程方啟

(浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 浙江 310053)

0 引 言

傳統(tǒng)的注塑模具開發(fā)，研發(fā)設(shè)計人員會根據(jù)產(chǎn)品的工藝要求，結(jié)合自身專業(yè)知識及項目經(jīng)驗來設(shè)置澆口位置和選擇注塑工藝參數(shù)，并通過后期不斷試模調(diào)整，獲取到合適的注塑工藝參數(shù)，既費時又費力，且難以保證塑件制品的合格率[1-3]。將模流分析技術(shù)應(yīng)用于模具的設(shè)計實踐已成為模具設(shè)計過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)，是計算機輔助工程技術(shù)(CAE)推動現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的重要實踐方向[4]。針對注塑制品的缺陷和流動過程，CAE技術(shù)可提前對設(shè)計中的潛在問題進行預(yù)測分析，通過不斷累試的方法，重復(fù)交互過程，篩選出較優(yōu)設(shè)計方案。

Moldflow作為一款采用數(shù)值方法的模流分析軟件，通過模擬熔體在模具中的流動與成型，提前優(yōu)化結(jié)構(gòu)和優(yōu)選工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)模具的優(yōu)化設(shè)計[5]。

近年來，為提高注塑制品質(zhì)量，減少模具反復(fù)試模次數(shù)，對注塑工藝參數(shù)進行優(yōu)化成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。正交試驗方法是一種研究多因素多水平的常用優(yōu)化方法，通過典型因素與水平的條件測試，充分利用統(tǒng)計分析法對數(shù)據(jù)進行處理，能夠有效獲得適合具體情況的最優(yōu)參數(shù)組合，對于多種注塑工藝參數(shù)的組合優(yōu)選具有較好的效果。但正交試驗方法難以獲得評價指標的權(quán)重系數(shù)，難以分析不同評價指標對整體的影響程度[6-8]。優(yōu)劣解距離(TOPSIS)法是處理有限方案多目標決策分析的有效方法之一，通過建構(gòu)多目標決策問題的“正理想解”(最優(yōu)方案)和“負理想解”(最劣方案)對各可行方案進行排序，以確定其優(yōu)劣。如果存在一個解，與“正理想解”的距離最近且與“負理想解”的距離最遠，則該解即為方案集中的最優(yōu)解[9]。將正交試驗優(yōu)化方法與TOPSIS法相結(jié)合，可以充分利用兩種方法的優(yōu)點，準確快速地獲得注塑工藝參數(shù)的最優(yōu)組合。有學(xué)者研究了采用正交試驗優(yōu)化方法對大型薄壁塑件的翹曲變形的影響因素，并得到了最佳的注塑工藝參數(shù)組合[10-11]。將TOPSIS法與灰色關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合，對注塑制品的影響因素和評價指標進行分析，應(yīng)用優(yōu)化后的注塑工藝參數(shù)可以有效提高塑件制品的成型質(zhì)量[12]。澆口位置的選擇、模具溫度、熔體溫度、保壓壓力等因素極大影響著塑件制品的成型質(zhì)量[13-14]，研究表明，選擇合適的澆口位置及相關(guān)注塑工藝參數(shù)可明顯提高塑件的質(zhì)量。本文嘗試在Moldflow進行模流分析的基礎(chǔ)上，選擇澆口位置、模具溫度、熔體溫度、保壓壓力4個參數(shù)作為試驗因素，以縮痕指數(shù)、總翹曲變形量、體積收縮率為評價指標，綜合應(yīng)用正交試驗設(shè)計與TOPSIS法對評價指標進行分析，以期獲得最佳的注塑工藝參數(shù)組合[15]。

1 塑件成型工藝分析

1.1 塑件結(jié)構(gòu)分析

以某公司生產(chǎn)的殼體蓋塑件制品為例，其三維模型和軸側(cè)視圖模型如圖1所示，尺寸為75 mm×40 mm×13 mm。塑件制品選用ABS材料，收縮率為0.6%，外表面脫模斜度為80′，內(nèi)表面脫模斜度為50′，殼體蓋壁厚為1.00 mm，塑件模型采用5級精度等級。塑件對表面質(zhì)量的要求較高，不能有諸如縮孔、氣泡等質(zhì)量缺陷，表面要保證光滑，且塑件與其他部件有裝配要求。

