基于正交试验的高性能排水管注塑成型工艺优化

Optimization of Injection Molding Process for High-Performance Drainage Pipe Based on Orthogonal Test

摘要

排水管作为基础设施，其成型质量直接影响居民的生活，因此对排水管的成型质量要求越来越高。以聚氯乙烯（PVC）建筑排水管为研究对象，以熔体温度、保压压力、模具温度和冷却时间4个因素为试验变量，以排水管的翘曲变形量为响应目标，建立L₉（3⁴）正交试验。结果表明：熔体温度对制件的翘曲变形影响较大，当熔体温度、模具温度、保压压力以及冷却时间分别为180 ℃、60 ℃、70 MPa和10 s时，制件的翘曲变形量相对较小，为2.624 0 mm。通过Moldflow模流分析软件对优化后的工艺参数进行验证，结果达到实际生产要求。

关键词

建筑排水管 / 正交试验 / Moldflow / 翘曲变形 / 工艺优化

Key words

Building drainage pipe / Orthogonal test / Moldflow / Warpage deformation / Process optimization

建筑排水管作为常用的基础设施之一，通过注塑成型工艺制得，所用材料为聚氯乙烯(PVC)。PVC具有不易燃、耐热性好、强度高、耐气候变化等优点，被广泛应用于室内外装饰、建材以及化工等领域^[1]。

排水管内部镂空，所以在成型过程中很容易发生翘曲变形，严重影响制件的成型质量^[2]。马春文^[3]对排水管结构进行分析，设计一套内螺纹抽芯注塑模具，有效改善制件的成型质量。简忠武等^[4]设计一副侧浇口两板注塑模具，用于PVC给排水管三通接头塑件的自动注塑成型。季宁等^[5]通过设计正交试验对防爆球的注塑成型工艺进行优化，优化后的制件能够达到实际生产工艺要求。覃清仪等^[6]基于计算机辅助工程模拟分析供水管路接口的注塑成型过程，设计一套性能良好的管道接头。邓然等^[7]对大弯径建筑塑料管接口注塑成型工艺进行研究，采取合理的方式有效降低了生产成本。丁华锋等^[8]通过Solidworks软件对管道的排布进行模拟，达到了降本增效的目的。张红等^[9]利用计算机辅助技术对管路接头注塑的同轴度进行优化，最终满足了工艺设计要求。李波等^[10]对水管接头注塑模具进行研究，结合CAE分析，缩短了模具的开发周期，提升了制件的成型质量。

本文对建筑排水管的研究，选取4个注塑工艺常见的工艺参数为试验变量，以制件的翘曲变形量为响应目标建立试验方案，通过极差分析，获取一组较佳的加工参数，旨在改善制件的成型质量。

1 模拟仿真

1.1 建立模型

图1为建筑排水管的三维模型。从图1可以看出，该制件为两个环形水管结合而成，最大长度为75 cm，最大宽度为40 cm。排水管通过一体成型工艺制得，所用材料为PVC塑料，该材料具有阻燃性能好、不易燃的优点^[11]。

1.2 网格划分

通过UG NX 10.0创建排水管模型，随后保存为iges格式，导入Moldflow模流分析软件中进行网格划分^[12]，图2为划分结果。其中划分网格单元尺寸为5 mm，网格总数为42 181，网格匹配率为92.56%。一般要求网格匹配率要大于90%^[11]，此时网格质量达到要求。本试验整体网格满足要求。

1.3 初始翘曲变形分析

首先对制件的浇口以及冷却系统进行分析，注塑件浇口位置一般遵循平衡单向填充^[12]。一般在壁厚较厚的位置设计浇口，对浇口数量也有一定的要求，制件的浇口一般略多有利于制件成型，但是不能过多，因为熔料在流动过程中会互相汇合，汇合处会产生熔接痕，浇口越多，对应的熔接痕也越多，影响制件的成型质量^[13]。冷却水路也要遵循水道尽量多、界面尺寸尽量大、沿着制件收缩方向排布等原则^[14]。

