娄艳华,周建华
（濮阳职业技术学院，河南濮阳457000）
摘要：排水管作为基础设施，其成型质量直接影响居民的生活，因此对排水管的成型质量要求越来越高。以聚氯乙烯（PVC）建筑排水管为研究对象，以熔体温度、保压压力、模具温度和冷却时间4个因素为试验变量，以排水管的翘曲变形量为响应目标，建立L9（34）正交试验。结果表明：熔体温度对制件的翘曲变形影响较大，当熔体温度、模具温度、保压压力以及冷却时间分别为180℃、60℃、70MPa和10s时，制件的翘曲变形量相对较小，为2.6240mm。通过Moldflow模流分析软件对优化后的工艺参数进行验证，结果达到实际生产要求。
关键词：建筑排水管；正交试验；Moldflow；翘曲变形；工艺优化
建筑排水管作为常用的基础设施之一，通过注塑成型工艺制得，所用材料为聚氯乙烯(PVC)。PVC具有不易燃、耐热性好、强度高、耐气候变化等优点，被广泛应用于室内外装饰、建材以及化工等领域[1]。
排水管内部镂空，所以在成型过程中很容易发生翘曲变形，严重影响制件的成型质量[2]。马春文[3]对排水管结构进行分析，设计一套内螺纹抽芯注塑模具，有效改善制件的成型质量。简忠武等[4]设计一副侧浇口两板注塑模具，用于PVC给排水管三通接头塑件的自动注塑成型。季宁等[5]通过设计正交试验对防爆球的注塑成型工艺进行优化，优化后的制件能够达到实际生产工艺要求。覃清仪等[6]基于计算机辅助工程模拟分析供水管路接口的注塑成型过程，设计一套性能良好的管道接头。邓然等[7]对大弯径建筑塑料管接口注塑成型工艺进行研究，采取合理的方式有效降低了生产成本。丁华锋等[8]通过Solidworks软件对管道的排布进行模拟，达到了降本增效的目的。张红等[9]利用计算机辅助技术对管路接头注塑的同轴度进行优化，最终满足了工艺设计要求。李波等[10]对水管接头注塑模具进行研究，结合CAE分析，缩短了模具的开发周期，提升了制件的成型质量。
本文对建筑排水管的研究，选取4个注塑工艺常见的工艺参数为试验变量，以制件的翘曲变形量为响应目标建立试验方案，通过极差分析，获取一组较佳的加工参数，旨在改善制件的成型质量。
1模拟仿真
1.1建立模型
图1为建筑排水管的三维模型。从图1可以看出，该制件为两个环形水管结合而成，最大长度为75cm，最大宽度为40cm。排水管通过一体成型工艺制得，所用材料为PVC塑料，该材料具有阻燃性能好、不易燃的优点[11]。
1.2网格划分
通过UGNX10.0创建排水管模型，随后保存为iges格式，导入Moldflow模流分析软件中进行网格划分[12]，图2为划分结果。其中划分网格单元尺寸为5mm，网格总数为42181，网格匹配率为92.56%。一般要求网格匹配率要大于90%[11]，此时网格质量达到要求。本试验整体网格满足要求。
1.3初始翘曲变形分析
首先对制件的浇口以及冷却系统进行分析，注塑件浇口位置一般遵循平衡单向填充[12]。一般在壁厚较厚的位置设计浇口，对浇口数量也有一定的要求，制件的浇口一般略多有利于制件成型，但是不能过多，因为熔料在流动过程中会互相汇合，汇合处会产生熔接痕，浇口越多，对应的熔接痕也越多，影响制件的成型质量[13]。冷却水路也要遵循水道尽量多、界面尺寸尽量大、沿着制件收缩方向排布等原则[14]。图3为冷却水路图。
对排水管初始翘曲变形进行模拟分析。当模具温度过高时，会导致熔料粘在模具上，温度过低则会导致熔料不能很好地充填模具，出现填充不足的情况[15]。熔体温度也不能过高或过低，一般来说熔体温度略高有利于制件成型，这是因为温度高可导致分子运动加快，熔体流动性变好，但温度过高会导致材料热降解，过低则可能导致填充不足[16]。保压压力过大会导致制件产生飞边、翘曲缺陷[17]。表1为工业PVC注塑生产工艺参数[18]。
初次模拟选取模具温度50℃、熔体温度170℃、保压压力60MPa、冷却时间15s，对制件进行注塑成型模拟。图4为初步模拟结果。
从图4可以看出，制件最大翘曲变形量为4.3096mm，并且在管道的拐角处翘曲变形最大，中间处变形量较小。这是因为制件在成型过程中拐角处的壁厚比较薄，因此更容易发生成型缺陷。在实际加工中，塑料件的变形量不应大于3mm。初次模拟建筑排水管的翘曲变形量不满足实际加工要求，因此需要对其进行优化。
2正交试验设计
2.1正交试验设计
正交试验选取模具温度、熔体温度、保压压力以及冷却时间为试验变量，以制件的翘曲变形量为目标，建立四因素三水平的正交试验。表2为L9(34)正交试验因素水平设计。
2.2正交试验分析
根据表2得到9组不同的工艺参数组合，通过Moldflow软件对9个组合进行模拟分析。表3为L9(34)正交试验结果。其中，R为翘曲变形量。为了进一步分析各实验变量对制件缺陷翘曲变形量的影响程度大小，对其进行极差分析。极差是最大值与最小值的差值[19]。极差越大，表明该因素对制件的翘曲变形影响也越大[20]。图5为翘曲变形量与因素水平的关系。
一般来说，最终目标需要所得到的制件翘曲变形量越小越好，所以所得到的k值越小越好[21]。从表3和图5可以看出，最优水平分别为A3B3C3D1，各因素对翘曲变形量影响的主次关系从大到小为：熔体温度>保压压力>冷却时间>模具温度。
图5翘曲变形量与因素水平的关系
根据极差分析结果进行模拟验证，在模具温度60℃、熔体温度180℃、保压压力70MPa、冷却时间10s条件下，模拟翘曲变形量。图6为最终模拟结果。
图6最终模拟结果
从图6可以看出，优化后制件的最大翘曲变形量为2.6240mm，小于3mm，达到实际生产要求，并且制件的整体翘曲变形量较未优化前有明显改善。
3生产验证
根据正交试验结果，在模具温度60℃、熔体温度180℃、保压压力70MPa、冷却时间10s时，进行实际生产验证，通过Cpk值判定成型制件的质量，Cpk值越大表明得到的制件成型质量越好[22]。表4为Cpk值处理原则[23]
根据实际生产得到的半成品制件，随机抽取20件作为测量对象，通过游标卡尺对其翘曲变形量进行测量。表5为20个样品翘曲值，图7为排水管Cpk分析结果。
从图7a可以看出，样本数据与分布拟合和规格限的关系呈现正态分布。从图7b可以看出，各散点基本分布在一条直线上，表明拟合效果较好[24]。从图7c可以看出，Cpk值为1.51，根据表6处理原则，制件成型质
量较好，继续保持。
量较好，继续保持。
4结论
通过正交试验得出制件翘曲变形量最小时的工艺参数为模具温度60℃、熔体温度180℃、保压压力70MPa、冷却时间10s，4个变量对翘曲变形量的影响因素大小分别为：熔体温度＞保压压力＞冷却时间＞模具温度。
优化后通过Moldflow模拟验证得到制件最大翘曲变形量为2.6240mm，小于3mm，达到生产要求。
通过Cpk质量分析，在正交试验得到的较佳成型工艺参数组合条件下，制件的拟合效果较好，Cpk值为1.51，成型质量较好，继续保持。
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