基于響應(yīng)面算法的雙色燈罩注塑工藝優(yōu)化

劉幫禹 黃瑤 唐兆龍

(1.江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江,212013；2.江蘇彤明高科汽車(chē)電器有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江,212013)

隨著生活質(zhì)量的日益改善,各行各業(yè)對(duì)于產(chǎn)品外觀及質(zhì)量的要求越來(lái)越高,尤其對(duì)于不斷追求節(jié)能減排的汽車(chē)行業(yè),塑料產(chǎn)品得到了廣泛使用[1]。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件的應(yīng)用,“數(shù)值模擬+多目標(biāo)優(yōu)化”相結(jié)合的方法能快速準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出滿足成型質(zhì)量的零件,從而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn),提高零件的質(zhì)量[2]。

下面以汽車(chē)尾燈雙色燈罩為研究對(duì)象,綜合考慮注射成型過(guò)程中會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成影響的參數(shù)(如熔體溫度、模具溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間等),采用最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)選取試驗(yàn)方案,通過(guò)Moldfl ow進(jìn)行工藝過(guò)程模擬,建立響應(yīng)面近似模型,將成型過(guò)程中的影響因素與結(jié)果具體化、數(shù)字化,最后為了控制塑件的收縮率及最大翹曲變形量,對(duì)其進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,得到最優(yōu)參數(shù)組合之后再利用Moldfl ow進(jìn)行模擬。驗(yàn)證結(jié)果表明:多目標(biāo)優(yōu)化后的預(yù)測(cè)結(jié)果與Moldfl ow所得到的模擬結(jié)果誤差很小,可以生產(chǎn)出低收縮率、低翹曲變形量的雙色尾燈燈罩。

1 材料及成型工藝選擇

1.1 塑件結(jié)構(gòu)分析及材料選擇

選取汽車(chē)尾燈雙色燈罩作為研究對(duì)象,三維模型如圖1所示。產(chǎn)品尺寸為135 mm×498 mm×252 mm,圖1中,產(chǎn)品白色部分表面積較大,表面質(zhì)量要求較高；黑色部分整體呈細(xì)長(zhǎng)環(huán)形,易出現(xiàn)較大翹曲變形,塑件成型過(guò)程中的翹曲變形以及殘余應(yīng)力是影響塑件服役壽命的關(guān)鍵[3]。塑件選取流動(dòng)性、透光性較好且價(jià)格低廉的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

1.2 注塑工藝

與單色相比較,雙色注塑的工藝較復(fù)雜,需要相互配合和協(xié)調(diào),因此對(duì)模具的尺寸精度要求極高[4]。尾燈燈罩采用覆蓋式雙色注塑方式,第一次注塑黑色裝飾部分,第二次注塑白色透光部分。第一次注塑完成后,黑色部分留在后模,開(kāi)模但不頂出塑件,后模旋轉(zhuǎn)180°,再次合模進(jìn)行第二次注塑,保壓冷卻,開(kāi)模,頂出整個(gè)塑件。

1.3 注塑模擬

首先利用CAD軟件將三維實(shí)體進(jìn)行初步修復(fù)；然后將初步修復(fù)后的三維實(shí)體導(dǎo)入Moldfl ow軟件,進(jìn)行2D網(wǎng)格劃分,并進(jìn)行網(wǎng)格修復(fù),使網(wǎng)格匹配率達(dá)到85%以上,縱橫比不超過(guò)10；最后進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分后導(dǎo)入到同一方案中,注塑方式選擇“熱塑性塑料重疊注塑”,工藝選擇“填充+保壓+重疊注塑充填+重疊注塑保壓+翹曲”進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)因素及水平選擇

熔體溫度及模具溫度范圍是根據(jù)Moldfl ow材料庫(kù)推薦工藝參數(shù)選取,保壓壓力是根據(jù)默認(rèn)模擬參數(shù)范圍選取(占最高注射壓力的百分比)。最終確定工藝參數(shù)及其取值范圍:第一射熔體溫度(A)在240～280℃,第二射熔體溫度(B)在240～280℃,模具溫度(C)在35～80℃,第一射保壓壓力(D)在50%～80%,第二射保壓壓力(E)在50%～80%,保壓時(shí)間(F)在6～14 s。選取第一射體積收縮率(Y1/%)、第二射體積收縮率(Y2/%)、總翹曲變形量(Y3/mm)作為響應(yīng)量。

2.2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

選取最優(yōu)拉丁超立方抽樣法進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì),優(yōu)勢(shì)在于其通過(guò)優(yōu)化輸入采樣點(diǎn)的空間分布使得抽樣點(diǎn)分布更均勻(見(jiàn)圖2)。

最優(yōu)拉丁超立方抽樣法的原理為:假設(shè)有k個(gè)工藝參數(shù)x1,x2,……x k,從其上下界區(qū)間中取出N個(gè)樣本,則每個(gè)變量的累積分布被分成相同的N個(gè)小區(qū)間,使這些點(diǎn)落在N個(gè)區(qū)間內(nèi)的概率相同,并保證每個(gè)參數(shù)的每個(gè)水平只被研究一次,則認(rèn)為k個(gè)參數(shù)構(gòu)成了維度為N的最優(yōu)拉丁超立方[5]。

在isight軟件中選用最優(yōu)拉丁超立方抽樣法,根據(jù)工藝參數(shù)取值范圍設(shè)計(jì)60組試驗(yàn)方案,再利用Mol dfl ow進(jìn)行模擬分析,試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

