基于Moldflow与正交试验的注塑工艺参数优化设计_王睿鹏

第 10 卷 第 4 期 2011 年 12 月
宁夏工程技术 Ningxia Engineering Technology
文章编号：1671－7244（2011）04－0326－04
Vol．10 No．4 Dec． 2011
基于 Moldflow 与正交试验的注塑 工艺参数优化设计
王睿鹏 1， 孟庆霞 2
表 1 影响因素水平表 因素
水平 A/℃ B/℃ C/s D/(%-s) E/(%-s) F/s G/s
水平 1 230 35 0.7 75-0 65-12 1 10 水平 2 240 50 0.8 80-0 70-12 2 15 水平 3 250 65 0.9 85-0 75-12 3 20
图 2 注塑件有限元网格模型
图 3 构建了浇注系统与冷却系统的分析模型
2.2 正交试验设计 (1) 确定试验目标.试验目标是使最大翘曲变形
量（X1）、体积收缩率变化（X2）和表面缩痕指数（X3） 这 3 个指标的综合性能最优.根据产品的设计要求， 最大翘曲变形量、体积收缩率变化和表面缩痕指数 需满足以下条件：0.3 mm≤X1≤1.5 mm；3.6%≤X2≤ 9%；X3≤1.6%.
(3) 选取正交表.由于正交试验为 7 个因变量， 每个因变量有 3 个取值水平，故可以选取田口型正 交表 L18(37)[6].根据正交表所规定的试验方案来设置 各因素的参数，并在 Moldflow 软件中进行虚拟试验， 并记录下每次试验塑料制品的最大翘曲变形量、体 积收缩率变化和表面缩痕指数这 3 个试验目标数 据，为后续的数据处理做准备. 2.3 试验数据处理
曲变形量、体积收缩率变化和表面缩痕指数分别对
应 i 为 1，2，3）；Xj 为第 j 次试验的综合评分；Xji 为第 j 次试验的第 i 项指标的映射值；xji 为第 j 次试验的 第 i 项指标的试验数据；c 为各个目标指标映射函数
值为 0.5 时的取值；a 用来控制交叉点 xji=c 处的斜 率.各次试验数据及综合评分结果如表 3 所示.
由于试验中所选取的多个试验目标对产品的外 观质量及使用性能的影响程度都有所不同，同时，各
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试验目标的物理意义也不一样，故无法直接将 3 个
试验目标数据进行线性叠加评价.在这里，采用模糊
数学中的隶属函数对试验数据进行映射，将各指标
数据统一映射到[0，1]的模糊隶属度空间，然后根据
综合评分均值
结果的影响程度.极差越大，表明综合指标对该因素 越敏感，该因素为关键因素；极差越小，表明综合指 标对该因素不敏感，该因素为非关键因素.模拟试验 中各因素的极差值如表 4 所示，水平影响趋势如图 5 所示.
60 58 56 54 52 50 48
A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 E1 E2 E3 F1 F2 F3 G1 G2 G3 水平因素
（1）
根据实际评价规则及各目标数据的约束条件，
这里采用 Sigmoid 型隶属函数来实现对各目标的映
射，隶属函数图形如图 4 所示，函数表达如式（2）所 示[7].函数表达式中各参数的取值如表 2 所示.
Xji= 1
.
1+ea（xji-c）
（2）
式（2）中：j 为试验序号；i 为目标指标的序号（最大翘
的结果，经验和反复的试验调整仍然是不可或缺的. 正交试验方法可以在一定程度上减少反复试凑的盲
障，而影响注塑成型的工艺参数非常多，为了减少试 验次数，准确获得各工艺参数对成型质量指标的影
目性，能以较少的试验次数得到相关参数在试验范 围内的最优组合[2].
影响塑件注塑成型质量的因素很多，除了成型 材料自身的性能外，塑件的结构、注射压力、注塑时 间以及浇口形式、流动方向、冷却速度和模具温度等 因素都会对塑件的成型质量产生一定的影响[3].由于 影响注塑产品质量的因素较多，因而，控制注塑成型 工艺过程的参数，以期达到较高注塑产品质量的过 程将是一个多目标优化设计的过程. 为了使影响注
指标在综合评价中的重要程度，再进行百分制加权
综合评分.根据指标对产品质量的影响程度，最大翘
曲变形量、体积收缩率变化和表面缩痕指数的权值
分别为 a1=50，a2=35，a3=15.加权综合评分值 Xj 的计 算如式（1）所示[2].
3
Σ Xj=a1Xj1+a2Xj2+a3Xj3= aiXji . i=1
中图分类号：TH12

文献标志码：A
目前，注射成型在塑料成型方法中的应用最为 塑产品质量的多个指标都达到一个较佳的状态，本
广泛，由于其具有生产效率高、加工适应性强等优 点，因而在汽车、摩托车、家用电器、仪器仪表等行业 中得到了广泛的应用.据统计，注射成型模具约占整 个塑料模具的 90%左右[1].
