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      提高成型工藝能力(第一部分):理解PVT圖

      2018-11-06 12:57:54Fimmtech公司SuhasKulkarni
      現(xiàn)代塑料 2018年11期
      關(guān)鍵詞:比容熔體平均值

      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(guān)。高的工藝能力值要求每次注射時(shí)材料的收縮相同,這可以通過(guò)壓力-體積-溫度(PVT)圖來(lái)確認(rèn)。

      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(gè)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(jí)知識(shí)

      偏差對(duì)于所有的工藝過(guò)程而言都是正常的,并且這種偏差可以在過(guò)程的輸出中進(jìn)行測(cè)量。例如,開(kāi)始工作的過(guò)程輸出之一是開(kāi)始工作所需的時(shí)間。我們可以說(shuō)它需要20 min,但實(shí)際上,它是我們?cè)谶^(guò)去幾天、幾周或幾年內(nèi)開(kāi)始工作的時(shí)間的平均值。因此,某一天的實(shí)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(shù)值,所以需要計(jì)算平均值。在注塑成型中,如果測(cè)量尺寸被報(bào)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(gè)范圍內(nèi)變化,例如±0.002 in。其分布顯示一個(gè)峰和兩個(gè)底部是常態(tài)。在本文中,我們僅針對(duì)正態(tài)分布的情形。

      考慮一個(gè)需要模制的盒子,其長(zhǎng)度、寬度和高度的公稱值均為5.125 in,容許公差設(shè)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(jìn)行一個(gè)成型試驗(yàn),成型30個(gè)部件,并在所有30個(gè)部件上測(cè)量長(zhǎng)度、寬度和高度3個(gè)尺寸:平均長(zhǎng)度為5.125 in,平均寬度為5.130 in,平均高度為5.135 in。對(duì)于測(cè)量的30個(gè)部件,每個(gè)尺寸的偏差幅度為0.004 in。

      如圖1所示,所有部件的長(zhǎng)度都在規(guī)格范圍內(nèi),部件的寬度僅是其中一些在規(guī)格范圍內(nèi),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(gè)部件的長(zhǎng)度都在規(guī)格范圍內(nèi),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(gè)術(shù)語(yǔ)是根據(jù)變化幅度、公差和成型合格部件的可能性來(lái)定義的。它們被稱為工藝能力指數(shù),即 Pp、Ppk、Cp和 Cpk。Pp和 Ppk與受限制的較小樣本尺寸相關(guān),例如初始試驗(yàn)成型的30個(gè)部件中的一個(gè)。二者無(wú)從參考,與特定的運(yùn)行或試驗(yàn)有關(guān)。Cp和Cpk則與過(guò)程的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)性能有關(guān)。

      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(guò)程產(chǎn)生合格部件的能力。如果30個(gè)部件的偏差小于可用的公差,并且如果這30個(gè)部件所有3個(gè)尺寸的平均值等于圖紙上的公稱值,那么這30個(gè)部件在其長(zhǎng)度、寬度和高度上都是合格的。

      在上述例子中,30個(gè)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(jì)算的Pp值對(duì)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(guò)程根據(jù)模具和過(guò)程的當(dāng)前狀態(tài)生產(chǎn)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?yàn)殡m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(méi)有一個(gè)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(guò)調(diào)整模具鋼的尺寸和/或產(chǎn)品規(guī)格可以實(shí)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(xué)成型和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)的技術(shù)開(kāi)發(fā)穩(wěn)健的加工過(guò)程。大多數(shù)關(guān)于工藝過(guò)程控制和質(zhì)量的書(shū)籍都含有該主題的更多信息,包括公式。我的書(shū)《穩(wěn)健工藝過(guò)程開(kāi)發(fā)和科學(xué)成型》的第13章也載有這些信息。

      理解PVT關(guān)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(zhì)量的比率(cm3/g)。它是比重(g/cm3)的倒數(shù)。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(huì)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(dāng)熔體轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品時(shí),會(huì)涉及這些因素的組合。熔體在螺桿前面被收集起來(lái)。由于堆積過(guò)程中的背壓,熔體會(huì)有一些壓縮。熔融塑料隨后被以高壓注入冷模具中。在此過(guò)程中,以及在塑料進(jìn)入模具內(nèi)部之后,熔體一直在冷卻。隨著熔體轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K模塑產(chǎn)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(guān),因此也與部件整體的尺寸偏差有關(guān),例如在一個(gè)生產(chǎn)運(yùn)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(guò)來(lái)又要求不同注射之間在模具內(nèi)重復(fù)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(gè)如何在工藝能力中發(fā)揮作用,包括:部件設(shè)計(jì)、塑料材料、模具設(shè)計(jì)和模具制造、成型機(jī)械和成型工藝。

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