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硕上论文基于粒子群神经网络的双色注塑工艺参数优化 摘要 f 必削 双色注塑成型技术，作为一种最早诞生于2 0 世纪七十年代的生产工艺，在国外 已经得到了较广泛的应用。但由于成型设备价格较高、注塑工艺复杂等原因，该技术 在我国并没有得到广泛引进和应用。国内对双色注塑成型技术的研究和应用还处于初 级阶段，对于双色注塑的成型工艺和成形质量控制方面的研究还比较缺乏。本文对双 色注塑进行了有限元模拟，并用粒子群神经网络对寻找成型最佳工艺进行了探索。 本文的主要工作和成果如下： 1 、通过对双色注塑的原理的研究，建立了可靠的有限元模型。并利用先进的 m o l d n o w 软件进行仿真模拟。通过对仿真结果的分析，模拟的的效果较好。 2 、本文选取注塑件的翘曲量作为质量指标，对工艺参数对质量的影响进行分析。 本文选用十因素三水平的正交试验法先对各个参数进行显著性分析，选出显著影响注 塑件翘曲量的五个工艺参数。 3 、提出了基于b p 神经网络的翘曲量预测模型，并通过算例验证了该算法的准 确性。将对翘曲变形影响显著的第一次的熔体温度，模具温度，熔体的注塑速度，保 压压力，保压时间，最大翘曲变形量作为优化目标，建立了从注塑工艺参数到翘曲变 形的非线性映射关系。 4 、实现了基于粒子群优化算法的工艺参数优化。采用粒子群优化算法，以b p 神经网络预测模型为适应度函数对工艺参数进行优化，使得翘曲变形量更小。 关键词：双色注塑，数值模拟，神经网络，粒子群，参数优化 硕士论文 些竺坚 一 a b s t r a c t a sm e 觚tp r o d u 幽o np r o c e s si nm e s e v 饥t i e so f t h e2 帆c e i l t 哪研o - c o l o r1 n j e c t l o n m o l d i n gt e c h n 0 1 0 9 yh 嬲b e c i lm o r ew i d e l y u s e di nt l l ef o r e i 萨洲e s a sm eh i g h - p n c e f o m i n ge q u i p m 即t a l l dt h e 唧1 e x 蠲枷0 nm o k n n gp r o c e s s m u l t i c o m p o n 咖 e c t i o nm o k h n gp r o c e s sh a sn o tb e 饥w i d c l yi 咖d u c c d 趾d 印p l i a d b e f o r e t h e r e s e 砌 a n da p p l i c a t i o no f 似o c o l o r 蠲e c t i o nm o l d i n ga r ei n 趾e 矾ys t a g e t h e r e s e a r c ho t t 、) l ，o c 0 1 0 r e c t i o nm 0 1 d i r 培f 0 衄i n gp r o c e s s 狃dq u a l i 锣c 0 1 1 仃o l a r cs t i up o o l i h i sp 印e r c o n d u c t saf e mm o l d i n gf o r 帆c o l o ri n j e c t i o n ，觚du s e sp 撕d e s w 砌n e u r a ln 咖o r k s t o6 n do p t i m a lf 0 棚1 i n gp r o c c s s 1 1 1 e m a i n w o r k a n da c h i e v 锄e i l t sa r e 嬲f o l l o w s ： t h r o u 吐t l l ep f i n c i p l e0 ft h e 俩o c o l o ri n j e c t i o nm o l d i n g ，“嘲b l i s h e s ar c l l a b i e 1 f i me 1 锄钮tm o d e l ，u s e s 缸a d v a 童l c e dm 0 1 d n o ws o 脚a r e t 0s m l a t i o n t m u 曲m e 缸a l y s i so fm es 妇u l a t i o nr e s u l t s ，t l l ee 行c c ti s9 0 0 d t l l ep a p e rs e l e c t st h ew a r p a g eo ft h e 蝎e c t i o nm o k h n g a u sq u a l 时i n d i c a t o r s 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b r n e u r a ln 眺w o r kp 同i c t i o nm o d e la s 觚e s s 劬c t i o n k e vw o r d s ：t 、) l r o c 0 1 0 ri n j e c t i o nm o l d i n g ，n u m 丽c a ls i n “a t i o n ，粥u r a l l 咖。