基于翹曲的注塑工藝優(yōu)化與均值估計

滕 翔

(湖南工業(yè)大學，湖南 株洲 412007)

1 前言

所謂翹曲變形就是注塑制品在注塑過程中逐漸偏離模具型腔，從而影響到制品質(zhì)量，這種現(xiàn)象為制品中比較常見質(zhì)量缺陷。如今，對制品質(zhì)量評定一個重要指標就是翹曲變形，這種指標逐漸被人們所關(guān)注與重視。但是影響到翹曲變形因素比較多而復雜，而注塑條件與參數(shù)都明顯影響到翹曲變形，因此對其注塑工藝優(yōu)化成為確保注塑制品質(zhì)量的重要措施。

2 對注塑工藝進行優(yōu)化

要優(yōu)化注塑工藝應該按照原理進行分化，主要劃分為四類，其一就是要對選擇制件材料進行優(yōu)化，其二對制件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，其三就是對模具結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，其四就是要對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，但是在現(xiàn)實中材料都是通過全面考慮之后設(shè)定出來的，一般不要做更改，因此優(yōu)化上主要是針對三個方面。

2.1 優(yōu)化制件結(jié)構(gòu)

事實上制件結(jié)構(gòu)對于自身翹曲變形的程度起到?jīng)Q定作用，事實上不同制件在厚度和質(zhì)量上都存在比較大的差異，并且在制件上可知局部的溫度也大，以及冷卻時間不同等各種因為都可能誘發(fā)出翹曲變形出現(xiàn)。同時制件結(jié)構(gòu)的形狀上存在差異，導致自身剛度也不相同，對抗擊翹曲變形能力必然不同。在設(shè)計塑件之時，在傳統(tǒng)制定之時都是依據(jù)產(chǎn)品的幾何形狀，然后反復進行試錯最后確定出最優(yōu)范圍。許多研究者為了降低制件翹曲變形，一些人引用正交設(shè)計法與基因算法等各種優(yōu)化方法設(shè)計出制件空間，最后得出了理想制件的厚度與體積，這種就能夠視為產(chǎn)品設(shè)計法的優(yōu)化翹曲變形研究。該方法主要是影響翹曲變形幾何形狀當成設(shè)計變量，并以最小翹曲變形當成優(yōu)化設(shè)計目標，進而優(yōu)化幾何形狀的設(shè)計，注塑成型的加工中應用這種方法。

制件壁厚常常影響著成型后品質(zhì)，因此設(shè)計壁厚之時就要優(yōu)先考慮到均勻壁厚，因為壁厚不均勻就極易引發(fā)不均勻冷卻速率，造成發(fā)生翹曲變形。如果設(shè)計時確實不能夠避免發(fā)生非均勻壁厚之時，就應該力求壁厚變化均勻。

2.2 優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)

從模具結(jié)構(gòu)來看，影響翹曲變形主要原因有冷卻系統(tǒng)、澆筑系統(tǒng)以及頂出系統(tǒng)等等。

圖1 設(shè)計內(nèi)容

1)優(yōu)化澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)就是從注塑機的噴嘴中把熔體噴入模具，從模具型腔的入口為止那段流動通道，該組成部分和所涉及設(shè)計內(nèi)容就如下圖1所示。主要關(guān)系到填充與保壓階段，直接關(guān)系到了制件成型之后質(zhì)量。

澆筑系統(tǒng)合理不但能夠節(jié)省注塑時間還可以降低注塑壓力，同時能夠獲取到質(zhì)量過硬的產(chǎn)品，反之澆筑系統(tǒng)不合理可能造成過壓、較差熔接痕力學性能、高剪切率等等各種缺陷。在模具結(jié)構(gòu)中采用優(yōu)化技術(shù)，主要是澆口位置與流到尺寸設(shè)計上。相比而言，澆口位置的優(yōu)化上僅僅局限到単澆口位置優(yōu)化上，很少有人會考慮到澆口位置的優(yōu)化問題，對流道尺寸進行優(yōu)化上僅僅集中于給多型模具的填充平衡，以及成本方面進行考慮。其優(yōu)化措施如圖2下所示。

圖2 設(shè)計澆注系統(tǒng)內(nèi)容

2)優(yōu)化冷卻系統(tǒng)。在整個模具的調(diào)節(jié)溫度系統(tǒng)中冷卻系統(tǒng)非常重要，就是設(shè)置出冷卻水來調(diào)節(jié)模具的溫度，這樣才能夠滿足工藝中所需溫度。對于整個系統(tǒng)而言主要涉及有冷卻水的位置、尺寸及布置形式與冷卻介質(zhì)溫度、流速等各種參數(shù)。在注塑成型中，模具冷卻時間占據(jù)到了整個周期2/3以上，所以設(shè)計冷卻系統(tǒng)好壞直接影響到了生產(chǎn)效率。正常進行注塑成型時，將塑料熔體送入到模具后，大部分熱量就是采用熱傳導方式將冷卻介質(zhì)送出模具，因此設(shè)計合理冷卻系統(tǒng)對調(diào)節(jié)模具溫度非常重要。

