基于正交试验的高铁橡胶外风挡注射成型工艺参数优化

陈明同，姜晓妍，赵羽劲，朱维浩，曾宪奎*，陈爽晴

（1.青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061；2.青岛澳泰交通设备有限公司，山东 青岛 266061）

橡胶外风挡[1-6]是高铁的重要部件，其生产方式主要是模压成型和注射成型两种。模压成型生产的橡胶外风挡的废品率较高，因此注射成型[7]是生产橡胶外风挡的最佳选择。但在橡胶外风挡注射成型生产中，注射工艺参数设置不合理会产生体积收缩等质量问题。针对橡胶外风挡注射成型中产生的质量问题，对高铁橡胶外风挡进行注射工艺参数优化是十分必要的。

S.P.HONG等[8]运用CAE技术研究了汽车挡泥板的注射成型过程。H.RASHID等[9]以阿迪达斯足球鞋底为例，运用CAE技术分析和预测了注射过程中制品可能产生的缺陷，有助于缩短产品开发时间和降低成本。

本研究采用正交试验设计方案，运用Moldflow软件对高铁橡胶外风挡（以下简称橡胶外风挡）注射成型过程进行模拟分析，并采用多元回归方程拟合影响因素与响应参数之间的函数关系，通过对回归方程的分析，寻求最优工艺参数，以达到优化的目的。

1 注射成型工艺参数优化试验设计

本研究橡胶外风挡注射成型工艺参数优化的流程为：建立试验模型→确定模拟试验目标→确定试验因子与水平→选取合适的正交试验方案→采用Moldflow软件分析→模拟试验结果数据处理→工艺参数优化。

1.1 试验模型建立

本工作选取橡胶外风挡的部分实体为研究对象，其尺寸为2 300 mm×300 mm×252 mm，上端壁厚15 mm，下端壁厚7 mm，体积为16 672 cm3，通过Creo软件建模后导入Moldflow软件中，定义网格长度为18 mm，划分的三角形网格数为24 796，表面面积为16 654 cm2，纵横比最大为4.52，最小为1.16，匹配率为93%。

橡胶外风挡材料是三元乙丙橡胶（EPDM）胶料[10]，EPDM牌号为P127T910，胶料密度为1.15 Mg·m-3。Moldflow软件推荐的模具温度范围为185～205 ℃，熔体（胶料）温度范围为 65～75 ℃，这为仿真试验工艺参数设置提供了参考。

本研究依据实际生产经验，选择模具温度、熔体温度、注射时间、保压时间和保压压力为影响橡胶外风挡体积收缩率的因素，橡胶外风挡顶出时的体积收缩率和缩痕指数为试验指标。

设定初始工艺参数为：模具温度 195 ℃，熔体温度 70 ℃，注射时间 180 s，保压时间 10 s，保压压力 100 MPa。模拟初始工艺参数下橡胶外风挡顶出时的体积收缩率最大值为5.79%，缩痕指数最大值为6.23%，如图1和2所示。

图1 初始工艺参数下橡胶外风挡顶出时的体积收缩率Fig.1 Volume shrinkage rate of rubber outer windshield during ejection under initial process parameters

图2 初始工艺参数下橡胶外风挡顶出时的缩痕指数Fig.2 Shrinkage mark index of rubber outer windshield during ejection under initial process parameters

1.2 正交试验安排与模拟结果

根据Moldflow软件推荐的工艺参数和实际生产经验确定试验因子，每个因子取5个水平，建立因子与水平表[11]，如表1所示。选用L25（55）正交试验表，采用Moldflow软件进行25次模拟试验，正交试验方案和模拟结果如表2所示。

表1 因子与水平表Tab.1 Factor and level table

1.3 试验数据极差分析

1.3.1 顶出时的体积收缩率

对表2中的模拟结果进行极差分析，得到橡胶外风挡顶出时的体积收缩率极差，如表3所示。

表2 正交试验方案及结果Tab.2 Orthogonal test schemes and results

极差越大，说明该因素对试验指标的影响越大，也就越重要。从表3可以看出，注射工艺参数对橡胶外风挡顶出时的体积收缩率的影响程度从大到小的排序为A，B，D，E，C。

分析表3数据，可以得出如下结论。

表3 橡胶外风挡顶出时的体积收缩率极差分析结果Tab.3 Range analysis results of volume shrinkage rate of rubber outer windshield during ejection %

