PE管件注塑成型工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、PE 管件注塑成型工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)宋財(cái)福 1張 鵬 2譚建志1(1. 中國(guó)聯(lián)塑集團(tuán)控股有限公司 , 佛山 528318; 2. 廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院 , 廣州 510090摘要 在制品結(jié)構(gòu) 、 材料 、 模具 結(jié)構(gòu)已確定的情況下 , 將管件各孔 口的不圓 度作為評(píng)價(jià) 其質(zhì)量的 標(biāo)準(zhǔn) , 采 用正交 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及 模擬分析研究注射時(shí)間 、 模具 溫度 、 熔體溫 度 、 保壓壓 力 、 保 壓時(shí)間 、 冷 卻時(shí)間 等注塑 成型工藝 參數(shù) 及它們之間的交 互作用對(duì) Y 型 PE 三通管件孔口不圓度的 影響 。 結(jié)果表 明 , 保壓 壓力和保 壓時(shí)間 的交互 作用較 小 , 最佳工藝組合對(duì) 孔口

2、不圓度有所改善 。關(guān)鍵詞 注 塑管件 孔口失圓 正交試驗(yàn) 工藝參數(shù)隨著聚乙烯 (PE 制備工藝的成熟及其安全環(huán) 保的使用性能 , PE 管件在市政工程、 化工、 電信電氣 等行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越多 , 其所占市場(chǎng)份額大有超越傳統(tǒng)的聚氯乙烯 (PVC 、 PP -R 管件之勢(shì) 1, 但受 材料本身流變性能及成型性能的影響 , 注塑出來(lái)的 PE 管件收縮大、 孔口易失圓 , 使用時(shí)與其它管件或 管材熔接時(shí)重疊面積小或難于承插 , 即使在夾具的 作用下能夠得以熔接 , 但在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中易產(chǎn) 生蠕變失效 , 導(dǎo)致嚴(yán)重的質(zhì)量事故2。不同密度 PE 的收縮率變化范圍都很大 (低密 度 PE 收縮率在 1

3、. 5%5. 0%之間 , 高密度 PE 在 2. 5%6. 0%之間 , 使得管件的區(qū)域收縮不均更 加突出。聚烯烴分子 取向?qū)е碌母飨?收縮不均是 PE 管件收縮不均的原因 , 而收縮不均、 分子取向及 制品各處冷卻速率不同又導(dǎo)致殘余應(yīng)力 , 這是管件 孔口變形的直接原因3。一般而言 , 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)決定了 40%的變形 , 模具結(jié) 構(gòu)及材料決定 了 30%的變形 , 工藝 決定了 10%的變形 , 在制 品結(jié)構(gòu)、 模具結(jié) 構(gòu)、 材料確定的情況下 , 只有利用科學(xué)合理的方法設(shè) 計(jì)制品成型工藝 , 才能減少 PE 管件孔口的變形4。1 實(shí)例分析圖 1為本公司生產(chǎn)的用于高層建筑同層排水的 Y 型 P

4、E 三通管件結(jié)構(gòu) (將各孔口分支按圖示進(jìn)行 編號(hào) 。 Y 型 的夾角 為 60 , 整 個(gè)管 件壁厚 均勻一 致 , 為 4. 8mm , 最大輪廓尺寸為 267mm 279mm 110mm, 管件所需承受的標(biāo)稱壓力為 1. 6M Pa , 因各 孔口平面用于與管材或管件熔接 , 故對(duì)孔口圓度要 求很高 , 外觀要求次之 , 在已優(yōu)化制品及模具結(jié)構(gòu)的 情況下 , 利用正交試驗(yàn)方法研究成型工藝參數(shù)對(duì)孔 口變形的影響 , 以期減少變形失圓。1. 1 不圓度的度量 對(duì)于圓筒狀注塑管件 , 由于大分子鏈的柔順性 ,圖 1 Y 型三通管件當(dāng)制品完全冷卻時(shí) , 體積收縮和線性收縮變化較小 , 產(chǎn)品的尺寸較

