基于正交試驗的汽車座椅調(diào)角器注射成型質量優(yōu)化

郭巍，李金松，嚴巋

(1.武漢理工大學汽車工程學院，武漢 430070；2.武漢理工大學現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，武漢 430070；3.武漢理工大學汽車零部件技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070)

注射成型能夠快速實現(xiàn)產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)，然而成型過程中注塑件易產(chǎn)生翹曲、體積收縮等缺陷，所以得到合理的注塑件工藝參數(shù)就變得尤為重要。汽車座椅的調(diào)角器是用來完成座椅角度調(diào)節(jié)的結構，常采用注塑加工，其要承受一定的載荷。為提高汽車的安全性，調(diào)角器在聚酰胺6 (PA6)的基礎上加入一定量玻纖(GF)來提高力學強度，但加入GF使成型過程更加復雜，表現(xiàn)出明顯的各項異性[1]，這對注塑件的翹曲和體積收縮產(chǎn)生重要影響。注塑件的翹曲變形量及體積收縮率過大會導致其質量下降，為了使汽車座椅調(diào)角器注塑件具有良好的外觀質量、裝配性能，調(diào)角器注塑件的翹曲變形量和體積收縮率要盡可能地小，以提升其質量[2-5]。

影響注塑件質量的因素有很多，為了得到更好質量的塑件，已有許多學者進行了相關的研究。Oliaei 等[6]利用田口實驗和人工神經(jīng)網(wǎng)絡得到的最優(yōu)工藝參數(shù)組合非常接近。Li 等[7]運用田口實驗、響應面方法以及NSGA-II 算法，發(fā)現(xiàn)纖維參數(shù)對零件質量有很大影響。Xu 等[8-9]利用神經(jīng)網(wǎng)絡和粒子群優(yōu)化算法得到了質量目標最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，提升了產(chǎn)品性能。翟豪瑞等[10-11]和張維合等[12]運用Moldex3D 對儀表盤、碳罐、汽車后背門護板進行模流分析，并改善了成型質量。

筆者通過Moldex3D 軟件進行注射成型CAE分析和正交試驗，利用極差分析和方差分析對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，分析了各設計參數(shù)對翹曲，體積收縮率兩個質量目標的影響規(guī)律，得到了優(yōu)化目標的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，該試驗方法對纖維增強材料薄壁注塑件工藝參數(shù)優(yōu)化有一定參考價值。

1 建立分析模型

1.1 注塑件結構及網(wǎng)格劃分

調(diào)角器的幾何模型如圖1a 所示，其整體尺寸為172.9 mm×60.5 mm×37.4 mm，模型厚度集中在1～5 mm。為提高模流分析的精度，首先在Moldex3D CAD Doctor 中對調(diào)角器注塑件的拐角、尖角進行修復，避免自由邊、干涉網(wǎng)格等缺陷的出現(xiàn)。在Moldex3D 中對調(diào)角器進行實體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為1，四面體個數(shù)為337 962 個，得到有限元分析模型如圖1b 所示。對表面網(wǎng)格和實體網(wǎng)格進行檢查，展弦比均小于0.05，沒有正交性不佳和雅可比不佳等缺陷，網(wǎng)格生成成功，滿足Moldex3D 分析的基本要求，可以進行后續(xù)分析，檢查結果如圖2所示。

圖1 調(diào)角器幾何示意圖和有限元分析模型示意圖

圖2 網(wǎng)格質量檢查結果

調(diào)角器成對使用，采用一模雙腔，為了加快有限元分析速度，在Moldex3D 之中設置對稱結構，根據(jù)調(diào)角器結構特征進行流道設計，采用冷流道和側邊澆口。根據(jù)流道位置和實際模具特點，冷卻液選擇水，采用異形水路，如圖3 所示。

圖3 流道、澆口及冷卻系統(tǒng)

1.2 材料選擇

以汽車座椅調(diào)角器為研究對象，使用BASF公司生產(chǎn)的牌號為Ultramid B3WG3 的短GF 增強PA6 作為Moldex3D 分析材料，GF 質量分數(shù)為15%。PA6 采用GF 增強后，熱穩(wěn)定性好、剛度大，尺寸穩(wěn)定性高。

1.3 初始注塑模擬分析

產(chǎn)品的質量在很大程度上受注射成型過程中工藝參數(shù)的影響，選取熔體溫度(A)、模具溫度(B)、最大保壓壓力百分比(C)、保壓時間(D)和充填時間(E)五個因素為研究對象。根據(jù)前期嘗試，調(diào)角器的原始工藝參數(shù)組合為：A=270℃，B=80℃，C=84%，D=8 s，E=1.5 s，記為初始模擬組合為G1，得到的最大翹曲變形量(W1)為1.933 mm，最大體積收縮率(W2)為9.2%，如圖4 所示。

圖4 初始模擬設計結果

2 正交試驗與結果分析

傳統(tǒng)的設計-試模-修模的迭代過程，能夠得出可行的工藝參數(shù)，但費時費力且不夠準確，增加了試模時間和成本，采用正交試驗法[13-14]能避免反復試湊，通過較少的試驗次數(shù)，得到相關工藝參數(shù)在試驗范圍內(nèi)的最優(yōu)組合，從而提高產(chǎn)品的質量[15-16]。

