CC BY
25
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621
DOI 10.21685/2072-3059-2018-2-9
А. Е. Зверовщиков, Б. В. Соловков, Е. А. Зверовщиков
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕЖИМОВ ОПЕРАЦИИ ФОРМОВАНИЯ ДЕТАЛИ ИЗ ТЕРМОПЛАСТА НА ОСНОВЕ МОД ЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЗАЛИВКИ В С4Е-СИСТЕМЕ
Аннотация.
Актуальность и цели. Объектом исследования является технология изготовления деталей на термопластавтоматах. Предмет исследования - влияние параметров процесса впрыска материала на качество формы и поверхности изделия. Цель работы - оптимизация технологических параметров для исключения брака изделий без проведения экспериментальных работ.
Материалы и методы. Применено компьютерное моделирование в САЕ-системах на основе метода конечных элементов. Оптимизация выполнена с использованием последовательной стратегии симплекс-поиска.
Результаты. Разработана компьютерная модель сборочного узла пресс-формы с использованием объемных конечных элементов. Определены режимы работы термопластавтомата, обеспечившие отсутствие бракованной продукции.
Выводы. Разработанная методика дает возможность без проведения экспериментальных исследований повысить качество изделий на существующих пресс-формах, обладающих недостатками конструкции. Также возможно с высоким уровнем достоверности прогнозировать уровень качества изделий при проектировании пресс-форм.
Ключевые слова: термопласт, пресс-форма, литье под давлением, температура, отклонения формы.
A. E. Zverovshchikov, B. V. Solovkov, E. A. Zverovshchikov
PERFECTION OF THE OPERATION MODES OF FORMING DETAILS FROM THERMOPLAST BASED ON MODELING THE FILLING PROCESS IN THE CAE-SYSTEM
Abstract.
Background. The object of research is the technology of manufacturing parts on injection molding machines. The subject of the study is the influence of the parameters of the material injection process on the quality of the shape and surface of the
© 2018 Зверовщиков А. Е., Соловков Б. В., Зверовщиков Е. А. Данная статья доступна по условиям всемирной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License (http://creativecommons.Org/licenses/by/4.0/), которая дает разрешение на неограниченное использование, копирование на любые носители при условии указания авторства, источника и ссылки на лицензию Creative Commons, а также изменений, если таковые имеют место.
product. The purpose of the work is the optimization of technological parameters for the elimination of rejects of products without conducting experimental works.
Materials and methods. Computer modeling in CAE-systems based on the finite element method was applied. The optimization is performed using a sequential search simplex strategy.
Results. A computer model of a mold assembly using a three-dimensional finite element is developed. The modes of operation of the automatic thermoplastic were determined, which ensured the absence of defective products.
Conclusions. The developed technique makes it possible to improve the quality of products on existing molds with design flaws without carrying out experimental studies. It is also possible to predict the level of product quality with the high level of reliability when designing molds.
Key words: thermoplastic, mold, injection molding, temperature, shape deviation.
Введение
Изготовление детали из термопластических материалов требует разработки технологической оснастки, основой которой является пресс-форма в которой происходит формообразование. Сложность формы изготавливаемой детали коррелирует с вероятностью ошибок в проектировании. Основные ошибки проектирования проявляются в появлении типовых видов брака, таких как коробление детали, появление зон утяжки и непролива, воздушных пузырей.
Процесс литья под давлением характеризуется высокими скоростями прессования, турбулентным, струйчатым и даже капельным движением полимерной смеси и соответственно захватом воздуха из полости формы во внутрь отливки. Образование пузырьков воздуха происходит в период заполнения полости формы расплавом. Характер заполнения зависит от давления литья, т.е. скорости струи полимера в момент выхода из питателя и удара о стержень или стенку, от соотношения толщин питателя и отливки, от температурных условий в форме, от физических свойств заливаемого материала. Для предотвращения подобных ошибок необходима проверка как конструкции формообразующих элементов пресс-формы, так и режимов формования. Поскольку экспериментальная проверка подобных процессов трудоемка и дорогостояща, сопряжена с повторным изготовлением оснастки, а расчет классическими аналитическими методами практически невозможен, целесообразно ее проведение при помощи моделирования в САЕ-системах [1].
При анализе методом конечных элементов на первом этапе необходимо создание геометрической 3D-модели изделия и пресс-формы. Это обеспечивается современным уровнем проектирования оснастки практически в любой CAD-системе. Надежность и адекватность последующего анализа проектных разработок зависит от ряда факторов моделирования. При подготовке моделирования процесса заливки для изделия авиапромышленности «накладка» в CAD Powershape выполнена твердотельная модель (рис. 1,а).
