迷宮型灌水器快速模具設計及加工參數優化

陳 卓，魏正英，陳雪麗，馬金鵬，魏才翔

迷宮型灌水器快速模具設計及加工參數優化

陳 卓，魏正英※，陳雪麗，馬金鵬，魏才翔

（西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室，西安 710049）

針對迷宮型灌水器傳統注塑模具加工周期長，加工成本高的問題，為適應產品快速開發的需要，該研究開發了一種灌水器模具的快速制造技術和注塑成型工藝。利用數字ABS作為模具材料，采用聚合物噴射技術成型模具確保精度和強度。為確定不同加工參數對成型質量的影響，以翹曲變形量和縮痕估算為分析指標，通過Moldflow軟件進行了單因素試驗和四因素五水平的正交試驗。建立了翹曲變形和縮痕估算與各參數間的回歸模型，并通過粒子群算法得到了最優工藝參數。試驗結果表明，冷卻時間對翹曲變形量和縮痕無影響，熔體溫度、保壓壓力和保壓時間對翹曲變形和縮痕產生決定性的影響，最佳工藝參數組合為熔體溫度230 ℃，保壓壓力3 MPa，保壓時間4 s。優化成型工藝參數后，翹曲變形下降8.72%，縮痕估算下降20.68%，熔接痕減少，塑件質量得到提高，達到設計要求。在注塑機中使用快速模具進行了注塑試驗驗證，證明了結構和工藝的正確性。相較于傳統模具加工，快速模具實現了灌水器快速開發，在保證灌水器質量的情況下大幅度縮短了加工時間，降低了加工成本，該研究可為新型灌水器的設計與開發提供一定的理論基礎。

設計；試驗；快速模具；注塑成型；數字ABS；迷宮型灌水器；

0 引 言

滴灌技術是當今行之有效的高效節水灌溉技術之一[1-3]。灌水器是整個滴灌系統效果的直接體現，其性能的優劣將直接反映出整個滴灌系統的性能[4-6]，其中迷宮型灌水器具有制造方便、成本低，又具有一定的壓力補償性等諸多優點而得到廣泛應用[7]。目前，滴灌用的迷宮型灌水器流道尺寸大都在0.5～2.0 mm之間[8]，尺寸較小，因此，采用傳統模具加工成本較高。在這種背景下誕生了快速模具技術。快速模具技術是在3D打印技術發展基礎上衍生出一種新型的工藝、方法，也是3D打印技術的主要應用領域，為進一步發展小批量、多品種、周期短的現代化產品提供了新思路。將3D打印技術與傳統模具行業相結合，在提高生產效率以及小批量試制中優勢明顯[9-10]。

目前，國內外對快速模具的研究已經有了許多發現與突破。國外在快速模具設計方面，Gheisari等[11]使用微立體光刻技術制作快速注塑模具嵌件，直接結合微觀特征以進行小批量生產，驗證了小批量生產微機電系統繼電器的微懸臂梁的可行性。Rajaguru等[12]通過在鋁填充環氧樹脂模具表面鍍鎳磷合金增強了型腔的性能，提高了模具的壽命。Tabi等[13]將由PolyJet快速原型技術制造的基于環氧樹脂的模具用于常規注塑成型，以生產少量的聚乳酸零件，分析了模具材料（即常規鋼模具和基于環氧樹脂的PolyJet模具）對注塑產品的熱和機械性能的影響，證明了快速模具在生產中的可行性。Davoudinejad等[14]利用數字光投影工藝制造了多個模具嵌件，并探究了嵌件失效的主要原因。Rytka等[15]在快速模具中模擬了微納米材料的3D充填。國內在模具設計方面，Kuo等[16]利用環氧樹脂模具制作了高縱橫比的微結構原件，具有廣闊的應用前景。對于灌水器快速模具的研究，魏正英等[17]利用硅橡膠模具進行翻模得到了3種流道結構形式的灌水器滴片，經測量其精度較高，但是硅橡膠模具無法應用于注塑機中，且存在生產效率較低、模具壽命較短的問題。目前快速模具的研究雖然取得了很大的進展，但是研究的關注點偏重模具結構設計而非注塑工藝，快速模具在試模過程中由于工藝選取不當會發生過早失效，因而注塑工藝參數的選取十分重要，同時，如何將灌水器快速模具安放在注塑機中進行小批量生產試制，對于快速模具的應用也很關鍵，國內外還缺乏這方面的研究內容，因此，從生產角度出發，探索出適合快速模具的注塑加工參數，完善迷宮型灌水器的快速加工流程，對灌水器的快速生產具有重要意義。

