基于正交試驗(yàn)的汽車收納盒注塑調(diào)機(jī)參數(shù)優(yōu)化

王 乾

(常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 前言

塑件的成型質(zhì)量受模具結(jié)構(gòu)、注塑參數(shù)、生產(chǎn)環(huán)境等多種因素的制約，由于塑料的特性和加工設(shè)備的復(fù)雜性，注塑是一個(gè)絕對(duì)復(fù)雜的過程，但這其中注塑參數(shù)對(duì)塑件質(zhì)量的影響至關(guān)重要[1]。生產(chǎn)前需要不斷地調(diào)機(jī)注塑直到獲得質(zhì)量合格的塑件，這是一個(gè)消耗人工、材料成本的大量嘗試的過程。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)(CAE)的興起解決了成本的問題，將實(shí)際注塑轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)上進(jìn)行CAE模擬，通過模流分析判斷優(yōu)化注塑參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了注塑調(diào)試的零成本試驗(yàn)[2-3]。但是注塑過程中存在很多變量，如料筒溫度、模具溫度、注射時(shí)間等，在注塑時(shí)各注塑參數(shù)又互相關(guān)聯(lián)影響；再加上評(píng)價(jià)塑件質(zhì)量的指標(biāo)參數(shù)又很多，不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)適應(yīng)不同的塑件使用要求，如何選擇合理的注塑參數(shù)組合從而得到質(zhì)量更優(yōu)的塑件是注塑企業(yè)需要解決的難題。如果憑借經(jīng)驗(yàn)選擇注塑參數(shù)組合，一則對(duì)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)水平要求較高；二則需要大量的嘗試性試驗(yàn)才能從中比較得出質(zhì)量較好的塑件，不能看出參數(shù)對(duì)質(zhì)量指標(biāo)的具體影響，效果比較模糊；三是也得不到最佳的參數(shù)組合，只能從做過調(diào)試的參數(shù)中選擇一個(gè)最好的，沒有做過試驗(yàn)的參數(shù)組合效果不能體現(xiàn)。引入正交試驗(yàn)，可以通過合理設(shè)計(jì)試驗(yàn)列表，進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)試驗(yàn)組合，即可以少數(shù)、典型的工藝參數(shù)組合的試驗(yàn)結(jié)果引申分析反映包含未做試驗(yàn)的參數(shù)組合在內(nèi)的全面信息，避免無序摸索的試驗(yàn)方式，找到最佳參數(shù)組合；又可找到針對(duì)試驗(yàn)質(zhì)量指標(biāo)影響因素較大的那個(gè)工藝參數(shù)，在調(diào)機(jī)時(shí)做重點(diǎn)調(diào)整[4]。

1 塑件分析

圖1 塑件造型Fig.1 Plastic model

圖1所示為汽車上用的收納盒，中有凹陷用于裝物，表面要求光滑無痕，故不能采用常規(guī)模具結(jié)構(gòu)以避免推桿在上面留下痕跡。為解決模具的脫模問題，又不增加模具結(jié)構(gòu)避免成本增加，采用倒裝式模具結(jié)構(gòu)，即型芯安裝在定模，型腔安裝在動(dòng)模，推桿頂在塑件的外比表面，對(duì)使用面無影響；為保證模具能在開模時(shí)跟隨動(dòng)模移動(dòng)，在塑件外側(cè)設(shè)計(jì)網(wǎng)格狀花紋，利用花紋與型腔間的連接力拉出塑件；利用中間的方孔設(shè)置雙澆口進(jìn)料；采用立體式冷卻系統(tǒng)環(huán)繞塑件內(nèi)外表面[5]。在Moldflow中建立好的網(wǎng)格模型如圖2所示，材料選用韓國(guó)錦湖石油化學(xué)公司的牌號(hào)為728-A的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，其成型的塑件光澤好、著色優(yōu)，正適用于汽車內(nèi)飾件的美觀要求[6]。從收納盒的使用和裝配來看，并不需要承受太大的力，但裝配精度有一定要求，裝配時(shí)塑件在長(zhǎng)度方向即y方向?qū)嵤┭b配，x方向和z方向無限制，故以塑件的體積收縮率和y方向的翹曲變形作為塑件的試驗(yàn)指標(biāo)，越小說明塑件的尺寸精度越高。圖3所示為塑料材料的黏度特性曲線，從中可以看出塑料原料在不同的熔體溫度和剪切速率下呈現(xiàn)不同的黏度特性，直接影響到注塑時(shí)的熔體流動(dòng)填充過程。根據(jù)熔體黏度的影響因素，將注射速率(由注射時(shí)間表征)、模具溫度和熔體溫度為試驗(yàn)因素；根據(jù)塑件成型收縮的影響因素，以保壓時(shí)間、保壓壓力(由注射壓力的百分比表征)和冷卻時(shí)間為試驗(yàn)因素。

