注塑成型工藝試驗優(yōu)化設計

李雪源

(天津大學管理學院)

注塑成型工藝試驗優(yōu)化設計

李雪源*

(天津大學管理學院)

針對注塑成型工藝中存在的缺陷，引入正交試驗設計方法，進行模具結構和工藝參數(shù)的優(yōu)化設計。以模具溫度、保壓壓力、保壓時間和模內冷卻時間作為影響因素，以體積收縮率、縮痕指數(shù)和熔接痕長度作為評估指標，通過利用Moldflow軟件模擬熔體在型腔內的流動，得到各工藝參數(shù)影響制品成型質量的趨勢圖。通過正交試驗設計分析，得到各工藝因素對體積收縮率、縮痕指數(shù)和熔接痕影響的程度，結合極差分析、方差分析法綜合比較各組試驗模擬結果，獲得最優(yōu)化的工藝參數(shù)組合。

注塑成型 正交試驗 模具溫度 工藝優(yōu)化

隨著社會的飛速發(fā)展，競爭日益加劇，商品經濟的觀念深入人心。塑料制品的生產質量和成本控制是塑料制品企業(yè)競爭的主要集中點。注塑成型作為塑料加工中的主要成型方法之一，應用得非常普遍[1]。注塑成型是將顆粒狀或粉狀原料從注塑機的料斗送進加熱的料筒中，經過加熱熔融塑化成為黏流態(tài)熔體，在注塑機柱塞或螺桿的高壓推動下，以很高的流速通過噴嘴，注入模具型腔，經一定時間的保壓冷卻定型后可保持模具型腔的形狀，然后開模分型獲得成型塑料制件。雖然注塑成型在各個方面都有很廣泛的應用，但是在實際的生產中由于經驗不足、塑料成分結構復雜及注塑成型工藝影響等因素造成塑料件不合格[2]。所以，如何從復雜的工藝參數(shù)試驗中脫離出來，增加試模的成功率，從而優(yōu)化注塑工藝參數(shù)，是各個企業(yè)迫切需要解決的問題。優(yōu)化工藝參數(shù)對企業(yè)提高成品率和降低生產成本是非常重要的。

1 塑料注塑成型缺陷及應對措施

注塑成型質量分為內部質量和外部質量。內部質量包括塑件的形狀與尺寸精度、內部組織結構形態(tài)、密度、物理力學性能及熔接痕強度等；外部質量包括表面粗糙度和表觀缺陷狀況等。實際上，不論是塑件的內部質量還是外部質量，均與成型時的工藝條件、模具條件和成型物料選擇密切相關。注塑成型產品常見缺陷有翹接痕、縮痕、翹曲變形、表面光澤不均勻、氣穴及飛邊等[3]。

1.1熔接痕

熔接痕是注塑成型產品常見的外觀缺陷之一，該缺陷直接影響塑料制品的外觀質量，甚至會損壞產品的力學性能。在充模過程中，兩股相向聚合物熔體的流動前沿匯集到一起或一股流動前沿經過障礙物后再匯合時，因流動前沿部分已經冷卻，以致于不能很好地熔合，在匯合處形成熔接痕或熔接線的現(xiàn)象。通常會有兩種形式：一種是當產品中存在鑲嵌件、孔洞或者產品的厚度變化較大時，熔體在模具內發(fā)生兩個方向上的流動，交匯形成熔接痕跡；另一種是當采用多澆口時，會導致多股熔體以相對運動匯合而形成熔接痕跡。注塑成型時，要盡量減少熔接痕的數(shù)量，控制熔接痕的位置。應對措施為：優(yōu)化注塑成型工藝，增大注射壓力及注射速度等；增加排氣槽，減少熔體流動的阻力；控制澆口位置和澆口數(shù)量。

1.2表面縮痕

表面縮痕是影響注塑制品質量的重要因素，主要是由注射過程中塑件產品收縮不均勻造成的，體現(xiàn)在塑件厚度方向的收縮率不同，或熔體流動方向的收縮率和垂直方向的收縮率不同。引起表面縮痕的原因有很多，產品的結構、模具設計及注塑成型工藝參數(shù)的選擇等都會對最后的產品質量產生影響，其中對成型工藝參數(shù)的研究得到了人們的重視[4]。應對措施為：可通過注射后退火處理方法消除內應力；冷卻時間不足時，可采用延長冷卻時間。

1.3翹曲變形

翹曲變形是塑件最嚴重的質量缺陷，其產生與注塑成型工藝參數(shù)和模具的設計有很大關系，塑件在成型后期因收縮產生的不均勻變形和制品內部產生的內應力均會導致翹曲變形，影響尺寸和裝配。因此，需要優(yōu)化注塑成型工藝參數(shù)，對模具的設計進行改進以解決翹曲變形。

1.4表面光澤度差

塑料產品表面光澤度差是指產品表面失去塑料本身的光澤，整體光澤度較低。造成光澤不良的原因有很多，如模具表面過于粗糙、樹脂干燥不充分使揮發(fā)物在模具與樹脂之間凝縮。常用的提高塑件表面光澤度的方法有：盡量提高模具成型面的拋光質量，使其更加均勻，從根本上保證成型塑件的表面質量；優(yōu)化注塑工藝參數(shù)，改善熔體在模具內的流動性能和冷卻狀態(tài)，提高塑件產品的表面質量。

