王 乾

（常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇省常州市 213164）

注塑成形過程是一個多因素的耦合過程。在這個過程中，評價塑件質(zhì)量的指標是多樣化的，影響這些指標的工藝參數(shù)設(shè)置也是多樣化的，如果單純依靠試模來尋找工藝參數(shù)的最佳組合，從而得到最佳塑件質(zhì)量，無疑是一個大工程，且很難得到科學(xué)的結(jié)果，只能在大量的實驗中得到一個較好結(jié)果而已。通過正交試驗，可以科學(xué)地設(shè)計實驗方案，將大量無序?qū)嶒炥D(zhuǎn)化為少量、科學(xué)有序的實驗，從而找到工藝參數(shù)對制件質(zhì)量指標的影響規(guī)律［1］，再輔以計算機輔助工程（CAE）分析，將消耗大量成本的試模過程轉(zhuǎn)化為低成本（避免了實際注塑的材料損失）的計算機模擬分析過程［2-3］，找出最佳工藝參數(shù)組合，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。本工作通過合理設(shè)計正交試驗，運用Moldflow軟件進行模具注塑過程模擬分析，探究圖1所示的高密度聚乙烯（HDPE）接線盒盒蓋體積收縮率的影響因素，找到最佳注塑工藝參數(shù)組合［4-5］。

圖1 HDPE接線盒盒蓋示意Fig.1 Schematic diagram of HDPE junction box cover

HDPE接線盒盒蓋尺寸為65 mm×55 mm×12 mm。根據(jù)接線盒盒蓋的形狀結(jié)構(gòu)特點，采用中間輪輻式兩點進料的模式，冷卻水道采用立體環(huán)繞式，在Moldflow軟件進行流道和水道的造型設(shè)置［6］，并劃分好網(wǎng)格（見圖2）。HDPE的結(jié)晶度很高［7］，所以收縮率較大。探索體積收縮率的影響因素，目的是找出對體積收縮率影響最大的工藝參數(shù)，以進行針對性優(yōu)化調(diào)整，改善制件質(zhì)量。

圖2 分析模型Fig.2 Analysis model

1 基于正交試驗的CAE分析

1.1 正交試驗的因素與水平

填充、保壓、冷卻都會造成體積收縮率的變化，涉及的工藝參數(shù)主要有：模具溫度、注射時間、保壓時間、保壓壓力、冷卻時間、熔體溫度。將這六個參數(shù)作為試驗因素，其中，每個試驗因素設(shè)置4個水平，以觀察同一因素不同水平下體積收縮率的變化［8］，L16（46）正交試驗的因素與水平見表1。運用Moldflow軟件對16組工藝參數(shù)組合進行CAE分析，得到實驗1～實驗16的體積收縮率分別為10.860%，9.890%，10.720%，11.610%，9.753%，10.060%，13.880%，11.240%，9.302%，10.220%，14.330%，10.820%，10.400%，11.740%，10.290%，10.580%。

1.2 正交試驗數(shù)據(jù)分析

HDPE接線盒盒蓋的體積收縮率較大，這是因為成型所用HDPE是高結(jié)晶性的。在成型時由于結(jié)晶的原因，因此，體積收縮率的絕對值較大，這就更需要通過工藝參數(shù)的優(yōu)化來獲得一個相對較低的值。從表2可以看出：各因素的極差由大到小依次為保壓時間（2.52）、熔體溫度（2.19）、保壓壓力（1.85）、注射時間（1.71）、冷卻時間（1.46）、模具溫度（0.48）。保壓時間是影響體積收縮率的最大因素，在調(diào)試工藝參數(shù)時應(yīng)優(yōu)先調(diào)整，熔體溫度的影響也較大，再次是保壓壓力、注射時間和冷卻時間，也具有一定的影響，模具溫度的影響較輕，所以調(diào)試工藝參數(shù)時應(yīng)逐個調(diào)整。

表1 L16（46）正交試驗的因素與水平Tab.1 Factors and level of L16（46） orthogonal test

表2 極差分析Tab.2 Range analysis %

從圖3可以看出：隨模具溫度的增加，體積收縮率呈先增加后降低的趨勢，但變化不大，是因為模具溫度對體積收縮率的影響不大，本制件的模具溫度為15 ℃或45 ℃均可；隨注射時間和保壓時間增加，體積收縮率下降，因此這兩個參數(shù)分別取1.5，35.0 s；隨著保壓壓力和冷卻時間的增加，體積收縮率先降低后增加，說明壓力低、壓力高、冷卻不足和過度冷卻都是不可取的，本制件的保壓壓力為注射壓力的80%，冷卻時間為13.0 s或10.0 s（兩者相差不大）；隨著熔體溫度的升高，體積收縮率先快速上升然后略有回落，說明熔體溫度不宜太高，取190 ℃。

圖3 各因素條件下的體積收縮率趨勢Fig.3 Volume shrinkage trend under different conditions注：A1～A4表示A因素下的B1～B4，C1～C4，D1～D4，E1～E4，F(xiàn)1～F4依此類推。

綜上所述，優(yōu)化的工藝參數(shù)組合見表3。這四種方案均不在16組實驗中，故對各方案進行CAE分析［9-10］，從圖4可以看出：方案4的體積收縮率最小，作為最后選定的工藝參數(shù)。

表3 優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合方案Tab.3 Optimized process parameter combination scheme

圖4 不同方案的體積收縮率的CAE分析Fig.4 CAE analysis of volume shrinkage from different schemes

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

模具采用單分型面結(jié)構(gòu)，外側(cè)側(cè)凹和側(cè)孔采用斜導(dǎo)柱側(cè)向分型與抽芯機構(gòu)成型，內(nèi)側(cè)側(cè)凹再用斜頂機構(gòu)成型，結(jié)構(gòu)簡單，成型可靠，可實現(xiàn)塑件的注塑成型與脫模［2］，模具結(jié)構(gòu)示意見圖5。

圖5 模具結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Schematic diagram of mold structure1 澆口套；2 定模座板；3 定模板；4 型腔；5 型芯；6 動模板；7 頂桿；8 斜頂；9 彈簧；10 拉料桿；11 推桿固定板；12 推桿推板；13 垃圾釘；14 動模座板；15 限距螺釘；16 彈簧；17 側(cè)型芯滑塊；18 斜導(dǎo)柱

采用圖5的模具結(jié)構(gòu)及正交試驗得出的工藝參數(shù)進行注塑成型，經(jīng)檢驗，對于HDPE接線盒盒蓋（結(jié)構(gòu)見圖6）的注塑，無論是注塑工藝調(diào)整過程還是注塑結(jié)果均與正交試驗得出的結(jié)論一致，塑件經(jīng)客戶驗收，符合要求。

圖6 注塑出的HDPE接線盒盒蓋的照片F(xiàn)ig.6 Photo of HDPE part produced by injection molding

3 結(jié)論

a）注塑工藝參數(shù)對HDPE接線盒盒蓋體積收縮率的影響由大到小依次為保壓時間、熔體溫度、保壓壓力、注射時間、冷卻時間、模具溫度。其中，保壓時間的影響最顯著，在調(diào)整注塑工藝參數(shù)時應(yīng)優(yōu)先調(diào)試此參數(shù)。

b）體積收縮率最小時的最佳工藝參數(shù)為方案4，即：模具溫度45 ℃，注射時間1.5 s，保壓時間35.0 s，保壓壓力為注射壓力的80%，冷卻時間13.0 s，熔體溫度190℃。

c）模具結(jié)構(gòu)簡單可靠，可順利實現(xiàn)HDPE接線盒盒蓋的注塑成型與脫模。