Разбиение модели на конечные элементы (мэшинг) является ответственным этапом, во многом определяющим адекватность моделирования в целом. В САЕ-модуле Plastics системы Solid Works были выбраны объемные конечные элементы тетраэдральной формы. Solid Works Plastics автоматически задает тип элемента, который позволяет проводить тепловые расчеты,
моделировать теплообмен и теплопередачу, пригоден для моделирования пластических деформаций. Прочностной расчет, упругое деформирование при исследованиях проводить не планировалось.
На основе анализа элементов геометрии модели детали «накладка» принято решение ограничить предельный размер конечного элемента величиной 2 мм. Это обеспечило приемлемую точность и адекватность результатов расчета и в то же время позволило решить задачу моделирования в приемлемые сроки на имеющихся вычислительных ресурсах. Поэтому конечным результатом мешинга объема изделия было формирование сетки с приемлемой однородностью размеров и форм конечных элементов (рис. 1,6).
б)
Рис. 1. Результат 3Б-моделирования изделия «накладка»: а - модель; б - сетка конечных элементов
1. Процесс моделирования и поиск оптимальных режимов литья под давлением методом симплекс-планирования
Для детали «накладка» первоначально разработана конструкция пресс-формы (рис. 2), которая включает в себя комплект плит 1, механизм для извлечения знаков, формообразующие элементы 3, выталкиватели 6, знаки 7, направляющие и крепежные изделий. Для моделирования обязательно наличие литниковой системы с определенными размерами и конфигурацией. Эти параметры определялись опытом конструктора. Для изделия в систему включены втулка литника 5 и втулка выталкивателя 4.
Рис. 2. 3Б-модель конструкции пресс-формы для изделия «накладка»
Изготовление пробной партии изделий «накладка» сопровождалось высоким процентом бракованных деталей. Наличие усадки в ряде зон изделия превышало допустимые отклонения профиля поверхности, заданные техническими требованиями.
Причинами недопустимой неравномерности усадки, возникновения утяжин (углубления, вмятины) на поверхности литьевых деталей являются как особенности конструкции изделия (зоны существенного изменения сечения детали, толщины слоев материала), так и технологические факторы: недостаточное давление формования, чрезмерная температура формы, избыточно высокая температура расплава ПМ.
Исправление ситуации было возможно либо корректировкой режимов процесса, либо изменением конструкции пресс-формной оснастки.
При выборе стратегии поиска режимов процесса впрыска наиболее эффективной стратегией в данной ситуации оказался метод последовательного симплекс-поиска. Поскольку основными управляемыми факторами процесса литья являются температура расплава температура пресс-формы ^ф и давление Ррп, было принято решение при постановке оптимизационного виртуального эксперимента методом симплекс-планирования [2] построить двух-координатное пространство по факторам: температура пресс-формы ^ф и давление Ррп (рис. 3). Температура расплава имеет незначительный диапазон варьирования для рассматриваемого материала изделия, поэтому решено было принять ее в качестве постоянной величины ^п=198 °С. Таким образом, по технологическим соображениям принято решение первоначально двигаться в двухфакторном пространстве по факторам: температура пресс-формы ^ф и давление Ррп. Построение регулярных симплексов было признано нецелесо-
образным, а в стратегию расчета координат следующей точки симплекса вводились поправки, связанные с априорной оценкой нелинейности влияния исследуемых факторов на параметр оптимизации.
V-1
110
£
I 8ZS
I
i ^ I
15 да. о'
5¡Dy.-C.OiM.
¿re /
1 /
•OSM^WL у •23
¿ijiLtnsfí. —■4Ч-Ч rpBWUGf -r
3 ащ„ '2d
100 125 150 175 йоблеиие расплода Р^ ,МПа
200
Рис. 3. Область двухкоординатного факторного пространства для симплекс-поиска
В качестве параметра оптимизации были приняты глубина дефектов, размер и расположение дефектных зон усадки. Размер зон определялся по количеству перемещенных узлов модели. Расположение дефектных зон оценивалось визуально и представляло собой качественный фактор. Можно отметить высокий уровень корреляции между глубиной и размером дефектных зон, характеризовавшийся коэффициентом корреляции 0,82 [2], при практически линейной характеристике корреляции. Также при моделировании обращалось внимание на время заполнения формы и стеклования, которые играли роль граничных условий, определяющих время технологического цикла и, соответственно, себестоимость изделия. Измерения глубины дефектов и оценка размеров дефектных зон выполнялась на ZEISS PRISMO Navigator.
