基于DOE法的注塑成型工艺仿真优化.docx

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基于DOE法的注塑成型工艺仿真优化

摘要

注塑成型制品质量操纵方面存在的困难要紧来源于力学的复杂性和在温度、压力波动下材料行为的不可预测性，研究工艺参数对注塑制品质量的阻碍关系，成立工艺参数与制品质量之间的关系模型，并用DOE法对工艺进行仿真优化是注塑制品工艺优化的前提。

本文选用半结晶型和无定型ABS两种材料，针对一维流动平板两个方向上的收缩、强度，熔接线强度、制品重量及沉降斑等质量指标进行了实验研究。

研究了工艺参数对证量指标的阻碍及因素之间的交互作用。

本文要紧工作包括以下几方面:

1工艺参数对制品质量的交互阻碍分析；2应用DOE法结合析因分析结果；技术结合DOE法进行设计，并用MOLDFLOW进行仿真分析，为质量操纵技术提供了工艺模型。

关键词:

注塑成型，正交实验，Moldflow，三维建模，工艺仿真优化，实验设计

Abstract

Qualitycontrolofinjectionmoldingproducts,mainlydifficultiesfromthatexistinthecomplexityofprocessdynamicsandinthetemperatureandpressurefluctuationsunpredictablebehaviorofmaterials,ofprocessparametersonproductqualityofinjectionmoldingbetweentherelationship，DOEmethodwithsimulationandoptimizationtechnologyofinjectionmoldingproducts,processoptimizationisaprerequisite.

Semi-crystallineandamorphousABSweusdinthispaper，Foraflatthattwo-dimensionalflowdirectionshrinkage,strength,weldlinestrength,weightandsinkmarksandotherproducts,thequalityindicatorsstudied.Inthispaper,includethefollowing：

1.Processparametersonproductqualityofinteractionanalysis；2.ApplicationofDOEmethodwiththeresultsoffactorialanalysis；3.CAEdesignmethodcombinedwithDOE，SimulationandanalysiswithMOLDFLOW，qualitycontroltechnologyprovidesfortheprocessmodel.

Keywords：

InjectionMolding，Orthogonal,Moldflow，Three-dimensionalmodeling，Processsimulationandoptimization，designofexperiment.

1.绪论

引言

随着科学技术水平的不断提高和加工方式的改良，塑料这一20世纪才进展起来的新材料已经在咱们的日常生活中占据了重要的地位，成为国民经济中不可缺少的一部份。

塑料成型技术是指把粉、粒料或液状树脂及添加剂等原料加工成具有必然利用价值的制品的一种技术。

塑料制品性能的好坏及规格多少与成型技术密不可分。

注射成型又称注射模塑或注塑，是塑料加工中重要的成型方式之一，其技术已进展的相当做熟，且应用超级普遍，注塑制品已占据塑料制品总量的30%以上，在国民经济的许多领域有着普遍的应用。

