基于正交試驗(yàn)的注射成型工藝參數(shù)優(yōu)化研究

曹素兵，朱嬋

（1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000；2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000）

基于正交試驗(yàn)的注射成型工藝參數(shù)優(yōu)化研究

Study on optimization of injection molding process parameters based on orthogonal test

曹素兵1，朱嬋2

（1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000；2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000）

針對(duì)一塑料連接件，利用Moldflow軟件仿真其注塑成型工藝過程。并通過正交試驗(yàn)分析了熔體溫度、模具溫度、注塑時(shí)間、保壓時(shí)間和保壓壓力對(duì)連接件翹曲變形的影響。最終，找出了在理論上可使得連接件翹曲變形量最小的最佳參數(shù)組合。

正交試驗(yàn)；Moldflow；翹曲變形量；工藝參數(shù)

塑料是一種可塑性好、質(zhì)量輕、易成型、成本低的高分子合成材料。隨著加工技術(shù)的進(jìn)步，塑料制品在質(zhì)量和外觀上不斷提高，其制品被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。注塑成型是塑料加工的重要手段之一，其工藝參數(shù)的選擇直接影響了成品的外觀和質(zhì)量，稍有不慎就容易造成填充不足，曲翹變形、體積收縮等缺陷，從而帶來極大的浪費(fèi)。針對(duì)這一問題，計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)（CAE）的出現(xiàn)提供了解決方案。CAE利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)之前模擬了模具制造的全過程，通過分析塑件成型過程中可能出現(xiàn)的問題提供了優(yōu)化的解決方案，從而找出最佳參數(shù)[1]。因此，利用CAE技術(shù)，注塑工程師能夠高效、準(zhǔn)確地找出注塑成型工藝的最佳參數(shù)。在節(jié)省成本的同時(shí)，對(duì)成型過程的控制和最終產(chǎn)品的質(zhì)量都具有重大意義[2]。

本文采用正交試驗(yàn)法，利用Moldflow分析軟件對(duì)塑件進(jìn)行注塑成型過程模擬，分析熔體溫度、模具溫度、注射時(shí)間、保壓壓力和保壓時(shí)間等對(duì)注塑件翹曲變形量的影響，找出影響翹曲變形的主要參數(shù)，得到減小翹曲變形量的最佳工藝參數(shù)組合。

1 三維及有限元模型建立

本文以一塑料連接件為例。利用三維軟件Pro/E Widefire5.0建立塑件模型，制件尺寸為25.6 mm×100 mm×14.5 mm，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。然后把制件模型另存為*.stl格式文件。導(dǎo)入CAE分析軟件Moldflow6.1中進(jìn)行模型修復(fù)，然后利用網(wǎng)格劃分工具對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行診斷、修復(fù)使其滿足模流分析條件。制件網(wǎng)格劃分修復(fù)后的模型有3 978個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)2 032個(gè)，匹配百分比85.5%，相互百分比89.6%，如圖2所示，滿足Moldflow模流分析條件。制件材料選取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS），選用GE Plastics（USA）公司的牌號(hào)為Cycolac GPM5500的ABS工程塑料。具體推薦模具溫度范圍為40～80℃，熔體溫度范圍為215～255℃。

圖1 制件三維造型

圖2 制件有限元模型

2 制件成型工藝參數(shù)的選擇及正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 確定成型工藝參數(shù)

本塑件制件具體要求表面平滑美觀、接縫配合嚴(yán)密、變形小、尺寸精度高等要求，為了保證針對(duì)接縫配合嚴(yán)密，就要盡量減小制件的翹曲變形。綜合考慮制件要求選擇熔體溫度、模具溫度、注射時(shí)間、保壓壓力和保壓時(shí)間5個(gè)工藝參數(shù)為研究對(duì)象，分析5個(gè)工藝參數(shù)值在一定范圍內(nèi)不同組合對(duì)塑件翹曲變形的影響。工藝參數(shù)的取值直接會(huì)影響產(chǎn)品的美觀、配合和精度，通過分析5個(gè)工藝參數(shù)組合對(duì)制品的影響，最終確定最優(yōu)工藝參數(shù)組合，為實(shí)際生產(chǎn)提供依據(jù)，提高生產(chǎn)效率。

2.2 確定工藝參數(shù)取值

選擇熔體溫度、模具溫度、注射時(shí)間、保壓壓力和保壓時(shí)間5個(gè)成型工藝參數(shù)為研究對(duì)象，每個(gè)工藝參數(shù)選取4個(gè)參數(shù)值，具體如下表1所示。

表1 工藝參數(shù)取值表

2.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及模擬結(jié)果

根據(jù)表1確定的熔體溫度、模具溫度、注射時(shí)間、保壓壓力和保壓時(shí)間5個(gè)工藝參數(shù)在4個(gè)水平上取值變化，設(shè)置正交表L16（45），共得到16組工藝參數(shù)組合模擬制件成型過程試驗(yàn)方案[3～4]。通過CAE分析軟件Moldflow分別對(duì)每組工藝參數(shù)進(jìn)行“冷卻＋流動(dòng)＋翹曲”模塊分析，得到制件的翹曲變形量，并記錄每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到不同成型工藝參數(shù)組合條件下的變形值。

