婁艷華,周建華
（濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南濮陽(yáng)457000）
摘要：排水管作為基礎(chǔ)設(shè)施，其成型質(zhì)量直接影響居民的生活，因此對(duì)排水管的成型質(zhì)量要求越來(lái)越高。以聚氯乙烯（PVC）建筑排水管為研究對(duì)象，以熔體溫度、保壓壓力、模具溫度和冷卻時(shí)間4個(gè)因素為試驗(yàn)變量，以排水管的翹曲變形量為響應(yīng)目標(biāo)，建立L9（34）正交試驗(yàn)。結(jié)果表明：熔體溫度對(duì)制件的翹曲變形影響較大，當(dāng)熔體溫度、模具溫度、保壓壓力以及冷卻時(shí)間分別為180℃、60℃、70MPa和10s時(shí)，制件的翹曲變形量相對(duì)較小，為2.6240mm。通過(guò)Moldflow模流分析軟件對(duì)優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求。
關(guān)鍵詞：建筑排水管；正交試驗(yàn)；Moldflow；翹曲變形；工藝優(yōu)化
建筑排水管作為常用的基礎(chǔ)設(shè)施之一，通過(guò)注塑成型工藝制得，所用材料為聚氯乙烯(PVC)。PVC具有不易燃、耐熱性好、強(qiáng)度高、耐氣候變化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外裝飾、建材以及化工等領(lǐng)域[1]。
排水管內(nèi)部鏤空，所以在成型過(guò)程中很容易發(fā)生翹曲變形，嚴(yán)重影響制件的成型質(zhì)量[2]。馬春文[3]對(duì)排水管結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一套內(nèi)螺紋抽芯注塑模具，有效改善制件的成型質(zhì)量。簡(jiǎn)忠武等[4]設(shè)計(jì)一副側(cè)澆口兩板注塑模具，用于PVC給排水管三通接頭塑件的自動(dòng)注塑成型。季寧等[5]通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)對(duì)防爆球的注塑成型工藝進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的制件能夠達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)工藝要求。覃清儀等[6]基于計(jì)算機(jī)輔助工程模擬分析供水管路接口的注塑成型過(guò)程，設(shè)計(jì)一套性能良好的管道接頭。鄧然等[7]對(duì)大彎徑建筑塑料管接口注塑成型工藝進(jìn)行研究，采取合理的方式有效降低了生產(chǎn)成本。丁華鋒等[8]通過(guò)Solidworks軟件對(duì)管道的排布進(jìn)行模擬，達(dá)到了降本增效的目的。張紅等[9]利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對(duì)管路接頭注塑的同軸度進(jìn)行優(yōu)化，最終滿(mǎn)足了工藝設(shè)計(jì)要求。李波等[10]對(duì)水管接頭注塑模具進(jìn)行研究，結(jié)合CAE分析，縮短了模具的開(kāi)發(fā)周期，提升了制件的成型質(zhì)量。
本文對(duì)建筑排水管的研究，選取4個(gè)注塑工藝常見(jiàn)的工藝參數(shù)為試驗(yàn)變量，以制件的翹曲變形量為響應(yīng)目標(biāo)建立試驗(yàn)方案，通過(guò)極差分析，獲取一組較佳的加工參數(shù)，旨在改善制件的成型質(zhì)量。
1模擬仿真
1.1建立模型
圖1為建筑排水管的三維模型。從圖1可以看出，該制件為兩個(gè)環(huán)形水管結(jié)合而成，最大長(zhǎng)度為75cm，最大寬度為40cm。排水管通過(guò)一體成型工藝制得，所用材料為PVC塑料，該材料具有阻燃性能好、不易燃的優(yōu)點(diǎn)[11]。
1.2網(wǎng)格劃分
通過(guò)UGNX10.0創(chuàng)建排水管模型，隨后保存為iges格式，導(dǎo)入Moldflow模流分析軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分[12]，圖2為劃分結(jié)果。其中劃分網(wǎng)格單元尺寸為5mm，網(wǎng)格總數(shù)為42181，網(wǎng)格匹配率為92.56%。一般要求網(wǎng)格匹配率要大于90%[11]，此時(shí)網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到要求。本試驗(yàn)整體網(wǎng)格滿(mǎn)足要求。
1.3初始翹曲變形分析
首先對(duì)制件的澆口以及冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析，注塑件澆口位置一般遵循平衡單向填充[12]。一般在壁厚較厚的位置設(shè)計(jì)澆口，對(duì)澆口數(shù)量也有一定的要求，制件的澆口一般略多有利于制件成型，但是不能過(guò)多，因?yàn)槿哿显诹鲃?dòng)過(guò)程中會(huì)互相匯合，匯合處會(huì)產(chǎn)生熔接痕，澆口越多，對(duì)應(yīng)的熔接痕也越多，影響制件的成型質(zhì)量[13]。冷卻水路也要遵循水道盡量多、界面尺寸盡量大、沿著制件收縮方向排布等原則[14]。圖3為冷卻水路圖。
