黃永程

（廣東理工學(xué)院，廣東省肇慶市 526100）

薄壁塑件由于質(zhì)量輕和流長比大，因此，在成型過程中收縮不均勻，容易產(chǎn)生翹曲變形。傳統(tǒng)注塑成型工藝使熔體受力不均，易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力進(jìn)而導(dǎo)致翹曲變形等缺陷。注塑壓縮成型技術(shù)是傳統(tǒng)注塑成型和壓縮成型的組合技術(shù)，通過注塑機(jī)將塑化好的熔體注塑至未完全閉合的模具型腔中，然后通過注塑機(jī)或模外壓縮裝置壓縮模具至完全閉合，目的是將熔體壓實。傳統(tǒng)注塑成型工藝采用可控的螺桿運動來間接控制模具型腔中樹脂的流動速率和壓力，注塑壓縮成型使樹脂在壓力作用下直接充滿整個型腔，以減小塑料桿的內(nèi)應(yīng)力，削弱分子間的取向［1］，改善薄壁塑件的質(zhì)量。

對于薄壁塑件注塑壓縮成型工藝多因素多指標(biāo)分析的相關(guān)文獻(xiàn)比較少，主要是多因素單指標(biāo)分析，對于多因素單指標(biāo)分析采用正交試驗與方差結(jié)合分析，得出單指標(biāo)的最優(yōu)工藝參數(shù)組合［2-3］，但由于評定塑件質(zhì)量的指標(biāo)較多，優(yōu)化一個指標(biāo)很難獲得較優(yōu)的工藝方案。因此，為了使注塑產(chǎn)品各指標(biāo)都達(dá)到一個均衡狀態(tài)，本工作采用模糊數(shù)學(xué)的綜合評判法與田口試驗法相結(jié)合，根據(jù)各目標(biāo)值對產(chǎn)品外觀質(zhì)量和性能的重要性，進(jìn)行加權(quán)綜合評分，通過差異分析確定因素水平對綜合價值的影響程度，找到一組最優(yōu)的工藝參數(shù)。

1 工藝參數(shù)優(yōu)化方法和多指標(biāo)的確定

1.1 田口試驗法

針對不同使用要求的薄壁塑件制品，采用不同的設(shè)計方法。傳統(tǒng)的試驗設(shè)計包括篩選設(shè)計、部分因子設(shè)計、全因子設(shè)計、響應(yīng)面設(shè)計、擴(kuò)充設(shè)計、混合設(shè)計和田口設(shè)計等［2］。由于6因素5水平的設(shè)計，全因子設(shè)計需要進(jìn)行15 625次實驗，而田口設(shè)計只需要進(jìn)行25次實驗，因此，采用田口設(shè)計進(jìn)行相關(guān)實驗。6因素分別是模具溫度、熔體溫度、壓縮力、壓縮速度、壓縮距離和壓縮時間。

1.2 多指標(biāo)的確定

樹脂材料對溫度比較敏感，薄壁塑件對溫度更為敏感，在成型過程中易發(fā)生翹曲變形、熔接線和體積收縮等缺陷。翹曲變形和體積收縮會嚴(yán)重影響薄壁塑件的外形和使用性能，熔接線會影響薄壁塑件強(qiáng)度，因此，翹曲變形量、熔接線和體積收縮率占綜合性能的比重非常大，需要尋找合理工藝參數(shù)組合使這三個指標(biāo)相對較優(yōu)［4-5］。

1.2.1 多指標(biāo)評判分類

綜合評分法與綜合平衡法是傳統(tǒng)的解決多指標(biāo)問題的分析試驗方法。綜合評分法是對多指標(biāo)進(jìn)行試驗分析，而綜合平衡法是對單指標(biāo)進(jìn)行直觀分析，將多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為單指標(biāo)進(jìn)行分析，綜合評分法又分為加權(quán)綜合評分法和排隊綜合評分法，加權(quán)綜合評分法表達(dá)式見式（1）［2］。

