基于正交法的塑料半保持架注塑工藝參數優化

李建星，王子君，葛世軍，張素娥，孫小波

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

運用Moldflow技術在計算機上模擬注射成型過程，預測塑料熔體的填充、保壓和冷卻情況，以及塑料件的縮痕、熔接痕和翹曲變形等缺陷情況[1]，便于及時發現問題，優化成型工藝參數。在仿真試驗中，影響塑料件注射成型綜合性能的工藝因素很多，且各工藝因素水平也較多，導致試驗組合非常多。采用正交試驗法可在減少試驗次數，縮短試驗周期的前提下迅速找到優化方案。

本例采用正交試驗法并結合Moldflow仿真模擬，研究成型工藝參數對塑料半保持架產品質量的影響。

1 保持架結構及加工中存在的問題

塑料半保持架結構如圖1所示，呈半圓狀，角度為130°，外徑為Φ110 mm，寬度25 mm，保持架壁厚差較大，最大壁厚4.8 mm，最小壁厚僅為1.2 mm，平均壁厚約3 mm。塑料半保持架側面上有12個兜孔，底部內、外側都有內凹的圓弧，結構復雜。

圖1 塑料半保持架結構

塑料半保持架的材料選擇是非常關鍵的,須具有一定的強度和韌度、耐熱性、耐磨損性、耐化學藥品性和自潤滑性，目前主要使用工程塑料。

本例選用25%玻璃纖維增強聚酰胺66材料。

塑料半保持架采用注塑一次成型，批量生產，是一種要求精度很高且形狀復雜的注塑件。在制造過程中容易產生表面縮痕、熔接痕、翹曲變形、尺寸不穩定和拉伸強度減小等質量問題，引起的形狀偏差會嚴重影響保持架的性能、質量與可靠性以及長期使用的穩定性。影響塑料半保持架注塑質量的工藝因素較多,如模具溫度、熔體溫度、注射壓力、注射時間和保壓壓力等。為了減少塑料半保持架的質量缺陷，提高生產質量，需要對整個成型周期中工藝參數的值進行檢測控制，將質量影響較大的工藝參數控制在最佳狀態。

2 Moldflow分析及正交試驗

運用Moldflow軟件[2]對注射成型過程進行仿真模擬，采用Pro/E創建塑料半保持架的三維實體模型，將其導入Moldflow軟件進行網格劃分處理，得到該塑件的網格單元；再設置澆口位置及數量，創建澆道、建立澆注模型，采用正交試驗法設定注射成型工藝參數和分析參數，最后對試驗結果進行計算分析。工藝參數根據25%玻璃纖維增強聚酰胺66材料加工性能，并結合實際情況及模擬分析結果進行設置。

2.1 澆注系統設計

澆注系統的設計直接影響注射成型效率和制件質量，是獲得優質塑料制品的關鍵。在設計澆口結構時采用的是潛伏式點澆口。由于這種澆口前、后兩端存在較大的壓力差，可以在較大程度上增大塑料熔體的剪切速率并產生較大的剪切熱，從而導致熔體的黏度下降，流動性增加，有利于型腔的填充。這種澆口還容易實現自動切斷料把，澆口在制品上的殘留痕跡小，不影響制品表面質量。

選用Moldflow軟件系統推薦的各項成型工藝參數進行流動模擬分析，單澆口中部進料時，等值線(通過結果→繪圖屬性→方法可設置)間距均勻性較差，尤其是左、右兩側等值線密集，熔體流速湍急，兩側的填充質量較差，收縮變形量也較大，不能保證塑料半保持架的圓度；上端表面熔接痕非常明顯，且熔接痕局部較集中，所在區域拉伸強度降低，容易發生斷裂；氣穴數量較多且大部分分布在頂端及兩側。采用2個澆口從兩側進料時，塑料能夠以更為均勻一致的狀態流入模腔，兩側的填充質量較好，收縮減小；產品表面熔接痕數量明顯減少，主要分布于上圈梁與兜孔過梁的交接處，不存在上端表面熔接痕局部集中的現象；熔體首先進入塑件兩側及塑件低端區域，沿塑料半保持架兜孔過梁向頂端區域流動，氣穴大部分分布在頂端，可通過型芯與模板配合間隙排出，獲得品質一致的零件。

根據澆口數量及位置分析結果并結合實際模具結構設計的合理性，選擇2個澆口進料，澆口位置設置在塑料半保持架的兩側。澆口的數量、位置及創建的澆道和澆注模型如圖2所示。

圖2 澆口的數量、位置及澆道和澆注模型

2.2 正交試驗

塑料半保持架結構復雜，壁厚差別較大，制造過程中容易產生表面縮痕，影響產品的外觀質量，進而影響產品的綜合性能。由于塑料半保持架的注塑精度要求較高，最大縮痕指數對產品質量影響較大，綜合考慮選用最大縮痕指數為塑料半保持架的質量考察指標。Moldflow軟件中縮痕指數表示的是產品實際縮痕深度與其對應位置厚度的比值，縮痕指數越大意味著產品對應位置成型后產生縮痕的深度就會越大。

通過實際經驗和模擬分析，確定影響塑料半保持架產品注塑成形后縮痕指數的主要因素為：模具溫度T1、熔體溫度T2、注射時間t1、保壓時間t2和保壓壓力P，并假設各因素之間不存在交互作用。根據Moldflow軟件提供的成型材料的成型工藝參數推薦值，并結合實際情況及前期模擬分析結果確定各參數值如下：

(1)模具溫度T1為75～90 ℃；

(2)熔體溫度T2為275～305 ℃；

(3)注射時間t1為1.0～2.5 s；

(4)保壓時間t2為15～30 s；

(5)保壓壓力P設定為注射壓力的80%，即40～55 MPa。

注塑壓力、保壓時間和鎖模力均采用系統默認值設置。

在各因素的取值范圍內，每個因素均勻地取4個水平，正交試驗的因素水平如表1所示。

表1 正交試驗的因素水平

采用5因素4水平正交試驗法[3]，結合各設計變量的取值范圍確定各組仿真試驗的參數，用Moldflow軟件進行模擬分析得到相應的最大縮痕指數和正交試驗表如表2所示。

表2 L16(45) 試驗表及縮痕指數數值

利用正交表安排16次試驗的目的是為了找到對最大縮痕指數影響最大的工藝參數，以及各個工藝參數對最大縮痕指數影響程度的順序，最后得出最佳參數組合。各個成型工藝參數對最大縮痕指數影響數據分析如表3所示。

表3 工藝參數對縮痕指數的影響數據分析

由表3可知：

(1)各因素對塑料半保持架產品表面最大縮痕指數影響的主次來看，以熔體溫度T2影響最大，注射時間t1、保壓壓力P次之，冷卻時間t2和模具溫度T1影響較小。如果需要調整工藝參數保證塑料半保持架的質量，應該按T2→t1→P→t2→T1的順序依次調整。

(2)最佳的工藝參數組合為A2B1C4D1E4，即模具溫度80 ℃，熔體溫度275 ℃，注射時間2.5 s，冷卻時間15 s和保壓壓力55 MPa。

3 結束語

為了驗證優化方案的正確性，按單因素比較所得的最佳工藝組合A2B1C4D1E4進行成型模擬，得到的塑料半保持架產品最大縮痕指數為0.17%。比表2中的各仿真試驗結果要好，可以認為該成型工藝參數比較合理，可滿足塑料半保持架的質量要求。