基于正交試驗(yàn)的高鐵橡膠外風(fēng)擋注射成型工藝參數(shù)優(yōu)化

陳明同，姜曉妍，趙羽勁，朱維浩，曾憲奎*，陳爽晴

（1.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061；2.青島澳泰交通設(shè)備有限公司，山東 青島 266061）

橡膠外風(fēng)擋[1-6]是高鐵的重要部件，其生產(chǎn)方式主要是模壓成型和注射成型兩種。模壓成型生產(chǎn)的橡膠外風(fēng)擋的廢品率較高，因此注射成型[7]是生產(chǎn)橡膠外風(fēng)擋的最佳選擇。但在橡膠外風(fēng)擋注射成型生產(chǎn)中，注射工藝參數(shù)設(shè)置不合理會(huì)產(chǎn)生體積收縮等質(zhì)量問(wèn)題。針對(duì)橡膠外風(fēng)擋注射成型中產(chǎn)生的質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)高鐵橡膠外風(fēng)擋進(jìn)行注射工藝參數(shù)優(yōu)化是十分必要的。

S.P.HONG等[8]運(yùn)用CAE技術(shù)研究了汽車擋泥板的注射成型過(guò)程。H.RASHID等[9]以阿迪達(dá)斯足球鞋底為例，運(yùn)用CAE技術(shù)分析和預(yù)測(cè)了注射過(guò)程中制品可能產(chǎn)生的缺陷，有助于縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間和降低成本。

本研究采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用Moldflow軟件對(duì)高鐵橡膠外風(fēng)擋（以下簡(jiǎn)稱橡膠外風(fēng)擋）注射成型過(guò)程進(jìn)行模擬分析，并采用多元回歸方程擬合影響因素與響應(yīng)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)對(duì)回歸方程的分析，尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，以達(dá)到優(yōu)化的目的。

1 注射成型工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究橡膠外風(fēng)擋注射成型工藝參數(shù)優(yōu)化的流程為：建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀_定模擬試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)→確定試驗(yàn)因子與水平→選取合適的正交試驗(yàn)方案→采用Moldflow軟件分析→模擬試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)處理→工藝參數(shù)優(yōu)化。

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h3>

本工作選取橡膠外風(fēng)擋的部分實(shí)體為研究對(duì)象，其尺寸為2 300 mm×300 mm×252 mm，上端壁厚15 mm，下端壁厚7 mm，體積為16 672 cm3，通過(guò)Creo軟件建模后導(dǎo)入Moldflow軟件中，定義網(wǎng)格長(zhǎng)度為18 mm，劃分的三角形網(wǎng)格數(shù)為24 796，表面面積為16 654 cm2，縱橫比最大為4.52，最小為1.16，匹配率為93%。

橡膠外風(fēng)擋材料是三元乙丙橡膠（EPDM）膠料[10]，EPDM牌號(hào)為P127T910，膠料密度為1.15 Mg·m-3。Moldflow軟件推薦的模具溫度范圍為185～205 ℃，熔體（膠料）溫度范圍為 65～75 ℃，這為仿真試驗(yàn)工藝參數(shù)設(shè)置提供了參考。

本研究依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選擇模具溫度、熔體溫度、注射時(shí)間、保壓時(shí)間和保壓壓力為影響橡膠外風(fēng)擋體積收縮率的因素，橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率和縮痕指數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)。

設(shè)定初始工藝參數(shù)為：模具溫度 195 ℃，熔體溫度 70 ℃，注射時(shí)間 180 s，保壓時(shí)間 10 s，保壓壓力 100 MPa。模擬初始工藝參數(shù)下橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率最大值為5.79%，縮痕指數(shù)最大值為6.23%，如圖1和2所示。

圖1 初始工藝參數(shù)下橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率Fig.1 Volume shrinkage rate of rubber outer windshield during ejection under initial process parameters

圖2 初始工藝參數(shù)下橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的縮痕指數(shù)Fig.2 Shrinkage mark index of rubber outer windshield during ejection under initial process parameters

1.2 正交試驗(yàn)安排與模擬結(jié)果

根據(jù)Moldflow軟件推薦的工藝參數(shù)和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定試驗(yàn)因子，每個(gè)因子取5個(gè)水平，建立因子與水平表[11]，如表1所示。選用L25（55）正交試驗(yàn)表，采用Moldflow軟件進(jìn)行25次模擬試驗(yàn)，正交試驗(yàn)方案和模擬結(jié)果如表2所示。

表1 因子與水平表Tab.1 Factor and level table

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)極差分析

1.3.1 頂出時(shí)的體積收縮率

對(duì)表2中的模擬結(jié)果進(jìn)行極差分析，得到橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率極差，如表3所示。

表2 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.2 Orthogonal test schemes and results

極差越大，說(shuō)明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，也就越重要。從表3可以看出，注射工藝參數(shù)對(duì)橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率的影響程度從大到小的排序?yàn)锳，B，D，E，C。

