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

注塑成型制品质量控制方面存在的困难主要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影响关系，建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。

研究了工艺参数对质量指标的影响及因素之间的交互作用。

本文主要工作包括以下几方面:

1工艺参数对制品质量的交互影响分析；2应用DOE法结合析因分析结果；3.CAE技术结合DOE法进行设计，并用MOLDFLOW进行仿真分析，为质量控制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

1.1引言

随着科学技术水平的不断提高以及加工方法的改进，塑料这一20世纪才发展起来的新材料已经在我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分。

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一定使用价值的制品的一种技术。

塑料制品性能的优劣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法之一，其技术已发展的相当成熟，且应用非常普遍，注塑制品已占领塑料制品总量的30%以上，在国民经济的许多领域有着广泛的应用。

1.2注塑成型工艺过程简介

注塑成型加工过程是一个循环的周期过程，一般包括三个阶段，即注射阶段、保压及压实阶段、固化及冷却阶段。

注塑成型过程如图1-1所示。

图1-1注塑成型过程

注塑成型加工过程从聚合物颗粒通过料斗进入螺杆开始。

首先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，使聚合物颗粒得到软化和熔解。

聚合物材料在螺杆剪切热与料筒外部热源的作用下很快塑化并熔融，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一定的压力，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。

直到螺杆碰到行程开关为止。

这一整个过程称为塑化过程。

此后有一螺杆的静止阶段，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。

这一过程称为注射过程。

在注射过程中，塑料熔体轴向移动是由螺杆注射速度控制的。

注射一结束，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须在一定的压力作用下，补充物料，这一过程称为压实一保压过程。

在这一阶段，螺杆移动很慢，压力可以进行变化控制。

通过一些冷却介质（通常是冷却水）的流通，热量连续的从模具中通过模具内的钻孔散出，最终制件得到固化。

这就是冷却过程。

在冷却过程中，在螺杆内同时发生了塑化过程。

最后，通过一个排出装置把制件从模具中分离出来（或用手动的方法）。

这时，一个循环过程结束，一个新的循环过程又开始了。

从注塑成型加工的周期过程中，可以看到，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过程的非稳定性。

螺杆在不同阶段的运动如图1-2所示。

图1-2往复式螺杆的动作顺序

A）注射、压实及保压阶段：

螺杆轴向向前移动；

B）塑化阶段：

螺杆一边转动一边后退；

C）停留阶段：

螺杆处于静止状态

1.3注塑成型工艺的发展趋势

注塑成型技术已经是一项比较成熟的技术，但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过程，在注塑成型过程中，影响制品质量的因素可以分为四类:

机器参数、材料参数、工艺参数和扰动。

其中机器参数同注塑成型机直接相关用以表征机器的机械特征，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征等。

材料参数为注塑材料的一些典型特征，一般由材料供应商提供，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过程中材料的状态，受机器参数、材料参数的影响，注塑成型过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分布、熔体注射速率、模具内的热流分布等等。

当然，这些参数虽然被划分在不同的范围内，但是相互之间有着密切关系，互相产生影响。

机器参数、材料参数决定了工艺参数。

对工艺参数的要求，直接影响到机器参数、材料参数的选取，从而确定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控制制件的质量。

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过程。

成型过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，因此如何实现机器设置参数和熔体状态参数之间的闭环控制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。

状态变量为机器输入和最终制品质量属性的中间变量，实现注塑成型的精确控制的最大困难在于机器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。

温度和压力为两个主要状态变量，目前的状态变量监控研究主要集中在温度和压力的监控上，也有关于熔体豁度的监控。

初期的状态控制主要针对单个变量，选用对整个成型周期或对某个阶段影响最大的工艺参数，例如熔体温度或型腔压力，或者针对某个特定目标选择单个工艺参数作为控制变量，而不考虑工艺参数之间的相互影响。

