研究与检测· Research and test echnology of Eliminating Weldline on Products Surface Using Taguchi Methods 应用 Taguchi方法消除产 品表面熔接痕的工艺研究 摘要:为提高注塑产品表面质量,消除产品表面熔接痕,本文利用 Taguchi方法设计了L9实验矩阵, 分析了熔体温度、模具温度、注射压力、保压时间等工艺因素对ABS制品表面熔接痕长度的影响,预测了最佳 工艺参数,并在验证实验中消除了产品表面熔接痕,对注塑生产具有一定的指导意义 关键词:注塑成型熔接痕工艺优化 Taguchi法 Abstract: In order to improve the surface quality of injection molded products, eliminate weld line on the products surface, an L9 experimental matrix is designed using Taguchi method to analyse the technology effects. The influence of melt temperature, mould temperature, injection pressure and packing time on the weld line length of ABS products surface is investigated. The optimal process parameter is predicted, and the weld line of the products surface is eliminated during the evaluation experiment. The results may provide some references for injection molding technology. Key words: injection molding weld line process optimum Taguchi method 编者按:随着生活水平的提高,人们对塑料制品质量提出更高的要求,高光无接痕就是其一,为此 业者开始了许多的试验去消除接痕。作者利用 taguchi方法设计了L9实验矩阵就是其中一种尝试 随 着市场对高光无痕注塑产略,但对塑件的表面质量影响较大。 实验部分 品需求的增大,熔接痕的 目前,国内外多数关于消除熔接 消除再次成为注塑行业关痕的工艺研究,主要是通过测量与分析 材料及设备 注的热点问题。熔接痕是指在制品成型含有熔接痕的注塑试件的拉伸强度,来 ABS:奇美塑胶原料(东莞)有限 过程中,两股以上料流前锋熔体汇合时,确定各种工艺参数对熔接痕的影响程度公司 因前锋面上熔体温度下降,在熔体汇合③。本文为研究熔接痕给注塑产品表面 注塑机:SP108A型,仁兴机械(深 处的制品表面上形成的接缝痕迹,常见质量带来的影响,直接以熔接痕长度为圳)有限公司 的熔接痕种类有热接痕、冷接痕以及由指标进行分析,选用丙烯腈-丁二烯-苯 模温控制设备:课题组自行开 于充模时熔体前沿的“喷泉”式流动或乙烯共聚物(ABS),以车载蓝牙外壳为发的模具温控系统,主要由温度快 壁厚不均引起的熔接痕口。对于无定形例,采用 Taguchi实验设计理论,运用速响应模具、加热与制冷装置及温 脆性塑料如PP、PVC、SAN等而言,熔L(3)正交矩阵进行实验,对熔体温度、度测控装置三部分组成,可使模具温 接痕会使塑件力学性能明显降低,在相模具温度、注射压力、保压时间等工艺度在30℃~160℃内调整,精度可达 同的工艺条件下,熔接痕区的强度是原始条件对ABS制品的影响进行了研究,通±0.5℃ 材料的10%~90%:然而对于无定形韧过优化工艺条件获得优化工艺参数组 性塑料如PC、ABS等,熔接痕对塑件的合,并预测出最小熔接痕长度。最后在 实验产品 力学性能损害较小。在有利的成型条件最优工艺参数下进行实验,消除了产品 选用车载蓝牙表面上壳,零件尺 下,熔接缝对塑件的力学性能影响可以忽表面熔接痕。 寸:82.5mm×40mm×6.5mm,壁厚 C1984-20料物造ineaSTTCScandeacTukeu20osFhi月到tronicPublishinghouse.,Allrightsreserved.htp:/www.cnki.net.en-plastics.aet