咄p a r t l c l e s w a m0 p t i m i z a t i o n ，o p t i i i l i z a t i o no fp r o c c s sp 硼吼c t c r s u 硕士论文基于粒子群神经网络的双色注塑工艺参数优化 1 绪论 1 1 引言 双色注塑成型工艺是一种独特的塑料注塑成型工艺，它可以将不同颜色或不同材 质的注塑成型，注塑在同一种塑料制品上，其实我们也可以将它归为一种在模内成型 时组装或焊接的“嵌件成型”【l 】工艺方法。自从上个世纪7 0 年代的工业化生产以来， 双色注塑技术已逐步被用于多种塑料制品的生产上。这种工艺有着很好的适应性，并 且拥有诸多的优点，比如能够提高产品生产率和质量；在不影响制品使用性能的前提 下，可以满足人们对制品有丰富色彩的需求。 双色注塑成型工艺是一种简便的多组分注塑成型方法。它是使用两个相互独立的 喷嘴从而将两种分离的材料液注入同一个型腔中，进而生产出结构相对简单的双色塑 料产品。随着时代的进步以及人民日常生活水平的日益提高，消费者对消费产品也提 出了越来越高的要求，不仅要有美观的外型、优良的性能、精巧的设计，更加得符合 市场的需求。双色注塑成型技术的发展正好满足了市场的这种需求。 1 2 双色注塑成型技术的发展概况 1 2 1 双色注塑成型技术的发展现状 双色注塑技术最早源于1 9 6 3 年出现在世界著名的德国k 展览【2 1 ，当时出现了第 一台多色注塑成型机。在后来的发展中，双色注塑成型技术渐渐成熟，并开始应用于 收银机和打印机的双色键盘上。随着汽车工业的迅速发展，并主要用于汽车尾灯制造 中。现在，双色注塑成型技术的加工范围从微型的手表仪表盘、微型电子元件，再到 大型的电视机显示器、音响以及洗衣机空调外壳。它的技术在很大程度上体现了一个 国家在机械、电子以及液压设备等工业的实力。可以这么说，塑料工业的发达程度体 现了这个国家高新技术发达的水平。而双色注塑又是注塑成型技术中的难点及热点。 其实双色注塑技术发展主要决定于双色注塑设备的发展，因为它所需要的注塑设 备制造复杂，成本要比单色机要贵，而且模具设计更复杂、精密。所以在现在的展览 会上，双色注塑机一般都是展会的焦点和亮点。 我国注塑机行业的发展，始于改革开放后对国外先进技术的引进。上个世纪八十 年代，我国注塑工业厂家根据国内的状况，招商引资，吸引国外的先进技术，开发新 型注塑机，使我国的注塑业的发展得到了很大的进步。如今国内注塑行业已经发展的 较为成熟，而且由于竞争激烈，很多注塑注塑厂经营情况很严峻，所以很多企业开始 把眼光放在大型以及高价值产品及特殊双色制品的发展上。双色注塑技术在中国也渐 l 绪论 硕士论文 渐蓬勃发展。 现在的双色注塑成型技术，当两种或者多种颜色的塑料注塑结合的同时，也要求 制品外形美观、精度高、不同颜色塑料更好地融合以及制品成型周期短等。这样一来， 对双色注塑机的要求也越来越高了，不同的厂商的设备也都具有各自的特色和优点。 国外做的较为成熟的是在国外，如德国的a r b u r g 、d e m a g 、队u s s m a f f e i 、 p r e s m ac o r p 、d e m a gp l a s t i c sg r o u p 、加拿大的h u s k y 、意大利的 s a n d r e t t o ，还有日本的j s w 、e n g e l 、s o d i c k 、t o s h i b a 及m e 心等。国 内较为有名的是华大机械以及富强鑫集团，前者是大陆首家生产研制双色注塑机的企 业，后者也是投入较早的企业，早在1 9 8 4 年就推出了自己的第一台双色注塑机。因 此，富强鑫公司在双色及夹层混色成型领域中拥有较为先进的技术并累积丰富的销售 实绩，注塑锁模力的范围从1 4 0 吨到1 0 0 0 吨，这些注塑机累积的销售数量已经超过 千台。近年来所发展的b 系列精密双色机有很多种类，这些包括转盘式、转轴式、 电动式、夹层机、混色机等。就形成了f b r 、f b t 、f b c 三大系列的十多种规格， 例如锁模力为1 0 0 0 吨的f b 1 0 0 0 r 的双色注塑机，其转盘直径为1 6 0 0 m m ，这种尺寸 为目前少数大型国产双色机之一，就算在全球市场看来，1 0 0 0 吨级的也只有少数大 厂家才能制造出来【j j 。 不过虽然这样，与国外相比，中国的双色注塑成型技术还是需要进一步发展，而 且前景很可观。