微齒輪注射成型數(shù)值模擬及正交優(yōu)化.pdf

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1、巫少龍，等：微齒輪注射成型數(shù)值模擬及正交優(yōu)化43微齒輪注射成型數(shù)值模擬及正交優(yōu)化巫少龍樓白楊(衢4'if職業(yè)技術(shù)學(xué)院，衢州324000)(浙江工業(yè)大學(xué)，杭州，310000)摘要基于CAE軟件采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案對(duì)微注射成型工藝參數(shù)如模具溫度、熔體溫度、注射速率、保壓壓力、保壓時(shí)間及冷卻時(shí)間等與微齒輪制件質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值模擬，并利用直觀分析法和方差分析法對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，當(dāng)模具溫度為40~C、熔體溫度為225~2、注射速率為10cm／s、保壓壓力為100MPa、保壓時(shí)間為1Sx冷卻時(shí)間為20S時(shí)，制件的質(zhì)量最優(yōu)，其翹曲量為0．011

2、8mm，收縮率為0．2897％。關(guān)鍵詞微注塑微齒輪正交優(yōu)化數(shù)值模擬科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使機(jī)器和元器件不斷向微型化方向發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)相繼應(yīng)用于光電通訊、影像傳輸、生化醫(yī)療、信息存儲(chǔ)、精密機(jī)械等領(lǐng)域，如插頭式光纖連接器、醫(yī)學(xué)用微量泵、內(nèi)窺鏡零件、旋轉(zhuǎn)傳感器中的衍射光柵以及微齒輪等J。隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)微型制件圖1模型及冷卻系統(tǒng)圖的要求不斷提高，以傳統(tǒng)的微細(xì)加工技術(shù)成型的制體溫度日、注射速率c、保壓壓力D、保壓時(shí)間E、冷件不能滿足13益更新的要求。而以微注射成型方法卻時(shí)間等6個(gè)對(duì)微注射成型影響較大的工藝參成型制件，不僅生產(chǎn)效率高，而且成型質(zhì)

3、量穩(wěn)定，成數(shù)作為試驗(yàn)因素，采用正交試驗(yàn)來確定最佳工藝條為了現(xiàn)代微細(xì)加工工藝一個(gè)重要的發(fā)展方向。件。正交試驗(yàn)的因素水平見表1所示。筆者針對(duì)國內(nèi)外微注射成型實(shí)驗(yàn)與模擬研究的表1正交試驗(yàn)的因素水平表發(fā)展與現(xiàn)狀，利用CAE軟件Moldflow以聚丙烯因素水平水平1水平2水平3(PP)微齒輪的注射成型為數(shù)值模擬對(duì)象，模擬模具A／℃204060溫度、熔體溫度、注射速率、保壓壓力、保壓時(shí)間、冷℃225240255(cm3．s一102O5O卻時(shí)間等不同的注塑工藝參數(shù)組合對(duì)微齒輪制件產(chǎn)D／MPa6080100品質(zhì)量的影響，并用正交優(yōu)化的方法來優(yōu)化注塑工E／sl5l5

4、藝參數(shù)J。F，s1O15201實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸O(shè)計(jì)2結(jié)果與討論1．1實(shí)驗(yàn)材料的選擇2．1直觀分析微注塑材料的選擇除了考慮材料的力學(xué)性能、(1)工藝參數(shù)對(duì)制件收縮率的影響化學(xué)穩(wěn)定性等外，還要考慮材料的流變特性。國外由正交試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果得到工藝參數(shù)對(duì)制件收縮文獻(xiàn)報(bào)道提到適合微注射成型的材料主要有聚甲醛率的影響，如圖2所示。(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙稀酸甲酯(PM—MA)、PP等。筆者選用PP作為微注射成型材料。1．2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屠肕oldflow軟件來進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，選取的制件模型為微型齒輪，采用一模四腔，為了保證齒輪的圓度，采用了直接三板模形式，

5、建立了簡(jiǎn)單的冷卻系統(tǒng)，模型見圖1。1．3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖2工藝參數(shù)對(duì)制件收縮率的影響利用Moldflow軟件進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)處理時(shí)，將翹曲量、收縮率作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)；將模具溫度A、熔收稿日期：2010．12．10工程塑料應(yīng)用2011年，第39卷，第2期從圖2可以看出，保壓壓力對(duì)制件收縮率的影不宜過長(zhǎng)，否則不但生產(chǎn)效率低，而且制件內(nèi)部壓力響最大，隨著保壓壓力的增大，收縮率減小。這是因降到零以后進(jìn)一步冷卻可能在制件內(nèi)部形成負(fù)壓，為熔融樹脂在保壓壓力的作用下受到壓縮，壓力越冷卻收縮使制件內(nèi)外之間產(chǎn)生拉應(yīng)力，產(chǎn)生變大，發(fā)生的壓縮量越大，壓力解除后的彈性回復(fù)也越形。大

6、，因此收縮率越小。但過高的保壓壓力會(huì)造成脫(2)工藝參數(shù)對(duì)制件翹曲量的影響膜時(shí)殘余應(yīng)力增大，制件易變形、開裂。一般應(yīng)該使由正交試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果得到各工藝參數(shù)對(duì)制件翹保壓壓力略低于注塑壓力，這樣可以提高制件質(zhì)量，曲量的影響，如圖3所示。減少內(nèi)應(yīng)力。由圖2還可知，熔體溫度對(duì)制件收縮率的影響與保壓壓力存在差異性。在低溫時(shí)，隨著熔體溫度的升高，收縮率增大，在高溫時(shí)，熔體溫度升高，收縮率反而減小。主要是因?yàn)槿垠w溫度升高，隨熔體帶入模腔的熱量增多，使模溫升高，從而引起收縮率加大。而過高的熔體溫度會(huì)加速材料的熱降解，導(dǎo)致索水制件的性能劣化，同時(shí)模具的鎖模力也要加大，

7、這會(huì)圖3工藝參數(shù)對(duì)制件翹曲量的影響增加模具和頂出機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)冷卻時(shí)問要延長(zhǎng)，從圖3可以看出，保壓壓力對(duì)制件翹曲量的影導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降。另外，熔體溫度對(duì)制件的收縮Ⅱ向最大，翹曲量隨著保壓壓力的增大而減小。高保率的影響與所選材料有較大關(guān)系，有些材料收縮率壓壓力能夠降fiTc~0件收縮的機(jī)會(huì)，補(bǔ)充模腔的塑料隨著熔體溫度的升高而減小。熔體多可避免制件的收縮，使得收縮均勻，減小制件模具溫度對(duì)制件收縮率的影響趨勢(shì)與熔體溫度的翹曲變形。過低的保壓壓力，則可能出現(xiàn)熔體回相反，隨著模具溫度的增加，收縮率先減小后增大，流現(xiàn)象，或者模腔內(nèi)的熔體沒有被壓實(shí)而形成較大增

8、幅和降幅都較小。升高模具溫度，會(huì)使制品出模的體積收縮率，導(dǎo)致翹曲；過高的保壓壓力會(huì)產(chǎn)生較后的熱收縮率增大，使成型收縮率隨之