薄壁塑件注塑压缩成型多指标工艺参数的优化

黄永程

（广东理工学院，广东省肇庆市 526100）

薄壁塑件由于质量轻和流长比大，因此，在成型过程中收缩不均匀，容易产生翘曲变形。传统注塑成型工艺使熔体受力不均，易产生内应力进而导致翘曲变形等缺陷。注塑压缩成型技术是传统注塑成型和压缩成型的组合技术，通过注塑机将塑化好的熔体注塑至未完全闭合的模具型腔中，然后通过注塑机或模外压缩装置压缩模具至完全闭合，目的是将熔体压实。传统注塑成型工艺采用可控的螺杆运动来间接控制模具型腔中树脂的流动速率和压力，注塑压缩成型使树脂在压力作用下直接充满整个型腔，以减小塑料杆的内应力，削弱分子间的取向［1］，改善薄壁塑件的质量。

对于薄壁塑件注塑压缩成型工艺多因素多指标分析的相关文献比较少，主要是多因素单指标分析，对于多因素单指标分析采用正交试验与方差结合分析，得出单指标的最优工艺参数组合［2-3］，但由于评定塑件质量的指标较多，优化一个指标很难获得较优的工艺方案。因此，为了使注塑产品各指标都达到一个均衡状态，本工作采用模糊数学的综合评判法与田口试验法相结合，根据各目标值对产品外观质量和性能的重要性，进行加权综合评分，通过差异分析确定因素水平对综合价值的影响程度，找到一组最优的工艺参数。

1 工艺参数优化方法和多指标的确定

1.1 田口试验法

针对不同使用要求的薄壁塑件制品，采用不同的设计方法。传统的试验设计包括筛选设计、部分因子设计、全因子设计、响应面设计、扩充设计、混合设计和田口设计等［2］。由于6因素5水平的设计，全因子设计需要进行15 625次实验，而田口设计只需要进行25次实验，因此，采用田口设计进行相关实验。6因素分别是模具温度、熔体温度、压缩力、压缩速度、压缩距离和压缩时间。

1.2 多指标的确定

树脂材料对温度比较敏感，薄壁塑件对温度更为敏感，在成型过程中易发生翘曲变形、熔接线和体积收缩等缺陷。翘曲变形和体积收缩会严重影响薄壁塑件的外形和使用性能，熔接线会影响薄壁塑件强度，因此，翘曲变形量、熔接线和体积收缩率占综合性能的比重非常大，需要寻找合理工艺参数组合使这三个指标相对较优［4-5］。

1.2.1 多指标评判分类

综合评分法与综合平衡法是传统的解决多指标问题的分析试验方法。综合评分法是对多指标进行试验分析，而综合平衡法是对单指标进行直观分析，将多指标转化为单指标进行分析，综合评分法又分为加权综合评分法和排队综合评分法，加权综合评分法表达式见式（1）［2］。

式中：Xij为考察对象；aij为权因子系数，即评判对象在综合加权评分中所占权重值；i为第i号试验；j为第j个考察对象；Xi是综合加权平均。

1.2.2 权重的选择

因为翘曲变形量、熔接线和体积收缩率这三个指标对塑件的影响程度不同，所以加权综合评分法对权重系数的确定更为重要。通过建立判断矩阵，即建立最大翘曲变形量、平均熔接线和平均体积收缩率的判断矩阵，根据以上3个指标影响程度所建立的判断矩阵见表1。

表1 指标判断矩阵Tab.1 Index judgment matrix

求出上表所建立的判断矩阵的最大特征值（λmax）为3.161 9，对应的特征向量（μ），μ=（0.676 2，0.587 0，0.445 3）T，T为矩阵中的转置，并对该特征向量进行归一化处理，处理后见式（2）。

式中：wi为权重值；ui为重要程度；uj为综合重要程度；n为评价指标个数。

由式（2）计算出最大翘曲变形量、平均熔接线、平均体积收缩率的权重分别为0.396，0.344，0.260，3个权重的和为1。为确定所选择权重的合理性，要进行一致性程度的验证，由于模糊性对事物的不确定性，很难构造出完全一致的判断矩阵，用λmax与n的接近程度作为一致性程度的尺度。通过相关矩阵满意一致性判断，最大翘曲变形量、平均熔接线、平均体积收缩率的权重分别为0.396，0.344，0.260，说明最大翘曲变形量影响程度最大，平均熔接线次之，平均体积收缩率影响最小。

1.2.3 模糊映射加权综合评分

由于3个评价目标的影响程度不同，对产品的影响程度也有偏差，为了平衡各指标，实现多指标问题综合，基于模糊数学中的映射函数加权综合评分法，见式（3）。

式中：a1为最大翘曲变形量的加权值；a2为平均熔接线的加权值；a3为平均体积收缩率的加权值；Xj为第j次试验的综合考察指标；Xji为第j次试验第i项的考察指标；ai为第i指标的加权值。