分析表3數(shù)據(jù)，可以得出如下結(jié)論。

表3 橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率極差分析結(jié)果Tab.3 Range analysis results of volume shrinkage rate of rubber outer windshield during ejection %

隨著模具溫度的提高，橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率增大，這是因?yàn)樵谙鹉z外風(fēng)擋頂出時(shí)注射口處的膠料停止注入，注射壓力和保壓壓力都消失，模具溫度的提高使膠料的定型速度降低，導(dǎo)致橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的熱膨脹力增大，從而加大體積收縮率，降低生產(chǎn)效率[12]。

隨著熔體溫度的提高，橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率增大，這是因?yàn)槟z料的熔體溫度升高，橡膠分子之間作用力減小，膠料的密度變小，橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的密度增幅較大，從而使體積收縮率增大。

隨著注射時(shí)間的延長(zhǎng)，橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率先減小后增大。這是因?yàn)樽⑸溥^(guò)快，導(dǎo)致注射壓力高，橡膠外風(fēng)擋內(nèi)部存在較大的殘余應(yīng)力，體積收縮率變大；注射過(guò)慢，使先注入的膠料受模具溫度的影響溫升大，等同于提高了膠料的熔體溫度，使橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率變大[13]。

隨著保壓時(shí)間的延長(zhǎng)，橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率先增大后減小。先增大的原因是保壓時(shí)間過(guò)短與注射過(guò)快一樣，橡膠外風(fēng)擋內(nèi)部存在較大的殘余應(yīng)力，體積收縮率增大；后減小的原因是保壓時(shí)間趨于合理，使膠料均勻充滿型腔，橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率減小。

隨著保壓壓力的增大，橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率波動(dòng)變化，但變化幅度減小，這是因?yàn)楸簤毫ψ兇髮?dǎo)致型腔內(nèi)的膠料充填均勻、緊密，使橡膠外風(fēng)擋與模腔的尺寸更加接近，進(jìn)而使其頂出后的體積收縮率變化幅度減小[14]，但是保壓壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致橡膠外風(fēng)擋頂出后收縮不均勻，因此要設(shè)置合理的保壓壓力。

橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率最小的注射工藝參數(shù)組合為A1B1C2D5E1，即模具溫度 185℃，熔體溫度 65 ℃，注射時(shí)間 170 s，保壓時(shí)間14 s，保壓壓力 90 MPa。

1.3.2 頂出時(shí)的縮痕指數(shù)

橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的縮痕指數(shù)的極差分析結(jié)果如表4所示。

表4 橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的縮痕指數(shù)極差分析結(jié)果Tab.4 Range analysis results of shrinkage mark index of rubber outer windshield during ejection %

從表4可以看出，注射工藝參數(shù)對(duì)橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的縮痕指數(shù)的影響程度從大到小的排序?yàn)锳，B，D，E，C。

計(jì)算橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的縮痕指數(shù)使用的是體積收縮率和產(chǎn)品壁厚數(shù)值，橡膠外風(fēng)擋在水平切面上為等壁厚制件，故各工藝參數(shù)對(duì)橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的縮痕指數(shù)的影響趨勢(shì)與表3的體積收縮率結(jié)果大致相同。

分析表4數(shù)據(jù)可知，橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的縮痕指數(shù)最小的注射工藝參數(shù)組合為A1B1C2D5E1，與體積收縮率最小的注射工藝參數(shù)組合相同。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析

1.4.1 頂出時(shí)的體積收縮率

方差分析法中，P值是衡量試驗(yàn)值與目標(biāo)值差異的指標(biāo)，P值小于0.05表示試驗(yàn)值與目標(biāo)值差異顯著，對(duì)應(yīng)因子不能忽略。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，得到橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率方差分析結(jié)果，如表5所示。

表5 橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率方差分析結(jié)果Tab.5 Variance analysis results of volume shrinkage rate of rubber outer windshield during ejection

從表5可以看出，5項(xiàng)工藝參數(shù)對(duì)橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率的影響程度從大到小的排序?yàn)椋篈，B，D，E，C。

根據(jù)頂出時(shí)的體積收縮率方差分析結(jié)果，橡膠外風(fēng)擋的注射工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)論如下。

（1）模具溫度的P值小于0.05，說(shuō)明模具溫度對(duì)橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率影響顯著，故在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)對(duì)模具溫度重點(diǎn)關(guān)注。

（2）熔體溫度、注射時(shí)間、保壓時(shí)間、保壓壓力的P值均大于0.05，但是熔體溫度的P值遠(yuǎn)小于其余3項(xiàng)的P值。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在以頂出時(shí)的體積收縮率為目標(biāo)進(jìn)行橡膠外風(fēng)擋注射工藝參數(shù)優(yōu)化時(shí)，除了重點(diǎn)確定模具溫度外，還需要確定熔體溫度，注射時(shí)間、保壓時(shí)間和保壓壓力3項(xiàng)工藝參數(shù)則合理設(shè)置。