5、穩(wěn)定 , 但隨著內(nèi)部殘余應(yīng)力的釋放 , 當(dāng)管件不足以抵抗變形時(shí) , 整個(gè)孔口沿徑向因不均勻 的拉力作用而發(fā)生變形 , 當(dāng)某方向拉應(yīng)力較大時(shí) , 整 個(gè)圓形便會(huì)向朝著與其垂直的方向發(fā)生橢圓形變。不圓度的度量可以采用以下公式計(jì)算 5:不圓度 =最大直徑 -最小直徑(11. 2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)是試驗(yàn) 設(shè)計(jì) (DOE 最常用的試 驗(yàn)方 法之一 , 它以概率論及數(shù)理統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ) , 依據(jù)多 因素、 多水平試驗(yàn)中數(shù)據(jù)的正交性來(lái)設(shè)計(jì)試驗(yàn) , 充分 利用標(biāo)準(zhǔn)化的正交表來(lái)安排實(shí)驗(yàn)方案 , 并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié) 果進(jìn)行計(jì)算分析 , 利用它可以確定在影響產(chǎn)品質(zhì)量 的諸多注塑工藝參數(shù)中各個(gè)參數(shù)對(duì)產(chǎn)品影響程度的 大小以及

6、各個(gè)參數(shù)間是否有交互影響 , 交互影響的 程度有多大 , 對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有多大貢獻(xiàn) , 并挑選出較優(yōu) 方案 , 以 達(dá) 到減 少 實(shí) 驗(yàn)次 數(shù)、 縮短 實(shí) 驗(yàn)周 期 的 目 的6。(1 確定正交表的因素和水平PE 管件注塑生產(chǎn)時(shí) , 影響其孔口變形的因素有很多 , 而在一般設(shè)置工藝中可控制的主要工藝參數(shù) 有注射時(shí)間 (A 、 模具溫度 (B 、 熔體溫度 (C 、 保壓44工程塑料 應(yīng)用 2011年 , 第 39卷 , 第 5期壓力 (D 、 保壓時(shí)間 (E 、 冷卻時(shí)間 (F 等 , 每個(gè)因素 水平的變化對(duì)制品質(zhì)量都有一定的影響。此外 , 保 壓壓力和保壓時(shí)間的交互作用較明顯 , 亦不能忽略 ,

7、 將它們記作 D E , 每個(gè)因素取 3個(gè)水平 , 以三通管 件孔口的平均不圓度作為評(píng)價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量的指標(biāo) , 其 因素水平設(shè)置見(jiàn)表 1。表 1 因素水平表水平 注射時(shí)間 /s 模具溫度 / 熔體 溫度 / 保壓 壓力 /M 保壓 時(shí)間 /s冷卻 時(shí)間 /s 12. 83020020152023. 54021027203034. 350220352540(2 正交試驗(yàn)方案本實(shí)驗(yàn) 6個(gè)因素都是 3水平 , 而且 D 、 E 存在交 互作用 , 因此選用 L 27(313正交表安排試驗(yàn) , 表頭設(shè)計(jì)時(shí) , 將 A 、 B 、 C 、 D 、 E 、 F 等因素分別排 在表的第 1列 第 6列 , 同時(shí)

8、根據(jù) L 27(313的交互列表 , 將 D 、 E 交互列 D E 分別放在第 10列、 第 12列 , 正交試驗(yàn) 方案見(jiàn)表 2。圖 2為所設(shè)計(jì)的模具圖 , 在利用 CAE 軟件進(jìn)行 模擬時(shí) , 可以根據(jù)模具中相應(yīng)的澆注系統(tǒng)和冷卻系 統(tǒng)建模。進(jìn)行模擬分析時(shí) , 對(duì)于沒(méi)有列入正交表的 其它因素 , 如注塑壓力、 注射速度等每次都確保它們 固定在穩(wěn)定、 良好的狀態(tài)。因每個(gè)孔口的變形不一 致 , 我們采用三個(gè)孔口變形 的平均值來(lái)衡 量 , 值越 小 , 不圓度越好。將模擬分析的變形數(shù)據(jù)列于表 2。1 定模座板 ; 2 管件 ; 3 澆口套 ; 4 定模板 ; 5 動(dòng)模板 ; 6 復(fù)位桿 ; 7 動(dòng)

