基于正交試驗(yàn)法的注塑成型參數(shù)優(yōu)化

汪海濤

(寧波公牛電器有限公司， 浙江寧波 315318)

0 前言

在塑料件的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，涉及的方面有很多：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、注塑成型、后處理工藝、零件組裝、產(chǎn)品包裝等。注塑成型參數(shù)合理設(shè)置是保證成型合格零件的關(guān)鍵因素。雖然注塑成型參數(shù)可以在注塑成型機(jī)上直接進(jìn)行調(diào)試，但前提條件是模具設(shè)計(jì)、制造、組裝完成后才能進(jìn)行，同時(shí)需要安排試模人員、場(chǎng)地、注塑原料等人力和物力的投入。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，大眾對(duì)產(chǎn)品的個(gè)性化期望越來(lái)越高，促使產(chǎn)品的品種越來(lái)越繁多,塑料件實(shí)際結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、精度更高，以及產(chǎn)品上市周期更短。注塑模具依靠模具設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、反復(fù)修模和試模已無(wú)法滿足生產(chǎn)要求[1]。筆者以墻壁開(kāi)關(guān)固定架為例，采用正交試驗(yàn)法對(duì)注塑成型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，借助Moldflow軟件進(jìn)行虛擬試模，對(duì)正交試驗(yàn)各種取值情況進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)極差分析后獲得最終優(yōu)化組合進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)正交試驗(yàn)的正確性[2]。

1 塑料件模型的創(chuàng)建

筆者研究的塑料件為墻壁開(kāi)關(guān)固定架(見(jiàn)圖1)，其最大外觀尺寸為85.9 mm×82.0 mm×24.5 mm，平均厚度為1.5 mm。塑料件內(nèi)部有較多的加強(qiáng)筋，成型后需同玻璃面板進(jìn)行裝配，安裝平面度要求較高。

(a) 產(chǎn)品正面

(b) 產(chǎn)品背面

在3D繪圖軟件中創(chuàng)建墻壁開(kāi)關(guān)固定架實(shí)體模型，并轉(zhuǎn)換為step格式，利用CAD doctor軟件對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，導(dǎo)出Moldflow軟件可以直接識(shí)別的格式。由于制品厚度相對(duì)整體尺寸較小，適合雙面網(wǎng)格，圖2為已經(jīng)劃分網(wǎng)格后的模型，結(jié)合軟件分析精度及計(jì)算機(jī)分析效率要求，網(wǎng)格縱橫比控制在10以下，匹配百分比控制在90%以上[3]。

圖2 網(wǎng)格模型

2 參數(shù)設(shè)置

2.1 塑料件材料

塑料件材料選擇某材料廠商生產(chǎn)的30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺。玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺在機(jī)械強(qiáng)度、剛性、耐熱性、耐蠕變性和耐疲勞強(qiáng)度等方面，與純聚酰胺相比，均有大幅度提高;另外其伸長(zhǎng)率、模塑收縮率、吸濕性、耐磨性等性能下降，綜合性能主要取決于玻璃纖維與樹(shù)脂的結(jié)合強(qiáng)度、含量、長(zhǎng)徑比以及取向度等因素。材料剪切速率-黏度曲線見(jiàn)圖3，比體積-溫度曲線見(jiàn)圖4。

圖3 剪切速率-黏度曲線圖

圖4 比體積-溫度曲線圖

2.2 注塑成型機(jī)

該塑料件生產(chǎn)選用Haitian MA1600 Ⅱ/540注塑成型機(jī)。螺桿直徑為45 mm，螺桿長(zhǎng)徑比為20，最大注塑壓力為148 MPa。在Moldflow 模擬分析中選用相同參數(shù)的注塑成型機(jī)進(jìn)行模擬。

2.3 模具材料

依據(jù)墻壁開(kāi)關(guān)固定架產(chǎn)品質(zhì)量與注塑要求，該注塑件選用模具材料為P20模具鋼，材料密度為 7. 8 g /cm3，熱傳導(dǎo)率為29 W/(m·K)，彈性模量為2.05×105MPa。