2.1 正交試驗方案及結果

在試驗中，忽略各因素之間的交互作用，確定五因素五水平L25(55)的正交方案，結果見表1，設計的25 組試驗在Moldex3D 中進行模擬，以W1，W2為質量指標，結果見表2。

表1 正交試驗因素水平表

表2 正交試驗方案及結果

2.2 正交試驗結果分析

根據(jù)正交試驗結果，在Minitab 軟件中進行極差分析和方差分析，可以得到各工藝參數(shù)對質量指標的影響。

(1)極差分析。

極差分析是一種直觀分析方法，試驗因素的極差越大，該因素對試驗目標的影響就越大；試驗因素的極差越小，該因素對試驗目標的影響就越小。通過極差對試驗因素進行排序，可以分析出主次因素，對影響大的因素選取使目標達到最佳的水平，對影響小的因素，可以任意選取一個水平，一般選取經(jīng)濟和實用的水平[17]。優(yōu)化目標的極差分析結果見表3 和表4，其中，ki表示某一因素在i(i=1，2，3，4，5)水平時W1或W2的均值，優(yōu)化目標的均值主效應圖如圖5 和圖6 所示。

圖5 W1 主效應圖

圖6 W2 主效應圖

由表3、表4 可以發(fā)現(xiàn)，各試驗因素對W1的影響主次順序為：C＞A＞B＞E＞D；對W2的影響主次順序為：C＞A＞B＞D＞E。根據(jù)極差分析結果，使W1最小的最優(yōu)組合為A4B1C5D5E3，使W2最小的最優(yōu)組合為A1B1C5D5E5。

表3 W1 極差分析

表4 W2 極差分析

(2)方差分析。

采用直觀分析方法，雖然計算簡單，工作量小且易懂，但它不能將試驗中由于試驗條件改變引起的數(shù)據(jù)波動與試驗誤差引起的波動區(qū)分開，也無法精確估計各因素對試驗結果的精度，而方差分析將數(shù)據(jù)的總變異分解為因素引起來的變異和誤差引起來的變異，可以精確估計各因素對試驗結果的影響程度，判斷因素作用是否顯著[17]。

方差分析結果可以確定誤差對結果的影響以及試驗因素對優(yōu)化目標的影響情況。表5、表6分別為W1，W2的方差分析結果。取顯著性水平α=0.05，查F分布表可知，F(xiàn)0.05(4，4)=6.39。根據(jù)表5、表6 的方差分析結果，可以發(fā)現(xiàn)調(diào)角器注塑件的C，A和B對W1的影響顯著，而D和E對W2的影響不顯著，按檢驗統(tǒng)計值F值大小排序為：C＞A＞B＞D＞E，與極差分析得到的結果略有不同；C，A，B和D對W2的影響顯著，E對W2的影響不顯著，按F值大小排序為：C＞A＞B＞D＞E，與極差分析得到的結果一致。

表5 W1 方差分析

表6 W2 方差分析

3 優(yōu)化結果與驗證

通過前述分析，已經(jīng)分別得到使W1，W2最小對應的工藝參數(shù)組合，為得到兩個優(yōu)化目標都較好的工藝參數(shù)組合，取W1，W2各自對應最優(yōu)工藝參數(shù)的平均值[18]，結果見表7。由表7 可以看出，采用正交試驗優(yōu)化方法，最終得到W1和W2的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：A=265℃，B=70℃，C=98%，D=8.4 s，E=1.6 s。將得到的工藝參數(shù)組合進行Moldex3D仿真驗證，結果如圖7 所示。由圖7 可以看出，其最大W1為1.470 mm，最大W2為8.106%，兩個優(yōu)化目標都得到了明顯改善，W1和W2減少了23.95%和11.89%。用圖8 所示的模具生產(chǎn)的調(diào)角器注塑件如圖9 所示，可以發(fā)現(xiàn)，注塑件的整體質量良好，收縮較為均勻，整體變形較小，無明顯外觀質量問題。

圖7 優(yōu)化后的結果

圖8 調(diào)角器注塑件模具

圖9 調(diào)角器注塑件

表7 最優(yōu)工藝參數(shù)組合

4 結論

(1)根據(jù)極差分析結果可知，各試驗因素對W1的影響主次順序為：C＞A＞B＞E＞D；對W2的影響主次順序為：C＞A＞B＞D＞E。使W1最小的最優(yōu)組合為A4B1C5D5E3，使W2最小的最優(yōu)組合為A1B1C5D5E5。

(2)根據(jù)方差分析結果可知，調(diào)角器注塑件的C，A和B對W1影響顯著，而D和E對翹曲影響不顯著，按照檢驗統(tǒng)計值F值大小排序為：C＞A＞B＞D＞E，與極差分析得到的結果略有不同；C，A，B和D對W2的影響顯著，E對W2的影響不顯著，按F值大小排序為：C＞A＞B＞D＞E，與極差分析得到的結果一致。

(3)采用正交優(yōu)化得到的最佳參數(shù)組合為：A=265℃，B=70℃，C=98%，D=8.4 s，E=1.6 s，此時最大W1為1.470 mm，最大W2為8.106%，相比初始模擬設計，分別減少了23.95%和11.89%，兩個優(yōu)化目標都得到了明顯改善。