陳 卓，魏正英，陳雪麗，馬金鵬，魏才翔

迷宮型灌水器快速模具設(shè)計(jì)及加工參數(shù)優(yōu)化

陳 卓，魏正英※，陳雪麗，馬金鵬，魏才翔

（西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

針對(duì)迷宮型灌水器傳統(tǒng)注塑模具加工周期長(zhǎng)，加工成本高的問(wèn)題，為適應(yīng)產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)的需要，該研究開(kāi)發(fā)了一種灌水器模具的快速制造技術(shù)和注塑成型工藝。利用數(shù)字ABS作為模具材料，采用聚合物噴射技術(shù)成型模具確保精度和強(qiáng)度。為確定不同加工參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量的影響，以翹曲變形量和縮痕估算為分析指標(biāo)，通過(guò)Moldflow軟件進(jìn)行了單因素試驗(yàn)和四因素五水平的正交試驗(yàn)。建立了翹曲變形和縮痕估算與各參數(shù)間的回歸模型，并通過(guò)粒子群算法得到了最優(yōu)工藝參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，冷卻時(shí)間對(duì)翹曲變形量和縮痕無(wú)影響，熔體溫度、保壓壓力和保壓時(shí)間對(duì)翹曲變形和縮痕產(chǎn)生決定性的影響，最佳工藝參數(shù)組合為熔體溫度230 ℃，保壓壓力3 MPa，保壓時(shí)間4 s。優(yōu)化成型工藝參數(shù)后，翹曲變形下降8.72%，縮痕估算下降20.68%，熔接痕減少，塑件質(zhì)量得到提高，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在注塑機(jī)中使用快速模具進(jìn)行了注塑試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了結(jié)構(gòu)和工藝的正確性。相較于傳統(tǒng)模具加工，快速模具實(shí)現(xiàn)了灌水器快速開(kāi)發(fā)，在保證灌水器質(zhì)量的情況下大幅度縮短了加工時(shí)間，降低了加工成本，該研究可為新型灌水器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供一定的理論基礎(chǔ)。

設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；快速模具；注塑成型；數(shù)字ABS；迷宮型灌水器；

0 引 言

滴灌技術(shù)是當(dāng)今行之有效的高效節(jié)水灌溉技術(shù)之一[1-3]。灌水器是整個(gè)滴灌系統(tǒng)效果的直接體現(xiàn)，其性能的優(yōu)劣將直接反映出整個(gè)滴灌系統(tǒng)的性能[4-6]，其中迷宮型灌水器具有制造方便、成本低，又具有一定的壓力補(bǔ)償性等諸多優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[7]。目前，滴灌用的迷宮型灌水器流道尺寸大都在0.5～2.0 mm之間[8]，尺寸較小，因此，采用傳統(tǒng)模具加工成本較高。在這種背景下誕生了快速模具技術(shù)?？焖倌＞呒夹g(shù)是在3D打印技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上衍生出一種新型的工藝、方法，也是3D打印技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，為進(jìn)一步發(fā)展小批量、多品種、周期短的現(xiàn)代化產(chǎn)品提供了新思路。將3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)模具行業(yè)相結(jié)合，在提高生產(chǎn)效率以及小批量試制中優(yōu)勢(shì)明顯[9-10]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)快速模具的研究已經(jīng)有了許多發(fā)現(xiàn)與突破。國(guó)外在快速模具設(shè)計(jì)方面，Gheisari等[11]使用微立體光刻技術(shù)制作快速注塑模具嵌件，直接結(jié)合微觀特征以進(jìn)行小批量生產(chǎn)，驗(yàn)證了小批量生產(chǎn)微機(jī)電系統(tǒng)繼電器的微懸臂梁的可行性。Rajaguru等[12]通過(guò)在鋁填充環(huán)氧樹(shù)脂模具表面鍍鎳磷合金增強(qiáng)了型腔的性能，提高了模具的壽命。Tabi等[13]將由PolyJet快速原型技術(shù)制造的基于環(huán)氧樹(shù)脂的模具用于常規(guī)注塑成型，以生產(chǎn)少量的聚乳酸零件，分析了模具材料（即常規(guī)鋼模具和基于環(huán)氧樹(shù)脂的PolyJet模具）對(duì)注塑產(chǎn)品的熱和機(jī)械性能的影響，證明了快速模具在生產(chǎn)中的可行性。Davoudinejad等[14]利用數(shù)字光投影工藝制造了多個(gè)模具嵌件，并探究了嵌件失效的主要原因。Rytka等[15]在快速模具中模擬了微納米材料的3D充填。國(guó)內(nèi)在模具設(shè)計(jì)方面，Kuo等[16]利用環(huán)氧樹(shù)脂模具制作了高縱橫比的微結(jié)構(gòu)原件，具有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于灌水器快速模具的研究，魏正英等[17]利用硅橡膠模具進(jìn)行翻模得到了3種流道結(jié)構(gòu)形式的灌水器滴片，經(jīng)測(cè)量其精度較高，但是硅橡膠模具無(wú)法應(yīng)用于注塑機(jī)中，且存在生產(chǎn)效率較低、模具壽命較短的問(wèn)題。目前快速模具的研究雖然取得了很大的進(jìn)展，但是研究的關(guān)注點(diǎn)偏重模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而非注塑工藝，快速模具在試模過(guò)程中由于工藝選取不當(dāng)會(huì)發(fā)生過(guò)早失效，因而注塑工藝參數(shù)的選取十分重要，同時(shí)，如何將灌水器快速模具安放在注塑機(jī)中進(jìn)行小批量生產(chǎn)試制，對(duì)于快速模具的應(yīng)用也很關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)外還缺乏這方面的研究?jī)?nèi)容，因此，從生產(chǎn)角度出發(fā)，探索出適合快速模具的注塑加工參數(shù)，完善迷宮型灌水器的快速加工流程，對(duì)灌水器的快速生產(chǎn)具有重要意義。