因为与单色机相比双物料产品的优势，使得双色机有着不可替代的广 阔市场，随着时代的进步和双色机应用行业的快速发展，双色注塑机在注塑机市场的 比重必将越来越大。 1 2 2 双色注塑成型技术的发展趋势 从近年来在中国举办的注塑相关的展会来看，往往多色成型产品和多组分成型技 术逐渐成了展会的亮点。特别是双色注塑机以及双色技术有关产品展出的数量都在飞 速增长。这些都体现了中国双色注塑技术正在迅速发展。 不仅国内，国外更是如此而且技术发展先进，而且如今在国际市场中双色注塑机 的发展已经由传统的转盘、转轴式双色技术，发展为更高阶的蓄压高速闭回双色成型、 双色嵌入成型以及旋转重模等技术、e s d 油电复合精密双色成型。欧美厂商已将双 色产品的成型技术提升至以几个基本成型技术的“组合”形式呈现，如：双色成型加叠 层模( s t a c km 0 1 d ) 、双色成型加夹层射出、双色成型加模内贴标( i m l ) 、双色成型 加模内组合( m a ) 、双色成型加m l 加i m a 加迭层模等。 还有现在最新的双色成型设备可进行的成型工艺有：不同热塑性塑料共成型；热 塑性和热固性塑料共成型；超薄壁双组分成型；模内装饰成型；气体辅助共注塑成型 等。比如油电复合式注塑机，就是结合了油压及电气两种结构，不仅具有全电式定位 2 硕士论文基于粒子群神经网络的双色注塑工艺参数优化 精准及省能源的特性而且还保有油压结构高推力的特性。也就是说，油电复合式注塑 机以低于全电式注塑机的成本，却能有效改善传统油压式耗能源及精度不佳的问题， 而且大幅降低污染性及噪音问题，对于需要高速循环的多模穴薄壁成型的应用更具优 势。在2 0 0 5 年的c h i n ap l 弱及a p p l a s 就有厂商新推出油电复合式注塑机，如亚塑、 申达、海星、仁兴等，而由统计数据观察，油电复合式注塑机展出比例确实逐年上升 中富强鑫公司观察到这一趋势，于2 0 0 1 年即领先推出a e 系列高速闭回路油电复合 式注塑机，目前已形成锁模3 0 吨5 0 0 吨的完整系列，并成功运用在手机业、导光板、 s d 数字记忆卡、芯片卡、窄距连接器、医疗器材等高精度行业产品。相信油电式机 种在高速、高循环成型领域，未来仍将具有一定的优势及发展空耐4 1 。 以上这些复合技术是双色成型技术领域的发展趋势，以后逐渐用一部注塑机就可 以完成具有以上这些特性的产品。因此，双色技术愈来愈受到重视，而且不仅仅是呈 现双色技术本身，还必须与其它的技术相结合，来创造出更高的经济效益。 1 3 注塑件优化的研究现状和粒子群神经网络算法的应用现状 双色注塑成型具有非线性、多变量特性的特点，使得获得较优工艺条件很困难。 传统上改善工艺条件是用初始参数试错法，试错法虽然可以改善制品质量，但是不仅 费时费力而且消耗成本极大。现在由于智能优化算法的快速发展，大家开始尝试利用 智能算法来对双色注塑成型的工艺参数进行优化。而且的确收到了极好的成效。如今 一些现代寻优算法在各个领域得到了广泛的应用，这些算法包括模拟退火算法、遗传 算法和粒子群优化算法等。这些算法涉及到数学物理科学、人工智能、生物进化、和 统计学等概念，都是在一定的直观基础而构造出来的算法。这些算法的兴起与计算复 杂性理论的形成有着密切的联系。周凤佳【5 j 提出了基于移动最小二乘法拟合响应曲面 的方法，作为粒子群优化算法的适应度函数，将对翘曲变形影响显著的熔体温度和保 压压力这两个工艺参数进行优化。单志【6 】以数值模拟获取的数据为样本，采用支持向 量机建立注塑产品质量和工艺参数之间关系的模型，代替了用c a e 软件进行模拟， 使得制品质量预测更加快捷，并基于该关系模型，采用遗传算法获得了成形工艺的全 局最优解。申长雨【7 】等采用人工神经网络与遗传算法相结合优化注塑成型工艺，以制 品内的体积收缩率差值为质量指标优化工艺，改善了制品内的体收缩率分布。 虽然目前这些算法在双色注塑技术中的应用得到了极好的发展，但是仍然有很多 问题尚待解决，例如制品质量指标与工艺参数之间关系的建模研究还很缺乏，还有如 何在一定约束下，建立制品质量指标与工艺参数之间关系，而且在这种关系的基础上 对双色注塑的工艺参数进行优化，以获得质量良好的制品，这些都是这一领域研究的 关键问题。 3 l 绪论 硕士论文 1 3 1 神经网络算法的发展现状及应用 神经网络的研究起源于1 9 4 3 年数学家w a l t e rp i t t s 和心理学家w a r r m c c u l l o c h 提出的基于生物神经元和简单计算元素之间的关系的理论，这是第一个用数学语言描 述脑的信息处理过程的模型，虽然这个模型里神经元的功能比较弱，但它为以后的有 关的研究工作提供了依据。 神经网络的发展大概经历了三个阶段：1 9 4 7 1 9 6 9 年为初期，在这个阶段科学家 们提出了大量学习规则和神经元模型，如m p 模型、感知器和h e b b 学习规则等。 1 9 7 0 1 9 8 6 年为过渡期，在这个期间，神经网络研究处于低潮期。