基于田口实验的快速冷热成型MP4外壳注塑工艺优化

罗华云，冯永平

（南昌大学科学技术学院，江西省南昌市 330029）

基于田口实验的快速冷热成型MP4外壳注塑工艺优化

罗华云，冯永平

（南昌大学科学技术学院，江西省南昌市 330029）

根据快速冷热成型特点，以某款MP4外壳为例，采用Moldflow2012软件分析了引起翘曲变形的原因；利用田口实验的正交表和Moldflow2012软件，以减小产品的翘曲变形量和体积收缩率为研究目标，通过极差分析了5个研究变量对翘曲变形量和体积收缩率的影响，并且通过研究田口实验方法中的望小特性，得出了综合评价塑件质量研究目标的最佳工艺参数组合：熔体温度为235 ℃、模具温度为75 ℃、保压压力为85 MPa、注射压力为75 MPa、注射时间为6 s，并验证了其合理性。

田口实验 快速冷热成型 工艺参数 望小特性

快速冷热成型技术［1-3］主要原理是利用三维无汇线模具及温控设备，使模具内的温度快速加热及冷却，从而使塑件表面质量得到显著改善。体积收缩率和翘曲变形是影响塑件产品质量的主要问题。本工作以某款MP4外壳为例，从快速冷热成型工艺入手，利用田口实验方法（即通过实验进行系统参数最佳化设计的方法）的正交表和Moldflow2012软件进行分析，以减小产品的翘曲变形量和体积收缩率为研究目标，通过极差分析，分析了主要工艺参数对翘曲变形量和体积收缩率的影响及最佳工艺参数组合，并利用田口实验设计中的望小特性（即研究的目标函数值越小，品质越佳）得出了综合评价塑件质量研究目标的最佳工艺参数组合，并验证了其合理性。

1 MP4外壳快速冷热成型产品信息

某款MP4外壳尺寸为85 mm×35 mm×6 mm，壁厚为1 mm，基材为ABS树脂，树脂牌号为Lustran-ABS-1146，密度为1.054 1 g/cm3，最大剪切应力为0.28 MPa，最大剪切速率为5 000 s-1，计算收缩率为0.55%，吸水率为0.3%，通过UG三维造型，导入Moldflow2012软件，网格类型为双层面，采用冷却、填充、保压、翘曲，一模两腔，侧浇口，进行网格划分，修改后的网格单位为8 503个，匹配比例为89.5%，产品模型和计算机辅助工程（CAE）分析模型见图1。

图1 MP4外壳模型及其CAE分析模型Fig.1 Model and CAE analysis model of MP4 cover

2 翘曲变形原因分析

利用Moldflow2012软件对MP4外壳进行模拟分析［4-6］。从图2可以看出：由于冷却不均引起的翘曲变形量为0.009 6 mm，收缩不均引起的翘曲变形量为0.269 2 mm，而取向因素引起的翘曲变形量近似为0，所以造成翘曲变形量的主要原因是收缩不均引起的，其次是冷却不均，而取向因素没有什么影响。

图2 MP4外壳翘曲变形原因分析结果Fig.2 Results of cause analysis on warping deformation of MP4 cover

3 田口实验设计

田口实验设计［7-9］选取熔体温度、模具温度、保压压力、注射压力和注射时间作为研究变量，体积收缩率和翘曲变形量作为研究目标，各研究变量取值见表1。

表1 5因素和4水平取值Tab.1 5 variables and 4 level values

采用田口实验中的L16（45）正交表进行实验，根据快速冷热成型工艺，借助Moldflow2012软件分析，得到某款MP4外壳的体积收缩率见表2。以体积收缩率和翘曲变形量为研究目标，依据田口实验中相关信噪比（S/N）理论，采用望小特性，塑件产品质量的综合研究目标见式（1）。

表2 正交试验测试结果Tab.2 Testing results of orthogonal samples

式中：y1表示体积收缩率，y2表示翘曲变形量，Y表示综合研究目标。

4 变量对研究目标的影响

利用极差法对L16（45）正交表获取的数据进行分析（见表3）。K表示第i研究目标第j水平，其中i=1～2，j=1～4，Km1～Km4表示采用望小特性分析的综合评价的均值；R1n，R2n，Rn分别表示体积收缩率、翘曲变形量和综合研究目标的极差［10-15］。

表3 正交实验结果的极差分析Tab.3 Range analysis of orthogonal experiment

通过对体积收缩率的极差分析可知：注射时间影响最大，其次是熔体温度和模具温度，最后是注射压力和保压压力，最佳工艺参数组合为：熔体温度235 ℃，模具温度80 ℃，保压压力85 MPa，注塑压力100 MPa，注塑时间6 s，借助Moldflow2012软件得到的5变量4水平对体积收缩率的影响趋势见图3。

图3 5变量4水平对体积收缩率的影响趋势Fig.3 Influence of five variables and four levels on volume shrinkage

通过对翘曲变形量的极差分析可知：注射压力影响最大，其次是熔体温度和注射时间，最后是保压压力和模具温度，其最佳工艺参数组合：熔体温度为235 ℃，模具温度为75 ℃，保压压力为85 MPa，注塑压力为175 MPa，注塑时间为6 s，借助Moldflow2012软件得到5变量4水平对翘曲变形量的影响趋势见图4。

图4 5变量4水平对翘曲变形量的影响趋势Fig.4 Influence of five variables and four levels on warping deformation

