基于回歸分析的汽車扶手箱下蓋板注射成型工藝優(yōu)化

莊燕，朱敬花，毛洪輝，范希營

(1.九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221116； 2.江蘇師范大學(xué)，江蘇徐州 221116)

近年來，隨著科技的進步和經(jīng)濟水平的提高，汽車行業(yè)發(fā)展迅速，但同時帶來的能源消耗以及尾氣排放也成為熱點話題。研究表明，減輕汽車質(zhì)量可以節(jié)省燃油和降低碳排放，因此輕量化技術(shù)成為了汽車行業(yè)中降低車身質(zhì)量的有效措施[1–2]。注射成型技術(shù)是一種典型的塑料制品加工方法，成為汽車內(nèi)飾件的主要加工方式，不僅可以降低成本，縮短周期，而且能夠在以塑代鋼的同時保證力學(xué)性能，并實現(xiàn)汽車車身的輕量化[3]。

汽車扶手箱下蓋板是一種汽車內(nèi)飾件，多采用注射成型加工獲得，在加工時受到諸多因素的影響，不恰當(dāng)?shù)墓に噮?shù)會使得制品產(chǎn)生充填不足、飛邊、熔接痕等缺陷，尤其是翹曲變形直接影響到塑料件表面質(zhì)量和使用性能。然而傳統(tǒng)注塑模具多依靠工人經(jīng)驗，個人主觀性較強，缺乏客觀高效方法[4–6]。通過Moldflow軟件可以模擬注射成型過程中熔體的流動狀態(tài)，進而直觀清晰地分析產(chǎn)生缺陷的原因，提高了生產(chǎn)的可靠性以及減少了生產(chǎn)成本[7]。為了改善Moldflow的局限性，諸多研究人員將試驗設(shè)計、數(shù)學(xué)建模方法與數(shù)值仿真相結(jié)合，對工藝參數(shù)進行優(yōu)化[8–9]。為改善汽車扶手箱下蓋板的注射成型質(zhì)量，筆者首先通過拉丁超立方設(shè)計試驗方案，接著利用Moldflow模擬各組方案的注射成型過程獲得翹曲變形量，最后基于試驗數(shù)據(jù)建立翹曲變形的回歸方程，并進行優(yōu)化，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 結(jié)構(gòu)工藝性分析

圖1為某車型的扶手箱下蓋板示意圖，整體尺寸為358 mm×235 mm×6.6 mm，平均壁厚1.5 mm。塑料件外側(cè)光滑，內(nèi)側(cè)中間1個安裝孔，另外有8個安裝孔分布在四周，用于與其他產(chǎn)品進行組裝和固定；在左右側(cè)多處存在肋板結(jié)構(gòu)，主要用來增加強度，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

圖1 汽車扶手箱下蓋板三維圖

2 注射成型CAE分析

2.1 澆口位置選擇

將塑料件三維模型導(dǎo)入Moldflow中，利用網(wǎng)格劃分工具進行有限元處理，按照中性面劃分網(wǎng)格。成型材料選擇Chi Mei Corporation PA-765A的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)。劃分后的汽車扶手箱下蓋板網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型

利用Moldflow進行澆口分析，結(jié)果包括流動阻力(圖3a)和澆口匹配性(圖3b)。兩項指標(biāo)均表明最佳澆口位于塑料件中間。由于塑料件外觀要求光滑美觀，因此將澆口放置在內(nèi)側(cè)安裝孔附近，如圖3c所示。

圖3 澆口位置分析

2.2 澆注系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)

由于汽車扶手箱下蓋板尺寸較大，壁厚小，屬于大型注塑薄壁件，所以采用一模一腔的結(jié)構(gòu)。以點澆口形式進膠，主流道入口直徑4 mm，拔模角3°，流道直徑8 mm。此外，為了保證成型過程中制品能夠冷卻均勻，在塑料件上下放置2根冷卻水管，水管直徑為6 mm。最終建立的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 澆注系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)

3 構(gòu)建回歸模型

3.1 試驗變量設(shè)計

塑料件的成型質(zhì)量受到多個因素的影響，包括溫度、壓力、時間等，而由于注射成型主要有填充、保壓、冷卻三個過程，研究以保壓壓力(x1)、保壓時間(x2)、冷卻時間(x3)、模具溫度(x4)、注塑溫度(x5)共5個因素為試驗變量，具體取值范圍見表1。其他參數(shù)均采用Moldflow的推薦值。

