工藝參數(shù)對注塑制品尺寸的影響

胡桂涵，高玉保，唐 璠，黃旗忠，肖青青

(浙江正泰電器股份有限公司，浙江 溫州 325000)

工藝參數(shù)對注塑制品尺寸的影響

胡桂涵，高玉保，唐 璠，黃旗忠，肖青青

(浙江正泰電器股份有限公司，浙江 溫州 325000)

以小型斷路器外殼的關(guān)鍵尺寸為研究對象，基于正交試驗設(shè)計方法，分析了5種主要工藝參數(shù)對制品尺寸的影響。同時通過Moldflow軟件模擬注射成型過程，并將模擬分析結(jié)果與實驗結(jié)果作對比。結(jié)果表明，實驗與模擬的結(jié)果都顯示保壓參數(shù)對尺寸有較大影響，且存在整體遞增的影響趨勢。并通過單因素實驗建立了保壓壓力與特定制品尺寸之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，為實際生產(chǎn)過程中的工藝調(diào)試提供了有效參考，同時也為制品尺寸的自動化控制提供了必要條件。

正交試驗設(shè)計；Moldflow；注射成型；尺寸；自動化控制

0 前言

近年來，我國塑料行業(yè)發(fā)展迅速，不僅產(chǎn)量大幅增加，其應(yīng)用范圍也擴展到航空、航天、通信等高科技領(lǐng)域，人們對塑料制品質(zhì)量和尺寸精度的要求不斷提高。注射成型是目前主流的塑料成型技術(shù)，適合于大批量生產(chǎn)形狀復(fù)雜、尺寸要求精確的塑料制品。但是，注射成型過程具有非線性、多變量、時變性等特征，是一個相當(dāng)復(fù)雜的物理過程。注塑制品的品質(zhì)特性受到很多因素的影響，大致可劃分為6種因素：制品結(jié)構(gòu)、模具、原材料、注塑機、工藝參數(shù)及擾動。實際生產(chǎn)中，考慮到成本，一般通過在線調(diào)整工藝參數(shù)來實時解決各種擾動導(dǎo)致的制品品質(zhì)不穩(wěn)定。因此，從制品品質(zhì)控制的角度來降，研究分析工藝參數(shù)和品質(zhì)特性之間的關(guān)系具有重大意義。

注塑工藝參數(shù)對制品的收縮率有非常重要的影響，而制品的收縮情況直接決定了制品的具體尺寸。國內(nèi)外學(xué)者針對注塑制品的收縮做了大量的理論研究，并針對特定工藝條件下的收縮情況進行理論預(yù)測[1]。

但是，實際生產(chǎn)過程中的情況要更為復(fù)雜，影響因素眾多，這使理論預(yù)測結(jié)果難以直接應(yīng)用于實際。同時，以Moldflow為代表的計算機輔助工程(CAE)軟件也被廣泛用于對制品收縮的模擬[2-3]。目前，這類模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性仍處于研究驗證階段，但是具有一定的指導(dǎo)作用。

本文將直接針對具體的制品尺寸開展研究：基于正交試驗設(shè)計，通過現(xiàn)場實驗結(jié)合軟件模擬結(jié)果，分析主要的5種工藝參數(shù)對注塑制品尺寸的影響；嘗試建立工藝參數(shù)與制品尺寸之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。

1 研究對象

本文的研究對象為浙江正泰電器股份有限公司生產(chǎn)的小型斷路器NB1-63外殼底座的關(guān)鍵尺寸。底座的三維模型如圖1所示，產(chǎn)品上方中間兩個圓孔的圓心距，設(shè)計尺寸為18.95 mm。該尺寸是成品內(nèi)部關(guān)鍵件的定位尺寸，對成品性能有重要影響。

圖1 三維模型Fig.1 Three-dimensional models

2 正交試驗設(shè)計

根據(jù)以往的相關(guān)報道[4]，選擇對制品收縮影響較大的5種主要工藝參數(shù)，確定以保壓壓力(A)、注射壓力(B)、注射速度(C)、保壓時間(D)和冷卻時間(E)作為因素。溫度參數(shù)對收縮的影響也很大，但是由于響應(yīng)時間較長，實際生產(chǎn)中確定后基本不作調(diào)整，因此本文暫不做考慮。通過預(yù)實驗，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，確定了各個因素的大致取值范圍，最終確定表1為正交試驗的因素與水平表。本試驗為5因素4水平的正交試驗，因此可采用標(biāo)準(zhǔn)的L16(45)正交表。

