基于正交試驗的某外飾件工藝參數優化及質量評定

儲成生，葛君廷，馬 勇

（1.尼普洛醫療器械（合肥）有限公司，安徽合肥230601；2.華錄松下電子信息技術有限公司，遼寧大連116023；3.合肥工業大學材料科學與工程學院，安徽合肥230009）

基于正交試驗的某外飾件工藝參數優化及質量評定

儲成生1，葛君廷2，馬 勇3＊

（1.尼普洛醫療器械（合肥）有限公司，安徽合肥230601；2.華錄松下電子信息技術有限公司，遼寧大連116023；3.合肥工業大學材料科學與工程學院，安徽合肥230009）

應用計算機輔助工程（CAE）技術，設計了某型號DVD刻錄機外門的最佳澆口位置；針對翹曲變形，基于正交試驗法，通過綜合平衡法分析獲得最優的工藝參數組合為模具溫度55℃，熔體溫度245℃，保壓壓力70MPa，保壓時間6s。基于最優工藝參數，進行注塑實驗，獲得的3個塑件從產品外觀看均無變形、縮癟、雜色、飛邊及白化等缺陷，最大翹曲變形量為0.292mm，平均翹曲變形量為0.288mm，均滿足生產中翹曲量小于0.3mm的要求。

注射成型；工藝參數；有限元分析；翹曲；正交試驗

0 前言

注塑產品中常見的品質問題是存在熔接痕和翹曲變形，其不僅影響塑料制品的外觀品質，而且對制品的力學性能影響也很大，將嚴重影響到制品的壽命［1－2］。目前，CAE技術已經較廣泛地應用于注射模具的設計中［3］，CAE 技術可預測模具設計和成型工藝條件對產品品質的影響，為判斷模具設計和成型條件是否合理提供科學依據和設計分析手段［4］。本文所研究的某型號DVD刻錄機外門為薄壁注塑件，其在外觀及品質上都有較高的要求，本文應用有限元分析軟件，模擬分析制件缺陷產生的原因，通過正交試驗［5］，確定出最優的工藝方案，并進行了實驗研究和品質評定，為大批量生產出合格零件提供了科學的依據。

1 注塑過程有限元模型建立

1.1 塑件分析

圖1為某型號DVD刻錄機外門的外觀圖，其結構比較復雜，四周都有圓角過度，端部帶有連接運動的部分；尺寸為38mm×17mm×429mm，最小壁厚1.6mm，平均壁厚2.7mm，屬于薄壁件；材料為ABS910－X15，要求大批量生產且壁厚均勻。該塑件裝配在DVD刻錄機的外表面，屬于外飾件，生產時要求塑件表面美觀、光潔、無明顯熔接痕、銀絲、斷裂、劃傷和縮癟等缺陷，同時不產生明顯的翹曲變形。

圖1 塑料制品Fig.1 Plastic product

1.2 模型導入

將塑件三維模型導入Moldflow軟件，由于外門件為薄壁塑件，采用表面網格模型，網格的邊長為2.5mm，經網格劃分和修補共計20150個網格單元，平均縱橫比為2.046，網格的匹配率為91.8%，各項指標均符合Moldflow分析所要求的網格質量標準。

1.3 成形參數設置

塑件材料為ABS910－X15，初步設定成型工藝參數：模具溫度50℃；熔體溫度240℃；保壓壓力65MPa；保壓時間8s；注塑周期50s；速度／壓力切換：充填體積達到99%時，注射控制由速度控制轉變為壓力控制；開模時間設置為默認值5s；選取“冷卻＋充填＋保壓＋翹曲”分析類型。

1.4 澆口設計

澆口是連接流道與型腔之間的一段細短通道，是澆注系統的關鍵部位。由于軟件分析出的最佳澆口位置位于制件的外表面，會嚴重影響外飾件的表面品質。因此設計了單澆口、雙澆口和側澆口3種工藝方案，成型品質結果如圖2～4所示。

圖2 氣穴缺陷Fig.2 Cavitation defects

圖3 熔接痕Fig.3 Weld line

圖4 Z向翹曲量Fig.4 Warpage of Z－direction

從圖2可以看出，雙澆口時，塑件產生的氣穴最多，單澆口和側澆口產生的氣穴相對較少。從圖3可以看出，采用雙澆口時，產生的熔接痕最多，采用單澆口時熔接痕最少。由于塑件Z方向壁厚較薄，為17mm，在注射成型過程中產生的翹曲變形量較大，因此在這里取Z方向翹曲量對3種澆口方案進行比較，從圖4可以看出，雙澆口的Z方向翹曲變形量最小，為0.1592mm，單澆口次之，為0.2530mm，而側澆口的Z方向翹曲變形量最大，為0.3407mm。

綜上所述，最終選擇氣穴與熔接痕最少的潛伏式單澆口。

2 工藝參數優化

針對產品在實際生產中出現的翹曲問題，采用正交試驗法和CAE技術相結合，減小翹曲變形量，提高產品品質。實際生產中，產生翹曲缺陷的因素很多，根據相關文獻［6］和［7］主要有：模具溫度、熔體溫度、澆口尺寸、保壓壓力和保壓時間。

