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1、在塑料注射模具的设计中使用田口方法减少翘曲马来西亚，雪兰莪州，43400沙登，马来西亚博特拉大学，机械及制造工程系2004年9月3日收到，在2006年7月27日收到修订的形式，2006年10月接受摘要在当今的塑料行业中塑料注射成型是最重要的聚合物加工业务之一。然而，模具制造和注塑机控制技术的不足将会导致有缺陷的塑料产品。翘曲是缺陷的种类之一，通常出现在产品厚度小于1毫米中。这个项目是要制作一个模具的生产薄板，尺寸120毫米 50毫米 1毫米。薄板将用于翘曲测试。在模具制作中，购买的模架将会被加工和组装。在此之后，模具会被固定在注塑机上。本机的设置应该能够生产出产品。然后，该产品将会用于通过采用
2、田口方法的实验设计来测试翘曲问题的影响因素。根据结果，它表明对翘曲变形最有效的因素是熔体温度。灌装时间只轻微影响翘曲。可以最大限度地减少翘曲缺陷的最佳参数是熔融温度（240摄氏度），充盈时间（0.5秒），保压压力（90）和包装时间（0.6 秒）。埃尔塞维尔B.V，2006年，保留所有权利。关键词：注塑模具；田口方法；实验设计；翘曲1. 简介模具制造是一项重要的支柱产业，因为其相关产品代表：超过70的产品是消费类产品的组成部分。为缩短设计和制造周期，良好的维和整体素质，高需求快速设计变更，已成为模具行业的瓶颈1。这是一个复杂的过程，需要技术和经验丰富的模具制造者。一般来说，在当今的塑料行业中注射
3、成型是最重要的聚合物加工业务之一。在所有的塑料中大约有三分之一的塑料转换成零件采用注射成型2。这是有很大的可能被制造业首选的工艺之一，因为它生产的复杂形状塑料部件具有良好的尺寸准确度和极短的周期时间3。典型的例子是计算机显示器和移动电话产品的肠衣和外壳，其中有一个壳薄功能。这些产品往往会变得更轻，更薄，更小。因此，产品的内部组件必须放进外壳中，它的体积更小。增加外壳的内部空间的一种方法是减少壁体的厚度。然而，注塑操作会变得更加困难，因为塑件的壁厚变得更薄4。这是因为重大翘曲缺陷将出现。为了减少这一重大缺陷，关于测试过程的有效因素是必需的。一个尺寸：120 x 50毫米，1毫米厚度的薄板将被生产
4、出来。它是用于测试尽量减少翘曲缺陷的影响因素。首先，编造注塑模具是必要的。在此之后，模具将要被组装到注塑机上。当薄板被生产出来后将会用于通过采用田口方法的实验设计来测试翘曲问题的影响因素。2. 制造在制作模具时，一些准备是必要的。这台机器现有的能力是可以进行教学探讨。在制备模具的过程中需要使用的机器有打孔机，铣床，磨床。注塑成型机也需要用于生产产品。已经被使用过的机器是BOY 22D。此外，它也需要寻找和购买能够和注塑机配合的模架。1050铝硅碳钢已经被选定为模具的基料。由于一些部件如顶针，定位圈，浇口套，水路口及弹簧不包括在模架中，这些组件是独立购买的。已经被使用的塑料材料是ABS。3.模具
5、设计有四种设计概念可以在这个项目中使用。这些设计概念的描述如下：(a) 三板模具有两个单腔分型线。(b) 双板模具有一个没有浇注系统的单腔分型线。(c) 双板模具有一个有浇注系统的双腔分型线，并且在型腔中有推杆。(d) 双板模具有一个有浇注系统的双腔分型线，并且在型腔中没有推杆。由于该项目在预算中有限制，模架的类型已经被选定为双板模具，而不是三板模具。在两板模具的设计概念中，概念d已经被选定。这是因为概b是非生产性的，而概念c在推出产品时可能损坏产品。一般来说，二板模具由八个板块组成，并且这有它们的标准尺寸，分别为。已经被选择的模架必须立足于将被使用的注塑机规格。在这个项目中，标准的250毫米
