基于Taguchi方法的帶筋注塑件翹曲變形研究

徐小青，孫慶東，尹 晨

(揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)，江蘇揚(yáng)州 225009)

塑料件比金屬件的彈性模量低得多，因此，在設(shè)計(jì)需承受載荷的塑料制品時(shí)，一般在注塑件上通過設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋、折彎和曲面等方法來增加制品的強(qiáng)度和剛度，而其中通過設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋的方法最為實(shí)用和可靠［1］。在設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋時(shí)，大多數(shù)工程師只注重加強(qiáng)筋厚度、高度和數(shù)量，很少考慮加強(qiáng)筋的不同截面形狀和位置角度。本文主要研究不同截面形狀和位置角度的筋對PC/ABS、POM和PA66注塑件翹曲變形的影響，為筋的正確設(shè)計(jì)提供參考。

1 筋的設(shè)計(jì)

1.1 加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)

為了更方便地系統(tǒng)研究加強(qiáng)筋對注塑件翹曲變形的影響，設(shè)計(jì)了截面面積A和高度a相等，但橫截面形狀不同的三角形、梯形和矩形的加強(qiáng)筋，見圖1。截面A==(c+d)=ae。

同時(shí)還設(shè)計(jì)了與X方向成0°、45°和90°夾角的三種位置角度的加強(qiáng)筋，見圖2。

圖1 筋的截面形狀

圖2 筋的位置角度

1.2 加強(qiáng)筋的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

圖3(a)顯示了沒有設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋的模型，并且定義了X、Y和Z方向。圖3(b)顯示了帶有網(wǎng)格和加強(qiáng)筋的一種分析模型。

圖3 試驗(yàn)制品模型

通過Solidworks設(shè)計(jì)不同的分析模型，然后生產(chǎn)STL文件，導(dǎo)入到MPI模塊中。采用Fusion進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元分析模型數(shù)據(jù)為:三角形單元數(shù)=2888，節(jié)點(diǎn)數(shù)=1446，匹配率為97.2%。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

選用的牌號為:Multilon T－3011 TG5667的高分子 PC/ABS材料，類型為 Amorphous;Hostaform C 9021的高分子POM材料，類型為Crystalline;Celstran PA66－GF50－02的高分子PA66材料，類型為Crystalline。

2.2 Taguchi試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照Taguchi方法，對PC/ABS、POM和PA66三種注塑件分別按照五因素三水平進(jìn)行L18正交實(shí)驗(yàn)矩陣設(shè)計(jì)［2，3］，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)水平和因子見表1－表3。

表1 PC/ABS材料試驗(yàn)的水平和因子

模具溫度(X1)/℃60 75 90熔體溫度(X2)/℃ 245 265 285注射時(shí)間(X3)/s 1.0 1.4 1.8筋的形狀(X4) a b c筋的角度(X5)/°0 45 90

表2 POM材料試驗(yàn)的水平和因子

表3 PA66材料試驗(yàn)的水平和因子

3 結(jié)果分析

3.1 基于最小翹曲值的最優(yōu)工藝參數(shù)組合

為了能得到最小翹曲變形，將采用信噪比函數(shù)來計(jì)算翹曲反應(yīng)值，它主要用于質(zhì)量性能目標(biāo)值越小越好情況，其信噪比的表達(dá)式為:

根據(jù)翹曲試驗(yàn)結(jié)果，利用信噪比函數(shù)來進(jìn)行計(jì)算并對此進(jìn)行分析，分析結(jié)果見圖4－圖6。

圖4 PC/ABS制品信噪比結(jié)果分析

圖5 POM制品信噪比結(jié)果分析

圖6 PA66制品信噪比結(jié)果分析

信噪比函數(shù)值越大，可知其表示翹曲值越小。從圖4－圖6分別可知，PC/ABS制品和POM制品的最大的信噪比組合為X11X21X33X42X53，即模具溫度60℃，熔體溫度245℃，注射時(shí)間為1.8s，筋的形狀為梯形，筋的角度與X方向成90°，為最佳工藝參數(shù)組合;PA66制品最大的信噪比組合為X11X23X33X42X52，即模具溫度60℃，熔體溫度285℃，注射時(shí)間為1.8s，筋的形狀為梯形，筋的角度與X方向成45°，為最佳工藝參數(shù)組合。

3.2 工藝參數(shù)對翹曲影響程度分析

利用ANOVA方法來分析各個(gè)工藝參數(shù)對翹曲變形的影響程度［4，5］。

針對PC/ABS、POM和PA66材料，下列工藝參數(shù)對翹曲變形的影響程度分別為，模具溫度:20.36%、73.5%和 6.9%;熔體溫度:10.52%、18.1%和 75%;注射時(shí)間:50.22%、5.5%和5.6%;筋的形狀:8.5%、0.8%和9.5%;筋的角度:10.4%、2.1%和3%。

筋的形狀和角度對翹曲變形有著很大的影響，尤其是PC/ABS和PA66注塑件。

3.3 結(jié)果預(yù)測與試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)上述分析結(jié)果以及優(yōu)化組合，可以預(yù)測出最小翹曲值，見表4。

表4 翹曲預(yù)測與真實(shí)值

采用優(yōu)化工藝參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)，得到了試驗(yàn)的最小翹曲值。PC/ABS、POM和PA66注塑制品翹曲值誤差分別為6.7%、2%和11.8%，考慮軟件模擬分析誤差，此誤差值在可接受范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

利用Taguchi方法能夠得到了工藝參數(shù)的優(yōu)化組合及預(yù)測最小翹曲值。針對PC/ABS和POM帶筋注塑件，采用與X方向成90°夾角的梯形截面的加強(qiáng)筋，能得到最小的翹曲值;針對PA66注塑件，采用與X方向成45°夾角的梯形截面的加強(qiáng)筋，能得到最小的翹曲值;針對不同的材料類型，加強(qiáng)筋對制品翹曲的影響程度不盡相同，所以在設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋時(shí)應(yīng)該加以考慮。研究結(jié)果為以后的塑料件加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)提供科學(xué)指導(dǎo)。

［1］屈華昌.塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］OZCELIK B，ERZURUMLU T.Comparison of the warpage optimization in the plastic injection molding using ANOVA，neural network model and genetic algorithm［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006(171):437－445.

［3］PEACE G S.Taguchi Methods:A Hands－ On Approach［M］.New York:Addison － Wesley，1993.

［4］PHADKE M S.Quality Engineering Using Robust Design［M］.New Jersey:Prentice － hall，1989.

［5］ERZURUMLU T，OZCELIK B.Minimization of warpage and sink index in injection－molded thermoplastic parts using Taguchi optimization method［J］.Materials and design，2006(27):853 －861.