方明月,張宇,王徹,黃永躍
(安徽信息工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,安徽蕪湖 241100)
塑料制件無(wú)論是在日常生活中、建筑工業(yè)還是航空航天領(lǐng)域應(yīng)用都十分廣泛,隨著我國(guó)制件業(yè)的發(fā)展迅速,人們對(duì)塑料制件的質(zhì)量要求越來(lái)越高,在外觀和使用性能等方面提出了新的要求。研究發(fā)現(xiàn),影響塑料制件質(zhì)量的因素有很多,其中最重要的因素就是對(duì)工藝參數(shù)的控制,若這些工藝參數(shù)控制不好,就會(huì)導(dǎo)致制件出現(xiàn)翹曲變形和體積收縮過(guò)大、熔體短射以及困氣等成型缺陷,因此對(duì)工藝參數(shù)的研究變得尤為重要。如何確定工藝參數(shù)對(duì)制件質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響趨勢(shì)、制件質(zhì)量特性指標(biāo)與工藝參數(shù)之間的定量關(guān)系以及如何優(yōu)化和控制工藝參數(shù)等都是當(dāng)前該領(lǐng)域待解決的一大難題。
丁華鋒等[1]運(yùn)用Moldflow仿真軟件對(duì)車(chē)燈后蓋的成型過(guò)程進(jìn)行模流分析,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),以工藝參數(shù)作為水平因素,翹曲量作為質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo),得到較優(yōu)工藝參數(shù)方案。譚安平等[2]利用CAE仿真軟件的最佳澆口模塊分析汽車(chē)前大燈配光鏡最佳進(jìn)膠點(diǎn),采用正交實(shí)驗(yàn)研究工藝參數(shù)對(duì)翹曲量的影響,得到了最佳成型工藝參數(shù)。吳延艷等[3]對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)器冷卻罩進(jìn)行注塑工藝參數(shù)優(yōu)化,采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究注塑工藝參數(shù)對(duì)翹曲量、注射壓力以及縮痕估算結(jié)果的影響程度,驗(yàn)證工藝的合理性。Wang等[4]為了獲得立面聚丙烯瓶注塑工藝參數(shù)的最佳組合,通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)制件進(jìn)行優(yōu)化分析,得到各工藝參數(shù)對(duì)各優(yōu)化方向的影響順序。采用綜合加權(quán)評(píng)分法將注塑工藝多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題,最終得到最佳參數(shù)組合。Rosli等[5]通過(guò)響應(yīng)面方法確定薄壁制件加工參數(shù)的最佳設(shè)置。選擇熔化溫度、模具溫度、注射壓力和型腔布局作為加工參數(shù),并選擇聚氨酯材料進(jìn)行研究,最終達(dá)到優(yōu)化參數(shù)的目的。
以上研究為實(shí)際的注塑成型參數(shù)優(yōu)化提供了重要參考,具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值?;谝陨涎芯浚P者以汽車(chē)儀表內(nèi)飾件為例,通過(guò)Moldflow軟件對(duì)注塑過(guò)程進(jìn)行模流分析,采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)汽車(chē)儀表內(nèi)飾件的注塑工藝參數(shù)進(jìn)行研究,通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案,通過(guò)極差分析找到翹曲量和體積收縮率較小的兩組工藝參數(shù);在正交試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析將優(yōu)化體積翹曲量和體積收縮率的多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題,以灰色關(guān)聯(lián)度為優(yōu)化目標(biāo),通過(guò)極差分析得到翹曲量和體積收縮率同時(shí)較小的一組工藝參數(shù)。對(duì)兩種優(yōu)化方法的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,選擇最佳優(yōu)化方案,為汽車(chē)儀表內(nèi)飾件的實(shí)際加工提供理論支持。
