工藝參數對注塑制品尺寸的影響

胡桂涵，高玉保，唐 璠，黃旗忠，肖青青

(浙江正泰電器股份有限公司，浙江 溫州 325000)

工藝參數對注塑制品尺寸的影響

胡桂涵，高玉保，唐 璠，黃旗忠，肖青青

(浙江正泰電器股份有限公司，浙江 溫州 325000)

以小型斷路器外殼的關鍵尺寸為研究對象，基于正交試驗設計方法，分析了5種主要工藝參數對制品尺寸的影響。同時通過Moldflow軟件模擬注射成型過程，并將模擬分析結果與實驗結果作對比。結果表明，實驗與模擬的結果都顯示保壓參數對尺寸有較大影響，且存在整體遞增的影響趨勢。并通過單因素實驗建立了保壓壓力與特定制品尺寸之間的數學關系模型，為實際生產過程中的工藝調試提供了有效參考，同時也為制品尺寸的自動化控制提供了必要條件。

正交試驗設計；Moldflow；注射成型；尺寸；自動化控制

0 前言

近年來，我國塑料行業發展迅速，不僅產量大幅增加，其應用范圍也擴展到航空、航天、通信等高科技領域，人們對塑料制品質量和尺寸精度的要求不斷提高。注射成型是目前主流的塑料成型技術，適合于大批量生產形狀復雜、尺寸要求精確的塑料制品。但是，注射成型過程具有非線性、多變量、時變性等特征，是一個相當復雜的物理過程。注塑制品的品質特性受到很多因素的影響，大致可劃分為6種因素：制品結構、模具、原材料、注塑機、工藝參數及擾動。實際生產中，考慮到成本，一般通過在線調整工藝參數來實時解決各種擾動導致的制品品質不穩定。因此，從制品品質控制的角度來降，研究分析工藝參數和品質特性之間的關系具有重大意義。

注塑工藝參數對制品的收縮率有非常重要的影響，而制品的收縮情況直接決定了制品的具體尺寸。國內外學者針對注塑制品的收縮做了大量的理論研究，并針對特定工藝條件下的收縮情況進行理論預測[1]。

但是，實際生產過程中的情況要更為復雜，影響因素眾多，這使理論預測結果難以直接應用于實際。同時，以Moldflow為代表的計算機輔助工程(CAE)軟件也被廣泛用于對制品收縮的模擬[2-3]。目前，這類模擬結果的準確性仍處于研究驗證階段，但是具有一定的指導作用。

本文將直接針對具體的制品尺寸開展研究：基于正交試驗設計，通過現場實驗結合軟件模擬結果，分析主要的5種工藝參數對注塑制品尺寸的影響；嘗試建立工藝參數與制品尺寸之間的數學關系模型。

1 研究對象

本文的研究對象為浙江正泰電器股份有限公司生產的小型斷路器NB1-63外殼底座的關鍵尺寸。底座的三維模型如圖1所示，產品上方中間兩個圓孔的圓心距，設計尺寸為18.95 mm。該尺寸是成品內部關鍵件的定位尺寸，對成品性能有重要影響。

圖1 三維模型Fig.1 Three-dimensional models

2 正交試驗設計

根據以往的相關報道[4]，選擇對制品收縮影響較大的5種主要工藝參數，確定以保壓壓力(A)、注射壓力(B)、注射速度(C)、保壓時間(D)和冷卻時間(E)作為因素。溫度參數對收縮的影響也很大，但是由于響應時間較長，實際生產中確定后基本不作調整，因此本文暫不做考慮。通過預實驗，結合歷史數據，確定了各個因素的大致取值范圍，最終確定表1為正交試驗的因素與水平表。本試驗為5因素4水平的正交試驗，因此可采用標準的L16(45)正交表。

表1 因素與水平表Tab.1 The table of factors and levels

3 實驗及結果分析

3.1 實驗過程

實驗在寧波海天集團股份有限公司的注塑機(HTF160WI/J5-b)上進行，使用的原料為浙江新力塑料股份有限公司生產的聚酰胺(PA6 TS250-Q3)。開機穩定運行約10 min，模具溫度趨于穩定后，開始實驗。按照L16(45)正交表所確定的試驗方案依次進行產品壓制，每次壓制固定時間后，取9只典型樣品并做標記。

