随着交通工具的发展及交通问题的日益突出[1-3],信号控制器的应用越来越多,主要包括交通信号控制、电机控制、功率转换和传感器处理等[4-5]。随着电子电器件轻量化、集成化的发展,对于信号控制器的尺寸和质量提出更高要求[6]。聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)材料具备较好的电化学性能、阻燃性能及刚强度[7],加入一定比例的玻璃纤维,PBT各方面性能进一步提升[8]。然而,玻纤增强材料注塑成型中典型的缺陷是翘曲变形过大,导致产品尺寸、形位公差不合格[9]。信号控制器对于外观要求较高,因此,注塑成型设计中主要考虑翘曲变形和缩痕[10]。注塑成型的工艺参数对产品翘曲变形和缩痕状态具明显影响,此过程中通常采用计算机辅助工程(CAE)技术,模拟产品在一定工艺参数下的注塑成型过程[11],并评估产品状态是否合格。利用正交试验法优化工艺参数是典型方法[12]。以工艺参数为自变量、翘曲变形等作为目标变量,设计正交试验对不同工艺参数组合下注塑成型过程进行模拟计算,通过极差分析、方差分析法探究最优工艺参数[13]。本实验针对某玻纤增强PBT材料的信号控制器注塑成型中翘曲变形及缩痕状态不合格的问题,设计正交试验,探究保压压力、保压时间、模腔温度及料筒温度的最优参数,并通过模流分析和实际试模来验证最优参数的合理性。1信号控制器结构设计图1为某信号控制器外壳结构示意图。产品整体呈半封闭式盒装结构,尺寸为278 mm×97 mm×36 mm。产品主要由背面的5个螺柱孔进行安装固定,背面的加强筋用于提高产品刚强度,外观面无特征结构。信号控制器外壳需要外观面无明显缩痕,翘曲变形量在一定范围内。根据实际注塑成型对标经验,得到具体设计指标为:缩痕估算不超过0.20 mm,翘曲变形值不超过0.70 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.018.F001图1信号控制器结构Fig.1Structure of signal controller图2为信号控制器的厚度分布。从图2可以看出,厚度在0.5~4.5 mm之间,最大厚度位于螺柱附近,有利于提高安装强度。最小厚度位于背面加强筋的顶端,利于脱模并降低缩痕风险。主要外观面厚度为1.5 mm,侧面厚度相对较小,为1.24 mm左右。螺柱孔壁面厚度约为2.6 mm,加强筋厚度约为1.1 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.018.F002图2信号控制器厚度属性Fig.2Thickness property of signal controller2初始模流分析2.1网格模型由于该信号控制器壳体主要呈盒状,厚度较薄,采用Fusion双面网格类型进行网格划分。图3为信号控制器双面网格模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.018.F003图3信号控制器网格模型Fig.3Mesh model of signal controller单元基本尺寸为1.2 mm,单元总数为39 867,单元纵横比在1.5~3.5之间,平均纵横比为1.7,匹配百分比为95.9%,相互匹配百分比为93.6%,达到模流分析的单元质量要求,模流分析可正常运行。2.2材料性能参数该信号控制器外壳采用40%玻纤增强PBT材料进行注塑成型。表1为PBT注塑成型相关工艺参数及性能参数。其中,要求模腔温度较高,可采用油作为介质。根据UDB文件,推荐初始工艺参数设置为:料筒温度250 ℃,模腔温度90 ℃,保压压力50 MPa,保压时间4 s。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.018.T001表140%玻纤增强PBT材料参数Tab.1Material parameters of 30% glass fiber PBT工艺参数数值工艺参数数值顶出温度/℃182固体密度/(g·cm-3)1.57模腔温度范围/℃80~95弹性模量E1/MPa9271模腔表面温度/℃90弹性模量E2/MPa5389料筒温度范围/℃235~265泊松比v120.42剪切速率最大值/s-156000泊松比v230.46剪切应力最大值/MPa0.48剪切模量E1/MPa23212.3流道系统设计该信号控制器对于外观面要求较高,不允许外观面上布置浇口,浇口只放置在侧边,考虑脱模方便,故采用潜伏式浇口。考虑材料流动性,采用四点热流道接冷流道进胶方式。图4为信号控制器进胶系统设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.018.F004图4信号控制器进胶系统设计Fig.4Design of runner system of signal controller2.4冷却系统设计冷却系统设计直接影响信号控制器外壳的整个成型周期,合理设计信号控制器的冷却系统,可以使模具在整个成型过程中保持均匀的温度场,从而保证熔体的流动和固化速率的稳定,降低冷却不均导致的收缩差异。基于信号控制器的结构特点与流道的结构,在信号控制器模型动模侧和静模侧各放置两个冷却水管,较短的水管主要用于冷却产品中部,较长的水管主要冷却产品边缘。冷却水管直径为11.5 mm,恒温为80 ℃的水作为冷却介质,回路雷诺数默认为10 000。图5为信号控制器冷却系统设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.018.F005图5信号控制器冷却系统设计Fig.5Cooling system design of signal controller2.5初始分析结果基于该信号控制器的注塑成型初始工艺参数进行模流分析,图6为所有效应下的翘曲变形量及缩痕估算结果。