汽車(chē)儀表內(nèi)飾件三維模型如圖1所示,制件尺寸為398.4 mm×207.3 mm×32 mm,整體左右對(duì)稱(chēng),內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,設(shè)置許多加強(qiáng)筋以及許多微小結(jié)構(gòu),例如小凸臺(tái)、倒直角、倒圓角。材料選擇丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS) (牌號(hào)NC100G20),其成型工藝推薦為模具溫度25~80 ℃,模具表面溫度為50 ℃,熔體溫度為200~280 ℃,頂出溫度為88 ℃,剪切速率最大值為12 000 s-1,剪切應(yīng)力最大值為0.28 s-1。為避免儀表信號(hào)燈之間的串光,保證儀表內(nèi)飾件裝配后,零件與零件之間有較好的貼合度,需要控制汽車(chē)儀表內(nèi)飾件的翹曲量和體積收縮率的大小。
圖1 汽車(chē)儀表內(nèi)飾件三維模型
對(duì)制件模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格類(lèi)型選擇雙層網(wǎng)格,圖2為汽車(chē)儀表內(nèi)飾件的網(wǎng)格模型。對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知,三角形數(shù)76 136,已連接的節(jié)點(diǎn)38 044,網(wǎng)格匹配度91.9%,網(wǎng)絡(luò)最大縱橫比11.97,配向不正確單元和完全重疊單元數(shù)都為0,連通區(qū)域1個(gè),滿(mǎn)足制件的翹曲分析條件[6]。
圖2 汽車(chē)儀表內(nèi)飾件網(wǎng)格模型
澆口位置的選擇在仿真分析過(guò)程中至關(guān)重要,合理的澆口位置可以減少熔融塑料在模具型腔的填充時(shí)間,降低流動(dòng)前沿溫度差以及改善氣穴、縮痕、熔接線(xiàn)等質(zhì)量缺陷。在仿真過(guò)程中,將軟件分析序列選擇為澆口位置,系統(tǒng)自動(dòng)生成制件的較優(yōu)澆口匹配云圖[7],如圖3所示。
圖3 較優(yōu)澆口匹配云圖
通過(guò)最佳澆口匹配云圖可知,區(qū)域2為澆口匹配性最差的位置,區(qū)域1為澆口匹配性最好的位置,因此最佳澆口位置分布在制件的區(qū)域1位置,該結(jié)果僅作為選擇澆口位置時(shí)的參考,具體位置需要結(jié)合制件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及模具的結(jié)構(gòu)形狀[8]。
根據(jù)最佳澆口匹配云圖和儀表內(nèi)飾件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng),設(shè)置澆口個(gè)數(shù)為3,分布在匹配云圖推薦區(qū)域;澆注系統(tǒng)主流道形狀為圓錐形,小端直徑取6 mm,錐角為2°,高度為60 mm;一級(jí)分流道形狀為圓柱面,二級(jí)分流道的形狀為圓錐形;澆口結(jié)構(gòu)類(lèi)型為點(diǎn)澆口,由于兩端存在較大的壓力差,填充過(guò)程中有較大的剪切熱,使熔體的流動(dòng)性變好,有利于薄壁制件的型腔填充,點(diǎn)澆口尺寸為直徑為1 mm,錐度為6°,高度為1 mm,具體澆注系統(tǒng)如圖4a所示。
圖4 澆注系統(tǒng)圖和冷卻系統(tǒng)圖
由于儀表內(nèi)飾件為淺型制件,上端冷卻系統(tǒng)采用直流循環(huán)式冷卻水道,該形式的水道結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,加工方便,水管直徑為10 mm,水管與制件之間的距離為20 mm。制件下端由于需要對(duì)模具頂針部分進(jìn)行讓位,因此選擇隨形流道,水管直徑為10 mm,水管與制件之間的距離為20 mm,具體冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4b所示。
分析序列為冷卻+填充+保壓+翹曲,將注塑工藝參數(shù)設(shè)置成系統(tǒng)默認(rèn)值,具體數(shù)值如下:熔體溫度為230 ℃,模具溫度為50 ℃,注射時(shí)間1.6 s,保壓時(shí)間為10 s,保壓壓力47 MPa,冷卻時(shí)間20 s。對(duì)制件進(jìn)行模流分析,得到翹曲量和體積收縮率的分析結(jié)果,如圖5所示。由圖5可知,區(qū)域A和區(qū)域B分別為翹曲量和體積收縮率較大區(qū)域和較小區(qū)域:兩端的翹曲量最大,中間位置翹曲量最小,是由于制件兩端冷卻不均和收縮不均等導(dǎo)致的變形,制件的最大翹曲量為2.672 mm;制件邊緣部分體積收縮率較大,靠近澆口位置體積收縮率較小,是由于制件邊緣部分離澆口位置較遠(yuǎn)導(dǎo)致保壓較弱,最大體積收縮率為16.28%。
圖5 工藝參數(shù)默認(rèn)值下的翹曲量和體積收縮率
