提高成型工藝能力（第一部分）：理解PVT圖

文/Fimmtech公司Suhas Kulkarni

工藝能力與注射循環(huán)之間部件尺寸的偏差有關(guān)。高的工藝能力值要求每次注射時(shí)材料的收縮相同，這可以通過(guò)壓力-體積-溫度（PVT）圖來(lái)確認(rèn)。

在這篇由兩部分系列組成的文章中，第一部分我們將討論如何提高給定成型工藝的能力。在這個(gè)部分中，我們將介紹工藝能力和壓力-體積-溫度（PVT）圖。

工藝能力的初級(jí)知識(shí)

偏差對(duì)于所有的工藝過(guò)程而言都是正常的，并且這種偏差可以在過(guò)程的輸出中進(jìn)行測(cè)量。例如，開(kāi)始工作的過(guò)程輸出之一是開(kāi)始工作所需的時(shí)間。我們可以說(shuō)它需要20 min，但實(shí)際上，它是我們?cè)谶^(guò)去幾天、幾周或幾年內(nèi)開(kāi)始工作的時(shí)間的平均值。因此，某一天的實(shí)際值在20 min平均值的左右附近，例如，可能在17～23 min之間。

總是存在分散的數(shù)值，所以需要計(jì)算平均值。在注塑成型中，如果測(cè)量尺寸被報(bào)告為2.175 in（1 in=25.4 mm）的平均值，那么意味著該尺寸在2.175 in附近的一個(gè)范圍內(nèi)變化，例如±0.002 in。其分布顯示一個(gè)峰和兩個(gè)底部是常態(tài)。在本文中，我們僅針對(duì)正態(tài)分布的情形。

考慮一個(gè)需要模制的盒子，其長(zhǎng)度、寬度和高度的公稱值均為5.125 in，容許公差設(shè)置為±0.006 in。因此規(guī)格下限（Lower Specif i cation Limit ，LSL）為 5.119 in，規(guī)格上限（Upper Specif i cation Limit ，USL）為5.131 in。

進(jìn)行一個(gè)成型試驗(yàn)，成型30個(gè)部件，并在所有30個(gè)部件上測(cè)量長(zhǎng)度、寬度和高度3個(gè)尺寸：平均長(zhǎng)度為5.125 in，平均寬度為5.130 in，平均高度為5.135 in。對(duì)于測(cè)量的30個(gè)部件，每個(gè)尺寸的偏差幅度為0.004 in。

如圖1所示，所有部件的長(zhǎng)度都在規(guī)格范圍內(nèi)，部件的寬度僅是其中一些在規(guī)格范圍內(nèi)，而部件的高度則全都超出了規(guī)格范圍。每一種尺寸，其變化的幅度為0.004 in，因而總的可用公差為0.012 in。

圖1 這里，30個(gè)部件的長(zhǎng)度都在規(guī)格范圍內(nèi)，而部件的寬度僅是其中一些是可接受的，部件的高度則全部超出了規(guī)格范圍。每一種尺寸，其變化的幅度為0.004 in，因而總的可用公差為0.012 in

有4個(gè)術(shù)語(yǔ)是根據(jù)變化幅度、公差和成型合格部件的可能性來(lái)定義的。它們被稱為工藝能力指數(shù)，即 Pp、Ppk、Cp和 Cpk。Pp和 Ppk與受限制的較小樣本尺寸相關(guān)，例如初始試驗(yàn)成型的30個(gè)部件中的一個(gè)。二者無(wú)從參考，與特定的運(yùn)行或試驗(yàn)有關(guān)。Cp和Cpk則與過(guò)程的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)性能有關(guān)。

如果部件的平均值以公稱值為中心，則Pp和Cp代表了工藝過(guò)程產(chǎn)生合格部件的能力。如果30個(gè)部件的偏差小于可用的公差，并且如果這30個(gè)部件所有3個(gè)尺寸的平均值等于圖紙上的公稱值，那么這30個(gè)部件在其長(zhǎng)度、寬度和高度上都是合格的。

在上述例子中，30個(gè)試樣的偏差為0.004 in，而與之相比，可用公差為0.012 in。在這種情況下，所計(jì)算的Pp值對(duì)于所有的尺寸都是高的，其最好是1.33或更高。

Ppk和Cpk代表了工藝過(guò)程根據(jù)模具和過(guò)程的當(dāng)前狀態(tài)生產(chǎn)合格部件的能力。如果部件高度的平均值為5.135，且所有部件都超出了規(guī)格，則Ppk值非常小，因?yàn)殡m然變化幅度是可接受的，但是整體幅度超出規(guī)范限制并且沒(méi)有一個(gè)部件是合格的。該值最好是1.33或更高。在這種情況下，不需要采取減少偏差的措施，但工藝需要向中心靠齊。通過(guò)調(diào)整模具鋼的尺寸和/或產(chǎn)品規(guī)格可以實(shí)現(xiàn)中心靠齊。

圖2 收縮是體積的減少，它反映在PVT圖中。收縮率決定了部件的最終尺寸

這里的前提是采用科學(xué)成型和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）的技術(shù)開(kāi)發(fā)穩(wěn)健的加工過(guò)程。大多數(shù)關(guān)于工藝過(guò)程控制和質(zhì)量的書(shū)籍都含有該主題的更多信息，包括公式。我的書(shū)《穩(wěn)健工藝過(guò)程開(kāi)發(fā)和科學(xué)成型》的第13章也載有這些信息。

理解PVT關(guān)系

圖2顯示了一幅典型的PVT圖。X軸表示熔融溫度，Y軸表示材料的比容（比容是體積與質(zhì)量的比率（cm3/g）。它是比重（g/cm3）的倒數(shù)。在0 MPa的壓力下，隨著塑料溫度的升高，比容增加。在任何給定的溫度下，如果施加外部壓力，熔體就會(huì)被壓縮并且比容減小。比容與溫度成正比，與壓力間接成正比。

在注塑成型中，當(dāng)熔體轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品時(shí)，會(huì)涉及這些因素的組合。熔體在螺桿前面被收集起來(lái)。由于堆積過(guò)程中的背壓，熔體會(huì)有一些壓縮。熔融塑料隨后被以高壓注入冷模具中。在此過(guò)程中，以及在塑料進(jìn)入模具內(nèi)部之后，熔體一直在冷卻。隨著熔體轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K模塑產(chǎn)品，熔體的壓力、體積和溫度都在不斷地變化，PVT圖中的最終曲線是圖2中曲線的組合。收縮率表示體積的減少，并反映在PVT圖中。

收縮率決定了部件的最終尺寸。工藝能力與不同注射之間的部件尺寸偏差有關(guān)，因此也與部件整體的尺寸偏差有關(guān)，例如在一個(gè)生產(chǎn)運(yùn)行中。為了獲得高的工藝能力值，材料的收縮在不同的注射之間必須是相同的，這反過(guò)來(lái)又要求不同注射之間在模具內(nèi)重復(fù)所得的PVT圖形。

在第二部分中，我們將討論成型的五大核心要素中的每一個(gè)如何在工藝能力中發(fā)揮作用，包括：部件設(shè)計(jì)、塑料材料、模具設(shè)計(jì)和模具制造、成型機(jī)械和成型工藝。