2.4 流道系統(tǒng)

該塑料件模具開(kāi)發(fā)根據(jù)產(chǎn)能需求設(shè)計(jì)為一模四穴，采用熱流道系統(tǒng)連接部分冷流道，兩點(diǎn)潛伏式進(jìn)膠。

3 方案設(shè)計(jì)

對(duì)于單一因素或兩因素的試驗(yàn)，由于因素少，試驗(yàn)的操作與分析相對(duì)比較簡(jiǎn)單。但在實(shí)際工作中，常常需要同時(shí)考慮3個(gè)或3個(gè)以上的試驗(yàn)因素，如果進(jìn)行全部試驗(yàn)，則試驗(yàn)的規(guī)模將變得很大，往往受試驗(yàn)條件的限制而難以執(zhí)行，需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)就是安排多因素試驗(yàn)，尋求最優(yōu)化組合的一種高效試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。此次研究分析的墻壁開(kāi)關(guān)固定架整體尺寸不大，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，且壁厚厚薄不均。采用正交試驗(yàn)法，參考同類型產(chǎn)品注塑成型經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出多套方案，利用Moldflow軟件進(jìn)行模擬分析,最終從分析結(jié)果進(jìn)行極差分析，選出最佳方案并加以驗(yàn)證。

4 注塑成型工藝參數(shù)優(yōu)化

4.1 試驗(yàn)指標(biāo)

此次研究的是墻壁開(kāi)關(guān)固定架注塑成型的翹曲變形問(wèn)題，因此正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)選取固定架的總翹曲變形量作為試驗(yàn)指標(biāo)。

4.2 試驗(yàn)因子及水平

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)影響注塑件產(chǎn)品翹曲變形的因素很多，筆者選取了其中影響較大的5項(xiàng)，即模具溫度、熔體溫度、注塑時(shí)間、保壓壓力、冷卻時(shí)間。模具溫度和熔體溫度2項(xiàng)參考該款材料推薦的溫度范圍確定，而剩余3項(xiàng)注塑成型參數(shù)則依據(jù)以往同類型注塑件實(shí)際成型經(jīng)驗(yàn)設(shè)定。上述5項(xiàng)作為不存在交互作用的試驗(yàn)因子A、B、C、D、E。各試驗(yàn)因子在各自取值范圍均勻地取4個(gè)水平，具體數(shù)值見(jiàn)表1。采用正交試驗(yàn)矩陣進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)可得5因素4水平的正交表。按照表1設(shè)置的參數(shù)來(lái)模擬試驗(yàn)，同時(shí)記錄試驗(yàn)指標(biāo)最大翹曲變形量，所得數(shù)值見(jiàn)表2。模具溫度越高，一方面熔料越容易充填，保壓更充分，翹曲變形會(huì)降低；另一方面塑料件冷卻時(shí)間更長(zhǎng)，塑料收縮更劇烈，收縮不均會(huì)加劇翹曲變形。熔體溫度越高，充填越容易，所需充填壓力低，內(nèi)應(yīng)力小，翹曲變形越小。注塑時(shí)間越長(zhǎng)，熔料對(duì)外散熱越多，流動(dòng)阻力會(huì)越大，所需充填壓力高，內(nèi)應(yīng)力大而加劇翹曲變形。保壓壓力越高，收縮補(bǔ)料越充分，有利于改善收縮不均引起的翹曲變形。冷卻時(shí)間影響也具有兩面性，一方面冷卻時(shí)間短，應(yīng)力釋放不充分，可能加劇變形；另一方面冷卻時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)品收縮更劇烈，收縮不均會(huì)加劇翹曲變形。