随着模具温度的提高，橡胶外风挡顶出时的体积收缩率增大，这是因为在橡胶外风挡顶出时注射口处的胶料停止注入，注射压力和保压压力都消失，模具温度的提高使胶料的定型速度降低，导致橡胶外风挡顶出时的热膨胀力增大，从而加大体积收缩率，降低生产效率[12]。

随着熔体温度的提高，橡胶外风挡顶出时的体积收缩率增大，这是因为胶料的熔体温度升高，橡胶分子之间作用力减小，胶料的密度变小，橡胶外风挡顶出时的密度增幅较大，从而使体积收缩率增大。

随着注射时间的延长，橡胶外风挡顶出时的体积收缩率先减小后增大。这是因为注射过快，导致注射压力高，橡胶外风挡内部存在较大的残余应力，体积收缩率变大；注射过慢，使先注入的胶料受模具温度的影响温升大，等同于提高了胶料的熔体温度，使橡胶外风挡顶出时的体积收缩率变大[13]。

随着保压时间的延长，橡胶外风挡顶出时的体积收缩率先增大后减小。先增大的原因是保压时间过短与注射过快一样，橡胶外风挡内部存在较大的残余应力，体积收缩率增大；后减小的原因是保压时间趋于合理，使胶料均匀充满型腔，橡胶外风挡顶出时的体积收缩率减小。

随着保压压力的增大，橡胶外风挡顶出时的体积收缩率波动变化，但变化幅度减小，这是因为保压压力变大导致型腔内的胶料充填均匀、紧密，使橡胶外风挡与模腔的尺寸更加接近，进而使其顶出后的体积收缩率变化幅度减小[14]，但是保压压力过大会导致橡胶外风挡顶出后收缩不均匀，因此要设置合理的保压压力。

橡胶外风挡顶出时的体积收缩率最小的注射工艺参数组合为A1B1C2D5E1，即模具温度 185℃，熔体温度 65 ℃，注射时间 170 s，保压时间14 s，保压压力 90 MPa。

1.3.2 顶出时的缩痕指数

橡胶外风挡顶出时的缩痕指数的极差分析结果如表4所示。

表4 橡胶外风挡顶出时的缩痕指数极差分析结果Tab.4 Range analysis results of shrinkage mark index of rubber outer windshield during ejection %

从表4可以看出，注射工艺参数对橡胶外风挡顶出时的缩痕指数的影响程度从大到小的排序为A，B，D，E，C。

计算橡胶外风挡顶出时的缩痕指数使用的是体积收缩率和产品壁厚数值，橡胶外风挡在水平切面上为等壁厚制件，故各工艺参数对橡胶外风挡顶出时的缩痕指数的影响趋势与表3的体积收缩率结果大致相同。

分析表4数据可知，橡胶外风挡顶出时的缩痕指数最小的注射工艺参数组合为A1B1C2D5E1，与体积收缩率最小的注射工艺参数组合相同。

1.4 试验数据方差分析

1.4.1 顶出时的体积收缩率

方差分析法中，P值是衡量试验值与目标值差异的指标，P值小于0.05表示试验值与目标值差异显著，对应因子不能忽略。根据正交试验结果，得到橡胶外风挡顶出时的体积收缩率方差分析结果，如表5所示。

表5 橡胶外风挡顶出时的体积收缩率方差分析结果Tab.5 Variance analysis results of volume shrinkage rate of rubber outer windshield during ejection

从表5可以看出，5项工艺参数对橡胶外风挡顶出时的体积收缩率的影响程度从大到小的排序为：A，B，D，E，C。

根据顶出时的体积收缩率方差分析结果，橡胶外风挡的注射工艺参数优化结论如下。

（1）模具温度的P值小于0.05，说明模具温度对橡胶外风挡顶出时的体积收缩率影响显著，故在生产过程中应对模具温度重点关注。

（2）熔体温度、注射时间、保压时间、保压压力的P值均大于0.05，但是熔体温度的P值远小于其余3项的P值。结合实际生产经验，在以顶出时的体积收缩率为目标进行橡胶外风挡注射工艺参数优化时，除了重点确定模具温度外，还需要确定熔体温度，注射时间、保压时间和保压压力3项工艺参数则合理设置。