注塑成型过程中各个工艺参数之间的影响程度相当大，控制单一变量很容易使对整个成型过程的控制失去平衡。

研究者们逐渐将研究重点放在了多变量的控制方法上，同时选用对某个阶段或整个成型周期影响较大的几个参数，并尽可能的考虑到所选控制变量之间的相互影响。

注塑成型控制总体结构如图1-3，整个控制系统包括了三层控制。

内环提供对机器参数的控制，如料筒温度、背压、螺杆转速、模具温度等，内环控制一般由机器供应商提供;中间环包括对重要过程参数的闭环控制，由于注塑过程具有时变、非线性、模型结构不确定等特性，因此给注塑过程控制带来一定的困难，但通过引入自适应控制、预测控制和智能控制等控制方法，近年来的研究己基本解决了这方面的问题。

外环则提供对注塑件的质量控制，在该层次的控制中，通过上一周期制品质量反馈，调节机器设置以便下个成型周期获得更好的制品质量。

图1-3注塑成型控制系统总图

质量控制的主要困难有两方面，其一质量的在线检测存在很大的困难，因为判断制品质量（如检查表面质量和测量尺寸等）需要很长时间，而在线测量需要在短时间内快速判断制品质量。

其二注塑过程条件和质量之间的关系复杂，没有现成的工艺模型。

1.4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得到普遍重视。

在工艺设置和调节方面，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否合适，这种方法只能使工艺调节到无明显制品缺陷的工艺条件，而很难达到最优工艺设置。

而且，对于大型复杂的制品，由于工艺模型及几何模型的复杂性，CAE分析时间较长，限制了其在工艺优化及控制方面的应用。

Huaye基于商业化CAE软件CMOLD，分别采用模拟退火法和遗传算法实现了注塑成型工艺优化，使制品质量得到极大的改善。

2001年王德翔等研究了作为基于知识的注塑模CAE系统的有机组成部分，采用人工神经网络作为工艺参数优化系统的核心技术，通过建立压力温度网络模型，成功地模拟了注塑成型过程中对成型质量有重要影响的关键参数，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控制的理论方法。

在利用工艺模型静态确定了工艺参数最优值之后，对注塑成型过程进行闭环控制，利用在线测量值与当前工艺参数最优值之间的偏差进行调节以保持各个工艺参数值的相对稳定，同时，计算机还根据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为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。

G.H.Ch，等应用ANN技术建立工艺参数和制品质量指标之间的神经网络关系模型，并采用自适应优化算法优化工艺参数。

近年来，研究者们采用多种方法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，难以给出确定的表达式，实验设计法成为研究工艺参数对制品质量指标的影响、优化工艺的主要方法之一。

Liullsl采用正交实验设计法，对熔接线的强度进行了研究。

Malguarneral’“考察了熔体温度、模具温度、注射速率、注射压力对一般商用PS、耐冲击PS，即等热塑性塑料熔接线拉伸强度的影响，认为对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影响熔接线拉伸屈服强度的主要因素，而注射速率和注射压力影响不大。

同年，Malguarneral’7]又观察了4种即树脂熔接区域的微观结构，发现提高熔体温度和模具温度可以改善熔接线屈服强度，提高注射速度也可以改善熔接线的屈服强度，但影响程度要比熔体温度和模具温度小得多，而冷却速率对熔接线性能影响不大。

selden对PA6（3%5玻纤）、即s（4%0玻纤）、PP（40%滑石粉）、PPO和ABS等五种材料在不同的保压压力、注射速度、熔体温度和模具温度下的进行了弯曲、拉伸和冲击测试，发现相同加工条件下，五种材料的各向异性程度各不相同，PPS和PA6呈强烈的各向异性，沿流动方向上的强度是横向强度的25-30倍，AP的横向强度甚至低于熔接缝的强度，ABS和POP的各向异性程度稍低，而PP几乎呈各向同性。

一些研究者认为增加温度会增加熔接线强度，而有些研究者则得出了相反的结论。

Hashmei0zl研究发现，SMA熔接线的强度随温度的升高呈线性降低趋势。

worden，wenig发现熔接线强度开始时随温度升高而增强，进一步升温则会下降。

Tiotmanli和Piccar发现熔接线强度对注射时间（注射速度、注射体积流率、注射压力）都非常敏感，会随着注射时间的缩短而增强。

Liu浏等采用Taguchi方法对Ps材料进行了实验，关注的工艺参数包括嵌件尺寸、注塑压力、熔体温度、保压压力、模具温度和注射速度，发现对熔接线强度影响最剧烈的因素是熔体温度，占到67.4%6，其次为模具温度和保压压力，分别占到17.7%和13.39%，而嵌件几何尺寸、注射压力以及注