由于本設計中澆口尺寸是固定的，根據各個參數選取依據［6－7］，設計了4因素3水平的正交試驗，其方案設定及模擬結果如表1所示。

表1 正交試驗及結果Tab.1 Orthogonal experiment and result

從表1各因素的極差大小，可以看出，對塑件翹曲量影響的因素主次關系為：保壓壓力＞熔體溫度＞模具溫度＞保壓時間。

各因素中均值最小的水平即為各工藝參數的最優組合，最佳組合方案是A1B3C3D3，即選用模具溫度為55℃，熔體溫度為245℃，保壓壓力為70MPa，保壓時間為6s，其注射成型模擬結果如圖5所示，圖5（a）的熔接痕數量較少，氣穴的位置可以通過模具分型面消除，制品成型品質較好，圖5（b）中最大翹曲變形量為0.2677mm，X方向翹曲量為0.1652mm，Y方向翹曲量為0.0968mm，Z方向翹曲量為0.1260mm。

圖5 最優工藝參數方案模擬結果Fig.5 Simulation results with the optimal process parameters

3 實驗研究及品質評定

由于研究的塑件屬于薄壁件且尺寸較大，根據現場經驗，在實驗中設定了3段保壓，一段、三段保壓壓力分別為50、80MPa，保壓時間分別為1、0.6s，第二段保壓時間及其他工藝參數均按獲得的最優工藝參數設定，其實驗結果如圖6所示。從3個實驗產品外觀看，均無變形、縮癟、雜色、飛邊及白化等缺陷，滿足產品品質要求。制件熔接痕數量較少且分布在內表面，這與模擬結果一致，制品外觀品質較好。

圖6 外門的實驗產品Fig.6 Experimental plastic product of plastic production

制件翹曲量測量結果如表2所示，其實驗結果與模擬結果基本一致（模擬最大翹曲變形量為0.2677mm），平均翹曲變形量為0.288mm，生產中要求最大的翹曲量在0.3mm以下，翹曲量滿足要求，產品品質合格。

表2 實驗塑件最大翹曲量Tab.2 The maximum warpage of experimental plastic product

4 結論

（1）根據CAE技術與正交試驗的結果，在所選工藝參數范圍內，對所研究塑件翹曲量影響的因素主次關系為：保壓壓力＞熔體溫度＞模具溫度＞保壓時間；

（2）應用最優注塑工藝參數組合，進行了注塑實驗，獲得了外觀無變形、縮癟、雜色、飛邊及白化等缺陷的制品，且翹曲量滿足要求，為進行合格制件的大批量生產提供了技術支持。

［1］ 董斌斌，申長雨，李 倩.注射成型薄壁制品收縮與翹曲因素［J］.化工學報，2005，56（4）：727－731.

Dong Binbin，Shen Changyu，Li Qian.Affecting Factors of Shrinkage and Warpage of Thin－wall Injection Molding Process［J］.Journal of Chemical Industry and Engineering（China），2005，56（4）：727－731.

［2］ S H Tang，Y J Tan，S M Sapuan，et al.The Use of Taguchi Method in the Design of Plastic Injection Mould for Reducing Warpage［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，182：418－426.

［3］ 周慧蘭，匡唐清，湯學輝.基于CAD／CAE／CAM技術的電話機注塑模設計［J］.中國塑料，2012，26（2）：63－67.

Zhou Huilan，Kuang Tangqing，Tang Xuehui.Design of Injection Mould for Telephone Based on CAD／CAE／CAM［J］.China Plastics，2012，26（2）：63－67.

［4］ 王 乾.基于Moldflow的插座面板注塑成型分析與優化［J］.塑料，2012，41（1）：113－115.

Wang Qian.Analysis and Optimization of Injection Molding for Socket Panel based on Moldflow［J］.Plastics，2012，41（1）：113－115.

［5］ 周 標，鄧小雷.CAE技術結合正交實驗法分析注塑工藝參數對翹曲的影響［J］.輕工機械，2008，26（6）：23－26.

Zhou Biao，Deng Xiaolei.Analysis the Influence of Injection Process Parameters on Warping with CAE and Orthogonal Experiment［J］.Light Industry Machinery，2008，26（6）：23－26.

［6］ Mingchih Huang，Chingchih Tai.The Effective Factors in the Warpage Problem of an Injection－molded Part with a Thin Shell Feature［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，110（9）：1－9.

［7］ Farshi Behrooz，Gheshmi Siavash.Optimization of Injection Molding Process Parameters Using Sequential Simplex Algorithm［J］.Materials ＆Design，2011，32（1）：414－423.

Optimization of Injection Molding Process and Quality Evaluation for Some Outer Decoration Parts Based on Orthogonal Test Method

CHU Chengsheng1，GE Junting2，MA Yong3＊

（1.Nipro Medical（Hefei）Co，Ltd，Hefei 230601，China；
2.China Hualu Panasonic AVC Networks Co，Ltd，Dalian 116023，China；3.School of Materials Science and Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

This paper studied the injection molding of the plastic outer door of a DVD recorder.In view of the warpage of part in the practical production，using an orthogonal experiment and CAE technology，the process parameters were optimized and the optimal process parameters were found as：mold temperature 55℃，melt temperature 245℃，packing pressure 70MPa，and the holding time 6s.Based on the optimal parameters，the injection molding experiment was carried out and three plastic parts were obtained.All the parts were perfect without deformation，deflated，variegated，edge，bleaching and other defects.Especially，the maximum warp deformation was 0.292mm，the mean warp deformation was 0.288mm.

injection molding；process parameter；finite element analysis；warpage；orthogonal experiment

TQ320.66＋2

B

1001－9278（2013）07－0090－04

2013－03－15

安徽省自然科學基金資助項目（1308085QE72）

＊聯系人，mayong＿dlut＠163.com

許夢蘭 劉 學）