黃 鵬
(湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院,長沙 410132)
對于汽車大型塑件的注射成型,澆注系統(tǒng)設(shè)計是保證注塑質(zhì)量的關(guān)鍵因素。通過對澆注系統(tǒng)的設(shè)計控制,可以從根本上改善塑件的注塑效果。而在特殊情況下,盡管澆注系統(tǒng)的澆口位置為非最優(yōu)位置,但可通過改善注射成型工藝參數(shù)來達(dá)到改善塑件注塑效果的目的[1-4]。通過計算機(jī)輔助工程(CAE)輔助分析可以發(fā)現(xiàn)注塑時潛在質(zhì)量問題,但結(jié)合CAE對注塑問題進(jìn)行改善優(yōu)化時,對注塑工藝參數(shù)的調(diào)整不能做到高效尋優(yōu)到最佳工藝參數(shù),需借助于其他的試驗方法來找尋,如正交試驗法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)尋優(yōu)法等進(jìn)行工藝參數(shù)路徑優(yōu)化等,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)尋優(yōu)工藝參數(shù)時,關(guān)鍵是對所選用的算法擇優(yōu)以提高網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測準(zhǔn)確程度[5-8]。目前,國內(nèi)一些學(xué)者采用GRNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、GRA-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、TugII-SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等在提高注塑制品質(zhì)量方面取得了較好的應(yīng)用效果[9-12],但就準(zhǔn)確性而言,基于算法改進(jìn)的LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有更高的預(yù)測準(zhǔn)確性[13-15]。本文結(jié)合某汽車內(nèi)飾A、B柱上內(nèi)飾板注塑質(zhì)量問題,應(yīng)用LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合CAE輔助分析以改進(jìn)和提高注塑質(zhì)量做出案例分析,可供參考借鑒。
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對試驗結(jié)果的預(yù)測能較好的吻合檢驗結(jié)果,取決于網(wǎng)絡(luò)反饋傳遞函數(shù)的選用,不同的預(yù)測對象需結(jié)合不同的網(wǎng)絡(luò)模型,因此算法的改進(jìn)是提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)針對具體工程準(zhǔn)確預(yù)測的一個重要方法,在注塑工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計中,借助BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能有效預(yù)測注塑工藝參數(shù)與對應(yīng)的多個注塑缺陷如翹曲、熔接線、縮痕等問題之間的關(guān)系,但不足的是常規(guī)算法所預(yù)測的結(jié)果與實驗結(jié)果存在一定的誤差,因此算法的改進(jìn)在注塑工藝參數(shù)優(yōu)化中非常重要,顯然LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在這方面有著典型的應(yīng)用[16-18],如圖1所示,其改進(jìn)基本架構(gòu)過程為:
圖1 LM算法改進(jìn)型BP網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Improved BP network for LM algorithm
(1)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的LM算法性能指數(shù):
(1)
式(1)中:
g=(m-1)×p2+k
(2)
構(gòu)造中間向量z,
zT=[e1,1e1,2…ep2,1…ej,m…ep2,1]
(3)
使得:
F(x)=zTz
(4)
式(4)中:z的維數(shù)為:〈N×1〉,其中,
N=p2×M
(5)
(2)敏感度函數(shù)
(6)
(7)
通過鏈?zhǔn)椒▌t計算可得:
(8)
(3)雅克比矩陣計算
LM網(wǎng)絡(luò)中,雅克比矩陣的維數(shù)為:
〈N×n〉
(9)
式(9)中:
