基于Moldflow的管道分路器注塑成型工艺翘曲优化分析

Optimization Analysis of Warping of Injection Molding Process of Pipeline Distributor Based on Moldflow

摘要

管道分路器所用材料为聚酰胺66（PA66），通过注塑成型工艺制得，通过Moldflow软件对其进行模流分析，注塑成型过程受到很多因素影响，本文以熔体温度、注射压力、保压压力以及冷却时间为研究变量，以制件的翘曲变形量为研究目标建立响应面模型，通过获取较佳的成型工艺参数组合，从而降低制件的翘曲变形量。结果表明：当熔体温度为238 ℃、注射压力为50 MPa、保压压力为30 MPa、冷却时间为110 s时，制件的翘曲变形量最小，为2.264 0 mm，较未优化前降低了2.118 7 mm，整体质量显著提升。

关键词

管道分路器 / 响应面分析 / Moldflow / 工艺优化

Key words

Pipeline splitter / Response surface analysis / Moldflow / Process optimization

机油管道连接分路器通过各个管道相连，实现油路发出作用，由于机油润滑度较高，非常容易溢出，因此对管道分路器的成型质量要求较高^[1]。管道分路器所用材料为聚酰胺66(PA66)，俗称尼龙66，由于其具有良好的力学性能、耐热性能以及耐腐蚀性能等，因此被广泛应用于汽车、机械、纺织等领域。同时，由于PA66是一种可回收的环保材料，因此也使得其成为工程应用五大塑料之一^[2]。

注塑成型工艺是目前塑料行业应用最多的一种成型工艺方式，针对注塑工艺存在的生产问题，很多学者也作出了一定的研究。李瑞娟等^[3]通过BP神经网络算法对汽车的内饰面板注塑成型工艺作出了优化，得到一组制件成型质量较好的工艺参数组合，为后续注塑制件的研究作出了一定的指导。顾嘉琦等^[4]对温控器上盖进行研究，采用均匀实验设计法降低制件的翘曲变形量。夏新宇等^[5]基于Moldflow对冷却管道分布进行了研究，显著提高了模具的冷却效率和温度分布的均匀性，减少了制品翘曲变形值。季宁等^[6]对过度连接管道分路器进行了研究，提高了模具的耐用性能，降低了模具的故障率。刘荣进等^[7]对四通管进行了模具设计，提高了模具的设计效率。黄钢华等^[8]通过Moldflow的MPI模块对制件翘曲变形作出了研究，提高了制件的成型质量。张红等^[9]通过计算机辅助工程对管道接头进行了优化，验证了优化工艺具有合理性。张新聚等^[10]对冷却水路管道布局进行了研究，提升了制件的注塑质量。刘强等^[11]对注塑管材工艺进行了研究，提升了制件的性能。管道分路器通过注塑成型工艺获得，所用材料为尼龙66，本实验通过研究其熔体温度、注射压力、保压压力以及冷却时间对其成型缺陷的影响，获得一组最佳的成型工艺参数组合，从而降低其翘曲变形量。

1 模拟仿真

1.1 建立模型

图1为管道分路器模型。从图1可以看出，该制件最大长度为347 mm，最大宽度为172 mm，厚度为53 mm。该制件主要作用是能够让管道在工作时实现分流作用^[1]。

1.2 网格划分

利用建模软件UG 10.0建立分路器模型，随后导出x_t格式到Moldflow软件中进行模流分析。首先模型导入为双层面，随后创建网格，图2为管道分路器网格分布。

一般要求网格最大纵横比小于20，网格匹配率大于90%，网格质量较好^[12]。本次实验网格总单元数为75 460，最大纵横比为13.2，网格匹配率高达91.75%，满足整体设计要求。

