基于moldflow的注塑成型模糊控制分析

0指導的局限性在塑料形成過程中，工藝條件對產品質量的影響存在許多非線性因素。這是精細形成過程中工藝優化和質量控制的難點。傳統的試模方法不僅費時、成本高,而且過于依賴經驗和以往案例,精確度不高,難以勝任新產品投產周期短的要求。數值仿真雖然可以降低試模的成本,也可對工藝調整做出定性指導,但這種指導缺乏定量的精度,要想獲得好的結果,經驗和反復的試驗調整仍是必需的。試驗設計方法在一定程度上可以減少反復試湊的盲目性,能以較少的試驗次數得到試驗范圍內較優的工藝組合。翹曲變形、收縮、飛邊、熔接痕和尺寸變化等缺陷是塑料產品注塑成型中最常見的缺陷。引起這些缺陷的因素很多,除了成型材料自身的性能外,塑件的形狀、壁厚、注射壓力、注射時間以及澆口形式、流動方向、冷卻速度和模具溫度等因素對塑件的成型收縮都會產生一定的影響。模具溫度、熔體溫度、填充時間、保壓和冷卻等參數對產品的表面縮痕、翹曲等缺陷產生或多或少的影響。由于評定注塑產品質量的指標很多,僅僅優化一個目標值很難獲得最優的工藝方案。為了使產品的各指標都達到一個理想的狀態,本文提出正交試驗法和模糊數學的綜合評判法相結合的方法,根據各目標值對產品外觀、應用等方面影響的重要程度,進行加權綜合評分,然后通過極差分析,確定各因素及各因素的水平對綜合值的影響程度,找出一組最優的工藝參數。1優化輸入工藝參數的設計方法1.1設計配方標準正交試驗設計是利用規格化的正交表,恰當地設計出試驗方案和有效地分析試驗結果,提出最優配方和工藝條件,進而設計出可能更優秀的試驗方案的一種科學方法。注塑工藝是一個復雜的過程,影響塑件的工藝參數很多,為了減少試驗次數,同時獲得足夠的參數,模擬試驗采用正交試驗法,通過分析試驗結果,提出最優的注塑工藝條件。1.2模具產品的縮痕指數對于某些注塑產品,翹曲、收縮、表面沉降、飛邊和尺寸變化等缺陷是一些無法徹底消除的問題,只能通過對工藝參數的優化,減輕塑件的這些缺陷,從而滿足塑件的設計要求。體積收縮率是聚合物材料線收縮率的定性表示,如果材料收縮是各向同性的,線收縮率近似等于體積收縮率的1/3。成型過程中制品在型腔中非均勻的體積收縮率是引起制品翹曲的主要原因。型腔中制品的體積收縮率變化(體積收縮率的最大值與最小值的差值)越小越好,即制品的體積收縮率越均勻越好。縮痕指數反映制品的表面質量。沉降斑被視為制品表面質量的退化。縮痕指數用于說明縮痕深度受制品材料及幾何特征、充模成型條件影響的嚴重程度。翹曲變形是指注塑制品從型腔脫模后由于制品內殘余應力的存在而使制品的形狀產生變形,它是注塑制品最常見的缺陷之一。如果注塑制品結構中壁厚不均和不對稱,澆口位置、流道系統和冷卻系統設計不當,或成型工藝參數不合理等均會使注塑制品收縮不均而產生翹曲變形。本文針對體積收縮率變化、表面縮痕指數和最大翹曲變形量三個指標的綜合值,討論如何使綜合指標達到最優的工藝參數組合。1.3模擬分析流程試驗采用正交試驗設計法,運用模流分析軟件Moldflow進行模擬分析,對得到的結果進行數據處理,以達到優化的目的,具體流程如圖1所示。2優化輸入工藝參數設計2.1moldwell網格劃分需要優化的產品為一辦公用品文件盤,尺寸為117.47mm×60.33mm×33.34mm,厚度為1.52mm,材料選用韓國Kumho化學公司的ABS塑料,牌號為750。制品模型如圖2所示。在Moldflow分析中,網格質量的好壞對分析結果有很大的影響,因此為保證本產品在Moldflow中劃分的網格質量良好,在UG中將產品的小圓角和小特征去掉(在Fusion類型分析中,這種簡化對結果的影響很小),然后生成STL格式文件導入Moldflow中,以Fusion類型劃分網格。產品劃分網格后網格體積為26.0725cm3。網格面積為346.339cm2。共劃分三角形網格6746個,如圖3所示,網格邊長為3.89mm,三角形平均縱橫比為2.362,匹配百分比為91.4%。為了確保正交試驗設計能得到最優解,需要確定因素水平的范圍,因此對圖3所示網格模型分別進行澆口位置分析、成型窗口分析和填充分析,建立澆注系統和冷卻系統,然后再進行流動分析和冷卻分析,最終使創建的澆注系統和冷卻系統符合基本要求,并確定各因素的選擇范圍。