本文針對灌水器快速模具，對模具材料和工藝進行分析，設計符合小批量生產的灌水器快速模具結構。利用CAE分析和粒子群算法擬得到最佳注塑工藝，并基于最佳工藝進行注塑試驗驗證。

1 迷宮型灌水器模具設計及模型建立

1.1 迷宮型灌水器塑件的結構分析

迷宮型灌水器為薄壁結構件，內側有流道，材料為HDPE（高密度聚乙烯），該灌水器為矩形迷宮流道灌水器，該流道結構簡單，易于生產且成本低，在農業灌溉系統中得到了廣泛應用。其外形尺寸為42 mm×9.5 mm×3 mm，內側流道單元的寬度和深度均為1 mm。外觀要求無成型缺陷且表面光滑。其結構如圖1所示。

圖1 矩形迷宮流道灌水器結構

1.2 模具材料選擇及參數測定

在比較多種快速成型工藝和材料之后，選取聚合物噴射技術作為成型方法，該方法具有精度高，成型快的特點，該工藝分層厚度可達0.016mm，而光固化技術僅為0.05 mm[18]。選取數字ABS作為模具材料，該材料由Stratasys公司開發，由數字ABS材料制成的注塑模具的生產速度更快、成本更低，支持進行成本低廉的小批量生產。相關試驗表明，就尺寸和表面質量而言，數字ABS在注塑過程中的行為是穩定的，用數字ABS制成的快速模具所生產的注塑件的性能與用SAE 1045鋼和Zamak 8合金制成的模具生產的注塑件僅稍有不同[19]。

數字ABS材料是一種較新的模具材料，其在2016年完成研發，在2017年進入國內市場。Moldflow軟件自帶的材料庫中沒有相關數據，因此需要建立新的數據庫，其中熱力學數據尤其重要。利用TG-DSC綜合熱分析儀對材料的熱流和比熱容進行測量，測試結果如圖2所示。在注塑成型加工過程中，根據成型材料的不同模具溫度也有差異，多數材料的模具溫度控制在20～60 ℃，由圖2可以看出，在該溫度范圍內，數字ABS的比熱容隨溫度升高而上升，熱流隨著溫度升高而減少。數字ABS的這2項熱力學參數數值與傳統模具材料相比相差很大，僅為傳統模具材料的千分之一，表明快速模具的注塑加工工藝過程與傳統模具也會有較大區別。

圖2 數字ABS材料的DSC測試結果

1.3 澆口位置分析及澆注系統設計

由于澆口位置和流道尺寸的組合控制著熔體充模流動方式，所以澆注系統設計非常關鍵。澆注系統常被當作熔體流動充模的控制器[20]。

根據《注塑模具設計實用手冊》[21]的設計規范，結合生產實際，最終確定快速模具為一模兩腔結構，采用側澆口進澆，沿塑件長度方向側澆。主流道位于模型中心，最大直徑6.3 mm，高58 mm。分流道采用圓形截面，直徑4 mm，環形結構，與澆口在同一平面上。澆口為長方形。模芯結構及其在模架中的裝配如圖3所示。

圖3 模芯結構及其在模架中的裝配

1.4 灌水器及模具注塑工藝分析

灌水器為結構件，精度要求較高，無明顯收縮。材料牌號為SABIC HDPE M80064SE，制造商為SABIC Europe B.V.。根據Moldflow軟件注塑材料數據庫，得到其推薦工藝參數為模具溫度32～71 ℃，熔體溫度180～280 ℃，頂出溫度90 ℃，最大剪切應力0.2 MPa，最大剪切速率0.619 8/s。