Моделирование выполнялось в САЕ-модуле SolidWorks Plastics Advancedc использованием модулей SimpoeWorks MFG и TOOL. Граничными условиями являлись возможности технологического оборудования.
Термопласт - автомат марки SOUND FTN220A, развивает максимальное давление 220 МПа и обеспечивает температуру до 250 °С. Изделие по техническим условиям должно быть изготовлено из материала ABS30FR. Была принята гипотеза, что из материалов базы модуля Plastics Advancedc, пригодных для моделирования процесса литья, наиболее приемлемым является материал ABS+PVC с некоторыми корректировками его физико-механических характеристик. Для моделирования основными исходными данными, характеризующими материал изделия ABS+PVC, были приняты температура плавления 198 °С, теплопроводность 0,22 Вт/(м-А), вязкость 2.33-1012 Пас.
В качестве начальной точки поиска проведения виртуального эксперимента были приняты режимы, соответствующие технологии изготовления
партии изделий с браком, а именно Цп =198 °С, tпф = 74 °С и Ррп =100 МПа. Это позволило оценить адекватность моделирования, сопоставив значения глубин дефектов и других параметров оптимизации по результатам моделирования в САЕ-системе и по реальному состоянию изделия.
Моделирование в исходной точке показало, что при времени стеклования 21,48 с, времени заполнения 2,04 с изделие имеет такие дефекты, как утяжины (вмятины) (рис. 4,а), усадка (рис. 4,6), пузырьки воздуха (рис. 4,в).
Рассмотрение дефектов на реальном изделии (рис. 5) показало приемлемую корреляцию глубины дефектов, расположения, формы и размеров дефектных зон. Расчет по коэффициенту Стьюдента позволил установить, что средние размеры дефектных зон и глубина дефектов на реальных деталях адекватны результатам моделирования с доверительной вероятностью Р = 0,8.
По результатам моделирования в исходной точке максимальная глубина дефектов составила 0,5 мм, средняя глубина дефектных зон 0,25 мм. Недопустимое смещение имели несколько групп 25 элементов.
Для построения второй точки нерегулярного симплекса было принято решение провести (см. рис. 3) моделирование при ^ф = 50 °С, Ррп = 100 МПа tрп. = 198 °С.
I
-С
V " W-J ' Т ' FLOWI Утяжины (Вмятины)
Тип : Корпус
Элемент : 21296
Узел : 10650
Материал : ABS+PVC
Продукт: (Р) GEÛN ICYCOVIN К1
РАСЮ ïte*KS (Лъеый ПО и»в ервени* ежМий
Тип : Корпус
Элемент: 21296
Уип 10650
Могериап ABS.FVC
Продукт: (Р) GEONrCVCOVWKM
б)
Рис. 4. Результаты моделирования в исходной точке симплекса ( tpп = 198 °С, 4ф = 74 °С и Ррп = 100 МПа): а - утяжины (вмятины); б - усадка; в - пузырьки воздуха
Рис. 5. Внешний вид изделия с дефектами поверхности, характерными для технологических параметров процесса, соответствующих исходной точке симплекса = 198 °С, 4ф = 74 °С и Ррп = 100 МПа)
Снижение температуры пресс-формы теоретически обеспечивает меньший перепад температур при стекловании и, соответственно, меньшую усадку. Действительно, такой подход обеспечил (рис. 6) благоприятную динамику стеклования, уменьшение размеров и глубины дефектных зон было незначительным, а количество воздушных дефектов увеличилось. Хотя средняя глубина дефектных зон составила 0,15 мм, максимальная глубина дефектов 0,3 мм, размеры дефектной зоны остались прежними, недопустимое смещение имели 24 элемента.
Третья точка симплекса для более полного охвата факторного пространства построена с максимально возможным значением давления впрыска Ррп = 200 МПа и температурой пресс-формы ^ф = 74 °С и показала некоторое ухудшение изделия по всем параметрам дефектов в 1,4-1,7 раза.
В полученном симплексе предполагаемая новая точка находилась за границей допустимой температуры литниковой системы, поэтому было
принято решение сместиться в направлении повышения температуры пресс-формы.
Рис. 6. Результаты моделирования во второй точке симплекса (/пф = 50 °С, Ррп = 100 МПа, /рп = 198 °С): а - утяжины (вмятины); б - воздушные дефекты
В таких условиях принято решение о построении четвертой точки нерегулярного симплекса отбрасыванием второй точки и смещением положения новой точки от симметричного симплекса по фактору давления.
