基于响应面方法的注塑件翘曲变形优化策略

孙大辉

珠海格力精密模具有限公司 广东 珠海 519000

1 注塑件翘曲变形分析

目前，注塑制品之中最为常见的质量问题之一就是翘曲变形，翘曲变形会导致制品结构发生十分严重的尺寸误差与形状误差，这势必会影响到制品的内部品质。出现翘曲变形的主要因素就在于注塑制品在垂直与平行在流动方向之上的分子或者是纤维取向不一致，引发制作过程之中出现不均匀冷却、不均匀取向与不均匀收缩。在计算机发展与人们对于传热学、聚合物加工流变学、流体力学与计算力学等各项学科进行分析研究，运用有限元技术为主的注塑成型数值模拟技术来改善该种情况，并且提供诸多全新的方式。

翘曲变形，实质上指的就是注塑制品的形状与模具型腔的形状发生了偏离，其是塑料制品之中最为常见的质量缺陷。翘曲变形主要可以分为非稳定翘曲与稳定翘曲。在这之中非稳定翘曲为因为平面应变过大而使得制品发生弯曲的现象；稳定翘曲则指的是翘曲变形和收缩应之间成正比。

2 分析模型的建立

运用UG等3D造型软件来将塑件的三维模型构建出来，之后再运用STL文件格式导入到Moldflow软件实施“填充+保压+翘曲”分析，最终来获取到注塑件在各项不同工艺参数之下的翘曲变形量。Moldflow软件，这是运用一套来进行模拟、分析、优化与验证塑料零件与磨具设计的工具，其优势体现在方便使用、功能性强之上，可以运用模拟9个独特的成型工艺，这是一个提供深入塑件与模具设计分析的软件包，其功能主要体现在项目管理功能、可视化功能、分析功能。

该模型是薄壳类手机上壳注塑件，外形尺寸是150.0 mm×83.0 mm×8.0mm，平均壁厚是2.0mm，所运用的材料为丙烯腈/丁二烯/苯乙烯树脂(ABS)。那么设定的第1弹性模量E1是9200，相应的第2弹性模量E2是5654，泊松比v23是0.66、泊松比v12是0.42，GlassFiber的密度就是2.63g/cm3。

3 基于响应面方法的注塑件翘曲变形优化策略

某公司所生产的薄壳类手机上壳注塑件，其外形尺寸是150.0 mm×83.0 mm×8.0 mm，平均壁厚为2.0 mm，所运用到的材料是丙烯腈/丁二烯/苯乙烯树脂(ABS)。

手机上壳主视图、左视图及主要尺寸，见图1。规定该手机上壳与下壳自然装配间隙不能超过0.5 mm，但在实际产中由于上壳发生了翘曲变形，使上、下壳不能自然装配，因此，需要对上壳进行翘曲变形优化。

图1 手机上壳主要尺寸(单位：mm)

3.1 正交试验方案及仿真试验 保压压力、熔体时间、保压时间、磨具温度，这些都是影响翘曲变形的因素来进行正交试验。假使各个因子之间是相互独立的，并没有交互的作用。依照正交试验的设计原则与约束条件，来设置表1的正交试验，运用Moldflow软件实施27次CAE模拟试验，从而得到相应的翘曲变形值。之后运用均值分析方式与方差分析方式来分析研究翘曲变形值，从而得到影响手机上壳翘曲变形的关键艺术。

以上试验充分的表明，注射时间、溶体温度和手机上壳翘曲变形影响十分明显、模具温度、保压时间与保压压力方面的影响不明显，从而这也更好的为优化注塑工艺打下坚实的基础。

表1 正交试验因素水平

3.2 拉丁方试验设计 拉丁方试验设计(L HD)，实质上就是一类研究因素设计的方式，其主要特征主要体现在均衡性能好、效率高等之上。运用有限元仿真与数理统计，相应的也得到影响手机上壳的关键因素为注射时间(x2)与熔体温度(x1)，实际在该实验的设计区间之内，建立在拉丁方试验设计，相应的就可以得到拟合响应曲面的40个点的拉丁采样分布情况，见图2。

图2 拉丁方抽样点分布

3.3 基于移动最小二乘法拟合响应曲面 依照图3所示的响应曲面去，其直接性的将设计变量对于最大翘曲变形量方面的影响反馈出来。那么在各个变量的取值范围之内，加大熔体温度相应的就会使得最大翘曲变形量降低，然而温度过大就会促使塑料出现热分解的情况，过小则会引发熔融不够的现象。从整体情况来进行分析，加大溶体温度可以显著的改善充模的现象，减小分子的取向性，减小翘曲出现变形的可能性，加大制品的综合性。

图3 最大翘曲变形量的响应曲面模型

3.4 粒子群寻优法优化注塑成型工艺 粒子群寻优法(PSO)的优势主要体现具备较强的通用性之上，在针对不连续、不可微、多变量、非线性方面的优势更为显著。运用粒子群寻优法来针对相应曲面模型来实施全方位的寻优，随即就可以得到共优化工艺参数方面问题的最优解释。迭代15次就可以实现收敛，从而得到最小翘曲变形值是0.5458 mm，与之相对应的溶体温度可以实现270℃，注射的时间则是2.5s，具体情况见图4。

图4 PSO寻优收敛结果

优化之后的工艺参数在经过有限元分析之后，随即得到手机上壳的最小翘曲变形量在0.557 9 mm，这和优化之前的翘曲变形量0.862 9 mm对比之下，翘曲变形量则直接性的减小了35.3%。

总之，目前在塑料科技高速发展的形势之下，注塑产品的质量得到了显著的提升，从而促使其在制药、汽车、计算机、通信与的电子行业得到了极为宽泛的运用。但是近些年来，人们对于环保方面的意识的逐步提升，绿色和节能已经发展成为新型化产品与制造的关键所在，相应的也会提升注塑制品的性能、质量与重量方面的标准。因此，本文的研究也就显得十分的有意义。