王子劍，任清海，，耿鐵

(1.安陽職業(yè)技術學院機電工程學院，河南 安陽 455000； 2.河南工業(yè)大學機電工程學院，鄭州 450007)

氣體輔助注塑成型技術(簡稱氣輔成型)是在傳統(tǒng)的注塑成型過程中注入高壓惰性氣體，在塑料制品內(nèi)部(通常是增設的氣道或制品肉厚部位)形成中空結(jié)構(gòu)，達到內(nèi)外雙面成型效果，實現(xiàn)消除制品縮痕、降低內(nèi)應力、減少甚至消除翹曲變形，從而獲得輕量、高強度且外觀好塑料制品的革命性新型成型技術[1-4]。因此，氣輔成型技術是一種能夠有效減少碳排放的塑料成型新技術，同時也是一種綠色低碳制造技術，符合我國加快降低碳排放、倡導綠色技術創(chuàng)新的“雙碳”戰(zhàn)略目標。然而相比傳統(tǒng)注塑成型，氣輔成型增加了注入高壓氮氣環(huán)節(jié)，在模腔內(nèi)同時存在熔融塑料和高壓氮氣雙流體的充模流動，成型的復雜程度大大增加，各個工藝參數(shù)不僅僅單獨影響成型質(zhì)量，而且參數(shù)間的交互作用對成型質(zhì)量也有顯著的影響。

從目前的相關研究文獻[5-8,16]來看，研究各工藝參數(shù)單獨對氣輔成型質(zhì)量影響的居多，而參數(shù)間的交互作用影響的研究很少。因此，用具備典型氣輔構(gòu)造特征的塑件作為研究模型，基于氣輔成型全三維數(shù)值模擬和成型試驗，采用響應面法試驗[9-11]，研究氣輔工藝參數(shù)交互作用下的工藝優(yōu)化，為精準設計氣輔成型參數(shù)提供依據(jù)，從而提高氣輔成型質(zhì)量和效率，提高成型生產(chǎn)的一次成功率，有效降低碳排放。

1 研究對象

氣道是氣輔注塑制品區(qū)別于傳統(tǒng)注塑制品的典型特征，通常是在特定的位置增設橫截面為半圓形氣道或者利用制品肉厚部位作為氣道，從而獲得性能優(yōu)異的塑料制品。研究對象為某具有半圓形典型氣道結(jié)構(gòu)的塑件，以便獲得廣泛指導意義的研究結(jié)論。用UG三維CAD軟件建立其幾何模型，其結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1 所示。用Moldflow API/3DGAS進行氣輔成型全三維數(shù)值模擬，圖2 為全三維數(shù)值模擬時采用的3D 網(wǎng)格模型，由119 702 個四面體單元構(gòu)成。

圖1 氣輔塑件的3D模型和尺寸(單位mm)

圖2 氣輔塑件的3D網(wǎng)格模型和澆口進氣口位置

圖3 采用最優(yōu)工藝參數(shù)的氣體穿透結(jié)果

采用SK公司生產(chǎn)、牌號為Yuplene R370Y的聚丙烯(PP)作為試驗材料[1]。PP塑料是一種透明性高的聚丙烯，由于其強度高、化學穩(wěn)定性高、加工成型性好、經(jīng)濟性好等特點，在通訊、家電、汽車及日用品領域得到廣泛應用。并且由于PP 的加工成型性能優(yōu)越，被行業(yè)廣泛應用于氣輔成型，其材料性能參數(shù)見表1，推薦成型工藝參數(shù)見表2。

表1 PP的主要參數(shù)

表2 PP的推薦成型工藝參數(shù)

2 響應面法試驗

響應面法(RSM)是一種綜合試驗設計和數(shù)學建模的優(yōu)化方法，可考慮不同因子的主效應與交互效果，從而找到試驗指數(shù)與各因子之間的定量規(guī)律，以確定最佳試驗水平范圍[9]。相比于其它的試驗方法，響應面法的優(yōu)點是可以通過較少的試驗次數(shù)得到較好的結(jié)果，降低了時間和物力投入[10]。響應面分析也有助于處理多變量的擬合過程問題[11]。

2.1 線性回歸的響應面模型建立

選擇對氣輔成型效果影響較大的6 個工藝參數(shù)：熔體預注射量(A)、熔體溫度(B)、模具溫度(C)、延遲時間(D)、注氣壓力(E)、注氣時間(F)作為試驗因素，以氣體穿透深度和最大氣指幅度為響應值，結(jié)合PP 成型推薦參數(shù)有效取值范圍內(nèi)合理設計6 因素5水平響應面試驗，試驗因素及水平見表3。

