基于響應(yīng)面法模型精準(zhǔn)優(yōu)化氣輔成型工藝

王子劍，任清海，，耿鐵

(1.安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 安陽 455000； 2.河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450007)

氣體輔助注塑成型技術(shù)(簡稱氣輔成型)是在傳統(tǒng)的注塑成型過程中注入高壓惰性氣體，在塑料制品內(nèi)部(通常是增設(shè)的氣道或制品肉厚部位)形成中空結(jié)構(gòu)，達(dá)到內(nèi)外雙面成型效果，實(shí)現(xiàn)消除制品縮痕、降低內(nèi)應(yīng)力、減少甚至消除翹曲變形，從而獲得輕量、高強(qiáng)度且外觀好塑料制品的革命性新型成型技術(shù)[1-4]。因此，氣輔成型技術(shù)是一種能夠有效減少碳排放的塑料成型新技術(shù)，同時(shí)也是一種綠色低碳制造技術(shù)，符合我國加快降低碳排放、倡導(dǎo)綠色技術(shù)創(chuàng)新的“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。然而相比傳統(tǒng)注塑成型，氣輔成型增加了注入高壓氮?dú)猸h(huán)節(jié)，在模腔內(nèi)同時(shí)存在熔融塑料和高壓氮?dú)怆p流體的充模流動(dòng)，成型的復(fù)雜程度大大增加，各個(gè)工藝參數(shù)不僅僅單獨(dú)影響成型質(zhì)量，而且參數(shù)間的交互作用對成型質(zhì)量也有顯著的影響。

從目前的相關(guān)研究文獻(xiàn)[5-8,16]來看，研究各工藝參數(shù)單獨(dú)對氣輔成型質(zhì)量影響的居多，而參數(shù)間的交互作用影響的研究很少。因此，用具備典型氣輔構(gòu)造特征的塑件作為研究模型，基于氣輔成型全三維數(shù)值模擬和成型試驗(yàn)，采用響應(yīng)面法試驗(yàn)[9-11]，研究氣輔工藝參數(shù)交互作用下的工藝優(yōu)化，為精準(zhǔn)設(shè)計(jì)氣輔成型參數(shù)提供依據(jù)，從而提高氣輔成型質(zhì)量和效率，提高成型生產(chǎn)的一次成功率，有效降低碳排放。

1 研究對象

氣道是氣輔注塑制品區(qū)別于傳統(tǒng)注塑制品的典型特征，通常是在特定的位置增設(shè)橫截面為半圓形氣道或者利用制品肉厚部位作為氣道，從而獲得性能優(yōu)異的塑料制品。研究對象為某具有半圓形典型氣道結(jié)構(gòu)的塑件，以便獲得廣泛指導(dǎo)意義的研究結(jié)論。用UG三維CAD軟件建立其幾何模型，其結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1 所示。用Moldflow API/3DGAS進(jìn)行氣輔成型全三維數(shù)值模擬，圖2 為全三維數(shù)值模擬時(shí)采用的3D 網(wǎng)格模型，由119 702 個(gè)四面體單元構(gòu)成。

圖1 氣輔塑件的3D模型和尺寸(單位mm)

圖2 氣輔塑件的3D網(wǎng)格模型和澆口進(jìn)氣口位置

圖3 采用最優(yōu)工藝參數(shù)的氣體穿透結(jié)果

采用SK公司生產(chǎn)、牌號(hào)為Yuplene R370Y的聚丙烯(PP)作為試驗(yàn)材料[1]。PP塑料是一種透明性高的聚丙烯，由于其強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性高、加工成型性好、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，在通訊、家電、汽車及日用品領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。并且由于PP 的加工成型性能優(yōu)越，被行業(yè)廣泛應(yīng)用于氣輔成型，其材料性能參數(shù)見表1，推薦成型工藝參數(shù)見表2。

表1 PP的主要參數(shù)

表2 PP的推薦成型工藝參數(shù)

2 響應(yīng)面法試驗(yàn)