注射成型工艺参数的合理与否，会对产品质量 起着至关重要的作用. 传统的做法是凭专家经验和 专业知识通过不断试凑的方法实现参数的优化配 置，这种方法不仅费时、成本高，而且过于依赖经验 和以往案例，精确度不高，难以胜任新产品设计、生 产周期短的需求. 有限元数值仿真技术虽然可以用 虚拟试验的方法替代真实的试模验证，降低了试模 成本，对注塑工艺参数的调整也可以提出定性的指 导作用，但这种指导欠缺定量的精度，要想获得较好
a
c
9.000
0.8
2.100
6.0
7.875
0.8
正交试验的最终目的就是要找到各因素以不同 的取值水平进行组合时综合指标的变化规律，以及 能够使综合指标值最优的各因素在不同水平下的组 合.在这里，选用直观分析法对数据进行分析，直观 分析是通过简单计算各因素水平对试验结果的影 响，并用图表形式将这些影响表示出来，再通过极差 分析（找出一组数据中最大值和最小值之差[4）] ，最 终确定出优化的水平搭配方案，以及各因素对试验
评价因子
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 水平因素
图 4 最大翘曲变形量的隶属函数映射图形
表 2 映射函数的参数取值
参数
最大翘曲变形量/mm 体积收缩率变化/%
表面缩痕指数/%
映射函数参数取值
3 结语
本文以模流分析软件 Moldflow 为虚拟试验平 台，采用正交试验法与模糊理论综合评价法相结合 的方法，对光盘盒上盖的注塑成型工艺参数进行了 多目标的优化设计. 由于该方法不必使用具体的试 验设备，并可以通过较少的试验次数得到使综合目 标最优的工艺参数组合方案，故该方法可以极大地 节约试验成本.此外，通过对本次试验数据及影响趋 势图的分析还可以对光盘盒上盖的注塑成型工艺得 出如下结论：
文提出正交试验法与模糊理论综合评价法相结合的 方法，根据各目标值对产品使用性能、外观等方面的 影响程度进行加权综合评分，然后通过极差分析，找 出一组最优的工艺参数.
1 注塑成型工艺参数优化设计方法
1.1 正交试验设计 正交表是根据组合理论，并按照一定规律所制
定的规范化表格，是正交设计的基本工具.而以正交 表为工具安排试验方案和进行结果分析的试验，就 称为正交试验[4].正交试验设计法可以用较少的试验 次数，取得较为准确、可靠的优选结论.由于塑料制 品的外观质量及使用性能主要由注塑成型工艺来保
图 5 水平影响趋势图
2.4 结果分析 根据极差分析法，由表 4 和图 5 可看出，第一段
保压工艺 D 的差值最大，对综合指标的影响也最 大，为主要因素；第二段保压工艺 E 的差值最小，为 次要因素. 因素的重要程度依次为 D，B，C，G，A，F， E.水平影响趋势图 5 中各因素水平的综合评分均值 越高，所组成的工艺方案越好.从图 5 中可以直接看 出，最优的因素水平组合方案是 A2B1C2D3E3F1G2. 表 3 中没有该组合方案，故需要通过试验来验证该因 素组合方案对综合指标的影响程度及变化趋势.在 Moldflow 软件中，对上述工艺参数组合方案进行分 析 后 ，该 方 案 的 最 大 翘 曲 变 形 量 为 0.664 8 mm， 体积收缩率变化为 6.150 5%，表 面缩痕指 数为 0.264 9%，综合评分为 68.113 8.与表 3 中各试验结 果进行对比后可知，该方案的综合评分值超出表 3 中所有试验的综合评分值，表明该方案为各因素在 本试验的取值范围内的最优工艺组合方案.
收稿日期：2011－08－15 作者简介：王睿鹏（1977—），男,工程师, 主要从事 CAD 二次开发研究.
第4期
王睿鹏等：基于 Moldflow 与正交试验的注塑工艺参数优化设计
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缺陷对塑料制品质量的影响程度，从而使塑料制品 的使用性能及外观质量能满足用户需求. 从塑件外 观及使用性能来看，体积收缩率、表面缩痕指数和最 大翘曲变形量这 3 个指标对塑件的质量影响最大， 故本文将对上述 3 个指标进行综合评价，寻求使综 合目标最优的工艺参数组合方案[5]. 1.3 基于正交试验设计的注塑成型工艺参数优化 流程
(2) 确定影响因素及其因素水平.一般来说，对 塑件最大翘曲变形量（X1）、体积收缩率变化（X2）和 表面缩痕指数（X3）这 3 个指标会产生影响的工艺因 素很多.在这里，选取对试验目标影响最大的 7 个因 素，每个因素设置 3 个水平来进行正交试验.这 7 个 因素分别是熔体温度 A、模具温度 B、填充时间 C、 第 1 段保压工艺 D（填充压力百分比与时间）、第 2 段保压工艺 E（填充压力百分比与时间）、第 3 段保 压工艺 F（保压压力递减到 0 MPa 的时间）、冷却时 间 G[2].其中，保压工艺 D、E 和 F 决定了注塑生产中 的保压工艺曲线，保压曲线的设置合理与否会影响 塑件制品的翘曲变形、残余应力等产品质量指标.各 因素水平的取值范围是根据预分析数据来确定的 （表 1）.