中的推荐参数，选用5因素4水平进行正交试验设计，设置的因素水平见表1。利用Moldflow软件，分别进行16次试验，具体的试验方案和结果数据见表2。3.1翘曲变形结果分析采集所有因素的总翘曲变形数据进行极差分析，结果见表3。通过极差分析，确定各因素及因素水平对指标的影响程度。由表3可以看出，对导风板翘曲变形量最重要的影响因素是模具温度和熔体温度，根据极差值可以看出各因素对翘曲变形影响的程度从大到小依次为B，A，D，C，E。根据表3，可以得出各工艺因素在不同水平下对变形量的影响趋势，如图5所示。从图5可以看出，随熔体温度的上升，翘曲变形量先持续减小，当熔体温度为230 时，翘曲变形量下降到了最小值，当熔体温度升高到240 时，翘曲变形量又显著增大。主要原因是当熔体温度升高时，塑料熔体黏度下降，更容易充满型腔；同时也有利于分子链松弛，降低产品内应力，从而减小塑件的变形量；但当熔体温度超过一定限度时，容易造成过保压，导致翘曲变形量变大。随模具温度上升翘曲变形量显著减小，分析认为模具温度越高，塑料在注塑过程中能够保持更长时间的熔融状态，有利于分子链松弛，从而减小产品的内应力和变形量。当然，模具温度也并非越高越好，模具温度越高，冷却时间越长，注塑周期也相应延长，降低生产效率，增加生产成本。综合考虑，表1正交试验因素水平表水平1234因素A/210220230240B/30405060C/MPa35455565D/s681012E/s16182022表2正交试验方案及结果数据试验号12345678910111213141516A/210210210210220220220220230230230230240240240240B/30405060304050603040506030405060C/MPa35455565453565555565354565554535D/s681012101268121086861210E/s16182022222018161816222020221618总翘曲变形量/mm14.29112.98612.20211.78713.83113.26312.81910.63315.11512.68011.00811.07215.67314.69913.23511.436表3翘曲变形极差分析k1k2k3k4RA12.81712.63712.46913.7611.292B14.72813.40712.31611.2323.496C12.50012.78113.16213.2400.740D13.22012.57512.53713.3500.813E12.71013.08913.05312.8310.379注：kn代表该因素下n水平的试验结果均值，R为极差。A1A2 A3 A411.011.512.012.513.013.514.014.515.0Z方向翘曲变形量/mm因素水平B1B2B3B4 C1C2C3C4 D1D2D3D4E1E2E3E4图5各因素对翘曲变形的影响趋势图70杜鹏辉，等：基于Taguchi试验的空调导风板预变形控制设定模具温度为60 时比较合理。随着保压压力的增加，塑件内部的残余应力也会随之增大，进而导致翘曲变形增加。而随着保压时间的增加，翘曲变形量先减小后增大，当保压时间10 s时，翘曲变形量达到最小值。冷却时间对翘曲变形影响较小，在试验范围内，塑件变形量随着冷却时间的延长先增大后减小，当冷却时间为16 s时，翘曲变形量达到最小值。根据以上分析，在材料合适的工艺范围内得出正交试验之后的优化参数组合A3B4C1D3E1，即熔体温度230，模具温度60，保压压力35 MPa，保压时间10 s，冷却时间16 s。3.2工艺优化后的数值模拟分析针对分析得到的优化工艺参数组合，再用Moldflow软件对塑件进行模拟分析计算，其翘曲变形结果如图6所示。由图6可以得出，优化工艺参数后的总翘曲变形量为8.23 mm，小于全部16次正交试验中各方案的翘曲变形值，比初始方案中12.227 mm的变形量减少了3.997 mm，下降幅度约为32.7%。但该变形值仍达不到产品装配要求，需要进一步采取措施进行优化。4 产品预变形设计及仿真分析在模具设计中，对产品提前设计预变形是改善塑件翘曲变形的有效方法15-16。根据优化工艺参数方案的翘曲变形分析结果，对产品进行反方向的预变形设计。原始产品是水平设计，分析得到的产品变形是两头向上翘、中间向下凹，据此将产品修改为中间向上鼓、两头向下凹的反方向预变形设计，总预变形量为8 mm，与优化方案的翘曲变形量相当，如图7所示。对进行预变形设计后的产品进行翘曲变形模拟分析，成型工艺参数与正交试验优化得到的工艺参数相同，分析结果如图8所示。从图8可以得出，产品的总翘曲变形量为7.962 mm，方向与预变形方向相反，二者相抵后制件的翘曲变形量约为0.038 mm，接近零变形，满足产品的装配要求。同时缩痕分析结果显示，产品的表面缩痕深度最大值为0.023 3 mm，属于视觉不可见，满足产品的表面质量要求。5 模具设计及注塑生产验证根据模拟仿真确定的预变形设计注塑模具，模具结构如图9所示。该模具采用两板模，浇注系统为5点热流道阀浇口转冷流道+潜伏浇口，潜伏浇口从塑件背面浇注，由斜顶块顶出。实际制造的模具变形,所有效应:Z方向比例因子=1.000mm5.1863.1281.071-0.986 7-3.044图6优化工艺参数后的翘曲变形图7产品预变形设计变形,所有效应:Z方向比例因子=1.000mm4.9252.9350.944 2-1.046-3.037图8产品预变形设计后翘曲分析结果12345678910111213141516(a)(b)1导套；2锥形定位柱；3定模镶块；4热嘴；5固定块；6定模板；7热流道板；8定模座板；9导柱；1 0斜顶块；11动模镶块；12楔紧块；13动模板；14垫板；15动模座板；16计数器a定模；b动模图9注塑模具结构71工程塑料应用2023 年，第 51 卷，第 6 期如图10所示。利用上述模具和优化的注塑工艺参数进行注塑生产，得到的塑件如图11所示。经过实际生产验证，塑件表面无熔接痕、无缩痕，翘曲变形值在0.5 mm以内，具有良好的表面质量和装配精度，满足生产和使用要求。6 结论(1)由于导风板表面质量要求较高，不允许存在熔接痕、缩痕等缺陷，采用热流道时序控制，通过5点针阀式热浇口顺序浇注，能够完全消除塑件表面的熔接痕。(2)采用Moldflow软件模拟仿真分析，通过正交试验，分析熔体温度、模具温度、保压压力、保压时间和冷却时间5个工艺参数对空调导风板塑件翘曲变形的影响，利用极差分析进行优化，获得优化的工艺参数组合，优化方案较初始方案翘曲变形量下降约32.7%。(3)根据仿真分析结果对产品进行反向预变形设计，采用正交试验优化的工艺参数进行模拟分析，可以得出满足装配要求的模具方案，经实际验证能够满足生产和使用要求。参 考 文 献1 Wang C F，Huang M，Shen C Y，et al.Warpage prediction of the injection-molded strip-like plastic partsJ.Chinese Journal of Chemical Engineering，2016，24(5):665670.2 彭梦龙.长条状注塑件翘曲预测的数值模拟D.郑州：郑州大学，2013.Peng Menglong.Numerical simulation of warpage prediction in injection molded strip productsD.Zhengzhou：Zhengzhou University，2013.3 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