本文針對(duì)灌水器快速模具，對(duì)模具材料和工藝進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)符合小批量生產(chǎn)的灌水器快速模具結(jié)構(gòu)。利用CAE分析和粒子群算法擬得到最佳注塑工藝，并基于最佳工藝進(jìn)行注塑試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 迷宮型灌水器模具設(shè)計(jì)及模型建立

1.1 迷宮型灌水器塑件的結(jié)構(gòu)分析

迷宮型灌水器為薄壁結(jié)構(gòu)件，內(nèi)側(cè)有流道，材料為HDPE（高密度聚乙烯），該灌水器為矩形迷宮流道灌水器，該流道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于生產(chǎn)且成本低，在農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。其外形尺寸為42 mm×9.5 mm×3 mm，內(nèi)側(cè)流道單元的寬度和深度均為1 mm。外觀要求無(wú)成型缺陷且表面光滑。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 矩形迷宮流道灌水器結(jié)構(gòu)

1.2 模具材料選擇及參數(shù)測(cè)定

在比較多種快速成型工藝和材料之后，選取聚合物噴射技術(shù)作為成型方法，該方法具有精度高，成型快的特點(diǎn)，該工藝分層厚度可達(dá)0.016mm，而光固化技術(shù)僅為0.05 mm[18]。選取數(shù)字ABS作為模具材料，該材料由Stratasys公司開(kāi)發(fā)，由數(shù)字ABS材料制成的注塑模具的生產(chǎn)速度更快、成本更低，支持進(jìn)行成本低廉的小批量生產(chǎn)。相關(guān)試驗(yàn)表明，就尺寸和表面質(zhì)量而言，數(shù)字ABS在注塑過(guò)程中的行為是穩(wěn)定的，用數(shù)字ABS制成的快速模具所生產(chǎn)的注塑件的性能與用SAE 1045鋼和Zamak 8合金制成的模具生產(chǎn)的注塑件僅稍有不同[19]。

數(shù)字ABS材料是一種較新的模具材料，其在2016年完成研發(fā)，在2017年進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。Moldflow軟件自帶的材料庫(kù)中沒(méi)有相關(guān)數(shù)據(jù)，因此需要建立新的數(shù)據(jù)庫(kù)，其中熱力學(xué)數(shù)據(jù)尤其重要。利用TG-DSC綜合熱分析儀對(duì)材料的熱流和比熱容進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。在注塑成型加工過(guò)程中，根據(jù)成型材料的不同模具溫度也有差異，多數(shù)材料的模具溫度控制在20～60 ℃，由圖2可以看出，在該溫度范圍內(nèi)，數(shù)字ABS的比熱容隨溫度升高而上升，熱流隨著溫度升高而減少。數(shù)字ABS的這2項(xiàng)熱力學(xué)參數(shù)數(shù)值與傳統(tǒng)模具材料相比相差很大，僅為傳統(tǒng)模具材料的千分之一，表明快速模具的注塑加工工藝過(guò)程與傳統(tǒng)模具也會(huì)有較大區(qū)別。