表3 響應面分析因素水平表

實驗方案根據(jù)Box-Behnken Design (BBD)方法進行設計，并對所有試驗要素和具體目標值進行線性回歸函數(shù)擬合，分析得出各參數(shù)對成型質(zhì)量的影響程度，即是否為顯著影響因素。根據(jù)所選試驗方法及水平，共有25組不同的因素組合。在相同的注射、冷卻、保壓等條件下，采用Moldflow API/3DGAS對這25組參數(shù)組合分別進行模流分析，結(jié)果列于表4。

表4 響應面模型試驗結(jié)果表

2.2 線性回歸的響應面方差分析

分別以氣體穿透長度、氣指最大幅度為響應值，對所設計的試驗及結(jié)果進行分析，分析數(shù)據(jù)列于表5、表6。

表5 氣體穿透長度的響應面方差分析

表6 最大氣指幅度的響應面方差分析

從表5、表6 可以看出，此次所設計的響應面試驗P值均小于0.000 1，說明達到了顯著水平，具有統(tǒng)計學的意義，證明設計的模型擬合度良好并且實驗設計合理。根據(jù)表4 的結(jié)果對數(shù)據(jù)進行分析，并對驗因素及響應值進行線性回歸擬合，本次試驗對氣體穿透長度(R1)、最大氣指幅度(R2)的回歸方程見式(1)、式(2)。

根據(jù)表5、表6 和式(1)、式(2)可知，各參數(shù)對氣體穿透深度的影響大小依次為：熔體預注射量(A)＞模具溫度(C)＞注氣時間(F)＞注氣壓力(E)＞延遲時間(D)＞熔體溫度(B)，熔體預注射量(A)為顯著影響因素，其它的為非顯著影響因素；各參數(shù)對最大氣指幅度的影響大小依次為：熔體預注射量(A)＞注氣時間(F)＞延遲時間(D)＞熔體溫度(B)＞模具溫度(C)＞注氣壓力(E)，熔體預注射量(A)和注氣時間(F)為顯著影響因素，其它的為非顯著影響因素。通過綜合考慮六因素對兩個響應值(R1，R2)的影響并進行成型實驗驗證，顯著影響因素熔體預注射量、注氣時間的優(yōu)選值分別為85%，10 s。

2.3 二次回歸的響應面模型建立

根據(jù)作者前期研究結(jié)果[12-15]和氣輔成型線性回歸響應面試驗的研究結(jié)果，在氣輔成型的所有參數(shù)中，熔體預注射量和注氣時間的影響特別顯著，往往會掩蓋其它工藝參數(shù)的作用，并且熔體預注射量(A)取值85%、注氣時間(F)取值10 s 時為優(yōu)。因此，本試驗在設定熔體預注射量為85%、注氣時間為10 s不變的情況下，研究熔體溫度(B)、模具溫度(C)、延遲時間(D)以及注氣壓力(E)等參數(shù)及其之間交互作用對氣輔成型質(zhì)量的影響。為此，設計了試驗因素-水平表和考慮參數(shù)間交互作用的4 因素2 水平L16(215)響應面法試驗，所確定的實驗因素及水平見表7。實驗方案根據(jù)BBD設計，共有16組不同的因素組合，并對所有試驗要素和具體目標值進行二次回歸函數(shù)擬合，優(yōu)選氣輔成型參數(shù)組。在相同的注射、冷卻、保壓等條件下，采用Moldflow API/3DGAS對這16組參數(shù)組合分別進行模流分析，結(jié)果列于表8。

表7 4因素2水平表

氣體穿透深度反映了高壓氮氣在氣輔塑件內(nèi)部的穿透程度，是衡量成型成敗的首要指標；最大氣指幅度反映了成型缺陷的大小，也是判斷氣輔塑件是否合格的直接指標。二者可以較全方位客觀地反映氣輔成型效果。

2.4 二次回歸的響應面方差分析

由表8數(shù)據(jù)可知：16組數(shù)值模擬結(jié)果都不相同，其中試驗號2，5，6，14的氣體穿透深度太短，試驗號9，10，12，13，15 的最大氣指幅度太大，不符合塑件氣輔成型要求。只有試驗號為1，3，4，7，8，11，16 數(shù)值分析結(jié)果符合氣輔成型質(zhì)量要求，氣體穿透深度和最大氣指幅度良好。通過分別以氣體穿透長度、氣指最大幅度為響應值，對所設計的試驗及結(jié)果進行分析，部分分析數(shù)據(jù)見表9和表10。

表10 最大氣指幅度的響應面方差分析

表9 和表10 分別為氣體穿透深度的二次回歸響應面方差分析表和最大氣指幅度的二次回歸響應面方差分析表，其中：BC表示熔體溫度與模具溫度的交互作用，BD表示熔體溫度與延遲時間的交互作用，BE表示熔體溫度與注氣壓力的交互作用，CD表示模具溫度與延遲時間的交互作用，CE表示模具溫度與注氣壓力的交互作用，DE表示延遲時間與注氣壓力的交互作用。從表9 可以看出，D，E和CD依次為氣體穿透深度的顯著影響因素，其它參數(shù)影響程度相對較小。

