陳鳳琴，陳宇剛

（1.江西服裝學院商學院，江西省南昌市 330201； 2.江西服裝學院服裝工程學院，江西省南昌市 330201）

計算機仿真在塑料加工工藝優(yōu)化領(lǐng)域的應用研究進展

陳鳳琴1，陳宇剛2

（1.江西服裝學院商學院，江西省南昌市 330201； 2.江西服裝學院服裝工程學院，江西省南昌市 330201）

綜述了比例積分微分（PID）法和計算機輔助工程（CAE）技術(shù)在塑料制品加工工藝優(yōu)化和調(diào)控中的應用。PID法可以對加工工藝進行分段式調(diào)控和優(yōu)化，從而得到動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性均較好的加工工藝，進而提高塑料制品的質(zhì)量；CAE法主要用于薄壁制品的加工中，通過對材料的科學選擇、結(jié)構(gòu)的合理設計以及工藝的有效優(yōu)化，能夠降低塑料制品產(chǎn)生缺陷的概率和程度。在工藝優(yōu)化過程中，由于工作量巨大，因此，采用計算機模擬是一種具有高效性、可靠性和科學性的方法。

塑料制品 比例積分微分法 計算機輔助工程技術(shù) 工藝優(yōu)化 加工缺陷

高分子材料具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性、耐候性、耐化學藥品腐蝕性等特點，一些特種高分子材料還具有優(yōu)異的介電性能、光學性能、阻燃性能等［1-5］。如共軛高分子材料具有優(yōu)異的導電性能，聚氨酯和酚醛樹脂具有優(yōu)異的保溫性能，超高相對分子質(zhì)量聚乙烯因其強度高而用于防彈衣中。由于高分子材料加工簡便，成本低，在民用、軍用、醫(yī)用、航空航天等設備中都有著廣泛的應用。另外，近年來，隨著噴涂、三維打印等技術(shù)的興起，進一步推進了高分子材料的應用［6-10］。目前，在生產(chǎn)生活中，應用最廣泛的高分子材料還是以聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等為主的熱塑性高分子材料，這些高分子材料的主要加工方式均為注塑加工。

注塑加工是利用注塑機將高分子原料加熱至其熔點以上，然后將聚合物熔體注射到模具中，待聚合物熔體冷卻成型后便可以得到制品。加工過程中，物料預熱溫度、熔體溫度、注射壓力、注射時間、保壓時間、保壓壓力、冷卻溫度等對制品質(zhì)量產(chǎn)生不可預估的影響［11-15］。在傳統(tǒng)加工方法中，只能通過大量平行試驗和操作經(jīng)驗對加工參數(shù)進行確認，不僅過程繁瑣，且加工成本高。計算機仿真應需而生，且發(fā)展較為迅速，極大彌補了傳統(tǒng)方法的不足。計算機仿真技術(shù)包括分子設計、工程設計及制造等方面，常用軟件有Moldflow，Matlab等，常用方法有密度泛函理論、蒙特卡洛方法、模糊比例積分微分（PID）法等。結(jié)合分子力學、量子力學、流變學等可以滿足高分子材料的微觀結(jié)構(gòu)設計和宏觀加工成型等方面的需求，廣泛用于新材料的開發(fā)、分子設計和模擬、制品的模型設計、制品結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化、材料加工整個過程的輔助控制等［16-20］。本文主要介紹了熱塑性高分子材料注塑加工過程中各加工參數(shù)對塑料制品質(zhì)量的影響，并對計算機仿真技術(shù)在這一領(lǐng)域的應用進行了探討。

1 PID法對加工工藝的優(yōu)化與調(diào)控

在熱塑性高分子材料的注塑加工過程中，料筒溫度過低，聚合物熔體不能充分流動，內(nèi)應力不能及時釋放，造成塑料制品產(chǎn)生氣泡、微孔、裂紋及翹曲變形等缺陷；但是，如果溫度過高，聚合物熔體易分解或被燒焦，冷卻時迅速收縮造成制品尺寸不滿足要求和翹曲變形等。