为尽量使综合评分的结果合理，加权值的取值很关键，采用模糊映射和S形隶属函数，其表达式见式（4），得出的权重百分制化整，最大翘曲变形量、平均熔接线、平均体积收缩率的权重分别为40，34，26。说明最大翘曲变形量所占比重最大，平均熔接线比重次之，平均体积收缩率比重最小。

式中：a用来控制xji=c处的斜率；c为拐点对应坐标，即各指标映射函数值为0.5时的取值［3］。

2 注塑压缩成型工艺优化

2.1 建立注塑压缩模型

以某品牌笔记本电脑显示器外壳作为分析模型，其内尺寸310.0 mm×175.0 mm×1.5 mm，外尺寸340.0 mm×230.0 mm×1.5 mm，属于薄壁塑件。在Pro/E软件中建立了计算机显示器外壳的三维模型，并以IGS格式保存。然后将其导入Moldflow CAD Doctor中进行模型修复。最后，将修复后的塑件导入Moldflow2018软件进行仿真分析。笔记本电脑外壳应具有机械强度高、散热性好且质量轻等优点［4］，而工程塑料聚碳酸酯+丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物具有薄壁、质量轻、强度高、散热快等优点。选择德国科思创公司牌号为Baybtend FR3001的合金塑料，根据其材料和尺寸建立了冷却系统和浇注系统，见图1。

图1 浇注系统和冷却系统示意Fig.1 Schematic diagram of gating system and cooling system

2.2 建立多指标试验方案

本工作的目的是寻找更好的工艺参数组合，提高注塑制品的综合质量。选择最大翘曲变形量、平均熔接线、平均体积收缩率作为主要评价指标。最大翘曲变形量和平均体积收缩率越小，平均熔接线越大越好［3］。每个因素的水平设置见表2。

2.3 结果与讨论

采用6因素5水平进行实验，利用Minitab软件建立田口试验，最终生成了一个L25（56）矩阵表，实验结果见表3。

表2 因素与水平Tab.2 Factors and levels

表3 实验结果Tab.3 Experimental results

从表4可以看出：影响翘曲变形量的因素由大到小依次为C，B，F，A，E，D，压缩力是影响最大翘曲变形量的主要因素，熔体温度是影响最大翘曲变形量的次要因素，最大翘曲变形量最小时的最佳工艺参数组合为A4B2C4D5E3F2。

表4 最大翘曲变形量的极差分析Tab.4 Range analysis of maximum warping deformation

从表5可以看出：影响平均熔接线的因素由大到小依次为C，B，D，E，F，A，压缩力是影响平均熔接线的主要因素，熔体温度是影响平均熔接线的次要因素，使平均熔接线最大时的最佳工艺参数组合为A5B3C2D3E5F4。

表5 熔接线的极差分析Tab.5 Range analysis of weld line

从表6可以看出：影响平均体积收缩率的因素由大到小依次为C，F，B，E，D，A，影响平均体积收缩率的主要因素是压缩力，其次是压缩时间，使平均体积收缩率最小的最佳工艺参数组合为A3B3C4D5E5F1。

表6 平均体积收缩率的极差分析Tab.6 Range analysis of average volume shrinkage

从表7可以看出：影响综合评分的因素由大到小依次为B，D，A，E，C，F，最佳工艺参数组合为A4B3C4D5E3F2。

表7 综合评分的极差分析Tab.7 Range analysis of comprehensive scores

需对最佳工艺参数组合进行模拟验证，即模具温度75 ℃，熔体温度260 ℃，压缩力60 t，压缩速度14 mm/s，压缩距离1.5 mm，压缩时间7 s。从图2可以看出：最大翘曲变形量为1.168 mm，平均熔接线为68.74°，平均体积收缩率为8.296%，这三个指标得到的综合评分为67.491 5，与表3数据相比，最大翘曲变形量较小、平均熔接线较大和平均体积收缩率最小，综合评分最高，3个指标的分析结果均比较理想。3个评价指标均衡，表明该工艺参数组合为较优工艺参数组合。

图2 模拟验证结果Fig.2 Simulation verification results

3 结论

a）基于Minitab软件采用田口试验法设计了6因素5水平的正交试验。

b）综合评分为67.491 5的工艺参数组合：模具温度75 ℃，熔体温度260 ℃，压缩力60 t，压缩速度14 mm/s，压缩距离1.5 mm，压缩时间7 s。

c）经过验证，所得到的工艺参数组合的最大翘曲变形量为1.168 mm，平均熔接线为68.74°，平均体积收缩率为8.296%，且综合评分最高，说明正交试验与模糊数学相结合在解决多指标问题具有一定的指导作用。