注塑工艺参数的优化选择.docx

第5章 注塑工艺参数的优化选择

注塑工艺参数包括模具温度、熔体温度、注射压力、保压压力、注射时间等[66]。前面的注塑成型过程分析比较都是在统一的注塑工艺参数下进行的，没有考虑到注塑工艺参数对注塑成型过程的影响。即使浇注系统保持不变，流动过程也会随着注射时间、熔温和模温等注塑工艺参数的变化而发生变化。为确保流动过程的合理性，就需要考虑注塑工艺参数的影响。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都会对塑件注塑成型后的成型周期、塑件质量、体积收缩率等有着很大的影响。其中塑料熔体温度和模具温度对注塑过程的影响尤其显著，塑料熔体温度和模具温度的变化会直接影响到熔体在型腔内的流动情况。如果塑料熔体温度升高，流动速率可能会增加，这样就有利于充模；但是如果塑料熔体温度过高就可能会引起塑件烧焦甚至材料降解[67]。模具温度变化也会直接影响制品的生产效率和质量，如果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；如果模温过低就可能会发生熔体滞留，造成欠注和熔接痕等缺陷[68]。
在传统的塑件注塑成型中，注塑工艺参数的确定一般需要经过多次试模，而通过Moldflow的模拟分析就可以一次性确定注塑工艺参数。Moldflow中的注塑工艺参数优化包括两种方法，一种是在DOE模块进行优化分析，一种是在流动分析模块进行优化分析。DOE模块的优化分析主要是对塑料熔体温度和模具温度进行优化分析，但是不能够对其它的注塑工艺参数进行优化分析，这个也是目前软件在DOE模块开发方面的限制，有待科技的进一步发展。DOE模块的优化分析是根据设置的变量情况，软件自动运用类似正交实验的方法来分析塑料熔体温度和模具温度对塑件各方面的影响情况，然后经过对模拟结果的分析比较来确定塑料熔体温度和模具温度。流动分析的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的方法。这种方法通过对被注塑工艺参数影响较大的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的比较分析来确定优化的注塑工艺参数。下面将通过这两种方法来对注塑工艺参数进行优化分析。
5.1 DOE模块的熔体温度和模具温度优化选择
下面将通过对重要描述量如循环时间、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）实验设置
材料推荐的熔体温度为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℃变化来设置，这样产生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，然后在软件中根据表中数据进行实验设置。
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的温度，熔体温度是重要的注塑工艺参数之一。下面将分析熔体温度的变化对循环时间、体积收缩率、注射压力和制品质量四个量的影响。
(1) 循环时间
循环时间指注塑成型周期，主要包括充填时间、保压时间、冷却时间等。循环时间可以看出注塑效率，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变化对循环时间的影响。

图5-1 随熔体温度变化的循环时间
从图5-1可以看出，随着熔体温度的增加，循环时间先减小，当熔体温度到达某个点时，循环时间最小，然后随着熔体温度的升高，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的变化率。体积收缩率越小，则塑件的变形会越好，塑件质量会越好。下面将分析熔体温度的变化对体积收缩率的影响。

图5-2 随熔体温度变化的体积收缩率
从图5-2可以看出，随着熔体温度的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，然后随着熔体温度的增加，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的压力。注射压力是由液压压力提供的，注射压力越小则所需的液压压力就越小，越能节省能量[70]。

图5-3 随熔体温度变化的注射压力
从图5-3可以看出熔体温度变化时注射压力的变化情况。从图表中看出，随着熔体温度的增加，注射压力基本成直线变小，在熔体温度为275℃时，注射压力最小。在注射压力最小时，注塑机所施加的液压压力最小，所需的能量最小，最能提高企业效益。所以，从注射压力角度来说，选择熔体温度为275℃。

(4) 制品质量
制品质量是软件根据分析情况对塑件作的综合质量评价。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的变化情况如图5-4所示。

