基于多指标正交实验设计的加热工艺参数优化

赵小强 汪志伟 许庆

摘 要：为提高极耳加热工艺的制作质量，满足产品安全要求，以剥离强度、渗透时间作为优化指标，采用多指标的正交实验设计方法，通过极差分析法，讨论热压温度、热压时间、电磁加热电流、电磁加热时间等成型工艺参数对试件性能的影响，利用综合平衡法确定最优的加热工艺参数组合方案，对采用多设备多加热工艺参数的产品质量具有指导意义。

关键词：正交实验法；热压工艺；多指标优化；综合平衡法

中图分类号：TH16 文献标志码：A

极耳加热工艺涉及的成型机理涉及材料学、电学、热力学、热化学、机械学等多个领域，加工过程复杂度高，不同工艺参数对制件的性能，尤其对于影响产品安全的剥离强度、渗透强度有显著影响。目前对于加热工艺的研究主要从工艺自身的改进与提升考虑，对于多道加热工艺参数研究与探讨较少，显然，优化单一工序对产品性能的作用远远低于多个工艺参数对产品性能的综合影响。为获得较为全面的工艺参数组成方案以提升产品的性能，本文应用正交实验及多指标平衡法结合的方法，先用正交实验法得到研究指标的工艺参数优化（热压温度、热压时间、电磁加热电流、电磁加热时间）组合方案，在此基础上对研究指标优化方案进行综合评判，得出影响加热工艺制作质量的工艺参数综合优化组合方案，并再次进行试验验证优化后工艺参数对产品性能的提升。

1 试验方案设计

1.1 试验方法

在极耳加热工艺中，为了有较高的产品性能，以产品渗透时间、剥离强度作为生产加工主要检验指标，剥离强度越大越能体现不同工艺参数下极耳胶与导体之间的结合紧密性，渗透时间能体现极耳的可靠性，两个指标均影响产品性能的优劣，与产品安全性有紧密关系。通过正交试验的极差分析法计算确定出影响剥离强度因素的重要顺序和最优制作工艺参数组合，在利用综合平衡法确定最优工艺参数组合，最后通过实验验证最优加热工艺参数的合理性。

1.2 实验因素

在极耳生产加工过程中，剥离强度的大小直接受到各个加热工序的影响，加热工序的主要参数包括：排片加热温度、排片加热时间、热压温度、热压时间、电磁加热电流、电磁加热时间等。根据大量前期实验，确定正交因素为热压温度、热压时间、电磁加热电流、电磁加热时间4个因素，4因素分别取3个水平，结合前期实验结果和极耳胶熔融的温度130℃～165℃，选择热压温度145℃～155℃，热压时间在生产效率与设备给定参数之间选择30s～50s；同样测试感应加热时的加热台温度对应的电流参数在14A～16A，感应加热时间选择10s左右，表1列出了各个因素下不同水平的取值。

2 正交实验设计

考虑4个控制因素各有3个水平，自由度是8，选择试验次数为9的L9（34）正交试验表进行正交试验。

选用某公司热压机与SPG-06-III型高频感应加热设备进行研究，热压机采用加热铜板的方式输出温度，采用计时系统控制其加热效果，高频感应加热设备采用电流通过铜管时产生的电磁场加热方式对导体进行加热，进而从贴合面对极耳胶进行热熔。

在一组实验中制作8个试件，并进行后处理，使用微机控制电子万能试验机测试5个试件正反面剥离强度，共10组取平均值作为最终测量结果；使用干燥箱高温烘烤后统计3个试件正反面脱胶时间，取其均值视为最终测试结果。表2为实验计划及实验结果。

3 实验结果分析

3.1 正交实验极差分析

采用正交实验的极差分析法对剥离强度、渗透时间进行结果计算，得出极差分析计算结果见表3。

表3中：Ki代表第i个水平和值，ki代表第i个水平均值，Rj代表因子j的极差。因子间的重要顺序按照极差值的大小排列，极差值越大，表示因子j对试件指标的影响越大。

从表3中可以看出，对于指标剥离强度和渗透时间各因素极差排序均为RC>RA>RB>RD。则影响产品性能的主要因素排序为：感应加热电流、热压温度、热压时间、感应加热时间。对于指标剥离强度，从表3中可看出，考虑剥离强度最大，最优工艺参数组合为A2B1C2D1，即热压温度150℃、热压时间30s、感应加热电流15A、感应加热时间8s时；考虑渗透时间最长，最优工艺参数组合为A2B1C3D1，即热压温度150℃、热压时间30s、感应加热电流15.5A、感应加热时间8s时。

3.2 综合平衡法选取最优水平组合

多指标正交实验中，各个指标所计算出的工艺参数组合可能存在不一致，因此在综合分析时需要应用综合平衡法，考虑各个因素、专业知识、生产经验等因素确定最优水平。本文在最优工艺参数组合中出现的矛盾为因素C的第二、第三水平对指标的影响存在差异，其他均保持一致。对于两个指标，C均是主要因素，所以需结合实际生产中的情况来看，C因素取第三水平15.5A时，产品溢胶增加，外观不良概率增加，可控性差，具体如图1所示溢胶极耳，其极耳胶与导体接触边缘胶体过度熔融导致外观不良。取第二水平15A时，产品无明显溢胶，外观合格。因为确定C2为主最优，即感应加热电流选择15A，最优工艺组合为热压温度150℃、热压时间30s、感应加热电流15A、感应加热时间8s。

結语

综上所述，工艺参数优化与调整对极耳加热工艺的制作质量、安全要求有了依据，产品的一致性得到保证。实践表明，基于正交实验法的多指标优化对于优化及改善加热工艺是切实可行，对于多设备多工艺参数的多指标优化问题，也具有一定指导意义。对指标进行综合平衡法评价时，指标越多，优化改善效果越明显，但同时需要考虑实际生产问题，例如外观影响的量化问题、生产稳定性问题等因素。总之，优化产品生产工艺问题时需要结合具体的情况进行合理综合评价。

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