表1 試驗變量因素

3.2 基于拉丁超立方的試驗方案設(shè)計

試驗方案是建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)，直接關(guān)系著預(yù)測模型的精確性，更影響著最終的優(yōu)化效果。相較于均勻試驗和正交試驗，拉丁超立方試驗設(shè)計方法能夠以獲得較少數(shù)量更加均勻的樣本點[10–11]。筆者基于Isight軟件采用拉丁超立方試驗設(shè)計方法，確定25組試驗方案，以翹曲變形量(y)為研究目標(biāo)，在Moldflow中對每組方案進行注射成型仿真，得到試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 拉丁超立方試驗數(shù)據(jù)

3.3 回歸方程

在注射成型加工時，翹曲變形會受到多個工藝參數(shù)的影響，是多個變量耦合的結(jié)果，表明試驗工藝與翹曲變形之間是一種多維非線性的關(guān)系[12–13]。因此，只有設(shè)置合理的工藝參數(shù)才能使翹曲變形量最小，而合理的工藝參數(shù)往往可以通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型并進行優(yōu)化來獲得。

筆者采用回歸分析作為代理模型，構(gòu)建5個工藝參數(shù)與翹曲變形量之間的映射關(guān)系。對于翹曲變形，注射成型工藝之間存在交互作用，因此采取二階模型，回歸模型如下：

式中，y為翹曲變形量，a0，a0，aii，aij為待求的模型系數(shù)；n是影響因素數(shù)，本文為5；xi，xj為設(shè)計變量。

利用Isight軟件進行回歸分析，獲得五元二次回歸模型，相應(yīng)的系數(shù)見表3。

表3 翹曲變形回歸分析系數(shù)表

將表2中25組試驗參數(shù)分別代入上述回歸方程中，得到相應(yīng)的預(yù)測值。通過繪制預(yù)測值與仿真試驗值的折線圖(圖5)，可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)測值與試驗值相差較小，預(yù)測精度較高。

圖5 預(yù)測值與仿真試驗值比較

3.4 方差分析

方差分析通過計算多項式模型自身的誤差及其擬合誤差的偏差平方和、均方值等，確定響應(yīng)目標(biāo)的總方差，并確定擬合精度(R2)和F值。對上述回歸方程進行方差分析可以判斷該方程是否具有統(tǒng)計學(xué)意義，一般來說，擬合精度R2越接近于1，表明方程擬合越精確；當(dāng)F值大于臨界值，那么回歸模型較顯著。選擇0.05的顯著性水平進行分析，回歸模型的方差分析表見表4。由表4可以看出，翹曲變形R2接近于1，故認(rèn)為該回歸模型擬合較為精確。經(jīng)查F檢驗表，F(xiàn)0.05(5,19)=2.63，F(xiàn)＞F0.05(5,19)，表明回歸模型影響非常顯著。

表4 方差分析表

3.5 工藝參數(shù)優(yōu)化

遺傳算法是一種優(yōu)化算法，近年來被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，并且在注射成型工藝優(yōu)化中發(fā)揮著重要作用[14–16]。利用MATLAB的遺傳算法工具箱進行優(yōu)化，以回歸模型為待求解的目標(biāo)方程，5個工藝參數(shù)的范圍即為自變量的條件。經(jīng)過147次迭代，獲得的最佳注塑工藝參數(shù)為保壓壓力100 MPa，保壓時間10 s，冷卻時間12 s，模具溫度60℃，注塑溫度250℃。將得到的最佳工藝參數(shù)在Moldflow中進行模擬，結(jié)果如圖6所示，最佳注射成型工藝參數(shù)產(chǎn)生的翹曲變形量為1.592 mm，小于試驗方案中各組翹曲值，質(zhì)量得到改善。

圖6 優(yōu)化后的翹曲變形

4 結(jié)論

(1)基于Moldflow軟件模擬汽車扶手箱下蓋板的注射成型仿真過程。以保壓壓力、保壓時間、冷卻時間、模具溫度、注塑溫度為試驗變量，研究其對翹曲變形的作用。并利用拉丁超立方試驗設(shè)計方法設(shè)計試驗方案。

(2)根據(jù)試驗結(jié)果進行回歸分析，以5個工藝參數(shù)為自變量，翹曲變形為應(yīng)變量，構(gòu)建了二階回歸方程，并進行方差分析。利用回歸方程對試驗方案進行預(yù)測，結(jié)果表明預(yù)測值與仿真值相差較小，且擬合精度R2接近于1，反映構(gòu)建的回歸模型比較精確。

(3)利用MATLAB的遺傳工具箱對所獲得的回歸方程進行最小化尋優(yōu)。優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)保壓壓力100 MPa，保壓時間10 s，冷卻時間12 s，模具溫度60℃，注塑溫度250℃時，產(chǎn)生的翹曲變形量為1.592 mm，低于試驗方案中各組翹曲值，塑料件質(zhì)量得到顯著提高，對實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。