基于翹曲的注塑工藝優化與均值估計

滕 翔

(湖南工業大學，湖南 株洲 412007)

1 前言

所謂翹曲變形就是注塑制品在注塑過程中逐漸偏離模具型腔，從而影響到制品質量，這種現象為制品中比較常見質量缺陷。如今，對制品質量評定一個重要指標就是翹曲變形，這種指標逐漸被人們所關注與重視。但是影響到翹曲變形因素比較多而復雜，而注塑條件與參數都明顯影響到翹曲變形，因此對其注塑工藝優化成為確保注塑制品質量的重要措施。

2 對注塑工藝進行優化

要優化注塑工藝應該按照原理進行分化，主要劃分為四類，其一就是要對選擇制件材料進行優化，其二對制件結構進行優化，其三就是對模具結構進行優化，其四就是要對工藝參數進行優化，但是在現實中材料都是通過全面考慮之后設定出來的，一般不要做更改，因此優化上主要是針對三個方面。

2.1 優化制件結構

事實上制件結構對于自身翹曲變形的程度起到決定作用，事實上不同制件在厚度和質量上都存在比較大的差異，并且在制件上可知局部的溫度也大，以及冷卻時間不同等各種因為都可能誘發出翹曲變形出現。同時制件結構的形狀上存在差異，導致自身剛度也不相同，對抗擊翹曲變形能力必然不同。在設計塑件之時，在傳統制定之時都是依據產品的幾何形狀，然后反復進行試錯最后確定出最優范圍。許多研究者為了降低制件翹曲變形，一些人引用正交設計法與基因算法等各種優化方法設計出制件空間，最后得出了理想制件的厚度與體積，這種就能夠視為產品設計法的優化翹曲變形研究。該方法主要是影響翹曲變形幾何形狀當成設計變量，并以最小翹曲變形當成優化設計目標，進而優化幾何形狀的設計，注塑成型的加工中應用這種方法。

制件壁厚常常影響著成型后品質，因此設計壁厚之時就要優先考慮到均勻壁厚，因為壁厚不均勻就極易引發不均勻冷卻速率，造成發生翹曲變形。如果設計時確實不能夠避免發生非均勻壁厚之時，就應該力求壁厚變化均勻。

2.2 優化模具結構

從模具結構來看，影響翹曲變形主要原因有冷卻系統、澆筑系統以及頂出系統等等。

圖1 設計內容

1)優化澆注系統。澆注系統就是從注塑機的噴嘴中把熔體噴入模具，從模具型腔的入口為止那段流動通道，該組成部分和所涉及設計內容就如下圖1所示。主要關系到填充與保壓階段，直接關系到了制件成型之后質量。

澆筑系統合理不但能夠節省注塑時間還可以降低注塑壓力，同時能夠獲取到質量過硬的產品，反之澆筑系統不合理可能造成過壓、較差熔接痕力學性能、高剪切率等等各種缺陷。在模具結構中采用優化技術，主要是澆口位置與流到尺寸設計上。相比而言，澆口位置的優化上僅僅局限到単澆口位置優化上，很少有人會考慮到澆口位置的優化問題，對流道尺寸進行優化上僅僅集中于給多型模具的填充平衡，以及成本方面進行考慮。其優化措施如圖2下所示。

圖2 設計澆注系統內容

2)優化冷卻系統。在整個模具的調節溫度系統中冷卻系統非常重要，就是設置出冷卻水來調節模具的溫度，這樣才能夠滿足工藝中所需溫度。對于整個系統而言主要涉及有冷卻水的位置、尺寸及布置形式與冷卻介質溫度、流速等各種參數。在注塑成型中，模具冷卻時間占據到了整個周期2/3以上，所以設計冷卻系統好壞直接影響到了生產效率。正常進行注塑成型時，將塑料熔體送入到模具后，大部分熱量就是采用熱傳導方式將冷卻介質送出模具，因此設計合理冷卻系統對調節模具溫度非常重要。