圖2 數(shù)字ABS材料的DSC測(cè)試結(jié)果

1.3 澆口位置分析及澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于澆口位置和流道尺寸的組合控制著熔體充模流動(dòng)方式，所以澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。澆注系統(tǒng)常被當(dāng)作熔體流動(dòng)充模的控制器[20]。

根據(jù)《注塑模具設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》[21]的設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，最終確定快速模具為一模兩腔結(jié)構(gòu)，采用側(cè)澆口進(jìn)澆，沿塑件長(zhǎng)度方向側(cè)澆。主流道位于模型中心，最大直徑6.3 mm，高58 mm。分流道采用圓形截面，直徑4 mm，環(huán)形結(jié)構(gòu)，與澆口在同一平面上。澆口為長(zhǎng)方形。模芯結(jié)構(gòu)及其在模架中的裝配如圖3所示。

圖3 模芯結(jié)構(gòu)及其在模架中的裝配

1.4 灌水器及模具注塑工藝分析

灌水器為結(jié)構(gòu)件，精度要求較高，無(wú)明顯收縮。材料牌號(hào)為SABIC HDPE M80064SE，制造商為SABIC Europe B.V.。根據(jù)Moldflow軟件注塑材料數(shù)據(jù)庫(kù)，得到其推薦工藝參數(shù)為模具溫度32～71 ℃，熔體溫度180～280 ℃，頂出溫度90 ℃，最大剪切應(yīng)力0.2 MPa，最大剪切速率0.619 8/s。

完整的注塑成型過(guò)程包括加料、加熱塑化、加壓注塑、保壓、冷卻定型和脫模等工序。正確的注塑成型工藝條件可以保證塑料熔體良好塑化，順利充模、冷卻和定型，從而生產(chǎn)出合格的塑件[22]。

根據(jù)材料在Moldflow軟件中的推薦加工參數(shù)值，結(jié)合多次注塑試驗(yàn)中積累的經(jīng)驗(yàn)，確定初始成型工藝參數(shù)：模具表面溫度52 ℃，熔體溫度230 ℃，充填控制為自動(dòng)，速度/壓力切換為自動(dòng)，保壓壓力為2 MPa，保壓時(shí)間3 s，冷卻時(shí)間指定為30 s，分析類(lèi)型為熱塑性注塑成型，分析序列為填充+保壓+翹曲。

流動(dòng)分析主要用于模擬熱塑性高聚物從注塑點(diǎn)開(kāi)始逐漸擴(kuò)散到相鄰的流動(dòng)前沿，直到流動(dòng)前沿?cái)U(kuò)展并充填完制件上最后一個(gè)點(diǎn)的整個(gè)過(guò)程中，熔體在模具內(nèi)的流動(dòng)情況。

1.5 模擬方法

建立灌水器澆注件的三維模型，以STEP格式導(dǎo)入Moldflow軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于塑件壁厚較薄，且表面具有流道特征，采用實(shí)體網(wǎng)格（3D）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，能更為精確地進(jìn)行三維流動(dòng)仿真。劃分之后的網(wǎng)格模型如圖4。

圖4 矩形迷宮流道灌水器澆注件網(wǎng)格劃分

對(duì)于3D網(wǎng)格類(lèi)型，應(yīng)達(dá)到如下要求：連通區(qū)域必須為1，自由邊必須為0，取向不正確的單元為0，相交單元和完全重疊單元必須為0[23]。該灌水器澆注件經(jīng)網(wǎng)格劃分后，四面體為421 474個(gè)，已連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)為76 876個(gè)，平均縱橫比為4.12，自由邊為0，取向不正確的單元為0，相交單元和完全重疊單元為0，符合分析要求。

1.6 評(píng)價(jià)指標(biāo)