9、模固定板 ; 8 頂針板 ; 9 推桿固定板 ; 10 推板 ; 11 定模座板 ; 12 推桿 ; 13 抽芯機(jī)構(gòu) ; 14 型芯 ; 15 型芯冷卻水路 ; 16 型腔冷卻水路 ;17 型芯 ; 18 抽芯機(jī)構(gòu) ; 19 澆注系統(tǒng)圖 2 Y 型三通管件注塑模為了 計(jì)算方便 , 式中不圓度數(shù) 據(jù)都已擴(kuò)大 10倍 , 表中 、 、 分別為各因素在水平 1、 2、 3時(shí)所 和 , R 為極差 , 是不同水平下實(shí)驗(yàn)結(jié)果離差平方和的 差值。由表 2可以很容易地看出 , 第 13號(hào)試驗(yàn)的數(shù) 據(jù)值最小 , 對(duì)于實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō) , 評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)是變形越小越 好 , 僅從 、 、 各水平不圓度之和來(lái)看 , A 、

10、B 、 C 、 D 、 E 、 F 的水平選擇分別為 A 3、 B 2、 C 2、 D 1、 E 1、 F 2時(shí) , 實(shí)驗(yàn)結(jié)果最佳 , 但這只是 729個(gè)全面試驗(yàn)中的極少 一部分 , 因此所得的結(jié)果未必就是最佳的工藝組合 ; 此外 , R 值越大 , 說(shuō)明對(duì)應(yīng)的因素對(duì)結(jié)果的影響程度 越大 , 這個(gè)因素就越重要 , 反之則表明該因素對(duì)指標(biāo) 的影響小 , 通常是不重要因素。根據(jù)表 2的結(jié)果 , 進(jìn) 行主次排序 , 可得各因素對(duì)變形影響的大小依次為 :D 、 E 、 A 、 B 、 F 、 D E 、 C 。 2 方差分析及最佳成型工藝的確定本試驗(yàn)為多因素正交試驗(yàn) , 各因素、 因素之間的 交互作用

11、和誤差對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響通過(guò)其相應(yīng)的離 差平方和來(lái)表示 , 各離差平方和中獨(dú)立數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù) 仍用相應(yīng)的自由度表示。方差分析見(jiàn)表 3。表 3中 e 表示誤差 , e為 C 、 F 、 e 之和 , 表中各均 方差是為了消除數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)對(duì)離差平方和的影響 , 采 用平均離差平方和 S j 2/f j (j 取各因素 來(lái)進(jìn)行比較 , F 反應(yīng)因素水平的改變對(duì)指標(biāo)的影響與試驗(yàn)誤差對(duì) 指標(biāo)的影響之間的關(guān)系 , 在一些假定條件下 , 可以證 明 F j 服從自由度為 (f j , f e 的 F 分布 , 對(duì)于給定的顯 著水平 , 查 F 分布可得一臨界值 F (f j , f e , 從而判 定在 水平下因素

12、j 對(duì)指標(biāo)的影響是否顯著。在顯著性方差表中 , 誤差的平方和記為 S 2e , 用 所有空列 的離差平方和之和來(lái)估計(jì) , 因 S 2C 、 S 2D E 較小 , 將三者 合并為 S 2e , 據(jù)此求得的 F j 如表 3所示。查 F 0. 05(f j , f e 及 F 0. 01(f j , f e 可知 F 值的臨界值如表 3所示。 表中顯著性一欄內(nèi) , 對(duì)于 =0. 05, 檢驗(yàn)結(jié)果顯著則 標(biāo)以記號(hào) * , 若對(duì) =0. 01, 若顯著則標(biāo)以 記號(hào) * 。由表 3可知 , A 、 B 、 D 、 E 、 F 均高度顯著 , 故因素 A 的較好水平為 A 3、 因素 B 的較好水平為

