影響冰箱抽屜表觀質(zhì)量的成型工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

王 巍， 易學(xué)滿， 陳文琳

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽毅昌科技有限公司，安徽 合肥 230601）

目前注塑制品在社會的各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，隨著注塑技術(shù)的發(fā)展，注塑制品的表觀質(zhì)量也越來越高。要獲得高質(zhì)量的塑料產(chǎn)品，減少翹曲、縮水等工藝缺陷，對成型工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計必不可少。文獻(xiàn)［1］以汽車卡扣座為例，通過分析材料種類、熔體溫度和模具溫度對翹曲的影響，確定了最佳澆口位置和最佳成型工藝參數(shù)。文獻(xiàn)［2］結(jié)合CAE與正交試驗研究工藝參數(shù)對注塑制品體積收縮率變化的影響，得出保壓壓力和模具溫度對注塑制品的體積收縮率變化影響較大。文獻(xiàn)［3］用單因子按序算法對注塑制品成型工藝參數(shù)進(jìn)行分析，得出了模具溫度和熔體溫度、注射壓力以及保壓壓力等因素對翹曲、縮水的影響趨勢和大小。

本文結(jié)合CAE與正交試驗研究了熔體溫度、模具溫度、保壓壓力和保壓時間4個工藝參數(shù)對注塑制品的體積收縮率、翹曲量和縮痕指數(shù)的影響趨勢，并應(yīng)用綜合平衡法分析得出最優(yōu)化參數(shù)結(jié)果，改進(jìn)了制品的表觀質(zhì)量。

1 問題提出

某公司生產(chǎn)的冰箱抽屜件，尺寸為340cm×330cm×2cm，平均壁厚為2mm，塑件材料Empera 350，材料名稱縮寫PS，制品為透明件。在實際生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)了翹曲和表面縮水等問題，影響了產(chǎn)品的表觀質(zhì)量。

翹曲和縮水受多種成型工藝參數(shù)影響，且各因素對其影響趨勢不同，相互影響。若單一考慮對翹曲變形的優(yōu)化，則可能導(dǎo)致縮水缺陷嚴(yán)重化，反之亦然。需綜合考慮以得到最優(yōu)化的工藝參數(shù)，使塑件的翹曲與縮水等缺陷同時得到有效的控制，達(dá)到生產(chǎn)要求。

2 正交試驗

2.1 冰箱抽屜有限元模型的建立

冰箱內(nèi)置抽屜件，塑件屬中等尺寸，產(chǎn)量不大，采用一模一件即可滿足生產(chǎn)要求［4］。塑件三維模型如圖1所示。產(chǎn)品完整的CAE分析模型如圖2所示。

圖1 冰箱抽屜三維模型圖

圖2 產(chǎn)品的完整CAE分析模型

其中包括完整的冷卻系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)。分析類型選用冷卻＋充填＋保壓＋翹曲，利用Moldflow軟件對其成型情況進(jìn)行分析。

2.2 正交實驗設(shè)計

正交實驗設(shè)計最突出的特點是用較少的實驗次數(shù)，就可以由實驗結(jié)果通過計算推斷出最優(yōu)的參數(shù)組合［5］。在工程應(yīng)用方面，對產(chǎn)品的性能、成本、工藝參數(shù)優(yōu)化，正交實驗方法簡單有效。

由生產(chǎn)實踐經(jīng)驗和相關(guān)資料確定其成型的各工藝參數(shù)為：模具溫度為20～70℃；熔體溫度為180～280℃；保壓壓力設(shè)定為60～80MPa，保壓時間為5～15s。

建立四因素三水平正交表，影響翹曲因素設(shè)定為模具溫度（A）、熔體溫度（B）、保壓時間（C）、保壓壓力（D）4個工藝參數(shù)，實驗因素取值見表1所列，并按照序號用Moldflow軟件進(jìn)行9組實驗，輸入相應(yīng)的工藝參數(shù)取值，模擬分析后得出塑件的翹曲變形量、體積收縮率與縮痕指數(shù)，見表2所列。

