汽車內飾件注塑成型工藝參數的分析與優(yōu)化

盧惠親，翟建廣，竺宇洋，高春

（200030 上海市 上海工程技術大學）

0 引言

隨著塑料工業(yè)的不斷發(fā)展，大量塑料制件應用在汽車零部件中，汽車的內外飾件已基本實現塑料化，為減輕汽車重量、節(jié)約成本發(fā)揮了重要作用[1]。然而，塑料材料選擇不當，產品設計和模具設計不合理，或成型工藝參數的設計不恰當等，都會導致最后的注塑產品出現許多缺陷，例如翹曲、尺寸收縮、沉降斑、缺料、飛邊等，其中翹曲、體積收縮為注塑過程中最為常見的缺陷，這些缺陷不僅會影響塑件的美觀，嚴重時甚至會影響零件的裝配和使用性能。傳統(tǒng)的改進方法是通過人工試模法不斷試驗改善制件缺陷，不僅效率低下，還會浪費大量人力物力資源，而利用CAE 技術可以在產品生產之前就能通過計算機進行模擬，從而確定合理的制品設計、模具設計以及合理的注塑工藝過程，提高產品的合格率[2]。本文以某汽車品牌右后車門內飾板為研究對象，運用正交試驗法和Moldflow 軟件對內飾板零件的注塑過程進行仿真模擬，以影響注塑制品翹曲變形較大的模具溫度、熔膠溫度、注塑時間、注射壓力、保壓壓力和保壓時間作為優(yōu)化工藝參數，研究不同工藝參數組合對注塑制品翹曲變形量的影響，從而得出一組優(yōu)化的工藝參數，使得產品的翹曲變形量最小，以達到在實際生產中大幅度減少試驗次數、節(jié)省時間和成本的目的[3]。

1 建立基于Moldflow 的注塑工藝模擬

1.1 網格劃分

以汽車內飾件為研究對象，尺寸為285.5 mm×84 mm×133 mm，平均厚度2 mm。首先利用UG軟件畫出汽車內飾件的三維模型并轉換為.stl 格式，導入到Moldflow 軟件中，如圖1 所示。

圖1 汽車內飾件零件圖Fig.1 Parts drawing of automotive interior parts

Moldflow 會定義一個自動網格密度，為了零件準確性，本文自行定義網格密度。選擇“定義網格密度”命令，根據零件自身大小以及以后的分析情況，定義全局網格邊長為2.5 mm，經過若干次修改之后的網格統(tǒng)計如圖2 所示，條件滿足Moldflow軟件對模型進行翹曲變形的模擬分析[4]。

圖2 網格統(tǒng)計Fig.2 Grid statistics

1.2 澆注系統(tǒng)設計

劃分網格之后確定最佳澆口位置，分析完的澆口位置圖像如圖3 所示。圖中零件中間部分深色的地方就是最佳澆口位置。由圖可知，汽車內飾件的澆口位置選在它的正中間最適合。

圖3 最佳澆口位置Fig.3 The best gate location

由于汽車內飾件尺寸較大，即使要進行大批量生產，也不易做成一模兩腔，所以最后選擇一模一腔形式。本次設計采用點澆口。設計了4 組對比實驗進行分析，分別采用了1 個澆口、2 個澆口、3 個澆口和4 個澆口4 種方案，選擇了充填時間。4 種方案的充填時間分別如圖4—圖7所示。

圖4 1 個澆口的充填時間Fig.4 Filling time of 1 gate

圖5 2 個澆口的充填時間Fig.5 Filling time of 2 gates

圖6 3 個澆口的充填時間Fig.6 Filling time of 3 gates

圖7 4 個澆口的充填時間Fig.7 Filling time of 4 gates

由于3 個澆口的充填時間最短，所以選擇這個澆注系統(tǒng)。

1.3 冷卻系統(tǒng)設計

采用對比冷卻水管數量來選擇最優(yōu)秀的冷卻系統(tǒng)。選用4 條冷卻管道和5 條冷卻管道進行分析。采用4 條冷卻水管的模具溫度為93.13 ℃（如圖8 所示），采用5 條冷卻水管的模具溫度為91.10 ℃（如圖9 所示），所以最終方案確定采用5 條冷卻管道（如圖10 所示）。

圖8 4 條冷卻管道模具溫度Fig.8 Mold temperature of 4 cooling pipes

圖9 5 條冷卻管道模具溫度Fig.9 Mold temperature of 5 cooling pipes

圖10 冷卻水路圖Fig.10 Cooling water circuit diagram

澆注冷卻系統(tǒng)設計完成后，對該模型進行模擬分析，得到此時的翹曲變形量為3.587 mm，如圖11 所示。

圖11 優(yōu)化澆注冷系統(tǒng)后的翹曲變形量Fig.11 Warpage deformation after optimizing the pouring cooling system