1.4.2 顶出时的缩痕指数

橡胶外风挡顶出时的缩痕指数的方差分析结果如表6所示。

表6 橡胶外风挡顶出时的缩痕指数方差分析结果Tab.6 Variance analysis results of shrinkage mark index of rubber outer windshield during ejection

从表6可以看出，5项工艺参数对橡胶外风挡缩痕指数的影响程度从大到小的排序为A，B，D，E，C。

根据顶出时的缩痕指数方差分析结果，橡胶外风挡注射工艺参数优化结论如下。

（1）模具温度的P值小于0.05，说明模具温度对橡胶外风挡顶出时的缩痕指数影响显著，故在生产过程中应对模具温度重点关注。

（2）熔体温度、注射时间、保压时间和保压压力的P值均大于0.05，但是熔体温度和保压时间的P值远小于其余2项的P值。结合实际生产经验，在以顶出时的缩痕指数为目标进行橡胶外风挡注射工艺参数优化时，除了重点确定模具温度外，还需要确定熔体温度和保压时间，注射时间和保压压力2项工艺参数则合理设置。

2 响应曲面法优化

对橡胶外风挡顶出时的体积收缩率和缩痕指数各赋予0.5的权重，合并为橡胶外风挡的质量指数，从而将多目标问题转化为单目标，实现多目标问题的综合优化[15]。

橡胶外风挡质量指数的响应曲面方程表示为

式中，xA，xB，xC，xD，xE分别为模具温度、熔体温度、注射时间、保压时间和保压压力。

选取表2中的数据，应用Minitab软件，计算得到响应曲面因数，如表7所示。

表7 响应曲面因数Tab.7 Coefficients of response surface

建立多元回归方程：

式中，xA∈[185，205]，xB∈[65.0，75.0]，xC∈[160，200]，xD∈[6，14]，xE∈[90，110]。

对方程（2）求解最小值，得到xA＝185 ℃，xB＝65 ℃，xC＝160 s，xD＝14 s，xE＝110 MPa时，Ymin＝4.397，即模具温度为185 ℃、熔体温度为65℃、注射时间为160 s、保压时间为14 s、保压压力为110 MPa时，取得橡胶外风挡质量指数最小值为4.397%。

在此工艺参数下，采用Moldflow软件模拟，结果如图3和4所示，得到橡胶外风挡顶出时的体积收缩率最大值为4.165%，缩痕指数最大值为5.103%，质量指数最大值为4.634%。

图3 工艺参数优化后橡胶外风挡顶出时的体积收缩率Fig.3 Volume shrinkage rate of rubber outer windshield during ejection after optimization of process parameters

3 结论

（1）模具温度对橡胶外风挡顶出时的体积收缩影响最为显著，其后依次是熔体温度、保压时间、保压压力和注射时间。若要减小橡胶外风挡顶出时的体积收缩率，可以在工艺参数范围内降低模具温度和熔体温度，而保压时间、保压压力和注射时间则合理设置。

图4 工艺参数优化后橡胶外风挡顶出时的缩痕指数Fig.4 Shrinkage mark index of rubber outer windshield during ejection after optimization of process parameters

（2）建立了试验因素与优化指标之间的多元非线性回归方程，对工艺参数寻优。最优工艺参数组合为：模具温度 185 ℃，熔体温度 65 ℃，注射时间 160 s，保压时间 14 s，保压压力 110 MPa。采用Moldflow软件模拟的橡胶外风挡顶出时的体积收缩率最大值为4.165%，缩痕指数最大值为5.103%。

（3）橡胶外风挡质量指数的模拟最大值与回归方程预测最小值分别为4.634%和4.397%，这说明建立的多元非线性回归方程能够较好地拟合出橡胶外风挡工艺参数与质量指数之间的非线性关系，响应曲面法能够有效地找到橡胶外风挡最优的工艺参数组合。