基于正交試驗(yàn)的PP車門內(nèi)飾板注塑工藝參數(shù)優(yōu)化

劉朝福，劉建偉，何玉林

（1. 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，廣西壯族自治區(qū)桂林市 541004；2. 桂林電子科技大學(xué)教學(xué)實(shí)踐部，廣西壯族自治區(qū)桂林市 541004；3. 桂林電子科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，廣西壯族自治區(qū)桂林市 541004）

車門內(nèi)飾板大都采用工程塑料通過注塑成型工藝制造，在塑料原料、注塑機(jī)、注塑模具等條件不變的情況下，熔體溫度、注射時間、模具溫度、保壓壓力、保壓時間等直接影響注塑件的翹曲變形量，決定注塑件的尺寸精度和外觀質(zhì)量。由于注塑成型的各工藝參數(shù)間是非線性和強(qiáng)耦合性的[1]，使工藝參數(shù)的優(yōu)化過程變得十分困難和費(fèi)時。正交試驗(yàn)是解決多因素、多位級復(fù)雜問題的一種設(shè)計方法[2]，可用少量實(shí)驗(yàn)次數(shù)就能較為全面地反映實(shí)驗(yàn)對象的信息，通過分析正交試驗(yàn)結(jié)果可以快速確定各因素及其交互作用對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響程度。

本工作采用正交試驗(yàn)法，利用Moldflow分析軟件對某型號汽車車門內(nèi)飾板進(jìn)行注塑成型模擬，分析熔體溫度、模具溫度、注射時間、保壓壓力和保壓時間等對注塑件翹曲變形量的影響，并找出可降低車門內(nèi)飾板翹曲變形量的最佳工藝參數(shù)，最后通過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證所選工藝參數(shù)的正確性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 車門內(nèi)飾板的特點(diǎn)及所用原料性能

選取廣西柳州某企業(yè)一款在產(chǎn)轎車的車門內(nèi)飾板為研究對象，其外形尺寸為705 mm×606 mm×98 mm，注塑件壁厚2.1～3.2 mm，總質(zhì)量約2.1 kg，壁厚相對均勻，注塑件整體相對規(guī)整，無特別明顯尖角、薄壁等特別難成型的特征。

車門內(nèi)飾板用原材料為改性聚丙烯（PP），牌號為PL203HC，貴州凱科特材料有限公司生產(chǎn)，其主要性能見表1。

表1 PP PL203HC的主要性能Tab.1 Main properties of PP PL203HC

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及軟件

SA5300/4000型注塑機(jī)，寧波海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)；車門內(nèi)飾板注塑模具，一模一腔，自制；ROMER-1型柔性關(guān)節(jié)臂激光測量系統(tǒng)，海克斯康測量技術(shù)（青島）有限公司生產(chǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)方案

對注塑成型的制件而言，影響其翹曲變形量的主要工藝參數(shù)有熔體溫度、模具溫度、注射時間、保壓時間、保壓壓力等，每個工藝參數(shù)對注塑件翹曲變形量的影響都不相同且相互制約[3]。

針對本工作研究對象，具體實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計為：1）確定Moldflow軟件模擬實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)；2）確定影響實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的影響因素及其位級，并列出因素水平表；3）構(gòu)建合理的正交試驗(yàn)表，并將車門內(nèi)飾板數(shù)字模型導(dǎo)入Moldflow軟件中進(jìn)行模擬分析；4）處理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)；5）分析并選擇最佳工藝參數(shù)組合；6）驗(yàn)證工藝參數(shù)的正確性。據(jù)此，本工作以車門內(nèi)飾板的翹曲變形量為模擬實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)，確定了影響實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的因素為熔體溫度、模具溫度、注射時間、保壓壓力和保壓時間，共5個，分別記為A，B，C，D，E，5個因素再各取5個水平，結(jié)果見表2。

