保压工艺和浇口尺寸对非球面镜头收缩性能的影响

2020-9-21 10:32:03      点击:

  胡广洪,徐潇明,杜艳丽,崔振山

(上海交通大学塑性成形系,上海200030)

    摘要:以非球面光学塑料镜头为研究对象,结合田口实验设计方法对其进行模拟实验,通过对实验数据进行信噪比和方差分折,研究了浇口尺寸、保压压力、保压时间及其三者之间的交互作用对产品体积收缩性能的影响。结果表明,影响非球面镜头收缩性能的因素从大到小依次为:保压压力、浇口尺寸和保压时间;同时研究表明保压压力和浇口尺寸之间的交互作用也是影响产品收缩性能的重要因素之一。最后基于研究所得的最优工艺方案组合,达到了降低了产品体积收缩、提升产品合格率的目的。

    关键词:保压工艺;浇口尺寸;收缩;田口方法

    表面品质和面形精度是衡量非球面塑料镜头品质的重要标准,因为这两者均直接影响到镜头的光学功能,尤其是面形精度,往往作为评价光学零件品质的最主要标准。然而由于非球面塑料透镜具有壁厚且厚度变化大的结构特点,在注射成型后透镜易产生密度分布不均及双折射现象,从而使面形精度无法满足使用要求。究其主要原因是由于在注射成型过程中透镜制品的体积收缩变化过大而引起的。   

    影响制件体积收缩的主要因素包括材料性能、成型工艺、模具结构等。考虑到非球面镜头的产品特征,因此本文利用Moldflow软件对塑件进行注塑过程模拟实验,结合田口实验设计法,采用信躁比和变量分析法对实验数据进行了分析,研究浇口尺寸、保压压力、保压时间等参数对产品体积收缩的影响,以期获得适用于该塑件的最优工艺组合方案,达到提升产品合格率、减少制造成本的目的。

      1田口实验设计技术   

    田口实验设计技术最早是由日本质量管理专家田门玄一(Taguchi)提出的。基于一定规则设计的正交实验矩阵,田口方法能确保以最小数目的实验获得全因子实验中影响性能参数的全部信息。田口方法采用系统设计、参数设计和容差设计的3次设计方法,其核心是参数设计,即运用正交实验设计的方法选择影响系统品质特性的实验因素的最佳值及最佳水平组合,使系统的品质波动最小,稳定性最好。

      1.1 正交矩阵

    正交矩阵是田口实验设计的基本工具,是在正交拉丁方程基础上构造的一种规格化的表格。本研究中考虑的影响因素包括浇口尺寸、保压压力、保压时间以及3组两因素间的交互作用,各个因素均取3个水平,同时考虑到各个因素之间的交互作用,最后选择L27(313)作为正交实验表,即三因素三水平,包含交互作用的27次实验的正交表。

      1.2 信躁比

    本研究的目标函数是制品的体积收缩,显然是越小越好,因此采用目标值"越小越优"信躁比计算方法,具体如式(1)所示.

      13方差分析

    方差分析是将因素水平或交互作用的变化所引起的实验结果间的差异与误差波动所引起的实验结果间的差异区分开来的一种数学方法,是用来分析实验数据中的必然因素和偶然因素的影响各占比重大小的一种统计方法。如果因素水平的变化所引起的实验结果的波动落在误差范围内,或者与误差相差不大,就可以判断该因素水平的变化并未引起实验结果的显著变动,可以将其作为误差处理。反之,如果因素水平的变化所引起的实验结果的变动已超过误差范围,就可以判定该因素水平的变化会引起实验结果的显著变动。在方差分析中,一般考虑的因素包括:

      (1)    偏差平方和S

       (2)    自由度Φ

    总自由度为实验总次数减去1,n1;每个因素的自由度为其水平数减1;交互作用的自由度为相应各个因素的自由度的乘积.

      (3)总偏差平方和ST

       (4)方差比F

       实验模型

    本研究的目的在于探讨保压工艺与浇口尺寸对收缩的影响.实验对象为非球面光学透镜,其结构如图1(a)所示.该产品结构特点是:尺寸小,外直径仅为7.4mm;厚度变化大,最大厚度为3.4mm,最小处约为2mm,中心非球面部分厚度为3.1mm.在实际生产中,采用一模八腔的形式,如图1(b)所示.从图1可以看出,制作的中心为最厚处,因而该处被选为实验因素对收缩性能影响的考察位置.

        对于浇口尺寸,由于考虑到产品的结构特点以及边缘的厚度尺寸,采用矩形浇口且将浇口宽度固定,主要考察沿厚度方向上浇口尺寸的变化情况,其设置如表2所示,其他工艺参数的设置亦见表2,注射成型过程中其他主要工艺参数的设置如表3所示.

       3结果与讨论

      3.1 实验结果和信躁比分析   

    根据L27 (313)来安排模拟实验,获取了制件中心处体积收缩性能的变化情况,结果如表4所示。基于实验结果和式(1)对其进行信躁比分析计算,结果如表4所示.

    根据表4,对SN进行极差分析得到各因素对SN的影响趋势图,如图2所示。

    从表4和图可以看出,影响因子对体积收缩率的影响从大到小依次为保压压力(x2)、浇口尺寸(x1)、保压时间(x3)。同时可以得到优化的工艺参数组合为浇口尺寸x1=2 mm、保压压力x2=45 MPa、保压时间x3=5 s,它们的SN13.396,体积收缩率降到4575%,这是所有实验中最小的,因此可以认为得到了工艺参数优化组合。基于该组合的模拟实验结果如图3所示。

 

      从图3可以看出,制件中心层的体积收缩被很好地控制在5%范围内,满足了产品精度要求,达到提升产品合格率、降低制造成本的目的。

      3.2方差分析   

    为进一步分析各因素以及各因素之问的相互作用对目标的影响,基于以上分析结果和式(2)(6),对实验数据进行方差分析,结果如表5所示。

     从表5可以看出,方差分析的结果大致与SN信噪比的分析结果一致。但由于考虑到了因素间的交互作用,并引入了一定置信度下的显著性判断,因此,分析得到的对于体积收缩率结果影响显著的因素依次是:保压压力(x2),对结果的方差贡献率达到58.75%;浇口尺寸(x1),方差贡献率为33.89%;浇口尺寸与保压压力的交互作用(x1 x2 ),方差贡献率为558%。与SN信噪比的分析结果相比,影响显著的因素中多出了浇口尺寸与保压压力的交互作用(x1 x2),并且通过F检验,认为保压时间(x3)、保压压力与保压时间的交互作用(x2 x3)、浇口尺寸与保压时问的交互作用(x1 x3)对于体积收缩率的影响极小,属于非显著性因素,可以归入误差的范围。

      4结论   

      (1)影响非球面镜头收缩性能的影响因素依次为:保压压力、浇口尺寸和保压时间;   

      (2)在优化的工艺参数组合的基础上,非球面镜头的体积收缩率被很好地控制在5%以内,满足了产品精度要求;   

      (3)保压压力和浇口尺寸之间的交互作用也是影响非球面镜头收缩性能的因素之一。因此成型非球面镜头时,成型工艺与模具设计要同时考虑才能有效保证产品的最终品质.