近年来，随着塑料成型技术不断革新，出现了许多新技术、新工艺。特别是在注塑成型工艺中，模内贴标技术以其环保、美观的特点被广泛应用于内外饰领域[1]。模内贴标技术又称模内装饰注塑成型技术，即一种将装饰薄膜图案与注塑成型工艺相结合的固化成型的表面装饰技术。该技术融合了薄膜贴覆和嵌件注塑成型工艺的特点，不仅节省了制品的成型周期，同时，提高了制品的表观质量，增加了制品表观图像的复杂性和产品的耐用性[2-4]。竖笛属于细长型注塑制品，相比于其他工艺或者其他材料成型的方式，模内贴标技术具有成型周期短、环保成本低、成型质量高等优点，广泛应用于竖笛成型。但该工艺的延滞传热作用依然影响竖笛的成型质量。国内外专家学者对模内贴标技术的延滞传热作用的改善做出大量研究。薛丹[5]通过模拟仿真研究了模内贴标技术下，薄膜的冷却时间对模具传热的影响。研究发现，薄膜的厚度是影响型腔内延滞作用的主要因素。贾玉龙[6]通过正交试验研究了工艺参数对模内贴标车门扶手的影响规律。李彦甲[7]利用双向拉伸实验模拟了不同温度、不同速度以及不同拉伸条件下薄膜的成型效果。本实验以竖笛为研究对象，通过正交试验分析工艺参数对模内贴标注塑成型竖笛的翘曲变形的影响规律，从而有效提高竖笛产品质量，为模内贴标技术成型高分子材料制品提供相应的理论支持。1竖笛的工艺结构分析图1为利用UG建立的三维模型。竖笛长464 mm，最大直径为40 mm，属于细长型注塑制品，极易出现翘曲变形。考虑到竖笛的成型成本及较高的外观质量要求，选用竖笛基体材料为聚丙烯(PP)，PP为无毒、无臭、无味乳白色材料，密度小，硬度高，具有优良的可加工性。由于应用模内贴标技术，故竖笛外表面全部贴覆聚对苯二甲酸乙二酯(PET)材料薄膜。图2为网格划分图。网格匹配百分比为96.2%，平均纵横比为1.42。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.021.F001图1竖笛的三维模型Fig.1Three-dimensional model of the clarinet10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.021.F002图2竖笛的网格划分Fig.2Grid division of the clarinet由于竖笛属于细长型注塑制品，为提高熔体的填充速率，故在竖笛两侧选择两点进浇。基于竖笛的结构特点以及Moldex3D推荐的冷却系统结构，在竖笛模型上下两侧等距放置两组水管，选择冷却水道为软件推荐的直径Ф=8 mm的管，恒温20 ℃的水作为冷却介质，回路雷诺数默认为10 000。图3为竖笛的浇注系统及冷却系统设计图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.021.F003图3竖笛的浇注系统及冷却系统设计图Fig.3Design drawing of the clarinet's pouring system and cooling system2竖笛的工艺参数设置为改善模内贴标技术产生的翘曲变形缺陷，选择翘曲值作为评价指标，由于制品的翘曲值主要受温度和压力的影响，因而选择实验参数为熔体温度(R)、保压压力(M)、保压时间(Y)、薄膜厚度(S)，每个实验参数设置3个水平，其中参数水平的设置主要依据Moldex3D推荐范围进行选择。表1为Moldex3D推荐的PP成型工艺参数范围。表2为L18(34)正交试验因素水平设计表。为更好对比基于正交试验模内贴标成型竖笛的参数优化，特设置推荐工艺参数成型竖笛作为对照组，图4为推荐工艺参数成型竖笛的翘曲变形值。从图4可以看出，竖笛的翘曲值为3.263 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.021.T001表1PP成型工艺参数范围Tab.1Process parameter range of PP molding工艺参数R/℃M/MPaY/sS/mm因素水平190~2406~1010~200.1~0.410.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.021.T002表2正交试验因素水平设计Tab.2Orthogonal experiment factors and level design水平因素R/°CM/MPaY/sS/mm12006100.122158150.2323010200.310.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.021.F004图4Moldex3D推荐参数成型竖笛的翘曲值Fig.4The warpage value of Moldex3D recommended parameter molding clarinet3结果分析与讨论表3为正交试验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.021.T003表3正交试验方案及结果Tab.3Orthogonal experiment scheme and results编码因素空白列翘曲值/mmRMYS1111111.2152122221.7303133331.5524211222.1475222331.3156233111.7537312131.6298323211.9389331320.97510113321.53211121131.21512132211.08713212310.99614223121.45215231231.66916313232.00317321311.54918332120.962k11.3881.5871.4621.371k21.5551.5331.2871.762k31.5091.3331.7051.320R0.1670.2540.4190.442表4为竖笛翘曲值的方差分析。从表4可以看出，因素S的F值最大，表明因素S对竖笛的翘曲值影响最为显著，当因素S取值0.1 mm时，竖笛的翘曲值最小。因素Y影响程度次之，当因素Y取值15 s时，竖笛的翘曲值最小。因素M影响程度较小，选取较大的因素M更有助于减少翘曲值，即当因素M取值15 s时，竖笛的翘曲值最小。相比于前三个因素，因素R影响最小，当因素R取值230 ℃时，竖笛的翘曲值最小。最终确定最优的工艺组合R3M3Y2S1，即熔体温度230℃，保压压力10 MPa，保压时间15 s，薄膜厚度0.1 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.021.T004表4竖笛翘曲值的方差分析Tab.4Variance analysis of clarinet warpage value离差来源偏差平方和自由度均方值F值F临界值显著性R0.025420.01270.5914.256M0.101420.05071.4254.256Y0.750620.37533.5154.256S0.577820.28894.6624.256显著误差1.011990.1124利用Moldex3D模流分析软件，基于最终的工艺优化参数组合进行优化分析，将所得结果与软件推荐初始值进行比较。图5为最优工艺组合下成型竖笛的翘曲值。从图5可以看出，最优工艺参数组合下竖笛翘曲值为1.363 mm，相比推荐工艺参数组合下竖笛翘曲值减少58.2%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.021.F005图5最优工艺参数组合下的翘曲值Fig.5Warpage value under the optimal process parameter combination图6和图7分别为推荐工艺参数组合和最优工艺参数组合下成型竖笛熔接痕云图。从图6和图7可以看出，在竖笛中部，两种工艺组合下都会产生熔接痕，但是最优工艺组合产生的熔接痕更加细小，而在竖笛口处，最优工艺参数组合下竖笛的熔接痕改善效果更明显。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.021.F006图6推荐工艺参数下的熔接痕Fig.6Weld line of under the recommended process parameters10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.021.F007图7最优工艺参数组合下的熔接痕Fig.7Weld line under the optimal process parameter combination4生产验证通过上述优化设计获得的最佳工艺参数组合，对其进行实际的生产验证，图8为所得到制件。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.021.F008图8竖笛实物图Fig.8Picture of the clarinet5结论(1)基于模内贴标注塑成型工艺，利用正交试验对竖笛的翘曲变形进行工艺参数优化设计，将竖笛的翘曲值作为评价指标，通过优化得到最优工艺参数组合为：熔体温度230℃，保压压力10 MPa，保压时间15 s，薄膜厚度0.1 mm。(2)与Moldex3D推荐工艺参数组合下成型竖笛翘曲值相对比，经过正交试验优化后的工艺参数组合成型竖笛的翘曲值更小，同时可以改善竖笛的熔接痕等表面缺陷，得到高质量的竖笛，为实际成型竖笛提供了理论依据。