基于正交實驗法的夾芯注射成型層間界面前沿調(diào)整

王 濤，宋 偉，蘇玉珍

(河北機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程系，河北 邢臺 054000)

注射成型的工藝參數(shù)決定了塑料熔體的流動狀態(tài)，并影響最終產(chǎn)品質(zhì)量[1-2]。各類先進(jìn)注射成型方法的工藝參數(shù)調(diào)整比普通注射成型更為復(fù)雜[3-4]。夾芯注射成型是一種先進(jìn)的注射成型工藝。該工藝需要先后在同一個模具型腔內(nèi)注射殼層熔體、芯層熔體兩種塑料，最終形成殼層物料在外、芯層物料在內(nèi)的塑件[5]。這種塑件因其特殊的夾芯結(jié)構(gòu)，擁有很多普通注射成型不具備的優(yōu)良特性。

夾芯注射成型的芯層、殼層物料在塑件中并不是混亂的交叉存在，它們之間有比較明顯的層間界面。該界面的分布情況直接影響這個夾芯結(jié)構(gòu)特殊性能能否有效發(fā)揮。不同的注射成型參數(shù)，會帶來不同的層間界面結(jié)構(gòu)。為此，本論文基于正交實驗法，分析不同工藝參數(shù)對夾芯注射成型層間界面前沿位置的影響情況，并獲取最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

1 實驗部分

1.1 主要原料

實驗分別以聚苯乙烯(PS)、高密度聚乙烯(HDPE)為夾芯注射成型的殼層物料、芯層物料。

1.2 實驗塑件

實驗所選塑件整體長度75 mm，寬度75 mm，高度8 mm，邊角倒圓半徑5 mm，塑件厚度2 mm。

為了開展有效分析，實驗決定采用數(shù)值模擬的方法。首先，在三維建模軟件中完成實體建模，并保存為“*.iges”格式；其次，在Moldflow軟件中打開上述文件，并完成相網(wǎng)格劃分；最后，基于正交實驗法安排數(shù)值模擬實驗。

夾芯注射成型澆口在塑件上表面中心。實驗塑件劃分網(wǎng)格后共計4648個單元，如圖1所示。

圖1 塑件網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.3 正交實驗

表1 正交實驗因素與水平

注射溫度、注射速率等因素直接影響熔體在模具型腔中的流動狀態(tài)，是影響夾芯注射形成工藝的主要工藝參數(shù)。為此，實驗采用殼層、芯層熔體的注射溫度、速率等4個工藝參數(shù)為正交實驗的影響因子，構(gòu)建4因素3水平的正交實驗，如表1所示。

實驗其他工藝參數(shù)為固定值，主要有：模具溫度50℃，殼層熔體占比75%，芯層熔體占比25%，保壓時間6s，保壓壓力為注射壓力的85%，冷卻時間12s。將相關(guān)參數(shù)輸入工藝設(shè)置向?qū)?，如圖2所示。

圖2 工藝設(shè)置向?qū)?/p>

1.4 層間界面前沿表征

對本塑件而言，實驗希望芯層物料盡可能多在塑件中平鋪，即層間界面前沿盡可能到達(dá)更遠(yuǎn)的距離。因此，以層間界面前沿在長度方向上能夠到達(dá)的最遠(yuǎn)距離做為正交實驗結(jié)果的評價指標(biāo)，設(shè)為X，單位為mm。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 正交實驗結(jié)果

9組正交實驗結(jié)果如表2所示。

表2 正交實驗安排與結(jié)果

2.2 實驗結(jié)果分析

根據(jù)正交實驗結(jié)果，分析各參數(shù)對X值的影響規(guī)律，即分析均值和極差值，結(jié)果如表3所示。

表3 X值極差分析

由表3可知，對本實驗條件而言，4種工藝參數(shù)中，影響最大的為PS物料的注射溫度和注射速率，即殼層物料的相關(guān)工藝參數(shù)。HPDE物料的注射溫度和速率對于實驗指標(biāo)的影響較小。能夠使X值達(dá)到最大值的工藝參數(shù)組合為A3B1C1D1，即PS注射溫度255℃、注射速率60 cm3·s-1,HDPE注射溫度215℃、注射速率60 cm3·s-1。

2.3 最優(yōu)實驗結(jié)果

將最優(yōu)工藝組合A3B1C1D1輸入工藝設(shè)置向?qū)?，重新進(jìn)行實驗。實驗結(jié)果中X值為為34.11 mm，優(yōu)于9組正交實驗結(jié)果。

最優(yōu)工藝參數(shù)組合的層間界面分布情況如圖3所示，層間界面前沿所處位置如圖4所示。由圖3、4可知，層間界面分布較廣；層間界面前沿延伸的距離較長；芯層物料基本覆蓋了塑件上部平面；此時的夾芯注射成型層間界面較為理想。

圖3 層間界面分布情況

圖4 層間界面前沿所處位置

3 結(jié)論

1)本實驗中，能夠使層間界面前沿達(dá)到最遠(yuǎn)距離的工藝參數(shù)組合為PS注射溫度255℃、注射速率60 cm3·s-1,HDPE注射溫度215℃、注射速率60 cm3·s-1。

2)基于正交實驗法，可以使用較少的實驗組分析出各工藝參數(shù)對層間界面前沿的影響規(guī)律，從而快速而恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整工藝參數(shù)，達(dá)到最優(yōu)實驗結(jié)果。