顏 偉，胡 勇

YAN Wei1，HU Yong2

（1.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化工程系 數(shù)控模具教研室，成都 611130；2.四川理工學(xué)院 過(guò)程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，自貢 643000）

0 引言

模具CAE（模具計(jì)算機(jī)輔助工程分析Computer Aided Engineering）是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)在模具設(shè)計(jì)與制造行業(yè)中的應(yīng)用，可以對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)或正在設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行仿真分析（結(jié)構(gòu)分析、功能分析和制造工藝分析等）；正交試驗(yàn)法是研究與處理多因素試驗(yàn)的一種科學(xué)有效的方法,它利用正交表來(lái)對(duì)復(fù)雜的工藝參數(shù)進(jìn)行整體試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)少數(shù)的試驗(yàn)次數(shù)找到較好的工藝參數(shù)匹配,以達(dá)到最高生產(chǎn)工藝效果。注塑成型工藝制訂是一個(gè)復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程，需要若干試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。綜合應(yīng)用模具CAE技術(shù)和正交試驗(yàn)方法，可以有效地制定和優(yōu)化注塑工藝設(shè)計(jì)方案。

1 技術(shù)方案

運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊（正交試驗(yàn)法），設(shè)計(jì)科學(xué)的試驗(yàn)方案，用最少的試驗(yàn)來(lái)獲取響應(yīng)（試驗(yàn)結(jié)果）和因素（溫度因素：料筒溫度、噴嘴溫度和模具溫度；壓力因素：注塑壓力、保壓壓力和塑化壓力；時(shí)間因素：注塑時(shí)間、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間、開(kāi)模時(shí)間、模具結(jié)構(gòu)參數(shù)）之間關(guān)系的最多信息。試驗(yàn)設(shè)計(jì)中選擇影響實(shí)驗(yàn)的主要因素，制定科學(xué)的試驗(yàn)方法去指導(dǎo)仿真模擬分析試驗(yàn)。

運(yùn)用Solid Works、Pro E等三維軟件創(chuàng)建CAD三維塑料產(chǎn)品模型；運(yùn)用注塑模擬分析軟件Mo1dflow對(duì)注塑成型過(guò)程進(jìn)行仿真模擬分析；預(yù)測(cè)產(chǎn)品在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可能發(fā)生的問(wèn)題。

運(yùn)用數(shù)據(jù)分析處理模塊（正交設(shè)計(jì)軟件、MATLAB軟件）對(duì)仿真模擬分析結(jié)果進(jìn)行處理，建立優(yōu)化目標(biāo)與設(shè)計(jì)變量間的關(guān)系。全面考察注射各成型工藝參數(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)因素）、因素之間的交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響依次程度，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的預(yù)測(cè)功能，得出試驗(yàn)因素的最優(yōu)組合即注塑工藝參數(shù)組合方案。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果開(kāi)展極差、方差分析法和回歸分析處理，確定出注塑成型工藝優(yōu)化方案；然后將優(yōu)化方案運(yùn)用于實(shí)際塑料成型實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)實(shí)際塑料制品是否符合預(yù)期技術(shù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)是為Mo1dflow仿真分析設(shè)計(jì)科學(xué)的試驗(yàn)方案，目前多采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法[3]。根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟為：確定模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo) →確定影響因素及因素水平→選取合適的正交表 →選取模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?→MPI模擬分析 →模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)處理（試驗(yàn)結(jié)果極差分析、方差分析）→工藝參數(shù)優(yōu)化。

1.2 仿真模擬分析

仿真模擬分析采用國(guó)際主流注塑成型分析軟件Mo1dflow。該軟件包括三大系列，其中的Mo1dflow Plastics Insight（簡(jiǎn)稱(chēng)MPI），主要對(duì)注塑整個(gè)過(guò)程進(jìn)行模擬仿真分析。MPI仿真分析內(nèi)容與步驟為：1）用軟件Solid Works對(duì)試驗(yàn)用產(chǎn)品進(jìn)行三維實(shí)體造型；2）轉(zhuǎn)換產(chǎn)品模型的文件格式，將STL層面模型導(dǎo)入到MPI中，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分并修補(bǔ)網(wǎng)格；3）在產(chǎn)品網(wǎng)格模型上構(gòu)建澆注及冷卻系統(tǒng)（用實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呱弦阎某叽缗c結(jié)構(gòu)）；4）執(zhí)行正交實(shí)驗(yàn)法確定的試驗(yàn)方案，將注塑工藝參數(shù)和條件輸入MPI中；5）執(zhí)行仿真分析，進(jìn)行完整的充模流動(dòng)、保壓、冷卻、翹曲等分析；6）生成該次實(shí)驗(yàn)報(bào)告；7）再進(jìn)行4）→5）→6）的循環(huán)直到完成正交實(shí)驗(yàn)規(guī)定的試驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析處理是對(duì)仿真模擬分析結(jié)論進(jìn)行處理。仿真分析試驗(yàn)后，對(duì)獲取的各次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析、方差分析；確定影響注塑成型試驗(yàn)指標(biāo)的主、次要因素，各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著程度，得出試驗(yàn)因素的優(yōu)水平和最優(yōu)組合即注塑工藝參數(shù)組合方案。

2 基于CAE技術(shù)與正交試驗(yàn)的注塑成型工藝設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

模擬實(shí)驗(yàn)以某塑料杯為模型：材料為高密度聚乙烯，注塑設(shè)備為HF-1200注塑機(jī)；塑料杯大端直徑Φ78mm、高80mm,平 均 壁 厚1.2mm；注塑工藝為一模一型，直接澆口。采用Solid Works軟件建立三維實(shí)體模型，然后轉(zhuǎn)化為STL文件導(dǎo)入到Moldflow MPI 6.0軟件中，生成表面型網(wǎng)格如圖1所示，并修補(bǔ)轉(zhuǎn)換過(guò)程中損壞的一些面和網(wǎng)格。