不过在此期间，科 学家们还是做了大量的工作，如1 9 8 4 年，h i t o n 教授提出b o l t z m a n 机模型。h o 面e l d 教授提出了用于联想记忆和优化计算的途径。1 9 8 6 年，d e 黜1 1 1 1 e m 甜和j l m c c l e l l 趾d 提出了误差反向传播算法，也是至今为止影响很大的一种网络学习方法，即是人们熟 知的b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 神经网络，它的规则是使用梯度最速下降法，然后通过反 向传播来不断调整网络的权值和阈值，从而使网络的输出和实际值的误差平方和最小 【8 1 。1 9 8 7 年至今为发展期，在此期间，神经网络的研究受到国际重视，各个国家都积 极展开研究，形成神经网络发展的高潮则9 1 。 由于神经网络的理论工作的不断深入发展，它的应用研究也取得了突破性的进 展，涉及面非常广泛。神经网络的应用的技术领域涉及到很多方面。比如计算机视觉、 语言的识别、理解与合成、优化计算、智能控制以及复杂系统分析、模式识别、神经 计算机研制、知识推理专家系统与人工智能。 神经网络具有很强的鲁棒性和容错性，能采用并行处理方法，使得计算效率得到 很大提高，而且其还具有自学习、组织、适应性，这样使得神经网络可以处理黑箱无 法预知系统，还可以充分逼近任意复杂的非线性关系。它的信息综合能力处理极强， 能同时处理信息的定量和定性的问题，因此神经网络技术适用于多信息融合以及多媒 体技术。 神经网络虽已在许多领域中取得了广泛的成功，但其发展还存在许多问题，还有 一些问题需进一步研究。神经网络在基础理论框架以及生理层面的研究仍需深入。这 方面的工作虽然很困难，却是神经网络的进一步发展不可缺少的。除了传统的径向基 函数网络、自组织特征映射网络、多层感知机、模糊神经网络、自适应谐振理论网络 之外，一些新的模型和结构很值得关注，例如最近兴起的脉冲神经网络和支持向量机。 1 3 2 粒子群算法的应用现状 美国的k 锄c d y 和e b e r h a i l 受鸟群觅食行为的启发，于1 9 9 5 年提出了粒子群优 化算法( p a n i c l es w a mo p t i m i z a t i o n ，p s 0 ) 。在优化问题中，每个粒子都是问题的一 个解( 设计点) ，并由目标函数为之确定一个适应值( f i t i l e s sv r a l u c ) 。每个粒子在解空间 4 硕士论文基于粒子群神经网络的双色注塑工艺参数优化 中运动，并由一个速度决定其方向和距离。通常粒子将追随当前的最优粒子而动，并 经逐代搜索，最后得到最优解。在每一次迭代中，粒子通过跟踪两个“极值”来更新自 己。一个是粒子本身所找到的最优解，即个体极值p b e s t 。另一个是整个种群目前找 到的最优解，称之为全局极值g b e s t 。粒子在找到上述两个极值后，就根据下面两个 公式来更新自己的速度与位置【l0 1 。 k o + 1 ) = 形( f ) + c l ，口咒d o 宰( p 胁棚一p 船绷旺】) + c 2 m 刀d o 幸( 驴田棚一p 船绷让】) ( 口) p ，p s p 以玎】= p ，s e 以玎 + y ( 6 ) y 【】是粒子的速度，p r 鼯e 虹t 】是当前粒子的位置。p b e s t 】和g b e s t 口如前定义。m d ( ) 是介于( 0 ，1 ) 之间的随机数。c 1 ，c 2 是学习因子，通常c 1 = c 2 = 2 。从公式中可以 看出，影响速度进化的有三个部分：( 1 ) 原始速度，它保证粒子的全局搜索能力；( 2 ) 粒子的认知部分，表示粒子本身的思考，从自身吸取经验的过程；( 3 ) 社会部分，表 示粒子从群体中学习的过程。 粒子通过不断的学习( 速度、位置) 更新，最终都到达解空间中最优解的位置，搜 索过程结束，其算法框架如图1 1 所示。 图1 1p s 0 框架图 目前p s o 算法已经广泛地应用于多种场合。一般多用于搜索单一变量的最优解。 其实p s o 算法拥有别的算法难以比拟的优点，现在此算法已经逐步应用于多目标寻 优问题的求解上，而且取得了不错的效果。 5 l 绪论 硕士论文 p s o 算法与其它算法相比，它的优势在于它的算法很简洁，易实现，不需要调整 太多的参数，而且不需要梯度信息，全局搜索能力强，所以它可以用于组合优化、非 线性连续优化和混合整数非线性优化等各个问题，是一种近年来比较新兴的以群体智 能为基础的启发全局式的随机搜索算法。为各个领域的学者们提供了一种较好的全局 优化技术。通过初始化系统随机解，再不断的迭代搜寻最优值，也就是粒子在解的空 间里追随最优粒子来搜索，而且整个过程中的不会出现遗传算法中常出现的交叉及变 异。 1 3 3 粒子群神经网络算法的应用现状 国内对神经网络和粒子群算法结合的研究很多，不过大部分文献是集中在用粒子 群算法来优化神经网络的参数。