武宏發(fā)　秦曉雄　楊林　杜承信

注塑制品的使用性能和外觀質(zhì)量主要取決于注塑模具的質(zhì)量和注塑成型過程。為了得到最優(yōu)的工藝產(chǎn)品，工程技術(shù)人員往往需要多次修模改模、反復(fù)調(diào)整工藝參數(shù)或更換材料，傳統(tǒng)的試錯(cuò)法應(yīng)用范圍窄且成本高、效率低。通過采用Taguchi試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)注塑成型過程進(jìn)行模擬分析，得到熔體溫度、模具溫度、注射時(shí)間、保壓壓力和保壓時(shí)間對(duì)翹曲量和體積收縮率的影響，其中保壓壓力和時(shí)間對(duì)翹曲量和體積收縮率的影響程度較大，由此得到一組最優(yōu)工藝，減少了調(diào)整工藝參數(shù)的時(shí)間，提高了注塑件設(shè)計(jì)效率。

一、引言

隨著制造技術(shù)向智能化的方向發(fā)展，利用CAE軟件并結(jié)合有關(guān)算法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)化在工藝設(shè)計(jì)中起著日漸重要的作用，CAE技術(shù)可以提前預(yù)測(cè)缺陷，優(yōu)化設(shè)計(jì)和方案，大大提高了設(shè)計(jì)效率，節(jié)約了成本。

Taguchi方法又稱為田口方法、正交法，最初是日本學(xué)者田口玄一提出的信噪比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，隨后結(jié)合質(zhì)量損失函數(shù)、三次設(shè)計(jì)理念逐漸發(fā)展為Taguchi實(shí)驗(yàn)法。Taguchi實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要包括兩部分內(nèi)容：①選定實(shí)驗(yàn)因素及因素水平范圍②通過信噪比S/N（Signal-to-NoiSe Ratio）對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化分析，從中選出最佳工藝參數(shù)組合。Taguchi方法具有均衡搭配性和整齊可比性，通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)正交矩陣，使實(shí)驗(yàn)可以通過最少的試驗(yàn)次數(shù)而獲得與全面試驗(yàn)相同的效果。

二、注塑件分析

塑件充填型腔和取件冷卻過程的尺寸變化以翹曲量和體積收縮率來衡量。圖1為一玩具汽車轉(zhuǎn)向器裝配件，材料為聚丙烯，牌號(hào)HG168，密度0.91g/cm³。此塑件屬于中型薄壁件，主體壁厚2mm，上殼尺寸為260×90×55mm，下殼尺寸為260×90×35mm。無鑲件，無側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，腔體較深，有大量的曲面過度，因此塑件容易產(chǎn)生翹曲變形和離殼錯(cuò)位。

三、Taguchi實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

本文選取翹曲量和體積收縮率為玩具汽車轉(zhuǎn)向器優(yōu)化目標(biāo)，選取模具溫度（A）、熔體溫度（B）、注射時(shí)間（c）、保壓壓力（D）、保壓時(shí)間（E）為主要的實(shí)驗(yàn)因素，取6個(gè)水平參數(shù)為研究對(duì)象，進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化。因素水平表如表1所示。

正交試驗(yàn)表選擇L36（65）型實(shí)驗(yàn)表，其中n=36，s=6，r=5（i=1，2，3…36）。試驗(yàn)中選取最小特性信噪比函數(shù)，翹曲與收縮率越小越優(yōu)。因此，當(dāng)Z向翹曲Y與體積收縮率R越小時(shí)，得到的信噪比S/N越大，因此分析中取S/N越大越好。以單一因素包含的所有信噪比值來反映不同因素對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的影響情況，翹曲量和體積收縮率均值分析結(jié)果如表2和表3所示。

將表2、表3中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為如圖2、3所示，更直觀的反映各工藝參數(shù)對(duì)體積收縮率的影響規(guī)律。

