注塑成型CAE分析与工艺参数优化研究进展_吴光辉.pdf

SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.1 Jan.2023，Total No.348注塑成型 CAE分析与工艺参数优化研究进展收稿日期：20220526；修回日期：20220628作者简介：吴光辉（1979），男，湖南涟源人，硕士，副教授，主要从事材料成型研究，E-mail：。吴光辉摘要：为了通过注塑成型得到具有优越的强重比和低廉的价格、在工程中有无可替代作用的塑料件并提高其质量，本文简要介绍了研究背景和参数优化分析软件，针对注塑成型的数值模拟及其研究方法，查阅了 14 篇中外文献，综述了注塑成型工艺参数优化的研究进展，并总结了模流分析软件和工艺参数优化的效果。关键词：注塑成型；模具；CAE；Moldflow；参数优化中图分类号：TQ320.66；TG76；TP391.7文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2023.01.126（娄底职业技术学院机电工程学院，湖南娄底417000）文章编号：1674-9146（2023）01126021研究背景塑料件（塑件）以其优越的强重比和低廉的价格，在工程中有无可替代的作用，注塑成型是塑料成型、塑件生产的主要工艺方法。注塑产品的质量，除与模具设计的科学性、模具制造的精度等相关外，还与时间、温度和压力参数的设置密切相关，过去对于注塑成型工艺参数的选择，主要是靠现场工程师的个人经验，结合反复的注塑试验去调整，属于试错法，存在耗时长、可靠性不高等不足。在现代模具生产中，随着计算机技术的不断发展和有限元分析技术的普及，已经可以采用计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技术对注塑成型的过程进行数值模拟，然后利用相关数学方法对仿真结果进行分析，并针对设定的单一或多个质量指标，优化注塑成型的工艺参数（组）。相较于传统试错法，采用 CAE 技术的方法能快速地找到合理的参数，并克服经验的束缚1。2参数优化分析软件目 前，市 场 上 的 注 塑 CAE 分 析 软 件 有Moldflow、Moldex3D、Moldex 和 HSCAE 等。以中国知网期刊数据库为样本，自 2018 年以来，以“Moldflow”为关键词的研究论文有 486 篇，题目中含“Moldflow”的有 233 篇；以“Moldex3D”为关键词的研究论文有 31 篇，题目中含“Moldex3D”的有 20 篇；以“Moldex”为关键词的研究论文有26 篇，题 目 中 含“Moldex”的 有 21 篇；以“HSCAE”为关键词的研究论文有 3 篇，题目中含“HSCAE”的有 2 篇，其中，HSCAE 是华中科技大学塑性成型模拟及模具技术国家重点实验室推出的商品化塑料注射成型过程集成化仿真系统。从研究数据来看，国内学者们主要是以 Moldflow 软件作为应用和研究对象。3注塑成型工艺参数优化的研究进展王哲2以汽车内饰 B 柱塑件为研究对象，设计了一模两腔热流道模具，利用 CAE 软件分析时间、压力和浇口位置等参数，求解最优参数组合，并利用优化的浇口位置，实现了注塑时序的分配。巫兴悦等3利用 Moldflow 软件对某微泵泵体进行 CAE 分析，设计基于信噪比的 4 因素 4 水平正交试验，结合灰色关联度和均值极差法对试验结果进行分析，优化了模具温度、熔体温度、注射速度和保压压力等参数，从而将泵体的翘曲变形量控制在 0.079 5 mm，达到了预期的质量要求。丁文敏等4以某型号电连接器为实例，分析其结构特点，利用模流分析软件和正交试验法，得出熔体温度是影响塑件翘曲变形主要因素，并对优化后的工艺参数进行验证，证明了分析的可靠性。邱彤等5以体积收缩率和翘曲变形量为优化目标，用 Moldflow 软件对透镜的注塑压缩成型过程进行数值模拟，并对比了两种研究方法对于多目标优化的可靠性，一是正交试验法与综合平衡法结合方法，二是响应曲面法试验与响应优化器求解方法，获取两组最优参数组合，通过成型实验验证响应曲面法对多目标工艺参数优化更具有可行性。胡邓平等6等利用 Moldflow 软件，结合正交试验和极差分析法，以注射时间、模具温度、熔体温应用 技 术Applied Technology-126-2023 年 1 月总第 348 期度、相对保压压力、保压时间为设计变量，对注塑件进行数值模拟和参数优化，顺利解决了带有网格的框形薄壁容易出现缩痕缺陷的问题。Hasan Oktem 等7以某薄壳注塑件为研究对象，运用 Moldflow 软件和田口（Taguchi）方法设计试验方案进行模拟与仿真，研究得出了工艺参数对薄壳注塑件翘曲变形的影响规律，获取了最佳工艺参数组合并在注塑机上进行了验证。因薄壁件的质量控制较为复杂，研究者也比较多，在 Hasan Oktem 等7的基础上，恽志东等8也运用 Moldflow 软件对某薄壁面板的注塑成型过程进行了研究，针对薄壁件易产生熔接痕、翘曲变形和气穴等缺陷的特点，研究了其影响因素和影响规律，并利用获得的最优参数组合控制了产品成型缺陷。王小明等9以由聚丙烯（Polypropylene，PP）注塑成型的车用仪表板装饰盖为研究对象，针对其翘曲变形缺陷进行数值模拟和研究分析。得出了影响装饰盖翘曲变形的显著因素，同时就各参数在注塑成型过程中对翘曲变形的影响规律进行了研究和总结，并对规律的有效性进行了验证。熊爱华等10以聚丙烯（PP）及其玻璃纤维增强复合材料为研究对象，运用 Moldflow 软件，以模具温度、玻璃纤维含量等为因素，以翘曲变形为质量指标进行正交试验设计，经数值模拟与仿真分析，得出了玻璃纤维含量对注射压力和翘曲变形的影响的关系曲线。吴光辉11以一款塑料按键手机的面壳作为研究对象，以缩痕指数和翘曲变形量为质量指标，运用正交试验设计方法，选取充模时间、模具温度、保压时间、熔料温度、保压压力和冷却时间 6 个参数作为试验因素，首先运用 Moldflow 软件对试验工艺参数组进行了数值模拟，其次用极差分析法和综合平衡法求得工艺参数的最优组合，最后在某卧式曲肘注塑设备上对结果进行了验证。