收縮分析能夠在考慮使零件成型所使用的材料的收縮特征及成型條件的情況下，確定用于切割模具的合適收縮容差。塑料制件從模具中取出冷卻后一般都會(huì)出現(xiàn)尺寸減少的現(xiàn)象，要想改善塑料的成型收縮性，不僅在選擇原材料時(shí)需要慎重，而且在確定模具設(shè)計(jì)、成型工藝等多方面因素時(shí)都需要認(rèn)真考慮，才能使生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量更高、性能更好。對(duì)于灌水器，其評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有縮痕和翹曲變形?？s痕是由于高分子材料的收縮效應(yīng)在塑件表面形成的痕跡，影響塑件的表面質(zhì)量。翹曲變形是塑件未按照設(shè)計(jì)的形狀成型，卻發(fā)生表面的扭曲，塑件翹曲是由于成型塑件的不均與收縮造成的，它是塑件常見(jiàn)缺陷之一[24]。假如塑件材料均一，塑件就不會(huì)翹曲，只會(huì)發(fā)生尺寸上的縮?。蝗欢捎诟叻肿硬牧系奶匦砸约俺尚蜅l件等諸多因素的作用，翹曲變形無(wú)法避免，只能盡量降低其變形量。

2 工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.1 參數(shù)優(yōu)化前灌水器注塑分析結(jié)果

在1.4節(jié)中所述初始參數(shù)下進(jìn)行注塑模擬分析，得到的結(jié)果如圖5所示。其中縮痕估算結(jié)果如圖5a所示，最大縮痕為0.19 mm，翹曲變形結(jié)果如圖5b所示，最大變形量為0.54 mm。

圖5 初始參數(shù)下的灌水器注塑分析結(jié)果

2.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

由于塑件翹曲總變形量和縮痕決定最終成型質(zhì)量，因此以翹曲總變形量和縮痕為指標(biāo)，研究不同因素對(duì)其的影響。根據(jù)《注塑成型實(shí)用手冊(cè)》[25]，在注塑加工過(guò)程中，影響最大的工藝參數(shù)為熔體溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間和冷卻時(shí)間。采用單因子試驗(yàn)法，假定各因素不存在交互作用，當(dāng)其他因素保持初始成型工藝參數(shù)不變，只改變其中1個(gè)因素，然后逐個(gè)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。以塑件翹曲總變形量為指標(biāo)，其結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出熔體溫度、保壓壓力和保壓時(shí)間對(duì)翹曲總變形量產(chǎn)生決定性影響。以塑件縮痕為指標(biāo)，其結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯s痕估算結(jié)果取決于熔體溫度、保壓壓力和保壓時(shí)間。

圖6 總變形量與不同參數(shù)之間的關(guān)系

圖7 縮痕估算與不同參數(shù)之間的關(guān)系

通過(guò)對(duì)以上單因素試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以找出影響成型質(zhì)量的主要加工工藝參數(shù)。該方法實(shí)際上是類(lèi)似于“降維”的思想，影響最終成型質(zhì)量的參數(shù)眾多，需要找出主要因素再進(jìn)行優(yōu)化，最終得到加工工藝優(yōu)化的結(jié)果。對(duì)于矩形流道灌水器的注塑成型，最主要的影響因素為熔體溫度、保壓壓力和保壓時(shí)間。

2.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

進(jìn)行正交設(shè)計(jì)，首先要選取合理的正交設(shè)計(jì)表。正交表要求因素?cái)?shù)不大于正交表列數(shù)，因素水平數(shù)與正交表對(duì)應(yīng)的水平數(shù)一致，以此為前提選擇最小的表。選擇注塑加工工藝參數(shù)熔體溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間共3個(gè)因素，選用四因素五水平L25(54)正交表，總共25組實(shí)驗(yàn)，空出的因素列作為誤差項(xiàng)，其中熔體溫度范圍為220～240 ℃，保壓壓力為1～3 MPa，保壓時(shí)間為1～5 s，進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

為了更好的表示產(chǎn)品的質(zhì)量，選取模擬結(jié)果中的翹曲變形和縮痕來(lái)表示，最終記錄結(jié)果如表1所示。

表1 總體變形量和縮痕試驗(yàn)結(jié)果

以表1中結(jié)果作為回歸分析的數(shù)據(jù)源，采用Minitab軟件進(jìn)行回歸分析，同時(shí)進(jìn)行方差檢驗(yàn)，對(duì)于翹曲變形，經(jīng)分析得熔體溫度、保壓時(shí)間和熔體溫度與保壓壓力的交互作用對(duì)翹曲變形影響顯著（≤0.05）。對(duì)于縮痕估算，熔體溫度、保壓時(shí)間、熔體溫度與保壓壓力、熔體溫度與保壓時(shí)間和保壓壓力與保壓時(shí)間的交互作用對(duì)縮痕估算影響顯著（≤0.05）。

