基于正交試驗的高鐵橡膠外風擋注射成型工藝參數優化

陳明同，姜曉妍，趙羽勁，朱維浩，曾憲奎*，陳爽晴

（1.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061；2.青島澳泰交通設備有限公司，山東 青島 266061）

橡膠外風擋[1-6]是高鐵的重要部件，其生產方式主要是模壓成型和注射成型兩種。模壓成型生產的橡膠外風擋的廢品率較高，因此注射成型[7]是生產橡膠外風擋的最佳選擇。但在橡膠外風擋注射成型生產中，注射工藝參數設置不合理會產生體積收縮等質量問題。針對橡膠外風擋注射成型中產生的質量問題，對高鐵橡膠外風擋進行注射工藝參數優化是十分必要的。

S.P.HONG等[8]運用CAE技術研究了汽車擋泥板的注射成型過程。H.RASHID等[9]以阿迪達斯足球鞋底為例，運用CAE技術分析和預測了注射過程中制品可能產生的缺陷，有助于縮短產品開發時間和降低成本。

本研究采用正交試驗設計方案，運用Moldflow軟件對高鐵橡膠外風擋（以下簡稱橡膠外風擋）注射成型過程進行模擬分析，并采用多元回歸方程擬合影響因素與響應參數之間的函數關系，通過對回歸方程的分析，尋求最優工藝參數，以達到優化的目的。

1 注射成型工藝參數優化試驗設計

本研究橡膠外風擋注射成型工藝參數優化的流程為：建立試驗模型→確定模擬試驗目標→確定試驗因子與水平→選取合適的正交試驗方案→采用Moldflow軟件分析→模擬試驗結果數據處理→工藝參數優化。

1.1 試驗模型建立

本工作選取橡膠外風擋的部分實體為研究對象，其尺寸為2 300 mm×300 mm×252 mm，上端壁厚15 mm，下端壁厚7 mm，體積為16 672 cm3，通過Creo軟件建模后導入Moldflow軟件中，定義網格長度為18 mm，劃分的三角形網格數為24 796，表面面積為16 654 cm2，縱橫比最大為4.52，最小為1.16，匹配率為93%。

橡膠外風擋材料是三元乙丙橡膠（EPDM）膠料[10]，EPDM牌號為P127T910，膠料密度為1.15 Mg·m-3。Moldflow軟件推薦的模具溫度范圍為185～205 ℃，熔體（膠料）溫度范圍為 65～75 ℃，這為仿真試驗工藝參數設置提供了參考。

本研究依據實際生產經驗，選擇模具溫度、熔體溫度、注射時間、保壓時間和保壓壓力為影響橡膠外風擋體積收縮率的因素，橡膠外風擋頂出時的體積收縮率和縮痕指數為試驗指標。

設定初始工藝參數為：模具溫度 195 ℃，熔體溫度 70 ℃，注射時間 180 s，保壓時間 10 s，保壓壓力 100 MPa。模擬初始工藝參數下橡膠外風擋頂出時的體積收縮率最大值為5.79%，縮痕指數最大值為6.23%，如圖1和2所示。

圖1 初始工藝參數下橡膠外風擋頂出時的體積收縮率Fig.1 Volume shrinkage rate of rubber outer windshield during ejection under initial process parameters

圖2 初始工藝參數下橡膠外風擋頂出時的縮痕指數Fig.2 Shrinkage mark index of rubber outer windshield during ejection under initial process parameters

1.2 正交試驗安排與模擬結果

根據Moldflow軟件推薦的工藝參數和實際生產經驗確定試驗因子，每個因子取5個水平，建立因子與水平表[11]，如表1所示。選用L25（55）正交試驗表，采用Moldflow軟件進行25次模擬試驗，正交試驗方案和模擬結果如表2所示。

表1 因子與水平表Tab.1 Factor and level table

1.3 試驗數據極差分析

1.3.1 頂出時的體積收縮率

對表2中的模擬結果進行極差分析，得到橡膠外風擋頂出時的體積收縮率極差，如表3所示。

表2 正交試驗方案及結果Tab.2 Orthogonal test schemes and results

極差越大，說明該因素對試驗指標的影響越大，也就越重要。從表3可以看出，注射工藝參數對橡膠外風擋頂出時的體積收縮率的影響程度從大到小的排序為A，B，D，E，C。

分析表3數據，可以得出如下結論。

表3 橡膠外風擋頂出時的體積收縮率極差分析結果Tab.3 Range analysis results of volume shrinkage rate of rubber outer windshield during ejection %

