Разработка системы оценки качества технологических процессов инжекционного литья из полимерных композиционных материалов

В данном исследовании создаем систему оценки качества (СОК) производства деталей из полимерных композиционных материалов методом инжекционного литья. Детально рассмотрен один из этапов СОК, который включает в себя оптимизацию параметров литья под давлением по тензору ориентации.

Целью данного исследования было построение системы оценки качества и конкурентоспособности.

Для достижения поставленной цели выявляем этапы СОК на промышленном предприятии (рис. 1). Каждый этап должен контролироваться через проверку соответствия требуемых и полученных свойств, необходимых для заказчика деталей. Система оценки качества (СОК) на предприятии является системой повышения конкурентоспособности. СОК для литья под давлением состоит из 2 частей.

Существующая на предприятии система. На предприятие поступает заказ на изделия с определенными характеристиками. Далее на предприятии происходит разработка соответствующего технологического процесса, обеспечивающего необходимые характеристики. Затем после подготовки производства и освоения (т.е. производства деталей) происходит сдача заказа заказчику.

Система оценки качества состоит из двух частей: определение требуемых свойств и ор-

Ковалькова Екатерина Алексеевна, аспирант.

ганизация получения требуемых свойств. Соответственно этап организации получения требуемых свойств повторяется после каждого этапа существующей системы.

Проведем детализацию СОК этапа «Разработка» (рис. 2).

• 1.    Подготовка CAD-модели изготавливаемого изделия.

• 2.    Импорт модели в CAE-систему.

• 3.    Создание сетки конечных элементов.

• 4.    Задание граничных условий и технологических параметров процесса литья.

• 5.    Расчёт методом КЭ (производится программой Autodesk Simulation Moldflow Insight).

• 6.    Расчёт методом КЭ (производится программой ).

• 7.    Анализ полученных результатов

• 8.    Расчёт параметров направленности армирующего волокна (тензор ориентации)

Одним из параметров качества СОК этапа «Разработка» является тензор ориентации, анализ которого проведем далее. В исследовании рассмотрим оптимизацию нескольких параметров литья под давлением для полимерного композиционного материала, а также определение системы оценки качества литья под давлением. По результатам исследования построена схема системы оценки качества инжекционного литья. В этом исследовании применяется метод Тагучи для того, чтобы сократить число экспериментов и определить оптимальные параметры обработки для нескольких качественных характеристик [4]. Следует определить параметры обработки, которые могут повлиять на литье под давлением, такие как давление на

Создание сетки конечных элементов

Рис. 2. К системе оценки качества этапа «Разработка»

шнеке, давление подпрессовки, скорость впрыска, время подпрессовки, температура на шнеке, время цикла, относительный объем впрыска [1].

Регулирование параметров обработки часто делается с учетом конструкции полости пресс-формы и ее размера, свойствами пластмассы и дефектами формовочного изделия и т. д. Такие задачи требуют накопленных данных и опытов из большого количества тестов и экспериментов для выяснения причин возникновения дефектов продукции. Что также влечет за собой длительный и трудоемкий процесс.[2,3]

Сущность робастного проектирования в уменьшении изменчивости функциональных характеристик изделия или процесса. Цель – найти значения управляемых факторов, при которых помехи минимально влияют на функциональные характеристики.

Этапы робастного проектирования:

• 1)    перечень функциональных характеристик, управляемых параметров и источников помех.

• 2)    Планирование эксперимента.

• 3)    Проведение основного эксперимента и анализ результатов.

• 4)    Проведение дополнительного эксперимента для проверки анализа.

В данном исследовании применяется метод Тагучи для планирования эксперимента. Соответствующий ортогональный массив был вы-

Таблица 1. Результаты применения метода Тагучи

Design Summary (Spreadsheet 1d)

Run Давление на шнеке, бар 1 Давление подпрессовки, бар 2 Скорость впрыска, см/сек 3 Время опрессовки, с 4 Температура на шнеке. С 5 Время цикла с. 6 Относительный объем впрыска. см3 7 V0 8 Ela 1 1000 1000 7 20 340 100 30 1 -13.3780 2 1000 1000 20 25 355 120 60 2 -15.3366 3 1000 1000 30 30 370 140 70 3 -15.4776 4 1000 1250 7 20 355 120 70 3 -15.4051 5 1000 1250 20 25 370 140 30 1 -16 5643 6 1000 1250 30 30 340 100 60 2 -15.9445 7 1000 1500 7 25 340 140 60 3 -9.3400 8 1000 1500 20 30 355 100 70 1 •6 9306 9 1000 1500 30 20 370 120 30 2 -9.0613 10 1250 1000 7 30 370 120 60 1 -10,7122 11 1250 1000 20 20 340 140 70 2 -6.8594 12 1250 1000 30 25 355 100 30 3 -9.3931 13 1250 1250 7 25 370 100 70 2 -10.0969 14 1250 1250 20 30 340 120 30 3 -9.2335 15 1250 1250 30 20 355 140 60 1 -7.1568 16 1250 1500 7 30 355 140 30 2 -10.5963 17 1250 1500 20 20 370 100 60 3 -9 8212 18 1250 1500 30 25 340 120 70 1 -3.3933 бран в соответствии с параметрами литья под давлением и их уровнями в целях оптимального качества формирования полимерного композиционного материала методом инжекционного литья с минимальным количеством экспериментов [5, 6]. L18 (21x37) – ортогональный массив, который состоит из 18 экспериментов и содержит один двухуровневый фактор и семь трехуровневых был выбран для данного исследования. Результаты приведены в табл. 1.