通过对体积收缩率和翘曲变形量进行综合研究进行极差分析可以得出：注射时间的影响最大，其次是注射压力和熔体温度，最后是保压压力和模具温度。采用田口实验方法中的S/N理论，由于S/N理论值越大，塑件产品的质量越好，因此，综合评价塑件质量研究目标的最佳工艺参数组合为：熔体温度235 ℃、模具温度75 ℃、保压压力85 MPa、注射压力75 MPa、注射时间6 s，借助Moldflow2012软件5变量4水平对综合评价质量的影响趋势见图5。

通过以上分析得到MP4外壳表面质量最佳工艺参数组合：熔体温度为235 ℃、模具温度为75℃、保压压力为85 MPa、注射压力为75 MPa、注射时间为6 s。以此工艺参数组合，通过Moldflow2012软件模拟，产品模型分析结果见图6，体积收缩率为4.835 0%、翘曲变形量为0.120 1 mm，满足MP4塑件质量要求。

图5 5变量4水平对综合评价质量的影响趋势Fig.5 Influence of five variables and four levels on comprehensive evaluation of quality

图6 MP4外壳的体积收缩率和翘曲变形量Fig.6 Volume shrinkage and warping deformation of MP4 cover

5 结论

a）利用Moldflow2012软件对某款MP4外壳进行模拟分析，得知引起翘曲变形的主要原因是收缩不均。

b）通过分析田口实验设计中望小特性，得出综合评价塑件质量研究目标的最佳工艺参数组合，即熔体温度为235 ℃、模具温度为75 ℃、保压压力为85 MPa、注射压力为75 MPa、注射时间为6 s，并验证了该优化组合的合理性，为企业生产提供了理论指导。

[1] 刘东雷，辛勇.高光注射成型工艺特性研究：翘曲、收缩与沉降指数［J］.中国塑料，2009，38（2）：112-114.

[2] Yao Donggang，Chen Shia-Chung，Kim B H. Rapid thermalcycling of injection molds： an overview on technical approaches and applications［J］.Adv Polym Tech，2008，27（4）：233-255.

[3] 刘东雷，辛勇.基于综合平衡法的RHCM成型LCD电视机前面壳工艺优化研究［J］.中国塑料，2008，22（11）：70-74.

[4] 申长雨，王利霞，陈静波，等.基于CAE技术的注塑模具设计［J］.中国塑料，2002，16（1）：74-78.

[5] 李焱.Moldflow软件的MP4壳体注塑分析与优化设计［D］.天津：天津大学，2011.

[6] 朱俊杰.注射压缩成型的CAE三维模拟分析［J］.塑料，2014，43（3）：4-6.

[7] 文放怀.田口方法［M］.广州：广东经济出版社，2006：9.

[8] 刘东雷，辛勇.基于多指标综合评价策略的快速冷热成型工艺优化研究［J］. 中国塑料，2008，22（12）：71-75.

[9] 罗华云，邱国旺，卢齐英.基于BP神经网络的高光无流痕成型工艺优化［J］. 塑料，2012，41（6）：81-83.

[10] 丁建波，曹将栋.基于Moldflow的复杂产品注塑成型数值模拟［J］.塑料， 2013， 42（1）： 97-100.

[11] 罗华云，冯永平，谢晖.基于某款汽车遥控外壳高温快速成形工艺优化［J］. 合成树脂及塑料，2015，32（6）：56-58.

[12] Yu Mingching，Young Wenbin，Hu Peming.Micro-injection molding with the infrared assisted mold heating system［J］.Material Science and Engineering A，2007，460-461（7）：288-295.

[13] 潘丽军，陈锦权.试验设计与数据处理［M］.南京：东南大学出版社，2008：2.

[14] 罗华云.高光注射成型产品缺陷预测与控制研究［D］.南昌：南昌大学，2010.

[15] 张正彬，陈晨，陈从升.高光成型制品体积收缩率的数值模拟优化与结果预测［J］.塑料工业，2011，39（5）：117-120.

Optimization for rapid heat cycling molding process of MP4 cover based on Taguchi experiment

Luo Huayun， Feng Yongping
（Science and Technology College of Nanchang University， Nanchang 330029， China）

The causes of warpage on the cover of a MP4 were analyzed by Moldflow2012 software based on characteristics of rapid heat cycling. The orthogonal table of Taguchi experiment and Moldflow2012 were used to reduce the warping deformation and volume shrinkage， the impact of five research variables on warping deformation and volume shrinkage rate were analyzed via range. The property of smaller-the-better in Taguchi methods was studied to conclude that the optimal technological parameters combination of the comprehensive evaluation on parts quality are：melt temperature is 235 ℃， die temperature is 75 ℃， packing pressure is 85 MPa， injection pressure is 75 MPa， and injection time is 6 s， which have been verified.

Taguchi experiment； rapid heat cycling； technological parameter； smaller-the-better

TP 391.72

B

1002-1396（2017）01-0066-04

2016-08-12；

2016-10-27。

罗华云，女，1981生，硕士，讲师，主要从事模具CAD/CAE/CAM教学工作及研究。联系电话：13576047735；E-mail：happyegg2001@163.com。

江西省高等学校教学改革研究省级课题（JXJG-14-28-10）资助项目，江西省高等学校教学改革研究省级课题（JXJG--15-30-3）资助项目。