PE管件注塑成型工艺优化设计_图文

1、PE 管件注塑成型工艺优化设计宋财福 1张 鹏 2谭建志1(1. 中国联塑集团控股有限公司 , 佛山 528318; 2. 广东工业大学材料与能源学院 , 广州 510090摘要 在制品结构 、 材料 、 模具 结构已确定的情况下 , 将管件各孔 口的不圆 度作为评价 其质量的 标准 , 采 用正交 试验设计方法及 模拟分析研究注射时间 、 模具 温度 、 熔体温 度 、 保压压 力 、 保 压时间 、 冷 却时间 等注塑 成型工艺 参数 及它们之间的交 互作用对 Y 型 PE 三通管件孔口不圆度的 影响 。 结果表 明 , 保压 压力和保 压时间 的交互 作用较 小 , 最佳工艺组合对 孔口

2、不圆度有所改善 。关键词 注 塑管件 孔口失圆 正交试验 工艺参数随着聚乙烯 (PE 制备工艺的成熟及其安全环 保的使用性能 , PE 管件在市政工程、 化工、 电信电气 等行业中的应用越来越多 , 其所占市场份额大有超越传统的聚氯乙烯 (PVC 、 PP -R 管件之势 1, 但受 材料本身流变性能及成型性能的影响 , 注塑出来的 PE 管件收缩大、 孔口易失圆 , 使用时与其它管件或 管材熔接时重叠面积小或难于承插 , 即使在夹具的 作用下能够得以熔接 , 但在长期的使用过程中易产 生蠕变失效 , 导致严重的质量事故2。不同密度 PE 的收缩率变化范围都很大 (低密 度 PE 收缩率在 1

3、. 5%5. 0%之间 , 高密度 PE 在 2. 5%6. 0%之间 , 使得管件的区域收缩不均更 加突出。聚烯烃分子 取向导致的各向 收缩不均是 PE 管件收缩不均的原因 , 而收缩不均、 分子取向及 制品各处冷却速率不同又导致残余应力 , 这是管件 孔口变形的直接原因3。一般而言 , 产品结构决定了 40%的变形 , 模具结 构及材料决定 了 30%的变形 , 工艺 决定了 10%的变形 , 在制 品结构、 模具结 构、 材料确定的情况下 , 只有利用科学合理的方法设 计制品成型工艺 , 才能减少 PE 管件孔口的变形4。1 实例分析图 1为本公司生产的用于高层建筑同层排水的 Y 型 P

4、E 三通管件结构 (将各孔口分支按图示进行 编号 。 Y 型 的夹角 为 60 , 整 个管 件壁厚 均匀一 致 , 为 4. 8mm , 最大轮廓尺寸为 267mm 279mm 110mm, 管件所需承受的标称压力为 1. 6M Pa , 因各 孔口平面用于与管材或管件熔接 , 故对孔口圆度要 求很高 , 外观要求次之 , 在已优化制品及模具结构的 情况下 , 利用正交试验方法研究成型工艺参数对孔 口变形的影响 , 以期减少变形失圆。1. 1 不圆度的度量 对于圆筒状注塑管件 , 由于大分子链的柔顺性 ,图 1 Y 型三通管件当制品完全冷却时 , 体积收缩和线性收缩变化较小 , 产品的尺寸较

5、稳定 , 但随着内部残余应力的释放 , 当管件不足以抵抗变形时 , 整个孔口沿径向因不均匀 的拉力作用而发生变形 , 当某方向拉应力较大时 , 整 个圆形便会向朝着与其垂直的方向发生椭圆形变。不圆度的度量可以采用以下公式计算 5:不圆度 =最大直径 -最小直径(11. 2 正交试验设计正交试验是试验 设计 (DOE 最常用的试 验方 法之一 , 它以概率论及数理统计为理论基础 , 依据多 因素、 多水平试验中数据的正交性来设计试验 , 充分 利用标准化的正交表来安排实验方案 , 并对实验结 果进行计算分析 , 利用它可以确定在影响产品质量 的诸多注塑工艺参数中各个参数对产品影响程度的 大小以及

6、各个参数间是否有交互影响 , 交互影响的 程度有多大 , 对产品质量有多大贡献 , 并挑选出较优 方案 , 以 达 到减 少 实 验次 数、 缩短 实 验周 期 的 目 的6。(1 确定正交表的因素和水平PE 管件注塑生产时 , 影响其孔口变形的因素有很多 , 而在一般设置工艺中可控制的主要工艺参数 有注射时间 (A 、 模具温度 (B 、 熔体温度 (C 、 保压44工程塑料 应用 2011年 , 第 39卷 , 第 5期压力 (D 、 保压时间 (E 、 冷却时间 (F 等 , 每个因素 水平的变化对制品质量都有一定的影响。此外 , 保 压压力和保压时间的交互作用较明显 , 亦不能忽略 ,

