王曉花 張彩婷 王國(guó)斌 李世鵬 汪文榮

(銀川能源學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,寧夏 銀川,750100)

塑料在注塑成型過(guò)程中,會(huì)出現(xiàn)短射、翹曲等缺陷,翹曲變形作為評(píng)定產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo),已成為行業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)[1]?？刂坡N曲變形研究雖然取得了一定進(jìn)展,但注塑成型的多變量、非線性等特性,使得優(yōu)化面臨很多困難。對(duì)于具體工程問(wèn)題，通常在滿(mǎn)足精度要求的同時(shí)找到一個(gè)合適的替代模型進(jìn)行優(yōu)化研究，而移動(dòng)最小二乘法(MLS)能有效解決此類(lèi)問(wèn)題[2]。

下面基于Moldflow軟件和響應(yīng)曲面對(duì)手機(jī)上殼翹曲變形進(jìn)行優(yōu)化,重點(diǎn)研究計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)模型網(wǎng)格優(yōu)化,基于移動(dòng)最小二乘法的響應(yīng)曲面建立以及粒子群尋優(yōu)法對(duì)注塑成型工藝的優(yōu)化。

1 注塑成型有限元模型

某公司生產(chǎn)的薄殼類(lèi)手機(jī)上殼注塑件,外形尺寸為150.0 mm×83.0 mm×8.0 mm,平均壁厚2.0 mm,材料為丙烯腈/丁二烯/苯乙烯樹(shù)脂(ABS)。手機(jī)上殼主視圖、左視圖及主要尺寸,見(jiàn)圖1。規(guī)定該手機(jī)上殼與下殼自然裝配間隙不能超過(guò)0.5 mm,但在實(shí)際生產(chǎn)中由于上殼發(fā)生了翹曲變形,使上、下殼不能自然裝配,因此,需要對(duì)上殼進(jìn)行翹曲變形優(yōu)化。

圖1 手機(jī)上殼主要尺寸(單位:mm)

手機(jī)上殼在注塑成型過(guò)程中采用點(diǎn)澆口,一模兩腔成型。該模型共有38 336個(gè)三角形單元,網(wǎng)格匹配率為87%,模型最大和最小三角形網(wǎng)格縱橫比(三角形單元的長(zhǎng)和高的最大比值)分別為6.00和1.16,設(shè)計(jì)了合理的冷卻系統(tǒng)和澆注系統(tǒng),滿(mǎn)足塑件形狀尺寸及模具要求(見(jiàn)圖2),設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿(mǎn)足質(zhì)量要求的同時(shí)使注塑產(chǎn)品的翹曲變形量最小。

圖2 手機(jī)上殼注塑成型有限元模型

2 手機(jī)上殼翹曲變形的優(yōu)化

2.1 正交試驗(yàn)方案及仿真試驗(yàn)

將影響翹曲變形的因子,模具溫度、注射時(shí)間、保壓時(shí)間、熔體溫度及保壓壓力[3]做正交試驗(yàn),尋求主要影響因子。假設(shè)各因子之間相互獨(dú)立,無(wú)交互作用。按照正交試驗(yàn)約束條件及設(shè)計(jì)原則,設(shè)定表1的正交試驗(yàn),使用Moldflow軟件進(jìn)行27次CAE模擬試驗(yàn),得到相應(yīng)的翹曲變形值。然后利用均值分析方法和方差分析方法對(duì)翹曲變形值進(jìn)行分析,獲取影響手機(jī)上殼翹曲變形的主要因子。

試驗(yàn)表明,熔體溫度、注射時(shí)間對(duì)手機(jī)上殼翹曲變形影響最顯著,保壓壓力、保壓時(shí)間和模具溫度影響不顯著,這為進(jìn)一步優(yōu)化注塑工藝參數(shù)提供了參考。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

2.2 拉丁方試驗(yàn)設(shè)計(jì)