N=p2×M,n=p2(p1+1)+p1(p0+1)
(10)
由式(9)可分別計算得矩陣的4個部分W1,W2,b1,b2,各部分分別對應(yīng)的雅克比分別為:
①對于W1,其Jw1的維數(shù)為〈p2·M,n×B1·B0〉,針對W1,有:
(11)
(12)
②對于W2,Jw2的維數(shù)為〈p2·M,n×p2·p1〉,針對W2,有:
(13)
(14)
③對于b1有,Jb1的維數(shù)為〈B2·M×B1〉,針對b1,有:
(15)
(16)
④對于b2有,Jb2的維數(shù)為〈B2·M×B2〉,針對b2,有:
(17)
(18)
(4)權(quán)值、閾值變化量
xk+1=xk-[JT(xk)J(xk)+ukI]-
JT(xk)z(xk)
(19)
(a)CAD模型 (b)CAE模型圖2 CAD/CAE模型Fig.2 CAD/CAE model
通過計算后,如新的性能指數(shù)F(x)小于前一個,則按式(20)重新轉(zhuǎn)到式(6)重新計算,反之,則按式(21)轉(zhuǎn)到式(13)計算。
uk+1=uk/θ
(20)
uk+1=uk×θ
(21)
式(19)、(20)中,uk為接近于0的正數(shù),θ為>1的常數(shù)。
汽車內(nèi)飾A、B柱上內(nèi)飾板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸如圖2(a)所示,產(chǎn)品分為2個,左右基本対稱,采用1模2穴,在圖2(a)中,左邊產(chǎn)品為A柱內(nèi)飾板,右邊產(chǎn)品為B柱內(nèi)飾板,產(chǎn)品A、產(chǎn)品B均呈手槍狀,產(chǎn)品A的外形尺寸為201 mm×451 mm×40 mm,產(chǎn)品B的外形尺寸為201 mm×459 mm×38.5 mm,產(chǎn)品平均壁厚1.5 mm。2個產(chǎn)品上,分別設(shè)計有F圖和E圖所示插孔扣特征,產(chǎn)品A上有F圖所示特征10處,產(chǎn)品B上有E圖所示特征10處。
2個產(chǎn)品同模注射成型時面臨如下問題:①圖E、圖F所示特征為插孔扣特征,數(shù)量多,壁厚較薄,包緊力較大,造成產(chǎn)品局部脫模困難和排氣困難;②產(chǎn)品尺寸較大,形狀狹長,收縮不容易均衡,容易產(chǎn)生變形;③形狀不規(guī)則,澆注系統(tǒng)開設(shè)困難;④表面光潔度要求高,光滑,色澤均勻,不能有任何斑點等缺陷;⑤產(chǎn)品間體積有差異,很難做到平衡注塑。
采用Moldflow2015軟件,F(xiàn)EM模型如圖2(b)所示,有限元分析采用的網(wǎng)格為fusion雙層網(wǎng)格,縱橫比最大為9.36,最小1.13,平均1.42,產(chǎn)品A節(jié)點數(shù)33 322,單元數(shù)量78 028,網(wǎng)格匹配百分比93.4 %,體積602.5 cm3,產(chǎn)品B節(jié)點數(shù)45 986,單元數(shù)量80 796,網(wǎng)格匹配百分比92.3 %,塑件體積693.5 cm3。
塑料選用改性聚丙烯(PP)/三元乙丙橡膠(EPDM-T20),其注塑工藝推薦參數(shù)為:模溫40~60 ℃,料溫210~250 ℃,頂出溫度119 ℃;材料最大許可的剪切速率100 000 s-1,剪切力為0.25 MPa。
在模具設(shè)計前,CAE分析需解決:①澆口位置及澆口數(shù)量;②選定澆口及澆口數(shù)量工況下澆注系統(tǒng)的設(shè)計;③成型質(zhì)量分?jǐn)?shù);④成型質(zhì)量分?jǐn)?shù)最優(yōu)下的可能存在的缺陷分析;⑤注塑工藝參數(shù)優(yōu)化。
一般,產(chǎn)品注塑時澆注系統(tǒng)設(shè)計的合理性將決定后續(xù)注塑缺陷問題的調(diào)整和處理。結(jié)合實踐經(jīng)驗,澆注系統(tǒng)首先采用如圖3(a)所示單個產(chǎn)品采用2點澆注的方案Ⅰ。
方案Ⅰ的主要問題是流動路徑過長,容易形成充填不足和注塑壓力不平衡:一是產(chǎn)品A、產(chǎn)品B的2個模腔之間的不平衡;二是就單個產(chǎn)品而言產(chǎn)品粗的一端D需要的注塑量大,而細(xì)的一端X需要的注塑量相對較小,因此細(xì)小一端X先充填,而粗的一端D則后充填,先充填一端容易出現(xiàn)過壓充填,這已為CAE充填分析結(jié)果所觀察到,充填末了時,細(xì)端X高于粗端D壓力18~26 MPa,不利于后續(xù)保壓,所以方案Ⅰ易導(dǎo)致不平衡注塑而引起細(xì)端飛邊,且保壓時細(xì)端過保壓而引起整個產(chǎn)品的翹曲變形較大。進(jìn)一步的優(yōu)化方案Ⅱ如圖3(b)所示,方案Ⅱ中,在單個產(chǎn)品上,以產(chǎn)品A為例,在澆口A1和澆口A2中間增設(shè)了一個澆口A3,粗端澆口A1和細(xì)端澆口A2分別往外進(jìn)行前移,經(jīng)充填分析后,方案Ⅰ中所出現(xiàn)的注塑不平衡問題得到有效緩解,但熔接線稍有增多,粗端D末端存在充填不足。