3.2 實驗結果

樣品的尺寸由三坐標測量得到，測量設備為Werth三坐標測量機，型號為Easy Scope臺式。對所測樣品的尺寸取平均值，得到最終結果(表2)。

表2 正交方案與實驗結果Tab.2 The orthogonal array and experimental results

3.3 結果分析

表3為方差分析結果，圖2為各因素對實測圓心距尺寸的影響趨勢，可以更直觀地觀察各因素對尺寸的影響情況。

表3 尺寸方差分析結果Tab.3 ANOVA results of the dimension

圖2 各因素對圓心距尺寸的影響Fig.2 Effect of the factors on the dimension

方差貢獻率結果表明各因素對制品尺寸的影響大小次序為：保壓壓力(A)>注射速度(C)>保壓時間(D)>冷卻時間(E)>注射壓力(B)。

保壓壓力(A)對尺寸的影響可解釋為3個方面：首先，壓力越大，補縮增密的效果也就越好，這使制品更加密實，不易收縮；其次，保壓效果決定了制品的殘余應力情況，會對制品的不均勻收縮產生影響；另外，保壓壓力(A)是負收縮的主要來源。保壓時間(D)的影響類似，但是它對負收縮的影響很小。從影響趨勢圖來看，保壓階段的這2個參數對尺寸影響大，而且整體上呈遞增的影響趨勢，這是符合理論預期的。需要說明的是，保壓時間(D)只有在澆口凝固前(本實驗既是這種情況)，才可能對尺寸有這種影響趨勢。在澆口凝固后，保壓基本不再對制品產生作用。澆口凝固的時間點可由澆口凝固實驗確定。

注射速度(C)的影響僅次于保壓壓力(A)，但是并沒有呈現遞增的趨勢。注射速度對尺寸影響的主要來自于取向收縮。注塑制品的內部結構形態通常呈皮芯結構，而注射速度對表層和芯部的取向有相反的影響趨勢[5]。另外，注射速度增加會使熔膠內部剪切速率增加，通過剪切誘導結晶增加制品的結晶度，這無疑會使制品產生更大的結晶收縮。由于本實驗所用的原材料為結晶性塑料，這一點也是無法被忽視的。

冷卻時間(E)的影響也較為復雜。一方面，冷卻時間(E)延長會使模溫有所下降(無模溫機控制的情況下)，進而使保壓的效果降低，增加了收縮率。另一方面，由圖1可見，本文所研究的尺寸為2個圓孔的圓心距，在模內冷卻階段，圓孔內的型芯會對該尺寸的收縮起到阻礙作用，從而減少了收縮率。冷卻時間越長，阻礙效應越明顯。

注射壓力(B)的方差貢獻率僅為1.56 %，對該尺寸的影響基本可以忽略。在V/P切換點設定合理的前提下，壓力是注射階段的非主要因素。

4 模擬及結果分析

4.1 建立分析模型

將UG軟件創建的三維模型導入Moldflow軟件后進行網格劃分，網格類型選擇雙層面(Fusion)。經過網格修復后，使其縱橫比在10以下，匹配百分比達到90 %以上，整體三角形單元數為350764。通過創建澆注系統和冷卻系統，最終完成建模(圖3)。

圖3 Moldflow分析模型Fig.3 Analysis model in Moldflow

4.2 模擬結果分析

在Moldflow的模擬結果中，與產品尺寸變化有關的主要是體積收縮率與翹曲分析。體積收縮率主要反映均勻收縮的情況，可直接從分析結果中提取。翹曲分析主要反映不均勻收縮的情況，通過計算翹曲分析后的節點坐標變化量，可得到翹曲分析后的尺寸，如表4所示。

如表5和圖4所示，對比實驗的尺寸分析結果，保壓壓力(A)、注射速度(C)和保壓時間(D)還是最主要的3個影響因素，但是順序有所變化，保壓時間(D)的方差貢獻率最大。由于收縮率越大，尺寸越小，因此從影響趨勢圖來看，保壓壓力(A)與保壓時間(D)的影響趨勢是與實驗結果一致的。

表4 體積收縮率和翹曲后的尺寸Tab.4 Results of shrinkage and dimension after warpage

表5 體積收縮率的方差分析結果Tab.5 ANOVA results of shrinkage

圖4 各因素對體積收縮率的影響Fig.4 Effect of the factors on the shrinkage

如表6和圖5所示，保壓壓力(A)、注射速度(C)和保壓時間(D)仍然是主要的影響因素，保壓時間(D)的方差貢獻率達到了80 %以上。保壓時間(D)和保壓壓力(A)的影響趨勢也與實驗結果保持一致。