利用計算機仿真技術(shù)可以對注塑工藝參數(shù)進行仿真、調(diào)控和優(yōu)化，防止在實際生產(chǎn)中出現(xiàn)超調(diào)和震蕩現(xiàn)象，并可以得到最佳加工工藝，從而提高塑料制品的質(zhì)量。PID法是較為常見的方法。王平江等［21］利用模糊PID法，同時結(jié)合多種計算機仿真技術(shù)對“華中8型”數(shù)控全電注塑機的料筒加熱過程進行了模擬。發(fā)現(xiàn)當料筒終溫為190.00℃，升溫時間為800 s時，升溫過程較為穩(wěn)定，不會出現(xiàn)沖溫現(xiàn)象，并且升溫結(jié)束后，在長達2 200 s內(nèi)，料筒溫度都可以穩(wěn)定在190.00 ℃，不發(fā)生溫度震蕩。在實際生產(chǎn)中，即便料筒結(jié)構(gòu)不同以及不同材料具有不同的熱力學特點，且有環(huán)境因素的影響，與模擬結(jié)果也僅相差±1.50 ℃?？刂屏贤矞囟葹?90.00 ℃，所制聚丙烯制品未出現(xiàn)明顯缺陷。由于料筒溫度對不同的聚合物原料，甚至是不同產(chǎn)地的同一種原料的影響都各不相同，所以利用多種計算機仿真方法，能夠更為精確地實現(xiàn)工藝的優(yōu)化，提高仿真結(jié)果的可靠性和真實性。陶西孟等［22］也對注塑機料筒溫度進行了仿真，采用分段模糊PID法，將注塑機料筒分為3～6個具有不同設定溫度的加熱段。經(jīng)仿真研究發(fā)現(xiàn)，將料筒溫度設定為280.00 ℃時，利用分段模糊PID法進行模擬的誤差低至0.19 ℃，而普通PID控制的穩(wěn)態(tài)誤差高達5.80 ℃；當溫度設定為380.00 ℃時，分段模糊PID法進行模擬的誤差也僅為1.13 ℃。這說明分段模糊PID法具有較為精確的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，能夠用于多種聚合物的注塑加工。在實際生產(chǎn)中，經(jīng)常需要對混料混色的原料進行加工。周錫恩等［23］設計了一種具有自適應特性的模糊PID法，用于混色混料原料加工料筒溫度的仿真模擬。結(jié)果表明，這種具有自適應特性的模糊PID法的穩(wěn)定性較為優(yōu)異，當設定溫度為160 ℃時，加熱過程中的超調(diào)現(xiàn)象低于20 ℃，溫度響應時間少于150 s，而且保溫過程中溫度未出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，完全滿足實際生產(chǎn)中對混料混色原料的注塑加工工藝調(diào)控要求。除原料本身特性以外，注塑機料筒結(jié)構(gòu)和人工因素是另外兩個影響溫度控制精度的主要因素。羅帆等［24］針對這些因素設計了一種自整定模糊PID法。研究發(fā)現(xiàn)，與普通模糊PID法相比，通過對料筒溫度進行分段控制，任一加熱段的溫度超調(diào)、加熱時間和穩(wěn)態(tài)誤差分別降低了1.00 ℃，8 min，0.10 ℃。這說明所設計的自整定模糊PID法在塑料注塑加工工藝控制中具有十分重要的指導意義。

除料筒溫度外，注塑加工過程中的注射壓力、注射速率、保壓壓力和保壓時間等也對塑料制品的質(zhì)量有著十分顯著的影響。較高的注射壓力和注射速率會加快聚合物熔體的流動速率，使聚合物熔體無法及時釋放內(nèi)應力，從而導致塑料制品產(chǎn)生缺陷；過低的注射壓力和注射速率有可能導致注射過程中補料不足，從而影響塑料制品的質(zhì)量。因此，合適的保壓壓力和保壓時間可以保證塑料制品的尺寸精度［25］。注塑機的電液系統(tǒng)是控制注射壓力及保壓壓力的系統(tǒng)，彭華［26］利用模糊PID法模擬了MA900型注塑機的電液系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)，當注射壓力為6 MPa，分為5段保壓，每段保壓1 s，5段保壓壓力分別為2，4，6，4，2 MPa時，可以有效避免注射過程中建壓不足現(xiàn)象，并且避免了工藝超調(diào)現(xiàn)象的發(fā)生。將優(yōu)化后的注射工藝應用到圓片型塑料制品的實際生產(chǎn)中，所制塑料制品的質(zhì)量誤差可控制在0.04 g以內(nèi)。張鵬飛等［27］分別采用模糊PID法和傳統(tǒng)PID法對塑料注塑加工的注射速率進行了計算機仿真。結(jié)果表明，當注射速率為1.0～2.5 m/s時，傳統(tǒng)PID法的超調(diào)現(xiàn)象嚴重，并且達到穩(wěn)態(tài)后存在明顯的震蕩現(xiàn)象。相比之下，模糊PID法的響應過程不存在超調(diào)現(xiàn)象，達到穩(wěn)態(tài)后也沒有震蕩現(xiàn)象的發(fā)生。另外，加熱工藝、溶膠和射膠過程在一定程度上也影響塑料制品的質(zhì)量［28］。崔振華［29］利用預估補償模糊PID法對注塑射膠裝置及射膠系統(tǒng)的相關(guān)工藝進行了模擬。結(jié)果表明，所設計的預估補償模糊PID法的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性都優(yōu)于傳統(tǒng)的PID法，而且通過計算機仿真還得到了注塑過程中最佳的注射曲線和成型工藝。