針對方案Ⅱ中問題,熔接線可以靠提高模溫或者改變澆口形式增加剪切速率來解決,D端的充填不足則需將A1、B1澆口進(jìn)一步優(yōu)化,因此優(yōu)化后的方案如圖3(c)中所示的方案Ⅲ。方案Ⅲ中,將A1澆口、B1澆口前移粗端D的外側(cè),并將澆口形式由側(cè)澆口改成香蕉型澆口形式以增加剪切速率提高料溫減少熔接線數(shù)量,澆注系統(tǒng)采用熱流道+冷澆口澆注方式,對熱流道嘴A1~A3、B1~B3這6個熱流道嘴采用時序控制方式,對方案Ⅲ進(jìn)行初步充填分析后,對比方案Ⅰ、方案Ⅱ的缺陷問題,可以判斷,方案Ⅲ能有效解決上述問題,因此,本產(chǎn)品的澆注方案采用方案Ⅲ。
A1~A3,B1~B3—澆口位置 D—產(chǎn)品粗端 X—產(chǎn)品細(xì)端(a)方案Ⅰ (b)方案Ⅱ (c)方案Ⅲ圖3 澆注系統(tǒng)設(shè)計Fig.3 Gate system design
3.2.1 方案Ⅲ成型窗口優(yōu)化
對方案Ⅲ首先進(jìn)行澆口位置的構(gòu)建,而后進(jìn)行成型質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析,以確定較優(yōu)的成型條件—模溫、料溫和注射時間后再建立澆注系統(tǒng);經(jīng)過對模溫、料溫、充填時間進(jìn)行逐步調(diào)整對比后,方案Ⅲ的最佳成型質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92.4 %,對應(yīng)的工藝參數(shù)為模溫50 ℃,料溫230 ℃,注射時間3.8 s。
3.2.2 方案Ⅲ流動分析
流動分析中的工藝參數(shù)在成型窗口分析所得參數(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合建立的流道系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,保證進(jìn)入型腔的料溫及充模時間,成型質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)化后獲得工藝參數(shù)進(jìn)行流動分析,Moldflow軟件中分析方式設(shè)置為[填充+保壓+翹曲],對應(yīng)的工藝參數(shù)設(shè)置為模溫50 ℃,料溫230 ℃,注射時間3.8 s,速度/壓力切換為98.85 %。保壓為2段保壓,分別為:80 %充填壓力-10 s;50 %充填壓力-5 s。冷卻時間20 s,結(jié)果考慮角效應(yīng)和分離翹曲因素,熱流道嘴閥門同步開啟。
3.3.1 中間過程結(jié)果
(a)充填時間 (b)充填壓力 (c)澆口壓力 (d)前沿溫度圖4 CAE中間結(jié)果Fig.4 Filling results
針對方案Ⅲ分析的中間結(jié)果表明,充填時間為4.505 s,如圖4(a)所示,壓力比較均衡,能實現(xiàn)順序注塑,所需注塑壓力小,壓力為18.31 MPa,如圖4(b)所示,對注塑機(jī)的壓力要求不高,如圖4(c)所示。前沿溫度溫差為19.7 ℃左右,料流流動性好。V/P時刻在3.58 s,體積填充至98.88 %時自動切換,最大剪切速率80 663 s-1,產(chǎn)生最大時刻,3.126 s,剪切應(yīng)力最大0.245 6 MPa,沒超過材料的許用范圍;縮痕指數(shù)在4.5 %以下,對產(chǎn)品的外觀有一定的影響。綜合流動各項結(jié)果看,流動效果基本能滿足產(chǎn)品的填充需要。
3.3.2 問題結(jié)果
綜合其他結(jié)果看,產(chǎn)品注塑時存在以下問題:①特征F、特征E存在較多的氣孔,困氣嚴(yán)重;②產(chǎn)品表面窗口處有熔接痕,且較為嚴(yán)重,如圖5(b)中F所
示;③表面收縮痕指數(shù)較大,影響最終的產(chǎn)品外觀;④翹曲變形大,主要因素為收縮不均。針對上述問題,氣孔可在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計時增加排氣措施加以解決,熔接痕可通過提高注塑工藝參數(shù)中的模具溫度來消除,而縮痕和翹曲問題,涉及到注塑前期溫度調(diào)整和后期保壓工藝參數(shù)設(shè)置的優(yōu)化,因此,尋優(yōu)最佳的注塑工藝參數(shù)為解決本次2穴產(chǎn)品注塑問題的關(guān)鍵。
(a)氣孔 (b)熔接線 (c)縮痕指數(shù) (d)翹曲圖5 CAE不良結(jié)果Fig.5 CAE bad results
