基于多指標正交實驗設計的加熱工藝參數優化

趙小強 汪志偉 許慶

摘 要：為提高極耳加熱工藝的制作質量，滿足產品安全要求，以剝離強度、滲透時間作為優化指標，采用多指標的正交實驗設計方法，通過極差分析法，討論熱壓溫度、熱壓時間、電磁加熱電流、電磁加熱時間等成型工藝參數對試件性能的影響，利用綜合平衡法確定最優的加熱工藝參數組合方案，對采用多設備多加熱工藝參數的產品質量具有指導意義。

關鍵詞：正交實驗法；熱壓工藝；多指標優化；綜合平衡法

中圖分類號：TH16 文獻標志碼：A

極耳加熱工藝涉及的成型機理涉及材料學、電學、熱力學、熱化學、機械學等多個領域，加工過程復雜度高，不同工藝參數對制件的性能，尤其對于影響產品安全的剝離強度、滲透強度有顯著影響。目前對于加熱工藝的研究主要從工藝自身的改進與提升考慮，對于多道加熱工藝參數研究與探討較少，顯然，優化單一工序對產品性能的作用遠遠低于多個工藝參數對產品性能的綜合影響。為獲得較為全面的工藝參數組成方案以提升產品的性能，本文應用正交實驗及多指標平衡法結合的方法，先用正交實驗法得到研究指標的工藝參數優化（熱壓溫度、熱壓時間、電磁加熱電流、電磁加熱時間）組合方案，在此基礎上對研究指標優化方案進行綜合評判，得出影響加熱工藝制作質量的工藝參數綜合優化組合方案，并再次進行試驗驗證優化后工藝參數對產品性能的提升。

1 試驗方案設計

1.1 試驗方法

在極耳加熱工藝中，為了有較高的產品性能，以產品滲透時間、剝離強度作為生產加工主要檢驗指標，剝離強度越大越能體現不同工藝參數下極耳膠與導體之間的結合緊密性，滲透時間能體現極耳的可靠性，兩個指標均影響產品性能的優劣，與產品安全性有緊密關系。通過正交試驗的極差分析法計算確定出影響剝離強度因素的重要順序和最優制作工藝參數組合，在利用綜合平衡法確定最優工藝參數組合，最后通過實驗驗證最優加熱工藝參數的合理性。

1.2 實驗因素

在極耳生產加工過程中，剝離強度的大小直接受到各個加熱工序的影響，加熱工序的主要參數包括：排片加熱溫度、排片加熱時間、熱壓溫度、熱壓時間、電磁加熱電流、電磁加熱時間等。根據大量前期實驗，確定正交因素為熱壓溫度、熱壓時間、電磁加熱電流、電磁加熱時間4個因素，4因素分別取3個水平，結合前期實驗結果和極耳膠熔融的溫度130℃～165℃，選擇熱壓溫度145℃～155℃，熱壓時間在生產效率與設備給定參數之間選擇30s～50s；同樣測試感應加熱時的加熱臺溫度對應的電流參數在14A～16A，感應加熱時間選擇10s左右，表1列出了各個因素下不同水平的取值。

2 正交實驗設計

考慮4個控制因素各有3個水平，自由度是8，選擇試驗次數為9的L9（34）正交試驗表進行正交試驗。

選用某公司熱壓機與SPG-06-III型高頻感應加熱設備進行研究，熱壓機采用加熱銅板的方式輸出溫度，采用計時系統控制其加熱效果，高頻感應加熱設備采用電流通過銅管時產生的電磁場加熱方式對導體進行加熱，進而從貼合面對極耳膠進行熱熔。

在一組實驗中制作8個試件，并進行后處理，使用微機控制電子萬能試驗機測試5個試件正反面剝離強度，共10組取平均值作為最終測量結果；使用干燥箱高溫烘烤后統計3個試件正反面脫膠時間，取其均值視為最終測試結果。表2為實驗計劃及實驗結果。

3 實驗結果分析

3.1 正交實驗極差分析

采用正交實驗的極差分析法對剝離強度、滲透時間進行結果計算，得出極差分析計算結果見表3。

表3中：Ki代表第i個水平和值，ki代表第i個水平均值，Rj代表因子j的極差。因子間的重要順序按照極差值的大小排列，極差值越大，表示因子j對試件指標的影響越大。

從表3中可以看出，對于指標剝離強度和滲透時間各因素極差排序均為RC>RA>RB>RD。則影響產品性能的主要因素排序為：感應加熱電流、熱壓溫度、熱壓時間、感應加熱時間。對于指標剝離強度，從表3中可看出，考慮剝離強度最大，最優工藝參數組合為A2B1C2D1，即熱壓溫度150℃、熱壓時間30s、感應加熱電流15A、感應加熱時間8s時；考慮滲透時間最長，最優工藝參數組合為A2B1C3D1，即熱壓溫度150℃、熱壓時間30s、感應加熱電流15.5A、感應加熱時間8s時。

3.2 綜合平衡法選取最優水平組合

多指標正交實驗中，各個指標所計算出的工藝參數組合可能存在不一致，因此在綜合分析時需要應用綜合平衡法，考慮各個因素、專業知識、生產經驗等因素確定最優水平。本文在最優工藝參數組合中出現的矛盾為因素C的第二、第三水平對指標的影響存在差異，其他均保持一致。對于兩個指標，C均是主要因素，所以需結合實際生產中的情況來看，C因素取第三水平15.5A時，產品溢膠增加，外觀不良概率增加，可控性差，具體如圖1所示溢膠極耳，其極耳膠與導體接觸邊緣膠體過度熔融導致外觀不良。取第二水平15A時，產品無明顯溢膠，外觀合格。因為確定C2為主最優，即感應加熱電流選擇15A，最優工藝組合為熱壓溫度150℃、熱壓時間30s、感應加熱電流15A、感應加熱時間8s。

結語

綜上所述，工藝參數優化與調整對極耳加熱工藝的制作質量、安全要求有了依據，產品的一致性得到保證。實踐表明，基于正交實驗法的多指標優化對于優化及改善加熱工藝是切實可行，對于多設備多工藝參數的多指標優化問題，也具有一定指導意義。對指標進行綜合平衡法評價時，指標越多，優化改善效果越明顯，但同時需要考慮實際生產問題，例如外觀影響的量化問題、生產穩定性問題等因素?？傊?，優化產品生產工藝問題時需要結合具體的情況進行合理綜合評價。

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