黃永程

（廣東理工學(xué)院，廣東省肇慶市 526100）

薄壁塑件由于質(zhì)量輕和流長比大，因此，在成型過程中收縮不均勻，容易產(chǎn)生翹曲變形。傳統(tǒng)注塑成型工藝使熔體受力不均，易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力進(jìn)而導(dǎo)致翹曲變形等缺陷。注塑壓縮成型技術(shù)是傳統(tǒng)注塑成型和壓縮成型的組合技術(shù)，通過注塑機(jī)將塑化好的熔體注塑至未完全閉合的模具型腔中，然后通過注塑機(jī)或模外壓縮裝置壓縮模具至完全閉合，目的是將熔體壓實(shí)。傳統(tǒng)注塑成型工藝采用可控的螺桿運(yùn)動(dòng)來間接控制模具型腔中樹脂的流動(dòng)速率和壓力，注塑壓縮成型使樹脂在壓力作用下直接充滿整個(gè)型腔，以減小塑料桿的內(nèi)應(yīng)力，削弱分子間的取向［1］，改善薄壁塑件的質(zhì)量。

對于薄壁塑件注塑壓縮成型工藝多因素多指標(biāo)分析的相關(guān)文獻(xiàn)比較少，主要是多因素單指標(biāo)分析，對于多因素單指標(biāo)分析采用正交試驗(yàn)與方差結(jié)合分析，得出單指標(biāo)的最優(yōu)工藝參數(shù)組合［2-3］，但由于評(píng)定塑件質(zhì)量的指標(biāo)較多，優(yōu)化一個(gè)指標(biāo)很難獲得較優(yōu)的工藝方案。因此，為了使注塑產(chǎn)品各指標(biāo)都達(dá)到一個(gè)均衡狀態(tài)，本工作采用模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)判法與田口試驗(yàn)法相結(jié)合，根據(jù)各目標(biāo)值對產(chǎn)品外觀質(zhì)量和性能的重要性，進(jìn)行加權(quán)綜合評(píng)分，通過差異分析確定因素水平對綜合價(jià)值的影響程度，找到一組最優(yōu)的工藝參數(shù)。

1 工藝參數(shù)優(yōu)化方法和多指標(biāo)的確定

1.1 田口試驗(yàn)法

針對不同使用要求的薄壁塑件制品，采用不同的設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)包括篩選設(shè)計(jì)、部分因子設(shè)計(jì)、全因子設(shè)計(jì)、響應(yīng)面設(shè)計(jì)、擴(kuò)充設(shè)計(jì)、混合設(shè)計(jì)和田口設(shè)計(jì)等［2］。由于6因素5水平的設(shè)計(jì)，全因子設(shè)計(jì)需要進(jìn)行15 625次實(shí)驗(yàn)，而田口設(shè)計(jì)只需要進(jìn)行25次實(shí)驗(yàn)，因此，采用田口設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。6因素分別是模具溫度、熔體溫度、壓縮力、壓縮速度、壓縮距離和壓縮時(shí)間。

1.2 多指標(biāo)的確定

樹脂材料對溫度比較敏感，薄壁塑件對溫度更為敏感，在成型過程中易發(fā)生翹曲變形、熔接線和體積收縮等缺陷。翹曲變形和體積收縮會(huì)嚴(yán)重影響薄壁塑件的外形和使用性能，熔接線會(huì)影響薄壁塑件強(qiáng)度，因此，翹曲變形量、熔接線和體積收縮率占綜合性能的比重非常大，需要尋找合理工藝參數(shù)組合使這三個(gè)指標(biāo)相對較優(yōu)［4-5］。

1.2.1 多指標(biāo)評(píng)判分類

綜合評(píng)分法與綜合平衡法是傳統(tǒng)的解決多指標(biāo)問題的分析試驗(yàn)方法。綜合評(píng)分法是對多指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)分析，而綜合平衡法是對單指標(biāo)進(jìn)行直觀分析，將多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為單指標(biāo)進(jìn)行分析，綜合評(píng)分法又分為加權(quán)綜合評(píng)分法和排隊(duì)綜合評(píng)分法，加權(quán)綜合評(píng)分法表達(dá)式見式（1）［2］。