从图6可以看出,该信号控制器在开口边缘区域翘曲变形量较大,最大翘曲变形量为0.789 4 mm,不满足设计指标要求(0.70 mm)。缩痕估算在5个螺柱孔附近较大,这是由于螺柱孔区域厚度较大。最大缩痕估算为0.230 7 mm,超过设计指标允许的最大缩痕估算值0.20 mm。初始工艺参数下,该信号控制器的翘曲变形量及缩痕估算均需要进行工艺参数优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.018.F006图6初始分析结果Fig.6Initial simulation results3正交试验设计与分析信号控制器实际注塑成型试模中发现,影响信号控制器翘曲变形量及缩痕状态的主要工艺参数为保压压力(A)、保压时间(B)、模腔温度(C)及料筒温度(D),故选择此4个工艺参数为因素,并在材料推荐参数范围内设置4个水平,表2为L16(44)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.018.T002表2L16(44)正交试验因素水平设计Tab.2L16(44) orthogonal test factor level design因素水平1234保压压力(A)/MPa45505560保压时间(B)/s3456模腔温度(C)/℃80859095料筒温度(D)/℃235245255265表3为L16(44)正交试验结果。从表3可以看出,第13组试验的最大翘曲变形量最小,为0.498 mm;第1组试验的最大翘曲变形量最大,为0.853 mm。第9组试验缩痕估算最小,为0.124 mm;第1组试验缩痕估算最大,为0.256 mm。最大翘曲变形量及最大缩痕估算的最大值与最小值相差一倍左右,说明工艺参数对最大翘曲变形及缩痕估算具有较大影响,表明通过工艺参数优化达到设计指标要求具有可行性。第2、5、8、9、13、14及16组试验均满足设计指标要求,验证正交试验设计的合理性。对于信号控制器的最大翘曲变形量,4个工艺参数的极差(R)排序为:RBRCRDRA,工艺参数影响程度排序为:保压时间模腔温度料筒温度保压压力。对于信号控制器的最大缩痕估算,4个工艺参数极差(R*)排序为:RA*RD*RC*RB*,工艺参数影响程度排序为:保压压力料筒温度模腔温度保压时间。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.018.T003表3L16(44)正交试验结果Tab.3Results of L16(44) orthogonal test试验编号因素最大翘曲变形量/mm最大缩痕估算/mmABCD111110.8530.256212220.5740.198313330.7830.142414440.6890.223521230.5760.137622140.8410.199723410.7430.187824320.5630.145931340.6980.1241032430.7340.1761133120.8060.1651234210.6170.2031341420.4980.1341442310.6650.1761543240.7340.1381644130.5890.146k10.7250.6560.7720.720k20.6810.7040.6250.610k30.7140.7670.6770.671k40.6220.6150.6660.741k1*0.2050.1630.1920.206k2*0.1670.1870.1690.161k3*0.1670.1580.1470.150k4*0.1490.1790.1800.171R0.1030.1520.1470.130R*0.0560.0290.0450.055注:*为目标变量为最大缩痕估算的k值和R值。图7为信号控制器的最大翘曲变形随不同工艺参数水平变化的曲线。从图7可以看出,随保压压力A的增大,信号控制器的最大翘曲变形量先减小后增大再减小,当保压压力为A4,最大翘曲变形最小。随保压时间B的增大,最大翘曲变形量先增大后减小,保压时间为B4时,最大翘曲变形最小。随模腔温度C的增大,最大翘曲变形量先减小后增大再减小,当模腔温度为C2,最大翘曲变形量最小。随料筒温度D的增大,最大翘曲变形量先减小后增大,当料筒温度为D2,最大翘曲变形最小。由此得出,当工艺参数组合为A4B4C2D2,信号控制器的最大翘曲变形量最小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.018.F007图7最大翘曲变形量与因素水平关系曲线Fig.7The relationship curves between maximum warpage dedormation and factor level图8为信号控制器的最大缩痕估算随不同工艺参数水平变化曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.018.F008图8缩痕估算与因素水平关系曲线Fig.8The relationship curves between sink mark estimation and factor level从图8可以看出,随保压压力A的增大,信号控制器的最大缩痕估算逐渐减小,当保压压力为A4,最大缩痕估算最小。随保压时间B的增大,最大缩痕估算先增大后减小再增大,保压时间为B3时最小。随模腔温度C的增大,最大缩痕估算先减小后增大,当模腔温度为C3,最大缩痕估算最小。随料筒温度D的增大,最大缩痕估算先减小后增大,当料筒温度为D3,最大缩痕估算最小。综上所述,当工艺参数组合为A4B3C3D3,信号控制器的最大缩痕估算最小。