響應(yīng)面法(RSM)是一種綜合試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)建模的優(yōu)化方法，可考慮不同因子的主效應(yīng)與交互效果，從而找到試驗(yàn)指數(shù)與各因子之間的定量規(guī)律，以確定最佳試驗(yàn)水平范圍[9]。相比于其它的試驗(yàn)方法，響應(yīng)面法的優(yōu)點(diǎn)是可以通過較少的試驗(yàn)次數(shù)得到較好的結(jié)果，降低了時(shí)間和物力投入[10]。響應(yīng)面分析也有助于處理多變量的擬合過程問題[11]。

2.1 線性回歸的響應(yīng)面模型建立

選擇對氣輔成型效果影響較大的6 個(gè)工藝參數(shù)：熔體預(yù)注射量(A)、熔體溫度(B)、模具溫度(C)、延遲時(shí)間(D)、注氣壓力(E)、注氣時(shí)間(F)作為試驗(yàn)因素，以氣體穿透深度和最大氣指幅度為響應(yīng)值，結(jié)合PP 成型推薦參數(shù)有效取值范圍內(nèi)合理設(shè)計(jì)6 因素5水平響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)因素及水平見表3。

表3 響應(yīng)面分析因素水平表

實(shí)驗(yàn)方案根據(jù)Box-Behnken Design (BBD)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對所有試驗(yàn)要素和具體目標(biāo)值進(jìn)行線性回歸函數(shù)擬合，分析得出各參數(shù)對成型質(zhì)量的影響程度，即是否為顯著影響因素。根據(jù)所選試驗(yàn)方法及水平，共有25組不同的因素組合。在相同的注射、冷卻、保壓等條件下，采用Moldflow API/3DGAS對這25組參數(shù)組合分別進(jìn)行模流分析，結(jié)果列于表4。

表4 響應(yīng)面模型試驗(yàn)結(jié)果表

2.2 線性回歸的響應(yīng)面方差分析

分別以氣體穿透長度、氣指最大幅度為響應(yīng)值，對所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)及結(jié)果進(jìn)行分析，分析數(shù)據(jù)列于表5、表6。

表5 氣體穿透長度的響應(yīng)面方差分析

表6 最大氣指幅度的響應(yīng)面方差分析

從表5、表6 可以看出，此次所設(shè)計(jì)的響應(yīng)面試驗(yàn)P值均小于0.000 1，說明達(dá)到了顯著水平，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)的意義，證明設(shè)計(jì)的模型擬合度良好并且實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理。根據(jù)表4 的結(jié)果對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對驗(yàn)因素及響應(yīng)值進(jìn)行線性回歸擬合，本次試驗(yàn)對氣體穿透長度(R1)、最大氣指幅度(R2)的回歸方程見式(1)、式(2)。

根據(jù)表5、表6 和式(1)、式(2)可知，各參數(shù)對氣體穿透深度的影響大小依次為：熔體預(yù)注射量(A)＞模具溫度(C)＞注氣時(shí)間(F)＞注氣壓力(E)＞延遲時(shí)間(D)＞熔體溫度(B)，熔體預(yù)注射量(A)為顯著影響因素，其它的為非顯著影響因素；各參數(shù)對最大氣指幅度的影響大小依次為：熔體預(yù)注射量(A)＞注氣時(shí)間(F)＞延遲時(shí)間(D)＞熔體溫度(B)＞模具溫度(C)＞注氣壓力(E)，熔體預(yù)注射量(A)和注氣時(shí)間(F)為顯著影響因素，其它的為非顯著影響因素。通過綜合考慮六因素對兩個(gè)響應(yīng)值(R1，R2)的影響并進(jìn)行成型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，顯著影響因素熔體預(yù)注射量、注氣時(shí)間的優(yōu)選值分別為85%，10 s。