要對冷卻系統進行優化，設計變量上就要盡可能使用冷去回路的結構尺寸，和介質的物理參數，這樣才能夠設計出合理回路降低冷卻時間，提升產能，降低殘留的應力，有效改善制件的品質。設計模具時一定要重視冷卻系統，冷卻模具時就要盡可能保持型腔、型芯兩側溫度均勻一致，確保了制件各處冷卻的速率均衡，能夠實現均勻收縮，防止產生翹曲變形。

3)優化頂出系統。設計頂出系統直接會影響到塑件變形，假如設計頂出系統不合理，在進行脫模頂出時就可能出現脫模力不勻或者脫模頂出的面積不當，進而導致制件翹曲變形。在設計頂出系統時必須要遵循幾點：其一開模之時就要確保制件順利脫出保證不發生變形;其二合模之時，才可以確保正確復位，這樣才便于實施下一次的頂出動作。

2.3 優化工藝參數

在注塑工藝中工藝參數非常重要，主要涉及到熔體溫度、模具溫度、注射時間、保壓壓力、注射壓力、報壓時間與冷卻時間等等，各個參數都會不同程度對制件質量造成影響。有研究者應用正交試驗分析法對翹曲變形進行分析，分次其影響因素以及重要性排序，因制件幾何結構存在差異及注塑成型的過程較為復雜，因此分析結構也就存在差異，而影響翹曲變形最大是注射速率、保壓壓力以及熔體溫度，相對而言保壓壓力影響翹曲變形較為顯著。因成型中具備多變量與非線性，要想取得最優的工藝參數就比較困難。傳統上調整工藝參數大都是憑直覺、經驗與反復嘗試確定出來，也就是試錯法，這種方法不但浪費了大量的物力、人力及財力，還延長了生產周期，不能夠跟上現代化的生產步伐。并且成型過程中涉及到的工藝參數和制件質量指標，都還缺乏準確的解析描述，因此要優化這種問題就必須要從制件設計、模具設計以及工藝參數入手，做到面面俱全。

3 均值估計

3.1 設計正交試驗

1)確定出試驗指標。該指標就是試驗結果的特征值，比如產品純度、產品產量等，用來衡量或者考核試驗的效果，任何試驗都要能夠解決某問題或者得出相應結論，因此任何正交試驗必須要明確目的以及試驗指標。

2)確定出試驗因子以及水平。對試驗指標造成影響因素叫因子，常常使用大寫字母如ABC……等來表示，因子發生變化涉及到的各種狀態就稱之為因子水平，常使用阿拉伯數字表示。

本文所考察試驗因子就是熔體溫度B、模具溫度A、保壓壓力D、注射時間C及保壓時間E，其水平數是3。如表1所示。

表1 試驗因子以及水平

3)選用正交表。正交表就是正交試驗幾百年工具，加設A 是n*k矩陣，第j列元素用數字1、2、3、……mj構成，矩陣A任意兩列都能夠搭配均衡，就稱之為A是正交表，在正交試驗中Ln(mk)形式表示，該式中的L表示正交表代號，n且為正交表行數，m為各個因子的水平數，k為正交表列數，因此選用正交表就要看其水平數，如果因子都為3水平，那么就應該選用L(3*)表，如果各個因子的水平數存在差異，就應該選用混合水平表。

3.2 分析結果

分析極差。一般情況下極差R值不相等，表面各個因素對結果影響愈大，R值越大。事實上，這種分析方法計算量比較小，便于實現，而且也可以進行直接比較得出優選方案，最終分析結果如下表2。

表2 分析極差表

為了直觀體現就繪制出翹曲變形量因子極差圖，如下圖3所示，從該圖中就能夠發現各個工藝參數給翹曲變形量造成的影響。

圖3 因子極差圖

4 結論

從上面的極差分析中就可以得出：

其一對翹曲變形造成影響因素主要是熔體溫度與保壓壓力，接著是注射時間，而模具溫度以及保壓時間相對小一些。

其二和單因素做比較，模具溫度和熔體溫度及注射時間和熔體溫度間交互作用，影響因素極小，實際使用中可以忽略。

[1]翟明，顧元憲，申長雨.注塑成型充填過程中注射速率的優化設計[J].高分子學報，2008(1).