吳光輝

（婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖南 婁底 417000）

1 研究背景

塑料件（塑件）以其優(yōu)越的強(qiáng)重比和低廉的價(jià)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(chǎn)的主要工藝方法。注塑產(chǎn)品的質(zhì)量，除與模具設(shè)計(jì)的科學(xué)性、模具制造的精度等相關(guān)外，還與時(shí)間、溫度和壓力參數(shù)的設(shè)置密切相關(guān)，過去對(duì)于注塑成型工藝參數(shù)的選擇，主要是靠現(xiàn)場(chǎng)工程師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合反復(fù)的注塑試驗(yàn)去調(diào)整，屬于試錯(cuò)法，存在耗時(shí)長(zhǎng)、可靠性不高等不足。在現(xiàn)代模具生產(chǎn)中，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和有限元分析技術(shù)的普及，已經(jīng)可以采用計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技術(shù)對(duì)注塑成型的過程進(jìn)行數(shù)值模擬，然后利用相關(guān)數(shù)學(xué)方法對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，并針對(duì)設(shè)定的單一或多個(gè)質(zhì)量指標(biāo)，優(yōu)化注塑成型的工藝參數(shù)（組）。相較于傳統(tǒng)試錯(cuò)法，采用CAE技術(shù)的方法能快速地找到合理的參數(shù)，并克服經(jīng)驗(yàn)的束縛[1]。

2 參數(shù)優(yōu)化分析軟件

目前，市場(chǎng)上的注塑CAE分析軟件有Moldflow、Moldex3D、Moldex和HSCAE等。以中國(guó)知網(wǎng)期刊數(shù)據(jù)庫(kù)為樣本，自2018年以來，以“Moldflow”為關(guān)鍵詞的研究論文有486篇，題目中含“Moldflow”的有233篇；以“Moldex3D”為關(guān)鍵詞的研究論文有31篇，題目中含“Moldex3D”的有20篇；以“Moldex”為關(guān)鍵詞的研究論文有26篇，題目中含“Moldex”的有21篇；以“HSCAE”為關(guān)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(xué)塑性成型模擬及模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室推出的商品化塑料注射成型過程集成化仿真系統(tǒng)。從研究數(shù)據(jù)來看，國(guó)內(nèi)學(xué)者們主要是以Moldflow軟件作為應(yīng)用和研究對(duì)象。

3 注塑成型工藝參數(shù)優(yōu)化的研究進(jìn)展

王哲[2]以汽車內(nèi)飾B柱塑件為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一模兩腔熱流道模具，利用CAE軟件分析時(shí)間、壓力和澆口位置等參數(shù)，求解最優(yōu)參數(shù)組合，并利用優(yōu)化的澆口位置，實(shí)現(xiàn)了注塑時(shí)序的分配。

巫興悅等[3]利用Moldflow軟件對(duì)某微泵泵體進(jìn)行CAE分析，設(shè)計(jì)基于信噪比的4因素4水平正交試驗(yàn)，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度和均值極差法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，優(yōu)化了模具溫度、熔體溫度、注射速度和保壓壓力等參數(shù)，從而將泵體的翹曲變形量控制在0.079 5 mm，達(dá)到了預(yù)期的質(zhì)量要求。

丁文敏等[4]以某型號(hào)電連接器為實(shí)例，分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用模流分析軟件和正交試驗(yàn)法，得出熔體溫度是影響塑件翹曲變形主要因素，并對(duì)優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)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(yōu)化目標(biāo)，用Moldflow軟件對(duì)透鏡的注塑壓縮成型過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)比了兩種研究方法對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)化的可靠性，一是正交試驗(yàn)法與綜合平衡法結(jié)合方法，二是響應(yīng)曲面法試驗(yàn)與響應(yīng)優(yōu)化器求解方法，獲取兩組最優(yōu)參數(shù)組合，通過成型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證響應(yīng)曲面法對(duì)多目標(biāo)工藝參數(shù)優(yōu)化更具有可行性。