Четвертая точка симплекса построена со снижением давления Ррп = 120 МПа и повышением температуры пресс-формы до ¿пф = 104 °С. Полученные результаты (рис. 7) показали, что размеры дефектов при таких параметрах формообразования значительно уменьшились, но по прежнему не находятся в пределах допуска.
После отбрасывания наихудшего результата построена пятая точка симплекса с повышением давления Ррп =135 МПа, увеличением температуры пресс-формы до максимально возможного значения, ¿пф=110 °С.
Полученные результаты (рис. 8) показали, что размеры дефектов при таких параметрах формообразования резко уменьшились и находятся в пределах допуска, оговоренного техническими требованиями на изделие.
Средняя глубина дефектных зон составила 0,02 мм, максимальная глубина дефектов 0,04 мм. Размеры дефектной зоны были сведены к погрешности расчета, поскольку только четыре элемента модели имели недопустимое смещение.
Технологический процесс литья был перестроен в соответствии с предложенными режимами, соответствующими пятой точке симплекса, изготовлена партия изделий «накладка». Технический контроль подтвердил годность всех изделий партии.
a)
б)
Рис. 7. Результаты моделирования в четвертой точке симплекса при /пф = 104 °С, Ррп = 120 МПа, /рп = 198 °С: а - утяжины (вмятины); б - усадка; в - пузырьки воздуха
у»л: 1 о
Матес«31 Продукт:
а)
Рис. 8. Результаты моделирования при /пф = 110 °С, Ррп = 135 МПа, /рп = 198 °С: а - утяжины (вмятины); б - усадка; в - пузырьки воздуха
в)
Рис. 8. Окончание
Таким образом, оптимизация технологических режимов, проведенная симплекс-методом с использованием моделирования в САЕ-системе процесса формообразования термопластичного материала, позволила избежать значительного количества брака, предотвратить дорогостоящее изменение пресс-формной оснастки, сократить сроки и стоимость технологической подготовки производства.
Библиографический список
1. Нестеров, С. А. Проектирование конструкции пресс-формы для изделий из алюминиевых сплавов с использованием CAD-систем / С. А. Нестеров, А. И. Ша-курский, Н. В. Сорокина, А. А. Конюхов, Р. Р. Акчурин // Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM : сб. ст. XI Междунар. науч.-пр. конф. - Пенза : ПДЗ, 2017. -С. 14-17.
2. Зверовщиков, А. Е. Экспериментальные исследования технологических процессов машиностроительных производств / А. Е. Зверовщиков, А. Н. Машков. -Пенза : ПДЗ, 2012. - 156 с.
References
1. Nesterov S. A., Shakurskiy A. I., Sorokina N. V., Konyukhov A. A., Akchurin R. R.
Sistemy proektirovaniya, modelirovaniya, podgotovki proizvodstva i upravlenie proektami CAD/CAM/CAE/PDM: sb. st. XI Mezhdunar. nauch.-pr. konf. [Design, Simulation, preproduction and project management systems CAD/CAM/CAE/PDM: proceedings of XI International scientific and practical conference]. Penza: PDZ, 2017, рр. 14-17.
2. Zverovshchikov A. E., Mashkov A. N. Eksperimental'nye issledovaniya tekhnolog-icheskikh protsessov mashinostroitel'nykh proizvodstv [Experimental studies of technological processes of machine-building production] Penza: PDZ, 2012, 156 р.
Зверовщиков Александр Евгеньевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии машиностроения, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: azwer@mail.ru
Соловков Борис Викторович
магистрант, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: lxlpnzacul@yandex.ru
Зверовщиков Евгений Александрович кандидат технических наук, доцент, кафедра технологии машиностроения, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: ezwer@mail.ru
Zverovshchikov Aleksandr Evgen'evich Doctor of enigineering sciences, professor, head of the sub-department of mechanical engineering, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Solovkov Boris Viktorovich Master's degree student, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Zverovshchikov Evgeniy Aleksandrovich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of mechanical engineering, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
УДК 621 Зверовщиков, А. Е.
Совершенствование режимов операции формования детали из термопласта на основе моделирования процесса заливки в САЕ-системе /
А. Е. Зверовщиков, Б. В. Соловков, Е. А. Зверовщиков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2018. -№ 2 (46). - С. 96-106. - БОТ 10.21685/2072-3059-2018-2-9.