研究与检测· Research and Test 84 塑料制造 PLASTICS MANUFACTURE 2008年11月刊 www.cn-plastics.net 应用Taguchi方法消除产 品表面熔接痕的工艺研究 文/丁 磊 伍晓宇 李伟荣 梁 雄 摘 要：为提高注塑产品表面质量，消除产品表面熔接痕，本文利用Taguchi方法设计了L9实验矩阵， 分析了熔体温度、模具温度、注射压力、保压时间等工艺因素对ABS制品表面熔接痕长度的影响，预测了最佳 工艺参数，并在验证实验中消除了产品表面熔接痕，对注塑生产具有一定的指导意义。 关键词：注塑成型 熔接痕 工艺优化 Taguchi法 Abstract: In order to improve the surface quality of injection molded products, eliminate weld line on the products surface, an L9 experimental matrix is designed using Taguchi method to analyse the technology effects. The infl uence of melt temperature、mould temperature、injection pressure and packing time on the weld line length of ABS products surface is investigated. The optimal process parameter is predicted, and the weld line of the products surface is eliminated during the evaluation experiment. The results may provide some references for injection molding technology. Key words: injection molding weld line process optimum Taguchi method Technology of Eliminating Weldline on Products Surface Using Taguchi Methods 随着市场对高光无痕注塑产 品需求的增大，熔接痕的 消除再次成为注塑行业关 注的热点问题。熔接痕是指在制品成型 过程中, 两股以上料流前锋熔体汇合时， 因前锋面上熔体温度下降，在熔体汇合 处的制品表面上形成的接缝痕迹，常见 的熔接痕种类有热接痕、冷接痕以及由 于充模时熔体前沿的“喷泉”式流动或 壁厚不均引起的熔接痕[1]。对于无定形 脆性塑料如PP、PVC、SAN等而言, 熔 接痕会使塑件力学性能明显降低，在相 同的工艺条件下,熔接痕区的强度是原始 材料的10%～90%；然而对于无定形韧 性塑料如PC、ABS等,熔接痕对塑件的 力学性能损害较小。在有利的成型条件 下,熔接缝对塑件的力学性能影响可以忽 略，但对塑件的表面质量影响较大[2]。 目前，国内外多数关于消除熔接 痕的工艺研究，主要是通过测量与分析 含有熔接痕的注塑试件的拉伸强度，来 确定各种工艺参数对熔接痕的影响程度 [3]。本文为研究熔接痕给注塑产品表面 质量带来的影响，直接以熔接痕长度为 指标进行分析，选用丙烯腈-丁二烯-苯 乙烯共聚物(ABS)，以车载蓝牙外壳为 例，采用Taguchi实验设计理论，运用 正交矩阵进行实验，对熔体温度、 模具温度、注射压力、保压时间等工艺 条件对ABS制品的影响进行了研究，通 过优化工艺条件获得优化工艺参数组 合，并预测出最小熔接痕长度。最后在 最优工艺参数下进行实验，消除了产品 表面熔接痕。 实验部分 材料及设备 ABS：奇美塑胶原料（东莞）有限 公司； 注塑机：SP108A型，仁兴机械（深 圳）有限公司； 模温控制设备：课题组自行开 发的模具温控系统，主要由温度快 速响应模具、加热与制冷装置及温 度测控装置三部分组成，可使模具温 度在30℃～160℃内调整，精度可达 ±0.5℃。 实验产品 选用车载蓝牙表面上壳，零件尺 寸：82.5mm×40mm×6.5mm，壁厚 编者按：随着生活水平的提高，人们对塑料制品质量提出更高的要求，高光无接痕就是其 一，为此 业者开始了许多的试验去消除接痕。作者利用Taguchi方法设计了L9实验矩阵就是其中一种尝试
