SPC在注塑成型过程中的应用解析

摘要 从监测参数和测量、参数值的分布状态确定、过程能力的计算、控制图的建立几个方面探讨了在注塑成型中进行统计过程控制的特殊性和解决办法。

关键词 SPC 注塑成型 参数 分布状态 过程能力 控制图

SPC 从问世以来，得到很大的推广。汽车行业的ISO/TS16949：2000技术规范把SPC 作为一项工具要求在产品开发和生产中进行使用。对SPC 在生产过程中运用所带来的好处就是预防控制、获得改进机会，但在与具体的生产结合过程中，就会碰到这些问题，如何选择监控参数并进行测量，这些参数的分布模式是什么样的，如何计算过程能力，如何建立控制图等。下面就开始探讨在注塑成型过程中这些问题该如何解决。

一、监测参数和测量

注塑成型过程的控制水平在很大程度上取绝于测量系统的完善程度。这就意味着不仅需要合理地选择所要测量的过程参数，而且要正确的使用传感器、转换器，并将其置于正确的位置。通过对所选的参数进行在线监测，在理想的资源配备状态下，把这些参数值输入计算机，就可以计算出极差、控制限、标准偏差等并得到控制图。以此为基础的实时SPC 对于过程的精密监控是非常有用的。

1、注塑制品的质量参数

反映产品质量的参数有尺寸、重量、外观、性能。

1.1 尺寸的定义是容易的，在开发产品中，对重要的尺寸基本上需要进行过程能力计算。根据测量方法，可获得计量型数据，也可转化为计数型数据。

1.2 单个外观缺陷及其优劣的定义

对外观缺陷分两类，一类是难以明确测量的缺陷如：烧焦、分层剥离、油渍、溢料飞边、蛇形、空洞和熔接痕等，这些缺陷很难给予度的量测，但通过观察可以给出以下区分其优劣的定义。

Yi={ （式1） 0（合格） 如果缺陷已消除

1（不合格） 如果缺陷未消除

△Yi=

{

（式2） 式中 Yi ——第i 种缺陷，I=1，2，3,···m 种缺陷；

△Yi ——定性质量的改变。

可以明确测量的缺陷如：色泽、波流痕、光泽不良、萎缩、欠注、凹陷和翘曲变形等。对这类数据有两种处理办法，一是直接用计量型数据进行统计，二是转化为二元判断后的计数型数据，如下转化：

Yi ={ （式3） △ Yi =

{

（式4）

式中 yi ——第i 种缺陷的测量值；

bi ——无缺陷的上限值。

式1、2中假设，Yi 减小则制品缺陷改进。

1.2.1多缺陷及其优劣的定义

当有多个缺陷同时出现时，就成为多目标优化的问题。通常各个目标在问题中并不处于同等重要的地位，可以将各种缺陷按重要程度分出优先次序，则总的制品缺陷程度可定义为如下：

F （x ）=∑P k ∑Y k j （x ） （式5）

式中，P k ——R 个优先级因子； n k ——按优先级排列的缺陷个数

-1 缺陷改进 0 缺陷没有变化 +1 缺陷恶化

0 如果yi ≤bi

1 如果yi ＞bi

-1 如果△yi ＜0

0 如果△yi =0

+1 如果△yi ＞0

k=1

R j=1

n k

Y k j——第k种缺陷的度量值

考虑到当一种缺陷有所改进而同时另一种却恶化时，有可能出现模棱两可的结果，即在某些情况下，总的缺陷是改善了还是恶化了由式5确定的度量可能引起混淆。为了消除这种情况，一种有效的办法是每一级中只有一种缺陷，因此可将式5修正并简化为