圖2 網(wǎng)格模型Fig.2 Grid model

T/℃：▲—200 ■—220 ●—240 ◆—260圖3 黏度曲線Fig.3 Viscosity curves

2 正交試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)因素和水平設(shè)計(jì)

在Moldflow中查得ABS材料的推薦工藝參數(shù)如表1所示，再根據(jù)前期一定數(shù)量的模擬分析結(jié)果和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，制定正交試驗(yàn)因素與水平如表2所示，試驗(yàn)因素為熔體溫度、模具溫度、注射時(shí)間、保壓壓力和冷卻時(shí)間5個(gè)因素，分4個(gè)水平設(shè)置，保壓時(shí)間統(tǒng)一設(shè)定為10 s。試驗(yàn)標(biāo)的為體積收縮率和y方向上的翹曲變形，標(biāo)的值越小，表明塑件質(zhì)量越好[7-8]。

表1 ABS推薦工藝參數(shù)Tab.1 Recommend process parameters

表2 試驗(yàn)因素和水平設(shè)置Tab.2 Test factors and level setting

2.2 試驗(yàn)因素組合方案及標(biāo)的值結(jié)果

根據(jù)五因素四水平設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素組合L9(33)正交試驗(yàn)表，如表3所示，對(duì)每一行的注塑參數(shù)組合方案進(jìn)行CAE模流分析，將獲得的試驗(yàn)標(biāo)的值結(jié)果同樣記錄在表3中。

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.3 Test plan and result

2.3 體積收縮率及其極差分析

對(duì)表3中的體積收縮率標(biāo)的數(shù)值進(jìn)行不同因素水平下平均值轉(zhuǎn)化及極差求解，如表4所示，分析各水平因素對(duì)塑件體積收縮率的影響變化。

表4 體積收縮率極差表Tab.4 Volume shrinkage range

表4中極差Rj表征了各因素對(duì)塑件體積收縮率的影響力大小，從表4可以看到，極差排序依次是：熔體溫度(1.113)>保壓壓力(0.742)>模具溫度(0.587)>冷卻時(shí)間(0.384)>注射時(shí)間(0.081)。熔體溫度對(duì)體積收縮率的影響最大，保壓壓力的影響次之，模具溫度和冷卻時(shí)間再次之，注射時(shí)間的影響力最小。所以當(dāng)?shù)贸隼碚搩?yōu)化值后，在實(shí)際注塑調(diào)機(jī)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先對(duì)熔體溫度和保壓壓力進(jìn)行微調(diào)，方能更好更快地試模成功。

為表征各水平對(duì)體積收縮率的影響變化，將各因素的水平跨度作為圖4的橫坐標(biāo)，將對(duì)應(yīng)得出的體積收縮率值作為縱坐標(biāo)，畫出各個(gè)因素的水平跨度對(duì)塑件體積收縮率的影響變化趨勢(shì)圖，如圖4所示。從圖中可以看出，A因素注射時(shí)間對(duì)體積收縮率的影響曲線趨于水平，影響甚微，注射時(shí)間增加到1.6 s時(shí)體積收縮率略有降低；B因素保壓壓力的增加使得體積收縮率大幅下降，說明充分的保壓有助于體積收縮率的減小，這是因?yàn)楸簤毫Φ脑龃髮⑺芗旱酶軐?shí)，從而導(dǎo)致塑件的收縮空間減小；C因素冷卻時(shí)間的增加導(dǎo)致體積收縮率先減小后增加，說明冷卻時(shí)間不足和過長(zhǎng)都不可取，20 s的冷卻時(shí)間較為合適；D因素模具溫度在低溫時(shí)體積收縮率較小，當(dāng)模具溫度升高到55 ℃時(shí)體積收縮率大幅增加，說明較低的模具溫度有利于減小塑件的體積收縮率；同時(shí)，體積收縮率還隨E因素熔體溫度的增加一路上揚(yáng)，在200 ℃升高到240 ℃時(shí)斜率較小，體積收縮率增加得比較緩慢，而繼續(xù)上升到250 ℃時(shí)，上揚(yáng)幅度較大，說明熔體溫度不適宜過高。

