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第46卷第2期2021年4月广州化学Guangzhou ChemistryV ol. 46 No. 2Apr. 2021文章编号：1009-220X(2021)02-0075-06 DOI:10.16560/ki.gzhx.20210204基于DOE实验设计方法的聚丙烯焊接工艺优化徐亮，戴婷，陈涛，匡莉*（上海金发科技发展有限公司，上海201799）摘要：采用DOE实验设计方法，对聚丙烯（PP）材料焊接工艺进行了研究，确定了影响PP材料焊接强度的关键因素是气压夹紧力、焊接功率和样品厚度。
通过全因子正交试验，对焊接强度和焊接工艺参数进行量化分析，通过优化器结果确定对共聚PP（牌号M60RHC）为原材料，样品厚度为2 mm，控制气压夹紧力为0.3 MPa，焊接功率控制在40 W，得到PP材料的最佳焊接工艺，降低了实验的次数，在该最大工艺条件下，焊接强度达到19.475 MPa。
这将有助于其他原材料体系进行高效激光焊接工艺的筛选。
关键词：聚丙烯；焊接功率；主效应；焊接强度中图分类号：TQ325.14 文献标识码：A激光透射法焊接时，激光穿过透光层塑料，被吸光性塑料吸收，通过加热使界面处发生熔融或软化，同时在压力的作用下聚合物分子链通过界面进行扩散形成链缠结，并最终形成牢固的连接[1-2]。
塑料激光焊接强度影响因素较多，首先聚合物材料对激光的特性，聚合物材料和激光的相互作用机理，焊接材料之间的相容性，以及聚合物材料本身的热力学等特性都会影响焊接强度；其次焊接工艺的选择也将会在一定程度上影响焊接强度，如焊接过程中速度、加速度、焊接压紧力、焊接功率、激光器种类等因素[3-4]。
为了能够使得PP材料具有较高的焊接强度，采用科学的方法增加PP材料激光焊接的强度是至关重要的。
目前多采用控制变量法进行塑料激光焊接工艺方面的研究，但是不同工艺之间相互影响，利用该种方法缺乏科学的验证和统计学支撑。
同时对于PP原材料结构特点及其样品厚度对焊接强度的影响研究较少。
基于C AE和DOE技术的注射成型工艺优化黄松王喜顺(华南理工大学机械与汽车工程学院,广州510640)摘要以打印机上盖为例,以体积收缩率、翘曲量和沉降斑指数为考察指标,结合CAE和DOE技术研究了模具温度、熔体温度、注射时间、保压压力和保压时间五个工艺参数对考察指标的影响,用DOE软件回归拟合得到体积收缩率、翘曲和沉降斑指数的预测模型,并运用该模型求解最佳的工艺参数,通过试验验证了该方法的可行性。
关键词注射成型CAE DOE工艺参数优化随着塑料工业的飞速发展,许多企业使用C AE 技术对注射成型过程进行模拟分析并预测潜在的问题,以提高一次试模率,达到降低生产成本、缩短生产周期的目的。
成型工艺参数的优化设置在一定范围内能克服成型缺陷,提高制品质量。
但影响制品质量的工艺参数比较多,而且各参数之间存在非线性和强耦合特性,设计师往往需要花费大量的时间进行C AE模拟才能获得合适的参数组合。
为了获得最佳的工艺参数组合,众多学者对此进行了研究, G.H.Choi等[1]应用ANN技术建立工艺参数和制品质量指标之间的神经网络关系模型,并采用自适应优化算法优化工艺参数。
郑晓培等[2]结合CAE和Taguch i技术研究了工艺参数对(丙烯晴/丁二烯/苯乙烯)共聚物、高密度聚乙烯和聚丙烯注塑制品沉降斑的影响,并对工艺参数进行了优化。
H.Okte m 等[3]基于田口试验方法、信噪比及均方差分析等方法,利用三水平的L27和L9等正交试验表,以最大翘曲量和最大体积收缩率为目标,对薄壳塑料制品的注射成型参数进行了优化设计。
钟浩东等[4]提出一个利用注射成型软件Mol d fl o w与遗传算法结合对熔接痕长度和位置进行优化的方法,经过多代搜索,最终获得对应于熔接痕长度与位置最佳的注射时间、熔体温度、模具温度、浇口位置等工艺参数。
D OE技术是一种研究试验数据的获得和科学地分析处理试验数据与结果的方法。
回归分析是其常用的数据分析方法,回归分析的主要内容为:¹从一组数据出发确定某些变量之间的定量关系式,即建立数学模型并估计其中的未知参数。
