注塑成型CAE分析与工艺参数优化研究进展

吴光辉

（娄底职业技术学院机电工程学院，湖南 娄底 417000）

1 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 Altan[13]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。