图5-4 随熔体温度变化的制品质量
从图5-4可以看出熔体温度变化时，制品质量的变化情况。从图表看出，随着熔体温度的增加，制品质量指数也是基本呈直线下降，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。
综上所述，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。从循环时间图表可以看出，熔体温度的变化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 随模具温度变化的循环时间
从图5-5可以看出，随着模具温度的增加，循环时间的变化情况。从图表看出，随着模具温度的增加，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) 体积收缩率变化

图5-6 随模具温度变化的体积收缩率
从图5-6可以看出，随着模具温度的增加，体积收缩率的变化情况。从图表看出，随着模具温度的增加，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的影响如图5-7所示。

图5-7 随模具温度变化的注射压力
从图5-7可以看出模具温度变化时注射压力的变化情况。从图表中看出，随着模具温度的增加，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，注塑机所施加的液压压力最小，所需的能量最小，最能提高企业效益。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的变化情况如图5-8所示。

图5-8 随模具温度变化的制品质量
从图5-8可以看出模具温度变化时，制品质量的变化情况。从图表看出，随着模具温度的增加，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。
综上所述，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。从制品质量图表可以看出，模具温度的变化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主要是对注射压力、注射时间、保压压力、保压时间进行优化选择。注射压力主要用来克服塑料熔体流动阻力；充填阶段的注射压力变化非常复杂，受到塑件形状结构、厚度分布、流道粗糙度等很多因素的影响，所以充填阶段的注射压力是不可确定的因素，注塑机设置的注射压力只是额定注射压力[72]。由于充填阶段的注射压力变化的不确定性，一般充填过程都采用注射速率控制方式来控制充填过程，所以充填阶段的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通过对优化的注射速率进行流动分析后确定的。充填完成后进入保压阶段，流动过程的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，而保压时间通过优化的保压压力可以确定。下面将通过对流动过程重要描述量如充填时间、体积收缩率和残余应力（此处的描述量和DOE模块的是不同的）等的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的树脂量，一般用每秒注入多少的体积来表示，单位为cm3/s[73]。材料的注射速率范围一般为148cm3/s到168cm3/s，推荐的注射速率是159cm3/s。以5cm3/s的变化来划分注射速率范围以设置注射速率量，这样设置的变量为148cm3/s、153cm3/s、158cm3/s、163cm3/s、168cm3/s。注射速率主要对充填阶段影响，所以这里将列举充填阶段被注射速率影响比较大的几个量进行分析。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的影响，以确定最佳注射速率。
(1) 充填时间比较分析
通过充填时间的比较分析可以找出最小充填时间所对应的注射速率，这时的注射速率从充填时间角度来说是最好的。不同注射速率的充填时间如图5-9。

b
c
a

e
d

图 5-9 不同注射速率下的充填时间 (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时的充填时间 (e) 注射速率为168cm3/s
从图5-9可以看出随着注射速率的增加，充填时间的变化情况。具体的变化情况如表5-2。
表5-2 充填时间随注射速率变化
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中可以看出，随着注射速率的不断增加，充填时间不断减小。注射速率为148cm3/s时的充填时间最小，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，塑件的热膨胀就会越严重，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，塑件的变形也会越大，质量也会越差。不同注射速率的流动前沿处温度如图5-10所示。
b
c
a

