李雪源

(天津大學(xué)管理學(xué)院)

注塑成型工藝試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李雪源*

(天津大學(xué)管理學(xué)院)

針對(duì)注塑成型工藝中存在的缺陷，引入正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。以模具溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間和模內(nèi)冷卻時(shí)間作為影響因素，以體積收縮率、縮痕指數(shù)和熔接痕長(zhǎng)度作為評(píng)估指標(biāo)，通過(guò)利用Moldflow軟件模擬熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)，得到各工藝參數(shù)影響制品成型質(zhì)量的趨勢(shì)圖。通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析，得到各工藝因素對(duì)體積收縮率、縮痕指數(shù)和熔接痕影響的程度，結(jié)合極差分析、方差分析法綜合比較各組試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果，獲得最優(yōu)化的工藝參數(shù)組合。

注塑成型 正交試驗(yàn) 模具溫度 工藝優(yōu)化

隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，商品經(jīng)濟(jì)的觀念深入人心。塑料制品的生產(chǎn)質(zhì)量和成本控制是塑料制品企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的主要集中點(diǎn)。注塑成型作為塑料加工中的主要成型方法之一，應(yīng)用得非常普遍[1]。注塑成型是將顆粒狀或粉狀原料從注塑機(jī)的料斗送進(jìn)加熱的料筒中，經(jīng)過(guò)加熱熔融塑化成為黏流態(tài)熔體，在注塑機(jī)柱塞或螺桿的高壓推動(dòng)下，以很高的流速通過(guò)噴嘴，注入模具型腔，經(jīng)一定時(shí)間的保壓冷卻定型后可保持模具型腔的形狀，然后開(kāi)模分型獲得成型塑料制件。雖然注塑成型在各個(gè)方面都有很廣泛的應(yīng)用，但是在實(shí)際的生產(chǎn)中由于經(jīng)驗(yàn)不足、塑料成分結(jié)構(gòu)復(fù)雜及注塑成型工藝影響等因素造成塑料件不合格[2]。所以，如何從復(fù)雜的工藝參數(shù)試驗(yàn)中脫離出來(lái)，增加試模的成功率，從而優(yōu)化注塑工藝參數(shù)，是各個(gè)企業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題。優(yōu)化工藝參數(shù)對(duì)企業(yè)提高成品率和降低生產(chǎn)成本是非常重要的。

1 塑料注塑成型缺陷及應(yīng)對(duì)措施

注塑成型質(zhì)量分為內(nèi)部質(zhì)量和外部質(zhì)量。內(nèi)部質(zhì)量包括塑件的形狀與尺寸精度、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)形態(tài)、密度、物理力學(xué)性能及熔接痕強(qiáng)度等；外部質(zhì)量包括表面粗糙度和表觀缺陷狀況等。實(shí)際上，不論是塑件的內(nèi)部質(zhì)量還是外部質(zhì)量，均與成型時(shí)的工藝條件、模具條件和成型物料選擇密切相關(guān)。注塑成型產(chǎn)品常見(jiàn)缺陷有翹接痕、縮痕、翹曲變形、表面光澤不均勻、氣穴及飛邊等[3]。

1.1熔接痕

熔接痕是注塑成型產(chǎn)品常見(jiàn)的外觀缺陷之一，該缺陷直接影響塑料制品的外觀質(zhì)量，甚至?xí)p壞產(chǎn)品的力學(xué)性能。在充模過(guò)程中，兩股相向聚合物熔體的流動(dòng)前沿匯集到一起或一股流動(dòng)前沿經(jīng)過(guò)障礙物后再匯合時(shí)，因流動(dòng)前沿部分已經(jīng)冷卻，以致于不能很好地熔合，在匯合處形成熔接痕或熔接線(xiàn)的現(xiàn)象。通常會(huì)有兩種形式：一種是當(dāng)產(chǎn)品中存在鑲嵌件、孔洞或者產(chǎn)品的厚度變化較大時(shí)，熔體在模具內(nèi)發(fā)生兩個(gè)方向上的流動(dòng)，交匯形成熔接痕跡；另一種是當(dāng)采用多澆口時(shí)，會(huì)導(dǎo)致多股熔體以相對(duì)運(yùn)動(dòng)匯合而形成熔接痕跡。注塑成型時(shí)，要盡量減少熔接痕的數(shù)量，控制熔接痕的位置。應(yīng)對(duì)措施為：優(yōu)化注塑成型工藝，增大注射壓力及注射速度等；增加排氣槽，減少熔體流動(dòng)的阻力；控制澆口位置和澆口數(shù)量。