導(dǎo)致翹曲量和體積收縮缺陷的因素非常多,在制件的形狀、模具結(jié)構(gòu)和材料等相同的情況下,成型工藝參數(shù)是影響翹曲量和體積收縮的主要因素,因此優(yōu)化成型工藝參數(shù)是改善制件表面質(zhì)量的有效手段[9]。模具溫度、熔體溫度、冷卻時(shí)間、保壓壓力、保壓時(shí)間和注塑時(shí)間等工藝參數(shù)影響熔融塑料在型腔內(nèi)的熱流變行為,最終影響制件的翹曲量和體積收縮率[10]。
根據(jù)儀表內(nèi)飾件實(shí)際注塑經(jīng)驗(yàn),筆者選擇最主要的工藝參數(shù)模具溫度(A)、熔體溫度(B)、冷卻時(shí)間(C)、保壓壓力(D)、保壓時(shí)間(E)和注塑時(shí)間(F)作為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)因素[11]。在成型工藝參數(shù)合理范圍內(nèi)選擇5個(gè)水平值,各參數(shù)設(shè)置情況見(jiàn)表1。
表1 因素水平表
通過(guò)正交試驗(yàn)水平設(shè)計(jì),可得到L25(56)正交試驗(yàn)表,利用Moldflow軟件進(jìn)行25次模流分析,仿真結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,最優(yōu)的翹曲量為1.310 mm,對(duì)應(yīng)的體積收縮率和工藝參數(shù)組合分別為14.61%和A1B5C5D5E5F5,最優(yōu)的體積收縮率為12.76%,對(duì)應(yīng)的翹曲量和工藝參數(shù)組合分別為1.98 mm和A5B1C5D4E3F2,與初步仿真結(jié)果相比,翹曲量和體積收縮率都有所改善。
表2 正交試驗(yàn)仿真結(jié)果
為了方便觀察各成型工藝參數(shù)對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響趨勢(shì),對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理,得到極差分析結(jié)果,見(jiàn)表3。表示某一工藝參數(shù)的不同水平對(duì)應(yīng)翹曲量的平均值2,3,4,5)表示某一工藝參數(shù)的不同水平對(duì)應(yīng)體積收縮率的平均值;R表示某一工藝參數(shù)的不同水平對(duì)應(yīng)翹曲量或體積收縮率的平均值最大值與最小值之差。由表3可知:當(dāng)工藝參數(shù)A為40 ℃,B為270 ℃,C為15 s,D為80 MPa,E為20 s,F(xiàn)為1.4 s時(shí),即工藝參數(shù)組合為A1B4C1D5E3F4,翹曲量最優(yōu)。當(dāng)工藝參數(shù)A為40 ℃,B為240 ℃,C為30 s,D為40 MPa,E為30 s,F(xiàn)為0.8 s時(shí),即工藝參數(shù)組合為A1B1C4D1E5F1,體積收縮率最優(yōu)。
將工藝參數(shù)組合A1B4C1D5E3F4通過(guò)Moldflow軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證,得到圖6的分析結(jié)果,結(jié)果表明得到的翹曲量在25組數(shù)據(jù)中是最優(yōu)的,最優(yōu)值為1.174 mm,但是此時(shí)的體積收縮率為14.51%,數(shù)值較大。
圖6 A1B4C1D5E3F4工藝參數(shù)組合下的分析結(jié)果
將工藝參數(shù)組合A1B1C4D1E5F1通過(guò)Moldflow軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證,得到圖7的分析結(jié)果,表明得到的體積收縮率在25組數(shù)據(jù)中是最優(yōu)的,最優(yōu)值為12.24%,此時(shí)翹曲量為2.118 mm,數(shù)值較大。在正交試驗(yàn)下,翹曲量最優(yōu)和體積收縮率最優(yōu)的工藝參數(shù)并不相同,因此需要對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行綜合分析。
圖7 A1B1C4D1E5F1工藝參數(shù)組合下的分析結(jié)果
為進(jìn)一步優(yōu)化汽車(chē)儀表內(nèi)飾件的表面質(zhì)量,通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析將優(yōu)化體積翹曲量和體積收縮率的多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題,以灰色關(guān)聯(lián)度為優(yōu)化目標(biāo),通過(guò)極差分析得到翹曲量和體積收縮率同時(shí)最優(yōu)的一組工藝參數(shù)[12]。
灰色關(guān)聯(lián)分析的基本原理是根據(jù)各個(gè)因素變化曲線(xiàn)的相似程度來(lái)判斷因素之間的關(guān)聯(lián)程度,曲線(xiàn)越相似,說(shuō)明因素間的關(guān)聯(lián)程度越高[13]。