师彪等，提出了改进的粒子群算法( m p s o ) ，并与b p 算法相结合，形成改进的粒子群一b p ( m p s p ) 神经网络算法，用此算法训练神经 网络，实现了神经网络参数优化，得到了基于m p s o b p 算法的神经网络模型。综合 考虑气象、天气、日期类型等影响负荷的因素，进行电网短期负荷预测。殷艺云等， 将粒子群算法( p s 0 ) 和b p 神经阿络相结合，构建了一种新型智能结构优化算法p s o 方法除用于结构优化外，还被用于b p 神经网络的构造及网络洲练，使之可自适应调 整优化。也有一些文献是利用神经网络构造粒子群算法的适应度函数，并利用粒子群 算法得到最佳的输入层。舒服华等，提出了一种神经网络与粒子群算法相结合的锡磷 青铜水平连铸工艺参数优化方法。以水平连铸中7 个主要工艺参数为优化对象，带坯 成材率为优化目标，进行正交试验并以试验数据作为样本，利用神经网络建立优化参 数与优化目标的非线性映射模型。利用粒子群算法对建立的模型进行优化，获得最优 铸造工艺参数。实际生产证明，经优化的铸造工艺参数使带坯的成材率从5 6 提高到 7 1 。贺勇等，用截止品位与人选品位一起组成进化计算的个体，用自适应神经网络 建立收益( 适应度函数) 与粒子个体的局部联系，然后利用粒子群算法的全局搜索功能 找出使适应度函数( 收益) 最大时的品位组合( 截止品位及入选品位) 。研究结果表明： 现在大冶铁矿截止品1 8 ，入选品位4 1 4 2 的生产方案有待改进，当截止品位为 1 7 8 3 3 7 1 7 8 3 6 7 ，入选品位取值为4 6 4 。 从上面的研究可以看出，粒子群神经网络的优化效果很好，而且神经网络算法很 成熟，粒子群算法容易全局收敛，所以本文选用粒子群神经网络算法作为双色注塑模 工艺参数优化的算法。 1 4 本文研究内容 6 本文主要工作： 在双色注塑成形制品质量控制方面存在困难不仅来源于工艺的复杂性和在温度、 硕士论文基于粒子群神经网络的双色注塑工艺参数优化 压力变化下材料行为的不可预测性，还来源于对工艺参数对双色注塑件质量影响的不 了解。研究哪些工艺参数是影响注塑件质量的主要因素，是建立质量和工艺之间关系 的前提。另外传统上研究工艺参数的的合适值都是通过经验和不断的做实验而得到 的，成本很高，代价很大。在得到质量和工艺参数关系模型后，便可以通过一些智能 算法对工艺参数进行优化。 本文的第一部分，简要介绍了双色注塑技术的历史以及国内外双色技术的发展现 状。还讲述了双色注塑技术的原理以及成形设备以及相关的模具技术，介绍了神经网 络和粒子群算法的发展现状。第二部分介绍了整个注塑成形过程中的仿真原理，简要 介绍了注塑成形中各个步骤的模型以及整个过程中所使用的模拟方法。第三部分阐述 了在双色注塑成形中涉及到的c a e 技术的应用。同时对c a e 的软件m o l d n o w 也做 了相应的介绍。并且使用正交试验法对转向系统中配件注塑模拟过程做相应的了分 析，总结出了该过程中的主要影响因素。第四部分针对该过程中遇到的主要问题一翘 曲变形一进行了专门的数值模拟与分析，并进行了工艺参数的优化。 综上所述，本文主要工作内容如下： ( 1 ) 通过对转向系统配件的双色注塑模件的c a e 模拟，分析和研究注塑成型过 程中工艺参数对注塑件质量的影响； ( 2 ) 利用正交方法设计实验，运用m o l d f l o w 软件，分析得到了两次注塑过程 中的熔体温度、模具温度、注塑时间、保压时间、保压压力这五个因素对于转向系统 配件的翘曲变形的影响。通过方差分析比较了各工艺参数对注塑件翘曲变形的影响程 度，由此得到影响翘曲变形的显著因素。 ( 3 ) 研究基于神经网络的翘曲量预测模型，在m a t l a b 中实现该算法，并通过双 色注塑模件的c a e 模拟验证该算法的准确性。将对翘曲变形影响显著的第一次熔体 温度、模具温度、注塑时间、保压时间、保压压力这五个因素作为设计变量，最大翘 曲变形量作为优化目标，采用正交实验的部分数据作为训练样本，对模型进行训练。 并用剩余部分的数据作为测试样本对模型进行验证。这样就用神经网络建立从注塑工 艺参数到翘曲变形量的非线性映射关系。 ( 4 ) 实现基于粒子群优化算法的( p s o ) 工艺参数优化。采用粒子群优化算法，结 合神经网络预测模型对工艺参数进行优化，使得最大翘曲变形量最小。 7 2 双色注塑成型i ：艺及模拟分析原理硕十论文 2 双色注塑成型工艺及模拟分析原理 由于注塑塑料是大分子材料，其内部结构与金属相比而言比较复杂，所以很好地 掌握其性能特点有一定的难度。双色注塑成型是顺序层叠的注塑过程，可以认为是两 次单注塑的注塑过程。双色注塑成型过程中有可能出现第一次注塑材料因为第二次注 塑而发生再次熔化的状况。 2 1 双色注塑成型工艺过程 2 1 1 双色注塑成型原理 与传统的共注塑成型方法得到的产品不同，双色注塑的产品没有典型的内外两种 材料分布的形式，它的外层可以包含两种材料。