同模異腔注塑模澆注系統(tǒng)優(yōu)化分析

秦春節(jié)，程江帆

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

對(duì)于多型腔模具，為了保證各個(gè)型腔注塑件的質(zhì)量均勻一致，理想狀態(tài)是在注塑成型的充填過程中，確保各個(gè)型腔的溫度和壓力相同。同模異腔注塑模是比較復(fù)雜的多型腔注塑模，各個(gè)型腔注塑件的幾何尺寸和質(zhì)量有差異，注塑過程中較易產(chǎn)生熔液流動(dòng)不平衡，導(dǎo)致注塑件產(chǎn)生短射、飛邊、流痕、熔接痕和翹曲變形等缺陷[1]，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。

針對(duì)注塑件的質(zhì)量變化，Lee等[2]運(yùn)用CAE技術(shù)把充填模擬和保壓模擬結(jié)合起來，完善澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使各個(gè)型腔充填時(shí)間一致、充填壓力均勻，實(shí)現(xiàn)型腔內(nèi)熔液流動(dòng)平衡；Young[3]運(yùn)用填充時(shí)間差和溫差等因素構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法對(duì)澆口位置進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)充填過程的平衡；羅廣思等[4]提出先布置好流道和型腔，然后進(jìn)行流動(dòng)模擬，運(yùn)用模擬結(jié)果，調(diào)節(jié)流道尺寸和澆口尺寸，較好地解決非平衡布置多型腔注塑模的流動(dòng)平衡問題；倪昀[5]和田冰等[6]基于Moldflow平臺(tái)對(duì)比不同流道的設(shè)計(jì)方案，以澆注系統(tǒng)的流動(dòng)平衡為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；劉磊[7]設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，采用正交試驗(yàn)法，通過多次模擬，獲取最優(yōu)工藝參數(shù)。因此，解決同模異腔模具流動(dòng)不平衡問題的關(guān)鍵，就是使熔液充填不同型腔時(shí)，在同一時(shí)間充滿，且型腔內(nèi)的壓力均勻分布。結(jié)合國(guó)內(nèi)外關(guān)于同模異腔注塑模流動(dòng)平衡問題的研究成果及現(xiàn)狀，以某汽車空調(diào)風(fēng)扇端蓋注塑件模具為例，運(yùn)用Moldflow CAE技術(shù)，選取模溫、料溫、注射時(shí)間、速度/壓力切換時(shí)的壓力為優(yōu)化變量，以流動(dòng)平衡為目標(biāo)函數(shù)，改進(jìn)與優(yōu)化端蓋注塑件模具的幾何參數(shù)和工藝參數(shù)，對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)具有重要意義。

1 澆注系統(tǒng)幾何參數(shù)設(shè)計(jì)

汽車空調(diào)風(fēng)扇端蓋注塑件為配合安裝件，外形、體積和質(zhì)量均有較大差異且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。由于澆注系統(tǒng)的幾何參數(shù)(流道尺寸和澆口位置等)對(duì)注塑件填充流動(dòng)平衡性的影響比較大，一般澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是先確定澆注系統(tǒng)的幾何參數(shù)，再確定澆注系統(tǒng)的工藝參數(shù)[8-9]。該端蓋注塑件模具為一模兩腔布局，一左一右，熱流道采用的是YUDO TINA AM系統(tǒng)。在模具布局確定的情況下，流道布局和長(zhǎng)度也已確定，可以調(diào)整改進(jìn)的是澆口位置與流道截面尺寸。

1.1 澆口設(shè)計(jì)

注塑件注塑生產(chǎn)時(shí)，澆口位置的選取是否合理，很大程度上決定了熔體在型腔內(nèi)的方向性和平衡性[10-11]。該端蓋注塑件為尺寸較大的薄壁塑件，若采用一個(gè)中心澆口進(jìn)膠，流長(zhǎng)比過大會(huì)導(dǎo)致翹曲變形過大。根據(jù)注塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和模具的熱流道結(jié)構(gòu)，采用4 個(gè)澆口。