建立的試驗模型如圖4所示,注塑機機型為Magna250-a45(303g/110z)。2.2模型建立與權值分配分析的目標是確定體積收縮率變化(Y1)、表面縮痕指數(Y2)和最大翹曲變形量(Y3)三個指標的綜合值。為保證產品外觀質量和使用要求,體積收縮率變化、表面縮痕指數和最大翹曲變形量必須滿足以下條件:4.4%≤Y1≤6.8%;Y2≤5.4%;0.4mm≤Y3≤1.3mm。影響注塑成型質量的因素很多,選取對注塑成型過程影響較大的7個因素,每個因素安排3個水平。因素分別為模具溫度A,熔體溫度B,填充時間C,第一段保壓工藝D(填充壓力百分比與時間),第二段保壓工藝E(填充壓力百分比與時間),第三段保壓工藝F(保壓壓力遞減到0MPa的時間),冷卻時間G。其中保壓曲線為分段設置,以期得到更好的產品質量。保壓時間范圍的選取是根據建立試驗模型所做分析時澆口的冷卻時間確定的。因素水平如表1所示。根據7因素3水平,選取田口型正交表L18(37)。根據正交表所規定的試驗方案,經過Moldflow的分析,提取出產品的體積收縮率變化、表面縮痕指數和翹曲變形量的數據。模擬試驗所選取的目標指標對產品質量的影響程度各有側重,同時各指標的量綱并不一致,為兼顧各個指標,有必要建立一個使各個指標都盡可能好的綜合評判方法,從而將多目標問題轉化為單目標,實現多目標問題的綜合優化。因此,采用模糊數學中的映射函數進行處理,將各個指標值統一映射到[0,1]的數值空間中,結合加權評分法,在模糊處理的基礎上再對權值進行分配。權值分配根據正交試驗分析結果和指標對制品綜合質量的影響程度,按百分制加權,體積收縮率變化、表面縮痕指數和翹曲變形量的權值分別為b1=40,b2=20,b3=40。加權綜合評分值Yj的計算公式如下:Yj=b1Yj1+b2Yj2+b3Yj3=3∑i=1biYji(1)Yj=b1Yj1+b2Yj2+b3Yj3=∑i=13biYji(1)根據各目標的約束條件,采用S型分布的映射函數來實現對各目標的映射,函數式如式(2)所示。函數的各參數取值如表2所示。Yji={1xji＜c1-2(xji-ca-c)2c≤xji≤b(xji-ca-c)2b≤xji＜a0xji≥a(2)式中:j為試驗號;i為目標指標,體積收縮率變化、表面縮痕指數和最大翹曲變形量的i分別為1,2,3。Yj為第j次試驗的綜合評分;Yji為第j次試驗的第i項指標的映射值;xji為第j次試驗的第i項指標的實驗值;a、b、c分別為各個目標指標映射函數的邊界點取值。綜合評分結果見表3。為得到各因素與指標的關系,找出指標隨因素變化的規律和趨勢,尋求各因素水平的最佳搭配,采用直觀分析法,即計算出各因素在各水平上的平均值和極差。極差是指一組數據中最大值和最小值之差,差值越大,表示該因素對指標的影響程度越大,該因素越關鍵;差值越小,表示影響程度越不顯著,因素重要程度一般。試驗中各因素的差值見表4。水平影響趨勢如圖5所示。2.4工藝模型的建立及驗證根據極差分析法,由表4和圖5可直觀地觀察出,熔體溫度B的差值最大,對綜合評分的影響較大,為主要因素。模具溫度A的差值最小,為次要因素。因素的重要程度依次為B、D、C、G、E、F、A。水平影響趨勢圖5中各因素水平的綜合評分值越高,所組成的工藝方案越好。由圖5得最優的因素水平組合方案是A3B1C3D3E1F2G3。表3中沒有相應的組合方案,因此需要通過試驗進行驗證。經過Moldflow分析后,該方案的體積收縮率變化為4.9593%,表面縮痕指數為3.695%,最大翹曲變形量為0.7066mm,綜合評分為70.448。與表3進行比較可知,該方案的綜合評分最高,表明該方案為最優工藝組合方案。3試驗結果分析試驗證明,采用注塑成型分析軟件Moldflow,結合正交試驗設計以及運用綜合評判法,可以對注塑成型工藝參數進行多目標優化設計,能夠得到一組綜合評分最高的工藝參數組合,證明這種方法是切實可行的。另外,通過對試驗結果水平影響趨勢圖的分析可知,對本產品來說,熔體溫度不能過高,