课程名称： 塑料成型工艺与模具设计 项目名称： 注塑成型工艺参数优化
姓名：xxx专业：机械 班级：x学号：xxxxxxxxx同组成员___________
一、实验预习部分：
1.实验目的：
1.了解注塑成型过程和成型工艺条件；
2.掌握注塑成型工艺参数的确定以及它们对制品结构形态的影响；
3.掌握模流分析软件的使用；
4.了解不同材料不同工艺的塑料产品工程分析方法。
2.实验原理：
本实验使用Moldflow 模流分析软件，通过数值模拟可以描述塑料在注塑成型时，遭受热力历程与行为变化，以及在模具内产生的速度分布、应力分布、温度分布、压力分布，并藉此探讨冷却固化、翘曲变形和加工参数及模具设计参数的关系，本实验仿真卡扣塑料平板注射成型过程，Moldflow快速模拟加工工艺参数来寻求最佳成型参数，下图模流分析流程:
图1 实验分析流程
| 3.实验仪器： 1、电脑 2、MOLDFLOW软件 3、正交试验法教程 4、模具分析软件使用教程 5、塑料卡扣平板实验案例（含建模） 4.实验步骤及方法： （一） 前处理 在Moldflow Plastics Insight)前处理过程主要是制品模型创建及导入模具分析软件，并进行模型、网格划分与修改、材料选择、浇道系统设计与进浇位置选择和创建冷却系统。制品划分网格后的有限元模型如图2，图3为三种不同的成型工艺方案。 A俯视图 B正视图 C仰视图 D左视图 图2 制品有限元分析模型 方案一 方案二 方案三 图3 制品成型工艺方案 实验过程中提供电子图档有限元分析模型，在此选择方案 一 。 浇注系统形状尺寸如下（详细说明主流道、分流道、浇口）： 主流道：入口直径4.0mm、长度L=50mm；拔模角I=1.5deg 分流道：梯形截面、顶部宽度6.84mm、底部宽度5.26mm、高度H=6mm、长度80mm 竖直流道：圆形截面、始端直径D=2mm、拔模角I=2deg，长度38.5mm 浇口：始端直径S=1.5mm、末端直径E=2mm；长度N=1.5mm 冷却系统分布以及形状尺寸如下（型芯，型腔）： 冷却系统分布：直流式 冷却系统：零件尺寸 X=326mm，Y=109mm，Z=38mm；指定水管直径8mm 管道数量：4*3=12 管道中心之间距：30mm；零件之外距离：160mm （二）实验材料 选用材料为奇美一般级ABS Polylac PA-757 材质，为注塑成形所使用塑料，在Moldflow 材料数据库即可选用分析，详见附1材料工艺参数推荐，也可查阅PA-757 材料特性表，针对卡扣塑料平板，不像使用在机械结构上需要强大的机械强度，其较注重为注塑成形后的几何公差，以及翘曲变形程度。 注塑机可以按照系统默认，或者按照自己需求进行选择。 在此实验选择材料为：ABS Polylac PA-757 ，初设工艺参数如下：塑料温度(˚C) 210 ，充填时间(Sec) 0.8 、保压时间(Sec) 10 、冷却时间(Sec) 20 、开模时间(Sec) 5 、注射压力(Mpa) 120 和保压压力(MPa) 80 ，其他工艺参数： 充填体积99% 。 （可以查询文献资料） 注塑机参数：（默认的不用填） 。 （三）分析流程选择及工艺设置 本实验选取热塑性塑料的充填+冷却+充填+保压+翘曲的工程分析指令。 本实验选取热塑性塑料的充填+冷却+充填+保压+翘曲的工程分析指令。 图5 选择分析流程 充填与保压设定页面中如图6所示，充填控制有流速、螺杆速度与注射时间可选择，在此选择注射时间进行仿真，而速度/压力切换也有注射压力、液压、锁模力…等等可选择，这里选择注射压力来进行切换，保压控制上直接选择保压压力vs 时间来控制，可以选择编辑曲线可弹出曲线设定的对话框，依照所需要设定给予的保压压力和保压时间来控制保压压力曲线，如图7图8： 图6 充填与保压设定 图7 保压压力和保压时间来控制（阶段保压） 冷却设定页面图9包含了熔胶温度、开模时间，一般来说熔体温度在Molflow 依照选择的材料里，系统会推荐最佳注射温度，故在设定上熔胶不可超出容许温度，不然塑料容易烧结，开模时间包含了开模+顶出+合模的综合时间，在Moldflow 无法将冷却时间出来，需要将注射时间与保压时间一起加总计算。 