圖4 體積收縮率趨勢(shì)圖Fig.4 Volume shrinkage trend chart

2.4 y方向翹曲變形及其極差分析

收納盒在y方向上有裝配要求，所以對(duì)y方向上的翹曲變形要求較高，對(duì)x和z方向并無多高的要求，對(duì)表2中的y方向翹曲變形量值進(jìn)行不同因素水平下平均值轉(zhuǎn)化及極差求解，如表5所示，分析各水平因素對(duì)塑件y方向翹曲變形量的影響變化。

表5 y方向翹曲變形量極差表Tab.5 y direction warpage range

表5中的極差Rj表征了各因素對(duì)塑件y方向翹曲變形量的影響力大小，從表5可以看到，極差排序依次是：保壓壓力(0.126)>熔體溫度(0.081 4)>冷卻時(shí)間(0.047 7)>模具溫度(0.021 1)>注射時(shí)間(0.012 9)。保壓壓力對(duì)y方向翹曲變形量的影響最大，熔體溫度的影響次之，冷卻時(shí)間和模具溫度再次之，注射時(shí)間的影響力最小。所以在調(diào)機(jī)時(shí)還是優(yōu)先調(diào)試保壓壓力和熔體溫度兩個(gè)參數(shù)為宜，這點(diǎn)與體積收縮率的調(diào)試達(dá)成了一致。

同樣，將各因素的水平跨度作為橫坐標(biāo)，將對(duì)應(yīng)得出的y方向翹曲變形量值作為縱坐標(biāo)，畫出變化趨勢(shì)圖如圖5所示。從圖中可以看出各因素水平對(duì)塑件y方向翹曲變形量影響的直觀變化。A因素注射時(shí)間的曲線幾成一條水平直線，說明注射時(shí)間的影響微乎其微，隨注射時(shí)間的增加y方向翹曲變形下降有限；B因素保壓壓力的影響最大，充分的保壓壓力可以大幅降低y方向的翹曲變形，曲線呈一路下降態(tài)勢(shì)；C因素冷卻時(shí)間和E因素熔體溫度對(duì)y方向翹曲變形的影響都是先降低再增加，說明20 s的冷卻時(shí)間和240 ℃的熔體溫度才是合理的參數(shù)選擇，過高和過低都會(huì)引起y方向翹曲的增加；D因素模具溫度對(duì)塑件的影響也很小，主要在D4水平時(shí)上升幅度略大一點(diǎn)，整體呈現(xiàn)很小斜度的向上小幅增加趨勢(shì)。

3 綜合分析

取圖4中各曲線最低點(diǎn)得體積收縮率最小時(shí)的工藝參數(shù)組合A4B4C2D1E1，取圖5中各曲線最低點(diǎn)得y方向翹曲變形最小時(shí)的工藝參數(shù)組合A4B4C2D1E3，兩種情況的工藝參數(shù)取值大體一致，唯有在E因素上有分歧。從兩圖的對(duì)比來看，如果E因素選擇E1，則y方向的翹曲變形量比E3增加(0.462 1-0.380 7)/0.380 7=21.4 %；如果E因素選擇E3，則體積收縮率比E1增加(5.011-4.841)/4.841=3.5 %。同時(shí)，又因?yàn)閥方向翹曲變形是保證裝配精度的主要因素，而體積收縮率更多地體現(xiàn)在整體上。綜合以上原因，顯然E3是更好地選擇，故最終選定的最佳工藝參數(shù)組合為A4B4C2D1E3。

因?yàn)檫@一工藝組合并不在表3的試驗(yàn)組合中，在Moldflow中設(shè)置好對(duì)應(yīng)參數(shù)再做一次模流分析以觀結(jié)果，如圖6～圖13所示[9]。圖6顯示體積收縮率最大為4.703 %，雖不是表2中的最小值，但也較小，更是控制在5 %以內(nèi)，總體收縮率不大。圖7顯示所有因素下y方向的最大翹曲變形為0.3298 mm，小于表2中的最小值，得到了最優(yōu)效果。圖8充填時(shí)間顯示塑件最晚填充處在塑件的兩耳和底孔處，為整個(gè)塑件最薄處，符合填充原則。圖9顯示的是填充過程中可能出現(xiàn)的氣穴位置，全部集中在模具分型面處，即可利用模具分型面間隙排氣，也可在對(duì)應(yīng)處加開排氣槽。