Research and Test·研究与检测 的影响。从图2可以看出,在熔体温度 即因子A中,A2的值最大,在保压时间 即因子B中,B2的值最大,在注射压力 即因子C中,C3的值最大,在型腔表 面温度即因子D中,D2的值最大。 以,在所选的因子和水平中,对于优 化熔接痕长度,最大信噪比工艺组合 为A2B2c3D2,即最佳工艺组合为熔 体温度210°,保压时间2s,注射压力 70MPa,型腔表面温度95℃。 析,利用信噪比SN衡量和确定个因子在1 不同水平情况下的产品质量水平,从而 确定优选方案。 为了使熔接痕长度最小,采用S型7 信嗓比函数来计算信噪比,它主要用于 质量性能目标值慧小越好的情况,假设 质量y表示了某种工艺组合下的实验值, n为实验重复次数,最大信噪比等效于最 小化损失函数,可用(1)表达式 1.5mm,熔接痕产生处如图1所示。 (1) 由干忧化的工艺组合并不包括在已 有的实验中,可以间接预测最佳优化工 熔接前产生处1 按照 Taguchi方法L3)设计正交实艺组合下的熔接痕长度。假设各个工艺 验矩阵设计,相应的实验水平和因子见因素之间不相互藕合,预测的最优信噪 表1。按照表1调整工艺参数,工艺稳定比水平为,可以通过下式计算得出 后至少生产5个产品,用游标卡尺分别测 amema'mtic甲a3n10(2) 量产品上下两处的熔接痕长度,取两者y() 中的最大长度为实验数据。 式(2)中n“5∑2m为9个实验信 结果与分析 Taguch实验设计 表2给出了不同工艺和水平的实验结 Taguch实验设计理论是一种新的果和信噪比计算结果。 质量控制理论,其中的正交优化法是在 同工艺参数对注塑件熔接痕长度 实验设计中使用正交表的一种多因素优 化法,以信噪比(S/N)作为分析依据 以正交多项式和方差分析为分析手段。 Taguch参数设计主要包括两部分:首 先是产品实验设计,利用正交试验技术 确定各因子取值水平与质量性能之间的 数量关系;其次是对实验结果的优选分 C199: ce-plastichl nea Academic Journal Electronic Publishing House., All rights reserveedsi年1):/PAs.Cm塑料制造85
Research and Test· 研究与检测 www.cn-plastics.net 2008年11月刊 PLASTICS MANUFACTURE 塑料制造 85 1.5mm，熔接痕产生处如图1所示。 Taguchi实验设计 Taguchi实验设计理论是一种新的 质量控制理论，其中的正交优化法是在 实验设计中使用正交表的一种多因素优 化法，以信噪比(S/N)作为分析依据， 以正交多项式和方差分析为分析手段。 Taguchi参数设计主要包括两部分：首 先是产品实验设计，利用正交试验技术 确定各因子取值水平与质量性能之间的 数量关系；其次是对实验结果的优选分 图1 车载蓝牙上壳 实验因子 水平1 水平2 水平3 A-熔体温度/℃ 200 210 220 B-保压时间/s 1 2 3 C-注射压力/MPa 60 65 70 D-型腔表面温度/℃ 90 95 100 表1 实验因子与水平 表2 实验正交矩阵和实验结果 编号 A B C D Y1/cm Y2/cm Y3/cm Y4/cm Y5/cm (S/N)dB 11111 0.72 0.69 0.72 0.75 0.73 2.83 21222 0.47 0.66 0.49 0.53 0.47 5.53 31333 0.62 0.59 0.61 0.60 0.54 4.54 42123 0.59 0.58 0.48 0.50 0.54 5.32 52231 0.19 0.17 0.16 0.17 0.19 15.20 62312 0.53 0.52 0.45 0.55 0.45 5.99 73132 0.22 0.19 0.21 0.21 0.22 13.91 83213 0.48 0.50 0.52 0.51 0.59 5.65 93321 0.54 0.55 0.48 0.51 0.45 5.88 析，利用信噪比S/N衡量和确定个因子在 不同水平情况下的产品质量水平，从而 确定优选方案[4]。 为了使熔接痕长度最小，采用S型 信噪比函数来计算信噪比，它主要用于 质量性能目标值越小越好的情况，假设 质量y表示了某种工艺组合下的实验值， n为实验重复次数，最大信噪比等效于最 小化损失函数，可用(1)表达式： (1) 按照Taguchi方法 设计 正交实 验矩阵设计，相应的实验水平和因子见 表1。按照表1调整工艺参数，工艺稳定 后至少生产5个产品，用游标卡尺分别测 量产品上下两处的熔接痕长度，取两者 中的最大长度为实验数据。 结果与分析 表2给出了不同工艺和水平的实验结 果和信噪比计算结果。 同工艺参数对注塑件熔接痕长度 的影响。从图2可以看出，在熔体温度 即因子A中，A2的值最大，在保压时间 即因子B中，B2的值最大，在注射压力 即因子C中，C3的值最大，在型腔表 面温度即因子D中，D2的值最大。所 以，在所选的因子和水平中，对于优 化熔接痕长度，最大信噪比工艺组合 为A2B2C3D2，即最佳工艺组合为熔 体温度210℃，保压时间2s，注射压力 70MPa，型腔表面温度95℃。 由于优化的工艺组合并不包括在已 有的实验中，可以间接预测最佳优化工 艺组合下的熔接痕长度。假设各个工艺 因素之间不相互藕合，预测的最优信噪 比水平为 ，可以通过下式计算得出 (2) (3) 式(2)中 ，为9个实验信 图2 工艺参数对制品熔接痕长度的影响