为了解误差的相对影响及正交试验的可信度,对正交试验进行一次重复试验,并以最大翘曲变形量和最大缩痕估算为目标变量进行方差分析。表4为最大翘曲变形量的方差结果。从表4可以看出,4个工艺参数的F值均1,故误差的相对影响较小,正交试验结果具有较高可信度。各工艺参数的F值排序为:BCDA,工艺参数对最大翘曲变形量影响程度排序为:保压时间模腔温度料筒温度保压压力。对于保压时间和模腔温度,F0.05F值F0.01,故保压时间和模腔温度对最大翘曲变形量具有显著影响。料筒温度和保压压力的F值F0.05,故料筒温度和保压压力对最大翘曲变形量影响不显著。表5为缩痕估算的方差分析结果。从表5可以看出,各工艺参数的F值均1,正交试验的结果具有可信度。各工艺参数F值排序为:ADCB,工艺参数影响程度排序为:保压压力料筒温度模腔温度保压时间。对于保压压力和料筒温度,F0.05F值F0.01,故保压压力和料筒温度对缩痕估算具有显著影响。模腔温度和保压时间的F值均F0.05,故模腔温度和保压时间对缩痕估算影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.018.T004表4最大翘曲变形量的方差分析Tab.4Variance analysis of maximum warpage deformation离差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和F值F临界值A0.01330.00431.808F0.01(3,19)=5.01F0.05(3,19)=3.13B0.02630.00853.578C0.02330.00773.249D0.02030.00672.819误差0.045190.0024总和0.1273110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.018.T005表5缩痕估算的方差分析Tab.5Variance analysis of sink mark estimation离差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和F值F临界值A0.003530.00123.367F0.01(3,19)=5.01F0.05(3,19)=3.13B0.001130.00041.104C0.002230.00072.124D0.003330.00113.258误差0.0065190.0003总和0.0166314综合分析与验证考虑工艺参数对最大翘曲变形量及最大缩痕估算的影响程度,综合分析优化工艺参数组合。对于保压压力A,最大翘曲变形量和缩痕估算均在A4获得最优值,故只对保压时间B、模腔温度C和料筒温度D进行优选。保压时间B对缩痕估算无显著影响,而对最大翘曲变形量具有显著影响,故选择使最大翘曲变形量为最优的B4。模腔温度C对缩痕估算无显著影响,而对最大翘曲变形具有显著影响,故选用最大翘曲变形量为最优的C2。料筒温度D对缩痕估算影响显著,而对最大翘曲变形量无显著影响,故选用缩痕估算为最优的D3。因此,最优工艺参数组合为A4B4C2D3,对应具体取值为:保压压力60 MPa,保压时间6 s、模腔温度85 ℃及料筒温度255 ℃。利用Moldflow对优化工艺参数组合下的信号控制器注塑成型过程进行模流分析计算,图9为最大翘曲变形量及缩痕估算结果。从图9可以看出,最大翘曲变形量为0.502 0 mm,出现在边缘区域,相比初始工艺结果降低36.4%,优化效果明显,且满足设计指标要求。最大缩痕估算为0.137 2 mm,相比初始工艺降低40.5%,且达到设计指标要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.018.F009图9优化工艺参数分析结果Fig.9Simulation results of optimized process parameters利用仿真模拟计算验证优化工艺的合理性。图10为基于优化工艺参数得到的充填结果。从图10可以看出,充填过程等值线整体分布均匀,无空白、明显密集区域,说明料流充填过程较为稳定,无缺胶和明显迟滞效应,整体外观状态良好。最低流动前沿温度为253.2 ℃,最大流动前沿温度为257.4 ℃,温度极差为4.2 ℃,充填过程中较小的料流温度变化降低由温差导致的色泽差异,且保证熔接线强度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.018.F010图10优化工艺充填结果Fig.10Filling results of optimized parameters基于流道系统模型和优化的工艺参数进行实际注塑成型试模。图11为信号控制器实际试模样品。从图11可以看出,样品外观良好,无缺胶、温差线、气痕等外观缺陷,缩痕状态合格,实测产品尺寸、公差均满足要求,产品可正常安装,验证优化工艺在实际注塑成型生产中的可行性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.018.F011图11信号控制器实际试模样品Fig.11Mold trial sample of signal controller5结论针对某40%玻纤增强PBT材料的信号控制器在初始工艺下的最大翘曲变形量和缩痕估算不满足设计指标要求,设计正交试验探究工艺参数优化方案。保压时间和模腔温度对信号控制器的最大翘曲变形量具有显著影响。保压压力和料筒温度对缩痕估算具有显著影响。最优工艺参数组合为A4B4C2D3。优化工艺下,相比初始工艺,最大翘曲变形降低36.4%,缩痕估算降低40.5%,均满足要求。实际试模验证优化工艺参数可应用于实际生产。

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