完整的注塑成型過程包括加料、加熱塑化、加壓注塑、保壓、冷卻定型和脫模等工序。正確的注塑成型工藝條件可以保證塑料熔體良好塑化，順利充模、冷卻和定型，從而生產出合格的塑件[22]。

根據材料在Moldflow軟件中的推薦加工參數值，結合多次注塑試驗中積累的經驗，確定初始成型工藝參數：模具表面溫度52 ℃，熔體溫度230 ℃，充填控制為自動，速度/壓力切換為自動，保壓壓力為2 MPa，保壓時間3 s，冷卻時間指定為30 s，分析類型為熱塑性注塑成型，分析序列為填充+保壓+翹曲。

流動分析主要用于模擬熱塑性高聚物從注塑點開始逐漸擴散到相鄰的流動前沿，直到流動前沿擴展并充填完制件上最后一個點的整個過程中，熔體在模具內的流動情況。

1.5 模擬方法

建立灌水器澆注件的三維模型，以STEP格式導入Moldflow軟件中進行網格劃分。由于塑件壁厚較薄，且表面具有流道特征，采用實體網格（3D）進行網格劃分，能更為精確地進行三維流動仿真。劃分之后的網格模型如圖4。

圖4 矩形迷宮流道灌水器澆注件網格劃分

對于3D網格類型，應達到如下要求：連通區域必須為1，自由邊必須為0，取向不正確的單元為0，相交單元和完全重疊單元必須為0[23]。該灌水器澆注件經網格劃分后，四面體為421 474個，已連接的節點數為76 876個，平均縱橫比為4.12，自由邊為0，取向不正確的單元為0，相交單元和完全重疊單元為0，符合分析要求。

1.6 評價指標

收縮分析能夠在考慮使零件成型所使用的材料的收縮特征及成型條件的情況下，確定用于切割模具的合適收縮容差。塑料制件從模具中取出冷卻后一般都會出現尺寸減少的現象，要想改善塑料的成型收縮性，不僅在選擇原材料時需要慎重，而且在確定模具設計、成型工藝等多方面因素時都需要認真考慮，才能使生產出來的產品質量更高、性能更好。對于灌水器，其評價指標主要有縮痕和翹曲變形。縮痕是由于高分子材料的收縮效應在塑件表面形成的痕跡，影響塑件的表面質量。翹曲變形是塑件未按照設計的形狀成型，卻發生表面的扭曲，塑件翹曲是由于成型塑件的不均與收縮造成的，它是塑件常見缺陷之一[24]。假如塑件材料均一，塑件就不會翹曲，只會發生尺寸上的縮小；然而由于高分子材料的特性以及成型條件等諸多因素的作用，翹曲變形無法避免，只能盡量降低其變形量。

2 工藝參數優化試驗設計與結果

2.1 參數優化前灌水器注塑分析結果

在1.4節中所述初始參數下進行注塑模擬分析，得到的結果如圖5所示。其中縮痕估算結果如圖5a所示，最大縮痕為0.19 mm，翹曲變形結果如圖5b所示，最大變形量為0.54 mm。

圖5 初始參數下的灌水器注塑分析結果

2.2 單因素試驗設計與結果

由于塑件翹曲總變形量和縮痕決定最終成型質量，因此以翹曲總變形量和縮痕為指標，研究不同因素對其的影響。根據《注塑成型實用手冊》[25]，在注塑加工過程中，影響最大的工藝參數為熔體溫度、保壓壓力、保壓時間和冷卻時間。采用單因子試驗法，假定各因素不存在交互作用，當其他因素保持初始成型工藝參數不變，只改變其中1個因素，然后逐個進行數值計算。以塑件翹曲總變形量為指標，其結果如圖6所示。由圖6可以看出熔體溫度、保壓壓力和保壓時間對翹曲總變形量產生決定性影響。以塑件縮痕為指標，其結果如圖7所示。可以看出，縮痕估算結果取決于熔體溫度、保壓壓力和保壓時間。

圖6 總變形量與不同參數之間的關系

圖7 縮痕估算與不同參數之間的關系

通過對以上單因素試驗結果的分析，可以找出影響成型質量的主要加工工藝參數。該方法實際上是類似于“降維”的思想，影響最終成型質量的參數眾多，需要找出主要因素再進行優化，最終得到加工工藝優化的結果。對于矩形流道灌水器的注塑成型，最主要的影響因素為熔體溫度、保壓壓力和保壓時間。

