王 乾

(常州轻工职业技术学院，江苏 常州 213164)

0 前言

塑件的成型质量受模具结构、注塑参数、生产环境等多种因素的制约，由于塑料的特性和加工设备的复杂性，注塑是一个绝对复杂的过程，但这其中注塑参数对塑件质量的影响至关重要[1]。生产前需要不断地调机注塑直到获得质量合格的塑件，这是一个消耗人工、材料成本的大量尝试的过程。计算机辅助技术(CAE)的兴起解决了成本的问题，将实际注塑转化为计算机上进行CAE模拟，通过模流分析判断优化注塑参数，实现了注塑调试的零成本试验[2-3]。但是注塑过程中存在很多变量，如料筒温度、模具温度、注射时间等，在注塑时各注塑参数又互相关联影响；再加上评价塑件质量的指标参数又很多，不同的评价指标适应不同的塑件使用要求，如何选择合理的注塑参数组合从而得到质量更优的塑件是注塑企业需要解决的难题。如果凭借经验选择注塑参数组合，一则对技术人员的经验水平要求较高；二则需要大量的尝试性试验才能从中比较得出质量较好的塑件，不能看出参数对质量指标的具体影响，效果比较模糊；三是也得不到最佳的参数组合，只能从做过调试的参数中选择一个最好的，没有做过试验的参数组合效果不能体现。引入正交试验，可以通过合理设计试验列表，进行科学设计试验组合，即可以少数、典型的工艺参数组合的试验结果引申分析反映包含未做试验的参数组合在内的全面信息，避免无序摸索的试验方式，找到最佳参数组合；又可找到针对试验质量指标影响因素较大的那个工艺参数，在调机时做重点调整[4]。

1 塑件分析

图1 塑件造型Fig.1 Plastic model

图1所示为汽车上用的收纳盒，中有凹陷用于装物，表面要求光滑无痕，故不能采用常规模具结构以避免推杆在上面留下痕迹。为解决模具的脱模问题，又不增加模具结构避免成本增加，采用倒装式模具结构，即型芯安装在定模，型腔安装在动模，推杆顶在塑件的外比表面，对使用面无影响；为保证模具能在开模时跟随动模移动，在塑件外侧设计网格状花纹，利用花纹与型腔间的连接力拉出塑件；利用中间的方孔设置双浇口进料；采用立体式冷却系统环绕塑件内外表面[5]。在Moldflow中建立好的网格模型如图2所示，材料选用韩国锦湖石油化学公司的牌号为728-A的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，其成型的塑件光泽好、着色优，正适用于汽车内饰件的美观要求[6]。从收纳盒的使用和装配来看，并不需要承受太大的力，但装配精度有一定要求，装配时塑件在长度方向即y方向实施装配，x方向和z方向无限制，故以塑件的体积收缩率和y方向的翘曲变形作为塑件的试验指标，越小说明塑件的尺寸精度越高。图3所示为塑料材料的黏度特性曲线，从中可以看出塑料原料在不同的熔体温度和剪切速率下呈现不同的黏度特性，直接影响到注塑时的熔体流动填充过程。根据熔体黏度的影响因素，将注射速率(由注射时间表征)、模具温度和熔体温度为试验因素；根据塑件成型收缩的影响因素，以保压时间、保压压力(由注射压力的百分比表征)和冷却时间为试验因素。

图2 网格模型Fig.2 Grid model

T/℃：▲—200 ■—220 ●—240 ◆—260图3 黏度曲线Fig.3 Viscosity curves

2 正交试验

2.1 试验因素和水平设计

在Moldflow中查得ABS材料的推荐工艺参数如表1所示，再根据前期一定数量的模拟分析结果和实际经验，制定正交试验因素与水平如表2所示，试验因素为熔体温度、模具温度、注射时间、保压压力和冷却时间5个因素，分4个水平设置，保压时间统一设定为10 s。试验标的为体积收缩率和y方向上的翘曲变形，标的值越小，表明塑件质量越好[7-8]。