图9冷却设定 翘曲设定页面如图10所示，不同的网格划分方式会有不一样的成型条件设置，此研究采用双层网格依照可选择的项目说明如下:（1）考虑模具热膨胀:在射出成形过程中，模具温度会随着熔体温度升高而升高，因此模具会产生热膨胀，引起模具模腔膨胀，致使塑件翘曲变形。（2）分离翘曲原因:引起翘曲的因素有三个，选择此选项可在分析结果列出每一种因素(收缩、冷却、分子取向)对翘曲变形量的影响。（3）考虑转角影响:由于模具的会使塑件锐角区域的厚度方向比平面方式的收缩更大，此选项就是考虑了模具的对分析结果的影响。 图10翘曲设定 5.注意事项： （1）注意观察模流分析过程中注射成型制品的缺陷，并探讨如何解决。对充填、冷却、翘曲结果进行分析，掌握制品成型质量的工艺影响。 （2）改变浇注系统与冷却系统参数，对成型质量有如何影响？试用模流分析软件进行分析，并做出总结。 （3）对三种工程塑料进行分析说明，总结优缺点及应用。 （4）可以自己另设方案以及修改工艺参数类别与水平进行工艺优化实验。 |
2、实验过程记录部分：
1.实验过程记录：
依照所建构之几何模型与仿真参数设定可按照分析需求进行以下各阶段分析：
1. 充填流动分析与保压分析:
(1)流动波前(melt front advancement)
检查有无短射、包风和熔合线…等等问题
(2)温度分布(temperature disturbution)
可依据热量集中位置进行冷却改善
(3)压力分布(pressure distribution)
多点入浇时可评估浇口压力问题，找出较佳入浇位置
(4)剪切应力分布(shear stress distribution)
检查剪切应力分布是否均匀，如不均匀可能产生压力集中，而造成翘曲产生
(5)剪切率分布(shear rate distribution)
剪切率与分子配向有关，若剪切率过高会拉断塑料高分子链，产生裂解
(6)体积收缩率分布(volumetric shrinkage distribution)
体积收缩取决于保压问题，不均匀收缩容易产生成品变形
2. 冷却分析
(1)塑料温度分布
可判别塑料温度是否以降于顶出温度之下
(2)冷却回路进出口温度分布
依据冷却回路进出口温度可判定回路对于降低模具温度是否平均，进出口温度差异过大，表示冷却回路设计不当，容易产生成品变形
3.翘曲分析
(1)位移分布(displacement distribution)
判别成品在整体变形和x、y、z 方向各别单一的变形量
(2)体积收缩率分布(volumetric shrinkage distribution)
成品在温度降至常温的体积缩收变化，变化越严重表示成品翘曲或变形更大
（3）变形翘曲量
在Modflow 翘曲分析中可以得到总翘曲量和x、y、z 分别的翘曲量，此研究中不针对总变形量探讨，主要以改善影响质量的区域作为量测依据。
（五）应用田口实验计划法
田口方法在于使所设计的产品质量稳定、波动性小，使生产过程对各种噪声不敏感。在产品设计过程中，利用质量、成本、效益的函数关系，在低成本的条件下开发出高质量的产品，田口方法以实验手段来决定设计参数，设计的目标在追寻最佳产品或是工艺过程，且能持续维持稳健性，使受到外在干扰因子的影响降到最小，在田口方法的构想中，依照控制因子及水平数选择适当的直交表，并以S/N(Signal toNoise)比作为实验数据的来源，再加以探讨选定的控制因子对于质量特性影响的多少，使外在的干扰因子对质量特性减至最小，称为稳健设计。
因子又称为自变量，也就是在制程中或产品零组件中会影响质量特性质的参数，因子又分为四种类:分为控制因子(control factor)、信号因子(signal factor)和干扰因子(noise factor)或误差因子(error factor)。
