注塑工藝設計中模具CAE技術與正交試驗的綜合應用

顏 偉，胡 勇

YAN Wei1，HU Yong2

（1.四川交通職業技術學院 自動化工程系 數控模具教研室，成都 611130；2.四川理工學院 過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，自貢 643000）

0 引言

模具CAE（模具計算機輔助工程分析Computer Aided Engineering）是現代計算機技術在模具設計與制造行業中的應用，可以對已經設計或正在設計的模具進行仿真分析（結構分析、功能分析和制造工藝分析等）；正交試驗法是研究與處理多因素試驗的一種科學有效的方法,它利用正交表來對復雜的工藝參數進行整體試驗設計，通過少數的試驗次數找到較好的工藝參數匹配,以達到最高生產工藝效果。注塑成型工藝制訂是一個復雜的設計過程，需要若干試驗來驗證。綜合應用模具CAE技術和正交試驗方法，可以有效地制定和優化注塑工藝設計方案。

1 技術方案

運用試驗設計模塊（正交試驗法），設計科學的試驗方案，用最少的試驗來獲取響應（試驗結果）和因素（溫度因素：料筒溫度、噴嘴溫度和模具溫度；壓力因素：注塑壓力、保壓壓力和塑化壓力；時間因素：注塑時間、保壓時間、冷卻時間、開模時間、模具結構參數）之間關系的最多信息。試驗設計中選擇影響實驗的主要因素，制定科學的試驗方法去指導仿真模擬分析試驗。

運用Solid Works、Pro E等三維軟件創建CAD三維塑料產品模型；運用注塑模擬分析軟件Mo1dflow對注塑成型過程進行仿真模擬分析；預測產品在實際生產過程中可能發生的問題。

運用數據分析處理模塊（正交設計軟件、MATLAB軟件）對仿真模擬分析結果進行處理，建立優化目標與設計變量間的關系。全面考察注射各成型工藝參數（簡稱因素）、因素之間的交互作用對試驗指標的影響依次程度，實現質量的預測功能，得出試驗因素的最優組合即注塑工藝參數組合方案。

對試驗結果開展極差、方差分析法和回歸分析處理，確定出注塑成型工藝優化方案；然后將優化方案運用于實際塑料成型實驗，檢測實際塑料制品是否符合預期技術質量標準。

1.1 試驗設計

試驗設計是為Mo1dflow仿真分析設計科學的試驗方案，目前多采用正交實驗設計法[3]。根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗。正交實驗設計內容與步驟為：確定模擬實驗目標 →確定影響因素及因素水平→選取合適的正交表 →選取模擬實驗模型 →MPI模擬分析 →模擬實驗結果數據處理（試驗結果極差分析、方差分析）→工藝參數優化。

1.2 仿真模擬分析

仿真模擬分析采用國際主流注塑成型分析軟件Mo1dflow。該軟件包括三大系列，其中的Mo1dflow Plastics Insight（簡稱MPI），主要對注塑整個過程進行模擬仿真分析。MPI仿真分析內容與步驟為：1）用軟件Solid Works對試驗用產品進行三維實體造型；2）轉換產品模型的文件格式，將STL層面模型導入到MPI中，對其進行網格劃分并修補網格；3）在產品網格模型上構建澆注及冷卻系統（用實驗模具上已知的尺寸與結構）；4）執行正交實驗法確定的試驗方案，將注塑工藝參數和條件輸入MPI中；5）執行仿真分析，進行完整的充模流動、保壓、冷卻、翹曲等分析；6）生成該次實驗報告；7）再進行4）→5）→6）的循環直到完成正交實驗規定的試驗。

1.3 實驗數據處理與分析

實驗數據處理與分析處理是對仿真模擬分析結論進行處理。仿真分析試驗后，對獲取的各次試驗結果進行極差分析、方差分析；確定影響注塑成型試驗指標的主、次要因素，各因素對試驗指標影響的顯著程度，得出試驗因素的優水平和最優組合即注塑工藝參數組合方案。

2 基于CAE技術與正交試驗的注塑成型工藝設計實例

2.1 模擬實驗模型

模擬實驗以某塑料杯為模型：材料為高密度聚乙烯，注塑設備為HF-1200注塑機；塑料杯大端直徑Φ78mm、高80mm,平 均 壁 厚1.2mm；注塑工藝為一模一型，直接澆口。采用Solid Works軟件建立三維實體模型，然后轉化為STL文件導入到Moldflow MPI 6.0軟件中，生成表面型網格如圖1所示，并修補轉換過程中損壞的一些面和網格。