R

F（x）=∑P k Y k（x）（式6）

k=1

△F（x）=∑P k △Y k（x）（式7）

在式6、式7描述缺陷及改善程度的情况下，只要优先级高的缺陷有所改善，则认为总的缺陷有所改善。

1.3 性能参数

性能，包括燃烧性、机械性能、化学性能等，有可以获取计量型数据的，也有制作二元判断的，如耐腐蚀性能。由于是破坏性的，基本上没有纳入统计控制中。这些质量特征的控制，一般是分解到过程参数中进行控制，能支持该性能在生产中得到保证即可。半年或一年进行验证。

1.4重量

产品重量是很容易进行测量和纳入统计分析的，另一方面，在过程开发初期对过程能力研究之后，在较低的开发成本和一般的质量控制水平下，仅用重量这个参数进行过程监控是很不错的选择。通过注塑成型分析，当注塑过程不稳定时，重量不发生变化的概率很低，所以误判的可能性不大。如果再配以外观100%的检验，这种监控就很可靠了。

2、过程参数

2.1 注塑机的控制系统与过程参数统计

注塑机的控制系统有温控系统、液压控制系统、移动距离控制系统、时间控制系统等，为了反映这些系统的好坏，都应该进行统计分析，并以此来评定注塑机的性能。如下表所示，1级注塑机保压时间变动小于0.02s，9级注塑机保压时间变动小于0.04s，相当于1级的两倍。一些注塑机的生产厂商已经根据上述方法对机器能力进行分级，保证了机器性能，在对注塑机进行预防性维修时也可采用这个方法。随着注塑机的不断改进，不同级别的各值也将随着时间的推移而变化。

表1：

2.2 正加入统计控制更直接反映过程性能的参数

注塑过程的可控参数是通过成形参数如模具中的型腔压力、熔体温度等作用于材料的方向性、降解等来影响产品的质量特征的，因此，对成形参数的变化进行统计控制，更能实现预防。

2.2.1模腔压力

众多研究表明,模腔压力与零件质量密切相关，可以作为过程特征记录。所有其它的过程参数并非在注塑件附近测量所得,因而存在一定的不确定性误差。采用这种办法，当零件优化后，相应的模腔压力曲线被存储起来。当需要重新设置设备时，存储的模腔压力“指纹”作为参考曲线，优化加工过程，使其与参考曲线对应的过程相同，确

保零件质量一致。这种方法的另一重要优点是不依赖于设备。与注塑机设置参数方法不同，不同注塑设备厂家生产的注塑机可以使用相同的参考曲线作为设备的操作标准。此外,即使同一型号的注塑机由于磨损不同，表现出的性能会有差异。而在模腔中直接监测模腔压力与设备无关，因此可以消除设置错误,减少次品。切换点的自动识别从注射阶段到保压阶段的切换点是重要的过程参数，对零件质量和生产成本起关键作用。当模腔内部完全充满时需要从注射阶段切换到保持压力阶段。传统的方式中采用注射时间，螺杆位置,液压或模腔压力作为切换参数。这些方法的共同特征是规定一个阈值，当参数达到阈值时，控制切换。自动平衡近年来多腔模具已变得越来越重要。过程控制需要适应这一发展潮流。主要切入点是每一个单腔的填充方式。均衡填充，亦即良好平衡,可以确保通过模具的整个零件性能一致。

所以,可以通过先进的模腔压力测量技术和一系列智能控制系统，将模腔压力测量与现代控制仪器和软件结合在一起，组成功能强大的注塑质量控制系统。

2.2.2 熔体温度

塑件什么时候脱模是由脱模温度决定的。通过测量塑件表面温度、模腔压力和模具表面温度，在工艺中逐个周期地确定出塑件的热学状态，冷却时间被自动地计算出来，并被直接传送给机器控制装置。此工艺具有重要的优势：

（1）因为冷却时间及周期时间被尽可能地保持短暂，所以经济性方面有了显著的改进；

（2）因为脱模温度稳定，所以塑件质量尽可能地维持稳定。

这可解决这样一个问题：把冷却时间作为固定值被输入，无法弥补生产过程中偶尔发生的干扰，例如工艺、机器控制和材料的波动。