上述縮痕及翹曲問題的解決,考慮到試模成本及工期,應(yīng)優(yōu)先采用CAE分析獲取最佳工藝參數(shù),即優(yōu)先通過調(diào)整工藝參數(shù)來改善上述潛在缺陷問題。對應(yīng)的需要優(yōu)化的工藝參數(shù)為:①材料溫度(T1,℃);②模具溫度(T2,℃),③注射壓力(P1,MPa);④注塑時間 (t1,s);⑤保壓壓力(P2,MPa);⑥保壓時間(t2,s);⑦冷卻時間(t3,s)。 優(yōu)化的過程為,先通過正交試驗法獲取工藝參數(shù)點優(yōu)化域,而后再細(xì)化參數(shù)水平值結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)尋優(yōu)最佳工藝參數(shù)。
(1)考慮對本案例的工程實際,尋優(yōu)最優(yōu)參數(shù)組合的正交試驗選用3水平9因素,實驗方案設(shè)計如表1所示。
表1 參數(shù)水平表Tab.1 Process parameters of injection molding
注:Tθ—料溫;T2—模溫;P1—注射壓力;t1—注射時間;P2-1—第一段保壓壓力;t2-1—第一段保壓時間;P2-2—第二段保壓壓力;t2-2—第二段保壓時間;t3—冷卻時間。
運(yùn)用Mintab設(shè)計正交試驗,以改善翹曲和縮痕主要目標(biāo),其次是熔接線,選用L27(39),因素9個,關(guān)注結(jié)果因素為3個,分別為:翹曲量(Q);熔接線數(shù)量(N);縮痕指數(shù)(Ψ),CAE分析方案采用 Moldflow2015中的[冷卻+填充+保壓+翹曲],結(jié)果如表2所示。
對試驗結(jié)果進(jìn)行影響因素權(quán)重分析,試驗結(jié)果表明,翹曲變形影響因素是料溫T1,其次是注塑壓力P1;從權(quán)重Δ數(shù)據(jù)對比看,各因素的排序依次為,T1>P1>t1>P2-2>T2>P2-1>t2-2>t2-1>t3,較為優(yōu)化的工藝組合路徑為:T1(2)T2(2)P1(2)t1(3)P2-1(2)t2-1(3)P2-2(1)t2-2(1)t3(1),即:T1(230 ℃)T2(45 ℃)P1(45)t1(5 s)P2-1(70)t2-1(15 s)P2-2(25)t2-2(3 s)t3(12 s)。
表2 CAE分析試驗結(jié)果Tab.2 Test results of CAE analysis
表3 影響因素權(quán)重分析Tab.3 Weight analysis of influencing factors
對于表2所示的分析結(jié)果,為進(jìn)一步細(xì)化各因素水平的最佳參數(shù),擬采用第一節(jié)所述的用于改進(jìn)BP網(wǎng)絡(luò)的LM算法所構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。其過程分為:首先基于LM算法構(gòu)建適用于本案例分析的LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);其次將1#~21#工藝參數(shù)組合所獲取的樣本結(jié)果來訓(xùn)練LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);再次對樣本22#~27#進(jìn)行檢驗,以驗證所訓(xùn)練的LM-BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的準(zhǔn)確性;最后利用所構(gòu)建的LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆向反推優(yōu)化工藝參數(shù)以獲取接近最優(yōu)工藝參數(shù)的工藝參數(shù)組合路徑。
LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建包括:(1)模型選用標(biāo)準(zhǔn)型3 層網(wǎng)絡(luò);(2)輸入層神經(jīng)元數(shù)目為9個,分別對應(yīng)T1、T2、PI、t1、P2-1、t2-1、P2-2、t2-2、t3,隱含層神經(jīng)元數(shù)30個,輸出層神經(jīng)元數(shù)3個,分別對應(yīng)Q、N、Ψ。
采用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱構(gòu)建LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),通過newff構(gòu)建網(wǎng)絡(luò),訓(xùn)練函數(shù)為trainlm,仿真函數(shù)simtuff()、中間輸入神經(jīng)元函數(shù)tansig,輸出神經(jīng)元函數(shù)purelin,采用excell表格導(dǎo)入并做矩陣處理,歸一化處理函數(shù)為mapminmax()。
