基于多指標(biāo)正交實驗設(shè)計的加熱工藝參數(shù)優(yōu)化

趙小強 汪志偉 許慶

摘 要：為提高極耳加熱工藝的制作質(zhì)量，滿足產(chǎn)品安全要求，以剝離強度、滲透時間作為優(yōu)化指標(biāo)，采用多指標(biāo)的正交實驗設(shè)計方法，通過極差分析法，討論熱壓溫度、熱壓時間、電磁加熱電流、電磁加熱時間等成型工藝參數(shù)對試件性能的影響，利用綜合平衡法確定最優(yōu)的加熱工藝參數(shù)組合方案，對采用多設(shè)備多加熱工藝參數(shù)的產(chǎn)品質(zhì)量具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：正交實驗法；熱壓工藝；多指標(biāo)優(yōu)化；綜合平衡法

中圖分類號：TH16 文獻標(biāo)志碼：A

極耳加熱工藝涉及的成型機理涉及材料學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)、熱化學(xué)、機械學(xué)等多個領(lǐng)域，加工過程復(fù)雜度高，不同工藝參數(shù)對制件的性能，尤其對于影響產(chǎn)品安全的剝離強度、滲透強度有顯著影響。目前對于加熱工藝的研究主要從工藝自身的改進與提升考慮，對于多道加熱工藝參數(shù)研究與探討較少，顯然，優(yōu)化單一工序?qū)Ξa(chǎn)品性能的作用遠遠低于多個工藝參數(shù)對產(chǎn)品性能的綜合影響。為獲得較為全面的工藝參數(shù)組成方案以提升產(chǎn)品的性能，本文應(yīng)用正交實驗及多指標(biāo)平衡法結(jié)合的方法，先用正交實驗法得到研究指標(biāo)的工藝參數(shù)優(yōu)化（熱壓溫度、熱壓時間、電磁加熱電流、電磁加熱時間）組合方案，在此基礎(chǔ)上對研究指標(biāo)優(yōu)化方案進行綜合評判，得出影響加熱工藝制作質(zhì)量的工藝參數(shù)綜合優(yōu)化組合方案，并再次進行試驗驗證優(yōu)化后工藝參數(shù)對產(chǎn)品性能的提升。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 試驗方法

在極耳加熱工藝中，為了有較高的產(chǎn)品性能，以產(chǎn)品滲透時間、剝離強度作為生產(chǎn)加工主要檢驗指標(biāo)，剝離強度越大越能體現(xiàn)不同工藝參數(shù)下極耳膠與導(dǎo)體之間的結(jié)合緊密性，滲透時間能體現(xiàn)極耳的可靠性，兩個指標(biāo)均影響產(chǎn)品性能的優(yōu)劣，與產(chǎn)品安全性有緊密關(guān)系。通過正交試驗的極差分析法計算確定出影響剝離強度因素的重要順序和最優(yōu)制作工藝參數(shù)組合，在利用綜合平衡法確定最優(yōu)工藝參數(shù)組合，最后通過實驗驗證最優(yōu)加熱工藝參數(shù)的合理性。

1.2 實驗因素

在極耳生產(chǎn)加工過程中，剝離強度的大小直接受到各個加熱工序的影響，加熱工序的主要參數(shù)包括：排片加熱溫度、排片加熱時間、熱壓溫度、熱壓時間、電磁加熱電流、電磁加熱時間等。根據(jù)大量前期實驗，確定正交因素為熱壓溫度、熱壓時間、電磁加熱電流、電磁加熱時間4個因素，4因素分別取3個水平，結(jié)合前期實驗結(jié)果和極耳膠熔融的溫度130℃～165℃，選擇熱壓溫度145℃～155℃，熱壓時間在生產(chǎn)效率與設(shè)備給定參數(shù)之間選擇30s～50s；同樣測試感應(yīng)加熱時的加熱臺溫度對應(yīng)的電流參數(shù)在14A～16A，感應(yīng)加熱時間選擇10s左右，表1列出了各個因素下不同水平的取值。

