注塑工藝參數(shù)對(duì)聚碳酸酯車燈面罩翹曲變形的影響

劉朝福，馮翠云，史雙喜

（桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，廣西 桂林541004）

0 前言

汽車的車燈面罩又稱車燈配光鏡，是車輛的重要功能與裝飾零件，可以用PC注塑而成。PC是一種無(wú)色、透明的無(wú)定型熱塑性塑料，具有優(yōu)良的力學(xué)和光學(xué)性能，但對(duì)成型工藝的要求較為苛刻，實(shí)際生產(chǎn)中極容易出現(xiàn)欠注、流紋、翹曲變形等不良現(xiàn)象[1]。特別是翹曲變形現(xiàn)象，過(guò)大的翹曲變形不僅直接影響車燈面罩與其它零部件的裝配精度，而且嚴(yán)重影響車輛的觀感品質(zhì)。在車燈面罩的注塑過(guò)程中，除了選擇合適的塑料原料、注塑機(jī)和注塑模具外，還需要確定合理的熔體溫度、模具溫度、注射速度、保壓壓力和保壓時(shí)間等工藝參數(shù)值。

由于注塑工藝參數(shù)之間是非線性和強(qiáng)耦合性的[2]，從而使得工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化過(guò)程變得十分的困難和費(fèi)時(shí)。正交實(shí)驗(yàn)法則可以用少量的試驗(yàn)次數(shù)就可以較為全面的反映試驗(yàn)對(duì)象的信息，是解決多因素、多水平復(fù)雜問(wèn)題的一種常用方法。通過(guò)對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以快速、準(zhǔn)確地確定各個(gè)因素及其交互作用對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響程度[3]。因此，分析、研究各工藝參數(shù)對(duì)車燈面罩翹曲變形的影響機(jī)理，并從中確定最優(yōu)的工藝參數(shù)，對(duì)降低車燈面罩的翹曲變形量、提高其制造精度具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 車燈面罩模型與原料

圖1所示為本文研究的車燈面罩的三維模型，其外形尺寸為245 mm×186 mm×68 mm，塑件中部透鏡處壁厚較厚，達(dá)4.8 mm，其余部分壁厚較為均勻，為2.0～2.5 mm；總質(zhì)量為376 g，塑件整體為殼狀，相對(duì)規(guī)整，沒(méi)有明顯的尖角、凸臺(tái)、薄壁等難于成型的特征。

圖1 車燈面罩三維圖Fig.1 The 3D model of the light lens

車燈面罩的原料為光學(xué)級(jí)PC，牌號(hào)為PCQQ3620，美國(guó)通用電氣公司2013年12月生產(chǎn)，其主要加工參數(shù)如表1所示。

表1 PC的主要加工參數(shù)Tab.1 Processing parameters of PC

1.2 正交實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的原理[4]，通過(guò)正交分析可以找出在一定條件下所有實(shí)驗(yàn)中的最佳試驗(yàn)組合，以及實(shí)驗(yàn)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響程度的大小。針對(duì)本文研究對(duì)象，具體的實(shí)驗(yàn)方案為：

（1）確定CAE模擬實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)為車燈面罩的翹曲變形量；

（2）確定影響實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的影響因素及其水平，影響本實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的因素為熔體溫度（A）、模具溫度（B）、注射時(shí)間（C）、保壓壓力（D）和保壓時(shí)間（E）等5個(gè)，其因素水平表如表2所示；

表2 正交實(shí)驗(yàn)的因素及其水平Tab.2 Orthogonal experiment factors and levels

（3）構(gòu)建出合理的正交實(shí)驗(yàn)表，并導(dǎo)入車燈面罩?jǐn)?shù)字模型到計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件中進(jìn)模擬注塑分析；

（4）處理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)；

（5）分析并挑選出最佳的工藝參數(shù)組合；

（6）驗(yàn)證工藝參數(shù)的正確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)處理

由于本實(shí)驗(yàn)的因素?cái)?shù)為5，水平數(shù)也為5，其全部不同的實(shí)驗(yàn)條件共計(jì)應(yīng)該有55個(gè)，但通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)則只需要25次實(shí)驗(yàn)即可。在Moldflow中導(dǎo)入車燈面罩的三維模型，在車燈面罩上標(biāo)記10個(gè)點(diǎn)，依次進(jìn)行25次模擬注塑，分別記錄每次模擬中10個(gè)點(diǎn)的翹曲變形量，將每次模擬的10個(gè)點(diǎn)的變形量求取算術(shù)平均值，記為塑件的變形量，結(jié)果如表3所示。

表3 正交實(shí)驗(yàn)表及其結(jié)果Tab.3 Orthogonal experiment table andresults

對(duì)表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各個(gè)因素在不通水平下的翹曲變形量之和的平均值，記為ki；同一因素的平均值中，其最大值和最小值之差為極差，記為R，R＝kmax—kmin；逐一計(jì)算各個(gè)因素的極差，結(jié)果如表4所示。極差R的大小體現(xiàn)了因素變化對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，R越大，表示所對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)（翹曲變形）影響程度越大，這個(gè)因素就越重要。由表4中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)影響車燈面罩翹曲變形的工藝參數(shù)中，其重要性的順序應(yīng)為：B＞E＞A＞D＞C。