隨著模具溫度的提高，橡膠外風擋頂出時的體積收縮率增大，這是因為在橡膠外風擋頂出時注射口處的膠料停止注入，注射壓力和保壓壓力都消失，模具溫度的提高使膠料的定型速度降低，導致橡膠外風擋頂出時的熱膨脹力增大，從而加大體積收縮率，降低生產效率[12]。

隨著熔體溫度的提高，橡膠外風擋頂出時的體積收縮率增大，這是因為膠料的熔體溫度升高，橡膠分子之間作用力減小，膠料的密度變小，橡膠外風擋頂出時的密度增幅較大，從而使體積收縮率增大。

隨著注射時間的延長，橡膠外風擋頂出時的體積收縮率先減小后增大。這是因為注射過快，導致注射壓力高，橡膠外風擋內部存在較大的殘余應力，體積收縮率變大；注射過慢，使先注入的膠料受模具溫度的影響溫升大，等同于提高了膠料的熔體溫度，使橡膠外風擋頂出時的體積收縮率變大[13]。

隨著保壓時間的延長，橡膠外風擋頂出時的體積收縮率先增大后減小。先增大的原因是保壓時間過短與注射過快一樣，橡膠外風擋內部存在較大的殘余應力，體積收縮率增大；后減小的原因是保壓時間趨于合理，使膠料均勻充滿型腔，橡膠外風擋頂出時的體積收縮率減小。

隨著保壓壓力的增大，橡膠外風擋頂出時的體積收縮率波動變化，但變化幅度減小，這是因為保壓壓力變大導致型腔內的膠料充填均勻、緊密，使橡膠外風擋與模腔的尺寸更加接近，進而使其頂出后的體積收縮率變化幅度減小[14]，但是保壓壓力過大會導致橡膠外風擋頂出后收縮不均勻，因此要設置合理的保壓壓力。

橡膠外風擋頂出時的體積收縮率最小的注射工藝參數組合為A1B1C2D5E1，即模具溫度 185℃，熔體溫度 65 ℃，注射時間 170 s，保壓時間14 s，保壓壓力 90 MPa。

1.3.2 頂出時的縮痕指數

橡膠外風擋頂出時的縮痕指數的極差分析結果如表4所示。

表4 橡膠外風擋頂出時的縮痕指數極差分析結果Tab.4 Range analysis results of shrinkage mark index of rubber outer windshield during ejection %

從表4可以看出，注射工藝參數對橡膠外風擋頂出時的縮痕指數的影響程度從大到小的排序為A，B，D，E，C。

計算橡膠外風擋頂出時的縮痕指數使用的是體積收縮率和產品壁厚數值，橡膠外風擋在水平切面上為等壁厚制件，故各工藝參數對橡膠外風擋頂出時的縮痕指數的影響趨勢與表3的體積收縮率結果大致相同。

分析表4數據可知，橡膠外風擋頂出時的縮痕指數最小的注射工藝參數組合為A1B1C2D5E1，與體積收縮率最小的注射工藝參數組合相同。

1.4 試驗數據方差分析

1.4.1 頂出時的體積收縮率

方差分析法中，P值是衡量試驗值與目標值差異的指標，P值小于0.05表示試驗值與目標值差異顯著，對應因子不能忽略。根據正交試驗結果，得到橡膠外風擋頂出時的體積收縮率方差分析結果，如表5所示。

表5 橡膠外風擋頂出時的體積收縮率方差分析結果Tab.5 Variance analysis results of volume shrinkage rate of rubber outer windshield during ejection

從表5可以看出，5項工藝參數對橡膠外風擋頂出時的體積收縮率的影響程度從大到小的排序為：A，B，D，E，C。

根據頂出時的體積收縮率方差分析結果，橡膠外風擋的注射工藝參數優化結論如下。

（1）模具溫度的P值小于0.05，說明模具溫度對橡膠外風擋頂出時的體積收縮率影響顯著，故在生產過程中應對模具溫度重點關注。

（2）熔體溫度、注射時間、保壓時間、保壓壓力的P值均大于0.05，但是熔體溫度的P值遠小于其余3項的P值。結合實際生產經驗，在以頂出時的體積收縮率為目標進行橡膠外風擋注射工藝參數優化時，除了重點確定模具溫度外，還需要確定熔體溫度，注射時間、保壓時間和保壓壓力3項工藝參數則合理設置。