本质地讲，它是这样一个过程：把两 个简单的单组分注塑过程置于同一个型腔中同时完成。 如图2 1 所示的即为双色注塑成型技术，图示的两套注塑装置各自拥有独立的注 塑循环过程，这个工艺过程中所要用到的两种不同材料是使用两个不同的注塑单元通 过图中的两个浇口在同一时刻注入同一个型腔中，在这样一个成型周期中。其中，两 种注塑材料分别先由两种材料的注塑单元来塑化，接下来同时注入型腔。整个型腔中 的只有一部分需要材料a 填充，剩下的型腔空间再来由b 材料注塑填充。最后制品 经过冷却固化工序后就被模具推杆组织推出型腔，最终制品形状如图2 1 中的样子， 不同特质的材料都是可见的，很明显，可以看出这种制品中间的结合面虽然具有两种 材料也很光滑【1 1 1 。 材料a 一 ( a ) 注塑结束( b ) 完成件 图2 1 双色注塑成型 2 1 2 双色注塑成型工艺过程 双色注塑成型工艺事实上是一种模内组装或者说是模内焊接的“嵌件成型”工艺。 一般来说制造双色制品经常使用下面两种成型工艺。 硕士论文基于粒子群神经网络的双色注塑工艺参数优化 ( 1 ) 使用收缩型芯模具来制造制品 如图2 2 所示。这种收缩型芯工艺，是刚开始将第一种材料注入到型腔中以得到 制品的外表部分，如图2 2 ( a ) 所示。然后等到其固化后，采用液压装置后退延伸至 模具型腔中可活动型芯或滑板部分，再接着注入第二种材料在后退型芯后留下的空间 中，如图2 2 ( b ) 所示。最后经过冷却和固化、脱模从而得到制品【1 2 】。 2 2 ( a ) 注塑第一种材料( b ) 注塑第二种材料 1 遥4 芯：2 液压装置 图2 2 收缩型芯模塑工艺注塑成型过程 ( 2 ) 旋转模具模塑工艺成型法 在这个成型过程中，我们先将第一种塑料材料a 注入到型腔1 中，这样可以得 到该制品的单色部件，如图2 3 所示。接着把模具回转1 8 0 0 ，往大型腔2 中注塑材料 b 得到制品。 3 4 1 小型腔；2 人型腔：3 小型腔注塑装置；4 人型腔注塑装置 图2 3 旋转型芯注塑成型过程 必须注意，在此过程中，对这两个相互独立的注塑循环而言，从开始合模注塑再 9 2 双色注塑成型工艺及模拟分析原理 硕士论文 到开模的时间要求必须相同，所以这两个注塑循环中的注塑时间和冷却时间以及保压 时间都应该彼此相协调，这些也恰好是影响甚至制约双色注塑成型工艺技术的关键因 素。比如使用同种材料进行双色注塑的时候，应采取措施尽量去缩短小型腔中先成型 制品的冷却时间，因为如果一旦冷却时间长了将会导致制件的体积收缩增大，在接下 来的后续注塑部分将会产生较大的内应力，将严重影响到制品的质量，关系着双色的 成败。 2 2 双色注塑成型技术的特点及应用 2 2 1 双色注塑成型技术的特点 虽然双色注塑成型技术与单色注塑技术相比，有很多不同点。但是双色注塑成型 制品在结构设计和工艺设计上也需要遵循普通注塑制品的设计准则和结构设计准则。 不过也存在一些差异，比如在选择材料时。接下来将着重增加另外几点材料的选取原 则以及结构的设计要点。 第一，要想使用双色注塑成型工艺，需要用到的材料要有相互兼容性且能相互结 合。此外，材料的流动特征和热力学特性也应该尽量一致，否则的话两种材料联结处 则无法同时到达结合并且固化，当满足了上面的这些要求，任何可应用于单一注塑的 材料都可以应用于双色注塑。 第二，一般来说双色注塑成型工艺仅用于成型那些具有相对平整结合面的简单双 色部件，由于注入的材料在型腔内部黏合的时候在结合表面很难形成复杂结合面的部 件，这也就是说着这两种材料在微观上能够形成有效的交叉结合对于双色部件的完整 性起着至关重要的作用。另外，一种材料有穿透另一种材料的可能性，所以诸如表层 型芯材料的分布样式以及包覆形的截面设计都不是可行的。因此，与其它多组分注 塑成型的产品相比，双色注塑成型的部件一般来说抗力较小，它通常被用于生产结构 较为简单的多色部件。 1 0 ( a 如b 口d 豳一豳 咖口 图2 4 增加两种接触面积 硕士论文基于粒子群神经网络的双色注塑工艺参数优化 最后，在双色注塑成型的工艺中，可以通过从宏观上增加两种材料接触面积去增 加双色制品的熔接强度【1 3 】。例如通过非工作面去扩大两部分的接触面积，如图2 4 ( a ) 所示，也可以在接触处小型腔制品的四周去设计凹、凸槽以增加接触面积，如图2 4 ( b ) 所示。 2 2 2 双色注塑成型制品的特点及应用 第一，双色注塑成型最主要的特点是需要用到专门的模具，之所以这样是因为这 个专门的模具需要将两个完全不同的喷嘴系统结合到一起，同时在设计模具的阶段， 要保证这两种材料均能进行正确的理想的流动，从而使两种材料可以出现理想的结合 面。第二，双色注塑成型还应该有两个独立的注塑单元，各种材料均要进行塑化和注 塑，而且还要保证注塑的同步。 鉴于这些特点，双色注塑技术一直被应用于生产多色制品，目前这种工艺应用已 经开始广泛普及。之所以企业都选择双色注塑成型制品，丰要是它具有很多单色制品 不具有的优点： 首先，它能够改善手感舒适度。