對(duì)排水管初始翹曲變形進(jìn)行模擬分析。當(dāng)模具溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熔料粘在模具上，溫度過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致熔料不能很好地充填模具，出現(xiàn)填充不足的情況[15]。熔體溫度也不能過(guò)高或過(guò)低，一般來(lái)說(shuō)熔體溫度略高有利于制件成型，這是因?yàn)闇囟雀呖蓪?dǎo)致分子運(yùn)動(dòng)加快，熔體流動(dòng)性變好，但溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致材料熱降解，過(guò)低則可能導(dǎo)致填充不足[16]。保壓壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致制件產(chǎn)生飛邊、翹曲缺陷[17]。表1為工業(yè)PVC注塑生產(chǎn)工藝參數(shù)[18]。
初次模擬選取模具溫度50℃、熔體溫度170℃、保壓壓力60MPa、冷卻時(shí)間15s，對(duì)制件進(jìn)行注塑成型模擬。圖4為初步模擬結(jié)果。
從圖4可以看出，制件最大翹曲變形量為4.3096mm，并且在管道的拐角處翹曲變形最大，中間處變形量較小。這是因?yàn)橹萍诔尚瓦^(guò)程中拐角處的壁厚比較薄，因此更容易發(fā)生成型缺陷。在實(shí)際加工中，塑料件的變形量不應(yīng)大于3mm。初次模擬建筑排水管的翹曲變形量不滿(mǎn)足實(shí)際加工要求，因此需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。
2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)
2.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)
正交試驗(yàn)選取模具溫度、熔體溫度、保壓壓力以及冷卻時(shí)間為試驗(yàn)變量，以制件的翹曲變形量為目標(biāo)，建立四因素三水平的正交試驗(yàn)。表2為L(zhǎng)9(34)正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)。
2.2正交試驗(yàn)分析
根據(jù)表2得到9組不同的工藝參數(shù)組合，通過(guò)Moldflow軟件對(duì)9個(gè)組合進(jìn)行模擬分析。表3為L(zhǎng)9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果。其中，R為翹曲變形量。為了進(jìn)一步分析各實(shí)驗(yàn)變量對(duì)制件缺陷翹曲變形量的影響程度大小，對(duì)其進(jìn)行極差分析。極差是最大值與最小值的差值[19]。極差越大，表明該因素對(duì)制件的翹曲變形影響也越大[20]。圖5為翹曲變形量與因素水平的關(guān)系。
一般來(lái)說(shuō)，最終目標(biāo)需要所得到的制件翹曲變形量越小越好，所以所得到的k值越小越好[21]。從表3和圖5可以看出，最優(yōu)水平分別為A3B3C3D1，各因素對(duì)翹曲變形量影響的主次關(guān)系從大到小為：熔體溫度>保壓壓力>冷卻時(shí)間>模具溫度。
圖5翹曲變形量與因素水平的關(guān)系
根據(jù)極差分析結(jié)果進(jìn)行模擬驗(yàn)證，在模具溫度60℃、熔體溫度180℃、保壓壓力70MPa、冷卻時(shí)間10s條件下，模擬翹曲變形量。圖6為最終模擬結(jié)果。
圖6最終模擬結(jié)果
從圖6可以看出，優(yōu)化后制件的最大翹曲變形量為2.6240mm，小于3mm，達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求，并且制件的整體翹曲變形量較未優(yōu)化前有明顯改善。
3生產(chǎn)驗(yàn)證
根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，在模具溫度60℃、熔體溫度180℃、保壓壓力70MPa、冷卻時(shí)間10s時(shí)，進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，通過(guò)Cpk值判定成型制件的質(zhì)量，Cpk值越大表明得到的制件成型質(zhì)量越好[22]。表4為Cpk值處理原則[23]
根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)得到的半成品制件，隨機(jī)抽取20件作為測(cè)量對(duì)象，通過(guò)游標(biāo)卡尺對(duì)其翹曲變形量進(jìn)行測(cè)量。表5為20個(gè)樣品翹曲值，圖7為排水管Cpk分析結(jié)果。
從圖7a可以看出，樣本數(shù)據(jù)與分布擬合和規(guī)格限的關(guān)系呈現(xiàn)正態(tài)分布。從圖7b可以看出，各散點(diǎn)基本分布在一條直線(xiàn)上，表明擬合效果較好[24]。從圖7c可以看出，Cpk值為1.51，根據(jù)表6處理原則，制件成型質(zhì)
量較好，繼續(xù)保持。
4結(jié)論
通過(guò)正交試驗(yàn)得出制件翹曲變形量最小時(shí)的工藝參數(shù)為模具溫度60℃、熔體溫度180℃、保壓壓力70MPa、冷卻時(shí)間10s，4個(gè)變量對(duì)翹曲變形量的影響因素大小分別為：熔體溫度＞保壓壓力＞冷卻時(shí)間＞模具溫度。
優(yōu)化后通過(guò)Moldflow模擬驗(yàn)證得到制件最大翹曲變形量為2.6240mm，小于3mm，達(dá)到生產(chǎn)要求。
通過(guò)Cpk質(zhì)量分析，在正交試驗(yàn)得到的較佳成型工藝參數(shù)組合條件下，制件的擬合效果較好，Cpk值為1.51，成型質(zhì)量較好，繼續(xù)保持。
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