薄壁塑件表面縮痕分析及工藝參數(shù)優(yōu)化

孟 健，羅嘉文，陳 健，王妍婕，賴先勤

（廣汽本田汽車有限公司，廣東 廣州 510700）

隨著汽車工業(yè)輕量化的發(fā)展，汽車各個零部件都在進行輕量化的設計，汽車塑料件主要采用薄壁化設計，減輕自重從而實現(xiàn)輕量化。薄壁塑件采用高流動性、高模量、高韌性的新材料，在滿足其綜合性能的前提下，不但實現(xiàn)了輕量化的目的，同時還縮短了成型周期，提高了生產(chǎn)效率，薄壁塑件正逐漸成為未來的主流趨勢。

薄壁塑件在注塑成型中的質(zhì)量缺陷主要表現(xiàn)在塑件的表面縮痕、翹曲變形、氣痕、氣泡等?？s痕是產(chǎn)品的外觀缺陷而非結構缺陷，是指制品在壁厚處出現(xiàn)表面下凹的現(xiàn)象。縮痕是由于產(chǎn)品體積收縮率不同而引起的，通常出現(xiàn)在加強筋或定位柱表面以及壁厚較厚區(qū)域。

本文以薄壁化保險杠為研究對象，借助數(shù)值模擬軟件Moldflow 對薄壁化保險杠進行數(shù)值模擬分析，再現(xiàn)其在成型過程中出現(xiàn)的表面縮痕，通過正交試驗分析出其主要成型過程中工藝參數(shù)對該產(chǎn)品表面縮痕的影響規(guī)律以及最佳工藝參數(shù)組合，通過數(shù)值模擬驗證及實際生產(chǎn)驗證共同確認其優(yōu)化效果。

1 產(chǎn)品表面縮痕數(shù)值模擬分析

1.1 薄壁化保險杠生產(chǎn)現(xiàn)狀

本文以某薄壁化保險杠為研究對象，采用一模兩腔的模具結構設計，制品的外形尺寸為580 mm×90 mm×43 mm，澆口位置位于產(chǎn)品的頂部，其在注射成型過程中澆口位置附近出現(xiàn)較為嚴重的表面縮痕，嚴重影響了該制品的外觀質(zhì)量。該產(chǎn)品的澆口位置及產(chǎn)品表面縮痕如圖1 所示。

圖1 產(chǎn)品的澆口位置及表面縮痕

1.2 表面縮痕數(shù)值模擬再現(xiàn)

借助Moldflow 對該產(chǎn)品進行數(shù)值模擬分析，選用雙面網(wǎng)格對產(chǎn)品進行網(wǎng)格劃分，參照實際繪制產(chǎn)品模具的冷卻水路，數(shù)值模擬網(wǎng)格如圖2 所示，網(wǎng)格形態(tài)比為2.13，網(wǎng)格質(zhì)量好，采用熱塑性成型模塊冷卻+填充+保壓+翹曲分析序列進行分析。

圖2 產(chǎn)品的數(shù)值模擬網(wǎng)格

模擬結果中頂出時的體積收縮率及縮痕指數(shù)較大，說明該產(chǎn)品表面更容易出現(xiàn)表面縮痕。模擬中使用的聚丙烯與實際生產(chǎn)所用三井化學的X465C 相近，熔融指數(shù)（MFⅠ）為 48 g/10 min（230 ℃/2.16 kg），圖3 為聚丙烯的流變曲線圖，成型參數(shù)設置與實際成型工藝參數(shù)相一致。數(shù)值模擬結果如圖4、圖5 所示，該產(chǎn)品頂出時的體積收縮率較大區(qū)域位于澆口位置附近，最大為10.64%，對應位置該產(chǎn)品的縮痕指數(shù)為4.20%，與實際生產(chǎn)過程中產(chǎn)品出現(xiàn)縮痕位置相一致，說明本次模擬的可靠性。

圖3 聚丙烯的流變曲線圖

圖4 數(shù)值模擬中產(chǎn)品頂出時的體積收縮率

圖5 數(shù)值模擬中產(chǎn)品的縮痕指數(shù)

2 正交試驗工藝參數(shù)優(yōu)化

縮痕為制品表面的局部塌陷，又稱凹痕、縮坑、沉降斑。當塑件厚度不均時，在冷卻過程中有些部分就會因收縮過大而產(chǎn)生縮痕。為了消除該產(chǎn)品的縮痕不良，采用正交試驗對其成型工藝參數(shù)進行優(yōu)化，正交試驗選擇熔體溫度、保壓壓力、保壓時間、冷卻水溫4 個因素分別對應3 個水平進行試驗，選取縮痕指數(shù)作為正交試驗質(zhì)量指標。表1 為后保險杠翹曲變形正交試驗因子及水平設置。