6、250毫米模架已经被使用了，并且它的板尺寸如表1所示。表1模板尺寸板尺寸宽x高x厚（毫米）顶部夹板 1250 X 250 X 25腔板x1200 X 250 X 40核心板x1200 X 25O X 4O侧板 237 X 250 X 70推杆固定板x1120 X 250 x I5推板x1120 X 250 X 20底部夹紧板x1250 X 250 X 25在这些被列于表1的板中，只有腔板板块和核心板块需要设计。其它的板块只需要基于注塑机的规格和组件的尺寸。产品设计和模具设计之间是相对的。由于这个项目是确定了有效的因素，可以为一个薄壳功能最大限度地降低了翘曲缺陷，已经设计产品是一个尺寸为120毫
7、米X50毫米X1毫米的板块。对于模架，型腔，可以生产出来的产品是在核心板块上设计的。由于在核心板块上足够的空间，可以设计有浇注系统的两腔。这种设计在型腔部分没有推杆，而且只有用拉料杆可以推出产品。这将会避免产品的损坏。通风口的设计是重要的，因为它的功能是当模具闭合时释放型腔里的空气。如果空气被困在模具里面将会发生缺料现象。图1显示了在这个项目中通风孔的设计。图.1.通风孔设计 冷却系统是设计阶段要考虑的另一个阶段。它是用来在塑料产品推出模具前固化塑料制品。图2和3分别显示了在这一项目中为腔板和核心板设计的冷却通道。图.2.型腔板冷却通道的设定 图.3.型芯板冷却通道的设定在这个项目中的产品设计
8、只是一个简单的薄板。因此，模具可以通过使用铣床，钻孔机和研磨机来制作。4.模具制造在模具中还有一些部分需要进行加工。这涉及高精度和准确度的过程。因此，它需要熟练的模具制造者。以下为每个模具零件的加工过程。4.1顶部夹板Part 1：铰直径为16mm的通孔（钻机）操作说明 工具Step1标记点 高度计Step2在机床工作台上夹紧板块 Step3以标记点为中心 中心钻Step4钻通孔 直径为15.5的钻子Step5铰孔 直径为16的铰刀刀具，高速钢，主轴转速330rpmPart 2：攻丝M6的孔(钻机)操作说明 工具Step1标记点 高度计Step2在机床工作台上夹紧板块Step3以标记点为中心
9、中心钻Step4钻2个12mm深的孔 直径为5的钻子Step5攻丝孔 M6的攻丝机刀具，高速钢，主轴转速1000rpmPart 3：扩孔直径为40mm深度为14.8mm（铣床）操作说明 工具Step1标记直径35和45的圆 圆规Step2在机床工作台上夹紧板块 Step3在直径35的标记处铣14.8mm深的孔 直径10的立铣刀Step4在直径40的标记处钻14.8mm深的孔 钻头刀具，高速钢，主轴转速820rpm；切深，2mm粗和0.8mm的精加工。图4显示了顶部夹板需要被加工的部分。注意在Part1,Part2和Part3中的第一步标记点和标记圈是在进行下一步之前同一时间内完成的。图.4.顶
10、部夹板需要加工的部分4.2型腔板Part1：铰直径为16mm的通孔（钻机）操作说明 工具Step1标记点 高度计Step2在机床工作台上夹紧板块 Step3以标记点为中心 中心钻Step4钻通孔 直径15.5钻Step5铰孔 直径为16的铰刀刀具，高速钢，主轴转速330rpmPart 2：钻直径为8mm的通孔（钻机）操作说明 工具Step1标记点 高度计Step2在机床工作台上夹紧板块 Step3以标记点为中心 中心钻Step4钻2个直径为板宽一半的孔 直径为8的钻子 Step5转动盘到对面 Step6在机床工作台上夹紧板块 Step7以标记点为中心 中心钻 Step8钻2个通孔 直径为8的钻