一些手持产品，例如电动工具把手，扳手，保温 杯，讲机外壳，工具柄等，我们需要在手持部位能够使用橡胶，这样的话手感会比较 舒适。其次，它能够满足产品功能的要求。对汽车开关，键盘指示灯，手机按键，各 种电源开关等，要求它们的显示器部分能够透光，双色注塑成型就可以实现。再者， 它还可以增加美感。比如装饰品、外观件的商标等等，都可以用到双色注塑，不仪美 观，也不会磨损。如下图2 5 所示为牛活巾常见的双色产品。 捌也夕 i 目秘， 图2 5 各类双色制品 一些产品的局部区域需要电镀。不过，只能在聚砜( p s u ) 和a b s 的表面电镀， 假如产品的某些部位需要电镀，应将电镀区域注塑为a b s ，其他的区域注塑为另外 2 双色注塑成型工艺及模拟分析原理 硕士论文 的材料，比如说p c 。 2 3 双色注塑成型过程的数值模拟 2 3 1 注塑成型过程的数值模拟理论 双色注塑熔体在充模时可能有一些外界因素的影响，这些影响都是不可确定而且 比较小，但是，模拟需要的流体的条件是很完美的，因此，双色注塑的模拟是建立在 很理想的前提下的。 第一，把熔体聚合物不作为固体或固液混合体来处理，而是假设为连续的流体， 忽略模具与塑料聚合物的相互作用，忽略模具变形和模具温度随时间的变化；假定树 脂的流动用流体力学来处理。第二，忽略板厚的速度，与板厚方向上的变化相比较， 应力、流速等的变化都可忽略，因此，忽略压力与法向应力，与剪切应力相平衡；在 模腔中，熔融树脂是忽略板厚方向流速的二维流动；在流道中，熔融树脂是忽略周向、 径向流速的二维流动；实际上，熔融物料前端是非定常现象，不过可以理解成是定常 状态处理，认为板厚方向的流动是连续分布的。由于注塑熔体的重力很小，可以忽略 不计；由于雷诺数很小，可以忽略惯性力。同时假定为定常状态，忽略对流项。不计 压缩作用产生的热量；与热对流相比，流动方向上的热传导较小，忽略不计；厚度方 向上的速度，忽略不计；比板厚方向上的速度取向相比，平面内的速度取向较小，忽 略不计；内部产生的热量只考虑结晶化热量。虽然熔融树脂【1 4 j 本质上是粘弹性流体， 需要假定为纯粘性流体，但是还要考虑板厚方向上的温度分布。 1 2 na 口 c 口 一 明 碰么趔! 么笾 丑n - 、 珊 图2 6 充填阶段边界条件示意图 硕士论文基于粒子群神经网络的双色注塑工艺参数优化 在设定边界条件时，应该作一些如下的假设： ( 1 ) 将熔融物料前端的温度理解为喷泉效应； ( 2 ) 把熔融物料前端的压力理想为零； ( 3 ) 假定塑料熔体与模具的接口间可以发生热量交换。 ( 4 ) 把模具的接触面方向上的速度理想地认为是零； ( 5 ) 不考虑模具的温度会随时间而变化，也不考虑模具的变形。 作为边界条件，应有注塑温度、塑料熔体温度、模具温度( 模具温度作为输入数 据给出，或使用模具冷却解析结果) 【l5 1 ，如图2 6 所示。 塑料熔体在模具型腔内有三种流动形式：在入口区，塑料熔体是径向的流动的， 并且前沿是圆弧形状；在完全发展区，熔体以完全发展的形式在薄壁型腔中流动，等 温充模的时候前沿是平的，不过在非等温充模时前沿是曲线的，在整个充模过程中， 这种流动占主导地位；在前沿区，熔体从中间层分开，同时向模具模壁方向流动，熔 体为泉涌流动的形状。之所以形成熔体的泉涌流动，是因为冷空气与熔体前沿的接触， 于是形成了一个粘度较高的前沿膜。因为这一层膜，熔体将会交替发生下面的两种现 象：一、熔体受到前沿面的阻止，因此不能向前流动而转向模具模壁处。二、前沿膜 后热核区的熔体冲破前沿膜，从而形成新的前沿膜；泉涌流动对于纤维增强注塑、反 应注塑以及分子取向的研究及其重要，不过，假如该分析是估计熔体前沿位置或者是 充模特征，如型腔压力、充填时间等，便能够忽略这种局部效应。 如果塑料熔体与模壁接触时，由于温度的突然变化，则会在型腔表面形成冷凝层， 熔体便像“三明治”一样加在冷凝层之间。冷凝层将会改变熔体在型腔内流动的截面 积，同时加大流动的阻力。特殊情况下，这部分熔体还会全部冷却，从而引起短射。 如果制品采用有孔、多浇口或者嵌件时，在模具内熔体将会发生两个方向以上的流动， 这样在两股料流的汇集处就会产生熔接线。熔接线是由分子聚集态结构、熔体流动前 沿的流变状态与纤维取向决定的。 2 3 2 注塑成型的模拟方法 ( 1 ) 有限元法 有限元法是将一个完整求解域离散成有限个，并且按照一定的方式联结在一起的 单元组合体，如图2 7 所示。这种方法是利用单元内的近似场函数分片地表示整个求 解域上待求的未知场函数。单元内的近似场函数则经常用未知场函数以及它的导数在 单元的各个点的数值和差值函数来近似地表达。所以，在有限元分析时，未知场函数 或及其导数在各节点上的数值则定义为新的未知量，因此使一个连续的、无限自由度 问题演变为离散的、有限自由度问题。如果这些未知的量已知，每个单元内的场函数 的近似值则能够用插值函数的方法简单地计算出来，最后得到求解域上的近似解。 