表1 固定架注塑成型正交試驗(yàn)因素及水平

表2 固定架注塑成型試驗(yàn)表及翹曲變形量

4.3 翹曲變形量極差分析

通過(guò)分析試驗(yàn)因子水平的極差，可以獲得工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形量的影響[4]。極差R為各試驗(yàn)因子分別在4個(gè)水平下引起的翹曲變形量均值的最大與最小之差，用于反應(yīng)翹曲變形結(jié)果的離散程度，極差越大，說(shuō)明該因素對(duì)翹曲變形的影響越顯著，反之則影響越小。注塑時(shí)間C的極差最大(0.084 7)，冷卻時(shí)間E的極差最小(0.006 2)，將其按大小排列，得RC>RD>RB>RA>RE(見(jiàn)表3)。

表3 固定架注塑成型翹曲變形量極差 mm

通過(guò)極差分析可知：在固定架的注塑成型過(guò)程中注塑時(shí)間對(duì)翹曲變形影響最大，是最主要的原因；其次是保壓壓力；再次是熔體溫度；最后是模具溫度和冷卻時(shí)間。以注塑成型翹曲變形最小為基準(zhǔn)，分析各試驗(yàn)因子中翹曲變形量最小的水平項(xiàng)，可以組合成一組最優(yōu)化組合。模具溫度因子中t2(60 ℃) 水平的翹曲變形量最小(見(jiàn)圖5); 熔體溫度因子中t4(270 ℃)翹曲變形量最小(見(jiàn)圖6);注射時(shí)間因子中t1(24 s)翹曲變形量最小(見(jiàn)圖7);保壓時(shí)間因子中t4(70 MPa) 翹曲變形量最小(見(jiàn)圖8);冷卻時(shí)間因子中t1(15 s)翹曲變形量最小(見(jiàn)圖9)。由于翹曲變形量越小越好，根據(jù)以上分析最終確定各因子最優(yōu)組合為:A2B4C1D4E1。

4.4 優(yōu)化參數(shù)驗(yàn)證

根據(jù)極差分析獲得的最優(yōu)工藝組合方案：A2B4C1D4E1，即模具溫度為60 ℃，熔體溫度為270 ℃，注塑時(shí)間為0.8 s，保壓壓力為70 MPa，冷卻時(shí)間為15 s。通過(guò)模擬試驗(yàn)，獲得的翹曲變形總量為0.718 1 mm(見(jiàn)圖10)，與表2所示的試驗(yàn)結(jié)果相比，最優(yōu)組較前16組試驗(yàn)翹曲變形最小值(0.737 4 mm)降低了3.0%，進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖5 模具溫度對(duì)翹曲變形的影響

圖6 熔體溫度對(duì)翹曲變形的影響

圖7 注塑時(shí)間對(duì)翹曲變形的影響

圖8 保壓壓力對(duì)翹曲變形的影響

圖9 冷卻時(shí)間對(duì)翹曲變形的影響

圖10 產(chǎn)品翹曲變形圖(變形比例因子=5.0)

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 利用 Moldflow進(jìn)行模擬分析，對(duì)比由經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的注塑方案，可以優(yōu)化過(guò)去通過(guò)試模、改模的傳統(tǒng)解決方法，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，同時(shí)也降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本。

(2) 注塑成型過(guò)程是復(fù)雜的多物理場(chǎng)、多因子互相影響的過(guò)程，利用正交試驗(yàn)法，確定翹曲變形量為試驗(yàn)指標(biāo)，以模具溫度、熔體溫度、注塑時(shí)間、保壓壓力、冷卻時(shí)間為變量的5因子，在各自允許取值范圍內(nèi)進(jìn)行均分得到4水平，形成一個(gè)5因子4水平的正交試驗(yàn)，通過(guò)極差分析可以迅速找出固定架注塑成型參數(shù)優(yōu)化組合，節(jié)省了人力、物力、財(cái)力，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

(3) 本次研究同時(shí)也驗(yàn)證了基于正交試驗(yàn)的快速優(yōu)化注塑成型參數(shù)的科學(xué)性與合理性。