e
d

图5-10 不同注射速率下的流动前沿处温度 (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时的充填时间 (e) 注射速率为168cm3/s
从图5-10中可以看出注射速率增加时流动前沿处温度的变化情况。具体的如表5-3。
表5-3 流动前沿温度随注射速率变化
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中可以看出，随着注射速率的增加，最大流动前沿处温度降低，最高最低温度差异也降低。这样在注射速率为168 cm3/s时的最高流动前沿处温度最低，最高最低温度差异最小，此时的塑件因温度引起的变形会最小，塑件质量最好。所以，从流动前沿处角度来说，选择168cm3/s为注射速率是最好的。
综上所述，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。从充填时间图可以看出，注射速率的变化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的压力。塑件冷却固化时，密度变大，体积收缩，这时为了得到完整的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。材料的保压压力范围一般为140 MPa到160 MPa，对材料保压压力范围的数据进行分析可以确定最佳保压压力。以5MPa的变化量对保压压力范围进行设置，设置五组数据即140MPa、145MPa、150MPa、155MPa、160MPa。保压压力一般对流动过程的体积收缩率、锁模力和型腔残余应力影响较大，下面将从这几个方面进行研究。
(1) 顶出时的体积收缩率比较分析
流道最大体积收缩率
塑件冷却固化后就会产生体积收缩，体积收缩率越大，塑件的变形就会越大，塑件的质量就会越差。下面将分析随着保压压力变化，顶出时体积收缩率的变化情况。
塑件最大体积收缩率
c
a
b

e
d

图5-11 不同保压压力下的体积收缩率 (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可以看出随着保压压力的变化，体积收缩率变化情况。具体的一些数据如表5-4。
表5-4 体积收缩率随保压压力变化
保压压力(MPa)
140
145
150
155
160
顶出时塑件最大体积收缩率(%)
1.058
0.9481
0.8423
0.7358
0.6327

从表中可以看出，随着保压压力的增加，塑件顶出时塑件的最大体积收缩率变小。保压压力为160MPa时塑件顶出时的最大体积收缩率最小，这时塑件的变形最小，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的力；将型腔内各点的熔体压力乘以其在开模方向的投影面积再叠加就可以得到锁模力；锁模力越大则所需要的液压压力就越大，所耗的能量就会越大[74]。

c
b
a

d
e

图5-12 不同保压压力下的锁模力 (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可以看出，锁模力随着时间和注塑速率的变化，锁模力的变化情况。随着时间的增加，锁模力先增加到某个最大值，然后降低到零。随着保压压力的变化，锁模力也在变化，具体变化情况如表5-5。
表5-5 锁模力随保压压力变化
保压压力(MPa)
140
145
150
155
160
锁模力(tonne)
1600
1650
1750
1850
1900

从表5-5可以看出，随着保压压力的增加，锁模力也增加。当保压压力为140MPa时，锁模力最小，这时提供锁模力的液压压力最小，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) 第一主方向的型腔残余应力比较分析
随着保压压力的变化，塑件第一主方向型腔残余应力的变化情况如图5-13。
c
b
a

e
d

图5-13 不同保压压力下的型腔残余应力 (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
具体的变化情况可以从表5-6中看出。
表5-6 型腔残余应力随保压压力变化
保压压力(MPa)
140
145
150
155
160
塑件第一主方向型腔内的最大残余应力(MPa)
72.20
72.20
72.20
72.20
72.20
塑件第一主方向型腔内的最小残余应力(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中可以看出，随着保压压力的增加，塑件第一主方向型腔内的最大残余应力不变，塑件第一主方向型腔内的最小残余应力变小，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，塑件的变形就会变大，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的残余应力来说，选择保压压力为140MPa。
综上所述，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可以看出，保压压力的变化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 其它注塑工艺参数的确定
前面的分析确定了最佳熔体温度、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。在注射阶段采用速度控制时，注射速率决定了充填时间和注射压力。采用上面的最佳注塑工艺参数进行流动分析后得到充填时间和注射压力如图5-14,5-15所示。

图5-14充填时间 图5-15 注射位置处的注射压力
从图5-14可以看出，充填时间是5.01s；从图5-15可以看出注射位置处注射压力的变化，注塑机设置的额定注射压力约为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
本章通过DOE模块和流动分析模块优化分析了注塑工艺参数。先根据注塑工艺参数范围划分出存在的注塑工艺参数，然后分析不同的注塑工艺参数对注塑成型过程的影响，最后选择出最佳注塑工艺参数。优化分析的注塑工艺参数如表5-7所示。
表5-7 优化选择的注塑工艺参数
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