基于CAE軟件Moldflow平臺(tái)，對(duì)注塑件澆口位置進(jìn)行分析，流動(dòng)阻力指示器顯示注塑件的上表面流動(dòng)阻力小、壁厚均勻，因此澆口位置選在此處，4 個(gè)澆口均勻分布，確保熔體速度和行程基本一致。此外，考慮注塑件的表面質(zhì)量要求，選擇點(diǎn)澆口進(jìn)膠。點(diǎn)澆口直徑取注塑件基本壁厚1.5 mm的0.5～2 倍，取整為φ 2.5 mm。

1.2 流道設(shè)計(jì)

流道設(shè)計(jì)是注塑成型模具的核心，流道設(shè)計(jì)主要考慮流道排布、流動(dòng)阻力和截面形狀3 個(gè)方面[12]。

利用Moldflow平臺(tái)的流道系統(tǒng)平衡分析，建立了一個(gè)端蓋注塑件模具的流道平衡分析模型，在設(shè)置好參數(shù)約束條件下，進(jìn)行自動(dòng)迭代計(jì)算，達(dá)到流動(dòng)平衡狀態(tài)后，生成流道截面尺寸。迭代計(jì)算開始時(shí)，端蓋的流動(dòng)不平衡率為10%左右，迭代計(jì)算結(jié)束后流動(dòng)不平衡率為5%左右。圖1給出了注塑工藝參數(shù)。流道平衡參數(shù)設(shè)置主要考慮注塑件的注塑時(shí)間與壓力的收斂差。

圖1 注塑工藝參數(shù)設(shè)置Fig.1 Parameter setting of filling process

迭代計(jì)算的結(jié)果是生成一個(gè)具有新流道尺寸的模型。對(duì)該模型的流道截面尺寸取整，結(jié)果見表1。澆口參數(shù)：澆口形式為點(diǎn)針閥，尺寸為小端φ 2.5 mm，長(zhǎng)度為3 mm，數(shù)量為8。

表1 優(yōu)化后各級(jí)流道取整尺寸表Table 1 The size table of optimized flow channels

根據(jù)Moldflow模擬注塑，進(jìn)一步確認(rèn)幾何參數(shù)的改進(jìn)效果。端蓋注塑件的壓力分布見圖2，流道優(yōu)化后的兩端蓋不僅各自壓力分布均勻，且彼此非常接近，因而端蓋注塑件有較為一致的體積收縮率，翹曲變形減小。

圖2 填充末端壓力圖Fig.2 Pressure diagram of fill end

2 澆注系統(tǒng)工藝參數(shù)優(yōu)化

在澆注系統(tǒng)優(yōu)化過程中，一般采取粗調(diào)-微調(diào)的方法，即先對(duì)澆注系統(tǒng)的幾何參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，再對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。因此，在完成該端蓋注塑件模具澆注系統(tǒng)幾何參數(shù)改進(jìn)設(shè)計(jì)后，需要進(jìn)一步優(yōu)化其工藝參數(shù)。

2.1 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

響應(yīng)曲面法(Response surface methodology，RSM)是一種優(yōu)化方法，它通過數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合，對(duì)所研究的對(duì)象進(jìn)行建模和分析[13]。響應(yīng)曲面法常見的方法有中心復(fù)合設(shè)計(jì)(Central composite design，CCD)和Box-Behnken設(shè)計(jì)(Box-Behnken design，BBD)[14]。

運(yùn)用響應(yīng)曲面法的中心復(fù)合設(shè)計(jì)時(shí)，若變量太多，則工作量過大，導(dǎo)致效率降低[15]。因此，綜合考慮模溫A、料溫B、注射時(shí)間C、速度/壓力切換時(shí)的壓力D這4 個(gè)工藝參數(shù)是決定端蓋注塑件填充不平衡率的首要因素，根據(jù)端蓋注塑件的材料參照推薦來獲取相應(yīng)參數(shù)，將這4 個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行編碼設(shè)計(jì)，見表2。