11、子 刀具，高速钢，主轴转速640rpmPart 3：攻丝1/4孔（钻机）操作说明 工具Step1在机床工作台上夹紧板块Step2钻2个深度为15mm的孔 直径为11的钻子Step3攻丝孔 1/4攻丝机Step4转动盘到对面Step5在机床工作台上夹紧板块 Step6钻另2个深度为15mm的孔 直径为11的钻子Step7攻丝孔 1/4攻丝机刀具，高速钢，主轴转速460rpm图5显示了型腔板需要加工的部分。注意第一部分和第二部分中的第一步标志点是在着手进行下一步之前同时完成的。图.5.型腔板需要加工的部分4.3型芯板Part 1：钻直径为8mm的通孔（钻机）操作说明 工具Step1标记点 高度计S
12、tep2在机床工作台上夹紧板块 Step3以标记点为中心 中心钻Step4钻2个直径为板宽一半的孔 直径为8的钻子 Step5转动盘到对面 Step6在机床工作台上夹紧板块Step7以标记点为中心 中心钻 Step8钻2个通孔 直径为8的钻刀具，高速钢，主轴转速640rpmPart 2：攻丝1/4孔（钻机）操作说明 工具Step1在机床工作台上夹紧板块Step2钻2个深度为15mm的孔 直径为11的钻子Step3攻丝孔 1/4攻丝机Step4转动盘到对面Step5在机床工作台上夹紧板块 Step6钻另2个深度为15mm的孔 直径为11的钻子Step7攻丝孔 1/4攻丝机刀具，高速钢，主轴转速4
13、60rpmPart 3：扩孔直径为32mm深度为10mm（铣床）操作说明 工具Step1标记4个直径28和32的圆 圆规Step2在机床工作台上夹紧板块 Step3在直径28的标记处铣10mm深的孔 直径10的立铣刀Step4在直径32的标记处钻10mm深的孔 钻头刀具，高速钢，主轴转速820rpm；切深，3mm粗和1mm的精加工。Part 4：创建产品的型腔（铣床）操作说明 工具Step1标记型腔的面积 高度计Step2在机床工作台上夹紧板块 Step3铣2个120mm X 50mm X1mm的型腔 直径3的立铣刀 Step4铣型腔边界的锥度 8的锥形铣刀Step5铣浇道 半径为3的球形铣刀
14、刀具，高速钢；主轴转速2700rpm；切削深度，每次切0.5mm。Part 5：铰直径为6mm的通孔（钻机）操作说明 工具Step1标记点 高度计Step2在机床工作台上夹紧板块 Step3以标记点为中心 中心钻Step4钻通孔 直径5.8的钻Step5铰孔 直径为6的铰刀刀具，高速钢；主轴转速880rpm.图6显示了型芯板需要加工的部分。注意第一部分，第三部分，第四部分和第五部分中的第一步标记点和标记圆是在着手进行下一步之前同时完成的。磨床是用来生产通风口的。图.6.型芯板需要加工的部分4.4推板Part 1：铰直径为6mm的通孔，钻直径为11mm，深度为6mm的埋头直孔（钻机）操作说明 工
15、具Step1标记点 高度计Step2在机床工作台上夹紧板块 Step3以标记点为中心 中心钻Step4钻通孔 直径为5.8的钻子Step5钻6mm深的埋头直孔 直径为11的钻子Step6铰通孔 直径为6的铰刀刀具，高速钢；主轴转速880rpm/460rpm.图7显示了推板需要加工的部分。图.7.推板需要加工的部分4.5底部夹板Part 1：扩直径为55mm的通孔（铣床）操作说明 工具Step1标记直径50和55的圆 圆规Step2在机床工作台上夹紧板块 Step3在直径50的标记处铣通孔 直径10的立铣刀Step4在直径55的标记处钻到底 钻头刀具，高速钢；主轴转速820rpm；切削深度，每次
