基于田口試驗(yàn)方法的汽車儀表前框工藝參數(shù)優(yōu)化

方明月，張振東，黃永躍，王 儒

（安徽信息工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241100）

近年來， 隨著模具行業(yè)的迅速發(fā)展以及塑料制品的廣泛應(yīng)用， 模具行業(yè)逐漸成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分。 汽車輕量化的提出，使得塑料在汽車行業(yè)逐漸被廣泛運(yùn)用， 這就對(duì)塑料配件的質(zhì)量提出了更為嚴(yán)格的要求。 在實(shí)際生產(chǎn)中，翹曲變形量是影響注塑件質(zhì)量的關(guān)鍵因素。 控制翹曲變形量的傳統(tǒng)方法是試模法， 但是該方法效率低，經(jīng)濟(jì)效益較差。 為此，許多學(xué)者做了相關(guān)研究。

王麗珍等［1］研究汽車擋位桿的各種質(zhì)量缺陷與工藝參數(shù)之間的關(guān)系， 找出了各工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品影響程度及最佳工藝參數(shù)組合。李六月等［2］通過Taguchi 正交試驗(yàn)方法研究了工藝參數(shù)對(duì)汽車頂棚零件的變形量的影響，得出影響翹曲變形量最大的因素為澆口位置，并得到最優(yōu)工藝參數(shù)組合。 張節(jié)群［3］運(yùn)用正交試驗(yàn)和Moldflow 軟件對(duì)煙霧報(bào)警器外殼零件進(jìn)行了表面質(zhì)量?jī)?yōu)化。 王家濤［4］以翹曲變形量為優(yōu)化目標(biāo)，通過正交試驗(yàn)獲得了最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

本文以汽車儀表前框?yàn)槔?利用Moldflow 軟件和田口試驗(yàn)方法探究注塑成型工藝對(duì)翹曲變形量的影響，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行量化分析，得到了翹曲變形量的影響因素。

1 汽車儀表前框工藝性分析

1.1 零件分析

汽車儀表前框三維模型如圖1 所示， 其尺寸為398.4 mm×207.3 mm×32 mm。

圖1 汽車儀表前框三維模型

1.2 模型建立

塑料制品的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜， 有許多倒角和小凸臺(tái)等微小結(jié)構(gòu)。 對(duì)于流動(dòng)分析而言，要求網(wǎng)格匹配度只有大于85%， 才能保證整個(gè)模流分析過程比較順利地進(jìn)行。 因此在進(jìn)行模流分析之前，先對(duì)塑料制品模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。 利用Moldflow CAD Doctor模型的簡(jiǎn)化功能， 去除倒角和小凸臺(tái)等微小結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行仿真分析［5］，簡(jiǎn)化后網(wǎng)格的最大縱橫比降低11.97%，網(wǎng)格匹配度提高至91.9%，完全重疊單元數(shù)量與配向不正確單元為0。

1.3 材料選擇

汽車儀表前框作為儀表信號(hào)的電路通道， 對(duì)其光滑性、強(qiáng)度、變形量和外觀等方面有一定要求。 若塑料制品變形量較大，儀表前框與儀表蓋板、儀表后框安裝有縫隙，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)儀表密封性不強(qiáng)，進(jìn)而引發(fā)汽車儀表內(nèi)部電路板進(jìn)水、 儀表顯示不靈等一系列問題，因此需嚴(yán)格控制儀表前框的翹曲變形量。由汽車儀表前框結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知， 其注塑過程中易發(fā)生翹曲變形缺陷，故儀表前框材料應(yīng)選擇光潔性、強(qiáng)度和耐磨性較好的ABS 材料［6］，本文中的汽車儀表前框注塑材料采用ABS（NC100G20）。

1.4 CAE 數(shù)值模擬

運(yùn)用Moldflow 軟件中澆口位置模塊對(duì)汽車儀表前框模型進(jìn)行分析， 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)求解出最佳澆口區(qū)域與最佳澆口匹配云圖（圖2）。 由圖2 可知，制品的中部位置澆口匹配性最好， 兩端位置澆口匹配性最差。