1.3 初始翘曲变形分析

管道分路器所用材料为PA66，表1为PA66的工艺参数^[13]。其中，保压压力为注塑压力的50%左右，因为材料凝结相对较快，短的保压时间已足够，其大小根据注塑压力而来^[14]。冷却时间与制件的厚度有关，一般制件厚度小于2 mm时，冷却时间在45~75 s，大于2 mm时，冷却时间在100~150 s^[15]。本次所用管道分路器厚度要求在2~3 mm，所以冷却时间保持在100~150 s即可^[16]。熔体温度在180~280 ℃，既不能过高，也不能过低，过高会导致热降解，过低则容易造成填充不足的缺陷^[17]。

当熔体温度为200 ℃、注射压力为30 MPa、保压压力为20 MPa、冷却时间为120 s时，对管道分路器进行初步模拟，图3为初步模拟结果。从图3可以看出，制件的最大翘曲变形量为4.382 7 mm，实际生产要求制件的翘曲变形量要小于3.000 mm，因此需要对制件进行优化分析，从而降低其翘曲变形量，提高成型质量，满足实际生产需求。

2 响应面成型工艺参数优化

2.1 建立因素水平

本次实验采用四因素四水平的CCD实验分析，以熔体温度(A)、注射压力(B)、保压压力(C)、冷却时间(D)为研究变量，制件的翘曲变形量为研究目标，表2为具体的因素水平设计。

2.2 响应面样本数据

根据Design Expert 10.0软件进行DOE实验设计，共设计了30组组合实验，通过Moldflow模拟出这30组组合所得到的制件翘曲变形量样本数据，表3为响应面样本数据。

2.3 响应面拟合

根据上述结果得到线性回归方程公式为：R=3.5+0.095A-0.19B+0.015C-0.1D-0.23AB+0.16AC-0.026AD-0.1BC+0.28BD+0.11CD+0.23A ²+0.081B ²-0.079C ²-0.037D ²。

从线性回归方程可以看出，交互影响作用大小依次为：BD>AB>AC>CD>BC>AD，单个因素大小依次为B>D>A>C，其中AB与AD对制件的翘曲变形量呈现负相关，其余因素呈现正相关。图4为可以得到的正态概率分布以及拟合曲线。从图4可以看出，无论是正态分布还是拟合曲线，其中散点基本都分布在直线的两侧，呈现动态分布，这表明拟合效果较好，可以用于实验结果预测。

2.4 方差分析

根据上述分析可以得到响应面模型的方差，表4为方差分析结果，根据方差可以显著看到各个因素之间的交互作用。从表4可以看出，模型项显著，失拟项不显著，满足响应面模型基本要求。AB与BD交互作用显著，并且单个因素来看，影响大小依次为B>D>A>C，与线性回归方程得出的结论一致，表明结果准确。相关系数(r ²)为0.923 5，大于0.900 0，表明效果较好，模型信噪比(r)大于4，分辨效果较好，可以进行预测。

一般根据三维等高线图能够更加清晰地看出具体的交互影响效果，图5为等高线交互作用图。根据图形的陡峭程度可以判断各因素之间的交互作用程度。从图5可以看出，注射压力(B)与熔体温度(A)交互作用较为显著，冷却时间(D)与注射压力(B)交互作用较为显著，其余因素交互作用不显著。

3 模拟验证

利用分析软件对其进行优化分析，图6为管道分路器翘曲变形具体的模拟结果。从图6可以看出，当熔体温度为238 ℃、注射压力为50 MPa、保压压力为30 MPa、冷却时间为110 s时，制件的最大翘曲变形量为2.264 mm，小于3.000 mm，可满足实际需求。

4 结论

通过DOE实验设计，得到制件的影响大小依次为：B>D>A>C，即注射压力>冷却时间>熔体温度>保压压力。通过响应面模型，得到较佳的成型工艺参数组合为：熔体温度238 ℃、注射压力50 MPa、保压压力30 MPa、冷却时间110 s。此时制件的翘曲变形量最小，为2.264 mm。

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