1、选定质量特性
本实验的目的就是为探讨注射成型的成型参数对制品翘曲的影响，其翘曲量为其质量特性，且为望小特征。
2、选定控制因子与水平
选定控制因子为：塑料温度(˚C)，充填时间(Sec) 、保压时间(Sec)、冷却时间(Sec) 、开模时间(Sec)、注射压力(Mpa)和保压压力(MPa)，分别赋予三水平，控制因子水平如表1所示，相关参数为实际现场依照经验法则测试而定，搭配不同级距产生三组参数来进行计算机仿真。A-G的工艺参数可以根据实际需求进行合理选择。
表1 控制因子水平
| 因素 | 水平1 | 水平2 | 水平3 |
| A塑料温度 | A1 | A2 | A3 |
| B充填时间 | B1 | B2 | B3 |
| C保压时间 | C1 | C2 | C3 |
| D冷却时间 | D1 | D2 | D3 |
| E开模时间 | E1 | E2 | E3 |
| F注射压力 | F1 | F2 | F3 |
| G保压压力 | G1 | G2 | G3 |
选定7 个控制因子、3 水平数且不考虑交互作用，采用正交试验法所推荐的表，如表2 所示。根据表2所设计出实验数据如表3所示。
表2实验数据表
| 所在列 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 翘曲 |
| 因素 | 塑料 温度 | 充填 时间 | 保压 时间 | 冷却 时间 | 开模 时间 | 注射 压力 | 保压 压力 | 实验 结果 |
| 实验1 | A1 | B1 | C1 | D1 | E1 | F1 | G1 | |
| 实验2 | A1 | B2 | C2 | D2 | E2 | F2 | G2 | |
| 实验3 | A1 | B3 | C3 | D3 | E3 | F3 | G3 | |
| 实验4 | A2 | B1 | C1 | D2 | E2 | F3 | G3 | |
| 实验5 | A2 | B2 | C2 | D3 | E3 | F1 | G1 | |
| 实验6 | A2 | B3 | C3 | D1 | E1 | F2 | G2 | |
| 实验7 | A3 | B1 | C2 | D1 | E3 | F2 | G3 | |
| 实验8 | A3 | B2 | C3 | D2 | E1 | F3 | G1 | |
| 实验9 | A3 | B3 | C1 | D3 | E2 | F1 | G2 | |
| 实验10 | A1 | B1 | C3 | D3 | E2 | F2 | G1 | |
| 实验11 | A1 | B2 | C1 | D1 | E3 | F3 | G2 | |
| 实验12 | A1 | B3 | C2 | D2 | E1 | F1 | G3 | |
| 实验13 | A2 | B1 | C2 | D3 | E1 | F3 | G2 | |
| 实验14 | A2 | B2 | C3 | D1 | E2 | F1 | G3 | |
| 实验15 | A2 | B3 | C1 | D2 | E3 | F2 | G1 | |
| 实验16 | A3 | B1 | C3 | D2 | E3 | F1 | G2 | |
| 实验17 | A3 | B2 | C1 | D3 | E1 | F2 | G3 | |
| 实验18 | A3 | B3 | C2 | D1 | E2 | F3 | G1 |
三、实验结果与讨论：
1.实验处理及实验结果分析：
（1）计算机仿真数据结果分析
由控制因子对质量特性的因子反应分析结果可得知，控制因子对质量特性产生效应大小依序为 A>F>G>B>C>D>E
由表2可以得到优化参数，如表10中有底色标注的参数所示，其依序组合为:
塑料温度240℃、充填时间1.3S、保压时间20S、冷却时间29S、开模时间5S、注射压力80Mpa、保压压力70Mpa、