13、B 2、 因素D 的較好水平為 D 1、 因素 E 的較好水平為 E 1、 因素F 的較好水平為 F 2, 它們變化的趨如圖 3所示 , D E 交互作用雖然不顯著 , 但也有一定影響 , 可用二元 表算出 D 和 E 在各種水平組合下的平均結(jié)果 , 如表 4所示。由表 4可知 , D 1E 1值最小 , 故該搭配使得變 形最小 , 即 A 、 B 、 C 、 D 、 E 、 F 的最佳組合為 A 3B 2C 2D 1E 1F 2。 3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證A 32C 1E ,45宋財(cái)福 , 等 :PE 管件注塑成型工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)表 2 正交試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)分析編號(hào) 因素A B C D E F (D E 1(

14、D E 2不圓度 /mm 6. 335. 963213212131326. 536. 697. 336. 8564. 3263. 0962. 8159. 4260. 1863. 4263. 0463. 162. 4162. 2462. 8862. 9462. 35 62. 6060. 7762. 4762. 1461. 6161. 6162. 2562. 7662. 7661. 8362. 6662. 6962. 40 61. 0164. 0762. 6566. 3766. 1462. 9062. 6462. 0762. 7662. 8362. 3962. 3063. 18R3. 313. 3

15、00. 346. 955. 961. 810. 620. 64表 3 方差分析表方差來(lái)源 離差平方和 自由度 均方差F 值 臨界 F 值 0. 050. 01顯著性 A 0. 6120. 3021. 433. 636. 23*B 0. 6420. 3222. 863. 636. 23*C 0. 012D 2. 7321. 3697. 143. 636. 23*E 2. 1521. 0877. 143. 636. 23*F 0. 1920. 107. 143. 636. 23*D E 0. 054e 0. 1710總和 6. 3526e0. 23160. 014即選用注射時(shí)間 4. 3s 、 模

16、溫 40 、 料溫 210 、 保壓 壓力 20MPa 、 保壓時(shí)間 20s 、 冷卻時(shí)間 30s , 實(shí)際生 產(chǎn)時(shí) , 采用東華 TTI340型注塑機(jī) , 螺桿直 70mm, 模具圖如 2所示 , 采用直接澆口進(jìn)膠 , 澆口約位于制品 中心。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn) , 注塑時(shí)流動(dòng)較為平衡 , 壓力和熱量 , , 圖 3 因素水平變化趨勢(shì)圖 表 4 因素 D 、 E 交互作用分析二元表項(xiàng)目 D 1D 2D 3E 16. 326. 617. 13E 26. 516. 857. 18E 36. 987. 257. 82流動(dòng)充模 , 分子為多軸取向 , 水平方向與垂直方向收 縮差距減小 , 雖然直澆口較難去除 ,

17、 但去除后在表面 留下的疤痕對(duì)外觀影響不大 , 可忽略不計(jì) , 生產(chǎn)出來(lái) 46工程塑料 應(yīng)用2011年 , 第 39卷 , 第 5期 圖 4 Y 型三通管件利用 CAE 軟件模擬的數(shù)據(jù)及實(shí)測(cè)管件的孔口不圓度見(jiàn)表 5。由結(jié)果可知 , 模擬得到的數(shù)據(jù)與實(shí) 測(cè)值反應(yīng)制品各孔口之間變形趨勢(shì)相同 , 最佳工藝 組合生產(chǎn)的制品平均變形率也得到較大的改善。表 5 模擬及實(shí)際收縮數(shù)據(jù)項(xiàng)目 模擬值123實(shí)測(cè)值 123長(zhǎng)軸109. 109. . . 109. 3109. 109. 41短軸108. 109. 108. 6108. . . 105. 105. 78不圓度 /mm0. 660. 40. 790. 62