圖1 塑料杯網(wǎng)格模型

根據(jù)CAE試驗(yàn)的定量分析條件，提取翹曲變形值（Y1）、平均體積收縮率（Y2）、殘余應(yīng)力（Y3）為該注塑件質(zhì)量的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中平均體積收縮率和殘余應(yīng)力反映制品的性能指標(biāo)，翹曲變形值反映制品的表面質(zhì)量。體積收縮率太大會(huì)影響制品的尺寸精度；收縮不均勻會(huì)導(dǎo)致制品發(fā)生翹曲，制品中的殘余應(yīng)力過(guò)大會(huì)使零件扭曲或過(guò)早失效。塑件公差等級(jí)為 IT5 級(jí)，翹曲變形值（mm）、平均體積收縮率（%）、殘余應(yīng)力（MPa）滿(mǎn)足的條件如下：0.45mm≤Y1≤1.15mm；0.50%≤Y2≤1.2%；0≤Y3≤10MPa。

2.2 模擬實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

模擬實(shí)驗(yàn)主要是通過(guò)對(duì)該模型的成型情況分析，尋找注塑工藝參數(shù)的優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)注塑模優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)預(yù)期。本文選取對(duì)塑件成型過(guò)程影響較大的模具溫度℃（A）、熔體溫度/℃（B）、冷卻時(shí)間/s（C）、保壓壓力/MPa（D）、保壓時(shí)間/s（E）、注射時(shí)間/s（G）以及A與B、B與C的交互作用作為實(shí)驗(yàn)因素，每個(gè)因素安排3 個(gè)水平，因素的水平間距及取值的理想?yún)^(qū)域確定如表1所示。實(shí)驗(yàn)采用L27（313）正交表（表略）。用MPI軟件仿真分析，試驗(yàn)表與模型翹曲變形值、體積收縮率、殘余應(yīng)力值數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素的水平表

表2 各參數(shù)取值

2.3 數(shù)據(jù)的處理

對(duì)于模擬實(shí)驗(yàn)中提取的三個(gè)目標(biāo)數(shù)據(jù)（翹曲變形值、平均體積收縮率、殘余應(yīng)力），對(duì)制品的重要程度各有側(cè)重，無(wú)法直接將進(jìn)行疊加評(píng)價(jià)。采用模糊數(shù)學(xué)中的映射函數(shù)進(jìn)行處理，將各指標(biāo)值統(tǒng)一映射到[0,1]的數(shù)值空間 ,根據(jù)指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中重要程度的不同 ,采用百分制加權(quán)綜合評(píng)分。

2.4 數(shù)據(jù)的分析

2.4.1 極差法分析各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的重要依次程度

極差是指一組數(shù)據(jù)中最大值和最小值之差，極差值越大，表示該因素對(duì)指標(biāo)的影響程度越大，該因素越關(guān)鍵；極差值越小，表示影響程度越不顯著，因素重要程度越一般。對(duì)實(shí)驗(yàn)采用的L27（313）正交表獲得的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)（綜合評(píng)分結(jié)果）進(jìn)行極差法分析，可得翹曲變形極差分析表3。從表3可直觀地看出因素中熔體溫度D 的極差值最大，是最關(guān)鍵工藝因素。因素的重要程度依次是B、E、C、D、G、A；該模型的優(yōu)水平組合是A3B3C1D3E3G2；但表3中各因素與A×B 、B×C的交互作用顯著性還待方差法分析確定。

2.4.2 方差法分析各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度

對(duì)實(shí)驗(yàn)采用的L27（313）正交表獲得的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)（綜合評(píng)分結(jié)果）進(jìn)行方差法分析，可考察各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度（如表4所示），因素B、C、E的F因數(shù)＞F0.01（2，20）= 6.01，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響高度顯著；因素D 的F因數(shù)＞F0.05（2.16）= 3.55，影響顯著；A、D、 G、B×C及A×B交互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響。

表3 翹曲變形極差分析表

表4 翹曲變形方差分析表

最終確定其優(yōu)水平組合是A3B3C1D3E3G2。通過(guò)仿真分析，翹曲變形值0.661mm、平均體積收縮率0.752%、殘余應(yīng)力8.645 MPa、綜合評(píng)分結(jié)果96.671，該方案為最佳工藝組合方案。

3 基于優(yōu)化工藝方案的實(shí)際注塑實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證上述分析的準(zhǔn)確性，對(duì)優(yōu)水平組合A3B3C1D3E3G2進(jìn)行注塑實(shí)際實(shí)驗(yàn)（實(shí)際注塑過(guò)程在此不詳述）。實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合，塑料制品技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)符合預(yù)期。

4 結(jié)論

基于正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方案,并綜合應(yīng)用Moldflow軟件、極差法、方差法分析的試驗(yàn)結(jié)果,可以觀察到工藝參數(shù)以及工藝參數(shù)間的交互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，判定出試驗(yàn)的準(zhǔn)確程度，確定出優(yōu)化的工藝參數(shù)組合。在本研究中，按照系統(tǒng)工程的理念，把原來(lái)彼此獨(dú)立的產(chǎn)品CAD設(shè)計(jì)、產(chǎn)品CAE工程分析、正交實(shí)驗(yàn)及其數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，系統(tǒng)考慮和綜合應(yīng)用，有效地優(yōu)化了工藝參數(shù)方案，可以縮短模具設(shè)計(jì)周期、提高模具設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低模具制造成本。本研究為注塑成型工藝方案的優(yōu)化及模具設(shè)計(jì)提供了一種可行技術(shù)路線。

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