基于DOE的实验设计在产品质量改进中的应用研究一、引言近年来，随着全球市场竞争的日益加剧，企业对产品质量的要求也越来越高。
在产品研发和生产过程中，如何通过科学的方法提高产品质量成为了企业关注的焦点。
此时，基于实验设计的方法成为了一种重要的工具，其中DOE（Design of Experiments，实验设计）在产品质量改进中具有广泛的应用价值。
本文旨在研究基于DOE的实验设计在产品质量改进中的应用，以期为企业提供一种有效的质量改进方法。
二、基于DOE的实验设计简介DOE是一种通过系统地设置实验条件，并根据实验结果分析影响因素的方法。
在产品质量改进中，DOE可以帮助企业确定主要影响因素，并找到最佳的设计参数，从而提高产品的质量。
DOE的核心思想是通过设计最少的试验次数，得到尽可能多的信息。
它通过随机化试验条件，以及对试验结果进行统计分析，帮助研究人员确定影响因素的重要程度，并找到最佳的参数组合。
三、基于DOE的实验设计在产品质量改进中的应用1. 确定关键影响因素：利用DOE方法，研究人员可以通过对不同参数的变化设置实验条件，从而确定对产品质量影响最为显著的因素。
例如，在汽车制造中，DOE可以帮助企业确定哪些因素对汽车的燃油效率、制动性能等重要指标具有显著影响，从而提供决策依据。
2. 优化设计参数：通过DOE的实验设计，企业可以确定最佳的设计参数组合，从而在保持产品质量的前提下提高生产效率。
例如，在电子产品制造中，DOE可以帮助企业确定最佳的工艺参数，从而提高产品的产能和质量。
3. 识别交互影响：在某些情况下，不同因素之间可能存在交互作用，即一个因素的变化会影响其他因素的效果。
通过DOE的实验设计，企业可以确定不同因素之间的交互影响，并找到最佳的参数组合。
例如，在药物研发中，DOE可以帮助企业确定药物配方中不同成分之间的交互影响，从而提高药物的疗效。
4. 验证改进效果：DOE方法可以帮助企业设计不同条件下的实验，通过对试验结果进行分析，验证质量改进的效果。
摘要注塑成型制品质量控制方面存在的困难主要来源于力学的复杂性和在温度、压力波动下材料行为的不可预测性，研究工艺参数对注塑制品质量的影响关系，建立工艺参数与制品质量之间的关系模型，并用DOE法对工艺进行仿真优化是注塑制品工艺优化的前提。
本文选用半结晶型和无定型ABS两种材料，针对一维流动平板两个方向上的收缩、强度，熔接线强度、制品重量及沉降斑等质量指标进行了实验研究。
研究了工艺参数对质量指标的影响及因素之间的交互作用。
本文主要工作包括以下几方面: 1 工艺参数对制品质量的交互影响分析；2 应用DOE法结合析因分析结果；3.CAE技术结合DOE法进行设计，并用MOLDFLOW进行仿真分析，为质量控制技术提供了工艺模型。
关键词: 注塑成型，正交实验，Moldflow，三维建模，工艺仿真优化，实验设计AbstractQuality control of injection molding products, mainly difficulties from that exist in the complexity of process dynamics and in the temperature and pressure fluctuations unpredictable behavior of materials, of process parameters on product quality of injection molding between the relationship，DOE method with simulation and optimization technology of injection molding products, process optimization is a prerequisite.Semi-crystalline and amorphous ABS we usd in this paper，For a flat that two-dimensional flow direction shrinkage, strength, weld