2.3 正交試驗設計與結果

進行正交設計，首先要選取合理的正交設計表。正交表要求因素數不大于正交表列數，因素水平數與正交表對應的水平數一致，以此為前提選擇最小的表。選擇注塑加工工藝參數熔體溫度、保壓壓力、保壓時間共3個因素，選用四因素五水平L25(54)正交表，總共25組實驗，空出的因素列作為誤差項，其中熔體溫度范圍為220～240 ℃，保壓壓力為1～3 MPa，保壓時間為1～5 s，進行模擬試驗。

為了更好的表示產品的質量，選取模擬結果中的翹曲變形和縮痕來表示，最終記錄結果如表1所示。

表1 總體變形量和縮痕試驗結果

以表1中結果作為回歸分析的數據源，采用Minitab軟件進行回歸分析，同時進行方差檢驗，對于翹曲變形，經分析得熔體溫度、保壓時間和熔體溫度與保壓壓力的交互作用對翹曲變形影響顯著（≤0.05）。對于縮痕估算，熔體溫度、保壓時間、熔體溫度與保壓壓力、熔體溫度與保壓時間和保壓壓力與保壓時間的交互作用對縮痕估算影響顯著（≤0.05）。

最終得到翹曲變形量和縮痕估算與注塑加工工藝參數之間的回歸模型分別為

(-186386346-202-1539-0142

-316015)/1 000 （1）

(-5047-34-2249-00092-449219792

02230186)/1 000 （2）

式中為總翹曲變形量，mm；為縮痕，mm；為熔體溫度，℃；為保壓壓力，MPa；為保壓時間，s。

對于回歸模型（1）和（2），經計算得到線性模型的決定系數2分別為0.995、0.997，擬合效果好。將25組加工工藝參數代入回歸模型（1）和（2），得到的翹曲變形量和縮痕估算分別與數值模擬的值進行比對并計算相對誤差，得到回歸值的相對誤差的絕對值分別在2%和6%以下，回歸精度高。因此回歸模型（1）和（2）可用于預測翹曲變形量和縮痕估算量。

2.4 基于粒子群的注塑加工工藝優化

采用粒子群算法[26]灌水器快速模具注塑加工工藝進行單目標優化。對于快速模具注塑加工工藝參數優化問題，分別將翹曲變形和縮痕估算作為優化目標，翹曲變形和縮痕估算越小則說明加工工藝參數越合適。注塑加工工藝的3個特征參數的取值范圍為

采用粒子群優化算法對注塑件翹曲變形和縮痕估算進行單目標優化，得到翹曲變形和縮痕估算的最優解及其相關參數。翹曲變形量最低為0.45 mm，相對應的注塑加工工藝參數為：=228 ℃、=3 MPa、=5 s；縮痕估算值最低為0.02 mm，相對應的注塑加工工藝參數為：=230 ℃、=2.7 MPa、=2 s。

最終的注塑加工工藝參數需要綜合考慮翹曲變形與縮痕估算，根據上述最佳注塑加工工藝參數的范圍，分別取最佳工藝參數的中間值，選定最終注塑工藝參數為=230 ℃、=3 MPa、=4 s，此時利用Moldflow軟件分析的結果為翹曲變形量為0.49 mm，較優化前默認加工工藝參數下的結果降低8.72%；縮痕估算量為0.15 mm，較優化前默認加工工藝參數下的結果降低20.68%。

3 注塑試驗與結果分析

3.1 注塑試驗

模具試模是在批量生產之前所必須經歷的步驟，在完成模具制造后，測試注塑步驟必不可少。模具在加工制造完畢后，需要通過實際的注塑并得到注塑樣件，然后通過對樣件的一系列尺寸精度檢測和外觀檢測，才能確定設計與制造的模具是否完全符合設計要求。如果注塑樣件精度高，外觀良好，表明模具的質量符合要求，可以批量注塑生產階段；若樣件出現質量問題，則根據情況的不同對模具的設計或者制造工藝進行改進，直至生產出合格的塑件。

