某SUV保險(xiǎn)杠飾條成型缺陷預(yù)估及工藝參數(shù)優(yōu)化

翟豪瑞，尹 浩，項(xiàng)偉能，熊 新，朱柯馨

（鹽城工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

隨著高分子材料和汽車輕量化的發(fā)展，塑件在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛，隨著汽車的普及，消費(fèi)者對(duì)其美觀、耐用性有更高的要求。汽車保險(xiǎn)杠的裝配質(zhì)量是影響整車性能的因素之一，是對(duì)美觀性有要求的外飾件，同時(shí)須具備良好抗低速碰撞能力。裝配質(zhì)量欠佳的前后保險(xiǎn)杠飾條不僅影響汽車的外形美觀，還會(huì)導(dǎo)致對(duì)低速物體碰撞抗性較差的問題，影響飾條的耐用性，因此裝配中汽車前后保險(xiǎn)杠飾條變形的控制尤為重要[1,2]?，F(xiàn)采用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)，避免傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)與制造過程中反復(fù)試模、修模的情況，提高了生產(chǎn)效率且降低了制造成本，以Moldex 3D 2020為試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)某SUV保險(xiǎn)杠飾條進(jìn)行成型缺陷預(yù)估及工藝參數(shù)優(yōu)化，以獲得最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

1 塑件基本參數(shù)

塑件模型為汽車前后保險(xiǎn)杠飾條，外形尺寸分別為1 032 mm×42.5 mm×61.8 mm和1 390 mm×42.5 mm×171.3 mm，成型其型腔體積為501.64 mm3，塑件主體部分壁厚為3 mm，塑件模型和厚度分析如圖1所示。

圖1 塑件模型和厚度分析

2 成型缺陷預(yù)估

塑件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但內(nèi)壁有較多卡扣和圓角等特征結(jié)構(gòu)，成型時(shí)收縮率較大。塑件狹長(zhǎng)，成型時(shí)其兩端會(huì)產(chǎn)生較大的翹曲變形，且采用多點(diǎn)進(jìn)澆會(huì)在成型塑件外表面產(chǎn)生多條熔接痕，不僅影響塑件裝配質(zhì)量及外形美觀度，還會(huì)導(dǎo)致對(duì)低速物體碰撞抗性較差。

3 模流分析

3.1 網(wǎng)格劃分及材料選擇

以Moldex 3D 2020為模流分析平臺(tái)，對(duì)塑件進(jìn)行仿真分析，選用的網(wǎng)格類型為BLM邊界層網(wǎng)格，層數(shù)為5，如圖2所示，并對(duì)孔類、圓角類進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格數(shù)量統(tǒng)計(jì)為11 485 158個(gè)。

圖2 BLM邊界層網(wǎng)格

汽車內(nèi)外飾件如儀表板、隔柵、照明系統(tǒng)、輪轂罩、車門把手等采用苯乙烯類的ABS作電鍍件，因ABS具有較高的沖擊強(qiáng)度和表面硬度，可以滿足汽車保險(xiǎn)杠飾條的外觀和性能要求。ABS的成型溫度為220～240℃，模具溫度為40～80℃，頂出溫度為97℃，固化溫度為117℃，材料特性如圖3所示。

圖3 材料特性

3.2 流道系統(tǒng)建立

采用普通流道與熱流道相結(jié)合的方式進(jìn)澆，以減少塑件翹曲量和消除熔接痕。設(shè)計(jì)的澆口尺寸為14 mm×20 mm，熱流道中分流道1尺寸為φ14 mm，分流道2尺寸為φ8 mm，如圖4（a）所示。U形普通流道采用7個(gè)澆口，搭接進(jìn)澆，搭接尺寸為9.71 mm×2.11 mm如圖4（b）所示。

圖4 流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3 冷卻系統(tǒng)建立

塑件成型周期中，冷卻時(shí)間占比較多，冷卻所需時(shí)間不僅與冷卻液的比熱容、塑件溫度有關(guān)，還與冷卻水路設(shè)計(jì)有關(guān)，良好的冷卻水路設(shè)計(jì)不僅可以縮短冷卻時(shí)間及成型周期，提高生產(chǎn)效率，還可以保證成型塑件具有良好的品質(zhì)。模具采用定模側(cè)4條水路，動(dòng)模側(cè)6條水路進(jìn)行冷卻，在塑件內(nèi)壁及外壁彎曲幅度較大處對(duì)應(yīng)模具位置采用隔水板式水路提高冷卻效果。普通水路管徑為φ8 mm，隔水板式水路管徑為φ12 mm，如圖5所示。

圖5 冷卻系統(tǒng)

3.4 成型參數(shù)設(shè)定

塑件的成型質(zhì)量與諸多因素有關(guān)，其中模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間對(duì)塑件成型質(zhì)量有較大影響，試驗(yàn)對(duì)上述5個(gè)因素進(jìn)行分析，為方便試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分別以A、B、C、D、E表示，均勻地選取4個(gè)水平因子，對(duì)5個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)，表1所示為試驗(yàn)因素及水平。

表1 試驗(yàn)因素及水平

3.5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

排除其余4個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)的干擾，分別對(duì)每個(gè)因素進(jìn)行單獨(dú)試驗(yàn)，共進(jìn)行16組試驗(yàn)[3,4]。試驗(yàn)指標(biāo)為翹曲量和區(qū)域收縮率，正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

為了直觀地選出對(duì)塑件成型質(zhì)量有較大影響的因素，對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析：極差值越大，該因素對(duì)塑件成型質(zhì)量的影響越大，如表3所示，其中Kn/4代表各試驗(yàn)因素編號(hào)n的翹曲量和體積收縮率的均值。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 翹曲變形均值和極差