式中：Xij為考察對象；aij為權(quán)因子系數(shù)，即評判對象在綜合加權(quán)評分中所占權(quán)重值；i為第i號試驗；j為第j個考察對象；Xi是綜合加權(quán)平均。

1.2.2 權(quán)重的選擇

因為翹曲變形量、熔接線和體積收縮率這三個指標(biāo)對塑件的影響程度不同，所以加權(quán)綜合評分法對權(quán)重系數(shù)的確定更為重要。通過建立判斷矩陣，即建立最大翹曲變形量、平均熔接線和平均體積收縮率的判斷矩陣，根據(jù)以上3個指標(biāo)影響程度所建立的判斷矩陣見表1。

表1 指標(biāo)判斷矩陣Tab.1 Index judgment matrix

求出上表所建立的判斷矩陣的最大特征值（λmax）為3.161 9，對應(yīng)的特征向量（μ），μ=（0.676 2，0.587 0，0.445 3）T，T為矩陣中的轉(zhuǎn)置，并對該特征向量進(jìn)行歸一化處理，處理后見式（2）。

式中：wi為權(quán)重值；ui為重要程度；uj為綜合重要程度；n為評價指標(biāo)個數(shù)。

由式（2）計算出最大翹曲變形量、平均熔接線、平均體積收縮率的權(quán)重分別為0.396，0.344，0.260，3個權(quán)重的和為1。為確定所選擇權(quán)重的合理性，要進(jìn)行一致性程度的驗證，由于模糊性對事物的不確定性，很難構(gòu)造出完全一致的判斷矩陣，用λmax與n的接近程度作為一致性程度的尺度。通過相關(guān)矩陣滿意一致性判斷，最大翹曲變形量、平均熔接線、平均體積收縮率的權(quán)重分別為0.396，0.344，0.260，說明最大翹曲變形量影響程度最大，平均熔接線次之，平均體積收縮率影響最小。

1.2.3 模糊映射加權(quán)綜合評分

由于3個評價目標(biāo)的影響程度不同，對產(chǎn)品的影響程度也有偏差，為了平衡各指標(biāo)，實現(xiàn)多指標(biāo)問題綜合，基于模糊數(shù)學(xué)中的映射函數(shù)加權(quán)綜合評分法，見式（3）。

式中：a1為最大翹曲變形量的加權(quán)值；a2為平均熔接線的加權(quán)值；a3為平均體積收縮率的加權(quán)值；Xj為第j次試驗的綜合考察指標(biāo)；Xji為第j次試驗第i項的考察指標(biāo)；ai為第i指標(biāo)的加權(quán)值。

為盡量使綜合評分的結(jié)果合理，加權(quán)值的取值很關(guān)鍵，采用模糊映射和S形隸屬函數(shù)，其表達(dá)式見式（4），得出的權(quán)重百分制化整，最大翹曲變形量、平均熔接線、平均體積收縮率的權(quán)重分別為40，34，26。說明最大翹曲變形量所占比重最大，平均熔接線比重次之，平均體積收縮率比重最小。

式中：a用來控制xji=c處的斜率；c為拐點對應(yīng)坐標(biāo)，即各指標(biāo)映射函數(shù)值為0.5時的取值［3］。

2 注塑壓縮成型工藝優(yōu)化

2.1 建立注塑壓縮模型

以某品牌筆記本電腦顯示器外殼作為分析模型，其內(nèi)尺寸310.0 mm×175.0 mm×1.5 mm，外尺寸340.0 mm×230.0 mm×1.5 mm，屬于薄壁塑件。在Pro/E軟件中建立了計算機(jī)顯示器外殼的三維模型，并以IGS格式保存。然后將其導(dǎo)入Moldflow CAD Doctor中進(jìn)行模型修復(fù)。最后，將修復(fù)后的塑件導(dǎo)入Moldflow2018軟件進(jìn)行仿真分析。筆記本電腦外殼應(yīng)具有機(jī)械強(qiáng)度高、散熱性好且質(zhì)量輕等優(yōu)點［4］，而工程塑料聚碳酸酯+丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物具有薄壁、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、散熱快等優(yōu)點。選擇德國科思創(chuàng)公司牌號為Baybtend FR3001的合金塑料，根據(jù)其材料和尺寸建立了冷卻系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)，見圖1。