16、切3mm.图8显示了底部夹板要加工的部分。 图.8.底部夹板需要加工的部分完成加工过程之后，所有的模板被组装在一起。每块模板在板的一个角落都分别有一个基准面。所有的板面在基准面上都相互垂直。在组装模具时，所有的面都必须对齐参考基准面。换句话说，所有的板块基准面都必须在同一角落。模具组装完成之后，螺栓和钩子是用来把模具挂到注塑机区去。它是一个接一个的安装。模具用螺栓被严密地固定在机器里，防止它从机器中滑落。5.测试和修改模具当尝试运行模具之后，大部分生产出的产品会有充填不足的缺陷。塑料材料不能到达产品的角落。这种缺陷也许是由排气不足和空气被困在模具中引起的。因此，模具上已经作出的修改会增加型腔角
17、落的模具的排气。最后，这种修改会成功地生产出没有充填不足缺陷的产品。6.实验设计过程为了通过减少实验次数来确定影响因素中的最佳设置参数，选择了田口方法。因此，选择的因素将会影响翘曲，选择的因素级别和选择的正交阵列(OA)基于田口方法是必要的。最佳的设置参数将会生产出一个最低翘曲的产品。6.1选择的因素根据该杂志，有几个可能的因素能影响到薄板的翘曲缺陷，分别是：填充时间，模具温度，浇口尺寸，熔融温度，保压压力和保压时间4。由于模具的设计不同于杂志，所以浇口尺寸因素被去除。模具温度也被去除，因为由于环境的温度，所以模具温度难以控制。最后，另外四个因素都被选中。这几个因素是：熔融温度，填充时间，保压
18、压力和保压时间。6.2选择因素级别每个因素有三个级别将会采用田口方法。这是因为如果所选的因素对产品有显著的影响，我们或许能够在低，中，高值中选择，而不是仅仅只有低和高值被选择。根据杂志建议选择因素每个级别参数见表2.表2选择因素的三个级别参数因素级别1 级别2 级别3熔融温度,A()240 265 290填充时间,B(s)0.1 0.3 0.5保压压力,C()60 75 90保压时间,D(s)0.6 0.8 1.06.3、选择正交阵列（OA）从之前已经选定的因素数量和级别来看，L9正交阵列将会被使用。L9被当成一个正交阵列选用是因为它适合有三个级别的四种因素。L9正交阵列如表3所示。表3L9正
19、交阵列实验号列号 A B C D11 1 1 121 2 2 231 3 3 342 1 2 352 2 3 162 3 1 273 1 3 283 2 1 393 3 2 17.产品测试程序测试过程开始于将所有的有效因素的组合参数输入注塑机，就像表4所示。已经做了9个实验，而且每个实验都有不同的组合。表4有效因素的组合参数实验号熔融温度 填充时间 保压压力 保压时间A() B(s) C() D(s)1240 0.1 60 0.62240 0.3 75 0.83240 0.5 90 1.04265 0.1 75 1.05265 0.3 90 0.66265 0.5 60 0.87290 0.1
20、 90 0.88290 0.3 60 1.0 9290 0.5 75 0.6在此之后，产品上的闪烁消除，而且产品从浇道处切断。该产品的厚度是根据闪烁和浇道在10个不同的地方用千分尺自由测量的。读数和它们的平均数被记录下了。为了测量模板的翘曲，千分表和花岗岩块已经被使用。翘曲测量的程序如下：(a)将模板放在平坦的花岗岩块表面。(b)移动千分表，直到它的手写笔感应到花岗岩块表面和千分表之间的值为0(c)围绕低于千分表手写笔的地方移动。(d)模板的最大高度根据千分表里的范围和记录的读数来计算。(e)其它板块的程序重复进行。得到所有的读数之后，挠度z是模板的翘曲变形，根据公式h-ta=z来计算。符号h