表2 因子及其編碼水平Table 2 Factor and its coding level

優(yōu)化分析中，優(yōu)化目標(biāo)是流動(dòng)不平衡率，優(yōu)化變量是模溫A、料溫B、注射時(shí)間C、速度/壓力切換時(shí)的壓力D這4 個(gè)工藝參數(shù)。根據(jù)4因素進(jìn)行30次參數(shù)組合試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 設(shè)計(jì)表格(隨機(jī)化)Table 3 Design form (Randomization)

根據(jù)表3，在Moldflow平臺(tái)運(yùn)行填充分析，得到不同數(shù)組對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值，從而設(shè)計(jì)響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)方案，如表4所示。

表4 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 4 Response surface test design scheme

2.2 響應(yīng)曲面分析

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行殘差值檢驗(yàn)和方差分析，給出可靠的優(yōu)化結(jié)果。

方差分析表示評(píng)估優(yōu)化變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響大小，即優(yōu)化模型的顯著性。一般用P值來確定可信度，P=0.05是邊界線。當(dāng)P<0.05，表明優(yōu)化變量對(duì)優(yōu)化目標(biāo)影響顯著；當(dāng)P>0.05，表明優(yōu)化變量對(duì)優(yōu)化目標(biāo)影響不顯著。通過殘差值檢驗(yàn)和方差分析去掉不顯著項(xiàng)；多次檢驗(yàn)分析，直到滿足優(yōu)化模型試驗(yàn)要求[13]。

流動(dòng)不平衡率的方差分析如表5所示，其中均方差S=0.297 49，PRESS=0.435 7。表中回歸、平方和交互作用的P值均較小，驗(yàn)證了各類參數(shù)項(xiàng)影響顯著。從代表優(yōu)化模型可靠度的R-Sq=90.75%，R-Sq(預(yù)測(cè))=90.95%，R-Sq(調(diào)整)=93.77%來看，數(shù)值都在90%以上，證明優(yōu)化模型有效。

表5 流動(dòng)不平衡率的方差分析Table 5 Variance analysis of flow unbalance rate

圖3是流動(dòng)不平衡率殘差圖：圖3(a)中各組實(shí)驗(yàn)點(diǎn)擬合成直線；由圖3(b)可知?dú)埐钪惦S機(jī)分布，無規(guī)律性；由圖3(c)可知?dú)埐畛收龖B(tài)分布；圖3(d)中殘差有正負(fù)，說明優(yōu)化模型具有獨(dú)立性。通過分析表5和圖3，說明優(yōu)化模型擬合效果好，接下來進(jìn)行微調(diào)，即進(jìn)行端蓋注塑件模具工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)用Minitab響應(yīng)優(yōu)化器求解最優(yōu)工藝參數(shù)。設(shè)置注塑流動(dòng)不平衡率的優(yōu)化目標(biāo)值為0，尋優(yōu)求解如圖4所示。優(yōu)化的工藝參數(shù)為：模溫35 ℃、料溫220 ℃、注射時(shí)間1.5 s、當(dāng)速度/壓力切換時(shí)的壓力為98.26%時(shí)，流動(dòng)不平衡率為0，獲得理想效果。

圖3 流動(dòng)不平衡率殘差圖Fig.3 Residual graph of flow unbalance rate

圖4 尋優(yōu)求解圖Fig.4 Optimal solution

3 結(jié) 論

應(yīng)用Moldflow CAE對(duì)端蓋注塑件模具澆注系統(tǒng)的初始方案進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，得到了改進(jìn)后的幾何參數(shù)與工藝參數(shù)的優(yōu)化方案。據(jù)此進(jìn)行試模生產(chǎn)，端蓋注塑件注塑填充過程平衡，脫模順暢，沒有短射滯流缺陷，較好地解決了流動(dòng)不平衡問題，產(chǎn)品外觀面質(zhì)量理想。