注塑工艺设计中模具CAE技术与正交试验的综合应用

颜 伟，胡 勇

YAN Wei1，HU Yong2

（1.四川交通职业技术学院 自动化工程系 数控模具教研室，成都 611130；2.四川理工学院 过程装备与控制工程四川省高校重点实验室，自贡 643000）

0 引言

模具CAE（模具计算机辅助工程分析Computer Aided Engineering）是现代计算机技术在模具设计与制造行业中的应用，可以对已经设计或正在设计的模具进行仿真分析（结构分析、功能分析和制造工艺分析等）；正交试验法是研究与处理多因素试验的一种科学有效的方法,它利用正交表来对复杂的工艺参数进行整体试验设计，通过少数的试验次数找到较好的工艺参数匹配,以达到最高生产工艺效果。注塑成型工艺制订是一个复杂的设计过程，需要若干试验来验证。综合应用模具CAE技术和正交试验方法，可以有效地制定和优化注塑工艺设计方案。

1 技术方案

运用试验设计模块（正交试验法），设计科学的试验方案，用最少的试验来获取响应（试验结果）和因素（温度因素：料筒温度、喷嘴温度和模具温度；压力因素：注塑压力、保压压力和塑化压力；时间因素：注塑时间、保压时间、冷却时间、开模时间、模具结构参数）之间关系的最多信息。试验设计中选择影响实验的主要因素，制定科学的试验方法去指导仿真模拟分析试验。

运用Solid Works、Pro E等三维软件创建CAD三维塑料产品模型；运用注塑模拟分析软件Mo1dflow对注塑成型过程进行仿真模拟分析；预测产品在实际生产过程中可能发生的问题。

运用数据分析处理模块（正交设计软件、MATLAB软件）对仿真模拟分析结果进行处理，建立优化目标与设计变量间的关系。全面考察注射各成型工艺参数（简称因素）、因素之间的交互作用对试验指标的影响依次程度，实现质量的预测功能，得出试验因素的最优组合即注塑工艺参数组合方案。

对试验结果开展极差、方差分析法和回归分析处理，确定出注塑成型工艺优化方案；然后将优化方案运用于实际塑料成型实验，检测实际塑料制品是否符合预期技术质量标准。

1.1 试验设计

试验设计是为Mo1dflow仿真分析设计科学的试验方案，目前多采用正交实验设计法[3]。根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验。正交实验设计内容与步骤为：确定模拟实验目标 →确定影响因素及因素水平→选取合适的正交表 →选取模拟实验模型 →MPI模拟分析 →模拟实验结果数据处理（试验结果极差分析、方差分析）→工艺参数优化。

1.2 仿真模拟分析

仿真模拟分析采用国际主流注塑成型分析软件Mo1dflow。该软件包括三大系列，其中的Mo1dflow Plastics Insight（简称MPI），主要对注塑整个过程进行模拟仿真分析。MPI仿真分析内容与步骤为：1）用软件Solid Works对试验用产品进行三维实体造型；2）转换产品模型的文件格式，将STL层面模型导入到MPI中，对其进行网格划分并修补网格；3）在产品网格模型上构建浇注及冷却系统（用实验模具上已知的尺寸与结构）；4）执行正交实验法确定的试验方案，将注塑工艺参数和条件输入MPI中；5）执行仿真分析，进行完整的充模流动、保压、冷却、翘曲等分析；6）生成该次实验报告；7）再进行4）→5）→6）的循环直到完成正交实验规定的试验。

1.3 实验数据处理与分析

实验数据处理与分析处理是对仿真模拟分析结论进行处理。仿真分析试验后，对获取的各次试验结果进行极差分析、方差分析；确定影响注塑成型试验指标的主、次要因素，各因素对试验指标影响的显著程度，得出试验因素的优水平和最优组合即注塑工艺参数组合方案。

2 基于CAE技术与正交试验的注塑成型工艺设计实例

2.1 模拟实验模型

模拟实验以某塑料杯为模型：材料为高密度聚乙烯，注塑设备为HF-1200注塑机；塑料杯大端直径Φ78mm、高80mm,平 均 壁 厚1.2mm；注塑工艺为一模一型，直接浇口。采用Solid Works软件建立三维实体模型，然后转化为STL文件导入到Moldflow MPI 6.0软件中，生成表面型网格如图1所示，并修补转换过程中损坏的一些面和网格。