图3为冷却水路图。

对排水管初始翘曲变形进行模拟分析。当模具温度过高时，会导致熔料粘在模具上，温度过低则会导致熔料不能很好地充填模具，出现填充不足的情况^[15]。熔体温度也不能过高或过低，一般来说熔体温度略高有利于制件成型，这是因为温度高可导致分子运动加快，熔体流动性变好，但温度过高会导致材料热降解，过低则可能导致填充不足^[16]。保压压力过大会导致制件产生飞边、翘曲缺陷^[17]。表1为工业PVC注塑生产工艺参数^[18]。

初次模拟选取模具温度50 ℃、熔体温度170 ℃、保压压力60 MPa、冷却时间15 s，对制件进行注塑成型模拟。图4为初步模拟结果。

从图4可以看出，制件最大翘曲变形量为4.309 6 mm，并且在管道的拐角处翘曲变形最大，中间处变形量较小。这是因为制件在成型过程中拐角处的壁厚比较薄，因此更容易发生成型缺陷。在实际加工中，塑料件的变形量不应大于3 mm。初次模拟建筑排水管的翘曲变形量不满足实际加工要求，因此需要对其进行优化。

2 正交试验设计

2.1 正交试验设计

正交试验选取模具温度、熔体温度、保压压力以及冷却时间为试验变量，以制件的翘曲变形量为目标，建立四因素三水平的正交试验。表2为L₉(3⁴)正交试验因素水平设计。

2.2 正交试验分析

根据表2得到9组不同的工艺参数组合，通过Moldflow软件对9个组合进行模拟分析。表3为L₉(3⁴)正交试验结果。其中，R为翘曲变形量。为了进一步分析各实验变量对制件缺陷翘曲变形量的影响程度大小，对其进行极差分析。极差是最大值与最小值的差值^[19]。极差越大，表明该因素对制件的翘曲变形影响也越大^[20]。图5为翘曲变形量与因素水平的关系。

一般来说，最终目标需要所得到的制件翘曲变形量越小越好，所以所得到的k值越小越好^[21]。从表3和图5可以看出，最优水平分别为A₃B₃C₃D₁，各因素对翘曲变形量影响的主次关系从大到小为：熔体温度>保压压力>冷却时间>模具温度。

根据极差分析结果进行模拟验证，在模具温度60 ℃、熔体温度180 ℃、保压压力70 MPa、冷却时间10 s条件下，模拟翘曲变形量。图6为最终模拟结果。

从图6可以看出，优化后制件的最大翘曲变形量为2.624 0 mm，小于3 mm，达到实际生产要求，并且制件的整体翘曲变形量较未优化前有明显改善。

3 生产验证

根据正交试验结果，在模具温度60 ℃、熔体温度180 ℃、保压压力70 MPa、冷却时间10 s时，进行实际生产验证，通过Cpk值判定成型制件的质量，Cpk值越大表明得到的制件成型质量越好^[22]。表4为Cpk值处理原则^[23]。

根据实际生产得到的半成品制件，随机抽取20件作为测量对象，通过游标卡尺对其翘曲变形量进行测量。表5为20个样品翘曲值，图7为排水管Cpk分析结果。

从图7a可以看出，样本数据与分布拟合和规格限的关系呈现正态分布。从图7b可以看出，各散点基本分布在一条直线上，表明拟合效果较好^[24]。从图7c可以看出，Cpk值为1.51，根据表6处理原则，制件成型质量较好，继续保持。

4 结论

通过正交试验得出制件翘曲变形量最小时的工艺参数为模具温度60 ℃、熔体温度180 ℃、保压压力70 MPa、冷却时间10 s，4个变量对翘曲变形量的影响因素大小分别为：熔体温度＞保压压力＞冷却时间＞模具温度。

优化后通过Moldflow模拟验证得到制件最大翘曲变形量为2.624 0 mm，小于3 mm，达到生产要求。

通过Cpk质量分析，在正交试验得到的较佳成型工艺参数组合条件下，制件的拟合效果较好，Cpk值为1.51，成型质量较好，继续保持。

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