圖1 殼體蓋三維模型和軸測視圖模型

1.2 澆口位置選擇方案與注塑成型質(zhì)量試驗因素選擇

本文嘗試選擇澆口位置、模具溫度、熔體溫度、保壓壓力等4個參數(shù)作為試驗因素，考察目標為縮痕指數(shù)、總翹曲變形量、體積收縮率，以此為基礎(chǔ)開展Moldflow模流分析。

根據(jù)殼體蓋塑料制品的使用要求，上表面要求光整，無毛刺。所以，塑件制品澆口類型選擇為側(cè)澆口。由于塑件制品有5個長柵格，考慮到塑料的流動性和對產(chǎn)品的質(zhì)量影響，澆口位置的試驗選擇有3種方案(圖2)。澆口位置1位于長度為17.38 mm的中點，澆口位置2位于長度為35.71 mm的邊的1/4長度處，澆口位置3位于長度為35.71 mm的邊的中點位置。澆口的橫截面形狀為梯形，其上下底邊分別為4 mm和5 mm，梯形截面高度為1 mm。在模擬仿真過程中，除了澆口的位置有3種選擇方案以外，還有模具溫度、熔體溫度和保壓壓力等試驗因素均有3個選擇方案，其他加工工藝參數(shù)均不發(fā)生變化。

圖2 殼體蓋主要尺寸示意圖及幾何模型

1.3 澆注系統(tǒng)布局模式

殼體蓋塑料制品在Moldflow仿真試驗中均采用一模四腔布局模式(圖3)。因為塑件的流道設(shè)計長度完全相同，為了提高模擬仿真效率，可以通過Moldflow設(shè)置發(fā)生次數(shù)來選擇其中的一個型腔進行模擬。

圖3 殼體蓋一模四腔澆注系統(tǒng)布局模式

2 正交試驗的設(shè)計

2.1 仿真方法的設(shè)計

利用Moldflow軟件的填充、保壓和翹曲分析功能對塑件從填充到成型后的冷卻收縮全過程進行模擬。將澆口位置、模具溫度、熔體溫度和保壓壓力設(shè)為熔接痕、總翹曲變形量、體積收縮率的影響因素。澆口位置分為3個水平：澆口1， 2， 3；模具溫度分為3個水平：60， 70， 80 ℃；熔體溫度分為3個水平：180， 210， 240 ℃；保壓壓力分為3個水平：80、 100、 120 MPa。注塑模L9(34)正交試驗因素水平表設(shè)計如表1所示。

表1 L9(34)正交試驗因素水平表設(shè)計

2.2 CRITIC賦權(quán)法確定評價指標權(quán)重

為了獲得不同試驗的評價指標綜合得分，首先要確定不同評價指標的權(quán)重系數(shù)，本研究采用CRITIC法確定評價指標權(quán)重系數(shù)，具體步驟如下：

(1) 計算指標的變異系數(shù)

(1)

式中，xij(i=1， 2， …，n；j=1， 2， …，m)表示第i個被評價方案在第j項評價指標上的試驗值。Sj為第j個指標的標準差。

(2) 計算沖突性量化指標值

(2)

式中：rij為評價指標i和j之間的相關(guān)系數(shù)；Rj為第j個指標與其他指標的沖突性量化指標值；p為評價指標的個數(shù)。

(3) 計算信息量

Cj=Sj×Rj，

(3)

式中，Cj表示信息量，Cj越大則第j個評價指標在整個評價指標體系中的作用越大，即其權(quán)重也就越大。

(4) 計算評價指標權(quán)重

(4)

式中，wj為第j個評價指標權(quán)重系數(shù)。

2.3 仿真模擬試驗結(jié)果

利用正交試驗對注塑填充過程進行9次模擬仿真試驗，成型后的塑件評價指標為熔痕指數(shù)、總翹曲變形量和體積收縮率，評價指標的數(shù)據(jù)來源于Moldflow軟件仿真數(shù)據(jù)。根據(jù)式(4)，計算得到評價指標的權(quán)重系數(shù)(見表2)。每次試驗的3個評價指標按照權(quán)重相加得分即為綜合得分，試驗設(shè)計仿真結(jié)果如表3所示。

表2 評價指標權(quán)重系數(shù)