Hamdy Hassan 等12就注塑模冷却系统对塑件收缩率的影响规律进行了研究，研究表明，在工艺参数不变的情况下，一些影响模具温度的因素（如冷却系统的布置、冷却水的温度与流量等）对注塑件的体积收缩率有较为显著的影响。Mirigul Altan13运用田口（Taguchi）方法和方差分析法，分别对聚丙烯（PP）和聚苯乙烯的注塑过程进行了数值模拟与仿真分析。得出了影响两种材料体积收缩率的显著因素：影响聚丙烯（PP）体积收缩率的显著因素为保压压力；影响聚苯乙烯体积收缩率的显著因素为熔体温度。还用神经网络技术对产品的体积收缩率进行了准确预测。Nik Mizamzul Mehat 等14运用正交试验方法对聚丙烯（PP）的注塑成型进行数值模拟仿真，并对注塑件的力学性能进行分析研究，结果表明，用含有25%回收聚丙烯（PP）的原材料进行注塑，能明显提升注塑件的弯曲性能，对原材料的充分利用有显著效益。4结论1）用于模流分析的软件比较多，工程中应用最为广泛的还是 Moldflow 软件。2）用 CAE 软件分析，既可以优化注塑机内的工艺参数，又可以优化模具内的工艺参数；既可以用于注塑成型，又可以用于压缩成型，对于热流道模具也同样有效。3）用 CAE 软件结合合理的实验设计和研究方法，可以对单目标或多目标进行优化；对于一些工程中依靠经验难以解决的质量缺陷，也能通过优化，较好地进行解决。4）在实际注塑成型过程中，优化的指标较多，数据处理量大，且分析方法理论性太强，严重制约了工艺参数优化技术在注塑成型过程中的应用，未来可将数值模拟与结果分析都整合到软件中完成，降低整个过程对人员专业程度的依赖，将带来更大的经济效益和社会效益。参考文献：1申长雨,王利霞,陈静波,等.基于 CAE 技术的注塑模具设计J.中国塑料,2002,16(1):74-78.2王哲.汽车内饰 B 柱布料包覆低压成型工艺模具设计J.塑料,2021,50(6):109-113+118.3巫兴悦,刘泓滨.基于宏-微观尺度黏度模型的微注塑成型工艺参数优化设计J.塑料工业,2022,50(4):99-103.4丁文敏,马强,董原君.基于 DOE 的连接器注塑成型工艺参数优化J.塑料科技,2021,49(12):86-89.5邱彤,刘泓滨,代元祥,等.基于正交实验与响应曲面法的透镜注塑压缩成型工艺参数的多目标优化试验J.塑料工业,2021,49(11):70-73.6胡邓平,文泽军,吴爱华,等.基于缩痕最小的空调面框注塑成型工艺参数优化J.工程塑料应用,2015,43(6):54-57.7OKTEM H,ERZURUMLU T,UZMAN I.Application ofTaguchioptimizationtechniqueindeterminingplasticinjection molding process parameters for a thin-shell partJ.Materialsand Design,2007,28(4):1271-1278.8恽志东,薛兴,魏德强,等.基于 CAE 技术的薄壁塑件注射成型分析与工艺优化J.模具工业,2009,35(11):9-12.9王小明,赵明娟,陈炳辉,等.Moldflow 在注塑成型翘曲优化中的应用J.塑料工业,2011,39(4):49-50.10熊爱华,柳和生,黄兴元,等.工艺参数对短玻璃纤维增强PP 复合材料注射压力和翘曲变形的影响J.高分子材料科学与工程,2012(6):163-168.（下转第 132 页）应 用 技术Applied Technology-127-SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.1 Jan.2023，Total No.34811吴光辉.塑料手机外壳注塑成型数值模拟及参数优化J.塑料,2017,46(4):98-101+116.12HASSAN H,REGNIER N,PUJOS C,et al.Modelingtheeffectof coolingsystemontheshrinkageandtemperature ofthe polymer by injection moldingJ.AppliedThermal Engineering,2010,30(13):1547-1557.13ALTAN M.Reducing shrinkage in injection moldings viathe Taguchi,ANOVA and neural network methods J.Materials&Design,2010,31(1):599-604.14MEHATN,KAMARUDDIN S.Optimizationofmechanicalpropertiesof recycled plastic productsvia optimal processingparametersusing the Taguchi methodJ.Journal of MaterialsProcessing Technology,2011,211(12):1989-1994.（责任编辑邸开宇）Research Progress on CAE Analysis and Process Parameter Optimizationof Injection MoldingWU Guang-hui(College of Mechanical and Electrical Engineering,Loudi Vocational and Technical College,Loudi 417000 China)Abstract：In order to obtain plastic parts with superior strength-weight ratio and low price an