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算信噪比。信噪比是信號(hào)功率和噪聲功率的比值，信噪比（簡(jiǎn)稱S/N比）是評(píng)判正交試驗(yàn)結(jié)果好壞的一個(gè)重要依據(jù)[5]。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析是基于信噪比對(duì)每個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果處理后進(jìn)行的。

目標(biāo)值越大越優(yōu)。

公式中，S/N為信噪比，單位為dBi，為第次試驗(yàn)結(jié)果；n為試驗(yàn)次數(shù)。

通過公式計(jì)算不同工藝參數(shù)組合下翹曲變形量的信噪比，得到各組合試驗(yàn)翹曲變形量及其信噪比，如下表2。

表2 正交試驗(yàn)組合及結(jié)果

3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

利用均值和極差對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，找出各個(gè)試驗(yàn)因素和試驗(yàn)指標(biāo)之間的關(guān)系，并獲得試驗(yàn)指標(biāo)和各個(gè)試驗(yàn)因素變化的規(guī)律以及趨勢(shì)，從而得到5個(gè)工藝參數(shù)的最佳組合。極差是指在一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)中的最大值減去最小值的結(jié)果，差值越大，表明該工藝參數(shù)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度就越大，從而表明該工藝參數(shù)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)就越重要。反之，差值越小，表明該工藝參數(shù)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度越小。如表3為制件翹曲變形量信噪比的均值及極差。

表3 翹曲變形量信噪比的均值及極差

表3中各個(gè)工藝參數(shù)影響因素在不同水平下翹曲變形量的平均信噪比和極差值。通過極差值的大小可以看出，各工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形量影響大小的順序?yàn)椋罕簤毫?保壓時(shí)間>熔體溫度>注射時(shí)間>模具溫度。如圖3所示，建立以試驗(yàn)獲得翹曲變形量的平均信噪比值作為縱坐標(biāo)，以試驗(yàn)成型工藝參數(shù)水平作為橫坐標(biāo)，得到不同成型工藝參數(shù)在不同水平下的翹曲變形量信噪比的變化曲線圖。而本試驗(yàn)采用的信噪比函數(shù)為單調(diào)遞減函數(shù)，信噪比越大，得到的翹曲變形量越小[6]。因此，從圖3可得工藝參數(shù)熔體溫度取245℃、模具溫度取50℃、注射時(shí)間取1 s、保壓壓力取60 MPa和保壓時(shí)間取6 s時(shí)為最優(yōu)成型工藝參數(shù)組合，從而可以得到最小的翹曲變形。

圖3 各因素對(duì)制件翹曲變型量信噪比的影響

4 優(yōu)化工藝參數(shù)組合驗(yàn)證

通過上述正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)成型5個(gè)工藝參數(shù)組合，具體各項(xiàng)工藝參數(shù)取值為：熔體溫度245℃、模具溫度50℃、注射時(shí)間1 s、保壓壓力60 MPa和保壓時(shí)間6 s。運(yùn)用軟件Moldflow檢驗(yàn)通過正交試驗(yàn)獲得的最優(yōu)成型工藝參數(shù)組合進(jìn)行“冷卻＋流動(dòng)＋翹曲”模塊分析，獲得制件的翹曲變形量，看是否為最優(yōu)結(jié)果。分析結(jié)果顯示最小翹曲變形量為0.325 4 mm，比其他工藝參數(shù)組合是的翹曲變形要小，說明正交試驗(yàn)的結(jié)果是正確的，如圖4所示。

5 結(jié)論

本文利用CAE軟件Moldfolw模擬了一塑料連接件的注塑成型過程，利用正交試驗(yàn)對(duì)連接件的五個(gè)成型工藝參數(shù)即注塑時(shí)間、模具溫度、保壓壓力，熔體溫度、保壓時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過16次模擬實(shí)驗(yàn)，找出了不同參數(shù)取值對(duì)連接件翹曲變形的影響。最后，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得到了一組最佳參數(shù)組合，采用該組參數(shù)在理論上可使連接件的翹曲變形最小。可見，利用CAE技術(shù)可縮短模具開發(fā)周期、降低成本、極大提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] 李德群，肖祥芷.模具 CAD/CAE/CAM 的發(fā)展概況及趨勢(shì)[J].模具工業(yè)，2005(7): 9～12.

[2] 申長(zhǎng)雨，陳靜波，劉春太，等.塑料模CAE 技術(shù)發(fā)展概況[J].模具工業(yè)，2001.1,51～56.

圖4 最優(yōu)組合翹曲變形量

[3] 賀華波.基于正交試驗(yàn)的旋蓋產(chǎn)品成型工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].工程塑料應(yīng)用，2009,37(4):35～38.

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(R-03)

TQ323.5

1009-797X(2016)16-0080-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.16.022

曹素兵(1980-)，男，四川德陽人，碩士，講師，主要從事模具設(shè)計(jì)、CAD/CAM的教學(xué)和研究工作。

德陽市科技支撐支助項(xiàng)目（2014zx070-6)

2016-07-15