2 工藝參數優(yōu)化正交試驗設計

正交實驗法，就是利用排列整齊對的表格分析整體實驗的方法。正交實驗有許多優(yōu)點，其中最主要的優(yōu)點就是可以大大減小工作量，能幫助我們快速找出最優(yōu)方案。因而目前為止正交實驗法已經廣泛地用于很多領域的研究[5]。

正交實驗設計步驟：

（1）要解決特定的科學研究或生產問題，首先要明確實驗目的和預期效果，確定評價指標，確定因素及其水平；

（2）確定因子的數量和實驗因素的數量，指定正確的正交表格來設計實驗；

（3）確定需要做多少組實驗，每組實驗怎么做，最后收集數據時要有科學嚴謹的態(tài)度；

（4）記錄統(tǒng)計實驗數據，并計算每一個的統(tǒng)計量，進行方差分析[6]。正交實驗的優(yōu)點是通過較少的實驗次數得到最佳方案，節(jié)省時間。

以模具溫度（A）、熔膠溫度（B）、注塑時間（C）、注射壓力（D）、保壓壓力（E）、保壓時間（F）6 個因素為工藝參數，每個參數取5 個水平。如表1 所示。

表1 正交試驗因素及水平Tab.1 Orthogonal test factors and levels

根據表1 進行正交試驗，結果如表2 所示。

表2 正交試驗結果Tab.2 Orthogonal test results

（續(xù)表）

通過正交實驗找出表1 中的各工藝參數對汽車內飾件的塑件翹曲變形量的影響強弱順序，最終得到最優(yōu)工藝參數組合。

3 結果分析

進行極差分析與均值分析。

（1）設置極差分析表

極差是指在同一水平下每個因素的最大值與最小值之間的差值[7]。分析極差可使我們清楚地看到各個因素水平對實驗目標的影響強弱大小。計算后的各因素的各水平下的極差如表3 所示。

表3 因素各水平的極差分析Tab.3 Range analysis of each level of factors

表3 中，Li表示第i個因子水平下的均值；K為因子水平的極差，K值越大，就表明此因子對翹曲量的影響大。

由于熔膠溫度的極差最大，注塑時間的極差第二大，剩下的極差都差不多，所以有兩個影響較大的因素：熔膠溫度和注塑時間。

（2）繪制均值折線圖

為了更直觀地表示試驗因素在不同水平下對翹曲變形量的影響，將試驗因素水平作為橫坐標，以翹曲變形量作為縱坐標，得到不同因素水平下翹曲變形量的變化趨勢，如圖12 所示。

圖12 翹曲變形量折線圖Fig.12 Line graph of warpage deformation

通過折線圖可知，當翹曲變形量為最小時，選取各個因素在翹曲變形量最小時的組合在一起就是最佳優(yōu)化組合。因此從圖12 可以看出，當模具溫度=70 ℃、熔膠溫度為250 ℃、注塑時間1.5 s、注射壓力75 MPa、保壓壓力70 MPa、保壓時間3 s 時，即當工藝參數組合為A5B5C1D2E5F1 時，可以通過模擬得到最小的翹曲變形量。此時通過Moldflow 軟件設置上述組合的工藝參數進行模擬，可以得到的最小翹曲變形量為3.034 mm。與Moldflow 軟件按照優(yōu)化澆注冷卻系統(tǒng)后的翹曲變形量3.587 mm（圖11）相比，A5B5C1D2E5F1 組合在減小翹曲變形量方面有了很好的改進，如圖13 所示。

圖13 A5 B5 C1 D2 E5 F1 組合的翹曲變形量Fig.13 A5 B5 C1 D2 E5 F1 combination warpage deformation

4 結論

（1）以汽車內飾件為研究對象，結合CAE技術與正交實驗法研究了工藝參數對工件翹曲變形率的影響。從理論上模擬出最優(yōu)的產品設計、模具設計和參數工藝組合。不僅提高了模具設計的成功率，還節(jié)約時間，優(yōu)化模具，優(yōu)化產品質量。從另一方面降低了模具成本。不僅如此，利用本設計優(yōu)化后，降低了產品的缺陷如收縮、翹曲等，大大減少了次品率，提高產品生產率。

（2）本塑件最佳澆口為3 個點澆口，采用一模一腔結構。澆注系統(tǒng)采用3 個點澆口，冷卻系統(tǒng)通過實驗研究表明采用5 條冷卻管道最好。

（3）工藝參數對于模具翹曲量的影響是不一樣大的。具體表現為熔膠溫度＞注塑時間＞模具溫度＞注射壓力＞保壓壓力＞保壓時間。并且經過試驗發(fā)現，當模具溫度=70 ℃、熔膠溫度=250 ℃、注塑時間=1.5 s、注射壓力=75 MPa、保壓壓力=70 MPa、保壓時間=3 s 時，汽車內飾件的翹曲變形量為最小。本實驗選取工藝參數的跨度較大，如果優(yōu)化后將其跨度縮小，可以進一步對塑件的翹曲變形量進行優(yōu)化。