1.2表面縮痕

表面縮痕是影響注塑制品質(zhì)量的重要因素，主要是由注射過(guò)程中塑件產(chǎn)品收縮不均勻造成的，體現(xiàn)在塑件厚度方向的收縮率不同，或熔體流動(dòng)方向的收縮率和垂直方向的收縮率不同。引起表面縮痕的原因有很多，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、模具設(shè)計(jì)及注塑成型工藝參數(shù)的選擇等都會(huì)對(duì)最后的產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響，其中對(duì)成型工藝參數(shù)的研究得到了人們的重視[4]。應(yīng)對(duì)措施為：可通過(guò)注射后退火處理方法消除內(nèi)應(yīng)力；冷卻時(shí)間不足時(shí)，可采用延長(zhǎng)冷卻時(shí)間。

1.3翹曲變形

翹曲變形是塑件最嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷，其產(chǎn)生與注塑成型工藝參數(shù)和模具的設(shè)計(jì)有很大關(guān)系，塑件在成型后期因收縮產(chǎn)生的不均勻變形和制品內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力均會(huì)導(dǎo)致翹曲變形，影響尺寸和裝配。因此，需要優(yōu)化注塑成型工藝參數(shù)，對(duì)模具的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)以解決翹曲變形。

1.4表面光澤度差

塑料產(chǎn)品表面光澤度差是指產(chǎn)品表面失去塑料本身的光澤，整體光澤度較低。造成光澤不良的原因有很多，如模具表面過(guò)于粗糙、樹(shù)脂干燥不充分使揮發(fā)物在模具與樹(shù)脂之間凝縮。常用的提高塑件表面光澤度的方法有：盡量提高模具成型面的拋光質(zhì)量，使其更加均勻，從根本上保證成型塑件的表面質(zhì)量；優(yōu)化注塑工藝參數(shù)，改善熔體在模具內(nèi)的流動(dòng)性能和冷卻狀態(tài)，提高塑件產(chǎn)品的表面質(zhì)量。

2 注塑工藝試驗(yàn)分析

試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是對(duì)實(shí)物試驗(yàn)與非實(shí)物試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析的一種分析技術(shù)，它可以從不同側(cè)重點(diǎn)出發(fā)，合理設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，從而有效控制試驗(yàn)的干擾因素，科學(xué)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 進(jìn)行全面的優(yōu)化分析，直接實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的優(yōu)化[5]。筆者采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析主要工藝參數(shù)，其交互作用對(duì)注塑成型工藝的影響規(guī)律分析采用極差分析法，并通過(guò)方差分析和極差分析對(duì)工藝參數(shù)的影響程度進(jìn)行排序。

2.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析簡(jiǎn)單，易于理解。極差就是平均效果中最大值和最小值的差。有了極差就可以找到影響指標(biāo)的主要因素，并找到最佳因素水平組合。而方差分析是將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行偏差平方和統(tǒng)計(jì)計(jì)算，對(duì)各因素指標(biāo)的影響度排序。方差計(jì)算公式如下[6]：

(1)

式中k——每個(gè)水平做的補(bǔ)給次數(shù)；

mk——每個(gè)因素的水平數(shù)；

SA——因素A的方差。

極差計(jì)算公式為：

x=xmax-xmin

(2)

其中x為試驗(yàn)結(jié)果，xmax為試驗(yàn)結(jié)果的最大值，xmin為試驗(yàn)結(jié)果的最小值。

2.2注塑工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)和試驗(yàn)因素的選擇

通常出現(xiàn)的注塑缺陷有熔接痕、縮痕縮孔及翹曲變形等。這些都是衡量塑料制品質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，反映著整個(gè)注射成型工藝的優(yōu)劣。本次試驗(yàn)所使用的評(píng)價(jià)指標(biāo)有頂出時(shí)的體積收縮率、縮痕指數(shù)和熔接痕長(zhǎng)度，分別記為P1、P2、P3。這3個(gè)指標(biāo)能實(shí)現(xiàn)數(shù)值化，給試驗(yàn)分析帶來(lái)很大的便利。

通過(guò)對(duì)RHCM成型工藝的研究[6]，選擇模具溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間和模內(nèi)冷卻時(shí)間這4個(gè)因素作為考察因素，分別對(duì)應(yīng)記為A、B、C和D。工藝參數(shù)的水平和取值根據(jù)生產(chǎn)廠(chǎng)商的推薦值和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)制定出合理的方案。

2.2.1模具溫度

模具溫度是指和制品接觸的模腔表壁溫度。模具溫度的高低取決于塑料有無(wú)結(jié)晶性、制品的尺寸與結(jié)構(gòu)、性能要求及其他工藝條件(熔料溫度、注射速率及注射壓力、模塑周期)[7]。模具溫度對(duì)塑料制品的性能和外觀質(zhì)量影響很大。模具溫度過(guò)高，制品有可能出現(xiàn)飛邊、收縮凹陷、頂出變形、冷卻變形量大及制品脫模困難等缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞模具，降低生產(chǎn)率。如果模溫過(guò)低，熔融物料的流動(dòng)阻力增大，流速減慢，甚至在流道、澆口或充模半途凝固而妨礙繼續(xù)進(jìn)料。