表2 正交試驗(yàn)的因素及水平Tab.2 Factors and levels of the orthogonal experiments

2.2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

將車門內(nèi)飾板的三維模型導(dǎo)入Moldflow軟件中，分別進(jìn)行25次模擬注塑成型，分析、計算翹曲變形量。25組實(shí)驗(yàn)測定的翹曲變形量分別為12.25，12.01，11.95，11.90，11.92，10.25，10.28，12.22，12.24，12.03，11.65，11.71，11.64，12.01，12.85，10.55，10.65，11.98，12.02，12.23，11.12，11.78，11.94，12.36，12.04 mm。

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到各因素在不同水平的翹曲變形量之和的平均值（記為ki）；同一因素的平均值中，其最大值和最小值之差為極差（R），逐一計算各個因素的R，結(jié)果見表3。R的大小體現(xiàn)了因素變化對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，R越大，表示所對應(yīng)的工藝參數(shù)對實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)（翹曲變形量）影響越大，這個因素就越重要[4]。影響車門內(nèi)飾板翹曲變形量的工藝參數(shù)中，其重要程度由大到小依次為：B，E，D，A，C。

2.3 注塑工藝參數(shù)與注塑件翹曲變形的關(guān)系

導(dǎo)致注塑件產(chǎn)生翹曲變形的內(nèi)在原因[5-6]主要有：1）由于熔體與模腔壁接觸的各處溫度不完全相同，造成熔體熱收縮不均勻而引起翹曲變形；2）由于注塑件不同部位的厚度不完全一致，在體積收縮過程中產(chǎn)生不同收縮量而引起翹曲變形；3）注塑件內(nèi)高聚物分子鏈的取向差異，成型過程中的高聚物分子鏈在平行分子排列方向與垂直分子排列方向的收縮不一致而引起翹曲變形。根據(jù)表3統(tǒng)計的結(jié)果，按照其影響程度的重要性逐一繪圖并分析各工藝參數(shù)對注塑件翹曲變形量的影響程度和原因。

表3 翹曲變形結(jié)果的極差分析Tab.3 Range analysis of the warpage results mm

從圖1看出：車門內(nèi)飾板的翹曲變形量隨模具溫度上升而顯著增加。模具溫度對注塑件翹曲變形的影響主要是收縮變形[7]，主要發(fā)生在澆口凝固封閉后、注塑件脫模前這一過程，澆口封閉后，注塑機(jī)對模腔的填充和保壓作用完全喪失。因此，隨著模具溫度升高，熔體冷卻定型所需時間將增加，注塑件脫模后的翹曲變形量就增大。

圖1 模具溫度對車門內(nèi)飾板翹曲變形量的影響Fig.1 Effect of the mold temperature on the warpage of the door trim panel of automobile

從圖2看出：車門內(nèi)飾板的翹曲變形量隨著保壓時間的延長而逐漸下降。這是因?yàn)楸簳r間越長，越有利于更多熔體補(bǔ)充到模具型腔內(nèi)，用以彌補(bǔ)模腔內(nèi)因冷卻收縮而產(chǎn)生的空隙，這個補(bǔ)充作用越強(qiáng)，模腔內(nèi)熔體的內(nèi)應(yīng)力就越小，注塑件的翹曲變形量就越小。

圖2 保壓時間對車門內(nèi)飾板翹曲變形量的影響Fig.2 Effect of the packing time on the warpage of the door trim panel of automobile

從圖3看出：保壓壓力較小時，車門內(nèi)飾板的翹曲變形量隨著保壓壓力增加而顯著下降，但保壓壓力上升到約61MPa后，車門內(nèi)飾板的翹曲變形量又隨之上升。這是因?yàn)檩^高的保壓壓力可以使模腔內(nèi)的熔體更加密實(shí)，從而減少車門內(nèi)飾板由于收縮導(dǎo)致的翹曲變形；但是，過高的保壓壓力會導(dǎo)致模具鎖模不嚴(yán)密而產(chǎn)生熔體溢出的現(xiàn)象[8]，并且可能引起較高的流動殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致車門內(nèi)飾板的翹曲變形量增大。