射速度的影响很小。

如何建立起熔接线强度与工艺条件的定量关系是目前该领域国内外的研究仍面临的问题。

目前国内外众多研究者开展了对收缩及翘曲的研究。

sooyoungcHA应用L27正交表选用LDPE材料研究了工艺条件对长宽9x1.5英寸，厚度分别为0.09、0.06英寸的平板平行和垂直流向收缩的影响，工艺条件考虑了模具温度、熔体温度、保压时间、注射速度和保压压力以及模具温度与保压时间、熔体温度与保压时间的交互作用，并应用C-MODL进行数值模拟与实验结果进行对比，通过人工神经网络建立关系模型。

T.JameswangL应用eAE软件和TaguchinoE技术，研究了工艺参数对制品收缩的影响，并获得优化的工艺参数。

Ming-chliiHuna等12刀应用Taugchi实验设计方法，通过C-MOLD数值模拟代替实际实验，分析了工艺参数对薄壁件翘曲的影响。

结果得出保压压力对制品翘曲影响最大，其次是模具温度、熔体温度和保压时间。

然而，浇口尺寸和注射时间对薄壁件翘曲影响不大。

此外，应用Taughci方法优化了工艺条件，降低了制件翘曲。

实验中考虑了模具温度和熔体温度的交互作用以及熔体温度和注射时间的交互作用。

其中，模具温度和熔体温度交互作用对翘曲影响的贡献率达到23.63%，是不能忽略不计的。

Ta。

.e.ehang应用CAE模拟预测结合Taguehi实验设计法对半结晶材料HDpE和非结晶材料GPS和ABS在注射成型中的收缩问题进行了系统的研究。

发现结晶型材料HDPE比无定型材料GPS和ABS收缩率高，对于HDPE，垂直流向收缩率比平行流向收缩率大，而GPS和ABS则刚好相反。

对这三种材料，模具温度、熔体温度、保压压力及保压时间对收缩的影响较大。

v.Le。

等实验研究了保压参数（保压压力和时间）、浇口厚度和模具的弹性对注塑件最终尺寸的影响。

K.M.B.Jansen等用4种非结晶材料（PC、PS、ABS和HIPS）和3种半结晶材料（PBT、PBT+30%GF和HDPE），就加工参数的变化对注塑件收缩的影响作了系统研究。

J.LIA应用TgauohiDOE研究了工艺参数及其交互

作用对一个薄壁电话外壳收缩、翘曲的影响及工艺优化，研究发现保压压力是影响收缩

和翘曲的最重要参数。

由于注塑工艺条件及机器对于收缩与翘曲的影响不同，其优化的工艺条件并不相同。

BH.Min应用响应曲面法对制品三个方向的收缩建立回归方程，并进行工艺优化。

在此基础上B..HMni通过在线测量重量对制品质量进行在线监控。

由于沉降斑测量存在一定的困难，目前对于这方面的研究较少。

Shih-jungLui等基于一个带筋板的制品研究了筋板尺寸、方向、浇口尺寸、保压压力、时间及熔体和模具温度等参数对制品沉降斑深度的影响。

之后又研究了沉降斑的最小化问题，并应用ANSYS对沉降斑的形成进行了模拟，用来预测优化制品表面沉降斑的深度。

HuaYe等基于软件C-Mold结合遗传算法对沉降斑最小化进行了研究。

ott。

v注注t毓nen等研究了材料、模温、熔体温度、保压压力及注射速率对带筋板平板沉降斑的影响。

王利霞等以沉降指数表征沉降斑，应用CAE技术预测制品中的沉降斑，结合以E技术与Taugchi实验设计技术研究工艺参数对制品中沉降斑深度的影响并优化工艺参数。

1.5本文主要工作内容及其意义

在注塑成型制品质量控制方面存在困难不仅来源于工艺动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，还来源于对制品质量与影响因素之间的关系缺乏了解。