2 注塑工藝試驗分析

試驗優(yōu)化設計方法是對實物試驗與非實物試驗進行優(yōu)化設計與分析的一種分析技術，它可以從不同側重點出發(fā)，合理設計試驗方案，從而有效控制試驗的干擾因素，科學處理試驗數(shù)據(jù)， 進行全面的優(yōu)化分析，直接實現(xiàn)目標的優(yōu)化[5]。筆者采用正交試驗設計分析主要工藝參數(shù)，其交互作用對注塑成型工藝的影響規(guī)律分析采用極差分析法，并通過方差分析和極差分析對工藝參數(shù)的影響程度進行排序。

2.1正交試驗設計理論

正交試驗設計分析簡單，易于理解。極差就是平均效果中最大值和最小值的差。有了極差就可以找到影響指標的主要因素，并找到最佳因素水平組合。而方差分析是將試驗結果進行偏差平方和統(tǒng)計計算，對各因素指標的影響度排序。方差計算公式如下[6]：

(1)

式中k——每個水平做的補給次數(shù)；

mk——每個因素的水平數(shù)；

SA——因素A的方差。

極差計算公式為：

x=xmax-xmin

(2)

其中x為試驗結果，xmax為試驗結果的最大值，xmin為試驗結果的最小值。

2.2注塑工藝評價指標和試驗因素的選擇

通常出現(xiàn)的注塑缺陷有熔接痕、縮痕縮孔及翹曲變形等。這些都是衡量塑料制品質量好壞的重要指標，反映著整個注射成型工藝的優(yōu)劣。本次試驗所使用的評價指標有頂出時的體積收縮率、縮痕指數(shù)和熔接痕長度，分別記為P1、P2、P3。這3個指標能實現(xiàn)數(shù)值化，給試驗分析帶來很大的便利。

通過對RHCM成型工藝的研究[6]，選擇模具溫度、保壓壓力、保壓時間和模內冷卻時間這4個因素作為考察因素，分別對應記為A、B、C和D。工藝參數(shù)的水平和取值根據(jù)生產廠商的推薦值和試驗經驗制定出合理的方案。

2.2.1模具溫度

模具溫度是指和制品接觸的模腔表壁溫度。模具溫度的高低取決于塑料有無結晶性、制品的尺寸與結構、性能要求及其他工藝條件(熔料溫度、注射速率及注射壓力、模塑周期)[7]。模具溫度對塑料制品的性能和外觀質量影響很大。模具溫度過高，制品有可能出現(xiàn)飛邊、收縮凹陷、頂出變形、冷卻變形量大及制品脫模困難等缺陷，嚴重時會損壞模具，降低生產率。如果模溫過低，熔融物料的流動阻力增大，流速減慢，甚至在流道、澆口或充模半途凝固而妨礙繼續(xù)進料。

2.2.2保壓壓力

在注塑成型的保壓補縮階段，對模腔內的塑料熔體進行壓實和向模腔內進行補料流動所需要的壓力叫做保壓壓力。保壓壓力的大小取決于模具對熔體的靜壓力，并與制品的形狀、壁厚有關。

2.2.3保壓時間

一般保壓時間為20～25s，保壓時間短，制品密度低，尺寸偏小，易出現(xiàn)縮孔；保壓時間長，制品內應力大，強度低，脫模困難。熔體溫度高，澆口封閉時間長，保壓時間也長，反之保壓時間短；對于厚壁的制品，保壓時間需較長，而薄壁制品，保壓時間則可較短。

2.2.4模內冷卻時間

模內冷卻時間指注射結束到開啟模具這一段時間，它的大小取決于制品的厚度、塑料的熱性能、結晶性和模溫。一般為30～120s。冷卻時間的終點，應以保證制品脫模時不翹曲變形為原則。冷卻時間過長，不僅會降低生產率，而且對復雜制品還會造成脫模困難，若強行脫模會產生脫模應力，嚴重時損壞制品。

3 試驗設計方法

試驗設計是以數(shù)學理論與數(shù)據(jù)分析為基礎、制定出合理試驗方案的一種方法，通過優(yōu)先選擇對塑件屬性影響比較大的各相關工藝參數(shù)，確定出各試驗參數(shù)對試驗目標的影響度大小，從而可以調節(jié)試驗目標影響最大的試驗參數(shù)以取得更好的試驗結果，同時可以獲得各個試驗參數(shù)最佳水平組合。目前應用最為廣泛的是正交設計方法，通過計算各因素水平對試驗結果的影響，采用極差分析法，能夠較快的得到比較優(yōu)化的試驗方案和試驗因素對試驗結果的影響程度。通過對正交試驗表進行簡單的計算，能夠獲得足夠的數(shù)據(jù)信息，進而節(jié)約試驗成本。正交試驗的主要步驟為：確定試驗的目的和所要考察的目標；制定因素和水平表；通過所選的因素和水平來選用合適的正交表；進行試驗結果分析。

