注塑成型CAE分析與工藝參數(shù)優(yōu)化研究進展

吳光輝

（婁底職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，湖南 婁底 417000）

1 研究背景

塑料件（塑件）以其優(yōu)越的強重比和低廉的價格，在工程中有無可替代的作用，注塑成型是塑料成型、塑件生產(chǎn)的主要工藝方法。注塑產(chǎn)品的質(zhì)量，除與模具設(shè)計的科學性、模具制造的精度等相關(guān)外，還與時間、溫度和壓力參數(shù)的設(shè)置密切相關(guān)，過去對于注塑成型工藝參數(shù)的選擇，主要是靠現(xiàn)場工程師的個人經(jīng)驗，結(jié)合反復的注塑試驗去調(diào)整，屬于試錯法，存在耗時長、可靠性不高等不足。在現(xiàn)代模具生產(chǎn)中，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和有限元分析技術(shù)的普及，已經(jīng)可以采用計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技術(shù)對注塑成型的過程進行數(shù)值模擬，然后利用相關(guān)數(shù)學方法對仿真結(jié)果進行分析，并針對設(shè)定的單一或多個質(zhì)量指標，優(yōu)化注塑成型的工藝參數(shù)（組）。相較于傳統(tǒng)試錯法，采用CAE技術(shù)的方法能快速地找到合理的參數(shù)，并克服經(jīng)驗的束縛[1]。

2 參數(shù)優(yōu)化分析軟件

目前，市場上的注塑CAE分析軟件有Moldflow、Moldex3D、Moldex和HSCAE等。以中國知網(wǎng)期刊數(shù)據(jù)庫為樣本，自2018年以來，以“Moldflow”為關(guān)鍵詞的研究論文有486篇，題目中含“Moldflow”的有233篇；以“Moldex3D”為關(guān)鍵詞的研究論文有31篇，題目中含“Moldex3D”的有20篇；以“Moldex”為關(guān)鍵詞的研究論文有26篇，題目中含“Moldex”的有21篇；以“HSCAE”為關(guān)鍵詞的研究論文有3篇，題目中含“HSCAE”的有2篇，其中，HSCAE是華中科技大學塑性成型模擬及模具技術(shù)國家重點實驗室推出的商品化塑料注射成型過程集成化仿真系統(tǒng)。從研究數(shù)據(jù)來看，國內(nèi)學者們主要是以Moldflow軟件作為應(yīng)用和研究對象。

3 注塑成型工藝參數(shù)優(yōu)化的研究進展

王哲[2]以汽車內(nèi)飾B柱塑件為研究對象，設(shè)計了一模兩腔熱流道模具，利用CAE軟件分析時間、壓力和澆口位置等參數(shù)，求解最優(yōu)參數(shù)組合，并利用優(yōu)化的澆口位置，實現(xiàn)了注塑時序的分配。

巫興悅等[3]利用Moldflow軟件對某微泵泵體進行CAE分析，設(shè)計基于信噪比的4因素4水平正交試驗，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度和均值極差法對試驗結(jié)果進行分析，優(yōu)化了模具溫度、熔體溫度、注射速度和保壓壓力等參數(shù)，從而將泵體的翹曲變形量控制在0.079 5 mm，達到了預(yù)期的質(zhì)量要求。

丁文敏等[4]以某型號電連接器為實例，分析其結(jié)構(gòu)特點，利用模流分析軟件和正交試驗法，得出熔體溫度是影響塑件翹曲變形主要因素，并對優(yōu)化后的工藝參數(shù)進行驗證，證明了分析的可靠性。

邱彤等[5]以體積收縮率和翹曲變形量為優(yōu)化目標，用Moldflow軟件對透鏡的注塑壓縮成型過程進行數(shù)值模擬，并對比了兩種研究方法對于多目標優(yōu)化的可靠性，一是正交試驗法與綜合平衡法結(jié)合方法，二是響應(yīng)曲面法試驗與響應(yīng)優(yōu)化器求解方法，獲取兩組最優(yōu)參數(shù)組合，通過成型實驗驗證響應(yīng)曲面法對多目標工藝參數(shù)優(yōu)化更具有可行性。

胡鄧平等[6]等利用Moldflow軟件，結(jié)合正交試驗和極差分析法，以注射時間、模具溫度、熔體溫度、相對保壓壓力、保壓時間為設(shè)計變量，對注塑件進行數(shù)值模擬和參數(shù)優(yōu)化，順利解決了帶有網(wǎng)格的框形薄壁容易出現(xiàn)縮痕缺陷的問題。