2.2.2保壓壓力

在注塑成型的保壓補(bǔ)縮階段，對(duì)模腔內(nèi)的塑料熔體進(jìn)行壓實(shí)和向模腔內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)料流動(dòng)所需要的壓力叫做保壓壓力。保壓壓力的大小取決于模具對(duì)熔體的靜壓力，并與制品的形狀、壁厚有關(guān)。

2.2.3保壓時(shí)間

一般保壓時(shí)間為20～25s，保壓時(shí)間短，制品密度低，尺寸偏小，易出現(xiàn)縮孔；保壓時(shí)間長(zhǎng)，制品內(nèi)應(yīng)力大，強(qiáng)度低，脫模困難。熔體溫度高，澆口封閉時(shí)間長(zhǎng)，保壓時(shí)間也長(zhǎng)，反之保壓時(shí)間短；對(duì)于厚壁的制品，保壓時(shí)間需較長(zhǎng)，而薄壁制品，保壓時(shí)間則可較短。

2.2.4模內(nèi)冷卻時(shí)間

模內(nèi)冷卻時(shí)間指注射結(jié)束到開(kāi)啟模具這一段時(shí)間，它的大小取決于制品的厚度、塑料的熱性能、結(jié)晶性和模溫。一般為30～120s。冷卻時(shí)間的終點(diǎn)，應(yīng)以保證制品脫模時(shí)不翹曲變形為原則。冷卻時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不僅會(huì)降低生產(chǎn)率，而且對(duì)復(fù)雜制品還會(huì)造成脫模困難，若強(qiáng)行脫模會(huì)產(chǎn)生脫模應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)損壞制品。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)是以數(shù)學(xué)理論與數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)、制定出合理試驗(yàn)方案的一種方法，通過(guò)優(yōu)先選擇對(duì)塑件屬性影響比較大的各相關(guān)工藝參數(shù)，確定出各試驗(yàn)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的影響度大小，從而可以調(diào)節(jié)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)影響最大的試驗(yàn)參數(shù)以取得更好的試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)可以獲得各個(gè)試驗(yàn)參數(shù)最佳水平組合。目前應(yīng)用最為廣泛的是正交設(shè)計(jì)方法，通過(guò)計(jì)算各因素水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，采用極差分析法，能夠較快的得到比較優(yōu)化的試驗(yàn)方案和試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度。通過(guò)對(duì)正交試驗(yàn)表進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算，能夠獲得足夠的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而節(jié)約試驗(yàn)成本。正交試驗(yàn)的主要步驟為：確定試驗(yàn)的目的和所要考察的目標(biāo)；制定因素和水平表；通過(guò)所選的因素和水平來(lái)選用合適的正交表；進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析。

通過(guò)上述分析確定的注塑工藝因素研究對(duì)象為：模具溫度(A)、保壓壓力(B)、保壓時(shí)間(C)、模內(nèi)冷卻時(shí)間(D)，根據(jù)材料供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)和生產(chǎn)中積累的經(jīng)驗(yàn)來(lái)制定出正交試驗(yàn)的水平，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 注塑工藝正交試驗(yàn)水平數(shù)據(jù)

3.1Moldflow軟件仿真運(yùn)算

采用前面所述的正交試驗(yàn)分析法，選用L9(34)的正交表來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)安排設(shè)計(jì)，L為正交的代號(hào)，9為需要試驗(yàn)的次數(shù)，3為制定的水平數(shù)，4為因素的個(gè)數(shù)。筆者采用Moldflow軟件進(jìn)行模擬運(yùn)算，對(duì)上述9組試驗(yàn)條件進(jìn)行仿真計(jì)算，從軟件中能直接讀取的數(shù)據(jù)為體積收縮率和縮痕指數(shù)，而熔接痕長(zhǎng)度需要通過(guò)信息轉(zhuǎn)換來(lái)得到。分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 L9(34)正交試驗(yàn)表

3.2試驗(yàn)結(jié)果初步分析

對(duì)9組不同的試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將不同指標(biāo)的數(shù)據(jù)繪制成圖來(lái)分析其影響趨勢(shì)，如圖1所示。

分析圖1可知，不同的試驗(yàn)條件對(duì)各指標(biāo)的影響趨勢(shì)是不同的，直觀來(lái)看，初步得出，第8組試驗(yàn)條件下的各指標(biāo)相比其他要好很多，表示其生產(chǎn)質(zhì)量也更好。