研究与检测· Research and test 噪比的平均值。基于预测的最优信噪比而注塑压力和保压时间影响不大。对接痕长度和最佳工艺条件,并在验证实 值(21.708),由式可以得到优化的熔接于影响产品表面熔接痕长度的第三因验中消除了产品表面熔接痕。 痕长度为0.082cm。为验证这一最 素模具温度而言,其值并不是越高越 合,本文作了验证实验,即在熔体温度好,实验发现当模具型腔表面温度超过 为210℃,保压时间为2s,注射压力为100℃时,ABS制品表面开始有圆形烫伤 参考文献: 70MPa,型腔表面温度为95℃工艺组合斑迹出现。由实上述验结果,可以得出 []杨凤霞,姜晓莹,汤波.工艺参数对注塑件熔接 下,当工艺稳定后产品与模具型腔表面以下结论:对于ABS制品在研究的工艺 「性能的影响[门.塑料工业,2006.34(9):33-35 [2]曾令琴,游小红。注射制品熔接影响因素与改 接触的表面熔接痕消失,但反面熔接痕范围之内,注射压力和熔体温度对表面善措施[.模具工,200.346):71-74 依然可见。从验证结果可以看出:应用熔接长度的影响最为剧烈,适当增大注 [3]刘春太,赵延军,黄霞,等.纤维增强 优化因子水平可以减小注塑制品的熔接射压力、升高熔体温度和模具温度可有PA6注射熔接线拉伸性能的研究[J.中国 痕长度,并且在工艺条件适当时可以消效减少ABS制品表面熔接痕长度。图3给 料2004,18(1):5558 [4]刘春太,申长雨.利用 TAGUCHI方法优化纤 除表面熔接痕,取得较高的表面质量。 出了所选择的4个工艺因素对ABS制品表维增强PA6注塑熔接线拉伸性能[U].复合材料学 面熔接痕长度的影响程度比较直方图 报,2004,21(5):68-73 工艺分析 IPhadke N S. Qality engineering using robust design[M]. New Jersey: Prentice Hall, 1989, 41-69. 采用标准的变量分析技术 ANOVA分 [6]Valguarnera S C, Manisali A. Effects of rocessing parameters on the tensile properties of 析各个工艺参数对注塑件熔接痕长度的12 weld lines in in jection molded thermmplaties polymer 影响。为确定各个参数对产品性能指 Engineering and Science, 1981. 21(10): 586-592 数的影响程度,需要计算方差和。各个 参数对产品性能的影响程度为各参数的 方差和与总方差的比值,表3给出了各因郾图3工艺条件对熔接痕长廢的影程度 子对熔接痕长度的影响程度。基于表中 丁磊:男,汉族,河南省鹿邑县 人,大学硕士研究生,主要从事注塑模 的值可知各参数对熔接痕长度的相对重 结束语 具CAD/CAM 要性 深学机电与控制工程学院 从表3中可以看出,熔体温度即A的按照 Taguchi发展的实验参数设计方法 邮编:518060 影响程度为21.62%,保压时间即B的影设计了L9实验矩阵用信噪比S/N来衡量 响程度为9.419%,注射压力即C的影响产品的质量水平,利用标准变量分析技 程度为41.489%,模具型腔表面温度即术 ANOVA分析了工艺因素对ABS制品表 D的影响程度为10.77% 熔接痕长度的影响程度,考察的工艺 表3表明,对于所选择的工艺条件,因素为熔体温度、保压时间、注射压力 注射压力对产品表面熔接痕长度的影响和模具型腔表面温度。研究发现,对于 最大,其次是熔体温度和模具温度,这 制品表面熔接痕长度,熔体温度的 结果与通常以熔接痕拉伸强度为测试影响因子为21.62%,保压时间的影响 量的实验结果有所不同。相关文献认为因子为9.42%,注射压力的影响因子为 在影响熔接痕拉伸强度的各工艺因素41.49%,模具型腔表面温度的影响因子 中,熔体温度和模具温度是主要因素,为10.77%。在此基础上,预测了最小 表3制品熔接痕长度 ANOVA分析表 因素 自由度偏差平方和平均偏差平方和影响程度 C1986-20料物造ineaSTTCScandeacTukeu20osFhi月到tronicPublishinghouse.,Allrightsreserved.htp:/www.cnki.net.en-plastics.aet