Hasan Oktem等[7]以某薄殼注塑件為研究對象，運用Moldflow軟件和田口（Taguchi）方法設(shè)計試驗方案進行模擬與仿真，研究得出了工藝參數(shù)對薄殼注塑件翹曲變形的影響規(guī)律，獲取了最佳工藝參數(shù)組合并在注塑機上進行了驗證。因薄壁件的質(zhì)量控制較為復雜，研究者也比較多，在Hasan Oktem等[7]的基礎(chǔ)上，惲志東等[8]也運用Moldflow軟件對某薄壁面板的注塑成型過程進行了研究，針對薄壁件易產(chǎn)生熔接痕、翹曲變形和氣穴等缺陷的特點，研究了其影響因素和影響規(guī)律，并利用獲得的最優(yōu)參數(shù)組合控制了產(chǎn)品成型缺陷。

王小明等[9]以由聚丙烯（Polypropylene，PP）注塑成型的車用儀表板裝飾蓋為研究對象，針對其翹曲變形缺陷進行數(shù)值模擬和研究分析。得出了影響裝飾蓋翹曲變形的顯著因素，同時就各參數(shù)在注塑成型過程中對翹曲變形的影響規(guī)律進行了研究和總結(jié)，并對規(guī)律的有效性進行了驗證。

熊愛華等[10]以聚丙烯（PP）及其玻璃纖維增強復合材料為研究對象，運用Moldflow軟件，以模具溫度、玻璃纖維含量等為因素，以翹曲變形為質(zhì)量指標進行正交試驗設(shè)計，經(jīng)數(shù)值模擬與仿真分析，得出了玻璃纖維含量對注射壓力和翹曲變形的影響的關(guān)系曲線。

吳光輝[11]以一款塑料按鍵手機的面殼作為研究對象，以縮痕指數(shù)和翹曲變形量為質(zhì)量指標，運用正交試驗設(shè)計方法，選取充模時間、模具溫度、保壓時間、熔料溫度、保壓壓力和冷卻時間6個參數(shù)作為試驗因素，首先運用Moldflow軟件對試驗工藝參數(shù)組進行了數(shù)值模擬，其次用極差分析法和綜合平衡法求得工藝參數(shù)的最優(yōu)組合，最后在某臥式曲肘注塑設(shè)備上對結(jié)果進行了驗證。

Hamdy Hassan等[12]就注塑模冷卻系統(tǒng)對塑件收縮率的影響規(guī)律進行了研究，研究表明，在工藝參數(shù)不變的情況下，一些影響模具溫度的因素（如冷卻系統(tǒng)的布置、冷卻水的溫度與流量等）對注塑件的體積收縮率有較為顯著的影響。

Mirigul Altan[13]運用田口（Taguchi）方法和方差分析法，分別對聚丙烯（PP）和聚苯乙烯的注塑過程進行了數(shù)值模擬與仿真分析。得出了影響兩種材料體積收縮率的顯著因素：影響聚丙烯（PP）體積收縮率的顯著因素為保壓壓力；影響聚苯乙烯體積收縮率的顯著因素為熔體溫度。還用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對產(chǎn)品的體積收縮率進行了準確預(yù)測。

Nik Mizamzul Mehat等[14]運用正交試驗方法對聚丙烯（PP）的注塑成型進行數(shù)值模擬仿真，并對注塑件的力學性能進行分析研究，結(jié)果表明，用含有25%回收聚丙烯（PP）的原材料進行注塑，能明顯提升注塑件的彎曲性能，對原材料的充分利用有顯著效益。

4 結(jié)論

1）用于模流分析的軟件比較多，工程中應(yīng)用最為廣泛的還是Moldflow軟件。

2）用CAE軟件分析，既可以優(yōu)化注塑機內(nèi)的工藝參數(shù)，又可以優(yōu)化模具內(nèi)的工藝參數(shù)；既可以用于注塑成型，又可以用于壓縮成型，對于熱流道模具也同樣有效。

3）用CAE軟件結(jié)合合理的實驗設(shè)計和研究方法，可以對單目標或多目標進行優(yōu)化；對于一些工程中依靠經(jīng)驗難以解決的質(zhì)量缺陷，也能通過優(yōu)化，較好地進行解決。

4）在實際注塑成型過程中，優(yōu)化的指標較多，數(shù)據(jù)處理量大，且分析方法理論性太強，嚴重制約了工藝參數(shù)優(yōu)化技術(shù)在注塑成型過程中的應(yīng)用，未來可將數(shù)值模擬與結(jié)果分析都整合到軟件中完成，降低整個過程對人員專業(yè)程度的依賴，將帶來更大的經(jīng)濟效益和社會效益。