要對冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化，設(shè)計變量上就要盡可能使用冷去回路的結(jié)構(gòu)尺寸，和介質(zhì)的物理參數(shù)，這樣才能夠設(shè)計出合理回路降低冷卻時間，提升產(chǎn)能，降低殘留的應力，有效改善制件的品質(zhì)。設(shè)計模具時一定要重視冷卻系統(tǒng)，冷卻模具時就要盡可能保持型腔、型芯兩側(cè)溫度均勻一致，確保了制件各處冷卻的速率均衡，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻收縮，防止產(chǎn)生翹曲變形。

3)優(yōu)化頂出系統(tǒng)。設(shè)計頂出系統(tǒng)直接會影響到塑件變形，假如設(shè)計頂出系統(tǒng)不合理，在進行脫模頂出時就可能出現(xiàn)脫模力不勻或者脫模頂出的面積不當，進而導致制件翹曲變形。在設(shè)計頂出系統(tǒng)時必須要遵循幾點：其一開模之時就要確保制件順利脫出保證不發(fā)生變形;其二合模之時，才可以確保正確復位，這樣才便于實施下一次的頂出動作。

2.3 優(yōu)化工藝參數(shù)

在注塑工藝中工藝參數(shù)非常重要，主要涉及到熔體溫度、模具溫度、注射時間、保壓壓力、注射壓力、報壓時間與冷卻時間等等，各個參數(shù)都會不同程度對制件質(zhì)量造成影響。有研究者應用正交試驗分析法對翹曲變形進行分析，分次其影響因素以及重要性排序，因制件幾何結(jié)構(gòu)存在差異及注塑成型的過程較為復雜，因此分析結(jié)構(gòu)也就存在差異，而影響翹曲變形最大是注射速率、保壓壓力以及熔體溫度，相對而言保壓壓力影響翹曲變形較為顯著。因成型中具備多變量與非線性，要想取得最優(yōu)的工藝參數(shù)就比較困難。傳統(tǒng)上調(diào)整工藝參數(shù)大都是憑直覺、經(jīng)驗與反復嘗試確定出來，也就是試錯法，這種方法不但浪費了大量的物力、人力及財力，還延長了生產(chǎn)周期，不能夠跟上現(xiàn)代化的生產(chǎn)步伐。并且成型過程中涉及到的工藝參數(shù)和制件質(zhì)量指標，都還缺乏準確的解析描述，因此要優(yōu)化這種問題就必須要從制件設(shè)計、模具設(shè)計以及工藝參數(shù)入手，做到面面俱全。

3 均值估計

3.1 設(shè)計正交試驗

1)確定出試驗指標。該指標就是試驗結(jié)果的特征值，比如產(chǎn)品純度、產(chǎn)品產(chǎn)量等，用來衡量或者考核試驗的效果，任何試驗都要能夠解決某問題或者得出相應結(jié)論，因此任何正交試驗必須要明確目的以及試驗指標。

2)確定出試驗因子以及水平。對試驗指標造成影響因素叫因子，常常使用大寫字母如ABC……等來表示，因子發(fā)生變化涉及到的各種狀態(tài)就稱之為因子水平，常使用阿拉伯數(shù)字表示。

本文所考察試驗因子就是熔體溫度B、模具溫度A、保壓壓力D、注射時間C及保壓時間E，其水平數(shù)是3。如表1所示。

表1 試驗因子以及水平

3)選用正交表。正交表就是正交試驗幾百年工具，加設(shè)A 是n*k矩陣，第j列元素用數(shù)字1、2、3、……mj構(gòu)成，矩陣A任意兩列都能夠搭配均衡，就稱之為A是正交表，在正交試驗中Ln(mk)形式表示，該式中的L表示正交表代號，n且為正交表行數(shù)，m為各個因子的水平數(shù)，k為正交表列數(shù)，因此選用正交表就要看其水平數(shù)，如果因子都為3水平，那么就應該選用L(3*)表，如果各個因子的水平數(shù)存在差異，就應該選用混合水平表。

3.2 分析結(jié)果

分析極差。一般情況下極差R值不相等，表面各個因素對結(jié)果影響愈大，R值越大。事實上，這種分析方法計算量比較小，便于實現(xiàn)，而且也可以進行直接比較得出優(yōu)選方案，最終分析結(jié)果如下表2。

表2 分析極差表

為了直觀體現(xiàn)就繪制出翹曲變形量因子極差圖，如下圖3所示，從該圖中就能夠發(fā)現(xiàn)各個工藝參數(shù)給翹曲變形量造成的影響。

圖3 因子極差圖

4 結(jié)論

從上面的極差分析中就可以得出：

其一對翹曲變形造成影響因素主要是熔體溫度與保壓壓力，接著是注射時間，而模具溫度以及保壓時間相對小一些。

其二和單因素做比較，模具溫度和熔體溫度及注射時間和熔體溫度間交互作用，影響因素極小，實際使用中可以忽略。

[1]翟明，顧元憲，申長雨.注塑成型充填過程中注射速率的優(yōu)化設(shè)計[J].高分子學報，2008(1).