圖3 保壓壓力對車門內(nèi)飾板翹曲變形量的影響Fig.3 Effect of the packing pressure on the warpage of the door trim panel of automobile

從圖4看出：車門內(nèi)飾板的翹曲變形量隨著熔體溫度的升高先逐漸降低，在溫度為225 ℃時達(dá)最小，隨后略微升高。熔體溫度對于注塑件收縮的影響包括熱收縮、結(jié)晶收縮、取向收縮和補(bǔ)壓收縮等，熔體溫度升高，其黏度降低，流動性增大，充填到模具的能力就會提高，補(bǔ)壓收縮的作用就會增強(qiáng)，注塑件的翹曲變形量就逐漸減少；但是，隨著熔體溫度的進(jìn)一步上升，熔體在保壓和冷卻定型階段的熱收縮、結(jié)晶收縮和取向收縮等均會有所上升[9-10]，從而導(dǎo)致注塑件的總體翹曲變形量在225 ℃以后會略微上升。

圖4 熔體溫度對車門內(nèi)飾板翹曲變形量的影響Fig.4 Effect of the melt temperature on the warpage of the door trim panel of automobile

從圖5看出：車門內(nèi)飾板的翹曲變形量隨著注射時間的增加而逐漸下降。這是因?yàn)閷τ谌垠w體積一定的注塑件而言，注射時間越短，其相應(yīng)的注射速度就必須越大，熔體在此過程中受到的剪切作用就越強(qiáng)，熔體中高聚物的結(jié)晶和取向作用越明顯[11]，結(jié)果是注塑件的翹曲變形量變大。

圖5 注射時間對車門內(nèi)飾板翹曲變形量的影響Fig.5 Effect of the injection time on the warpage of the door trim panel of automobile

2.4 最佳工藝參數(shù)的確定

注塑工藝參數(shù)的重要程度由大到小依次是模具溫度、保壓時間、保壓壓力、熔體溫度和注射時間（見表3）。因此，為滿足車門內(nèi)飾板的翹曲變形量為最小這一目標(biāo)，結(jié)合表3，在表2中即可查找到最佳的工藝參數(shù)組合應(yīng)為A4B1C4D2E5。具體工藝參數(shù)為：熔體溫度220 ℃、模具溫度35 ℃、注射時間7 s、保壓壓力60 MPa、保壓時間18 s。

2.5 最佳工藝參數(shù)的驗(yàn)證

將最佳工藝參數(shù)導(dǎo)入Moldflow分析軟件中進(jìn)行模擬注塑分析[12]，系統(tǒng)顯示車門內(nèi)飾板的最大翹曲變形量降至8.33 mm，即內(nèi)飾板的翹曲變形現(xiàn)象得到明顯改善。

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)分析結(jié)果，將最佳工藝參數(shù)組合在注塑機(jī)及車門內(nèi)飾板模具上進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。采用柔性關(guān)節(jié)臂激光測量系統(tǒng)測量所制車門內(nèi)飾板的翹曲變形量，其最大值為8.85 mm，與前述分析結(jié)果非常相近，由此證明正交試驗(yàn)所選最佳工藝參數(shù)是正確的。

3 結(jié)論

a）采用PP作原料的車門內(nèi)飾板，注塑工藝對其翹曲變形量的影響程度由大到小依次是模具溫度、保壓時間、保壓壓力、熔體溫度、注射時間。

b）當(dāng)模具溫度為35 ℃、保壓時間為18 s、保壓壓力為60 MPa、熔體溫度為220 ℃、注射時間為7 s時，車門內(nèi)飾板的翹曲變形量最小，采用Moldflow軟件模擬出其最小值為8.33 mm。

c）將優(yōu)選的注塑工藝用于車門內(nèi)飾板的實(shí)際生產(chǎn)，車門內(nèi)飾板的翹曲變形量為8.85 mm，與Moldflow軟件模擬結(jié)果基本吻合。

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