最終得到翹曲變形量和縮痕估算與注塑加工工藝參數(shù)之間的回歸模型分別為

(-186386346-202-1539-0142

-316015)/1 000 （1）

(-5047-34-2249-00092-449219792

02230186)/1 000 （2）

式中為總翹曲變形量，mm；為縮痕，mm；為熔體溫度，℃；為保壓壓力，MPa；為保壓時(shí)間，s。

對(duì)于回歸模型（1）和（2），經(jīng)計(jì)算得到線性模型的決定系數(shù)2分別為0.995、0.997，擬合效果好。將25組加工工藝參數(shù)代入回歸模型（1）和（2），得到的翹曲變形量和縮痕估算分別與數(shù)值模擬的值進(jìn)行比對(duì)并計(jì)算相對(duì)誤差，得到回歸值的相對(duì)誤差的絕對(duì)值分別在2%和6%以下，回歸精度高。因此回歸模型（1）和（2）可用于預(yù)測(cè)翹曲變形量和縮痕估算量。

2.4 基于粒子群的注塑加工工藝優(yōu)化

采用粒子群算法[26]灌水器快速模具注塑加工工藝進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化。對(duì)于快速模具注塑加工工藝參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，分別將翹曲變形和縮痕估算作為優(yōu)化目標(biāo)，翹曲變形和縮痕估算越小則說(shuō)明加工工藝參數(shù)越合適。注塑加工工藝的3個(gè)特征參數(shù)的取值范圍為

采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)注塑件翹曲變形和縮痕估算進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化，得到翹曲變形和縮痕估算的最優(yōu)解及其相關(guān)參數(shù)。翹曲變形量最低為0.45 mm，相對(duì)應(yīng)的注塑加工工藝參數(shù)為：=228 ℃、=3 MPa、=5 s；縮痕估算值最低為0.02 mm，相對(duì)應(yīng)的注塑加工工藝參數(shù)為：=230 ℃、=2.7 MPa、=2 s。

最終的注塑加工工藝參數(shù)需要綜合考慮翹曲變形與縮痕估算，根據(jù)上述最佳注塑加工工藝參數(shù)的范圍，分別取最佳工藝參數(shù)的中間值，選定最終注塑工藝參數(shù)為=230 ℃、=3 MPa、=4 s，此時(shí)利用Moldflow軟件分析的結(jié)果為翹曲變形量為0.49 mm，較優(yōu)化前默認(rèn)加工工藝參數(shù)下的結(jié)果降低8.72%；縮痕估算量為0.15 mm，較優(yōu)化前默認(rèn)加工工藝參數(shù)下的結(jié)果降低20.68%。

3 注塑試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 注塑試驗(yàn)

模具試模是在批量生產(chǎn)之前所必須經(jīng)歷的步驟，在完成模具制造后，測(cè)試注塑步驟必不可少。模具在加工制造完畢后，需要通過(guò)實(shí)際的注塑并得到注塑樣件，然后通過(guò)對(duì)樣件的一系列尺寸精度檢測(cè)和外觀檢測(cè)，才能確定設(shè)計(jì)與制造的模具是否完全符合設(shè)計(jì)要求。如果注塑樣件精度高，外觀良好，表明模具的質(zhì)量符合要求，可以批量注塑生產(chǎn)階段；若樣件出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，則根據(jù)情況的不同對(duì)模具的設(shè)計(jì)或者制造工藝進(jìn)行改進(jìn)，直至生產(chǎn)出合格的塑件。

在進(jìn)行灌水器快速模具工藝參數(shù)優(yōu)化分析之后還需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，計(jì)算機(jī)模擬與試驗(yàn)之間存在差異，由于一些簡(jiǎn)化的假設(shè)和材料性質(zhì)的差異，模擬模型永遠(yuǎn)不可能與物理模型完全相同。在實(shí)際生產(chǎn)中影響注塑的參數(shù)有很多，因此以模擬仿真的結(jié)果作為主要參考，對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