圖10 的縮痕估算顯示縮痕值基本控制在40 μm數(shù)量級(jí)，塑件表面質(zhì)量出色。圖11的回路冷卻液溫度顯示進(jìn)出口水溫溫差為1.63 ℃；圖12顯示了型腔填充時(shí)的熔體流動(dòng)前沿溫度，除塑件底面兩孔處因壁薄和最晚填充溫度略低外， 其它部位填充溫度基本一致；圖13

圖6 體積收縮率Fig.6 Volume shrinkage

圖7 y方向的翹曲變形Fig.7 Warpage on y direction

圖8 充填時(shí)間Fig.8 Filling time

圖9 氣穴Fig.9 Cavitation

圖10 縮痕估算Fig.10 Shrink mark estimation

(a)正面 (b)反面圖13 總體溫度Fig.13 Bulk temperature

顯示塑件冷卻比較均勻，保壓冷卻后的溫度場(chǎng)分布也較均勻，塑件內(nèi)外面各區(qū)域溫差基本都在10 ℃以內(nèi)，冷卻效果非常好。

4 生產(chǎn)實(shí)證

按圖14所示模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行模具制造并以上述分析結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行試模，材料采用韓國(guó)錦湖公司的728-A牌號(hào)丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，調(diào)試時(shí)保持注射時(shí)間1.6 s、保壓壓力120 %(47.25 MPa)、冷卻時(shí)間20 s、模具溫度25 ℃和熔體溫度240 ℃不變，適當(dāng)調(diào)整螺桿背壓。生產(chǎn)出的收納盒產(chǎn)品如圖15所示，經(jīng)檢測(cè)，塑件長(zhǎng)度方向體積收縮率4.82 %，寬度方向收縮率4.69 %，高度方向收縮率4.71 %，平均收縮率4.74 %；y方向翹起變形量0.331 mm。該值與理論優(yōu)化值相差無幾，屬于合理偏差范圍，經(jīng)廠家驗(yàn)貨，符合廠家的生產(chǎn)要求，順利交貨。

1—澆口套 2—定模座板 3—型芯 4—定模板 5—上邊鎖 6—下邊鎖 7—冷卻水道 8—型腔 9—?jiǎng)幽０?10—推桿 11—拉料桿 12—支撐柱 13—墊塊 14—推桿固定板 15—推桿推板 16—定模座板圖14 模具結(jié)構(gòu)Fig.14 Mold structure

圖15 收納盒產(chǎn)品Fig.15 Storage box product

5 結(jié)論

(1)通過正交試驗(yàn)和模流分析對(duì)汽車收納盒注塑生產(chǎn)的調(diào)機(jī)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)，影響收納盒使用裝配的主要是體積收縮率和y方向翹曲變形，得出了生產(chǎn)注塑的最佳工藝參數(shù)組合為：注射時(shí)間1.6 s、保壓壓力120 %、冷卻時(shí)間20 s、模具溫度25 ℃和熔體溫度240 ℃，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)證，生產(chǎn)出的產(chǎn)品廠家順利驗(yàn)收；

(2)通過正交試驗(yàn)和模流分析得出了各工藝參數(shù)對(duì)體積收縮率和y方向翹曲變形的影響力變化趨勢(shì)，結(jié)果表明對(duì)這兩個(gè)塑件性能指標(biāo)影響較大的是保壓壓力和熔體溫度，在調(diào)機(jī)注塑時(shí)應(yīng)優(yōu)先調(diào)試這2個(gè)參數(shù)；

(3)采用正交試驗(yàn)可獲得針對(duì)塑件不同性能指標(biāo)的不同參數(shù)影響趨勢(shì)，可有針對(duì)性地高效實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)塑件某個(gè)性能指標(biāo)的參數(shù)調(diào)試，推動(dòng)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)低成本創(chuàng)新的高質(zhì)量發(fā)展，在塑料企業(yè)和模具企業(yè)具有廣泛的推廣價(jià)值。