1.4.2 頂出時(shí)的縮痕指數(shù)

橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的縮痕指數(shù)的方差分析結(jié)果如表6所示。

表6 橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的縮痕指數(shù)方差分析結(jié)果Tab.6 Variance analysis results of shrinkage mark index of rubber outer windshield during ejection

從表6可以看出，5項(xiàng)工藝參數(shù)對(duì)橡膠外風(fēng)擋縮痕指數(shù)的影響程度從大到小的排序?yàn)锳，B，D，E，C。

根據(jù)頂出時(shí)的縮痕指數(shù)方差分析結(jié)果，橡膠外風(fēng)擋注射工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)論如下。

（1）模具溫度的P值小于0.05，說(shuō)明模具溫度對(duì)橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的縮痕指數(shù)影響顯著，故在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)對(duì)模具溫度重點(diǎn)關(guān)注。

（2）熔體溫度、注射時(shí)間、保壓時(shí)間和保壓壓力的P值均大于0.05，但是熔體溫度和保壓時(shí)間的P值遠(yuǎn)小于其余2項(xiàng)的P值。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在以頂出時(shí)的縮痕指數(shù)為目標(biāo)進(jìn)行橡膠外風(fēng)擋注射工藝參數(shù)優(yōu)化時(shí)，除了重點(diǎn)確定模具溫度外，還需要確定熔體溫度和保壓時(shí)間，注射時(shí)間和保壓壓力2項(xiàng)工藝參數(shù)則合理設(shè)置。

2 響應(yīng)曲面法優(yōu)化

對(duì)橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率和縮痕指數(shù)各賦予0.5的權(quán)重，合并為橡膠外風(fēng)擋的質(zhì)量指數(shù)，從而將多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)問(wèn)題的綜合優(yōu)化[15]。

橡膠外風(fēng)擋質(zhì)量指數(shù)的響應(yīng)曲面方程表示為

式中，xA，xB，xC，xD，xE分別為模具溫度、熔體溫度、注射時(shí)間、保壓時(shí)間和保壓壓力。

選取表2中的數(shù)據(jù)，應(yīng)用Minitab軟件，計(jì)算得到響應(yīng)曲面因數(shù)，如表7所示。

表7 響應(yīng)曲面因數(shù)Tab.7 Coefficients of response surface

建立多元回歸方程：

式中，xA∈[185，205]，xB∈[65.0，75.0]，xC∈[160，200]，xD∈[6，14]，xE∈[90，110]。

對(duì)方程（2）求解最小值，得到xA＝185 ℃，xB＝65 ℃，xC＝160 s，xD＝14 s，xE＝110 MPa時(shí)，Ymin＝4.397，即模具溫度為185 ℃、熔體溫度為65℃、注射時(shí)間為160 s、保壓時(shí)間為14 s、保壓壓力為110 MPa時(shí)，取得橡膠外風(fēng)擋質(zhì)量指數(shù)最小值為4.397%。

在此工藝參數(shù)下，采用Moldflow軟件模擬，結(jié)果如圖3和4所示，得到橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率最大值為4.165%，縮痕指數(shù)最大值為5.103%，質(zhì)量指數(shù)最大值為4.634%。

圖3 工藝參數(shù)優(yōu)化后橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率Fig.3 Volume shrinkage rate of rubber outer windshield during ejection after optimization of process parameters

3 結(jié)論

（1）模具溫度對(duì)橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮影響最為顯著，其后依次是熔體溫度、保壓時(shí)間、保壓壓力和注射時(shí)間。若要減小橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率，可以在工藝參數(shù)范圍內(nèi)降低模具溫度和熔體溫度，而保壓時(shí)間、保壓壓力和注射時(shí)間則合理設(shè)置。

圖4 工藝參數(shù)優(yōu)化后橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的縮痕指數(shù)Fig.4 Shrinkage mark index of rubber outer windshield during ejection after optimization of process parameters

（2）建立了試驗(yàn)因素與優(yōu)化指標(biāo)之間的多元非線性回歸方程，對(duì)工藝參數(shù)尋優(yōu)。最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：模具溫度 185 ℃，熔體溫度 65 ℃，注射時(shí)間 160 s，保壓時(shí)間 14 s，保壓壓力 110 MPa。采用Moldflow軟件模擬的橡膠外風(fēng)擋頂出時(shí)的體積收縮率最大值為4.165%，縮痕指數(shù)最大值為5.103%。

（3）橡膠外風(fēng)擋質(zhì)量指數(shù)的模擬最大值與回歸方程預(yù)測(cè)最小值分別為4.634%和4.397%，這說(shuō)明建立的多元非線性回歸方程能夠較好地?cái)M合出橡膠外風(fēng)擋工藝參數(shù)與質(zhì)量指數(shù)之間的非線性關(guān)系，響應(yīng)曲面法能夠有效地找到橡膠外風(fēng)擋最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。