在進行灌水器快速模具工藝參數優化分析之后還需要進行試驗驗證，計算機模擬與試驗之間存在差異，由于一些簡化的假設和材料性質的差異，模擬模型永遠不可能與物理模型完全相同。在實際生產中影響注塑的參數有很多，因此以模擬仿真的結果作為主要參考，對各個參數進行微調。

以CAE模擬和粒子群工藝優化結果為基礎，利用灌水器快速模具進行熱塑性注塑成型的生產驗證，并對實際生產中出現的問題進行分析解決。注塑機采用東華130F2V精密注塑機，模芯和模架的安裝位置如圖8所示。以模擬仿真的結果作為主要參考，對各個參數進行微調，最終采用熔體溫度230 ℃，保壓壓力3 MPa，保壓時間3 s，冷卻時間15 s為參數進行注塑加工試驗。可以看出，實際的最優注塑加工工藝參數與模擬值基本一致，也驗證了在灌水器快速模具開發過程中，有限元分析的合理性。

圖8 模芯和模架安裝

3.2 注塑結果和分析

3.2.1 灌水器產品優化前后對比

利用注塑試驗驗證之前仿真結果的正確性，由于翹曲變形難以測量，以縮痕估算作為指標對優化前后的工藝參數進行驗證，其結果如圖9所示。可以看出，在參數優化前灌水器的表面存在著較多的縮痕和流痕，這是由于保壓壓力和保壓時間不合適造成的。在對參數進行優化之后發現灌水器表面的縮痕和流痕大幅減少，驗證了模擬仿真的正確性。

圖9 加工參數優化前后灌水器產品

3.2.2 灌水器產品優化后測量

經過檢驗，產品填充平衡，結構完整，經測量，灌水器長41.28 mm，寬9.322 mm，高2.820 mm，產品設計尺寸為42 mm×9.5 mm×3.0 mm，收縮率為2%，與設計值相對誤差分別為1.71%、1.87%、6%，分別取注塑件的幾個典型位置利用Olympus OLS 4000 激光共聚焦顯微鏡進行測量，流道單元顯微圖及單元尺寸標注如圖10所示，測量尺寸與設計尺寸見表2，灌水器流道的加工尺寸與設計尺寸的相對誤差最大值為9.3%，尺寸精度和翹曲變形滿足要求。

注：A和C分別為流道在水平方向和豎直方向上的流道寬度，mm；B為矩形流道凸出部分的長度，mm。

表2 測量尺寸與設計尺寸對比

3.2.3 灌水器快速模具與傳統模具對比

灌水器快速制模技術與傳統模具制造相比，優勢在于快速制模技術能夠提高產品的開發速度和生產的柔性化程度，快捷、方便地制作模具，縮短模具制造的周期，降低生產成本，具有良好的經濟效益。對于單個灌水器快速模具，在傳統灌水器模具開發過程中，所涉及的費用主要在模具設計和生產階段以及產品試模階段，該兩階段均有人工費用支出，合計達2.1萬元。在模具設計和生產階段，需要完成模具材料的訂購、檢驗和加工，時效性往往不能保證，且灌水器結構復雜，采用電火花加工模具時間較長，合計需要27 d的時間。而進行灌水器快速模具加工時，在完成模具設計后僅需將模型導出為增材制造設備能夠識別的格式，加工時間很短，最長僅需2 d，且數字ABS材料成本比模具鋼低，總成本約為傳統過程的1/4。因此，灌水器模具的快速研發過程較傳統研發過程在加工時間和加工費用上具有較大的優勢，在小批量生產時優勢明顯，有利于新型灌水器的快速推向市場。

4 結 論

1）通過單因素試驗可知，相較于傳統模具，在灌水器快速模具的注塑成型試驗中熔體溫度、保壓壓力和保壓時間對翹曲變形和縮痕產生決定性的影響。

2）根據正交試驗結果，建立翹曲變形量和縮痕估算與注塑加工工藝參數之間的回歸模型，利用粒子群算法得到的最佳注塑工藝參數為熔體溫度230 ℃，保壓壓力3 MPa，保壓時間4 s，和注塑參數優化前相比，翹曲變形下降8.72%，縮痕估算下降20.68%，熔接痕減少，塑件質量得到提高。進行快速模具的試模，得到的實際最佳工藝參數與模擬值基本一致，從而驗證了灌水器快速模具整個開發流程的合理性和正確性。