表1 ABS推荐工艺参数Tab.1 Recommend process parameters

表2 试验因素和水平设置Tab.2 Test factors and level setting

2.2 试验因素组合方案及标的值结果

根据五因素四水平设计试验因素组合L9(33)正交试验表，如表3所示，对每一行的注塑参数组合方案进行CAE模流分析，将获得的试验标的值结果同样记录在表3中。

表3 试验方案及结果Tab.3 Test plan and result

2.3 体积收缩率及其极差分析

对表3中的体积收缩率标的数值进行不同因素水平下平均值转化及极差求解，如表4所示，分析各水平因素对塑件体积收缩率的影响变化。

表4 体积收缩率极差表Tab.4 Volume shrinkage range

表4中极差Rj表征了各因素对塑件体积收缩率的影响力大小，从表4可以看到，极差排序依次是：熔体温度(1.113)>保压压力(0.742)>模具温度(0.587)>冷却时间(0.384)>注射时间(0.081)。熔体温度对体积收缩率的影响最大，保压压力的影响次之，模具温度和冷却时间再次之，注射时间的影响力最小。所以当得出理论优化值后，在实际注塑调机时，应优先对熔体温度和保压压力进行微调，方能更好更快地试模成功。

为表征各水平对体积收缩率的影响变化，将各因素的水平跨度作为图4的横坐标，将对应得出的体积收缩率值作为纵坐标，画出各个因素的水平跨度对塑件体积收缩率的影响变化趋势图，如图4所示。从图中可以看出，A因素注射时间对体积收缩率的影响曲线趋于水平，影响甚微，注射时间增加到1.6 s时体积收缩率略有降低；B因素保压压力的增加使得体积收缩率大幅下降，说明充分的保压有助于体积收缩率的减小，这是因为保压压力的增大将塑件压得更密实，从而导致塑件的收缩空间减小；C因素冷却时间的增加导致体积收缩率先减小后增加，说明冷却时间不足和过长都不可取，20 s的冷却时间较为合适；D因素模具温度在低温时体积收缩率较小，当模具温度升高到55 ℃时体积收缩率大幅增加，说明较低的模具温度有利于减小塑件的体积收缩率；同时，体积收缩率还随E因素熔体温度的增加一路上扬，在200 ℃升高到240 ℃时斜率较小，体积收缩率增加得比较缓慢，而继续上升到250 ℃时，上扬幅度较大，说明熔体温度不适宜过高。

图4 体积收缩率趋势图Fig.4 Volume shrinkage trend chart

2.4 y方向翘曲变形及其极差分析

收纳盒在y方向上有装配要求，所以对y方向上的翘曲变形要求较高，对x和z方向并无多高的要求，对表2中的y方向翘曲变形量值进行不同因素水平下平均值转化及极差求解，如表5所示，分析各水平因素对塑件y方向翘曲变形量的影响变化。

表5 y方向翘曲变形量极差表Tab.5 y direction warpage range

表5中的极差Rj表征了各因素对塑件y方向翘曲变形量的影响力大小，从表5可以看到，极差排序依次是：保压压力(0.126)>熔体温度(0.081 4)>冷却时间(0.047 7)>模具温度(0.021 1)>注射时间(0.012 9)。保压压力对y方向翘曲变形量的影响最大，熔体温度的影响次之，冷却时间和模具温度再次之，注射时间的影响力最小。所以在调机时还是优先调试保压压力和熔体温度两个参数为宜，这点与体积收缩率的调试达成了一致。

同样，将各因素的水平跨度作为横坐标，将对应得出的y方向翘曲变形量值作为纵坐标，画出变化趋势图如图5所示。从图中可以看出各因素水平对塑件y方向翘曲变形量影响的直观变化。A因素注射时间的曲线几成一条水平直线，说明注射时间的影响微乎其微，随注射时间的增加y方向翘曲变形下降有限；B因素保压压力的影响最大，充分的保压压力可以大幅降低y方向的翘曲变形，曲线呈一路下降态势；C因素冷却时间和E因素熔体温度对y方向翘曲变形的影响都是先降低再增加，说明20 s的冷却时间和240 ℃的熔体温度才是合理的参数选择，过高和过低都会引起y方向翘曲的增加；D因素模具温度对塑件的影响也很小，主要在D4水平时上升幅度略大一点，整体呈现很小斜度的向上小幅增加趋势。