圖1 塑料杯網格模型

根據CAE試驗的定量分析條件，提取翹曲變形值（Y1）、平均體積收縮率（Y2）、殘余應力（Y3）為該注塑件質量的主要評價指標。其中平均體積收縮率和殘余應力反映制品的性能指標，翹曲變形值反映制品的表面質量。體積收縮率太大會影響制品的尺寸精度；收縮不均勻會導致制品發生翹曲，制品中的殘余應力過大會使零件扭曲或過早失效。塑件公差等級為 IT5 級，翹曲變形值（mm）、平均體積收縮率（%）、殘余應力（MPa）滿足的條件如下：0.45mm≤Y1≤1.15mm；0.50%≤Y2≤1.2%；0≤Y3≤10MPa。

2.2 模擬實驗方案設計與試驗

模擬實驗主要是通過對該模型的成型情況分析，尋找注塑工藝參數的優化方案，實現注塑模優化設計目標預期。本文選取對塑件成型過程影響較大的模具溫度℃（A）、熔體溫度/℃（B）、冷卻時間/s（C）、保壓壓力/MPa（D）、保壓時間/s（E）、注射時間/s（G）以及A與B、B與C的交互作用作為實驗因素，每個因素安排3 個水平，因素的水平間距及取值的理想區域確定如表1所示。實驗采用L27（313）正交表（表略）。用MPI軟件仿真分析，試驗表與模型翹曲變形值、體積收縮率、殘余應力值數據如表2所示。

表1 試驗因素的水平表

表2 各參數取值

2.3 數據的處理

對于模擬實驗中提取的三個目標數據（翹曲變形值、平均體積收縮率、殘余應力），對制品的重要程度各有側重，無法直接將進行疊加評價。采用模糊數學中的映射函數進行處理，將各指標值統一映射到[0,1]的數值空間 ,根據指標在綜合評價中重要程度的不同 ,采用百分制加權綜合評分。

2.4 數據的分析

2.4.1 極差法分析各因素對試驗結果的重要依次程度

極差是指一組數據中最大值和最小值之差，極差值越大，表示該因素對指標的影響程度越大，該因素越關鍵；極差值越小，表示影響程度越不顯著，因素重要程度越一般。對實驗采用的L27（313）正交表獲得的實驗指標（綜合評分結果）進行極差法分析，可得翹曲變形極差分析表3。從表3可直觀地看出因素中熔體溫度D 的極差值最大，是最關鍵工藝因素。因素的重要程度依次是B、E、C、D、G、A；該模型的優水平組合是A3B3C1D3E3G2；但表3中各因素與A×B 、B×C的交互作用顯著性還待方差法分析確定。

2.4.2 方差法分析各因素對試驗結果的影響程度

對實驗采用的L27（313）正交表獲得的實驗指標（綜合評分結果）進行方差法分析，可考察各因素對試驗結果的影響程度（如表4所示），因素B、C、E的F因數＞F0.01（2，20）= 6.01，對試驗結果的影響高度顯著；因素D 的F因數＞F0.05（2.16）= 3.55，影響顯著；A、D、 G、B×C及A×B交互作用對試驗結果無影響。

表3 翹曲變形極差分析表

表4 翹曲變形方差分析表

最終確定其優水平組合是A3B3C1D3E3G2。通過仿真分析，翹曲變形值0.661mm、平均體積收縮率0.752%、殘余應力8.645 MPa、綜合評分結果96.671，該方案為最佳工藝組合方案。

3 基于優化工藝方案的實際注塑實驗

為驗證上述分析的準確性，對優水平組合A3B3C1D3E3G2進行注塑實際實驗（實際注塑過程在此不詳述）。實際實驗結果與模擬實驗數據吻合，塑料制品技術質量指標符合預期。

4 結論

基于正交試驗法設計恰當的試驗方案,并綜合應用Moldflow軟件、極差法、方差法分析的試驗結果,可以觀察到工藝參數以及工藝參數間的交互作用對試驗結果的影響，判定出試驗的準確程度，確定出優化的工藝參數組合。在本研究中，按照系統工程的理念，把原來彼此獨立的產品CAD設計、產品CAE工程分析、正交實驗及其數據處理等技術，系統考慮和綜合應用，有效地優化了工藝參數方案，可以縮短模具設計周期、提高模具設計質量、降低模具制造成本。本研究為注塑成型工藝方案的優化及模具設計提供了一種可行技術路線。

[1]HUANG Ming chih ，TAI Ching chih.The effective factors in the warp age problem of an injection molded part with a thin shell feature[J].Journal of Materials Processing Technology，2001，110：129.

[2]潘柏松 ,龔惠玲 ,劉紅.基于正交試驗法的注塑工藝多目標優化設計[J]．浙江工業大學學報，2007，6：308-312.

[3]胡勇等.《塑料成型模具》實驗課程內容與方法的創新實踐[J].實驗技術與管理.2010，27（5）：87-89

[4]劉瓊.塑料注射Moldflow實用教程[M].北京：機械工業出版社，2008.