注塑成型CAE分析與工藝參數優化研究進展

吳光輝

（婁底職業技術學院機電工程學院，湖南 婁底 417000）

1 研究背景

塑料件（塑件）以其優越的強重比和低廉的價格，在工程中有無可替代的作用，注塑成型是塑料成型、塑件生產的主要工藝方法。注塑產品的質量，除與模具設計的科學性、模具制造的精度等相關外，還與時間、溫度和壓力參數的設置密切相關，過去對于注塑成型工藝參數的選擇，主要是靠現場工程師的個人經驗，結合反復的注塑試驗去調整，屬于試錯法，存在耗時長、可靠性不高等不足。在現代模具生產中，隨著計算機技術的不斷發展和有限元分析技術的普及，已經可以采用計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技術對注塑成型的過程進行數值模擬，然后利用相關數學方法對仿真結果進行分析，并針對設定的單一或多個質量指標，優化注塑成型的工藝參數（組）。相較于傳統試錯法，采用CAE技術的方法能快速地找到合理的參數，并克服經驗的束縛[1]。

2 參數優化分析軟件

目前，市場上的注塑CAE分析軟件有Moldflow、Moldex3D、Moldex和HSCAE等。以中國知網期刊數據庫為樣本，自2018年以來，以“Moldflow”為關鍵詞的研究論文有486篇，題目中含“Moldflow”的有233篇；以“Moldex3D”為關鍵詞的研究論文有31篇，題目中含“Moldex3D”的有20篇；以“Moldex”為關鍵詞的研究論文有26篇，題目中含“Moldex”的有21篇；以“HSCAE”為關鍵詞的研究論文有3篇，題目中含“HSCAE”的有2篇，其中，HSCAE是華中科技大學塑性成型模擬及模具技術國家重點實驗室推出的商品化塑料注射成型過程集成化仿真系統。從研究數據來看，國內學者們主要是以Moldflow軟件作為應用和研究對象。

3 注塑成型工藝參數優化的研究進展

王哲[2]以汽車內飾B柱塑件為研究對象，設計了一模兩腔熱流道模具，利用CAE軟件分析時間、壓力和澆口位置等參數，求解最優參數組合，并利用優化的澆口位置，實現了注塑時序的分配。

巫興悅等[3]利用Moldflow軟件對某微泵泵體進行CAE分析，設計基于信噪比的4因素4水平正交試驗，結合灰色關聯度和均值極差法對試驗結果進行分析，優化了模具溫度、熔體溫度、注射速度和保壓壓力等參數，從而將泵體的翹曲變形量控制在0.079 5 mm，達到了預期的質量要求。

丁文敏等[4]以某型號電連接器為實例，分析其結構特點，利用模流分析軟件和正交試驗法，得出熔體溫度是影響塑件翹曲變形主要因素，并對優化后的工藝參數進行驗證，證明了分析的可靠性。

邱彤等[5]以體積收縮率和翹曲變形量為優化目標，用Moldflow軟件對透鏡的注塑壓縮成型過程進行數值模擬，并對比了兩種研究方法對于多目標優化的可靠性，一是正交試驗法與綜合平衡法結合方法，二是響應曲面法試驗與響應優化器求解方法，獲取兩組最優參數組合，通過成型實驗驗證響應曲面法對多目標工藝參數優化更具有可行性。

胡鄧平等[6]等利用Moldflow軟件，結合正交試驗和極差分析法，以注射時間、模具溫度、熔體溫度、相對保壓壓力、保壓時間為設計變量，對注塑件進行數值模擬和參數優化，順利解決了帶有網格的框形薄壁容易出現縮痕缺陷的問題。

Hasan Oktem等[7]以某薄殼注塑件為研究對象，運用Moldflow軟件和田口（Taguchi）方法設計試驗方案進行模擬與仿真，研究得出了工藝參數對薄殼注塑件翹曲變形的影響規律，獲取了最佳工藝參數組合并在注塑機上進行了驗證。因薄壁件的質量控制較為復雜，研究者也比較多，在Hasan Oktem等[7]的基礎上，惲志東等[8]也運用Moldflow軟件對某薄壁面板的注塑成型過程進行了研究，針對薄壁件易產生熔接痕、翹曲變形和氣穴等缺陷的特點，研究了其影響因素和影響規律，并利用獲得的最優參數組合控制了產品成型缺陷。

王小明等[9]以由聚丙烯（Polypropylene，PP）注塑成型的車用儀表板裝飾蓋為研究對象，針對其翹曲變形缺陷進行數值模擬和研究分析。得出了影響裝飾蓋翹曲變形的顯著因素，同時就各參數在注塑成型過程中對翹曲變形的影響規律進行了研究和總結，并對規律的有效性進行了驗證。

熊愛華等[10]以聚丙烯（PP）及其玻璃纖維增強復合材料為研究對象，運用Moldflow軟件，以模具溫度、玻璃纖維含量等為因素，以翹曲變形為質量指標進行正交試驗設計，經數值模擬與仿真分析，得出了玻璃纖維含量對注射壓力和翹曲變形的影響的關系曲線。

吳光輝[11]以一款塑料按鍵手機的面殼作為研究對象，以縮痕指數和翹曲變形量為質量指標，運用正交試驗設計方法，選取充模時間、模具溫度、保壓時間、熔料溫度、保壓壓力和冷卻時間6個參數作為試驗因素，首先運用Moldflow軟件對試驗工藝參數組進行了數值模擬，其次用極差分析法和綜合平衡法求得工藝參數的最優組合，最后在某臥式曲肘注塑設備上對結果進行了驗證。

Hamdy Hassan等[12]就注塑模冷卻系統對塑件收縮率的影響規律進行了研究，研究表明，在工藝參數不變的情況下，一些影響模具溫度的因素（如冷卻系統的布置、冷卻水的溫度與流量等）對注塑件的體積收縮率有較為顯著的影響。

Mirigul Altan[13]運用田口（Taguchi）方法和方差分析法，分別對聚丙烯（PP）和聚苯乙烯的注塑過程進行了數值模擬與仿真分析。得出了影響兩種材料體積收縮率的顯著因素：影響聚丙烯（PP）體積收縮率的顯著因素為保壓壓力；影響聚苯乙烯體積收縮率的顯著因素為熔體溫度。還用神經網絡技術對產品的體積收縮率進行了準確預測。

Nik Mizamzul Mehat等[14]運用正交試驗方法對聚丙烯（PP）的注塑成型進行數值模擬仿真，并對注塑件的力學性能進行分析研究，結果表明，用含有25%回收聚丙烯（PP）的原材料進行注塑，能明顯提升注塑件的彎曲性能，對原材料的充分利用有顯著效益。

4 結論

1）用于模流分析的軟件比較多，工程中應用最為廣泛的還是Moldflow軟件。

2）用CAE軟件分析，既可以優化注塑機內的工藝參數，又可以優化模具內的工藝參數；既可以用于注塑成型，又可以用于壓縮成型，對于熱流道模具也同樣有效。

3）用CAE軟件結合合理的實驗設計和研究方法，可以對單目標或多目標進行優化；對于一些工程中依靠經驗難以解決的質量缺陷，也能通過優化，較好地進行解決。

4）在實際注塑成型過程中，優化的指標較多，數據處理量大，且分析方法理論性太強，嚴重制約了工藝參數優化技術在注塑成型過程中的應用，未來可將數值模擬與結果分析都整合到軟件中完成，降低整個過程對人員專業程度的依賴，將帶來更大的經濟效益和社會效益。