研究工艺参数对制品质量的影响关系，确定工艺变量对制品质量指标的影响度，是选取控制变量、抽取工艺特性数据及制品质量特性数据、建立工艺参数与制品质量之间的关系模型的前提。

本论文将侧重研究注塑工艺参数和质量间的关系并应用人工神经网络技术建立关系模型。

基于以上论述，本文基于析因分析及正交设计实验方法研究工艺参数对制品质量的交互影响、筛选重要交互作用，并研究了工艺参数及其主要交互作用对制品质量的影响，建立质量指标与工艺参数关系模型。

主要工作内容如下：

1.工艺参数对制品质量的交互影响分析。

注塑制品的质量受多种因素的影响，而工艺条件直接影响着熔体在型腔中的流动状态及最终制品的质量。

过去对工艺参数对制品质量的研究主要集中在单个因素对制品质量影响的基础上，而较少考虑参数之间的交互作用。

本文内容既是在此情况下，应用析因分析研究工艺参数对制品质量的交互影响，并筛选出主要工艺参数之间的重要交互作用

2.基于CAE分析的工艺参数及交互作用的影响研究。

实际实验费时费力，甚至某种情况下通过实际实验其质量指标无法测量。

而CAE技术的发展，使得其能解决实际生产中无法解决的问题。

本文采用CAE代替实际试验，进行了具体案例的分析。

3.应用正交实验设计结合析因分析结果，研究工艺参数及其重要交互作用对制品质

量的影响。

研究内容包括:

工艺参数及其重要交互作用对有无熔接线工字型拉伸试样强度的影响规律;工艺参数及其重要交互作用对一维流动平板重量及其平行流动方向和垂直流动方向上收缩、强度的影响规律。

并进行工艺优化。

4.工艺参数及交互作用对表面质量等因素的影响研究。

随着塑料制品越来越广泛的应用，其外观质量的要求也就越来越高。

表面质量是影响外观质量的重要缺陷。

本文对几何形状、工艺参数及其他重要交互作用的参数进行了一定量的考虑与分析。

5.工艺参数与质量指标之间关系模型的建立。

注塑质量控制中，存在很大的困难，这些困难不仅来源于工艺动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，还来源于制品质量与影响因素之间的关系缺乏了解。

本文基于前面的实验结果及规律分析，应用神经网络技术建立了工艺参数对质量指标的影响关系模型，为质量控制技术提供了工艺模型。

运用CAE，即用计算机辅助求解复杂工程和产品结构外观、稳定性、热传导、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。

其最重要的意义就是无需实际生产测试，只需在软件辅助的条件下，就能对某件产品的实际生产进行模拟分析，并最终获得设计数据。

这点对现代生产追求质量与效率的理念非常符合，具有极其重要的实际意义。

2.注塑成型工艺参数影响性分析

注塑成型过程中主要有三方面的工艺条件控制，与压力有关的条件有:

充填压力、保压压力和塑化压力（又称为背压）:

与温度有关的条件有:

机筒温度、模具温度及熔体温度;与时间有关的条件有:

注射时间（注射速率）、保压时间、冷却时间及材料塑化时间等。

此外还有决定注射量的计量行程。

下面主要从注塑工艺角度理解（解释）一些关键的参数，以求达到控制制品质量的目的。

2.1压力参数分析

2.1.1注塑压力

压力与塑件的许多特性有关，提高注塑压力有助于熔体充模，增加塑件密度，减少塑件收缩，并提高尺寸稳定性等。

但塑件内应力及取向也随之增加，造成塑件脱模困难，还会损伤塑件表面。

一般来说，较高的注塑压力对产品的综合性能是有益的，但过高的注塑压力容易造成熔体的喷射式流动，在塑件内形成气泡、银纹，甚至烧伤塑件。

也容易使塑件产生溢料或飞边、引起过度填充，使塑件内应力增大，容易产生变形和翘曲，脱模时易出现裂纹、划伤或顶出变形，同时对模具本身也带来不良影响。

2.1.2保压压力

在注射成型的保压补缩阶段，保压压力对模腔内塑料熔体进行压实以及维持向模腔内进行补料流动。

保压压力可影响塑件的缩痕，尺寸稳定性，以及浇口附近的取向度和脱模等。

高的保压压力显然可以增加塑件密度，减少或消除塑件缩痕，提高尺寸稳定性，防止物料产生倒流现象等。

但同时带来制件取向增高、冷却时间加长、不易脱模等不利影响，使塑件容易产生变形、表面划伤等，也容易使塑件产生飞边，影响表观质量。

一般来讲，保压压力对制品的质量影响与注射压力的影响相似。

大多数塑料的保压压力在注射压力的40%一80%之间，而具体保压压力的确定，主要考虑塑件材料的特性及制件的结构，并克服熔体从机筒到模腔的流动阻力，将熔料送入型腔并将之压实。

2.1.3塑化压力（背压）

塑化压力是指螺杆顶部熔料在螺杆后退时所受到的压力。

它对注射成型的影响主要体现在:

注射机对物料的塑化效果及其塑化能力方面。

一般来讲，增大塑化压力，螺杆后退速度减小，机筒内熔体受到的压力随之增加。

于是塑化时剪切作用加强，塑化效果提高。

但须往意的是，增大背压的同时，过高的塑化压力一方面因熔体在螺槽边缘的反流和漏流而减少了塑化量，可能引起计量不足，另一方面会使剪切热过高剪切应力过大，有可能使物料降解，产生气泡或烧伤，影响塑件质量。

2.2温度参数分析

2.2.1模具温度

模具温度是指在成型过程中的模腔表面的温度，模具温度影响熔体的充模流动行为、制品的冷却速度和成型后的制品性能等。

模温的设定主要取决于熔料的粘度。

熔料粘度较低的可以采取低模温注射以缩短冷却时间，提高生产效率。

熔粘度较高的应采用高模温注射成型。

一般说来提高模温可以使制件的冷却速率均匀一致，防止凹痕和裂纹等成型缺陷产生。

结晶型塑料的模温控制直接决定了冷却速率，从而进一步决定结晶的速率。

模温高时冷却速率小，结晶速率变大，有利于分子的松弛过程，分子取向效应小。

模温太高，会延长成型周期和使产品发脆。

模温低，冷却速率大，熔料的流动与结晶同步进行，由于熔料在结晶温度区间停留时间缩短，不利于晶体的生长，造成产品的分子结晶程度较低，影响其使用性能。

此外，模温过低，塑料熔体的流动阻力很大，流速变缓，甚至在充模中凝固妨碍后续进料，使得制件短射，强迫取向大，常造成塑件缺料、凹陷、熔缝等缺陷。

因此，要保证制品的成型质量，必须有一个高低适宜的模温范围。

2.2.2熔体温度

熔体温度主要取决于机筒和喷嘴两部分的温度，影响物料的塑化和熔体的注射充模。

注射温度的提高主要有利于改善熔体的流动性，它与制品的很多特性有关。

升高熔体温度，可使塑件内应力、流线方向的冲击强度和挠曲度、拉伸强度等机械力学性能降低，而使垂直于流线方向的冲击强度、流动长度、表面粗糙度等性能有所改善，并可降低制品的后收缩。

从总体上看，提高熔体温度有利于改善充模状况以及在模腔内的传递，有利于制品的综合性能的提高，但过高的温度也不可取。

当熔体温度接近注塑温度范围的上限值时，一方面容易产生较多的气体，使塑件产生气泡、空洞、变色、烧焦等，也因过多地改善流动性而产生飞边，影响制品表观质量;另一方面，过高的温度会使塑料发生降解作用，使塑件强度降低，失去弹性等，影响使用性能。

因此，料温必须进行很好的控制。

2.3时间参数分析

2.3.1注射时间

注射时间是控制注射速率的参数之一。

注射时间越短，则注射速率越高，注射速率的大小对塑件的性能有很大影响。

提高注射速率可使充模压力提高，有利于充模过程，并使充模中的热