21、,ta和z的定义如图9所显示。 图.9.符号h,ta和z的定义接下来，在实验中获得的挠度会用来计算信噪比（S/N）。根据信噪比，才能确定最佳的组合参数。收集的数据还可以用方差分析方法（ANOVA）分析。根据这个方法，已经计算出的贡献率可以确定哪个因素将显著的影响翘曲。8.结果与讨论在机械加工过程中已经做了像钻削，铣削，攻丝等工序。加工过程的顺序对于获得一个好质量的工作是重要的，而且还节省了加工时间。在加工的过程中，有一些步骤需要强调和重视。在钻孔的过程中，特别是冷却通道，使用的钻孔机是摇臂钻床，取代立式钻床。这是因为摇臂钻床的主轴速度由齿轮控制，而立式钻床的主轴速度由皮带控制。因此，摇臂钻床和
22、立式钻床相比，能够生产更高的钻孔扭矩。在钻冷却通道的过程中，将会花费很多时间，这是因为钻的孔相当的大和深。它要求细心的加工，这是因为一旦碎片堆进了钻洞里，钻头可能会很容易损坏。因此，碎片必须随时从钻洞内移出。另一种方法是分两步钻孔。首先，在中心处钻一个直径较小的孔。此后，在先前的孔上钻要求直径的孔。这将减少钻孔的扭矩，从而减少了工具损坏的危险。钻孔前，确定中心的操作非常重要，不可忽视。此操作将引导刀具在正确的位置钻孔，而且也防止刀具弯曲。在钻孔操作的过程中，施加给钻头的压力不能太多。否则将是刀具弯曲，并且导致钻的孔变得不直。除此之外，在钻孔工程中要求使用冷却液。这将降低因摩擦引起的刀具温度。在
23、冷却通道和顶部夹板中有一些攻丝操作。在攻丝孔之前，攻丝刀需要浸泡在润滑剂里。这将减少攻丝操作中的摩擦。完全攻丝每一个孔需要三个不同类型的丝锥，但是它们的直径都相同。第一个有更多的锥度的攻丝在最后使用。它是通过采用最小的转矩来做螺纹。如果在攻丝孔的过程中感觉非常紧密，碎片应当被移出。继续采用更多的扭矩攻丝可能会破坏攻丝刀。第二个攻丝是用来加深螺纹的，最后一个攻丝刀是用来精加工的。在攻丝的过程中，第一个攻丝非常重要，而且必须是直的，因为产生的螺纹将会成为下两个攻丝的导向。产品被生产出来之后，首先将在花岗岩块上用千分表测量其厚度和最大高度。然后，平均厚度，挠度，平均挠度将被计算。已经完成的实验基于表
24、3。在确定的S/N比中，越小，质量越好的特征已经被选中。 越小越好，S/N=10log(MSD) 其中 其中MSD是均方差，y是观察或数据，n是一个实验中的实验次数。平均挠度和S/N的计算结果比值如表5所示。表5实验结果总结实验号控制因素 平均挠度，za(mm)S/N熔融温度 填充时间 保压压力 保压时间 s % s1240 0.1 60 0.60.067923.232240 0.3 75 0.80.106619.163240 0.5 90 1.00.073522.284265 0.1 75 1.00.130117.355265 0.3 90 0.60.094120.336265 0.5 60
25、 0.80.161315.527290 0.1 90 0.80.148616.428290 0.3 60 1.00.213313.039290 0.5 75 0.60.104919.49从表5中的数据可看到，平均的S/N比值反应表能够确定。计算的例子如下，而且结果归纳如表6所示。保压压力因素，差异=最高值最低值=19.67717.260=2.417表6S/N比值反应表熔融温度(A)冲压时间（B）保压压力（C）保压时间（D）1级21.55719.00017.26021.0172级17.73317.50718.66717.0333级16.31319.09719.67717.553差异5.2441.