2.3 二次回歸的響應(yīng)面模型建立

根據(jù)作者前期研究結(jié)果[12-15]和氣輔成型線性回歸響應(yīng)面試驗(yàn)的研究結(jié)果，在氣輔成型的所有參數(shù)中，熔體預(yù)注射量和注氣時(shí)間的影響特別顯著，往往會(huì)掩蓋其它工藝參數(shù)的作用，并且熔體預(yù)注射量(A)取值85%、注氣時(shí)間(F)取值10 s 時(shí)為優(yōu)。因此，本試驗(yàn)在設(shè)定熔體預(yù)注射量為85%、注氣時(shí)間為10 s不變的情況下，研究熔體溫度(B)、模具溫度(C)、延遲時(shí)間(D)以及注氣壓力(E)等參數(shù)及其之間交互作用對氣輔成型質(zhì)量的影響。為此，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)因素-水平表和考慮參數(shù)間交互作用的4 因素2 水平L16(215)響應(yīng)面法試驗(yàn)，所確定的實(shí)驗(yàn)因素及水平見表7。實(shí)驗(yàn)方案根據(jù)BBD設(shè)計(jì)，共有16組不同的因素組合，并對所有試驗(yàn)要素和具體目標(biāo)值進(jìn)行二次回歸函數(shù)擬合，優(yōu)選氣輔成型參數(shù)組。在相同的注射、冷卻、保壓等條件下，采用Moldflow API/3DGAS對這16組參數(shù)組合分別進(jìn)行模流分析，結(jié)果列于表8。

表7 4因素2水平表

氣體穿透深度反映了高壓氮?dú)庠跉廨o塑件內(nèi)部的穿透程度，是衡量成型成敗的首要指標(biāo)；最大氣指幅度反映了成型缺陷的大小，也是判斷氣輔塑件是否合格的直接指標(biāo)。二者可以較全方位客觀地反映氣輔成型效果。

2.4 二次回歸的響應(yīng)面方差分析

由表8數(shù)據(jù)可知：16組數(shù)值模擬結(jié)果都不相同，其中試驗(yàn)號(hào)2，5，6，14的氣體穿透深度太短，試驗(yàn)號(hào)9，10，12，13，15 的最大氣指幅度太大，不符合塑件氣輔成型要求。只有試驗(yàn)號(hào)為1，3，4，7，8，11，16 數(shù)值分析結(jié)果符合氣輔成型質(zhì)量要求，氣體穿透深度和最大氣指幅度良好。通過分別以氣體穿透長度、氣指最大幅度為響應(yīng)值，對所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)及結(jié)果進(jìn)行分析，部分分析數(shù)據(jù)見表9和表10。

表10 最大氣指幅度的響應(yīng)面方差分析

表9 和表10 分別為氣體穿透深度的二次回歸響應(yīng)面方差分析表和最大氣指幅度的二次回歸響應(yīng)面方差分析表，其中：BC表示熔體溫度與模具溫度的交互作用，BD表示熔體溫度與延遲時(shí)間的交互作用，BE表示熔體溫度與注氣壓力的交互作用，CD表示模具溫度與延遲時(shí)間的交互作用，CE表示模具溫度與注氣壓力的交互作用，DE表示延遲時(shí)間與注氣壓力的交互作用。從表9 可以看出，D，E和CD依次為氣體穿透深度的顯著影響因素，其它參數(shù)影響程度相對較小。

氣輔成型用模具除了模仿塑件的幾何結(jié)構(gòu)外，還起到熱交換器的作用，C的變化直接響塑料熔體凝固快慢程度，從而決定塑料熔體在高壓氣體的推動(dòng)下流動(dòng)的難易程度和推動(dòng)熔體前進(jìn)的體積多少；D的影響在一定范圍內(nèi)與模具溫度的顯著影響的原理是一致的，增長延遲時(shí)間，塑料熔體容易形成厚的凝固層，從而也顯著影響塑料熔體在高壓氣體的迫使下的流動(dòng)難易程度和壓迫熔體向前流動(dòng)的體積多少。所以D，C顯著影響氣體穿透長度這個(gè)評價(jià)指標(biāo)。CD對氣體穿透深度指標(biāo)影響較大的原因是延遲時(shí)間和模具溫度都顯著作用的疊加。