網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練好后,經(jīng)過與檢驗樣本對比分析后,預(yù)測值和試驗值非常吻合,誤差已小于1.12 e-8,表明所構(gòu)建的LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)具備較好的預(yù)測能力,能滿足本案例工藝參數(shù)優(yōu)化的預(yù)測需要。
針對本產(chǎn)品的工藝參數(shù)尋優(yōu)而言,前述正交試驗法所獲得的工藝路徑實質(zhì)上只是趨近于最優(yōu)參數(shù)的一個點,優(yōu)化思路是對正交試驗優(yōu)化所獲參數(shù)水平進(jìn)行進(jìn)一步密化,以盡可能趨近于最優(yōu)參數(shù)。因此,利用LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測功能,對正交所得的最佳工藝參數(shù)路徑T1(2)T2(2)PI(2)t1(3)P2-1(2)t2-1(3)P2-2(1)t2-2(1)t3(1)做進(jìn)一步的單個因素的水平密化,并考慮單個因素的權(quán)重影響,主要對權(quán)重影響大的因素做進(jìn)行進(jìn)一步的尋優(yōu)工作。調(diào)整時,以T1、P1、t1為主要目標(biāo),密化水平按3水平方案進(jìn)行,T1調(diào)整量為5 ℃,P1為5 MPa,t1調(diào)整梯度為0.8 s,選用正交L9(33),如表4所示。
表4 優(yōu)選工藝參數(shù)Tab.4 Optimizing process parameters
將表4中按1#~9#工藝參數(shù)導(dǎo)入前述LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行預(yù)測,其結(jié)果如表5所示,從翹曲、熔接線、縮痕指數(shù)等方面考量,表5中優(yōu)化的參數(shù)所獲結(jié)果都較表4中優(yōu)化的有較大改善,將其中的綜合預(yù)測數(shù)據(jù)較好的5號工藝組合參數(shù)設(shè)置入Moldflow中進(jìn)行 檢驗后,實際從軟件中觀察的翹曲量Q最大為1.13 mm,熔接線數(shù)量9條,縮痕指數(shù)最大為0.953 %。對9#、2#進(jìn)行CAE仿真模擬后,仿真數(shù)據(jù)基本與表5中所示吻合,因此該LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測能力較為可靠。
表5 優(yōu)化工藝參數(shù)預(yù)測與檢驗(1#~9#試驗編號)Tab.5 Prediction and inspection of optimized process parameters
按照上述LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測功能及CAE的輔助分析,試模時以表5所示5#的工藝參數(shù)為基礎(chǔ),進(jìn)一步微調(diào)后注塑試模4模后的產(chǎn)品注塑效果如圖6所示,經(jīng)檢驗后發(fā)現(xiàn),產(chǎn)品各項指標(biāo)較為良好,能充分滿足廠商生產(chǎn)要求。
(a)產(chǎn)品內(nèi)側(cè)面 (b)產(chǎn)品外觀面圖6 產(chǎn)品注塑效果Fig.6 Product injection effect
(1)以注塑某汽車內(nèi)飾A、B柱上內(nèi)飾板1模2腔不同產(chǎn)品同模注塑為例,對產(chǎn)品注塑生產(chǎn)時潛在的注塑質(zhì)量問題結(jié)合CAE仿真進(jìn)行了深入的分析,分析過程包括不同澆注系統(tǒng)的優(yōu)化選用、已選定澆注系統(tǒng)的成型質(zhì)量優(yōu)化、成型工藝參數(shù)優(yōu)化3個過程;在成型工藝優(yōu)化中,對傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了基于LM算法的結(jié)構(gòu)改進(jìn),采用正交試驗粗選優(yōu)化工藝路徑,改進(jìn)后的LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對細(xì)化優(yōu)化工藝路徑有著較好的預(yù)測功能;
(2)通過LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助優(yōu)選,得到了很好的產(chǎn)品注塑工藝組合參數(shù),將之應(yīng)用于實際注塑時獲得了質(zhì)量良好的注塑產(chǎn)品,提高了模具生產(chǎn)效率,產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益,實踐證明,以上研究對于注塑產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)化的分析具有較強(qiáng)的實踐指導(dǎo)意義。