26、5902.4173.984根据表6的数据，S/N反应图可以构建如图10-13所示。 熔融温度(A) 图.10.熔融温度S/N反应图 填充时间(B) 图.11.填充时间S/N反应图 保压压力(C) 图.12.保压压力S/N反应图 保压时间(D) 图.13.保压时间S/N反应图根据表6中的S/N比反应，最佳的组合参数设置可以通过选择每个因素的最高值的级别来确定。因此，得到的结果是A1，B3，C3和D1。这个结果也可以从图10-13里的S/N反应图观察到。除此之外，表6中的级别的差异也显示了哪个因素更加显著。影响翘曲的最显著的因素是熔融温度和保压时间，接下来是保压压力和填充时间。实验结果和模拟结果之
27、间的比较见表7。表7实验结果和模拟结果之间的比较实验结果模拟结果熔融温度，A()240290填充时间，B(S)0.50.3保压压力，C(%)9060保压时间，D(S)0.60.6从表中可看出，除了保压时间之外，通过实验得到的结果和通过模拟得到的结果不一样。这是因为由于成本和机械的性能导致产品的设计和模具的结构有很大的不同。除此之外，测量翘曲的仪器的接触方式也可能影响结果。这是因为千分表上的手写笔可能在一定程度上扭曲产品。保压时间的参数和模拟结果相同是因为包装阶段只是用于补偿收缩。一旦使用了相同的材料，产品就不会在很多方面有太多的不同。表5中的数据也用ANOVA进行分析。通过比较因素之间的相对差
28、异来确定它们的相对占有百分比。ANOVA将计算的量比如：自由度，平方和，方差，变方比，纯平方和和所占的百分比。这些量的计算例子如下所示，其结果总结在表8中。表8ANOVA表来源f SVFP(%)熔融温度，A20.0081540.00407747.30填充时间，B20.0011230.0005626.51保压压力，C20.0029750.00148817.26保压时间，D20.0049870.00249428.93误差汇集000总和80.172401008.1、自由度(f)总自由度，其中N是总数量对于因素A，其中kA是因素A的级别数。对于误差，8.2、平方和(s)总平方和，对于因素A，对于误差，
29、8.3、方差(V)对于因素A，对于误差，8.4、变方比(F)对于因素A，和是不确定的，因为8.5、所占的百分比(P)对于因素A，从表8中可看出，ANOVA表的最后一栏表示各因素的占有百分比。表中的结果表明，熔融温度所占的比例最大为47.30%。保压时间所占的比例为28.93%，接下来是保压压力为17.26%。填充时间不是重要的因素，只占6.51%。这些结果与模拟结果相当类似。虽然所占百分比的值不一样，但是它表明熔融温度，保压压力和保压时间是重要因素，而填充时间就对翘曲缺陷没多大的影响了。9.结论塑料注射成型在制造工艺中是一个非常重要的领域。有许多的塑料产品是用注射模具生产出来的。一般来说，注射
30、模具过程包括四个阶段：模具设计，模具制作，修改和机器设置。这些阶段的解释如下：（a） 模具设计在设计过程中，模具设计者应当考虑一些因素，例如：机械性能，冷却通道的位置，浇口的尺寸等。（b） 模具制作模具制造者应当知道哪些类型的加工工艺更合适。除此之外，规划的过程也需要节省时间。（c） 模具修改不是每一个设计和制作的模具都能成功地生产产品。因此，必须在模具上做一定的修改。（d） 机器设置机器的设置必须使生产出的产品缺陷最小。生产出的产品将做翘曲缺陷实验。通过使用田口方法，九个实验已经运行。可以最大限度地减少翘曲变形缺陷的最佳参数是：熔融温度(240) ，填充时间（0.5s），保压压力（90%）和保压时间（0.6s）。在这些因素中，熔融温度是最有效的因素。然而，填充时间不是一个重要因素。