胡鄧平等[6]等利用Moldflow軟件，結(jié)合正交試驗(yàn)和極差分析法，以注射時(shí)間、模具溫度、熔體溫度、相對(duì)保壓壓力、保壓時(shí)間為設(shè)計(jì)變量，對(duì)注塑件進(jìn)行數(shù)值模擬和參數(shù)優(yōu)化，順利解決了帶有網(wǎng)格的框形薄壁容易出現(xiàn)縮痕缺陷的問題。

Hasan Oktem等[7]以某薄殼注塑件為研究對(duì)象，運(yùn)用Moldflow軟件和田口（Taguchi）方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案進(jìn)行模擬與仿真，研究得出了工藝參數(shù)對(duì)薄殼注塑件翹曲變形的影響規(guī)律，獲取了最佳工藝參數(shù)組合并在注塑機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證。因薄壁件的質(zhì)量控制較為復(fù)雜，研究者也比較多，在Hasan Oktem等[7]的基礎(chǔ)上，惲志東等[8]也運(yùn)用Moldflow軟件對(duì)某薄壁面板的注塑成型過程進(jìn)行了研究，針對(duì)薄壁件易產(chǎn)生熔接痕、翹曲變形和氣穴等缺陷的特點(diǎn)，研究了其影響因素和影響規(guī)律，并利用獲得的最優(yōu)參數(shù)組合控制了產(chǎn)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(duì)象，針對(duì)其翹曲變形缺陷進(jìn)行數(shù)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(shí)就各參數(shù)在注塑成型過程中對(duì)翹曲變形的影響規(guī)律進(jìn)行了研究和總結(jié)，并對(duì)規(guī)律的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

熊愛華等[10]以聚丙烯（PP）及其玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為研究對(duì)象，運(yùn)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(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，經(jīng)數(shù)值模擬與仿真分析，得出了玻璃纖維含量對(duì)注射壓力和翹曲變形的影響的關(guān)系曲線。

吳光輝[11]以一款塑料按鍵手機(jī)的面殼作為研究對(duì)象，以縮痕指數(shù)和翹曲變形量為質(zhì)量指標(biāo)，運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，選取充模時(shí)間、模具溫度、保壓時(shí)間、熔料溫度、保壓壓力和冷卻時(shí)間6個(gè)參數(shù)作為試驗(yàn)因素，首先運(yùn)用Moldflow軟件對(duì)試驗(yàn)工藝參數(shù)組進(jìn)行了數(shù)值模擬，其次用極差分析法和綜合平衡法求得工藝參數(shù)的最優(yōu)組合，最后在某臥式曲肘注塑設(shè)備上對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

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

Mirigul Altan[13]運(yùn)用田口（Taguchi）方法和方差分析法，分別對(duì)聚丙烯（PP）和聚苯乙烯的注塑過程進(jìn)行了數(shù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的體積收縮率進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

Nik Mizamzul Mehat等[14]運(yùn)用正交試驗(yàn)方法對(duì)聚丙烯（PP）的注塑成型進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，并對(duì)注塑件的力學(xué)性能進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明，用含有25%回收聚丙烯（PP）的原材料進(jìn)行注塑，能明顯提升注塑件的彎曲性能，對(duì)原材料的充分利用有顯著效益。

4 結(jié)論

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

2）用CAE軟件分析，既可以優(yōu)化注塑機(jī)內(nèi)的工藝參數(shù)，又可以優(yōu)化模具內(nèi)的工藝參數(shù)；既可以用于注塑成型，又可以用于壓縮成型，對(duì)于熱流道模具也同樣有效。

3）用CAE軟件結(jié)合合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和研究方法，可以對(duì)單目標(biāo)或多目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化；對(duì)于一些工程中依靠經(jīng)驗(yàn)難以解決的質(zhì)量缺陷，也能通過優(yōu)化，較好地進(jìn)行解決。

4）在實(shí)際注塑成型過程中，優(yōu)化的指標(biāo)較多，數(shù)據(jù)處理量大，且分析方法理論性太強(qiáng)，嚴(yán)重制約了工藝參數(shù)優(yōu)化技術(shù)在注塑成型過程中的應(yīng)用，未來可將數(shù)值模擬與結(jié)果分析都整合到軟件中完成，降低整個(gè)過程對(duì)人員專業(yè)程度的依賴，將帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。