綜上所述， PID法對工藝的調(diào)控具有較快的響應速率以及較為優(yōu)異的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，并且通過對加工工藝的優(yōu)化能夠?qū)ふ业阶罴训募庸すに?，減小塑料制品尺寸誤差，避免產(chǎn)生質(zhì)量缺陷；而且，采用PID法仿真可以得到超調(diào)現(xiàn)象和震蕩較小的加工工藝，對實際生產(chǎn)起到指導作用。

2 計算機輔助工程（CAE）技術(shù)在加工工藝優(yōu)化中的應用

PID法是對加工工藝進行調(diào)控和優(yōu)化，而CAE技術(shù)則是對加工工藝進行詳細模擬，進一步優(yōu)化加工工藝。影響塑料制品質(zhì)量的因素較多，人工進行篩選的工作量繁重，利用CAE技術(shù)可以極大簡化工藝優(yōu)化過程，提高效率，降低成本，而且CAE技術(shù)的精度遠高于人工篩選，多用于塑料薄壁制品加工工藝的優(yōu)化。聚丙烯具有優(yōu)異的流動性能，并且因其結(jié)晶特性使聚丙烯制品的收縮率通常較低。另外，聚丙烯的尺寸穩(wěn)定性、耐候性、化學穩(wěn)定性以及力學性能均較為優(yōu)異，常用于薄壁制品的生產(chǎn)。潘秀石等［30］以聚丙烯為原料，進行壁厚為2 mm的電機罩蓋板的加工，并利用CAE技術(shù)對制品加工的冷卻系統(tǒng)和注塑工藝進行模擬，得到了優(yōu)化的加工工藝，將其應用到實際生產(chǎn)中，所制聚丙烯薄壁發(fā)動機蓋板的尺寸收縮率僅為1.0%～2.5%。沈洪雷等［31］采用CAE技術(shù)對用聚烯烴或聚酯制備的洗衣機面板的加工參數(shù)進行仿真。研究發(fā)現(xiàn)，針閥式噴嘴可以同時滿足制品不同部位對保壓壓力和保壓時間的要求，能夠制備翹曲變形程度較小以及熔接痕數(shù)量較少的制品；另外，采用CAE技術(shù)對其加工工藝進行仿真的過程中，可以對各工藝進行優(yōu)化，從而對實際生產(chǎn)起指導作用。汽車零部件多為聚丙烯薄壁制品，如汽車后視鏡蓋就是較為常見的塑料薄壁制品。沈曉偉［32］分析了汽車后視鏡蓋的形狀、結(jié)構(gòu)和尺寸，利用CAE技術(shù)對塑料制品的加工工藝進行仿真和優(yōu)化，并進行了制品的加工成型。結(jié)果表明，CAE技術(shù)是一種能夠提高薄壁制品加工效率和加工精度的有效手段。汽車內(nèi)飾也是聚丙烯薄壁制品，加工過程中會因工藝選擇不當而發(fā)生翹曲變形。范亞博［33］利用CAE技術(shù)對汽車內(nèi)飾板的加工過程進行了模擬，并在工藝參數(shù)、翹曲變形和縮痕指數(shù)之間建立了映射模型。通過對注射溫度、注射速率、模具溫度、保壓壓力和保壓時間等進行優(yōu)化，并將優(yōu)化后的工藝用于制品生產(chǎn)，使塑料制品的翹曲變形量由5.828 mm降至5.306 mm，縮痕指數(shù)由3.906%降至3.221%。近年來，汽車輕量化發(fā)展愈演愈盛，所以對全塑車身的加工工藝要求也越來越高。秦柳等［34］以聚乙烯/超輕纖維復合發(fā)泡材料為原料，利用CAE技術(shù)對全塑車身的結(jié)構(gòu)進行了仿真，通過設計模型結(jié)構(gòu)和篩選成型方法，采用旋塑成型工藝進行全塑車身的加工。通過對溫度的優(yōu)化以及對加工過程的簡化，得到了最佳加工工藝，使得升溫時間由未優(yōu)化前的20 min降至12 min左右，而溫度分布誤差也僅為5%～10%，應用到實際生產(chǎn)中后，得到尺寸穩(wěn)定性和力學性能均滿足使用要求的聚乙烯全塑車身制品。