注塑成型工艺进程简介

注塑成型加工进程是一个循环的周期进程，一样包括三个时期，即注射时期、保压及压实时期、固化及冷却时期。

注塑成型进程如图1-1所示。

图1-1注塑成型进程

注塑成型加工进程从聚合物颗粒通过料斗进入螺杆开始。

第一聚合物颗粒在转动螺杆的输送作用下不断沿螺槽方向向前运动，同时转动的螺杆把机械能转化为热能，使聚合物颗粒取得软化和熔解。

聚合物材料在螺杆剪切热与料筒外部热源的作用下专门快塑化并熔融，转变成粘流体并存贮在料筒前端的区域（即存料区）。

与此同时，存料区中的熔体具有必然的压力，当熔体压力大于螺杆后退所要克服的阻力时，螺杆开始一边转动一边向后移动。

直到螺杆碰着行程开关为止。

这一整个进程称为塑化进程。

尔后有一螺杆的静止时期，然后随着螺杆向前运动，熔化的物料通过喷嘴一模具浇道一成型模腔系统

的通道，将螺杆头部的塑料熔体注入模具型腔中。

这一进程称为注射进程。

在注射进程中，塑料熔体轴向移动是由螺杆注射速度操纵的。

注射一终止，由于熔体和模具的热传导，型腔内的熔体开始固化。

由于固化和冷却的作用，制品会发生收缩，因此为了补充收缩必需在必然的压力作用下，补充物料，这一进程称为压实一保压进程。

在这一时期，螺杆移动很慢，压力能够进行转变操纵。

通过一些冷却介质（一般是冷却水）的流通，热量持续的从模具中通过模具内的钻孔散出，最终制件取得固化。

这确实是冷却进程。

在冷却进程中，在螺杆内同时发生了塑化进程。

最后，通过一个排出装置把制件从模具中分离出来（或用手动的方式）。

这时，一个循环进程终止，一个新的循环进程又开始了。

从注塑成型加工的周期进程中，能够看到，螺杆在塑化和注射时，均要发生轴向位移，同时螺杆又处于时转时停的间歇式工作状态，因此形成了螺杆塑化进程的非稳固性。

螺杆在不同时期的运动如图1-2所示。

图1-2往复式螺杆的动作顺序

A）注射、压实及保压时期：

螺杆轴向向前移动；

B）塑化时期：

螺杆一边转动一边后退；

C）停留时期：

螺杆处于静止状态

注塑成型工艺的进展趋势

注塑成型技术已是一项比较成熟的技术，可是随着注塑制品在家电、汽车等高科技领域的应用，对制品的质量、性能及产品更新换代提出了更高的要求。

高质量高精度高灵敏度的严格要求成为阻止塑料制品快速进入这些高尖领域的限制和束缚。

注塑成型是一个多变量的进程，在注塑成型进程中，阻碍制品质量的因素能够分为四类:

机械参数、材料参数、工艺参数和扰动。

其中机械参数同注塑成型机直接相关用以表征机械的机械特点，它包括:

料筒温度、喷嘴温度、液压系统背压、螺杆旋转速度、模具温度及注塑机和模具的几何特点等。

材料参数为注塑材料的一些典型特点，一样由材料供给商提供，包括材料的流变性能、热物理性能（包括密度、分子组成、分子量、比热和热传导率等等）。

工艺参数反映了成型进程中材料的状态，受机械参数、材料参数的阻碍，注塑成型进程中的典型工艺参数有:

熔体温度、熔体压力及它们在型腔中的散布、熔体注射速度、模具内的热流散布等等。

固然，这些参数尽管被划分在不同的范围内，可是彼此之间有着紧密关系，相互产生阻碍。

机械参数、材料参数决定了工艺参数。

对工艺参数的要求，直接阻碍到机械参数、材料参数的选取，从而确信出相应的注塑机和对应材料。

由于复杂的动态工艺及材料特性，使得注塑技术难以预测及操纵制件的质量。

因此，如何提高注塑制品质量和性能成为该领域的重要研究课题。

注塑成型是复杂的多变量、非线性且具有周期性的非稳态进程。

成型进程中聚合物在型腔中的状态如压力、

温度、形态等直接决定了制品的质量，因此如何实现机械设置参数和熔体状态参数之间的闭环操纵成为注塑成型技术的研究热点，该技术的实现将会提高制品质量。

状态变量为机械输入和最终制品质量属性的中间变量，实现注塑成型的精准操纵的最大困难在于机械输入和状态变量之间的关系模型与状态变量和制品质量属性之间的关系模型未知。

温度和压力为两个要紧状态变量，目前的状态变量监控研究要紧集中在温度和压力的监控上，也有关于熔体豁度的监控。

初期的状态操纵要紧针对单个变量，选用对整个成型周期或对某个时期阻碍最大的工艺参数，例如熔体温度或型腔压力，或针对某个特定目标选择单个工艺参数作为操纵变量，而不考虑工艺参数之间的彼此阻碍。