由表3可知，對(duì)塑件翹曲量的影響程度是：D＞E＞B＞A＞C，得出該項(xiàng)目最優(yōu)的成型工藝參數(shù)為A3B2C4D4E4。

區(qū)域收縮率均值和極差如表4所示。由表4可知，對(duì)區(qū)域收縮率的影響程度為：D＞E＞B＞C＞A，該項(xiàng)目最優(yōu)的成型工藝參數(shù)為A3B2C4D4E4。從表3和表4的分析可以看出，影響翹曲量和體積收縮率的最優(yōu)參數(shù)組合相同。

表4 區(qū)域收縮均值和極差

3.6 模流分析驗(yàn)證

經(jīng)過上述正交試驗(yàn)和極差分析，得到了最優(yōu)參數(shù)組合，在Moldex 3D 2020工藝參數(shù)設(shè)置中錄入最優(yōu)組合的相關(guān)數(shù)據(jù)，分別為：模具溫度73℃，熔體溫度230℃，保壓壓力85 MPa，保壓時(shí)間27 s，冷卻時(shí)間24 s。經(jīng)過分析得到的結(jié)果最大翹曲量為6.723 mm，如圖6所示，區(qū)域收縮率最大為4.187%，如圖7所示，翹曲量和體積收縮率相對(duì)于16組分析結(jié)果得到了較大的優(yōu)化。

圖6 翹曲量

圖7 體積收縮率

4 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化

4.1 改變動(dòng)模與定模溫度以優(yōu)化翹曲量

分別對(duì)成型塑件做極差分析后得到的最優(yōu)組合各個(gè)方向的翹曲量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Z方向翹曲量較大為5.979 mm，如圖8所示，通過改變動(dòng)模與定模溫度以減小成型塑件在Z方向的翹曲量，提高塑件成型品質(zhì)。

圖8 塑件Z方向翹曲量

將初始設(shè)定條件中動(dòng)模與定模冷卻水路溫度均為60℃改為動(dòng)模冷卻水路溫度為50℃，定模冷卻水路溫度為60℃，保持最優(yōu)組合中的模具溫度73℃不變，分析結(jié)果如圖9所示，成型塑件Z方向翹曲量為4.887 mm，在最優(yōu)參數(shù)組合所得結(jié)果上進(jìn)一步優(yōu)化了塑件翹曲量。

圖9 改變動(dòng)模與定模溫度后塑件Z方向翹曲量

4.2 通過灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算優(yōu)化翹曲量

灰色關(guān)聯(lián)理論是將評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理、計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度以及根據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小對(duì)待評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行排序。

（1）采用最小值法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及初始基準(zhǔn)為[7.485，6.828]。

（2）算出兩級(jí)最大差值和最小差值

式中：x0(k)——參考序列；xi(k)——比較序列。

根據(jù)以上2個(gè)公式可得到兩級(jí)最小值均為0，兩級(jí)最大值分別為8.037和3.568。

（3）計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)：

式中：ρ——分辨率，一般取ρ＝0.5。

（4）計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值：

關(guān)聯(lián)度越大表明因素和結(jié)果之間的關(guān)系越緊密，對(duì)結(jié)果影響也越大。關(guān)聯(lián)度越小則表明因素和結(jié)果之間的關(guān)系越疏遠(yuǎn)，對(duì)結(jié)果影響也越小。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[5，6]，表5所示為按照以上4個(gè)公式計(jì)算得到的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度，并對(duì)表5進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度方差分析，計(jì)算各均值和方差R，相關(guān)數(shù)據(jù)如表6所示。

表5 關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度

表6 目標(biāo)函數(shù)的平均關(guān)聯(lián)度

經(jīng)過上述灰色關(guān)聯(lián)度分析，得出影響關(guān)聯(lián)度大小的因素排序?yàn)椋篋＞E＞C＞B＞A。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)系統(tǒng)理論得到該項(xiàng)目最優(yōu)試驗(yàn)組合是A3B2C4D4E4，即模具溫度73℃ ，熔體溫度230℃ ，保壓壓力85 MPa，保壓時(shí)間27 s，冷卻時(shí)間24 s。

按灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算得出最優(yōu)成型工藝參數(shù)組合，保持動(dòng)、定模冷卻水溫分別為50℃和60℃，進(jìn)行分析驗(yàn)證，總翹曲量為5.426 mm，達(dá)到試驗(yàn)所得到的最佳水平，塑件品質(zhì)得到大幅度改善，如圖10所示。

圖10 最優(yōu)成型工藝參數(shù)所得翹曲量

5 結(jié)束語

（1）通過正交試驗(yàn)和灰色關(guān)聯(lián)系統(tǒng)理論分析，得到塑件翹曲量和體積收縮率達(dá)到最優(yōu)水平的最佳注射工藝參數(shù)組合為模具溫度73℃、熔體溫度230℃、保壓壓力85 MPa、保壓時(shí)間27 s、冷卻時(shí)間24 s，分析結(jié)果顯示翹曲量最大為5.426 mm。

（2）通過類似于Moldex 3D模流分析軟件進(jìn)行CAE分析，能準(zhǔn)確反映在各工藝參數(shù)下的塑件成型品質(zhì)和各方向上的塑件翹曲量，可以有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化，減少分析時(shí)間。

（3）根據(jù)模流分析結(jié)果進(jìn)行注射模設(shè)計(jì)，注射模結(jié)構(gòu)如圖11所示[7,8]。

圖11 模具結(jié)構(gòu)