基于正交試驗的某外飾件工藝參數(shù)優(yōu)化及質(zhì)量評定

儲成生，葛君廷，馬 勇

（1.尼普洛醫(yī)療器械（合肥）有限公司，安徽合肥230601；2.華錄松下電子信息技術(shù)有限公司，遼寧大連116023；3.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽合肥230009）

基于正交試驗的某外飾件工藝參數(shù)優(yōu)化及質(zhì)量評定

儲成生1，葛君廷2，馬 勇3＊

（1.尼普洛醫(yī)療器械（合肥）有限公司，安徽合肥230601；2.華錄松下電子信息技術(shù)有限公司，遼寧大連116023；3.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽合肥230009）

應(yīng)用計算機輔助工程（CAE）技術(shù)，設(shè)計了某型號DVD刻錄機外門的最佳澆口位置；針對翹曲變形，基于正交試驗法，通過綜合平衡法分析獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為模具溫度55℃，熔體溫度245℃，保壓壓力70MPa，保壓時間6s。基于最優(yōu)工藝參數(shù)，進行注塑實驗，獲得的3個塑件從產(chǎn)品外觀看均無變形、縮癟、雜色、飛邊及白化等缺陷，最大翹曲變形量為0.292mm，平均翹曲變形量為0.288mm，均滿足生產(chǎn)中翹曲量小于0.3mm的要求。

注射成型；工藝參數(shù)；有限元分析；翹曲；正交試驗

0 前言

注塑產(chǎn)品中常見的品質(zhì)問題是存在熔接痕和翹曲變形，其不僅影響塑料制品的外觀品質(zhì)，而且對制品的力學(xué)性能影響也很大，將嚴重影響到制品的壽命［1－2］。目前，CAE技術(shù)已經(jīng)較廣泛地應(yīng)用于注射模具的設(shè)計中［3］，CAE 技術(shù)可預(yù)測模具設(shè)計和成型工藝條件對產(chǎn)品品質(zhì)的影響，為判斷模具設(shè)計和成型條件是否合理提供科學(xué)依據(jù)和設(shè)計分析手段［4］。本文所研究的某型號DVD刻錄機外門為薄壁注塑件，其在外觀及品質(zhì)上都有較高的要求，本文應(yīng)用有限元分析軟件，模擬分析制件缺陷產(chǎn)生的原因，通過正交試驗［5］，確定出最優(yōu)的工藝方案，并進行了實驗研究和品質(zhì)評定，為大批量生產(chǎn)出合格零件提供了科學(xué)的依據(jù)。

1 注塑過程有限元模型建立

1.1 塑件分析

圖1為某型號DVD刻錄機外門的外觀圖，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，四周都有圓角過度，端部帶有連接運動的部分；尺寸為38mm×17mm×429mm，最小壁厚1.6mm，平均壁厚2.7mm，屬于薄壁件；材料為ABS910－X15，要求大批量生產(chǎn)且壁厚均勻。該塑件裝配在DVD刻錄機的外表面，屬于外飾件，生產(chǎn)時要求塑件表面美觀、光潔、無明顯熔接痕、銀絲、斷裂、劃傷和縮癟等缺陷，同時不產(chǎn)生明顯的翹曲變形。

圖1 塑料制品Fig.1 Plastic product

1.2 模型導(dǎo)入

將塑件三維模型導(dǎo)入Moldflow軟件，由于外門件為薄壁塑件，采用表面網(wǎng)格模型，網(wǎng)格的邊長為2.5mm，經(jīng)網(wǎng)格劃分和修補共計20150個網(wǎng)格單元，平均縱橫比為2.046，網(wǎng)格的匹配率為91.8%，各項指標均符合Moldflow分析所要求的網(wǎng)格質(zhì)量標準。

1.3 成形參數(shù)設(shè)置

塑件材料為ABS910－X15，初步設(shè)定成型工藝參數(shù)：模具溫度50℃；熔體溫度240℃；保壓壓力65MPa；保壓時間8s；注塑周期50s；速度／壓力切換：充填體積達到99%時，注射控制由速度控制轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫刂?；開模時間設(shè)置為默認值5s；選取“冷卻＋充填＋保壓＋翹曲”分析類型。

1.4 澆口設(shè)計

澆口是連接流道與型腔之間的一段細短通道，是澆注系統(tǒng)的關(guān)鍵部位。由于軟件分析出的最佳澆口位置位于制件的外表面，會嚴重影響外飾件的表面品質(zhì)。因此設(shè)計了單澆口、雙澆口和側(cè)澆口3種工藝方案，成型品質(zhì)結(jié)果如圖2～4所示。

圖2 氣穴缺陷Fig.2 Cavitation defects

圖3 熔接痕Fig.3 Weld line

圖4 Z向翹曲量Fig.4 Warpage of Z－direction

從圖2可以看出，雙澆口時，塑件產(chǎn)生的氣穴最多，單澆口和側(cè)澆口產(chǎn)生的氣穴相對較少。從圖3可以看出，采用雙澆口時，產(chǎn)生的熔接痕最多，采用單澆口時熔接痕最少。由于塑件Z方向壁厚較薄，為17mm，在注射成型過程中產(chǎn)生的翹曲變形量較大，因此在這里取Z方向翹曲量對3種澆口方案進行比較，從圖4可以看出，雙澆口的Z方向翹曲變形量最小，為0.1592mm，單澆口次之，為0.2530mm，而側(cè)澆口的Z方向翹曲變形量最大，為0.3407mm。