圖1 不同試驗(yàn)條件下3個(gè)評(píng)估指標(biāo)的變化趨勢(shì)

現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正交極差分析，以便得到更加詳細(xì)的數(shù)值結(jié)果，進(jìn)一步分析各因素條件對(duì)各指標(biāo)的影響趨勢(shì)，得到正交結(jié)果極差分析表(表3)。

表3 正交結(jié)果極差分析表

分析上述正交試驗(yàn)表，得到如下結(jié)論：

a. 對(duì)于指標(biāo)體積收縮率，模內(nèi)冷卻時(shí)間對(duì)其影響最大，其次分別為模具溫度、保壓時(shí)間和保壓壓力，各因素的主次順序?yàn)镈>A>C>B。最優(yōu)的試驗(yàn)組合為D2A2C3B3。

b. 對(duì)于指標(biāo)縮痕指數(shù)，模具溫度對(duì)其影響最大，其次是分別為保壓壓力、模內(nèi)冷卻時(shí)間和保壓時(shí)間，各因素的主次順序?yàn)锳>B>D>C。最優(yōu)的試驗(yàn)組合為A3B2D1C1。

c. 對(duì)于指標(biāo)熔接痕長(zhǎng)度，保壓時(shí)間對(duì)其影響最大，其次是分別為保壓壓力、模內(nèi)冷卻時(shí)間和模具溫度，各因素的主次順序?yàn)镃>B>D>A。最優(yōu)的試驗(yàn)組合為C2B1D2A2。

4 結(jié)論

4.1通過(guò)利用Moldflow軟件對(duì)注塑成型工藝進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，從通常存在的缺陷出發(fā)，得到注塑成型過(guò)程中相關(guān)指標(biāo)，體積收縮率、縮痕指數(shù)和熔接痕長(zhǎng)度。然后利用正交試驗(yàn)分析法，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析，從而得到各因素對(duì)其相關(guān)指標(biāo)的影響程，優(yōu)化了注塑成型工藝，在工藝參數(shù)的選擇上具有指導(dǎo)意義。

4.2從正交分析的計(jì)算結(jié)果中可知，對(duì)于模具溫度，3種指標(biāo)均在水平2時(shí)所得的均值最小，選擇模具溫度為110°C；對(duì)于保壓壓力，3種指標(biāo)均在水平3時(shí)所得的均值最小，選擇保壓壓力為110MPa；對(duì)于保壓時(shí)間，3種指標(biāo)均在水平2時(shí)所得的均值最小，選擇保壓時(shí)間為15s；對(duì)于模內(nèi)冷卻時(shí)間，3種指標(biāo)均在水平1時(shí)所得的均值最小，選擇模內(nèi)冷卻時(shí)間為30s。

[1] 李熹平，趙國(guó)群，管延錦，等.快速熱循環(huán)注塑模具加熱與冷卻過(guò)程分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2009，16(1)：196～201.

[2] 李金國(guó)，張國(guó)慶.基于Moldflow與正交試驗(yàn)結(jié)合的注射模工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].模具工業(yè)，2007，33(12)：1～5.

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OptimalDesignofExperimentonInjectionMoldingProcess

LI Xue-yuan

(CollegeofManagementandEconomics,TianjingUniversity,Tianjing300072,China)

Aiming at the main injection molding’s defect, the orthogonal design method was introduced to implement optimal design of the mold structure and process parameters, in which, the mold temperature, packing pressure and time as well as the inner mold cooling time can be taken as the influence factors, and the volume shrinkage, shrinkage mark index and weld line length taken as the evaluation index. Through simulating the flux flow within the mold cavity with Moldflow software, the trend chart of various process parameter’s affect on the molding quality of the products can be obtained; and based on the orthogonal experimental design analysis, the influence degree of various process factors on the volume shrinkage, shrinkage mark index and weld line length can be reached. Combined with the range and variance analysis methods and comprehensively comparing the experimental and simulation results of the each group, the optimal combination of process parameters can be obtained.

injection molding, orthogonal experiment, mold temperature, process optimization

*李雪源，男，1970年10月生，助理經(jīng)濟(jì)師。天津市，300072。

TQ051.9+3

A

0254-6094(2015)01-0019-05

2014-03-24)

(Continued from Page 18)

chemical components, mechanical property of deposited metals,diffusible hydrogen contents and product test plate’s mechanical properties were analyzed and compared to show that this two kinds of welding rods’ welded joint has the same mechanical property, they can satisfy the construction of 07MnNiMoDR steel ethylene tank with design temperature ranging from -45 to -50℃.

Keywordsspherical tank, 07MnNiMoDR steel, J607RHDQ, LB-65L, mechanical property