图1 塑料杯网格模型

根据CAE试验的定量分析条件，提取翘曲变形值（Y1）、平均体积收缩率（Y2）、残余应力（Y3）为该注塑件质量的主要评价指标。其中平均体积收缩率和残余应力反映制品的性能指标，翘曲变形值反映制品的表面质量。体积收缩率太大会影响制品的尺寸精度；收缩不均匀会导致制品发生翘曲，制品中的残余应力过大会使零件扭曲或过早失效。塑件公差等级为 IT5 级，翘曲变形值（mm）、平均体积收缩率（%）、残余应力（MPa）满足的条件如下：0.45mm≤Y1≤1.15mm；0.50%≤Y2≤1.2%；0≤Y3≤10MPa。

2.2 模拟实验方案设计与试验

模拟实验主要是通过对该模型的成型情况分析，寻找注塑工艺参数的优化方案，实现注塑模优化设计目标预期。本文选取对塑件成型过程影响较大的模具温度℃（A）、熔体温度/℃（B）、冷却时间/s（C）、保压压力/MPa（D）、保压时间/s（E）、注射时间/s（G）以及A与B、B与C的交互作用作为实验因素，每个因素安排3 个水平，因素的水平间距及取值的理想区域确定如表1所示。实验采用L27（313）正交表（表略）。用MPI软件仿真分析，试验表与模型翘曲变形值、体积收缩率、残余应力值数据如表2所示。

表1 试验因素的水平表

表2 各参数取值

2.3 数据的处理

对于模拟实验中提取的三个目标数据（翘曲变形值、平均体积收缩率、残余应力），对制品的重要程度各有侧重，无法直接将进行叠加评价。采用模糊数学中的映射函数进行处理，将各指标值统一映射到[0,1]的数值空间 ,根据指标在综合评价中重要程度的不同 ,采用百分制加权综合评分。

2.4 数据的分析

2.4.1 极差法分析各因素对试验结果的重要依次程度

极差是指一组数据中最大值和最小值之差，极差值越大，表示该因素对指标的影响程度越大，该因素越关键；极差值越小，表示影响程度越不显著，因素重要程度越一般。对实验采用的L27（313）正交表获得的实验指标（综合评分结果）进行极差法分析，可得翘曲变形极差分析表3。从表3可直观地看出因素中熔体温度D 的极差值最大，是最关键工艺因素。因素的重要程度依次是B、E、C、D、G、A；该模型的优水平组合是A3B3C1D3E3G2；但表3中各因素与A×B 、B×C的交互作用显著性还待方差法分析确定。

2.4.2 方差法分析各因素对试验结果的影响程度

对实验采用的L27（313）正交表获得的实验指标（综合评分结果）进行方差法分析，可考察各因素对试验结果的影响程度（如表4所示），因素B、C、E的F因数＞F0.01（2，20）= 6.01，对试验结果的影响高度显著；因素D 的F因数＞F0.05（2.16）= 3.55，影响显著；A、D、 G、B×C及A×B交互作用对试验结果无影响。

表3 翘曲变形极差分析表

表4 翘曲变形方差分析表

最终确定其优水平组合是A3B3C1D3E3G2。通过仿真分析，翘曲变形值0.661mm、平均体积收缩率0.752%、残余应力8.645 MPa、综合评分结果96.671，该方案为最佳工艺组合方案。

3 基于优化工艺方案的实际注塑实验

为验证上述分析的准确性，对优水平组合A3B3C1D3E3G2进行注塑实际实验（实际注塑过程在此不详述）。实际实验结果与模拟实验数据吻合，塑料制品技术质量指标符合预期。

4 结论

基于正交试验法设计恰当的试验方案,并综合应用Moldflow软件、极差法、方差法分析的试验结果,可以观察到工艺参数以及工艺参数间的交互作用对试验结果的影响，判定出试验的准确程度，确定出优化的工艺参数组合。在本研究中，按照系统工程的理念，把原来彼此独立的产品CAD设计、产品CAE工程分析、正交实验及其数据处理等技术，系统考虑和综合应用，有效地优化了工艺参数方案，可以缩短模具设计周期、提高模具设计质量、降低模具制造成本。本研究为注塑成型工艺方案的优化及模具设计提供了一种可行技术路线。

[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 ,龚惠玲 ,刘红.基于正交试验法的注塑工艺多目标优化设计[J]．浙江工业大学学报，2007，6：308-312.

[3]胡勇等.《塑料成型模具》实验课程内容与方法的创新实践[J].实验技术与管理.2010，27（5）：87-89

[4]刘琼.塑料注射Moldflow实用教程[M].北京：机械工业出版社，2008.