以CAE模擬和粒子群工藝優(yōu)化結(jié)果為基礎(chǔ)，利用灌水器快速模具進(jìn)行熱塑性注塑成型的生產(chǎn)驗(yàn)證，并對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析解決。注塑機(jī)采用東華130F2V精密注塑機(jī)，模芯和模架的安裝位置如圖8所示。以模擬仿真的結(jié)果作為主要參考，對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，最終采用熔體溫度230 ℃，保壓壓力3 MPa，保壓時(shí)間3 s，冷卻時(shí)間15 s為參數(shù)進(jìn)行注塑加工試驗(yàn)?？梢钥闯觯瑢?shí)際的最優(yōu)注塑加工工藝參數(shù)與模擬值基本一致，也驗(yàn)證了在灌水器快速模具開(kāi)發(fā)過(guò)程中，有限元分析的合理性。

圖8 模芯和模架安裝

3.2 注塑結(jié)果和分析

3.2.1 灌水器產(chǎn)品優(yōu)化前后對(duì)比

利用注塑試驗(yàn)驗(yàn)證之前仿真結(jié)果的正確性，由于翹曲變形難以測(cè)量，以縮痕估算作為指標(biāo)對(duì)優(yōu)化前后的工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，其結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，在參數(shù)優(yōu)化前灌水器的表面存在著較多的縮痕和流痕，這是由于保壓壓力和保壓時(shí)間不合適造成的。在對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化之后發(fā)現(xiàn)灌水器表面的縮痕和流痕大幅減少，驗(yàn)證了模擬仿真的正確性。

圖9 加工參數(shù)優(yōu)化前后灌水器產(chǎn)品

3.2.2 灌水器產(chǎn)品優(yōu)化后測(cè)量

經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，產(chǎn)品填充平衡，結(jié)構(gòu)完整，經(jīng)測(cè)量，灌水器長(zhǎng)41.28 mm，寬9.322 mm，高2.820 mm，產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸為42 mm×9.5 mm×3.0 mm，收縮率為2%，與設(shè)計(jì)值相對(duì)誤差分別為1.71%、1.87%、6%，分別取注塑件的幾個(gè)典型位置利用Olympus OLS 4000 激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行測(cè)量，流道單元顯微圖及單元尺寸標(biāo)注如圖10所示，測(cè)量尺寸與設(shè)計(jì)尺寸見(jiàn)表2，灌水器流道的加工尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的相對(duì)誤差最大值為9.3%，尺寸精度和翹曲變形滿足要求。

注：A和C分別為流道在水平方向和豎直方向上的流道寬度，mm；B為矩形流道凸出部分的長(zhǎng)度，mm。

表2 測(cè)量尺寸與設(shè)計(jì)尺寸對(duì)比

3.2.3 灌水器快速模具與傳統(tǒng)模具對(duì)比

灌水器快速制模技術(shù)與傳統(tǒng)模具制造相比，優(yōu)勢(shì)在于快速制模技術(shù)能夠提高產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度和生產(chǎn)的柔性化程度，快捷、方便地制作模具，縮短模具制造的周期，降低生產(chǎn)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于單個(gè)灌水器快速模具，在傳統(tǒng)灌水器模具開(kāi)發(fā)過(guò)程中，所涉及的費(fèi)用主要在模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)階段以及產(chǎn)品試模階段，該兩階段均有人工費(fèi)用支出，合計(jì)達(dá)2.1萬(wàn)元。在模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)階段，需要完成模具材料的訂購(gòu)、檢驗(yàn)和加工，時(shí)效性往往不能保證，且灌水器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用電火花加工模具時(shí)間較長(zhǎng)，合計(jì)需要27 d的時(shí)間。而進(jìn)行灌水器快速模具加工時(shí)，在完成模具設(shè)計(jì)后僅需將模型導(dǎo)出為增材制造設(shè)備能夠識(shí)別的格式，加工時(shí)間很短，最長(zhǎng)僅需2 d，且數(shù)字ABS材料成本比模具鋼低，總成本約為傳統(tǒng)過(guò)程的1/4。因此，灌水器模具的快速研發(fā)過(guò)程較傳統(tǒng)研發(fā)過(guò)程在加工時(shí)間和加工費(fèi)用上具有較大的優(yōu)勢(shì)，在小批量生產(chǎn)時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯，有利于新型灌水器的快速推向市場(chǎng)。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)單因素試驗(yàn)可知，相較于傳統(tǒng)模具，在灌水器快速模具的注塑成型試驗(yàn)中熔體溫度、保壓壓力和保壓時(shí)間對(duì)翹曲變形和縮痕產(chǎn)生決定性的影響。