圖2 澆口匹配云圖

根據(jù)圖2 以及零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 將儀表前框的注塑澆口數(shù)目設(shè)置為3，澆口分布如圖3 所示。 注塑模具中型芯和型腔排布冷卻管道， 管道直徑為10 mm，管道中心距為20 mm，冷卻管布局如圖4所示。

圖3 澆口分布

圖4 冷卻管布局

確定澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)后， 再對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后對(duì)儀表前框進(jìn)行仿真分析，得到翹曲變形量的仿真結(jié)果，如圖5 所示。

圖5 翹曲變形量

2 工藝參數(shù)優(yōu)化

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

汽車儀表前框的翹曲變形量是影響制品裝配精度和表面質(zhì)量的主要因素， 因此將翹曲變形量作為優(yōu)化目標(biāo)，采用田口試驗(yàn)方法進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.1 試驗(yàn)因素與水平

為了能夠得到最優(yōu)工藝參數(shù)組合， 需合理設(shè)置田口試驗(yàn)的因素和水平。本文選取模具溫度、熔體溫度、冷卻時(shí)間、保壓壓力、保壓時(shí)間和注射時(shí)間6 個(gè)因素作為試驗(yàn)因素， 每個(gè)試驗(yàn)因素在合理范圍內(nèi)選擇5 個(gè)水平，如表1 所示。

表1 因素水平表

2.1.2 田口正交試驗(yàn)

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果與信噪比

2.2 結(jié)果分析

信噪比越大表示優(yōu)化效果越好， 即翹曲變形量越小。 從表3 和表1 可知： 隨著模具溫度的增加， 信噪比呈減小趨勢(shì)， 即翹曲變形量呈增大趨勢(shì)，最優(yōu)模具溫度為40 ℃；隨著熔體溫度和保壓時(shí)間的增加， 信噪比呈先增加后減小趨勢(shì)， 即翹曲變形量呈先減小后增大趨勢(shì)， 最優(yōu)熔體溫度和保壓時(shí)間分別為270 ℃和20 s； 隨著冷卻時(shí)間的增加， 信噪比經(jīng)歷先減小后增大然后再減小再增大的過程， 即翹曲變形量也經(jīng)歷先增大后減小然后再增大再減小的過程， 最優(yōu)冷卻時(shí)間為15 s；隨著保壓壓力的增加，信噪比呈增大趨勢(shì)，即翹曲變形量呈減小趨勢(shì)， 最優(yōu)保壓壓力為80 MPa；隨著注射時(shí)間的增加， 信噪比呈先減小后增大再減小的趨勢(shì)， 即翹曲變形量呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)， 最優(yōu)注射時(shí)間為1.4 s。

表3 翹曲變形量信噪比的均值

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為確定田口試驗(yàn)方法得到最優(yōu)工藝參數(shù)組合的正確性， 利用Moldflow 軟件對(duì)該工藝參數(shù)組合進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖6 所示。 對(duì)比優(yōu)化前的翹曲變形量可知，優(yōu)化后的翹曲變形量明顯減小，由2.672 mm 降至1.174 mm， 降低了56.06%， 由此可見，上述得到的最優(yōu)工藝參數(shù)比較合理。

圖6 優(yōu)化后的翹曲變形量

4 總結(jié)

（1）將汽車儀表前框模具溫度、熔體溫度、冷卻時(shí)間、保壓壓力、保壓時(shí)間、注射時(shí)間作為試驗(yàn)水平因素，以制品的翹曲變形量作為試驗(yàn)指標(biāo)，通過田口正交試驗(yàn)方法對(duì)汽車儀表前框工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)田口試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析， 得出最優(yōu)的工藝參數(shù)組合：模具溫度為40 ℃，熔體溫度為270 ℃，冷卻時(shí)間為15 s，保壓壓力為80 MPa，保壓時(shí)間為20 s，注射時(shí)間為1.4 s。

（2）利用Moldflow 軟件對(duì)最優(yōu)工藝參數(shù)組合進(jìn)行模流分析，得到的翹曲變形量為1.174 mm，與優(yōu)化前的翹曲變形量相比，降低了56.06%，達(dá)到優(yōu)化制品表面質(zhì)量的目的，滿足模具設(shè)計(jì)對(duì)翹曲變形量的要求。