2 正交實驗設(shè)計

考慮4個控制因素各有3個水平，自由度是8，選擇試驗次數(shù)為9的L9（34）正交試驗表進行正交試驗。

選用某公司熱壓機與SPG-06-III型高頻感應(yīng)加熱設(shè)備進行研究，熱壓機采用加熱銅板的方式輸出溫度，采用計時系統(tǒng)控制其加熱效果，高頻感應(yīng)加熱設(shè)備采用電流通過銅管時產(chǎn)生的電磁場加熱方式對導(dǎo)體進行加熱，進而從貼合面對極耳膠進行熱熔。

在一組實驗中制作8個試件，并進行后處理，使用微機控制電子萬能試驗機測試5個試件正反面剝離強度，共10組取平均值作為最終測量結(jié)果；使用干燥箱高溫烘烤后統(tǒng)計3個試件正反面脫膠時間，取其均值視為最終測試結(jié)果。表2為實驗計劃及實驗結(jié)果。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 正交實驗極差分析

采用正交實驗的極差分析法對剝離強度、滲透時間進行結(jié)果計算，得出極差分析計算結(jié)果見表3。

表3中：Ki代表第i個水平和值，ki代表第i個水平均值，Rj代表因子j的極差。因子間的重要順序按照極差值的大小排列，極差值越大，表示因子j對試件指標(biāo)的影響越大。

從表3中可以看出，對于指標(biāo)剝離強度和滲透時間各因素極差排序均為RC>RA>RB>RD。則影響產(chǎn)品性能的主要因素排序為：感應(yīng)加熱電流、熱壓溫度、熱壓時間、感應(yīng)加熱時間。對于指標(biāo)剝離強度，從表3中可看出，考慮剝離強度最大，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A2B1C2D1，即熱壓溫度150℃、熱壓時間30s、感應(yīng)加熱電流15A、感應(yīng)加熱時間8s時；考慮滲透時間最長，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A2B1C3D1，即熱壓溫度150℃、熱壓時間30s、感應(yīng)加熱電流15.5A、感應(yīng)加熱時間8s時。

3.2 綜合平衡法選取最優(yōu)水平組合

多指標(biāo)正交實驗中，各個指標(biāo)所計算出的工藝參數(shù)組合可能存在不一致，因此在綜合分析時需要應(yīng)用綜合平衡法，考慮各個因素、專業(yè)知識、生產(chǎn)經(jīng)驗等因素確定最優(yōu)水平。本文在最優(yōu)工藝參數(shù)組合中出現(xiàn)的矛盾為因素C的第二、第三水平對指標(biāo)的影響存在差異，其他均保持一致。對于兩個指標(biāo)，C均是主要因素，所以需結(jié)合實際生產(chǎn)中的情況來看，C因素取第三水平15.5A時，產(chǎn)品溢膠增加，外觀不良概率增加，可控性差，具體如圖1所示溢膠極耳，其極耳膠與導(dǎo)體接觸邊緣膠體過度熔融導(dǎo)致外觀不良。取第二水平15A時，產(chǎn)品無明顯溢膠，外觀合格。因為確定C2為主最優(yōu)，即感應(yīng)加熱電流選擇15A，最優(yōu)工藝組合為熱壓溫度150℃、熱壓時間30s、感應(yīng)加熱電流15A、感應(yīng)加熱時間8s。

結(jié)語

綜上所述，工藝參數(shù)優(yōu)化與調(diào)整對極耳加熱工藝的制作質(zhì)量、安全要求有了依據(jù)，產(chǎn)品的一致性得到保證。實踐表明，基于正交實驗法的多指標(biāo)優(yōu)化對于優(yōu)化及改善加熱工藝是切實可行，對于多設(shè)備多工藝參數(shù)的多指標(biāo)優(yōu)化問題，也具有一定指導(dǎo)意義。對指標(biāo)進行綜合平衡法評價時，指標(biāo)越多，優(yōu)化改善效果越明顯，但同時需要考慮實際生產(chǎn)問題，例如外觀影響的量化問題、生產(chǎn)穩(wěn)定性問題等因素?？傊瑑?yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)工藝問題時需要結(jié)合具體的情況進行合理綜合評價。

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