表1 實驗因素和實驗水平

表2 正交實驗方案及試驗結(jié)果

3 正交試驗數(shù)據(jù)分析

在正交實驗中，根據(jù)極差R的大小，可以判斷各因素對實驗結(jié)果影響的大小。判斷的原則是：凡是極差愈大，所對應(yīng)的因子越重要［6］。各因素的極差分析結(jié)果見表3所列。

由表3可以看出，對翹曲影響最大的成型工藝參數(shù)為熔體溫度，其他因素影響大小依次為保壓時間、保壓壓力和模具溫度［7］。對于縮痕指數(shù)，影響最大的是保壓壓力，其他因素影響大小依次為保壓時間、模具溫度和熔體溫度。對體積收縮率影響最大的是熔體溫度，其次是保壓壓力、保壓時間和模具溫度。根據(jù)成型要求，制品的翹曲量越小越好，可得到各因子的優(yōu)化參數(shù)組合為A1B3C1D3；制品表面的縮痕越小越好，可得到各因子的優(yōu)化參數(shù)組合為A1B1C2D3；制品的體積收縮率越小越好，可得到各因子的優(yōu)化組合 為A3B1C1D3。

表3 正交實驗數(shù)據(jù)極差分析結(jié)果

針對單一指標(biāo)進(jìn)行分析，得出了工藝參數(shù)對各指標(biāo)的影響顯著性次序以及相對較優(yōu)的工藝參數(shù)組合［8］。由于用來衡量本注塑件表觀質(zhì)量的指標(biāo)有3個，因此本文采用綜合平衡法對注塑工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)方案。結(jié)合各個指標(biāo)在生產(chǎn)實際中對表觀質(zhì)量的影響大小和趨勢，取翹曲變形指標(biāo)、縮痕指數(shù)指標(biāo)和體積收縮率指標(biāo)分別占總指標(biāo)的50%、30%和20%，3種指標(biāo)的實驗數(shù)值分別乘以其對應(yīng)的百分比后相加即得綜合指標(biāo)數(shù)值。應(yīng)用綜合平衡法對正交試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，結(jié)果見表4所列。綜合指標(biāo)的極差分析見表5所列。

表4 綜合指標(biāo)正交數(shù)據(jù)

表5 綜合指標(biāo)極差分析

由表5可以看出，對制品表觀質(zhì)量影響最大的成型因素為保壓壓力，其他因素影響大小依次為熔體溫度、模具溫度和保壓時間。根據(jù)成型要求，最優(yōu)化各因子組合為A1B3C3D3。

4 優(yōu)化結(jié)果檢驗

當(dāng)工藝參數(shù)組合為A1B3C3D3時，即模具溫度40℃，熔體溫度240℃，保壓時間15s，保壓壓力80MPa時，制品最大翹曲量為1.213mm，最大縮痕指數(shù)2.247%，最大體積收縮率8.214%，相比表2中的各試驗結(jié)果，綜合考慮為最佳結(jié)果，可以認(rèn)為該工藝組合為比較合理的成型工藝參數(shù)。對表面成型參數(shù)優(yōu)化后在公司進(jìn)行實驗驗證，得到了表面光滑，無明顯翹曲的表觀質(zhì)量良好的合格制品，如圖3所示。

圖3 表觀質(zhì)量良好的制品

5 結(jié)束語

使用正交實驗設(shè)計能有效地減少實驗次數(shù)，用直觀分析可以快速有效地得到一套減少翹曲的最優(yōu)工藝參數(shù)，并且對避免模具返修和報廢，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低企業(yè)生產(chǎn)成本具有積極的經(jīng)濟意義［9］。

本實驗得出了對制品表觀質(zhì)量影響最大的工藝參數(shù)為保壓壓力，其他因素影響大小依次為熔體溫度、模具溫度和保壓時間。優(yōu)化得出的最佳參數(shù)為模具溫度40℃，熔體溫度240℃，保壓時間15s，保壓壓力80MPa，用以上優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行實驗驗證，得到了表觀質(zhì)量良好的制件。

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