綜上所述，最終選擇氣穴與熔接痕最少的潛伏式單澆口。

2 工藝參數(shù)優(yōu)化

針對產(chǎn)品在實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的翹曲問題，采用正交試驗法和CAE技術(shù)相結(jié)合，減小翹曲變形量，提高產(chǎn)品品質(zhì)。實際生產(chǎn)中，產(chǎn)生翹曲缺陷的因素很多，根據(jù)相關(guān)文獻［6］和［7］主要有：模具溫度、熔體溫度、澆口尺寸、保壓壓力和保壓時間。

由于本設(shè)計中澆口尺寸是固定的，根據(jù)各個參數(shù)選取依據(jù)［6－7］，設(shè)計了4因素3水平的正交試驗，其方案設(shè)定及模擬結(jié)果如表1所示。

表1 正交試驗及結(jié)果Tab.1 Orthogonal experiment and result

從表1各因素的極差大小，可以看出，對塑件翹曲量影響的因素主次關(guān)系為：保壓壓力＞熔體溫度＞模具溫度＞保壓時間。

各因素中均值最小的水平即為各工藝參數(shù)的最優(yōu)組合，最佳組合方案是A1B3C3D3，即選用模具溫度為55℃，熔體溫度為245℃，保壓壓力為70MPa，保壓時間為6s，其注射成型模擬結(jié)果如圖5所示，圖5（a）的熔接痕數(shù)量較少，氣穴的位置可以通過模具分型面消除，制品成型品質(zhì)較好，圖5（b）中最大翹曲變形量為0.2677mm，X方向翹曲量為0.1652mm，Y方向翹曲量為0.0968mm，Z方向翹曲量為0.1260mm。

圖5 最優(yōu)工藝參數(shù)方案模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results with the optimal process parameters

3 實驗研究及品質(zhì)評定

由于研究的塑件屬于薄壁件且尺寸較大，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，在實驗中設(shè)定了3段保壓，一段、三段保壓壓力分別為50、80MPa，保壓時間分別為1、0.6s，第二段保壓時間及其他工藝參數(shù)均按獲得的最優(yōu)工藝參數(shù)設(shè)定，其實驗結(jié)果如圖6所示。從3個實驗產(chǎn)品外觀看，均無變形、縮癟、雜色、飛邊及白化等缺陷，滿足產(chǎn)品品質(zhì)要求。制件熔接痕數(shù)量較少且分布在內(nèi)表面，這與模擬結(jié)果一致，制品外觀品質(zhì)較好。

圖6 外門的實驗產(chǎn)品Fig.6 Experimental plastic product of plastic production

制件翹曲量測量結(jié)果如表2所示，其實驗結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致（模擬最大翹曲變形量為0.2677mm），平均翹曲變形量為0.288mm，生產(chǎn)中要求最大的翹曲量在0.3mm以下，翹曲量滿足要求，產(chǎn)品品質(zhì)合格。

表2 實驗塑件最大翹曲量Tab.2 The maximum warpage of experimental plastic product

4 結(jié)論

（1）根據(jù)CAE技術(shù)與正交試驗的結(jié)果，在所選工藝參數(shù)范圍內(nèi)，對所研究塑件翹曲量影響的因素主次關(guān)系為：保壓壓力＞熔體溫度＞模具溫度＞保壓時間；

（2）應(yīng)用最優(yōu)注塑工藝參數(shù)組合，進行了注塑實驗，獲得了外觀無變形、縮癟、雜色、飛邊及白化等缺陷的制品，且翹曲量滿足要求，為進行合格制件的大批量生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

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Optimization of Injection Molding Process and Quality Evaluation for Some Outer Decoration Parts Based on Orthogonal Test Method

CHU Chengsheng1，GE Junting2，MA Yong3＊

（1.Nipro Medical（Hefei）Co，Ltd，Hefei 230601，China；
2.China Hualu Panasonic AVC Networks Co，Ltd，Dalian 116023，China；3.School of Materials Science and Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

This paper studied the injection molding of the plastic outer door of a DVD recorder.In view of the warpage of part in the practical production，using an orthogonal experiment and CAE technology，the process parameters were optimized and the optimal process parameters were found as：mold temperature 55℃，melt temperature 245℃，packing pressure 70MPa，and the holding time 6s.Based on the optimal parameters，the injection molding experiment was carried out and three plastic parts were obtained.All the parts were perfect without deformation，deflated，variegated，edge，bleaching and other defects.Especially，the maximum warp deformation was 0.292mm，the mean warp deformation was 0.288mm.

injection molding；process parameter；finite element analysis；warpage；orthogonal experiment

TQ320.66＋2

B

1001－9278（2013）07－0090－04

2013－03－15

安徽省自然科學(xué)基金資助項目（1308085QE72）

＊聯(lián)系人，mayong＿dlut＠163.com

許夢蘭 劉 學(xué)）