表6 翹曲后尺寸的方差分析結果Tab.6 ANOVA results of the dimension after warpage

圖5 各因素對翹曲后尺寸的影響Fig.5 Effect of the factors on dimension after warpage

5 單因素實驗及結果分析

通過以上正交試驗的分析可見，保壓階段工藝參數對尺寸影響較大，且實驗結果顯示保壓壓力的影響趨勢單調遞增。因此，本文選取保壓壓力進行單因素實驗，其他因素數值固定。實驗結果如表7所示。

表7 單因素實驗結果Tab.7 Results of the single-factor experiment

圖6為保壓壓力和尺寸之間的線性擬合結果，擬合優度(R-Square)超過0.98。目前,塑料制品品質的在線自動化控制依然是一項非常具有挑戰性的課題，其難點之一就是工藝參數與制品質量特性之間的精確關系難以確定[6]。已有的研究主要是以制品質量為控制目標，但是鮮有關于尺寸的報道。該擬合結果不僅為實際生產過程中的工藝調試提供了有效參考，同時也為制品尺寸的自動化控制提供了必要條件。

圖6 線性擬合結果Fig.6 Linear fitting results

6 結論

(1)各因素對制品尺寸的影響順序為：保壓壓力>注射速度>保壓時間>冷卻時間>注射壓力，其中保壓壓力與保壓時間對尺寸存在整體遞增的影響趨勢，注射速度和冷卻時間的影響不存在這種趨勢；

(2)Moldflow軟件模擬的結果驗證了保壓參數對制品尺寸的整體遞增影響趨勢，但在具體影響大小方面與實驗結果存在一定區別；

(3)通過單因素實驗結果擬合得到了保壓壓力與特定制品尺寸之間的線性函數關系。

[1] 祝鐵麗. 注射成型制品收縮率預測理論與方法的研究[D]. 大連：大連理工大學機械工程學院,2002.

[2] 李欣欣,黃 瑤,王雷剛. 薄壁塑件注射成型工藝參數優化[J]. 塑料工業,2009,37(11):25-27.

Li Xinxin，Huang Yao，Wang Leigang. Process Parameter Optimum of Thin-Walled Plastic Parts Injection Molding[J]. China Plastic Industry，2009,37(11)：25-27.

[3] 林啟權，楊雪峰，董文正. 基于Moldflow和正交試驗設計的注射成型工藝參數的優化[J]. 中國塑料, 2015，(10)：73-77.

Lin Qiquan，Yang Xuefeng，Dong Wenzheng. Optimization of Injection Molding Process Parameters Based on Moldflow and Orthogonal Experimental Design[J]. China Plastics，(10)：73-77.

[4] 王利霞,楊 楊,王 蓓,等. 注射成型工藝參數對制品體收縮率變化的影響及工藝參數優化[J]. 高分子材料科學與工程,2004,20(2):173-176.

Wang Lixia，Yang Yang，Wang Bei，et al. Investigation of the Influence of Processing Parameter on Volumetric Shrinkage Variation of Plastic Injection Molded Parts and Process Optimization[J]. Polymeric Materials Science & Engineering，2004,20(2):173-176.

[5] 王興天. 注塑工藝與設備[M]. 北京：化學工業出版社, 2010：139.

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Shi Bo，Liu Bin. Analysis of Present Research on Product Quality Control in the Injection Molding Process[J]. China Plastic Industry，2012,40(10):9-13.

EffectsofParametersonDimensionofanInjectionMoldedPart

HU Guihan, GAO Yubao, TANG Fan, HUANG Qizhong, XIAO Qingqing

(Zhejiang CHINT Electrics Co, Ltd, Wenzhou 325000, China)

The research focuses on specific dimension of an injection-molded plastic cover for miniature circuit breakers. Effects of five major parameters on the dimension were analyzed based on an orthogonal method. A comparative investigation was performed on results obtained from the simulation by a Moldflow software and exact experiments. The results indicated that there is a significant overall increasing trend in the pack and hold parameters on the dimension. A mathematical model between the pack and hold pressures and the specific dimension was established by a single-factor experiment, which provided a valuable reference for parameters adjustment during manufacturing and also supplied a necessary condition for automatic control of dimensions of injection-molded parts.

orthogonal experimental design; Moldflow; injection molding; dimension; automaticcontrol

TQ320.66+2

B

1001-9278(2017)10-0089-05

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.10.016

2017-06-07

聯系人，hgh357@163.com