Для изделий из ПКМ по сравнению с изделиями из ненаполненных полимерных материалов характерна зависимость конечных механических свойств не только от конструкции, но и от технологических режимов изготовления, поскольку в процессе изготовления формируется сложная пространственная структура расположения волокон, которая приводит к неоднородности свойств различных фрагментов изделия. С пространственной структурой связана неравномерная усадка материала. Когда ориентация изменяется, возникают локально усадки, что приводит к появлению внутренних напряжений и возможных деформаций, это, в свою очередь, ведет к короблению изделия.

Как показывают исследования, механизмы формирования микроструктуры различны: расширение потока расплава, сдвиговые явления при заполнении формы. Расширение потока происходит при впрыске расплава в формующую полость оснастки. Увеличение периметра фронта течения приводит к тому, что расплав подвергается эластичному расширению под прямым углом к направлению течения. Было определено, что положение волокна в полости оснастки практически не зависит от его исход- ной ориентации (в литниковой системе). Оценить влияние совокупности всех этих факторов на структуру расположения волокон, а также на жесткостные и прочностные характеристики изделия позволяют современные системы моделирования. Для проектирования конструкций из композиционных материалов необходимо опираться как на численное моделирование напряженно-деформированного состояния, так и на анализ процесса литья под давлением, это позволит подобрать оптимальные параметры изготовления.

При моделировании процесса изготовления изделий из ПКМ необходимо учитывать тензор ориентации волокон. Ориентация каждого отдельного волокна в расплаве может быть описана единичным вектором p. В современных системах численного моделирования ориентация рассматривается как вероятностный процесс.

Определение тензора ориентации выполняется численно, при моделировании процесса инжекционного литья. Результаты моделирования могут быть представлены в виде картины распределения ориентации. Для дальнейшего исследования напряженно-деформированного состояния изделия результаты моделирования пространственной структуры могут быть переданы в системы структурного анализа. Моделирование процесса изготовления в совокупности со структурным анализом позволяет выбрать оптимальную пространственную структуру армирования, которая обеспечила бы получение необходимых прочностных и жесткостных характеристик изделия. Поэтому в качестве целевой функция для оценки качества процессов инжекционного литья по степени влияния на

Таблица 2. Рассматриваемые режимы инжекционного литья

№ режима Давле -ние на шнеке, атм. Давление подпрессовки, атм. Скорость впрыска Время подпрессовки, с. Температура на шнеке, С Время цикла, с. Относительный объем впрыска Средняя прочность , МПа Ст. откл., МПа 1 1500 1500 50 30 370 120 60 200.95 50.43 2 1500 1500 30 30 360 120 60 204.29 40.18 3 1500 1500 20 30 360 120 60 218.84 28.63 4 1500 1500 10 30 340 120 60 226.12 21.56 5 1500 1500 7 30 340 120 60 228.69 16.22 6 1500 1500 15 30 340 120 60 213.29 28.71 7 1500 1500 15 30 345 120 60 207.34 31.19 8 1000 1000 15 30 345 120 60 204.64 34.86 9 1000 1000 15 30 350 120 80 174.90 36.93 10 1000 1000 15 30 350 120 80 190.50 29.31 11 1000 1500 15 30 350 120 70 195.89 36.19 12 1000 1500 15 30 350 120 70 208.43 31.04 конструкционную прочность целесообразно использовать характеристику, учитывающую значение тензора ориентации армирующего волокна в характерных сечениях литого изделия.

Оптимальный режим выбирается в соответствии с качественной характеристикой, которой в данном исследовании является тензор ориентации. Тип проблемы для тензора ориентации «Больше-лучше», поэтому из 18 режимов оптимальным будет тот, для которого значение Eta больше. 18-й режим: Eta(max)=-3,3933. Следовательно, 18-й режим оптимальный.

На первом этапе экспериментально выбирался оптимальный режим инжекционного литья. Под оптимальным понимается такой режим, который обеспечивает наибольшее значение механических характеристик при минимуме их случайного разброса. Общее количество исследуемых режимов – 12. Режимы отличаются скоростью впрыска, давлением и температурой на шнеке, давлением подпрессовки и относительным объемом впрыска. Каждому режиму литья ставится в соответствие номер пластины. Из каждой пластины вырезается 5 образцов 4 из 5 образцов испытываются стандартно на растяжение с монотонным нагружением вплоть до разрушения согласно п. 5, оставшийся – на повреждаемость согласно п. 6 программы. В таблице 2 представлено краткое описание режимов литья, а также приведены статистические данные по прочности образцов, получаемых для каждого из 12 режимов. Зеленым цветом отмечены наилучшие режимы, красным – наихудшие.

В результате испытаний было выявлено, что оптимальный режим, определенный с использованием метода Тагучи соответствует определенным экспериментально оптимальным методам.

Испытаниями на повреждаемость было также установлено, что в целом, независимо от режима (за исключением 12-го) материал демонстрирует стойкость и сопротивляемость к накоплению и развитию в нем повреждений. Падение секущего модуля упругости при уровне нагрузки 90 % от номинального предела прочности не превышало 0.81 %.

В результате исследования была апробирована и подтверждена экспериментально методика определения рациональных режимов инжекционного литья на основе робастного планирования по методу Тагучи. Была построена СОК для промышленного предприятия и детализирована СОК этапа «Разработка».