表1 因素與水平表Tab.1 The table of factors and levels

3 實驗及結(jié)果分析

3.1 實驗過程

實驗在寧波海天集團股份有限公司的注塑機(HTF160WI/J5-b)上進行，使用的原料為浙江新力塑料股份有限公司生產(chǎn)的聚酰胺(PA6 TS250-Q3)。開機穩(wěn)定運行約10 min，模具溫度趨于穩(wěn)定后，開始實驗。按照L16(45)正交表所確定的試驗方案依次進行產(chǎn)品壓制，每次壓制固定時間后，取9只典型樣品并做標(biāo)記。

3.2 實驗結(jié)果

樣品的尺寸由三坐標(biāo)測量得到，測量設(shè)備為Werth三坐標(biāo)測量機，型號為Easy Scope臺式。對所測樣品的尺寸取平均值，得到最終結(jié)果(表2)。

表2 正交方案與實驗結(jié)果Tab.2 The orthogonal array and experimental results

3.3 結(jié)果分析

表3為方差分析結(jié)果，圖2為各因素對實測圓心距尺寸的影響趨勢，可以更直觀地觀察各因素對尺寸的影響情況。

表3 尺寸方差分析結(jié)果Tab.3 ANOVA results of the dimension

圖2 各因素對圓心距尺寸的影響Fig.2 Effect of the factors on the dimension

方差貢獻率結(jié)果表明各因素對制品尺寸的影響大小次序為：保壓壓力(A)>注射速度(C)>保壓時間(D)>冷卻時間(E)>注射壓力(B)。

保壓壓力(A)對尺寸的影響可解釋為3個方面：首先，壓力越大，補縮增密的效果也就越好，這使制品更加密實，不易收縮；其次，保壓效果決定了制品的殘余應(yīng)力情況，會對制品的不均勻收縮產(chǎn)生影響；另外，保壓壓力(A)是負(fù)收縮的主要來源。保壓時間(D)的影響類似，但是它對負(fù)收縮的影響很小。從影響趨勢圖來看，保壓階段的這2個參數(shù)對尺寸影響大，而且整體上呈遞增的影響趨勢，這是符合理論預(yù)期的。需要說明的是，保壓時間(D)只有在澆口凝固前(本實驗既是這種情況)，才可能對尺寸有這種影響趨勢。在澆口凝固后，保壓基本不再對制品產(chǎn)生作用。澆口凝固的時間點可由澆口凝固實驗確定。

注射速度(C)的影響僅次于保壓壓力(A)，但是并沒有呈現(xiàn)遞增的趨勢。注射速度對尺寸影響的主要來自于取向收縮。注塑制品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)通常呈皮芯結(jié)構(gòu)，而注射速度對表層和芯部的取向有相反的影響趨勢[5]。另外，注射速度增加會使熔膠內(nèi)部剪切速率增加，通過剪切誘導(dǎo)結(jié)晶增加制品的結(jié)晶度，這無疑會使制品產(chǎn)生更大的結(jié)晶收縮。由于本實驗所用的原材料為結(jié)晶性塑料，這一點也是無法被忽視的。

冷卻時間(E)的影響也較為復(fù)雜。一方面，冷卻時間(E)延長會使模溫有所下降(無模溫機控制的情況下)，進而使保壓的效果降低，增加了收縮率。另一方面，由圖1可見，本文所研究的尺寸為2個圓孔的圓心距，在模內(nèi)冷卻階段，圓孔內(nèi)的型芯會對該尺寸的收縮起到阻礙作用，從而減少了收縮率。冷卻時間越長，阻礙效應(yīng)越明顯。

注射壓力(B)的方差貢獻率僅為1.56 %，對該尺寸的影響基本可以忽略。在V/P切換點設(shè)定合理的前提下，壓力是注射階段的非主要因素。

4 模擬及結(jié)果分析

4.1 建立分析模型

將UG軟件創(chuàng)建的三維模型導(dǎo)入Moldflow軟件后進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型選擇雙層面(Fusion)。經(jīng)過網(wǎng)格修復(fù)后，使其縱橫比在10以下，匹配百分比達到90 %以上，整體三角形單元數(shù)為350764。通過創(chuàng)建澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，最終完成建模(圖3)。