(1) 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣。
結(jié)合正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù),確定評(píng)價(jià)指標(biāo)中的數(shù)值,通過(guò)公式(1),組成評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣。
式中,m為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量;n為試驗(yàn)次數(shù);Xi(j)為原始數(shù)據(jù)。
(2) 歸一化處理。
一般情況下,原始數(shù)列量綱的不同以及變量之間差異較大會(huì)影響各個(gè)指標(biāo)間的等效性,進(jìn)而影響模型的精度[14]。因此需利用對(duì)原始數(shù)列進(jìn)行歸一化處理,歸一化處理公式如式(2)。
式中,X*i(k)為歸一化處理后的數(shù)列為數(shù)據(jù)矩陣中的最大值為數(shù)據(jù)矩陣中的最小值;Xi(j)為數(shù)據(jù)矩陣中的向量;Xob(j)為Xi(j)的目標(biāo)數(shù)值。
(3) 確定灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。
計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的公式見(jiàn)式(3):
式中,ξi為關(guān)聯(lián)度系數(shù);min(Δmin)為參考序列和比較序列的最小絕對(duì)值中的最小;max(Δmax)為參考序列和比較序列的最大絕對(duì)值中的最大;ρ為分辨系數(shù),一般取0.5;Δ0,i(j)為參考序列和比較序列的絕對(duì)值。
通過(guò)計(jì)算可以得到灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣ξ,見(jiàn)公式(4)所示:
(4)灰色關(guān)聯(lián)度的確定。
表2中的指標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)公式(1)~公式(5)進(jìn)行處理,可以得到這兩個(gè)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度,見(jiàn)表4。
表4 翹曲量和體積收縮率的評(píng)價(jià)指標(biāo)、關(guān)聯(lián)系數(shù)和灰色關(guān)聯(lián)度
對(duì)表4中的灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行極差分析,見(jiàn)表5?;疑P(guān)聯(lián)度的均值越大代表工藝參數(shù)越優(yōu),灰色關(guān)聯(lián)度均值的最大值和最小值的差值越大代表工藝參數(shù)對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)(翹曲量和體積收縮率)的影響越大。由表5可知,灰色關(guān)聯(lián)度均值最大的組合為A1B1C3D5E3F1,較優(yōu)工藝參數(shù):A為40 ℃,B為240 ℃,C為25 s,D為80 MPa,E為20 s,F(xiàn)為0.8 s,利用Moldflow軟件進(jìn)行模流分析得到分析結(jié)果圖如圖10所示,翹曲量為1.431 mm,體積收縮率為12.42%。
表5 灰色關(guān)聯(lián)度的極差分析
圖10 A1B1C3D5E3F1工藝參數(shù)組合的體積收縮和翹曲量
對(duì)比正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和灰色關(guān)聯(lián)分析優(yōu)化參數(shù)后的翹曲量和體積收縮率,見(jiàn)表6。由表6可知,灰色關(guān)聯(lián)分析的最優(yōu)工藝參數(shù)下的翹曲量和體積收縮率比正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的最優(yōu)工藝參數(shù)下的結(jié)果稍大,但正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)翹曲量最優(yōu)和體積收縮率最優(yōu)的工藝參數(shù)并不相同,翹曲量和體積收縮率難以同時(shí)達(dá)到最優(yōu),因此灰色關(guān)聯(lián)分析的優(yōu)化效果相對(duì)較好?;疑P(guān)聯(lián)分析得到的工藝參數(shù)與默認(rèn)推薦的工藝參數(shù)相比,翹曲量和體積收縮率分別降低了46.44%和23.71%,達(dá)到提高制件表面質(zhì)量目的,滿(mǎn)足制件對(duì)翹曲量的要求。