7、 将它们记作 D E , 每个因素取 3个水平 , 以三通管 件孔口的平均不圆度作为评价产品质量的指标 , 其 因素水平设置见表 1。表 1 因素水平表水平 注射时间 /s 模具温度 / 熔体 温度 / 保压 压力 /M 保压 时间 /s冷却 时间 /s 12. 83020020152023. 54021027203034. 350220352540(2 正交试验方案本实验 6个因素都是 3水平 , 而且 D 、 E 存在交 互作用 , 因此选用 L 27(313正交表安排试验 , 表头设计时 , 将 A 、 B 、 C 、 D 、 E 、 F 等因素分别排 在表的第 1列 第 6列 , 同时

8、根据 L 27(313的交互列表 , 将 D 、 E 交互列 D E 分别放在第 10列、 第 12列 , 正交试验 方案见表 2。图 2为所设计的模具图 , 在利用 CAE 软件进行 模拟时 , 可以根据模具中相应的浇注系统和冷却系 统建模。进行模拟分析时 , 对于没有列入正交表的 其它因素 , 如注塑压力、 注射速度等每次都确保它们 固定在稳定、 良好的状态。因每个孔口的变形不一 致 , 我们采用三个孔口变形 的平均值来衡 量 , 值越 小 , 不圆度越好。将模拟分析的变形数据列于表 2。1 定模座板 ; 2 管件 ; 3 浇口套 ; 4 定模板 ; 5 动模板 ; 6 复位杆 ; 7 动

9、模固定板 ; 8 顶针板 ; 9 推杆固定板 ; 10 推板 ; 11 定模座板 ; 12 推杆 ; 13 抽芯机构 ; 14 型芯 ; 15 型芯冷却水路 ; 16 型腔冷却水路 ;17 型芯 ; 18 抽芯机构 ; 19 浇注系统图 2 Y 型三通管件注塑模为了 计算方便 , 式中不圆度数 据都已扩大 10倍 , 表中 、 、 分别为各因素在水平 1、 2、 3时所 和 , R 为极差 , 是不同水平下实验结果离差平方和的 差值。由表 2可以很容易地看出 , 第 13号试验的数 据值最小 , 对于实验来说 , 评价的标准是变形越小越 好 , 仅从 、 、 各水平不圆度之和来看 , A 、

10、B 、 C 、 D 、 E 、 F 的水平选择分别为 A 3、 B 2、 C 2、 D 1、 E 1、 F 2时 , 实验结果最佳 , 但这只是 729个全面试验中的极少 一部分 , 因此所得的结果未必就是最佳的工艺组合 ; 此外 , R 值越大 , 说明对应的因素对结果的影响程度 越大 , 这个因素就越重要 , 反之则表明该因素对指标 的影响小 , 通常是不重要因素。根据表 2的结果 , 进 行主次排序 , 可得各因素对变形影响的大小依次为 :D 、 E 、 A 、 B 、 F 、 D E 、 C 。 2 方差分析及最佳成型工艺的确定本试验为多因素正交试验 , 各因素、 因素之间的 交互作用

11、和误差对试验指标的影响通过其相应的离 差平方和来表示 , 各离差平方和中独立数据的个数 仍用相应的自由度表示。方差分析见表 3。表 3中 e 表示误差 , e为 C 、 F 、 e 之和 , 表中各均 方差是为了消除数据个数对离差平方和的影响 , 采 用平均离差平方和 S j 2/f j (j 取各因素 来进行比较 , F 反应因素水平的改变对指标的影响与试验误差对 指标的影响之间的关系 , 在一些假定条件下 , 可以证 明 F j 服从自由度为 (f j , f e 的 F 分布 , 对于给定的显 著水平 , 查 F 分布可得一临界值 F (f j , f e , 从而判 定在 水平下因素

12、j 对指标的影响是否显著。在显著性方差表中 , 误差的平方和记为 S 2e , 用 所有空列 的离差平方和之和来估计 , 因 S 2C 、 S 2D E 较小 , 将三者 合并为 S 2e , 据此求得的 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 值的临界值如表 3所示。 表中显著性一栏内 , 对于 =0. 05, 检验结果显著则 标以记号 * , 若对 =0. 01, 若显著则标以 记号 * 。由表 3可知 , A 、 B 、 D 、 E 、 F 均高度显著 , 故因素 A 的较好水平为 A 3、 因素 B 的较好水平为

13、B 2、 因素D 的较好水平为 D 1、 因素 E 的较好水平为 E 1、 因素F 的较好水平为 F 2, 它们变化的趋如图 3所示 , D E 交互作用虽然不显著 , 但也有一定影响 , 可用二元 表算出 D 和 E 在各种水平组合下的平均结果 , 如表 4所示。由表 4可知 , D 1E 1值最小 , 故该搭配使得变 形最小 , 即 A 、 B 、 C 、 D 、 E 、 F 的最佳组合为 A 3B 2C 2D 1E 1F 2。 3 实验验证A 32C 1E ,45宋财福 , 等 :PE 管件注塑成型工艺优化设计表 2 正交试验方案及数据分析编号 因素A B C D E F (D E 1(