18、3. 333. 144. 713. 634 結(jié)論(1 注射時(shí) 間 (A 、 模 具溫 度 (B 、 熔體 溫度 (C 、 保壓壓力 (D 、 保壓時(shí)間 (E 、 冷卻時(shí)間 (F 六因素對(duì) PE 注塑管件孔口變形影響的大小依次為 :D 、 E 、 A 、 B 、 F 、 D E 、 C , 保壓壓力和保壓時(shí)間的交互 作用較小 , 最佳的工藝組合是 :注射時(shí)間 4. 3s 、 模溫 40 、 料溫 210 、 保壓壓力 20M Pa 、 保壓時(shí)間 15s 、 冷卻時(shí)間 30s , 同時(shí) , 模擬得到的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)值趨勢(shì) 一致 , C AE 技術(shù)與正交實(shí)驗(yàn)法相結(jié)合可以很好地指導(dǎo)試驗(yàn) , 減少試驗(yàn)的成本

19、。(2 優(yōu)化后利用最佳工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品平均變形 得到了改善 , 但仍存在較大的變形 , 故除了優(yōu)化工藝 之外 , 還必須從其它角度考慮如何進(jìn)一步減少變形。參 考 文 獻(xiàn)1 廖正品 . 十一五 期間塑料管道發(fā)展目標(biāo) J.工程塑料應(yīng)用 ,2006, 34(9:20.2 張應(yīng)中 . 聚乙烯 (PE 管道的電熔焊接 J.工業(yè)技術(shù) , 2007, 17(6:64-65.3 范志冠 , 馮寬邦 , 鄭志強(qiáng) . 如何減少 PP -R 管件的收縮變形 J.工程塑料應(yīng)用 , 2002, 30(4:27-28.4 T A 奧斯瓦德 , L 特恩 格 , P J 格 爾曼 . 注 塑成 型手冊(cè)M.北京 :化學(xué)工業(yè)出版

20、社 , 2005:205-208.5 B eaum on t J P , N agelR , Sher m an R . 成功的注射成型加工、 設(shè)計(jì)和模擬 M.北京 :化學(xué)工業(yè)出版社 , 2009:369-371. 6 趙選民 . 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法 M.北京 :科學(xué)出版社 , 2006:31-32.OPTI M U M DESIGN OF INJECTI ON MOLD I NG P ROCESS OF THE PE PIPESong Ca ifu 1, Zhang P eng 2, T an Jianzhi 1(1. Ch i na Liansu Group H ol d i ngs Co .

21、Ltd . , Foshan 528318, C h i na ;2. Instit u t e ofM aterial s S ci en ce and E nergy , Guangdong Un i versity ofT echnology , Guangz hou 510090, Ch i naAB STRACT W ith the out o f round of o rifice as the qualit y ev al uation c riter i a , an ana l y si s w as m ade on t he Y-shaped p i pe fi-t ti

22、 ng s t hrough o rt hogona l exper i m ents , i n the case o f the product struc t ure , m ater i a, l m oul d structure w ere deter m i ned . T he techno log -i ca l para m eters li ke injecti on ti m e , mo ld te m perature , m e lt temperature , pack i ng pressure , pack i ng ti m e and coo li ng

23、 ti m e , and its i n -teracti on variab l e on the ou t of round o f or ifi ce w ere stud i ed . The resu lts sho w ed that the i nteraction o f the packing press ure and its ho l ding ti m e i nteracti on w as not obvious , and t he out of roundness o f or ifi ce reduced under the best process co m bina ti on .K EY W ORDSi n j ection p i pe , ou t of round , orthogonal exper i m ent , techno l ogy pa rame ter自主高端 PVC -C 樹(shù)脂獲技術(shù)突破我國(guó)高 端氯 化 聚氯 乙烯 (PVC -C 生 產(chǎn)取 得重 大 突破。 華誼集團(tuán)上海氯堿化 工股份有限公司宣布 , 采用其自主 技術(shù) 建設(shè)的高級(jí) PV C -C 千 t 級(jí)中試裝置成功產(chǎn)出合