1 3 2 双色注塑成型工艺及模拟分析原理 硕士论文 要素 近似场函数 节点要素节点 图2 7 有限元法的基本思想 ( 2 ) 有限差分法 有限差分法是积分、微分方程数值解的方法，它的基本思想是用有限的离散点组 成的网络来代替连续的定解区间，这些离散点称为网络的节点，把定解条件和原方程 中的微商用差商来近似，把定解区间上的连续变量的函数用在网格上的离散变量函数 来近似，所以定解条件与原微分方程就代之以代数方程组，即是有限差分方程组，解 这个方程组便能得到原问题在离散点上的近似解。最后运用插值法从离散解得到定解 问题在整个区域上的近似解【i 引。 ( 3 ) 边界元法 有限差分与有限元方法是在所有区域内求解属于区域方法【1 7 】，它们的主要特点 是在边界上满足边界条件，域内近似满足微分方程。与以上两种方法不同的是，边界 元法首先是将控制微分方程化为边界积分方程，再用有限元的基本思想与方法步骤来 处理边界积分方程。它是在整个区域内满足微分方程，而在边界上近似满足边界条件。 将所有区域的求解转化为区域边界上的求解是它的主要的优点，由于减少了一个维 数，简化了整个计算的过程；这种方法的基本解满足无穷远的边界条件，同时在无穷 远边界条件上的积分为零。因此，在无限区域的问题上，不需要确定外边界，只用在 区域内进行离散化；边界元方法的基本解其本身就有一定的奇异性，所以更适合解奇 异性的问题。再者，有限元法的近似范围是在整个区域上的，边界元法的近似范围却 在区域的边界上，于是边界元法的准确度会高于有限元法。边界元法的缺点则在于它 的方程组系数矩阵不是对称的而是满阵，还会是近似的奇异阵，因此求解此类方程组 的方法会受到一定的限制，计算时间会有所延长，有时候还需要计算一些奇异积分， 所以碰到复杂形状的流场时，计算的效率会不是很高。 2 4 双色注塑中翘曲的数值模拟分析 1 4 双色注塑制品在3 c ( c o m p u t c r ，c o m m l l i l i c a t i o n s ，c o n 叭m c r ) 、制药、电子、汽 硕上论文基于粒了群神经网络的双色注塑工艺参数优化 车等科技领域中得到了越来越广泛的应用，然而，我们也对制品质量、性能提出了更 高的要求，如美观、小巧、耐用、轻薄等。双色注塑中经常碰到这种要求的薄壁件注 塑，本人在对薄壁件进行模拟时，由于这些制品一般只有1 3 m m ，还是两种材料的 兼容注塑，因此容易产生残余应力、收缩、翘曲等问题，使注塑制品的最后形状偏离 了预先设置的模具型腔，于是这些缺陷在制品上的结果就是翘曲变形。 翘曲变形在注塑产品中是一种很常见的缺陷。原因是制品内部材料的残余应力、 收缩不均匀以及应变产牛的，一般可以分为以下两种形式，稳定性翘曲与非稳定性翘 曲。 如下图2 8 所示，稳定性翘曲是制品内部每个部位收缩率相同时，收缩率与翘曲 变形成正比；非稳定性翘曲是每个部位收缩率差别太大，使得制品平面应变明显弯曲， 它的变形较大【l 引。 一一 善 曩圈 _ 廖 2 双色注塑成型工艺及模拟分析原理 硕士论文 模型，预测出了注塑制品的残余应力和最终形状。另外一些专家也考虑了在冷却阶段 塑料由液态变为固态的相转换与应力松弛行为。对于已经固化的区域，塑料会出现粘 弹行为，于是能够用标准线性固体的模型来描述。然而未固化的区域，塑料会呈现粘 性行为，便可以用粘性流体模型来进行描述。在注塑成型冷却阶段，当温度低于玻璃 化转变温度时塑料会变成固态。在温度高于玻璃化转变温度时，塑料则是粘弹性流体 状态，因此有一定应力松弛的问题；在冷却过程中塑料碰到的液固相转变以及应力松 弛的情况，会对预测制品残余应力和残余变形有一些影响。本文是采用二维有限单元 法和粘弹相转换的模型来预测翘曲变形与热残余应力的。塑料的结晶性能对制品的残 余应力、翘曲变形有一定的影响。很大一部分学者研究了因工艺成型与不良模具设计 导致的热翘曲变形。应力翘曲变形由于相对完善的力学理论背景得到了很快的发展， 目前，开发制品内应力的三维翘曲变形分析软件是很多科研机构的重点研究方向【2 0 j 。 ( 2 ) 收缩翘曲的研究 翘曲变形大部分都是从塑料的不均匀收缩方面来进行分析的，原因是塑料的翘曲 变形与不均匀收缩有很大关系。部分研究学者已经从不同塑料在不同工艺条件下的收 缩现象开始分析，来研究注塑制品翘曲和收缩的关系。托马斯在注塑流动、保压、填 充、冷却模拟的基础上，通过实验以及线性回归等方法，建立了预测注塑制品收缩的 模型，并且还在收缩预测的基础上，通过结构分析和模拟程序计算出了制品的变形。 m o l d f l o w 公司对各种材料改变工艺参数的条件下，准确地计算出了制品的收缩模型。 根据测试结果，将制品的收缩分为以下情况：体积收缩、定向引起的不均匀收缩、不 平衡冷却引起的不均匀收缩。于是，w a l s h 提出了考虑更多基本变量( 比如说结晶含量、 体积收缩、塑料取向、模具限制等) 的收缩预测方法，利用流动以及冷却分析结果精 确地预测收缩应变。w