從表10可以看出，B，C，D和BD，BE，CD，DE等參數(shù)依次為最大氣指幅度的顯著影響因素，其它參數(shù)影響程度不明顯。B，C和D直接決定了塑料熔體的凝固快慢程度，決定了高壓氣體在氣道側(cè)翼穿透的容易程度，所以對氣指缺陷起到顯著影響。在全部參數(shù)間交互作用中，BD對最大氣指幅度的影響作用最大，說明二者之間存在密切的相關(guān)性。熔體溫度高，則需要適當(dāng)延長延遲時(shí)間，以便熔體形成適當(dāng)厚度的凝固層，從而減弱高壓氣體在氣道側(cè)翼的穿透而造成嚴(yán)重的氣指缺陷，所以在設(shè)計(jì)這兩個(gè)參數(shù)時(shí)避免同時(shí)出現(xiàn)高的熔體溫度和短的延遲時(shí)間。BE對最大氣指幅度的影響作用次之，因?yàn)槿垠w溫度高的話，熔體的流動(dòng)性好，便于高壓氣體在熔體內(nèi)部穿透，所以較低的注氣壓力配合較高的熔體溫度，可以有效降低氣指缺陷。CD與BD對最大氣指幅度的影響的原因相同，都直接影響熔體的流動(dòng)性，也就決定了熔體的凝固快慢，從而影響氣指缺陷的嚴(yán)重與否。DE也對最大氣指幅度有較大的影響，是由于注氣壓力大，延遲時(shí)間短的話，高壓氣體容易在氣道側(cè)翼穿透熔體形成較大的氣指缺陷，所以在規(guī)劃參數(shù)時(shí)應(yīng)該合理減少注氣壓力和延長延遲時(shí)間，從而減小或避免氣指缺陷。

3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過上面參數(shù)交互作用的氣輔注塑工藝二次回歸響應(yīng)面方差分析，綜合考慮BBD 設(shè)計(jì)的16 組數(shù)值模擬結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果表明，熔體溫度 240 ℃，注氣壓力 3 MPa，延遲時(shí)間 4 s，模具溫度 40 ℃時(shí)的氣輔成型效果好。因此，氣輔成型工藝參數(shù)的最優(yōu)值分別為：熔體溫度 240 ℃，注氣壓力3 MPa，延遲時(shí)間 4 s，模具溫度 40 ℃。

圖5 為最優(yōu)參數(shù)組的數(shù)值模擬和成型試驗(yàn)結(jié)果。從圖5 可以看出：試驗(yàn)塑件的氣體穿透深度理想、氣指缺陷小，而且沒有氣體穿破發(fā)生，表面質(zhì)量高，氣體穿透效果和塑件成型質(zhì)量良好，可用于指導(dǎo)實(shí)際氣輔成型生產(chǎn)。

4 結(jié)論

(1)氣輔成型技術(shù)能夠顯著提升塑件強(qiáng)度及表面外觀質(zhì)量、減少塑料消耗和壓縮成型生產(chǎn)周期。采用響應(yīng)面法試驗(yàn)研究，能夠得到參數(shù)間交互作用對氣輔成型質(zhì)量的影響規(guī)律，從而為精準(zhǔn)規(guī)劃氣輔成型參數(shù)、優(yōu)化氣輔成型工藝提供指導(dǎo)。

(2)通過L25(56)線性回歸響應(yīng)面試驗(yàn)和響應(yīng)面方差分析，熔體預(yù)注射量、注氣時(shí)間為顯著影響因素，其優(yōu)選值分別為85%，10 s。

(3)通過二次回歸響應(yīng)面試驗(yàn)和方差分析，參數(shù)間的交互作用對氣體穿透深度的影響較小，而對氣指缺陷的影響顯著。B，C，D和BD，BE，CD，BC為氣指缺陷的顯著影響因素。

(4)最佳成型工藝為熔體預(yù)注射量85%，注氣時(shí)間10 s，熔體溫度240 ℃，注氣壓力3 MPa，延遲時(shí)間4 s，模具溫度40 ℃。經(jīng)數(shù)值模擬和成型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最優(yōu)參數(shù)組下得到氣輔塑件的氣體穿透深度及最大氣指幅度指標(biāo)優(yōu)良，氣體穿透效果和氣輔成型質(zhì)量良好，提高了氣輔成型質(zhì)量和效率，有效降低了碳排放，可用于氣輔成型實(shí)際生產(chǎn)。