式中：Xij為考察對象；aij為權(quán)因子系數(shù)，即評(píng)判對象在綜合加權(quán)評(píng)分中所占權(quán)重值；i為第i號(hào)試驗(yàn)；j為第j個(gè)考察對象；Xi是綜合加權(quán)平均。

1.2.2 權(quán)重的選擇

因?yàn)槁N曲變形量、熔接線和體積收縮率這三個(gè)指標(biāo)對塑件的影響程度不同，所以加權(quán)綜合評(píng)分法對權(quán)重系數(shù)的確定更為重要。通過建立判斷矩陣，即建立最大翹曲變形量、平均熔接線和平均體積收縮率的判斷矩陣，根據(jù)以上3個(gè)指標(biāo)影響程度所建立的判斷矩陣見表1。

表1 指標(biāo)判斷矩陣Tab.1 Index judgment matrix

求出上表所建立的判斷矩陣的最大特征值（λmax）為3.161 9，對應(yīng)的特征向量（μ），μ=（0.676 2，0.587 0，0.445 3）T，T為矩陣中的轉(zhuǎn)置，并對該特征向量進(jìn)行歸一化處理，處理后見式（2）。

式中：wi為權(quán)重值；ui為重要程度；uj為綜合重要程度；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

由式（2）計(jì)算出最大翹曲變形量、平均熔接線、平均體積收縮率的權(quán)重分別為0.396，0.344，0.260，3個(gè)權(quán)重的和為1。為確定所選擇權(quán)重的合理性，要進(jìn)行一致性程度的驗(yàn)證，由于模糊性對事物的不確定性，很難構(gòu)造出完全一致的判斷矩陣，用λmax與n的接近程度作為一致性程度的尺度。通過相關(guān)矩陣滿意一致性判斷，最大翹曲變形量、平均熔接線、平均體積收縮率的權(quán)重分別為0.396，0.344，0.260，說明最大翹曲變形量影響程度最大，平均熔接線次之，平均體積收縮率影響最小。

1.2.3 模糊映射加權(quán)綜合評(píng)分

由于3個(gè)評(píng)價(jià)目標(biāo)的影響程度不同，對產(chǎn)品的影響程度也有偏差，為了平衡各指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)多指標(biāo)問題綜合，基于模糊數(shù)學(xué)中的映射函數(shù)加權(quán)綜合評(píng)分法，見式（3）。

式中：a1為最大翹曲變形量的加權(quán)值；a2為平均熔接線的加權(quán)值；a3為平均體積收縮率的加權(quán)值；Xj為第j次試驗(yàn)的綜合考察指標(biāo)；Xji為第j次試驗(yàn)第i項(xiàng)的考察指標(biāo)；ai為第i指標(biāo)的加權(quán)值。

為盡量使綜合評(píng)分的結(jié)果合理，加權(quán)值的取值很關(guān)鍵，采用模糊映射和S形隸屬函數(shù)，其表達(dá)式見式（4），得出的權(quán)重百分制化整，最大翹曲變形量、平均熔接線、平均體積收縮率的權(quán)重分別為40，34，26。說明最大翹曲變形量所占比重最大，平均熔接線比重次之，平均體積收縮率比重最小。

式中：a用來控制xji=c處的斜率；c為拐點(diǎn)對應(yīng)坐標(biāo)，即各指標(biāo)映射函數(shù)值為0.5時(shí)的取值［3］。

2 注塑壓縮成型工藝優(yōu)化

2.1 建立注塑壓縮模型

以某品牌筆記本電腦顯示器外殼作為分析模型，其內(nèi)尺寸310.0 mm×175.0 mm×1.5 mm，外尺寸340.0 mm×230.0 mm×1.5 mm，屬于薄壁塑件。在Pro/E軟件中建立了計(jì)算機(jī)顯示器外殼的三維模型，并以IGS格式保存。然后將其導(dǎo)入Moldflow CAD Doctor中進(jìn)行模型修復(fù)。最后，將修復(fù)后的塑件導(dǎo)入Moldflow2018軟件進(jìn)行仿真分析。筆記本電腦外殼應(yīng)具有機(jī)械強(qiáng)度高、散熱性好且質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)［4］，而工程塑料聚碳酸酯+丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物具有薄壁、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、散熱快等優(yōu)點(diǎn)。選擇德國科思創(chuàng)公司牌號(hào)為Baybtend FR3001的合金塑料，根據(jù)其材料和尺寸建立了冷卻系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)，見圖1。

