提高成型工藝能力（第一部分）：理解PVT圖

文/Fimmtech公司Suhas Kulkarni

工藝能力與注射循環(huán)之間部件尺寸的偏差有關。高的工藝能力值要求每次注射時材料的收縮相同，這可以通過壓力-體積-溫度（PVT）圖來確認。

在這篇由兩部分系列組成的文章中，第一部分我們將討論如何提高給定成型工藝的能力。在這個部分中，我們將介紹工藝能力和壓力-體積-溫度（PVT）圖。

工藝能力的初級知識

偏差對于所有的工藝過程而言都是正常的，并且這種偏差可以在過程的輸出中進行測量。例如，開始工作的過程輸出之一是開始工作所需的時間。我們可以說它需要20 min，但實際上，它是我們在過去幾天、幾周或幾年內開始工作的時間的平均值。因此，某一天的實際值在20 min平均值的左右附近，例如，可能在17～23 min之間。

總是存在分散的數值，所以需要計算平均值。在注塑成型中，如果測量尺寸被報告為2.175 in（1 in=25.4 mm）的平均值，那么意味著該尺寸在2.175 in附近的一個范圍內變化，例如±0.002 in。其分布顯示一個峰和兩個底部是常態(tài)。在本文中，我們僅針對正態(tài)分布的情形。

考慮一個需要模制的盒子，其長度、寬度和高度的公稱值均為5.125 in，容許公差設置為±0.006 in。因此規(guī)格下限（Lower Specif i cation Limit ，LSL）為 5.119 in，規(guī)格上限（Upper Specif i cation Limit ，USL）為5.131 in。

進行一個成型試驗，成型30個部件，并在所有30個部件上測量長度、寬度和高度3個尺寸：平均長度為5.125 in，平均寬度為5.130 in，平均高度為5.135 in。對于測量的30個部件，每個尺寸的偏差幅度為0.004 in。

如圖1所示，所有部件的長度都在規(guī)格范圍內，部件的寬度僅是其中一些在規(guī)格范圍內，而部件的高度則全都超出了規(guī)格范圍。每一種尺寸，其變化的幅度為0.004 in，因而總的可用公差為0.012 in。

圖1 這里，30個部件的長度都在規(guī)格范圍內，而部件的寬度僅是其中一些是可接受的，部件的高度則全部超出了規(guī)格范圍。每一種尺寸，其變化的幅度為0.004 in，因而總的可用公差為0.012 in

有4個術語是根據變化幅度、公差和成型合格部件的可能性來定義的。它們被稱為工藝能力指數，即 Pp、Ppk、Cp和 Cpk。Pp和 Ppk與受限制的較小樣本尺寸相關，例如初始試驗成型的30個部件中的一個。二者無從參考，與特定的運行或試驗有關。Cp和Cpk則與過程的長期預測性能有關。

如果部件的平均值以公稱值為中心，則Pp和Cp代表了工藝過程產生合格部件的能力。如果30個部件的偏差小于可用的公差，并且如果這30個部件所有3個尺寸的平均值等于圖紙上的公稱值，那么這30個部件在其長度、寬度和高度上都是合格的。

在上述例子中，30個試樣的偏差為0.004 in，而與之相比，可用公差為0.012 in。在這種情況下，所計算的Pp值對于所有的尺寸都是高的，其最好是1.33或更高。

Ppk和Cpk代表了工藝過程根據模具和過程的當前狀態(tài)生產合格部件的能力。如果部件高度的平均值為5.135，且所有部件都超出了規(guī)格，則Ppk值非常小，因為雖然變化幅度是可接受的，但是整體幅度超出規(guī)范限制并且沒有一個部件是合格的。該值最好是1.33或更高。在這種情況下，不需要采取減少偏差的措施，但工藝需要向中心靠齊。通過調整模具鋼的尺寸和/或產品規(guī)格可以實現(xiàn)中心靠齊。

圖2 收縮是體積的減少，它反映在PVT圖中。收縮率決定了部件的最終尺寸

這里的前提是采用科學成型和實驗設計（DOE）的技術開發(fā)穩(wěn)健的加工過程。大多數關于工藝過程控制和質量的書籍都含有該主題的更多信息，包括公式。我的書《穩(wěn)健工藝過程開發(fā)和科學成型》的第13章也載有這些信息。

理解PVT關系

圖2顯示了一幅典型的PVT圖。X軸表示熔融溫度，Y軸表示材料的比容（比容是體積與質量的比率（cm3/g）。它是比重（g/cm3）的倒數。在0 MPa的壓力下，隨著塑料溫度的升高，比容增加。在任何給定的溫度下，如果施加外部壓力，熔體就會被壓縮并且比容減小。比容與溫度成正比，與壓力間接成正比。

在注塑成型中，當熔體轉化為產品時，會涉及這些因素的組合。熔體在螺桿前面被收集起來。由于堆積過程中的背壓，熔體會有一些壓縮。熔融塑料隨后被以高壓注入冷模具中。在此過程中，以及在塑料進入模具內部之后，熔體一直在冷卻。隨著熔體轉變?yōu)樽罱K模塑產品，熔體的壓力、體積和溫度都在不斷地變化，PVT圖中的最終曲線是圖2中曲線的組合。收縮率表示體積的減少，并反映在PVT圖中。

收縮率決定了部件的最終尺寸。工藝能力與不同注射之間的部件尺寸偏差有關，因此也與部件整體的尺寸偏差有關，例如在一個生產運行中。為了獲得高的工藝能力值，材料的收縮在不同的注射之間必須是相同的，這反過來又要求不同注射之間在模具內重復所得的PVT圖形。

在第二部分中，我們將討論成型的五大核心要素中的每一個如何在工藝能力中發(fā)揮作用，包括：部件設計、塑料材料、模具設計和模具制造、成型機械和成型工藝。