表1 正交試驗因子及水平

根據(jù)表1 的數(shù)據(jù)，選擇正交表L（3），利用正交試驗矩陣設計進行數(shù)值模擬分析，其他工藝參數(shù)采用Moldflow 的默認設置，正交試驗結果采用直觀分析評定實驗因素的重要性順序, 極差越大說明該因素對質(zhì)量指標的影響就越大, 說明該因素越重要。

圖6 為正交試驗縮痕指數(shù)的直觀分析圖。由圖可知，工藝參數(shù)對該產(chǎn)品翹曲變形量影響程度從大到小依次為保壓時間、冷卻水溫、熔體溫度、保壓壓力。其中，保壓時間對產(chǎn)品的縮痕指數(shù)影響最為明顯，且隨著保壓時間延長，產(chǎn)品的縮痕指數(shù)不斷減小。

圖6 縮痕指數(shù)的直觀分析圖

正交試驗采用望小特性，直觀分析表中均值最小的參數(shù)組合作為本次正交試驗的最有工藝參數(shù)組合，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為熔體溫度180 ℃、保壓壓力30 MPa、保壓時間20 s、冷卻水溫25 ℃。

3 最優(yōu)工藝參數(shù)組合效果驗證

3.1 數(shù)值模擬驗證

將正交試驗中最優(yōu)工藝參數(shù)組合用于數(shù)值模擬驗證，圖7 為數(shù)值模擬結果，顯示了該產(chǎn)品頂出時的體積收縮率為7.82%，相較原工藝參數(shù)減小了41.6%。圖8 為數(shù)值模擬產(chǎn)品的縮痕指數(shù)，由圖可知，產(chǎn)品的縮痕指數(shù)為0.61%，相較原工藝參數(shù)減小了85.9%。借助于數(shù)值模擬理論分析，對注射成型過程中的工藝參數(shù)進行優(yōu)化，可有效減小產(chǎn)品頂出時的體積收縮率及產(chǎn)品的縮痕指數(shù)，可降低產(chǎn)品在注射成型過程中出現(xiàn)凹痕的風險。

圖7 最優(yōu)工藝參數(shù)組合下產(chǎn)品頂出時的體積收縮率

圖8 最優(yōu)工藝參數(shù)組合下產(chǎn)品的縮痕指數(shù)

3.2 實際生產(chǎn)驗證

采用正交試驗優(yōu)化后得到的最優(yōu)工藝參數(shù)組合進行實際生產(chǎn)驗證。

材料：改性PP，熔融指數(shù)（MFⅠ）為48 g/10 min（230 ℃/2.16 kg），由三井化學復合塑料（中山）有限公司生產(chǎn)。

工藝：熔體溫度為220 ℃、保壓壓力為30 MPa、保壓時間為20 s、冷卻水溫為25 ℃；注射速度、螺桿背壓、鎖模力等其他工藝參數(shù)保持一致。

設備：注塑機為三菱重工的3000MMⅢ-470，由日本三菱公司生產(chǎn)。

經(jīng)實際生產(chǎn)驗證，產(chǎn)品的澆口位置未出現(xiàn)表面縮痕，與模擬結果相一致，滿足量產(chǎn)品質(zhì)要求，成型的產(chǎn)品如圖9 所示。

圖9 實際生產(chǎn)驗證產(chǎn)品表面無縮痕

4 結論

借助Moldflow 對某薄壁化保險杠進行數(shù)值模擬，再現(xiàn)保險杠在成型過程中出現(xiàn)的表面縮痕，采用正交試驗對其成型工藝參數(shù)進行優(yōu)化，將最優(yōu)工藝參數(shù)組合通過數(shù)值模擬驗證以及實際生產(chǎn)驗證，主要結論如下：①工藝參數(shù)對表面縮痕的影響程度從大到小依次為保壓時間、冷卻水溫、熔體溫度、保壓壓力，其中保壓時間對產(chǎn)品的縮痕指數(shù)影響較明顯。②最優(yōu)工藝參數(shù)組合為熔體溫度180 ℃、保壓壓力30 MPa、保壓時間20 s、冷卻水溫25 ℃，該工藝參數(shù)組合下產(chǎn)品的縮痕指數(shù)為0.61%。③采用最優(yōu)工藝參數(shù)組合進行實際生產(chǎn)驗證，產(chǎn)品未出現(xiàn)不良凹痕，與模擬結果相一致，滿足量產(chǎn)品質(zhì)要求。