注塑成型进程中各个工艺参数之间的阻碍程度相当大，操纵单一变量很容易使对整个成型进程的操纵失去平稳。

研究者们慢慢将研究重点放在了多变量的操纵方式上，同时选用对某个时期或整个成型周期阻碍较大的几个参数，并尽可能的考虑到所选操纵变量之间的彼此阻碍。

注塑成型操纵整体结构如图1-3，整个操纵系统包括了三层操纵。

内环提供对机械参数的操纵，如料筒温度、背压、螺杆转速、模具温度等，内环操纵一样由机械供给商提供;中间环包括对重要进程参数的闭环操纵，由于注塑进程具有时变、非线性、模型结构不确信等特性，因此给注塑进程操纵带来必然的困难，但通过引入自适应操纵、预测操纵和智能操纵等操纵方式，最近几年来的研究己大体解决了这方面的问题。

外环那么提供对注塑件的质量操纵，在该层次的操纵中，通过上一周期制品质量反馈，调剂机械设置以便下个成型周期取得更好的制品质量。

图1-3注塑成型操纵系统总图

质量操纵的要紧困难有两方面，其一质量的在线检测存在专门大的困难，因为判定制品质量（如检查表面质量和测量尺寸等）需要很长时刻，而在线测量需要在短时刻内快速判定制品质量。

其二注塑进程条件和质量之间的关系复杂，没有现成的工艺模型。

注塑成型工艺优化国内外研究概况

近几年，将优化算法与数值模拟结合自动优化模具设计的研究取得普遍重视。

在工艺设置和调剂方面，目前仅限于应用以E分析代替试模来反复验证工艺设置是不是适合，这种方式只能使工艺调剂到无明显制品缺点的工艺条件，而很难达到最优工艺设置。

而且，关于大型复杂的制品，由于工艺模型及几何模型的复杂性，CAE分析时刻较长，限制了其在工艺优化及操纵方面的应用。

Huaye基于商业化CAE软件CMOLD，别离采纳模拟退火法和遗传算法实现了注塑成型工艺优化，使制品质量取得极大的改善。

2001年王德翔等研究了作为基于知识的注塑模CAE系统的有机组成部份，采纳人工神经网络作为工艺参数优化系统的核心技术，通过成立压力温度网络模型，成功地模拟了注塑成型进程中对成型质量有重要阻碍的关键参数，设计合理的优化策略，快速有效地将最优的工艺参数提供给用户。

2002郑州大学国家橡塑模具中心王利霞基于数值模拟技术，研究了注塑工艺优化及制品制品质量闭环操纵的理论方式。

在利用工艺模型静态确信了工艺参数最优值以后，对注塑成型进程进行闭环操纵，利用在线测量值与当前工艺参数最优值之间的误差进行调剂以维持各个工艺参数值的相对稳固，同时，运算机还依照在线测量值对当前工艺参数最优值进行适当调整，使静态工艺参数最优值变成动态工艺参数最优值，实现了真正意义上的工艺参数最优值。

，等应用ANN技术成立工艺参数和制品质量指标之间的神经网络关系模型，并采纳自适应优化算法优化工艺参数。

最近几年来，研究者们采纳多种方式对工艺优化进行了研究。

由于实际实验中，制品质量指标与工艺参数之间的关系复杂，难以给出确信的表达式，实验设计法成为研究工艺参数对制品质量指标的阻碍、优化工艺的要紧方式之一。

Liullsl采纳正交实验设计法，对熔接线的强度进行了研究。

Malguarneral’“考察了熔体温度、模具温度、注射速度、注射压力对一样商用PS、耐冲击PS，即等热塑性塑料熔接线拉伸强度的阻碍，以为关于玻璃化聚合物和表现出屈服的无定型聚合物，熔体温度和模具温度是阻碍熔接线拉伸屈服强度的要紧因素，而注射速度和注射压力阻碍不大。

同年，Malguarneral’7]又观看了4种即树脂熔接区域的微观结构，发觉提高熔体温度和模具温度能够改善熔接线屈服强度，提高注射速度也能够改善熔接线的屈服强度，但阻碍程度要比熔体温度和模具温度小得多