圖1 澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of gating system and cooling system

2.2 建立多指標(biāo)試驗(yàn)方案

本工作的目的是尋找更好的工藝參數(shù)組合，提高注塑制品的綜合質(zhì)量。選擇最大翹曲變形量、平均熔接線、平均體積收縮率作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。最大翹曲變形量和平均體積收縮率越小，平均熔接線越大越好［3］。每個(gè)因素的水平設(shè)置見表2。

2.3 結(jié)果與討論

采用6因素5水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用Minitab軟件建立田口試驗(yàn)，最終生成了一個(gè)L25（56）矩陣表，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 因素與水平Tab.2 Factors and levels

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results

從表4可以看出：影響翹曲變形量的因素由大到小依次為C，B，F(xiàn)，A，E，D，壓縮力是影響最大翹曲變形量的主要因素，熔體溫度是影響最大翹曲變形量的次要因素，最大翹曲變形量最小時(shí)的最佳工藝參數(shù)組合為A4B2C4D5E3F2。

表4 最大翹曲變形量的極差分析Tab.4 Range analysis of maximum warping deformation

從表5可以看出：影響平均熔接線的因素由大到小依次為C，B，D，E，F(xiàn)，A，壓縮力是影響平均熔接線的主要因素，熔體溫度是影響平均熔接線的次要因素，使平均熔接線最大時(shí)的最佳工藝參數(shù)組合為A5B3C2D3E5F4。

表5 熔接線的極差分析Tab.5 Range analysis of weld line

從表6可以看出：影響平均體積收縮率的因素由大到小依次為C，F(xiàn)，B，E，D，A，影響平均體積收縮率的主要因素是壓縮力，其次是壓縮時(shí)間，使平均體積收縮率最小的最佳工藝參數(shù)組合為A3B3C4D5E5F1。

表6 平均體積收縮率的極差分析Tab.6 Range analysis of average volume shrinkage

從表7可以看出：影響綜合評(píng)分的因素由大到小依次為B，D，A，E，C，F(xiàn)，最佳工藝參數(shù)組合為A4B3C4D5E3F2。

表7 綜合評(píng)分的極差分析Tab.7 Range analysis of comprehensive scores

需對最佳工藝參數(shù)組合進(jìn)行模擬驗(yàn)證，即模具溫度75 ℃，熔體溫度260 ℃，壓縮力60 t，壓縮速度14 mm/s，壓縮距離1.5 mm，壓縮時(shí)間7 s。從圖2可以看出：最大翹曲變形量為1.168 mm，平均熔接線為68.74°，平均體積收縮率為8.296%，這三個(gè)指標(biāo)得到的綜合評(píng)分為67.491 5，與表3數(shù)據(jù)相比，最大翹曲變形量較小、平均熔接線較大和平均體積收縮率最小，綜合評(píng)分最高，3個(gè)指標(biāo)的分析結(jié)果均比較理想。3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)均衡，表明該工藝參數(shù)組合為較優(yōu)工藝參數(shù)組合。

圖2 模擬驗(yàn)證結(jié)果Fig.2 Simulation verification results

3 結(jié)論

a）基于Minitab軟件采用田口試驗(yàn)法設(shè)計(jì)了6因素5水平的正交試驗(yàn)。

b）綜合評(píng)分為67.491 5的工藝參數(shù)組合：模具溫度75 ℃，熔體溫度260 ℃，壓縮力60 t，壓縮速度14 mm/s，壓縮距離1.5 mm，壓縮時(shí)間7 s。

c）經(jīng)過驗(yàn)證，所得到的工藝參數(shù)組合的最大翹曲變形量為1.168 mm，平均熔接線為68.74°，平均體積收縮率為8.296%，且綜合評(píng)分最高，說明正交試驗(yàn)與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合在解決多指標(biāo)問題具有一定的指導(dǎo)作用。