3 結(jié)果分析及其優(yōu)化

3.1 響應(yīng)面近似模型的建立

響應(yīng)面法是在試驗(yàn)區(qū)域已接近最優(yōu)區(qū)域時(shí),利用合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法得到一定數(shù)據(jù),并采用多元二次回歸方程來(lái)擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系,通過(guò)對(duì)回歸方程的分析來(lái)尋求最優(yōu)工藝參數(shù),從而解決多變量問(wèn)題的一種統(tǒng)計(jì)方法[6]。

在表1的基礎(chǔ)上使用isight軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方程擬合,方程式如公式(1)～(3)所示。

3.2 響應(yīng)面近似模型精度檢驗(yàn)

響應(yīng)面模型誤差分析評(píng)價(jià)參數(shù)有最大絕對(duì)值誤差(MAE)、平均絕對(duì)值誤差(A MAE)、均方根誤差(RMSE)、決定系數(shù)(R2)和樣本修正決定系數(shù)(R2adj)。各評(píng)價(jià)參數(shù)的數(shù)學(xué)計(jì)算如公式(4)～(10)所示。

式(4)～(10)中:y i代表各試驗(yàn)方案所得到的模擬值；^yι表示該近似模型所得到的預(yù)測(cè)值；ˉyι表示試驗(yàn)方案所得到模擬值的平均值；n表示試驗(yàn)方案數(shù)；k表示試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)；s表示所得回歸方程中系數(shù)的個(gè)數(shù)；i為變量的序號(hào)(取1～60)；SST表示離差平方和；SSE表示殘差平方和。

為了保證所建立響應(yīng)面擬合方程的精度,要求MAE不超過(guò)0.3,A MAE不超過(guò)0.2,RMSE不超過(guò)0.2,R2不小于0.9,并且R2越接近1則代表其函數(shù)的擬合精度越高,R2太小時(shí)則代表其函數(shù)的擬合精度較低,應(yīng)重新進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面的擬合[7]。

為了避免所建立響應(yīng)面近似模型預(yù)測(cè)誤差過(guò)大,以評(píng)估不同設(shè)計(jì)變量對(duì)于所得回歸方程的逼近程度所造成的影響,以此來(lái)提高響應(yīng)面擬合方程的擬合精度。

利用公式(4)～(10)計(jì)算相應(yīng)近似模型的各誤差評(píng)價(jià)參數(shù),如表2所示。由表2可知,R2及都大于0.9,MAE都小于0.3,RMSE都不超過(guò)0.2,A MAE都遠(yuǎn)小于0.2。因此可以確定,所得到的4個(gè)響應(yīng)面近似數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確度較高,可以用來(lái)代替有限元模型的計(jì)算。

表2 誤差評(píng)價(jià)參數(shù)

3.3 參數(shù)優(yōu)化及模擬

利用isight軟件中的優(yōu)化模塊進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,將Y1,Y2及Y3作為優(yōu)化目標(biāo),得到多目標(biāo)優(yōu)化后的預(yù)測(cè)值。基于響應(yīng)面多目標(biāo)優(yōu)化的最優(yōu)參數(shù)組合:A為240.03℃,B為245.65℃,C為73.41℃,D為78.42%,E為80.00%,F為10.36 s。用Mol dflow軟件進(jìn)行工藝模擬,結(jié)果如圖3所示。最優(yōu)參數(shù)組合下汽車(chē)雙色尾燈燈罩響應(yīng)量的預(yù)測(cè)值及模擬值見(jiàn)表3。由表3可知,Y1,Y2及Y3的預(yù)測(cè)值與模擬值均處于允許范圍內(nèi),這說(shuō)明多目標(biāo)優(yōu)化后的預(yù)測(cè)值與模擬值十分吻合,進(jìn)一步驗(yàn)證了所建立的多目標(biāo)響應(yīng)面近似模型的有效性。

表3 最優(yōu)參數(shù)組合下的預(yù)測(cè)值及模擬值

4 產(chǎn)品驗(yàn)證

使用多目標(biāo)優(yōu)化后的最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行試生產(chǎn)并驗(yàn)證,圖4為試生產(chǎn)的雙色燈罩驗(yàn)證產(chǎn)品。經(jīng)檢測(cè),產(chǎn)品的Y3為1.840 mm,與模擬值相差僅0.010 mm。參數(shù)優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4。與優(yōu)化前相比,Y1,Y2及Y3的優(yōu)化率分別為8.2%,3.1%,20.8%。因此,優(yōu)化后的成型工藝參數(shù)降低了產(chǎn)品的翹曲變形量,能夠達(dá)到裝配要求。

表4 參數(shù)優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

a) 通過(guò)isight軟件進(jìn)行最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了雙色尾燈燈罩工藝參數(shù)優(yōu)化,得到可靠的響應(yīng)面模型,并且通過(guò)精度檢驗(yàn)得出擬合方程,可信度較高。

b) 基于響應(yīng)面的多目標(biāo)優(yōu)化后得到的最優(yōu)參數(shù)組合:A為240.03℃,B為245.65℃,C為73.41℃,D為78.42%,E為80.00%,F為10.36 s。最優(yōu)參數(shù)組合下,Y1,Y2及Y3的模擬值分別為8.304%,8.049%,1.830 mm。

c) 采用多目標(biāo)優(yōu)化后的最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行模擬并試生產(chǎn),可以生產(chǎn)出符合要求的塑件產(chǎn)品。