表4 翹曲變形結(jié)果的極差分析Tab.4 The difference analysis of warpage deformationresults

2.2 工藝參數(shù)對(duì)車燈面罩翹曲變形的影響

2.2.1 熔體溫度

從圖2中可以看出，車燈面罩的翹曲變形量隨著熔體溫度的升高而逐漸降低，在溫度為320℃時(shí)為最小值，隨后略微升高。熔體溫度對(duì)于塑件收縮的影響包括熱收縮、結(jié)晶收縮、取向收縮和補(bǔ)壓收縮等。熔體溫度升高，其黏度降低，流動(dòng)性增大，充填到模具的能力就會(huì)提高，補(bǔ)壓補(bǔ)收縮的作用就會(huì)增強(qiáng)，塑件的翹曲變形就逐漸減少；但是，隨著熔體溫度的進(jìn)一步上升，熔體在保壓和冷卻定型階段的熱收縮、結(jié)晶收縮和取向收縮等均會(huì)有所上升[5-6]，從而導(dǎo)致塑件的總體翹曲變形量在320℃以后會(huì)略微上升。

圖2 熔體溫度對(duì)車燈面罩翹曲變形的影響Fig.2 Effect of melt temperature on the warpage of the light lens

2.2.2 模具溫度

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，車燈面罩的翹曲變形量隨著模具溫度上升而顯著增加。模具溫度對(duì)塑件翹曲變形的影響主要是收縮變形[7]，其時(shí)間是在澆口凝固封閉后、塑件脫模前的這一過(guò)程，澆口封閉后，注塑機(jī)對(duì)模腔的填充和保壓作用完全喪失，因此，隨著模具溫度的升高，熔體冷卻定型所需的時(shí)間也將增加，塑件脫模后的翹曲變形量就會(huì)增大。

圖3 模具溫度對(duì)車燈面罩翹曲變形的影響Fig.3 Effect of mould temperature on the warpage of the light lens

2.2.3 注射時(shí)間

從圖4可以看出，車燈面罩的翹曲變形量隨著注射時(shí)間的增加而逐漸下降，其原因是，對(duì)于熔體體積一定的塑件而言，注射時(shí)間越短，其相應(yīng)的注射速度就越大，熔體在此過(guò)程中所受到的剪切作用就越強(qiáng)烈，熔體中聚合物的結(jié)晶和取向作用越發(fā)明顯[8-9]，結(jié)果是塑件的翹曲變形量會(huì)變大。

圖4 注射時(shí)間對(duì)車燈面罩翹曲變形的影響Fig.4 Effect of filling time on the warpage of the light lens

2.2.4 保壓壓力

從圖5可以看出，當(dāng)保壓壓力較小時(shí)，塑件的翹曲變形量隨著保壓壓力增加而顯著下降，但保壓壓力上升到約60 MPa后，塑件的翹曲變形卻又隨之上升，其原因是較高的保壓壓力可以使模腔內(nèi)的熔體更加密實(shí)，從而減少塑件中由于收縮導(dǎo)致的翹曲變形；但是，過(guò)高的保壓壓力會(huì)導(dǎo)致模具鎖模不嚴(yán)密而產(chǎn)生熔體溢出的現(xiàn)象，并且可能引起較高的流動(dòng)殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致塑件的變形量增大[10-12]。

圖5 保壓壓力對(duì)車燈面罩翹曲變形的影響Fig.5 Effect of packing pressure on the warpage of the light lens

2.2.5 保壓時(shí)間

從圖6中可以看出，塑件的翹曲變形量隨著保壓時(shí)間的增加而逐漸下降，其原因是，保壓時(shí)間越大，越有利于更多熔體補(bǔ)充到模具型腔內(nèi)，用以彌補(bǔ)模腔內(nèi)因冷卻收縮而產(chǎn)生的空隙[13-14]，這個(gè)補(bǔ)充作用越強(qiáng)，模腔熔體的內(nèi)應(yīng)力就越小，塑件的翹曲變形量就越小。

圖6 保壓時(shí)間對(duì)車燈面罩翹曲變形的影響Fig.6 Effect of packing time on the warpage of the light lens

2.3 最佳工藝參數(shù)的確定與驗(yàn)證

從表4的分析中可以看出，根據(jù)對(duì)車燈面罩翹曲變形影響程度的大小，注塑工藝參數(shù)的重要性的依次是模具溫度、保壓時(shí)間、熔體溫度、保壓壓力和注射時(shí)間。因此，為了滿足塑件的翹曲變形量為最小值這一實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，結(jié)合表4，在表2中即可查找到最佳的工藝參數(shù)組合應(yīng)為：A4B1C5D2E5，具體的工藝參數(shù)值如表5所示。

表5 最佳工藝參數(shù)組合Tab.5 The combination of optimal processing parameters

將選出的最佳工藝參數(shù)導(dǎo)入CAE分析軟件Autodesk Moldflow中進(jìn)行模擬注塑分析，結(jié)果如圖7所示，系統(tǒng)顯示車燈面罩的最大翹曲變形量下降至2.75 mm，這表示車燈面罩的翹曲變形現(xiàn)象明顯改善，由此驗(yàn)證了正交實(shí)驗(yàn)所選擇的工藝參數(shù)是正確的。

圖7 最佳工藝參數(shù)下的變形情況Fig.7 Warpage of the light lens with the combination of optimal processing parameters

3 結(jié)論

（1）以PC為車燈面罩的材料，采用正交實(shí)驗(yàn)方法分析得出其注塑工藝參數(shù)對(duì)其翹曲變形的影響程度的重要性依次是模具溫度、保壓時(shí)間、熔體溫度、保壓壓力、注射時(shí)間；

（2）當(dāng)熔體溫度為320℃、模具溫度為80℃、注射時(shí)間為8 s、保壓壓力為60 MPa、保壓時(shí)間為40 s時(shí)，車燈面罩的翹曲變形量為最小，最小值為2.75 mm。

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