表6 正交試驗(yàn)和灰色關(guān)聯(lián)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比
結(jié)合汽車(chē)儀表內(nèi)飾件的結(jié)構(gòu)及制件的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)注塑模具,注塑模具采用側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的三板式模具結(jié)構(gòu),外形尺寸為550 mm×700 mm×466 mm,具體結(jié)構(gòu)如圖11所示。注塑成型時(shí),通過(guò)定位環(huán)17的定位將注塑模與注塑機(jī)安裝在一起,注塑機(jī)將熔融塑料由澆口套16進(jìn)入,通過(guò)澆注系統(tǒng)填充到模具型腔內(nèi)。經(jīng)過(guò)保壓和冷卻后,對(duì)注塑模具開(kāi)模,先打開(kāi)分型面Ⅱ,在拉料桿18作用下,澆注系統(tǒng)和制件最先斷開(kāi),之后澆注系統(tǒng)的廢料從定模板9脫出,當(dāng)小拉桿22端部碰到定模板9,此時(shí)分型面Ⅰ打開(kāi),澆注系統(tǒng)的廢料從澆口套和拉料釘中脫落,動(dòng)模板6和定模板9在阻尼銷(xiāo)21的作用下分開(kāi),分型面Ⅲ打開(kāi),與此同時(shí)動(dòng)作的還有側(cè)抽芯結(jié)構(gòu),側(cè)抽芯運(yùn)動(dòng)到與制件完全脫開(kāi)才停止。側(cè)抽芯運(yùn)動(dòng)完成后,將推動(dòng)推板2使推桿19將制件推出;制件取出后,在復(fù)位彈簧的作用下注塑模具進(jìn)行復(fù)位,動(dòng)模板6和定模板9進(jìn)行重新合模,進(jìn)行下個(gè)工作循環(huán)。
對(duì)注塑模具進(jìn)行制作、安裝和調(diào)試,在注塑機(jī)上設(shè)置灰色關(guān)聯(lián)分析優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合,對(duì)汽車(chē)儀表內(nèi)飾件進(jìn)行試生產(chǎn),得到的試模樣件如圖12所示。觀察試模樣件可知,其表面光滑,并未出現(xiàn)短射、縮痕、破裂等質(zhì)量缺陷,經(jīng)檢測(cè)翹曲量和體積收縮率滿(mǎn)足生產(chǎn)的要求。
圖12 試模樣件
(1)利用Moldflow軟件對(duì)汽車(chē)儀表內(nèi)飾件的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),并進(jìn)行翹曲分析得到了默認(rèn)工藝參數(shù)下的翹曲量為2.672 mm和體積收縮率為16.28%。制件的質(zhì)量缺陷較大,有待進(jìn)一步改善。
(2)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得到翹曲量和體積收縮率分別較優(yōu)的兩組工藝參數(shù)。通過(guò)Moldflow軟件對(duì)這兩組工藝進(jìn)行模流分析,得到最小翹曲量為1.174 mm以及對(duì)應(yīng)的體積收縮率14.51%,最小體積收縮率為12.24%以及對(duì)應(yīng)的翹曲量2.118 mm。翹曲量最優(yōu)的工藝參數(shù)和體積收縮率最優(yōu)的工藝參數(shù)并不相同,難以同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。
(3)通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,得到翹曲量和體積收縮率同時(shí)最優(yōu)的一組工藝參數(shù):模具溫度40 ℃、熔體溫度240 ℃、、冷卻時(shí)間25 s、保壓壓力80 MPa、保壓時(shí)間20 s、注射時(shí)間0.8 s。對(duì)這組工藝參數(shù)進(jìn)行模流分析,得到的翹曲量和體積收縮率分別為1.431 mm和12.42%。
(4)對(duì)比正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和灰色關(guān)聯(lián)分析的優(yōu)化結(jié)果,灰色關(guān)聯(lián)分析具有較好優(yōu)化效果。與默認(rèn)工藝參數(shù)下仿真結(jié)果相比,灰色關(guān)聯(lián)分析優(yōu)化后的翹曲量和體積收縮率分別降低了46.44%和23.71%。通過(guò)實(shí)際試模,進(jìn)一步驗(yàn)證了灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)汽車(chē)儀表注塑成型工藝參數(shù)優(yōu)化方案的可行性。