由圖2可知，翹曲變形信噪比最大時(shí)的工藝參數(shù)組合為.A682C4DSE6，即模具溫度45℃、熔體溫度208℃、注射時(shí)間2.5s、保壓壓力79MPa、保壓時(shí)間5到8秒；圖3中體積收縮率信噪比最大時(shí)的工藝參數(shù)組合為：ASB3C1D6E6，即模具溫度42℃、熔體溫度216℃、注射時(shí)間1.0s、保壓壓力85MPa且保壓時(shí)間5到8秒。提高模具溫度，可以有效的降低模具出模前后溫差，冷卻后易均勻收縮，促使翹曲量達(dá)到最低；熔體溫度對(duì)塑料母料本身影響較大；當(dāng)單位注射量確定以后，注射速度過快，易出現(xiàn)翹曲、氣紋、蛇紋和飛邊等缺陷；保壓壓力對(duì)塑件的影響主要體現(xiàn)在型腔壓力保持階段，適當(dāng)提高保壓壓力，可以有效的降低翹曲量和體積收縮率，提高塑件性能和表面質(zhì)量，但太高會(huì)導(dǎo)致塑件內(nèi)應(yīng)力和殘余應(yīng)力過大，變形增大；塑件在保壓階段時(shí)，初期時(shí)，隨著保壓時(shí)間逐漸增加，塑件致密度迅速增加直到澆口凝固時(shí)結(jié)束。當(dāng)保壓時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，則可降低塑件體積收縮率，間接的降低翹曲量。但在實(shí)際生產(chǎn)中，太長(zhǎng)的保壓時(shí)間會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)周期增長(zhǎng)，生產(chǎn)效率降低，故參考實(shí)際情況，保壓時(shí)間取5到8秒。對(duì)于體積收縮率，模具溫度在A5時(shí)較為適合，熔體溫度在B3時(shí)已達(dá)到最優(yōu)，若適當(dāng)降低注射時(shí)間并增加保壓壓力，還將進(jìn)一步降低體積收縮率。

分別對(duì)翹曲量和體積收縮率所選最優(yōu)工藝參數(shù)組合在MoldFlow軟件中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，其模擬結(jié)果如圖4和圖5所示。從圖中可以看出z方向的翹曲為0.4265mm，體積收縮率為10.18%，接近正交試驗(yàn)最小值。

分別對(duì)翹曲和體積收縮率影響度進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果如表4和表5所示。由表4可知，D（保壓壓力）和E（保壓時(shí)間）對(duì)翹曲的影響最大，其中保壓壓力對(duì)翹曲的影響遠(yuǎn)大于其他因素。因此，適當(dāng)加大保壓壓力是改善翹曲的重要方法。由表5可知，C（注射時(shí)間）、D（保壓壓力）、E（保壓時(shí)間）對(duì)體積是收縮率的影響最大，其中保壓壓力和保壓時(shí)間對(duì)體積收縮率的影響遠(yuǎn)大于其他因素。因此，適當(dāng)調(diào)節(jié)保壓壓力和保壓時(shí)間是減小體積收縮率的重要方式。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析得到的最佳工藝參數(shù)組合在工廠注塑機(jī)中進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，從圖6中可以明顯看出曲面過渡階段的翹曲變形和離殼錯(cuò)位缺陷消失，說明優(yōu)化模擬后的最佳工藝參數(shù)組合是真實(shí)的。

四、結(jié)語

通過Taguchi試驗(yàn)法對(duì)不同工藝參數(shù)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到了單一目標(biāo)的最佳工藝參數(shù)組合。翹曲量最大時(shí)的工藝參數(shù)組合為模具溫度42℃、熔體溫度216℃、注射時(shí)間1.0s、保壓壓力85MPa且保壓時(shí)間20s，模擬驗(yàn)證z方向的翹曲為0.42mm；體積收縮率最大時(shí)的工藝參數(shù)組合為模具溫度42℃、熔體溫度216℃、注射時(shí)間1.0S、保壓壓力85MPa且保壓時(shí)間20s，模擬驗(yàn)證體積收縮率為10.18%。翹曲量和體積收縮率的模擬值均接近正交試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)的最小值。保壓壓力和保壓時(shí)間對(duì)翹曲量和體積收縮率的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他三個(gè)因素。因此，適當(dāng)加大保壓壓力是改善翹曲的重要方法。