line strength, weight and sink marks and other products, the quality indicators studied. In this paper, include the following：1. Process parameters on product quality of interaction analysis；2. Application of DOE method with the results of factorial analysis；3. CAE design method combined with DOE，Simulation and analysis with MOLDFLOW，quality control technology provides for the process model.Key words：Injection Molding，Orthogonal,Moldflow，Three-dimensional modeling，Process simulation and optimization，design of experiment.目录1.1 引言 (1)1.2 注塑成型工艺过程简介 (1)1.3注塑成型工艺的发展趋势 (2)1.4 注塑成型工艺优化国内外研究概况 (4)1.5本文主要工作内容及其意义 (6)2. 注塑成型工艺参数影响性分析 (8)2.1 压力参数分析 (8)2.1.1注塑压力 (8)2.1.2保压压力 (8)2.1.3 塑化压力（背压） (8)2.2 温度参数分析 (9)2.2.1模具温度 (9)2.2.2熔体温度 (9)2.3时间参数分析 (9)2.3.1注射时间 (9)2.3.2保压时间 (10)2.4注射速度分析 (10)3. 基于DOE法的注塑成型仿真优化 (11)3.1软件Moldflow以及正交实验助手的介绍 (12)3.1.1 moldflow软件简介 (12)3.1.2 正交实验助手介绍 (12)3.2材料的选取及模型的导入 (14)3.3本次实验设计法的分析理论依据 (17)3.3.1.实验基本参数取值范围的确定及输入 (17)3.3.2.正交表的设置及数据生成 (18)3.3.3实验分析类型以及结果的选取 (19)3.4实验设计法的仿真优化过程 (22)3.4.1 Moldflow与正交表的数据结合分析 (22)3.4.2实验数据的反馈与整合 (28)4.模具设计 (31)4.1塑件用途及其性能要求 (31)4.2注射量的计算 (31)4.3锁模力的计算 (31)4.4注塑机的选择及参数 (32)4.5 分型面的确定 (33)4.6 浇注系统的设计 (33)4.7 成型零部件的设计与计算 (37)4.8 推出机构设计 (38)4.9标准模架的选取 (38)4.10 开模行程的校核 (39)4.11 推出脱模机构设计 (40)4.12合模导向机构的设计 (41)4.13 排气系统与冷却系统的设计 (43)5. 结论 (44)5.1设计的总结与创新点： (44)5.2论文所存在的问题及其解决方案： (44)谢辞 (45)参考文献： (46)1.绪论1.1 引言随着科学技术水平的不断提高以及加工方法的改进，塑料这一20世纪才发展起来的新材料已经在我们的日常生活中占据了重要的地位，成为国民经济中不可缺少的一部分。
塑料成型技术是指把粉、粒料或液状树脂及添加剂等原料加工成具有一定使用价值的制品的一种技术。
塑料制品性能的优劣及规格多少与成型技术密不可分。
注射成型又称注射模塑或注塑，是塑料加工中重要的成型方法之一，其技术已发展的相当成熟，且应用非常普遍，注塑制品已占领塑料制品总量的30%以上，在国民经济的许多领域有着广泛的应用。
1.2 注塑成型工艺过程简介注塑成型加工过程是一个循环的周期过程，一般包括三个阶段，即注射阶段、保压及压实阶段、固化及冷却阶段。
注塑成型过程如图1-1所示。
图1-1 注塑成型过程注塑成型加工过程从聚合物颗粒通过料斗进入螺杆开始。
首先聚合物颗粒在转动螺杆的输送作用下不断沿螺槽方向向前运动，同时转动的螺杆把机械能转化为热能，使聚合物颗粒得到软化和熔解。