2）根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，建立翹曲變形量和縮痕估算與注塑加工工藝參數(shù)之間的回歸模型，利用粒子群算法得到的最佳注塑工藝參數(shù)為熔體溫度230 ℃，保壓壓力3 MPa，保壓時(shí)間4 s，和注塑參數(shù)優(yōu)化前相比，翹曲變形下降8.72%，縮痕估算下降20.68%，熔接痕減少，塑件質(zhì)量得到提高。進(jìn)行快速模具的試模，得到的實(shí)際最佳工藝參數(shù)與模擬值基本一致，從而驗(yàn)證了灌水器快速模具整個(gè)開(kāi)發(fā)流程的合理性和正確性。

3）快速模具在灌水器的開(kāi)發(fā)過(guò)程中具有重要價(jià)值，在模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中能夠極大節(jié)約時(shí)間和費(fèi)用，其在小批量生產(chǎn)之中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Rapid design of the mold and optimization of processing parameters for labyrinth channel emitter

Chen Zhuo, Wei Zhengying※, Chen Xueli, Ma Jinpeng, Wei Caixiang

(,,710049,)

Traditional mold development process is long and costly, to solve the problems of long processing cycles and high processing cost of traditional injection irrigation molds of the labyrinth channel emitter, a rapid manufacturing technology and injection molding process of the emitter mold was developed in this study. Digital ABS was used as the rapid mold material and PolyJet technology was chosen to form the mold to ensure accuracy and strength. The mechanical properties and thermodynamic properties of rapid molds were different from that of ordinary molds. The thermal conductivity of digital ABS as a mold material was about one thousandth of traditional mold steel, which indicated that the processing parameters affected product quality were also quite different from ordinary molds. In order to determine the influence of different processing parameters on the forming quality, the warpage amount and shrink mark were used as the evaluation index. The initial molding process parameters were mold surface temperature 52 ℃, melt temperature 230 ℃, filling control was automatic, speed / pressure was switched to automatic, holding pressure was 2MPa, holding time was 3 s, and cooling time was 30 s. The single-factor experiments, and the four-factor five-level orthogonal experiments were conducted through Moldflow software. The regression models between warpage deformation amount and shrink mark with different parameters were obtained. The experimental results showed that the cooling time had no effect on the amount of warpage and shrinkage, and the melt temperature, holding pressure and holding time had a decisive effect on warpage and shrinkage. Before parameter optimization, the shrink mark under the initial processing parameters was estimated to be 0.19 mm, and the maximum warpage deformation was 0.54 mm. The best process parameters obtained by Moldflow were melt temperature 230 ℃, holding pressure 3 MPa, holding time 4 s. After optimizing the molding process parameters, the warpage deformation and the shrink mark were reduced by 20.68% and 8.72% respectively. The weld marks were reduced, the quality of plastic parts was improved, and the design requirements were met. In the injection molding machine, a rapid mold was used to verify the injection molding experiment, which proved the correctness of the structure and process. The size of the produced irrigator was 41.28 mm × 9.322 mm × 2.820 mm, and the product design size was 42.0 mm × 9.5 mm × 3.0 mm. The deviations from the design values were 1.71%, 1.87% and 6% respectively, and the accuracy was remarkably high. Regarding the size of the flow channel, the relative error between the processing size and the design size of the flow channel of the labyrinth channel emitter was 9.3%, and the dimensional accuracy met the requirements. Compared with the traditional mold processing, the rapid mold realized the rapid development of the irrigation device. Under the condition of ensuring the quality of the irrigation device, the processing time was greatly shortened and the processing cost was reduced. Rapid mold technology shortened the original mold processing time of about 20 days to 2 days. It provided a certain theoretical basis for the design and development of new irrigation devices.

design; experiment; rapid mold; injection molding; digital ABS; labyrinth channel emitter

陳卓，魏正英，陳雪麗，等. 迷宮型灌水器快速模具設(shè)計(jì)及加工參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(14)：106-113.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.013 http://www.tcsae.org

Chen Zhuo, Wei Zhengying, Chen Xueli, et al.Rapid design of the mold and optimization of processing parameters for labyrinth channel emitter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(14): 106-113. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.013 http://www.tcsae.org

2020-03-14

2020-06-24

“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0201504）

陳卓，研究方向?yàn)榭焖倌＞摺mail：chenzhuo0712@qq.com

魏正英，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲⒘黧w器件設(shè)計(jì)與制造。Email：zywei@mail.xjtu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.013

S277.95

A

1002-6819(2020)-14-0106-08