表1 成型工艺参数设定（添加底色注明最优组合）
| 因素 | 水平1 | 水平2 | 水平3 |
| A塑料温度 | 240 | 230 | 220 |
| B充填时间 | 1 | 1.3 | 1.6 |
| C保压时间 | 20 | 15 | 25 |
| D冷却时间 | 29 | 22 | 15 |
| E开模时间 | 5 | 6 | 7 |
| F注射压力 | 80 | 70 | 90 |
| G保压压力 | 70 | 50 | 60 |
| 所在列 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 翘曲 |
| 因素 | 塑料 温度 | 充填 时间 | 保压 时间 | 冷却 时间 | 开模 时间 | 注射 压力 | 保压 压力 | 实验 结果 |
| 实验1 | 220 | 1 | 15 | 15 | 5 | 70 | 50 | 1.058 |
| 实验2 | 220 | 1.3 | 20 | 22 | 6 | 80 | 60 | 0.8209 |
| 实验3 | 220 | 1.6 | 25 | 29 | 7 | 90 | 70 | 0.5882 |
| 实验4 | 230 | 1 | 15 | 22 | 6 | 90 | 70 | 0.5743 |
| 实验5 | 230 | 1.3 | 20 | 29 | 7 | 70 | 50 | 0.9463 |
| 实验6 | 230 | 1.6 | 25 | 15 | 5 | 80 | 60 | 0.7237 |
| 实验7 | 240 | 1 | 20 | 15 | 7 | 70 | 70 | 0.5116 |
| 实验8 | 240 | 1.3 | 25 | 22 | 5 | 80 | 50 | 0.8576 |
| 实验9 | 240 | 1.6 | 15 | 29 | 6 | 60 | 60 | 0.6508 |
| 实验10 | 220 | 1 | 25 | 29 | 6 | 70 | 50 | 1.056 |
| 实验11 | 220 | 1.3 | 15 | 15 | 7 | 80 | 60 | 0.8269 |
| 实验12 | 220 | 1.6 | 20 | 22 | 5 | 60 | 70 | 0.18 |
| 实验13 | 230 | 1 | 20 | 29 | 5 | 80 | 60 | 0.7586 |
| 实验14 | 230 | 1.3 | 25 | 15 | 6 | 60 | 70 | 0.5688 |
| 实验15 | 230 | 1.6 | 15 | 22 | 7 | 70 | 50 | 0.9316 |
| 实验16 | 240 | 1 | 15 | 22 | 7 | 70 | 60 | 0.6354 |
| 实验17 | 240 | 1.3 | 20 | 29 | 5 | 80 | 70 | 0.4580 |
| 实验18 | 240 | 1.6 | 25 | 15 | 6 | 90 | 50 | 0.8338 |
（3）原始参数模拟分析，制品翘曲变形图：
（4）优化参数结果与Moldflow 分析，制品翘曲变形图：
2.心得体会
| 通过此次以扣板塑料平板为例进行的塑料成型工艺参数优化的实验，我大致掌握了注塑成型工艺参数的确定以及它们对制品结构形态的影响。应用正交实验法，结合Autodesk Moldflow模流工程分析软件，了解注塑成型过程和成型工艺条件，初步掌握塑料成型工艺参数的确定以及它们对制品结构形态的影响。Autodesk Moldflow 为客户提供了一个简便易用的工具，使其能够在加工制造前对设计方案进行模拟评估以及优化处理。减少潜在的设计失误，缩短产品的开发周期，降低开发成本。 |
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