14、D E 2不圆度 /mm平均 111111111111116. 686. 706. 786. 72211112222222226. 436. 416. 996. 61311113333333336. 897. 007. 837. 24412221112223336. 656. 696. 946. 76512222223331116. 56. 436. 846. 59612223331112227. 016. 957. 767. 24713331113332227. 347. 417. 847. 53813332221113337. 057. 178. 047. 4291333333222111

15、7. 948. 018. 688. 211021231231231236. 986. 987. 617. 11121232312312317. 217. 057. 557. 271221233123123127. 327. 458. 457. 741322311232313125. 745. 816. 335. 961422312313121236. 156. 196. 776. 371522313121232316. 436. 57. 596. 841623121233122316. 366. 376. 926. 551723122311233126. 846. 977. 497. 1018

16、23123122311237. 287. 328. 147. 581931321321321326. 326. 346. 936. 532031322132132136. 546. 67. 416. 852131323213213216. 646. 677. 516. 942232131322133216. 456. 517. 056. 672332132133211326. 526. 557. 456. 842432133211322137. 137. 318. 067. 502533211323212136. 216. 236. 376. 272633212131323216. 336.

17、396. 966. 562733213212131326. 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. 300. 346.

18、 955. 961. 810. 620. 64表 3 方差分析表方差来源 离差平方和 自由度 均方差F 值 临界 F 值 0. 050. 01显著性 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总和 6. 3526e0. 23160. 014即选用注射时间 4. 3s 、 模温 40 、 料

19、温 210 、 保压 压力 20MPa 、 保压时间 20s 、 冷却时间 30s , 实际生 产时 , 采用东华 TTI340型注塑机 , 螺杆直 70mm, 模具图如 2所示 , 采用直接浇口进胶 , 浇口约位于制品 中心。试验发现 , 注塑时流动较为平衡 , 压力和热量 , , 图 3 因素水平变化趋势图 表 4 因素 D 、 E 交互作用分析二元表项目 D 1D 2D 3E 16. 326. 617. 13E 26. 516. 857. 18E 36. 987. 257. 82流动充模 , 分子为多轴取向 , 水平方向与垂直方向收 缩差距减小 , 虽然直浇口较难去除 , 但去除后在表面

20、 留下的疤痕对外观影响不大 , 可忽略不计 , 生产出来 46工程塑料 应用2011年 , 第 39卷 , 第 5期 图 4 Y 型三通管件利用 CAE 软件模拟的数据及实测管件的孔口不圆度见表 5。由结果可知 , 模拟得到的数据与实 测值反应制品各孔口之间变形趋势相同 , 最佳工艺 组合生产的制品平均变形率也得到较大的改善。表 5 模拟及实际收缩数据项目 模拟值123实测值 123长轴109. 109. . . 109. 3109. 109. 41短轴108. 109. 108. 6108. . . 105. 105. 78不圆度 /mm0. 660. 40. 790. 623. 333.

21、144. 713. 634 结论(1 注射时 间 (A 、 模 具温 度 (B 、 熔体 温度 (C 、 保压压力 (D 、 保压时间 (E 、 冷却时间 (F 六因素对 PE 注塑管件孔口变形影响的大小依次为 :D 、 E 、 A 、 B 、 F 、 D E 、 C , 保压压力和保压时间的交互 作用较小 , 最佳的工艺组合是 :注射时间 4. 3s 、 模温 40 、 料温 210 、 保压压力 20M Pa 、 保压时间 15s 、 冷却时间 30s , 同时 , 模拟得到的数据与实验值趋势 一致 , C AE 技术与正交实验法相结合可以很好地指导试验 , 减少试验的成本。(2 优化后利

22、用最佳工艺生产的产品平均变形 得到了改善 , 但仍存在较大的变形 , 故除了优化工艺 之外 , 还必须从其它角度考虑如何进一步减少变形。参 考 文 献1 廖正品 . 十一五 期间塑料管道发展目标 J.工程塑料应用 ,2006, 34(9:20.2 张应中 . 聚乙烯 (PE 管道的电熔焊接 J.工业技术 , 2007, 17(6:64-65.3 范志冠 , 冯宽邦 , 郑志强 . 如何减少 PP -R 管件的收缩变形 J.工程塑料应用 , 2002, 30(4:27-28.4 T A 奥斯瓦德 , L 特恩 格 , P J 格 尔曼 . 注 塑成 型手册M.北京 :化学工业出版社 , 2005

23、:205-208.5 B eaum on t J P , N agelR , Sher m an R . 成功的注射成型加工、 设计和模拟 M.北京 :化学工业出版社 , 2009:369-371. 6 赵选民 . 试验设计方法 M.北京 :科学出版社 , 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 . Ltd . ,

24、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 ng s t

25、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 ti m e

26、, 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 树脂获技术突破我国高 端氯