武宏發(fā)　秦曉雄　楊林　杜承信

注塑制品的使用性能和外觀質(zhì)量主要取決于注塑模具的質(zhì)量和注塑成型過程。為了得到最優(yōu)的工藝產(chǎn)品，工程技術(shù)人員往往需要多次修模改模、反復(fù)調(diào)整工藝參數(shù)或更換材料，傳統(tǒng)的試錯法應(yīng)用范圍窄且成本高、效率低。通過采用Taguchi試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對注塑成型過程進(jìn)行模擬分析，得到熔體溫度、模具溫度、注射時間、保壓壓力和保壓時間對翹曲量和體積收縮率的影響，其中保壓壓力和時間對翹曲量和體積收縮率的影響程度較大，由此得到一組最優(yōu)工藝，減少了調(diào)整工藝參數(shù)的時間，提高了注塑件設(shè)計效率。

一、引言

隨著制造技術(shù)向智能化的方向發(fā)展，利用CAE軟件并結(jié)合有關(guān)算法對工藝參數(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)化在工藝設(shè)計中起著日漸重要的作用，CAE技術(shù)可以提前預(yù)測缺陷，優(yōu)化設(shè)計和方案，大大提高了設(shè)計效率，節(jié)約了成本。

Taguchi方法又稱為田口方法、正交法，最初是日本學(xué)者田口玄一提出的信噪比實驗設(shè)計，隨后結(jié)合質(zhì)量損失函數(shù)、三次設(shè)計理念逐漸發(fā)展為Taguchi實驗法。Taguchi實驗設(shè)計主要包括兩部分內(nèi)容：①選定實驗因素及因素水平范圍②通過信噪比S/N（Signal-to-NoiSe Ratio）對實驗結(jié)果優(yōu)化分析，從中選出最佳工藝參數(shù)組合。Taguchi方法具有均衡搭配性和整齊可比性，通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)正交矩陣，使實驗可以通過最少的試驗次數(shù)而獲得與全面試驗相同的效果。

二、注塑件分析

塑件充填型腔和取件冷卻過程的尺寸變化以翹曲量和體積收縮率來衡量。圖1為一玩具汽車轉(zhuǎn)向器裝配件，材料為聚丙烯，牌號HG168，密度0.91g/cm³。此塑件屬于中型薄壁件，主體壁厚2mm，上殼尺寸為260×90×55mm，下殼尺寸為260×90×35mm。無鑲件，無側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，腔體較深，有大量的曲面過度，因此塑件容易產(chǎn)生翹曲變形和離殼錯位。

三、Taguchi實驗設(shè)計與結(jié)果分析

本文選取翹曲量和體積收縮率為玩具汽車轉(zhuǎn)向器優(yōu)化目標(biāo)，選取模具溫度（A）、熔體溫度（B）、注射時間（c）、保壓壓力（D）、保壓時間（E）為主要的實驗因素，取6個水平參數(shù)為研究對象，進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化。因素水平表如表1所示。

正交試驗表選擇L36（65）型實驗表，其中n=36，s=6，r=5（i=1，2，3…36）。試驗中選取最小特性信噪比函數(shù)，翹曲與收縮率越小越優(yōu)。因此，當(dāng)Z向翹曲Y與體積收縮率R越小時，得到的信噪比S/N越大，因此分析中取S/N越大越好。以單一因素包含的所有信噪比值來反映不同因素對實驗?zāi)繕?biāo)的影響情況，翹曲量和體積收縮率均值分析結(jié)果如表2和表3所示。

將表2、表3中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為如圖2、3所示，更直觀的反映各工藝參數(shù)對體積收縮率的影響規(guī)律。

由圖2可知，翹曲變形信噪比最大時的工藝參數(shù)組合為.A682C4DSE6，即模具溫度45℃、熔體溫度208℃、注射時間2.5s、保壓壓力79MPa、保壓時間5到8秒；圖3中體積收縮率信噪比最大時的工藝參數(shù)組合為：ASB3C1D6E6，即模具溫度42℃、熔體溫度216℃、注射時間1.0s、保壓壓力85MPa且保壓時間5到8秒。提高模具溫度，可以有效的降低模具出模前后溫差，冷卻后易均勻收縮，促使翹曲量達(dá)到最低；熔體溫度對塑料母料本身影響較大；當(dāng)單位注射量確定以后，注射速度過快，易出現(xiàn)翹曲、氣紋、蛇紋和飛邊等缺陷；保壓壓力對塑件的影響主要體現(xiàn)在型腔壓力保持階段，適當(dāng)提高保壓壓力，可以有效的降低翹曲量和體積收縮率，提高塑件性能和表面質(zhì)量，但太高會導(dǎo)致塑件內(nèi)應(yīng)力和殘余應(yīng)力過大，變形增大；塑件在保壓階段時，初期時，隨著保壓時間逐漸增加，塑件致密度迅速增加直到澆口凝固時結(jié)束。當(dāng)保壓時間足夠長時，則可降低塑件體積收縮率，間接的降低翹曲量。但在實際生產(chǎn)中，太長的保壓時間會導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)周期增長，生產(chǎn)效率降低，故參考實際情況，保壓時間取5到8秒。對于體積收縮率，模具溫度在A5時較為適合，熔體溫度在B3時已達(dá)到最優(yōu)，若適當(dāng)降低注射時間并增加保壓壓力，還將進(jìn)一步降低體積收縮率。

分別對翹曲量和體積收縮率所選最優(yōu)工藝參數(shù)組合在MoldFlow軟件中進(jìn)行模擬實驗，其模擬結(jié)果如圖4和圖5所示。從圖中可以看出z方向的翹曲為0.4265mm，體積收縮率為10.18%，接近正交試驗最小值。

分別對翹曲和體積收縮率影響度進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果如表4和表5所示。由表4可知，D（保壓壓力）和E（保壓時間）對翹曲的影響最大，其中保壓壓力對翹曲的影響遠(yuǎn)大于其他因素。因此，適當(dāng)加大保壓壓力是改善翹曲的重要方法。由表5可知，C（注射時間）、D（保壓壓力）、E（保壓時間）對體積是收縮率的影響最大，其中保壓壓力和保壓時間對體積收縮率的影響遠(yuǎn)大于其他因素。因此，適當(dāng)調(diào)節(jié)保壓壓力和保壓時間是減小體積收縮率的重要方式。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析得到的最佳工藝參數(shù)組合在工廠注塑機(jī)中進(jìn)行了實際驗證，從圖6中可以明顯看出曲面過渡階段的翹曲變形和離殼錯位缺陷消失，說明優(yōu)化模擬后的最佳工藝參數(shù)組合是真實的。

四、結(jié)語

通過Taguchi試驗法對不同工藝參數(shù)進(jìn)行正交實驗設(shè)計，得到了單一目標(biāo)的最佳工藝參數(shù)組合。翹曲量最大時的工藝參數(shù)組合為模具溫度42℃、熔體溫度216℃、注射時間1.0s、保壓壓力85MPa且保壓時間20s，模擬驗證z方向的翹曲為0.42mm；體積收縮率最大時的工藝參數(shù)組合為模具溫度42℃、熔體溫度216℃、注射時間1.0S、保壓壓力85MPa且保壓時間20s，模擬驗證體積收縮率為10.18%。翹曲量和體積收縮率的模擬值均接近正交試驗所有數(shù)據(jù)的最小值。保壓壓力和保壓時間對翹曲量和體積收縮率的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他三個因素。因此，適當(dāng)加大保壓壓力是改善翹曲的重要方法。