研究与检测· Research and Test 86 塑料制造 PLASTICS MANUFACTURE 2008年11月刊 www.cn-plastics.net 噪比的平均值。基于预测的最优信噪比 值(21.708)，由式(3)可以得到优化的熔接 痕长度为0.082cm。为验证这一最佳组 合，本文作了验证实验，即在熔体温度 为210℃，保压时间为2s，注射压力为 70MPa，型腔表面温度为95℃工艺组合 下，当工艺稳定后产品与模具型腔表面 接触的表面熔接痕消失，但反面熔接痕 依然可见。从验证结果可以看出：应用 优化因子水平可以减小注塑制品的熔接 痕长度，并且在工艺条件适当时可以消 除表面熔接痕，取得较高的表面质量。 工艺分析 采用标准的变量分析技术ANOVA分 析各个工艺参数对注塑件熔接痕长度的 影响[5]。为确定各个参数对产品性能指 数的影响程度，需要计算方差和。各个 参数对产品性能的影响程度为各参数的 方差和与总方差的比值，表3给出了各因 子对熔接痕长度的影响程度。基于表中 的值可知各参数对熔接痕长度的相对重 要性。 从表3中可以看出，熔体温度即A的 影响程度为21.62%，保压时间即B的影 响程度为9.419%，注射压力即C的影响 程度为41.489%，模具型腔表面温度即 D的影响程度为10.77%。 表3表明，对于所选择的工艺条件， 注射压力对产品表面熔接痕长度的影响 最大，其次是熔体温度和模具温度，这 一结果与通常以熔接痕拉伸强度为测试 量的实验结果有所不同。相关文献认为 在影响熔接痕拉伸强度的各工艺因素 中，熔体温度和模具温度是主要因素， 因素 各因素水平的平均值 自由度 偏差平方和 平均偏差平方和 影响程度 F值 123 A 4.299 8.840 8.481 2 191.115 95.5575 21.62 23.299 B 7.354 8.794 5.472 2 83.265 41.6325 9.419 10.151 C 4.828 5.576 11.216 2 366.75 183.375 41.489 45.843 D 7.972 8.477 5.171 2 95.205 47.6025 10.77 11.607 误差 36 147.644 4.1012 合计 44 883.979 表3 制品熔接痕长度ANOVA分析表 而注塑压力和保压时间影响不大[6]。对 于影响产品表面熔接痕长度的第三因 素模具温度而言，其值并不是越高越 好，实验发现当模具型腔表面温度超过 100℃时，ABS制品表面开始有圆形烫伤 斑迹出现。由实上述验结果，可以得出 以下结论：对于ABS制品在研究的工艺 范围之内，注射压力和熔体温度对表面 熔接长度的影响最为剧烈，适当增大注 射压力、升高熔体温度和模具温度可有 效减少ABS制品表面熔接痕长度。图3给 出了所选择的4个工艺因素对ABS制品表 面熔接痕长度的影响程度比较直方图。 结束语 按照Taguchi发展的实验参数设计方法 设计了L9实验矩阵用信噪比S/N来衡量 产品的质量水平，利用标准变量分析技 术ANOVA分析了工艺因素对ABS制品表 面熔接痕长度的影响程度，考察的工艺 因素为熔体温度、保压时间、注射压力 和模具型腔表面温度。研究发现，对于 ABS制品表面熔接痕长度，熔体温度的 影响因子为21.62%，保压时间的影响 因子为9.42%，注射压力的影响因子为 41.49%，模具型腔表面温度的影响因子 为10.77%。在此基础上，预测了最小 接痕长度和最佳工艺条件，并在验证实 验中消除了产品表面熔接痕。 参考文献： [1]杨凤霞,姜晓莹,汤波. 工艺参数对注塑件熔接 痕性能的影响[J]. 塑料工业,2006,34(9):33-35. [2]曾令琴,游小红. 注射制品熔接影响因素与改 善措施[J]. 模具工业,2008,34(6):71-74. [3]刘春太,赵延军,黄霞,等. 纤维增强 PA66注射熔接线拉伸性能的研究[J]. 中国塑 料,2004,18(1):55_58. [4]刘春太,申长雨. 利用TAGUCHI方法优化纤 维增强PA66注塑熔接线拉伸性能[J]. 复合材料学 报,2004,21(5):68-73. [5]Phadke M S. Quality engineering using robust design[M]. New Jersey:Prentice Hall,1989,41-69. [6]Malguarnera S C,Manisali A. Effects of processing parameters on the tensile properties of weld lines in injection molded thermoplatics. Polymer Engineering and Science,1981,21(10):586-592. 丁 磊：男 ，汉族，河南省鹿邑县 人，大学硕士研究生，主要从事注塑模 具CAD/CAM。 深圳大学 机电与控制工程学院 邮编：518060 图3 工艺条件对熔接痕长度的影响程度