除聚烯烴外，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）通常也用于薄壁制品的注塑成型。張友宏［35］結(jié)合ABS的熱力學特性，利用CAE技術(shù)對ABS手機外殼的注塑工藝進行了模擬和優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)，當料筒溫度為230 ℃時，制品的翹曲變形量可以降至0.297 mm。王?。?6］以ABS為原料制備厚0.500 mm的塑料葉片，采用CAE技術(shù)對加工過程進行仿真時發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)加工工藝優(yōu)化過程相比，CAE技術(shù)的優(yōu)化周期短，加工誤差小，制品質(zhì)量高。尹小定［37］利用CAE技術(shù)對ABS控制面板的加工工藝進行了優(yōu)化，從而設計出了合理的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。當制品尺寸為170.00 mm×90.60 mm×46.64 mm，厚度為2.20 mm時，采用優(yōu)化后的工藝制備的制品的尺寸收縮率低至0.5%。王蕾等［38］利用CAE技術(shù)對ABS的電話機外殼生產(chǎn)工藝進行了優(yōu)化，通過對澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及成型工藝的優(yōu)化和仿真，制備了壁厚為2.00 mm、表面粗糙度為0.8 μm的ABS電話機外殼，產(chǎn)品精度等級為4級。

與傳統(tǒng)優(yōu)化過程相比，采用CAE技術(shù)優(yōu)化的生產(chǎn)周期較短、生產(chǎn)成本較低，并且優(yōu)化后的工藝精度較高，用于塑料制品的生產(chǎn)可以得到缺陷較少的產(chǎn)品。

3 結(jié)語

采用PID法進行加工工藝的調(diào)控和優(yōu)化，可有效改善加工過程中各工藝的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，并制造出質(zhì)量符合要求的制品；采用CAE技術(shù)主要用于薄壁制品的工藝優(yōu)化，將優(yōu)化后的工藝應用于制品加工，能夠得到尺寸精度高、翹曲變形量和縮痕指數(shù)較低、熔接痕數(shù)量較少的制品。在加工工藝優(yōu)化過程中，由于多數(shù)工藝參數(shù)對制品的質(zhì)量都有顯著影響，因此，采用計算機模擬的方法可以有效簡化這一過程，并且通過實例證明計算機模擬具有可靠性和科學性，不僅提高了生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本，采用優(yōu)化的加工工藝還能有效提高制品的加工質(zhì)量。

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Application of computer simulation in optimization of plastics processing

Chen Fengqin1， Chen Yugang2
（1. Commercial College， Jiangxi Institute of Fashion Technology， Nanchang 330201， China；2. Garment Engineering Branch， Jiangxi Institute of Fashion Technology， Nanchang 330201， China）

The application of proportion integration differentiation（PID）and computer aided engineering（CAE）in modification and controlling of plastics processing processes are introduced in this paper. PID method can be used for sectional controlling and optimization to determine the process with optimal dynamic and steadystate characteristics and furthermore，to improve the quality of products. CAE is applied in the processing of thin wall products，it eliminates the probability and severity of the defects of plastic products through the scientific selection of materials，reasonable design of the structure，and optimization of the process. Computer simulation can be used to reduce the extensive workload scientifically in process optimization in high efficiency and reliability.

placstic product； proportion integration differentiation； computer aided engineering； process optimization； defect

TQ 325；TQ 171.6+8

A

1002-1396（2017）04-0090-04

2017-02-20；

2017-04-27。

陳鳳琴，女，1979年生，講師，碩士，2003年畢業(yè)于江西農(nóng)業(yè)大學，主要研究方向為計算機科學與應用及材料智能化設計。聯(lián)系電話：13330090516；E-mail：18235291 @qq.com。