1.4.2 頂出時的縮痕指數

橡膠外風擋頂出時的縮痕指數的方差分析結果如表6所示。

表6 橡膠外風擋頂出時的縮痕指數方差分析結果Tab.6 Variance analysis results of shrinkage mark index of rubber outer windshield during ejection

從表6可以看出，5項工藝參數對橡膠外風擋縮痕指數的影響程度從大到小的排序為A，B，D，E，C。

根據頂出時的縮痕指數方差分析結果，橡膠外風擋注射工藝參數優化結論如下。

（1）模具溫度的P值小于0.05，說明模具溫度對橡膠外風擋頂出時的縮痕指數影響顯著，故在生產過程中應對模具溫度重點關注。

（2）熔體溫度、注射時間、保壓時間和保壓壓力的P值均大于0.05，但是熔體溫度和保壓時間的P值遠小于其余2項的P值。結合實際生產經驗，在以頂出時的縮痕指數為目標進行橡膠外風擋注射工藝參數優化時，除了重點確定模具溫度外，還需要確定熔體溫度和保壓時間，注射時間和保壓壓力2項工藝參數則合理設置。

2 響應曲面法優化

對橡膠外風擋頂出時的體積收縮率和縮痕指數各賦予0.5的權重，合并為橡膠外風擋的質量指數，從而將多目標問題轉化為單目標，實現多目標問題的綜合優化[15]。

橡膠外風擋質量指數的響應曲面方程表示為

式中，xA，xB，xC，xD，xE分別為模具溫度、熔體溫度、注射時間、保壓時間和保壓壓力。

選取表2中的數據，應用Minitab軟件，計算得到響應曲面因數，如表7所示。

表7 響應曲面因數Tab.7 Coefficients of response surface

建立多元回歸方程：

式中，xA∈[185，205]，xB∈[65.0，75.0]，xC∈[160，200]，xD∈[6，14]，xE∈[90，110]。

對方程（2）求解最小值，得到xA＝185 ℃，xB＝65 ℃，xC＝160 s，xD＝14 s，xE＝110 MPa時，Ymin＝4.397，即模具溫度為185 ℃、熔體溫度為65℃、注射時間為160 s、保壓時間為14 s、保壓壓力為110 MPa時，取得橡膠外風擋質量指數最小值為4.397%。

在此工藝參數下，采用Moldflow軟件模擬，結果如圖3和4所示，得到橡膠外風擋頂出時的體積收縮率最大值為4.165%，縮痕指數最大值為5.103%，質量指數最大值為4.634%。

圖3 工藝參數優化后橡膠外風擋頂出時的體積收縮率Fig.3 Volume shrinkage rate of rubber outer windshield during ejection after optimization of process parameters

3 結論

（1）模具溫度對橡膠外風擋頂出時的體積收縮影響最為顯著，其后依次是熔體溫度、保壓時間、保壓壓力和注射時間。若要減小橡膠外風擋頂出時的體積收縮率，可以在工藝參數范圍內降低模具溫度和熔體溫度，而保壓時間、保壓壓力和注射時間則合理設置。

圖4 工藝參數優化后橡膠外風擋頂出時的縮痕指數Fig.4 Shrinkage mark index of rubber outer windshield during ejection after optimization of process parameters

（2）建立了試驗因素與優化指標之間的多元非線性回歸方程，對工藝參數尋優。最優工藝參數組合為：模具溫度 185 ℃，熔體溫度 65 ℃，注射時間 160 s，保壓時間 14 s，保壓壓力 110 MPa。采用Moldflow軟件模擬的橡膠外風擋頂出時的體積收縮率最大值為4.165%，縮痕指數最大值為5.103%。

（3）橡膠外風擋質量指數的模擬最大值與回歸方程預測最小值分別為4.634%和4.397%，這說明建立的多元非線性回歸方程能夠較好地擬合出橡膠外風擋工藝參數與質量指數之間的非線性關系，響應曲面法能夠有效地找到橡膠外風擋最優的工藝參數組合。