聚合物材料在螺杆剪切热与料筒外部热源的作用下很快塑化并熔融，转变成粘流体并存贮在料筒前端的区域(即存料区)。
与此同时，存料区中的熔体具有一定的压力，当熔体压力大于螺杆后退所要克服的阻力时，螺杆开始一边转动一边向后移动。
直到螺杆碰到行程开关为止。
这一整个过程称为塑化过程。
此后有一螺杆的静止阶段，然后随着螺杆向前运动，熔化的物料通过喷嘴一模具浇道一成型模腔系统的通道，将螺杆头部的塑料熔体注入模具型腔中。
这一过程称为注射过程。
在注射过程中，塑料熔体轴向移动是由螺杆注射速度控制的。
注射一结束，由于熔体和模具的热传导，型腔内的熔体开始固化。
由于固化和冷却的作用，制品会发生收缩，因此为了补充收缩必须在一定的压力作用下，补充物料，这一过程称为压实一保压过程。
在这一阶段，螺杆移动很慢，压力可以进行变化控制。
通过一些冷却介质(通常是冷却水)的流通，热量连续的从模具中通过模具内的钻孔散出，最终制件得到固化。
这就是冷却过程。
在冷却过程中，在螺杆内同时发生了塑化过程。
最后，通过一个排出装置把制件从模具中分离出来(或用手动的方法)。
这时，一个循环过程结束，一个新的循环过程又开始了。
从注塑成型加工的周期过程中，可以看到，螺杆在塑化和注射时，均要发生轴向位移，同时螺杆又处于时转时停的间歇式工作状态，因此形成了螺杆塑化过程的非稳定性。
螺杆在不同阶段的运动如图1-2所示。
图1-2 往复式螺杆的动作顺序A）注射、压实及保压阶段：螺杆轴向向前移动；B）塑化阶段：螺杆一边转动一边后退；C）停留阶段：螺杆处于静止状态1.3注塑成型工艺的发展趋势注塑成型技术已经是一项比较成熟的技术，但是随着注塑制品在家电、汽车等高科技领域的应用，对制品的质量、性能及产品更新换代提出了更高的要求。
高质量高精度高灵敏度的严格要求成为阻止塑料制品快速进入这些高尖领域的限制和束缚。
注塑成型是一个多变量的过程，在注塑成型过程中，影响制品质量的因素可以分为四类:机器参数、材料参数、工艺参数和扰动。
其中机器参数同注塑成型机直接相关用以表征机器的机械特征，它包括:料筒温度、喷嘴温度、液压系统背压、螺杆旋转速度、模具温度及注塑机和模具的几何特征等。
材料参数为注塑材料的一些典型特征，一般由材料供应商提供，包括材料的流变性能、热物理性能(包括密度、分子组成、分子量、比热和热传导率等等)。
工艺参数反映了成型过程中材料的状态，受机器参数、材料参数的影响，注塑成型过程中的典型工艺参数有:熔体温度、熔体压力及它们在型腔中的分布、熔体注射速率、模具内的热流分布等等。
当然，这些参数虽然被划分在不同的范围内，但是相互之间有着密切关系，互相产生影响。
机器参数、材料参数决定了工艺参数。
对工艺参数的要求，直接影响到机器参数、材料参数的选取，从而确定出相应的注塑机和对应材料。
由于复杂的动态工艺及材料特性，使得注塑技术难以预测及控制制件的质量。
因此，如何提高注塑制品质量和性能成为该领域的重要研究课题。
注塑成型是复杂的多变量、非线性且具有周期性的非稳态过程。
成型过程中聚合物在型腔中的状态如压力、温度、形态等直接决定了制品的质量，因此如何实现机器设置参数和熔体状态参数之间的闭环控制成为注塑成型技术的研究热点，该技术的实现将会提高制品质量。
状态变量为机器输入和最终制品质量属性的中间变量，实现注塑成型的精确控制的最大困难在于机器输入和状态变量之间的关系模型与状态变量和制品质量属性之间的关系模型未知。
温度和压力为两个主要状态变量，目前的状态变量监控研究主要集中在温度和压力的监控上，也有关于熔体豁度的监控。
初期的状态控制主要针对单个变量，选用对整个成型周期或对某个阶段影响最大的工艺参数，例如熔体温度或型腔压力，或者针对某个特定目标选择单个工艺参数作为控制变量，而不考虑工艺参数之间的相互影响。
注塑成型过程中各个工艺参数之间的影响程度相当大，控制单一变量很容易使对整个成型过程的控制失去平衡。
研究者们逐渐将研究重点放在了多变量的控制方法上，同时选用对某个阶段或整个成型周期影响较大的几个参数，并尽可能的考虑到所选控制变量之间的相互影响。
注塑成型控制总体结构如图1-3，整个控制系统包括了三层控制。