氣輔成型用模具除了模仿塑件的幾何結(jié)構(gòu)外，還起到熱交換器的作用，C的變化直接響塑料熔體凝固快慢程度，從而決定塑料熔體在高壓氣體的推動下流動的難易程度和推動熔體前進的體積多少；D的影響在一定范圍內(nèi)與模具溫度的顯著影響的原理是一致的，增長延遲時間，塑料熔體容易形成厚的凝固層，從而也顯著影響塑料熔體在高壓氣體的迫使下的流動難易程度和壓迫熔體向前流動的體積多少。所以D，C顯著影響氣體穿透長度這個評價指標。CD對氣體穿透深度指標影響較大的原因是延遲時間和模具溫度都顯著作用的疊加。

從表10可以看出，B，C，D和BD，BE，CD，DE等參數(shù)依次為最大氣指幅度的顯著影響因素，其它參數(shù)影響程度不明顯。B，C和D直接決定了塑料熔體的凝固快慢程度，決定了高壓氣體在氣道側(cè)翼穿透的容易程度，所以對氣指缺陷起到顯著影響。在全部參數(shù)間交互作用中，BD對最大氣指幅度的影響作用最大，說明二者之間存在密切的相關性。熔體溫度高，則需要適當延長延遲時間，以便熔體形成適當厚度的凝固層，從而減弱高壓氣體在氣道側(cè)翼的穿透而造成嚴重的氣指缺陷，所以在設計這兩個參數(shù)時避免同時出現(xiàn)高的熔體溫度和短的延遲時間。BE對最大氣指幅度的影響作用次之，因為熔體溫度高的話，熔體的流動性好，便于高壓氣體在熔體內(nèi)部穿透，所以較低的注氣壓力配合較高的熔體溫度，可以有效降低氣指缺陷。CD與BD對最大氣指幅度的影響的原因相同，都直接影響熔體的流動性，也就決定了熔體的凝固快慢，從而影響氣指缺陷的嚴重與否。DE也對最大氣指幅度有較大的影響，是由于注氣壓力大，延遲時間短的話，高壓氣體容易在氣道側(cè)翼穿透熔體形成較大的氣指缺陷，所以在規(guī)劃參數(shù)時應該合理減少注氣壓力和延長延遲時間，從而減小或避免氣指缺陷。

3 響應面實驗驗證

通過上面參數(shù)交互作用的氣輔注塑工藝二次回歸響應面方差分析，綜合考慮BBD 設計的16 組數(shù)值模擬結(jié)果，試驗結(jié)果表明，熔體溫度 240 ℃，注氣壓力 3 MPa，延遲時間 4 s，模具溫度 40 ℃時的氣輔成型效果好。因此，氣輔成型工藝參數(shù)的最優(yōu)值分別為：熔體溫度 240 ℃，注氣壓力3 MPa，延遲時間 4 s，模具溫度 40 ℃。

圖5 為最優(yōu)參數(shù)組的數(shù)值模擬和成型試驗結(jié)果。從圖5 可以看出：試驗塑件的氣體穿透深度理想、氣指缺陷小，而且沒有氣體穿破發(fā)生，表面質(zhì)量高，氣體穿透效果和塑件成型質(zhì)量良好，可用于指導實際氣輔成型生產(chǎn)。

4 結(jié)論

(1)氣輔成型技術能夠顯著提升塑件強度及表面外觀質(zhì)量、減少塑料消耗和壓縮成型生產(chǎn)周期。采用響應面法試驗研究，能夠得到參數(shù)間交互作用對氣輔成型質(zhì)量的影響規(guī)律，從而為精準規(guī)劃氣輔成型參數(shù)、優(yōu)化氣輔成型工藝提供指導。

(2)通過L25(56)線性回歸響應面試驗和響應面方差分析，熔體預注射量、注氣時間為顯著影響因素，其優(yōu)選值分別為85%，10 s。

(3)通過二次回歸響應面試驗和方差分析，參數(shù)間的交互作用對氣體穿透深度的影響較小，而對氣指缺陷的影響顯著。B，C，D和BD，BE，CD，BC為氣指缺陷的顯著影響因素。

(4)最佳成型工藝為熔體預注射量85%，注氣時間10 s，熔體溫度240 ℃，注氣壓力3 MPa，延遲時間4 s，模具溫度40 ℃。經(jīng)數(shù)值模擬和成型實驗驗證，最優(yōu)參數(shù)組下得到氣輔塑件的氣體穿透深度及最大氣指幅度指標優(yōu)良，氣體穿透效果和氣輔成型質(zhì)量良好，提高了氣輔成型質(zhì)量和效率，有效降低了碳排放，可用于氣輔成型實際生產(chǎn)。