基于正交实验的注塑成型工艺参数优化方法

基于正交实验的注塑成型工艺参数优化方法摘要:在注塑成型过程中,注塑过程参数对注塑件的质量有直接而重要的影响,本文采用正交法研究了两者之间的相互关系,并且快速、经济地得到定性的结果。

关键词:正交试验注塑成型工艺优化

目前,就注塑成型工艺参数优化研究方法来说,有人工神经网络技术、遗传算法、模拟退火法,爬山法、正交实验法等[1～2],而且针对以上优化方法的优点加以组合,可以提高工艺参数最佳化的搜索效率。

与其他理论知识偏强的优化方法相比,CAE技术与正交实验技术的结合可方便地实现工艺的优化。CAE软件可以辅助技术人员进行工艺条件设置,但一般要经过流道设计、冷却系统设计和工艺参数设置等一系列过程,最终结合应用CAE数值模拟进行注射成型中各项工艺过程的分析,分析塑件的质量指标影响因素,还需结合实际经验才能得到优化的成型工艺条件。而引入Taguchi正交实验方法后,对所选的几个关键变量及研究的质量指标建立适当的因素水平正交表,分组进行CAE成型模拟;并统计结果,对其进行均值和变量分析,得到基于当前质量指标的最佳实验水平及因素对质量指标的影响度。这样,能在较短的时间内找出成型过程的优化工艺条件,对于提高注塑成型的整体效率具有很大的意义。

1 正交试验工艺优化研究实例

本文研究实例采用车用空调隔板,该产品为空调控制器中塑料件,材料采用ABS工程塑料。该产品的厚度大部分在0.5mm～2.0mm范围之间,属于薄壁件。由于纵向尺寸大(220mm)且正面为光滑平面,在塑件成型表面很容易出现收缩不均匀,而收缩不均会导致翘曲变形,因而在结构上增加了筋条,但在筋条处会引起沉降,出现凹痕,根据以上简要的结构及质量分析,这里选用制件综合翘曲量和沉绛纹指数(%)作为主要的质量研究目标。

2 注塑产品的翘曲变形与沉降纹影响诱因分析

塑料塑件缺陷形成的原因主要包括:一是成型工艺引起的,如:模具料筒及喷嘴的温度、注射压力、背压、注射速度、注射时间、冷却时间等;二是模具引起的,如:模具浇口位置和数量、种类、排气等;另外,其他的影响因素有:产品设计、成型机床、材料、环境等。

本文主要讨论注塑工艺对缺陷的关联影响。结合车用空调隔板薄壁制件分析其两质量指标—翘曲与沉降纹的形成原因,可借鉴附录中的专家知识和经验总结,分析出多质量指标的内在交互关联作用,以定制工艺调整方案,实时有效地实施塑件质量的控制。

(1)翘曲成因分析。

塑料注塑成型中,由于制品塑件收缩的大小和主方向不同,导致塑

件出模后的形状与其在模具型腔内的形状有偏差,它直接影响外观质量和性能,这就是常见的塑件的翘曲变形。分析和研究翘曲问题有两个重点,一是研究如何提高翘曲变形模拟的准确性,二是研究采用何种方法减小或补偿翘曲变形造成工件的几何误差。

CAE分析软件中,将翘曲变形原因主要归结如下几方面。

①分子取向,分子取向会导致平行流动方向和垂直流动方向的收缩不一致,便会导致翘曲。对纤维增强的塑料塑件,取向效应是导致塑件翘曲的主要原因之一。

②区域收缩,区域收缩是指不同区域之间的收缩不同而导致塑件翘曲。其可以利用区域收缩来衡量塑件不同区域收缩的差别。而用分子取向来衡量塑件不同方向上收缩变化。

③不均匀冷却,不均匀冷却导致塑件的温差很大,使塑件在顶出后的二次收缩值相差很大。这种收缩差别导致弯曲力矩的产生而使塑件发生翘曲。

影响塑件翘曲的主要因素有以下几个方面:①塑料及模具材料;②塑件结构、模具结构、模具强度、加工精度和表面粗糙度;③注塑成型工艺条件。本文基于正交实验、神经网络模型等参数优化方法,着重从注塑工艺自适应调整方面入手,来达到对塑件翘曲趋势的控制和抑制。

(2)沉降纹成因分析。

当塑件冷却时,会伴随有塑件收缩的发生,此时外层紧靠模壁的地方先凝固,在塑件中心形成内应力。如果应力太高,就会导致外层的塑料发生塑性变形。

为防止沉降纹的产生,可采取这些措施:①修改塑件结构设计,如尽可能使塑件壁厚均匀;板筋、浮凸和角撑板厚度控制为塑件壁厚的50%～80%;②适当增加浇口尺寸以延长浇口的冷凝时间,使更多熔体补充到型腔;③将浇口位置移到较厚的区域,这样可以使较薄区域冷却前得到充分的保压;④增加注射压力和保压压力,延长保压时间和冷却时间;⑤适当降低熔体温度和模具温度;⑥增加料头截面积和喷嘴孔孔径,提供较合理的壁/筋的截面比率,应避免材料的堆积。

(3)工艺参数对翘曲变形与沉降纹的交互作用分析。

注塑成型过程中各个工艺参数之间的影响程度相当大,倘若控制单一变量很容易使对整个成型过程的控制失去平衡。近期,研究者们逐渐将研究重点放在了多变量的控制方法上,同时选用对某个阶段或整个成型周期影响较大的几个参数,并尽可能的考虑到所选控制变量之间的相互影响来确定关键工艺变量调整次序和调整步长大小。这也是本文的重要理论研究内容和基础准备。

由以上对翘曲和沉降纹的形成原因分析可以看出,共同影响两者的工艺条件有熔体温度、注射压力、注射速度(填充时间)、保压压力、

冷却时间等,并且冷却时间、保压压力和填充时间的延长都有利于抑制两缺陷的产生,但注射压力对两个的影响正好相反。因此,为了寻求兼顾两个缺陷的最优工艺条件,需要对这几个主要的影响工艺参数作优化设计,并寻找到各个工艺参数对它们的影响度和影响趋势。另外,对于不能同时满足两质量指标影响趋势的工艺参数,特别有必要以它为单独变化参数,增加实验次数,尽可能的寻找到两个质量最优时的该工艺参数的拐点。

3 注塑成型实验设计

根据车用空调隔板结构及成型分析,实验采用以下成型条件。

(1)材料。

材料采用ABS工程塑料。

(2)加工条件。

选用的成型工艺参数为:①模具温度范围在50℃～80℃,推荐值为70℃;②熔体温度范围在240℃～280℃,推荐值为265℃,最大在320℃。此材料最大剪切应力为0.4MPa,最大剪切速率为40000(1/s)。模具材料:W300钢。注射机最大注射压力:196.8MPa;进口水温:25℃;理想模侧温度:68℃,开模时间7s。