3）快速模具在灌水器的開發過程中具有重要價值，在模具設計生產過程中能夠極大節約時間和費用，其在小批量生產之中具有廣闊的應用前景。

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Rapid design of the mold and optimization of processing parameters for labyrinth channel emitter

Chen Zhuo, Wei Zhengying※, Chen Xueli, Ma Jinpeng, Wei Caixiang

(,,710049,)

Traditional mold development process is long and costly, to solve the problems of long processing cycles and high processing cost of traditional injection irrigation molds of the labyrinth channel emitter, a rapid manufacturing technology and injection molding process of the emitter mold was developed in this study. Digital ABS was used as the rapid mold material and PolyJet technology was chosen to form the mold to ensure accuracy and strength. The mechanical properties and thermodynamic properties of rapid molds were different from that of ordinary molds. The thermal conductivity of digital ABS as a mold material was about one thousandth of traditional mold steel, which indicated that the processing parameters affected product quality were also quite different from ordinary molds. In order to determine the influence of different processing parameters on the forming quality, the warpage amount and shrink mark were used as the evaluation index. The initial molding process parameters were mold surface temperature 52 ℃, melt temperature 230 ℃, filling control was automatic, speed / pressure was switched to automatic, holding pressure was 2MPa, holding time was 3 s, and cooling time was 30 s. The single-factor experiments, and the four-factor five-level orthogonal experiments were conducted through Moldflow software. The regression models between warpage deformation amount and shrink mark with different parameters were obtained. The experimental results showed that the cooling time had no effect on the amount of warpage and shrinkage, and the melt temperature, holding pressure and holding time had a decisive effect on warpage and shrinkage. Before parameter optimization, the shrink mark under the initial processing parameters was estimated to be 0.19 mm, and the maximum warpage deformation was 0.54 mm. The best process parameters obtained by Moldflow were melt temperature 230 ℃, holding pressure 3 MPa, holding time 4 s. After optimizing the molding process parameters, the warpage deformation and the shrink mark were reduced by 20.68% and 8.72% respectively. The weld marks were reduced, the quality of plastic parts was improved, and the design requirements were met. In the injection molding machine, a rapid mold was used to verify the injection molding experiment, which proved the correctness of the structure and process. The size of the produced irrigator was 41.28 mm × 9.322 mm × 2.820 mm, and the product design size was 42.0 mm × 9.5 mm × 3.0 mm. The deviations from the design values were 1.71%, 1.87% and 6% respectively, and the accuracy was remarkably high. Regarding the size of the flow channel, the relative error between the processing size and the design size of the flow channel of the labyrinth channel emitter was 9.3%, and the dimensional accuracy met the requirements. Compared with the traditional mold processing, the rapid mold realized the rapid development of the irrigation device. Under the condition of ensuring the quality of the irrigation device, the processing time was greatly shortened and the processing cost was reduced. Rapid mold technology shortened the original mold processing time of about 20 days to 2 days. It provided a certain theoretical basis for the design and development of new irrigation devices.

design; experiment; rapid mold; injection molding; digital ABS; labyrinth channel emitter

陳卓，魏正英，陳雪麗，等. 迷宮型灌水器快速模具設計及加工參數優化[J]. 農業工程學報，2020，36(14)：106-113.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.013 http://www.tcsae.org

Chen Zhuo, Wei Zhengying, Chen Xueli, et al.Rapid design of the mold and optimization of processing parameters for labyrinth channel emitter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(14): 106-113. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.013 http://www.tcsae.org

2020-03-14

2020-06-24

“十三五”國家重點研發計劃項目（2017YFD0201504）

陳卓，研究方向為快速模具。Email：chenzhuo0712@qq.com

魏正英，教授，博士生導師，研究方向為微流體器件設計與制造。Email：zywei@mail.xjtu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.013

S277.95

A

1002-6819(2020)-14-0106-08