3 综合分析

取图4中各曲线最低点得体积收缩率最小时的工艺参数组合A4B4C2D1E1，取图5中各曲线最低点得y方向翘曲变形最小时的工艺参数组合A4B4C2D1E3，两种情况的工艺参数取值大体一致，唯有在E因素上有分歧。从两图的对比来看，如果E因素选择E1，则y方向的翘曲变形量比E3增加(0.462 1-0.380 7)/0.380 7=21.4 %；如果E因素选择E3，则体积收缩率比E1增加(5.011-4.841)/4.841=3.5 %。同时，又因为y方向翘曲变形是保证装配精度的主要因素，而体积收缩率更多地体现在整体上。综合以上原因，显然E3是更好地选择，故最终选定的最佳工艺参数组合为A4B4C2D1E3。

因为这一工艺组合并不在表3的试验组合中，在Moldflow中设置好对应参数再做一次模流分析以观结果，如图6～图13所示[9]。图6显示体积收缩率最大为4.703 %，虽不是表2中的最小值，但也较小，更是控制在5 %以内，总体收缩率不大。图7显示所有因素下y方向的最大翘曲变形为0.3298 mm，小于表2中的最小值，得到了最优效果。图8充填时间显示塑件最晚填充处在塑件的两耳和底孔处，为整个塑件最薄处，符合填充原则。图9显示的是填充过程中可能出现的气穴位置，全部集中在模具分型面处，即可利用模具分型面间隙排气，也可在对应处加开排气槽。

图10 的缩痕估算显示缩痕值基本控制在40 μm数量级，塑件表面质量出色。图11的回路冷却液温度显示进出口水温温差为1.63 ℃；图12显示了型腔填充时的熔体流动前沿温度，除塑件底面两孔处因壁薄和最晚填充温度略低外， 其它部位填充温度基本一致；图13

图6 体积收缩率Fig.6 Volume shrinkage

图7 y方向的翘曲变形Fig.7 Warpage on y direction

图8 充填时间Fig.8 Filling time

图9 气穴Fig.9 Cavitation

图10 缩痕估算Fig.10 Shrink mark estimation

(a)正面 (b)反面图13 总体温度Fig.13 Bulk temperature

显示塑件冷却比较均匀，保压冷却后的温度场分布也较均匀，塑件内外面各区域温差基本都在10 ℃以内，冷却效果非常好。

4 生产实证

按图14所示模具结构进行模具制造并以上述分析结果为基础进行试模，材料采用韩国锦湖公司的728-A牌号丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，调试时保持注射时间1.6 s、保压压力120 %(47.25 MPa)、冷却时间20 s、模具温度25 ℃和熔体温度240 ℃不变，适当调整螺杆背压。生产出的收纳盒产品如图15所示，经检测，塑件长度方向体积收缩率4.82 %，宽度方向收缩率4.69 %，高度方向收缩率4.71 %，平均收缩率4.74 %；y方向翘起变形量0.331 mm。该值与理论优化值相差无几，属于合理偏差范围，经厂家验货，符合厂家的生产要求，顺利交货。

1—浇口套 2—定模座板 3—型芯 4—定模板 5—上边锁 6—下边锁 7—冷却水道 8—型腔 9—动模板 10—推杆 11—拉料杆 12—支撑柱 13—垫块 14—推杆固定板 15—推杆推板 16—定模座板图14 模具结构Fig.14 Mold structure

图15 收纳盒产品Fig.15 Storage box product

5 结论

(1)通过正交试验和模流分析对汽车收纳盒注塑生产的调机参数进行了优化试验，影响收纳盒使用装配的主要是体积收缩率和y方向翘曲变形，得出了生产注塑的最佳工艺参数组合为：注射时间1.6 s、保压压力120 %、冷却时间20 s、模具温度25 ℃和熔体温度240 ℃，经生产实证，生产出的产品厂家顺利验收；

(2)通过正交试验和模流分析得出了各工艺参数对体积收缩率和y方向翘曲变形的影响力变化趋势，结果表明对这两个塑件性能指标影响较大的是保压压力和熔体温度，在调机注塑时应优先调试这2个参数；

(3)采用正交试验可获得针对塑件不同性能指标的不同参数影响趋势，可有针对性地高效实现调节塑件某个性能指标的参数调试，推动产品数字化设计驱动低成本创新的高质量发展，在塑料企业和模具企业具有广泛的推广价值。