通過上述分析確定的注塑工藝因素研究對象為：模具溫度(A)、保壓壓力(B)、保壓時間(C)、模內冷卻時間(D)，根據(jù)材料供應商提供的數(shù)據(jù)和生產中積累的經驗來制定出正交試驗的水平，數(shù)據(jù)見表1。

表1 注塑工藝正交試驗水平數(shù)據(jù)

3.1Moldflow軟件仿真運算

采用前面所述的正交試驗分析法，選用L9(34)的正交表來進行試驗安排設計，L為正交的代號，9為需要試驗的次數(shù)，3為制定的水平數(shù)，4為因素的個數(shù)。筆者采用Moldflow軟件進行模擬運算，對上述9組試驗條件進行仿真計算，從軟件中能直接讀取的數(shù)據(jù)為體積收縮率和縮痕指數(shù)，而熔接痕長度需要通過信息轉換來得到。分析結果見表2。

表2 L9(34)正交試驗表

3.2試驗結果初步分析

對9組不同的試驗結果的數(shù)據(jù)進行分析，將不同指標的數(shù)據(jù)繪制成圖來分析其影響趨勢，如圖1所示。

分析圖1可知，不同的試驗條件對各指標的影響趨勢是不同的，直觀來看，初步得出，第8組試驗條件下的各指標相比其他要好很多，表示其生產質量也更好。

圖1 不同試驗條件下3個評估指標的變化趨勢

現(xiàn)對試驗結果進行正交極差分析，以便得到更加詳細的數(shù)值結果，進一步分析各因素條件對各指標的影響趨勢，得到正交結果極差分析表(表3)。

表3 正交結果極差分析表

分析上述正交試驗表，得到如下結論：

a. 對于指標體積收縮率，模內冷卻時間對其影響最大，其次分別為模具溫度、保壓時間和保壓壓力，各因素的主次順序為D>A>C>B。最優(yōu)的試驗組合為D2A2C3B3。

b. 對于指標縮痕指數(shù)，模具溫度對其影響最大，其次是分別為保壓壓力、模內冷卻時間和保壓時間，各因素的主次順序為A>B>D>C。最優(yōu)的試驗組合為A3B2D1C1。

c. 對于指標熔接痕長度，保壓時間對其影響最大，其次是分別為保壓壓力、模內冷卻時間和模具溫度，各因素的主次順序為C>B>D>A。最優(yōu)的試驗組合為C2B1D2A2。

4 結論

4.1通過利用Moldflow軟件對注塑成型工藝進行試驗模擬，從通常存在的缺陷出發(fā)，得到注塑成型過程中相關指標，體積收縮率、縮痕指數(shù)和熔接痕長度。然后利用正交試驗分析法，對試驗結果進行極差和方差分析，從而得到各因素對其相關指標的影響程，優(yōu)化了注塑成型工藝，在工藝參數(shù)的選擇上具有指導意義。

4.2從正交分析的計算結果中可知，對于模具溫度，3種指標均在水平2時所得的均值最小，選擇模具溫度為110°C；對于保壓壓力，3種指標均在水平3時所得的均值最小，選擇保壓壓力為110MPa；對于保壓時間，3種指標均在水平2時所得的均值最小，選擇保壓時間為15s；對于模內冷卻時間，3種指標均在水平1時所得的均值最小，選擇模內冷卻時間為30s。

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[3] 馬明興.快速熱循環(huán)注塑模具設計方法與優(yōu)化研究[D].濟南：山東大學，2009.

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OptimalDesignofExperimentonInjectionMoldingProcess

LI Xue-yuan

(CollegeofManagementandEconomics,TianjingUniversity,Tianjing300072,China)

Aiming at the main injection molding’s defect, the orthogonal design method was introduced to implement optimal design of the mold structure and process parameters, in which, the mold temperature, packing pressure and time as well as the inner mold cooling time can be taken as the influence factors, and the volume shrinkage, shrinkage mark index and weld line length taken as the evaluation index. Through simulating the flux flow within the mold cavity with Moldflow software, the trend chart of various process parameter’s affect on the molding quality of the products can be obtained; and based on the orthogonal experimental design analysis, the influence degree of various process factors on the volume shrinkage, shrinkage mark index and weld line length can be reached. Combined with the range and variance analysis methods and comprehensively comparing the experimental and simulation results of the each group, the optimal combination of process parameters can be obtained.

injection molding, orthogonal experiment, mold temperature, process optimization

*李雪源，男，1970年10月生，助理經濟師。天津市，300072。

TQ051.9+3

A

0254-6094(2015)01-0019-05

2014-03-24)

(Continued from Page 18)

chemical components, mechanical property of deposited metals,diffusible hydrogen contents and product test plate’s mechanical properties were analyzed and compared to show that this two kinds of welding rods’ welded joint has the same mechanical property, they can satisfy the construction of 07MnNiMoDR steel ethylene tank with design temperature ranging from -45 to -50℃.

Keywordsspherical tank, 07MnNiMoDR steel, J607RHDQ, LB-65L, mechanical property