圖1 澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of gating system and cooling system

2.2 建立多指標(biāo)試驗方案

本工作的目的是尋找更好的工藝參數(shù)組合，提高注塑制品的綜合質(zhì)量。選擇最大翹曲變形量、平均熔接線、平均體積收縮率作為主要評價指標(biāo)。最大翹曲變形量和平均體積收縮率越小，平均熔接線越大越好［3］。每個因素的水平設(shè)置見表2。

2.3 結(jié)果與討論

采用6因素5水平進(jìn)行實驗，利用Minitab軟件建立田口試驗，最終生成了一個L25（56）矩陣表，實驗結(jié)果見表3。

表2 因素與水平Tab.2 Factors and levels

表3 實驗結(jié)果Tab.3 Experimental results

從表4可以看出：影響翹曲變形量的因素由大到小依次為C，B，F(xiàn)，A，E，D，壓縮力是影響最大翹曲變形量的主要因素，熔體溫度是影響最大翹曲變形量的次要因素，最大翹曲變形量最小時的最佳工藝參數(shù)組合為A4B2C4D5E3F2。

表4 最大翹曲變形量的極差分析Tab.4 Range analysis of maximum warping deformation

從表5可以看出：影響平均熔接線的因素由大到小依次為C，B，D，E，F(xiàn)，A，壓縮力是影響平均熔接線的主要因素，熔體溫度是影響平均熔接線的次要因素，使平均熔接線最大時的最佳工藝參數(shù)組合為A5B3C2D3E5F4。

表5 熔接線的極差分析Tab.5 Range analysis of weld line

從表6可以看出：影響平均體積收縮率的因素由大到小依次為C，F(xiàn)，B，E，D，A，影響平均體積收縮率的主要因素是壓縮力，其次是壓縮時間，使平均體積收縮率最小的最佳工藝參數(shù)組合為A3B3C4D5E5F1。

表6 平均體積收縮率的極差分析Tab.6 Range analysis of average volume shrinkage

從表7可以看出：影響綜合評分的因素由大到小依次為B，D，A，E，C，F(xiàn)，最佳工藝參數(shù)組合為A4B3C4D5E3F2。

表7 綜合評分的極差分析Tab.7 Range analysis of comprehensive scores

需對最佳工藝參數(shù)組合進(jìn)行模擬驗證，即模具溫度75 ℃，熔體溫度260 ℃，壓縮力60 t，壓縮速度14 mm/s，壓縮距離1.5 mm，壓縮時間7 s。從圖2可以看出：最大翹曲變形量為1.168 mm，平均熔接線為68.74°，平均體積收縮率為8.296%，這三個指標(biāo)得到的綜合評分為67.491 5，與表3數(shù)據(jù)相比，最大翹曲變形量較小、平均熔接線較大和平均體積收縮率最小，綜合評分最高，3個指標(biāo)的分析結(jié)果均比較理想。3個評價指標(biāo)均衡，表明該工藝參數(shù)組合為較優(yōu)工藝參數(shù)組合。

圖2 模擬驗證結(jié)果Fig.2 Simulation verification results

3 結(jié)論

a）基于Minitab軟件采用田口試驗法設(shè)計了6因素5水平的正交試驗。

b）綜合評分為67.491 5的工藝參數(shù)組合：模具溫度75 ℃，熔體溫度260 ℃，壓縮力60 t，壓縮速度14 mm/s，壓縮距離1.5 mm，壓縮時間7 s。

c）經(jīng)過驗證，所得到的工藝參數(shù)組合的最大翹曲變形量為1.168 mm，平均熔接線為68.74°，平均體積收縮率為8.296%，且綜合評分最高，說明正交試驗與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合在解決多指標(biāo)問題具有一定的指導(dǎo)作用。