圖3 Moldflow分析模型Fig.3 Analysis model in Moldflow

4.2 模擬結(jié)果分析

在Moldflow的模擬結(jié)果中，與產(chǎn)品尺寸變化有關(guān)的主要是體積收縮率與翹曲分析。體積收縮率主要反映均勻收縮的情況，可直接從分析結(jié)果中提取。翹曲分析主要反映不均勻收縮的情況，通過計算翹曲分析后的節(jié)點坐標(biāo)變化量，可得到翹曲分析后的尺寸，如表4所示。

如表5和圖4所示，對比實驗的尺寸分析結(jié)果，保壓壓力(A)、注射速度(C)和保壓時間(D)還是最主要的3個影響因素，但是順序有所變化，保壓時間(D)的方差貢獻率最大。由于收縮率越大，尺寸越小，因此從影響趨勢圖來看，保壓壓力(A)與保壓時間(D)的影響趨勢是與實驗結(jié)果一致的。

表4 體積收縮率和翹曲后的尺寸Tab.4 Results of shrinkage and dimension after warpage

表5 體積收縮率的方差分析結(jié)果Tab.5 ANOVA results of shrinkage

圖4 各因素對體積收縮率的影響Fig.4 Effect of the factors on the shrinkage

如表6和圖5所示，保壓壓力(A)、注射速度(C)和保壓時間(D)仍然是主要的影響因素，保壓時間(D)的方差貢獻率達到了80 %以上。保壓時間(D)和保壓壓力(A)的影響趨勢也與實驗結(jié)果保持一致。

表6 翹曲后尺寸的方差分析結(jié)果Tab.6 ANOVA results of the dimension after warpage

圖5 各因素對翹曲后尺寸的影響Fig.5 Effect of the factors on dimension after warpage

5 單因素實驗及結(jié)果分析

通過以上正交試驗的分析可見，保壓階段工藝參數(shù)對尺寸影響較大，且實驗結(jié)果顯示保壓壓力的影響趨勢單調(diào)遞增。因此，本文選取保壓壓力進行單因素實驗，其他因素數(shù)值固定。實驗結(jié)果如表7所示。

表7 單因素實驗結(jié)果Tab.7 Results of the single-factor experiment

圖6為保壓壓力和尺寸之間的線性擬合結(jié)果，擬合優(yōu)度(R-Square)超過0.98。目前,塑料制品品質(zhì)的在線自動化控制依然是一項非常具有挑戰(zhàn)性的課題，其難點之一就是工藝參數(shù)與制品質(zhì)量特性之間的精確關(guān)系難以確定[6]。已有的研究主要是以制品質(zhì)量為控制目標(biāo)，但是鮮有關(guān)于尺寸的報道。該擬合結(jié)果不僅為實際生產(chǎn)過程中的工藝調(diào)試提供了有效參考，同時也為制品尺寸的自動化控制提供了必要條件。

圖6 線性擬合結(jié)果Fig.6 Linear fitting results

6 結(jié)論

(1)各因素對制品尺寸的影響順序為：保壓壓力>注射速度>保壓時間>冷卻時間>注射壓力，其中保壓壓力與保壓時間對尺寸存在整體遞增的影響趨勢，注射速度和冷卻時間的影響不存在這種趨勢；

(2)Moldflow軟件模擬的結(jié)果驗證了保壓參數(shù)對制品尺寸的整體遞增影響趨勢，但在具體影響大小方面與實驗結(jié)果存在一定區(qū)別；

(3)通過單因素實驗結(jié)果擬合得到了保壓壓力與特定制品尺寸之間的線性函數(shù)關(guān)系。

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EffectsofParametersonDimensionofanInjectionMoldedPart

HU Guihan, GAO Yubao, TANG Fan, HUANG Qizhong, XIAO Qingqing

(Zhejiang CHINT Electrics Co, Ltd, Wenzhou 325000, China)

The research focuses on specific dimension of an injection-molded plastic cover for miniature circuit breakers. Effects of five major parameters on the dimension were analyzed based on an orthogonal method. A comparative investigation was performed on results obtained from the simulation by a Moldflow software and exact experiments. The results indicated that there is a significant overall increasing trend in the pack and hold parameters on the dimension. A mathematical model between the pack and hold pressures and the specific dimension was established by a single-factor experiment, which provided a valuable reference for parameters adjustment during manufacturing and also supplied a necessary condition for automatic control of dimensions of injection-molded parts.

orthogonal experimental design; Moldflow; injection molding; dimension; automaticcontrol

TQ320.66+2

B

1001-9278(2017)10-0089-05

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.10.016

2017-06-07

聯(lián)系人，hgh357@163.com