拉丁方試驗(yàn)設(shè)計(jì)(LHD)[4]是一種研究多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法,具有效率高、均衡性能好等優(yōu)點(diǎn)。由于事先不知道各設(shè)計(jì)變量的影響,LHD將每個(gè)設(shè)計(jì)變量看作同等重要,若需要獲得k個(gè)樣本點(diǎn),則將設(shè)計(jì)空間的每個(gè)設(shè)計(jì)變量均勻劃分為k個(gè)間隔,即每個(gè)設(shè)計(jì)變量分為k個(gè)水平。利用有限元仿真和數(shù)理統(tǒng)計(jì),得到影響手機(jī)上殼的主要因子是熔體溫度(x1)和注射時(shí)間(x2),在本試驗(yàn)的設(shè)計(jì)區(qū)間內(nèi),基于拉丁方試驗(yàn)設(shè)計(jì),得到擬合響應(yīng)曲面的40個(gè)點(diǎn)的拉丁采樣分布,見(jiàn)圖3。

圖3 拉丁方抽樣點(diǎn)分布

2.3 基于移動(dòng)最小二乘法擬合響應(yīng)曲面

圖4所示的響應(yīng)曲面反映了設(shè)計(jì)變量對(duì)最大翹曲變形量的影響。在各變量的取值范圍內(nèi),升高熔體溫度將會(huì)減小最大翹曲變形量,但溫度過(guò)高塑料會(huì)發(fā)生熱分解,過(guò)低會(huì)熔融不足[5];注射時(shí)間增加引起翹曲變形量呈先減小后增大的趨勢(shì),減少注射時(shí)間即增大注射速率利于沖模,但會(huì)使熔體變?yōu)橥牧鳡顟B(tài),空氣不易排出,引起局部燒焦等缺陷,注射時(shí)間也不宜過(guò)大?？傮w來(lái)看,提高熔體溫度有利于改善充模狀況,降低分子取向性,降低翹曲變形,提高制品的綜合性能。

圖4 最大翹曲變形量的響應(yīng)曲面模型

2.4 粒子群尋優(yōu)法優(yōu)化注塑成型工藝

粒子群尋優(yōu)法(PSO)通用性較強(qiáng),對(duì)非線性、多變量、不可微及不連續(xù)的情況更具有其優(yōu)勢(shì)。采用粒子群尋優(yōu)法對(duì)響應(yīng)曲面模型進(jìn)行全局尋優(yōu),從而得到工藝參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解。迭代15次達(dá)到收斂,尋得最小翹曲變形值為0.545 8 mm,對(duì)應(yīng)的熔體溫度為270 ℃,注射時(shí)間為2.5 s,見(jiàn)圖5。

圖5 PSO尋優(yōu)收斂結(jié)果

優(yōu)化后的工藝參數(shù)經(jīng)有限元模擬得到手機(jī)上殼最小翹曲變形量為0.557 9 mm,與優(yōu)化前的翹曲變形量0.862 9 mm相比,翹曲變形量降低了35.3%。手機(jī)外殼優(yōu)化前后翹曲變形量及原因分析見(jiàn)表2。由表2可知,不均勻收縮是導(dǎo)致塑件翹曲變形的主要原因。收縮不均勻,除了注塑工藝外,材料、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、模具以及機(jī)臺(tái)等因素都會(huì)導(dǎo)致注塑件收縮不均勻[6]。模具確定后,材料很難更換,因此在以后的設(shè)計(jì)工作中,要注重產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

表2優(yōu)化前后翹曲變形原因分析mm

項(xiàng)目?jī)?yōu)化前優(yōu)化后 不均勻冷卻導(dǎo)致的翹曲變形量0.013 80.012 2 不均勻收縮導(dǎo)致的翹曲變形量0.740 10.461 0 分子取向?qū)е碌穆N曲變形量00角效應(yīng)0.109 00.084 7總翹曲變形量0.862 90.557 9

使用最優(yōu)化參數(shù)生產(chǎn)的手機(jī)上殼注塑件外觀良好,無(wú)明顯翹曲變形缺陷,自然裝配后上、下殼外形線一致,無(wú)飛邊、刮手等缺陷,裝配效果良好,優(yōu)化前后的裝配效果對(duì)比見(jiàn)圖6。

圖6 優(yōu)化前后裝配效果

3 結(jié)論

1) 建立了注塑工藝參數(shù)和翹曲變形量之間的響應(yīng)曲面近似模型,結(jié)合粒子群尋優(yōu)法對(duì)影響翹曲變形的主要工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和分析。

2) 在熔體溫度為270 ℃,注射時(shí)間為2.5 s時(shí),手機(jī)上殼注塑件最小翹曲變形量為0.557 9 mm,比優(yōu)化前降低了35.3%,注塑件外觀良好,提高了計(jì)算效率,降低了生產(chǎn)成本。