基于正交試驗的注射成型工藝參數優化研究

曹素兵，朱嬋

（1.四川工程職業技術學院，四川 德陽 618000；2.四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000）

基于正交試驗的注射成型工藝參數優化研究

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

曹素兵1，朱嬋2

（1.四川工程職業技術學院，四川 德陽 618000；2.四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000）

針對一塑料連接件，利用Moldflow軟件仿真其注塑成型工藝過程。并通過正交試驗分析了熔體溫度、模具溫度、注塑時間、保壓時間和保壓壓力對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組合。

正交試驗；Moldflow；翹曲變形量；工藝參數

塑料是一種可塑性好、質量輕、易成型、成本低的高分子合成材料。隨著加工技術的進步，塑料制品在質量和外觀上不斷提高，其制品被廣泛應用于各行各業。注塑成型是塑料加工的重要手段之一，其工藝參數的選擇直接影響了成品的外觀和質量，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。針對這一問題，計算機輔助工程技術（CAE）的出現提供了解決方案。CAE利用計算機仿真技術，在實際生產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的問題提供了優化的解決方案，從而找出最佳參數[1]。因此，利用CAE技術，注塑工程師能夠高效、準確地找出注塑成型工藝的最佳參數。在節省成本的同時，對成型過程的控制和最終產品的質量都具有重大意義[2]。

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

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，具體結構如圖1所示。然后把制件模型另存為*.stl格式文件。導入CAE分析軟件Moldflow6.1中進行模型修復，然后利用網格劃分工具對模型進行網格劃分，并對網格進行診斷、修復使其滿足模流分析條件。制件網格劃分修復后的模型有3 978個單元，節點2 032個，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 制件成型工藝參數的選擇及正交試驗設計

2.1 確定成型工藝參數

本塑件制件具體要求表面平滑美觀、接縫配合嚴密、變形小、尺寸精度高等要求，為了保證針對接縫配合嚴密，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、注射時間、保壓壓力和保壓時間5個工藝參數為研究對象，分析5個工藝參數值在一定范圍內不同組合對塑件翹曲變形的影響。工藝參數的取值直接會影響產品的美觀、配合和精度，通過分析5個工藝參數組合對制品的影響，最終確定最優工藝參數組合，為實際生產提供依據，提高生產效率。

2.2 確定工藝參數取值

選擇熔體溫度、模具溫度、注射時間、保壓壓力和保壓時間5個成型工藝參數為研究對象，每個工藝參數選取4個參數值，具體如下表1所示。

表1 工藝參數取值表

2.3 正交試驗設計及模擬結果

根據表1確定的熔體溫度、模具溫度、注射時間、保壓壓力和保壓時間5個工藝參數在4個水平上取值變化，設置正交表L16（45），共得到16組工藝參數組合模擬制件成型過程試驗方案[3～4]。通過CAE分析軟件Moldflow分別對每組工藝參數進行“冷卻＋流動＋翹曲”模塊分析，得到制件的翹曲變形量，并記錄每次實驗結果，得到不同成型工藝參數組合條件下的變形值。

對正交試驗結果計算信噪比。信噪比是信號功率和噪聲功率的比值，信噪比（簡稱S/N比）是評判正交試驗結果好壞的一個重要依據[5]。對試驗數據分析是基于信噪比對每個試驗進行結果處理后進行的。

目標值越大越優。

公式中，S/N為信噪比，單位為dBi，為第次試驗結果；n為試驗次數。

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

表2 正交試驗組合及結果

3 正交試驗結果分析

利用均值和極差對試驗結構進行分析，找出各個試驗因素和試驗指標之間的關系，并獲得試驗指標和各個試驗因素變化的規律以及趨勢，從而得到5個工藝參數的最佳組合。極差是指在一組實驗結果數據中的最大值減去最小值的結果，差值越大，表明該工藝參數對試驗指標的影響程度就越大，從而表明該工藝參數對試驗指標就越重要。反之，差值越小，表明該工藝參數對試驗指標的影響程度越小。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中各個工藝參數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，各工藝參數對翹曲變形量影響大小的順序為：保壓壓力>保壓時間>熔體溫度>注射時間>模具溫度。如圖3所示，建立以試驗獲得翹曲變形量的平均信噪比值作為縱坐標，以試驗成型工藝參數水平作為橫坐標，得到不同成型工藝參數在不同水平下的翹曲變形量信噪比的變化曲線圖。而本試驗采用的信噪比函數為單調遞減函數，信噪比越大，得到的翹曲變形量越小[6]。因此，從圖3可得工藝參數熔體溫度取245℃、模具溫度取50℃、注射時間取1 s、保壓壓力取60 MPa和保壓時間取6 s時為最優成型工藝參數組合，從而可以得到最小的翹曲變形。

圖3 各因素對制件翹曲變型量信噪比的影響

4 優化工藝參數組合驗證

通過上述正交試驗得到的最優成型5個工藝參數組合，具體各項工藝參數取值為：熔體溫度245℃、模具溫度50℃、注射時間1 s、保壓壓力60 MPa和保壓時間6 s。運用軟件Moldflow檢驗通過正交試驗獲得的最優成型工藝參數組合進行“冷卻＋流動＋翹曲”模塊分析，獲得制件的翹曲變形量，看是否為最優結果。分析結果顯示最小翹曲變形量為0.325 4 mm，比其他工藝參數組合是的翹曲變形要小，說明正交試驗的結果是正確的，如圖4所示。

5 結論

本文利用CAE軟件Moldfolw模擬了一塑料連接件的注塑成型過程，利用正交試驗對連接件的五個成型工藝參數即注塑時間、模具溫度、保壓壓力，熔體溫度、保壓時間進行了優化設計。通過16次模擬實驗，找出了不同參數取值對連接件翹曲變形的影響。最后，通過對實驗結果的分析，得到了一組最佳參數組合，采用該組參數在理論上可使連接件的翹曲變形最小。可見，利用CAE技術可縮短模具開發周期、降低成本、極大提高了產品的競爭力。

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

[2] 申長雨，陳靜波，劉春太，等.塑料模CAE 技術發展概況[J].模具工業，2001.1,51～56.

圖4 最優組合翹曲變形量

[3] 賀華波.基于正交試驗的旋蓋產品成型工藝參數優化設計[J].工程塑料應用，2009,37(4):35～38.

[4] 吳真繁,孫寶壽,陳哲.基于Moldflow的注塑件翹曲優化及影響因素分析[J].輕工機械，2009: 23～27.

[5] 陳曉華,李江平.手機外殼注射成型工藝的智能優化算法研究[D].廣州: 廣東工業大學，2012.

[6] 范亞博,李江平,張鵬飛，等.Moldflow在汽車內飾板注塑成型工藝參數優化中的應用[J].塑料科技，2015(2):78～82.

(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，主要從事模具設計、CAD/CAM的教學和研究工作。

德陽市科技支撐支助項目（2014zx070-6)

2016-07-15