表3 仿真模擬結(jié)果

3 TOPSIS-灰色關(guān)聯(lián)評價模型構(gòu)建

正交試驗優(yōu)化方法可以獲得單個評價指標下的最優(yōu)值，但很難獲得多個評價指標下的單一最優(yōu)值。因此，需要選用一種多目標優(yōu)化方法在正交試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行綜合，以便獲得多評價指標下的最優(yōu)值。TOPSIS法可以通過對試驗本身數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，評價備選方案與最優(yōu)評價方案(正理想解)之間的貼近程度。而灰色關(guān)聯(lián)分析以試驗因素間的緊密程度為度量標準，它根據(jù)備選評價方案與最優(yōu)評價方案之間的幾何相似度來確定關(guān)聯(lián)度大小，能夠較好體現(xiàn)不同因素的動態(tài)變化[16]。

3.1 TOPSIS-灰色關(guān)聯(lián)評價模型的建模方法

基于TOPSIS方法構(gòu)建一種“正理想解”的逼近模型，其具體步驟如下：

(1) 數(shù)據(jù)無量綱化歸一化處理。

(5)

式中，Yij為經(jīng)過無量綱歸一化處理后得到的規(guī)范矩陣(i=1， 2， …，m；j=1， 2， …，n)。

(6)

(7)

(8)

(9)

(4) 求備選評價方案對最優(yōu)方案的貼近度

(10)

(11)

(12)

式中，ρ為分辨系數(shù)，ρ∈[0， 1]，一般取ρ=0.5。

(7) 計算備選評價方案與最優(yōu)方案和最劣方案的灰色關(guān)聯(lián)度R1、R2。

(13)

(8) 計算備選評價方案的灰色關(guān)聯(lián)貼近度。

(14)

3.2 綜合評價結(jié)果與分析

3.2.1 綜合評價結(jié)果

表4 TOPSIS模型分析結(jié)果

3.2.2 對綜合評價結(jié)果的分析

根據(jù)TOPSIS-灰色關(guān)聯(lián)綜合評價模型對試驗結(jié)果進行綜合評價，得到每組試驗結(jié)果的灰色關(guān)聯(lián)貼近度及其大小的排序(表5)?；疑P(guān)聯(lián)貼近度值越接近于1表示該方案獲得的塑件綜合質(zhì)量越高，可以看出第7次試驗的灰色關(guān)聯(lián)貼近度值為0.7122，為所有9次中的最大值，所以該次注射成型的塑件質(zhì)量最好。本組9次試驗的灰色關(guān)聯(lián)貼近度均值分析見表6，從均值分析結(jié)果來看，熔體溫度對塑件綜合質(zhì)量的影響最明顯。根據(jù)圖3所示，可知該塑料制品的最優(yōu)澆口位置選擇和工藝參數(shù)組合為7號試驗A3B1C2D2，即澆口位置選擇方案3，模具溫度60 ℃，熔體溫度210 ℃，保壓壓力100 MPa。根據(jù)表6中極差的數(shù)據(jù)比較，可以看出4個試驗因素對塑件綜合質(zhì)量的影響大小的排序為：保壓壓力>熔體溫度>模具溫度>澆口位置。

表5 TOPSIS模型分析結(jié)果

表6 灰色關(guān)聯(lián)貼近度均值分析

圖4 灰色關(guān)聯(lián)度貼近度均值

4 結(jié) 論

(1) 對外殼類注塑成型制品的澆口位置與成型工藝參數(shù)進行了模擬，分析了澆口位置、模具溫度、熔體溫度和保壓壓力等因素對塑料制品的熔接痕、總翹曲變形量和體積收縮率等評價指標的影響。

(2) 在塑件制品設(shè)置3個澆口位置，對模具溫度、熔體溫度和保壓壓力等3個參數(shù)也設(shè)置了3個影響水平，通過Moldflow軟件的模流分析獲得熔接痕、總翹曲變形量和體積收縮率的數(shù)據(jù)；設(shè)計L9(34)正交試驗因素水平開展9次試驗獲得熔接痕、總翹曲變形量和體積收縮率等評價指標的數(shù)據(jù)，采用CRITIC賦權(quán)法確定評價指標權(quán)重；構(gòu)建TOPSIS—灰色關(guān)聯(lián)評價模型對影響因素和評價指標進行綜合分析，得到該塑料制品的最優(yōu)澆口位置選擇和工藝參數(shù)組合為7號試驗A3B1C2D2。

(3) 采用Moldflow模流分析、CRITIC賦權(quán)法和TOPSIS—灰色關(guān)聯(lián)等研究交叉的方法，可以挖掘優(yōu)化的澆口位置選擇和注塑工藝參數(shù)。