梁 旭，卜繼玲，王 鳳，陳國棟，王月明，陳 顏

(1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031；2.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

0 前言

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，注射塑料零部件在汽車輕量化方面的應(yīng)用越來越受到重視。一般而言，國內(nèi)將注塑材料大多應(yīng)用在汽車的非承載結(jié)構(gòu)或小承載結(jié)構(gòu)上，如儀表板、車門內(nèi)板、散熱器罩、冷卻風(fēng)扇等零部件[1-2]。纖維增強(qiáng)注塑材料具有低密度、高比強(qiáng)度、高比模量、高撞吸能、尺寸穩(wěn)定、高生產(chǎn)效率的優(yōu)點(diǎn)[3-4]，為承載結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)提供了可能。應(yīng)用纖維增強(qiáng)注塑材料的承載結(jié)構(gòu)有發(fā)動機(jī)懸置、電池托架、汽車踏板等[5-6]，主要應(yīng)用于承載較小的乘用車領(lǐng)域。

本文以最新研發(fā)的輕量化穩(wěn)定桿吊桿為研究對象，該穩(wěn)定桿吊桿為某商用車穩(wěn)定桿吊桿，采用玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺材料，其外形尺寸大、承載大、形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，極限工況下承受數(shù)噸載荷，基本壁厚近10 mm。為滿足注射成型工藝對承載的要求，基于澆口設(shè)計(jì)對輕量化設(shè)計(jì)的穩(wěn)定桿吊桿進(jìn)行注射成型工藝分析，尋求良好的注射成型方案，為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及修改提供參考。

1 背景介紹

1.1 結(jié)構(gòu)功能及應(yīng)力分布

穩(wěn)定桿裝置是用來提高汽車懸架側(cè)傾角度剛度，減少車身傾角，保證汽車在路況不平或轉(zhuǎn)彎時平穩(wěn)行駛的裝置[7]，穩(wěn)定桿裝置基本組成如圖1所示。穩(wěn)定桿桿身安裝在懸架上，吊桿的一端安裝在車架上，當(dāng)車輪上下運(yùn)動時，穩(wěn)定桿吊桿分別受拉、壓力，使穩(wěn)定桿受扭轉(zhuǎn)力矩，抵消車身的側(cè)傾力。在實(shí)際運(yùn)用中，穩(wěn)定桿吊桿主要受沿桿長度方向拉伸和壓縮2個工況的載荷，因此本文主要關(guān)注其滿足拉、壓工況要求的注射成型質(zhì)量。

圖1 穩(wěn)定桿裝置基本組成示意圖Fig.1 The schematic diagram of basic compositionof the stabilizer bar

產(chǎn)品研發(fā)前期對穩(wěn)定桿吊桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其滿足極限工況下的應(yīng)力分布要求。為保證穩(wěn)定桿吊桿承載性能，重點(diǎn)關(guān)注其應(yīng)力較大位置，如圖2彩色顯示部分所示，其應(yīng)力較小部分如圖2透明顯示部分。規(guī)定：桿長度方向?yàn)榭v向，裝配孔軸線方向?yàn)楹穸确较颍怪庇诳v向和厚度方向組成的平面為橫向。

(a)拉伸工況 (b)壓縮工況圖2 穩(wěn)定桿吊桿應(yīng)力分布Fig.2 The stress distribution of the stabilizer bar link

在拉伸工況下，作用力在桿頂、桿身和桿底部，沿桿縱向傳導(dǎo)，桿頂和桿身應(yīng)力較大，桿裝配孔下部和桿底部螺栓孔外側(cè)應(yīng)力較??；壓縮工況下，作用力主要在桿身沿桿縱向傳導(dǎo)，桿身應(yīng)力較大，桿頂和桿底部螺栓孔外側(cè)幾乎不受作用力，因此應(yīng)力較小。在整個工作實(shí)際中，桿身均受力較大，尤其是桿身縱向筋和圓弧筋；桿身中間部位、桿身橫筋、螺栓孔外側(cè)等透明顯示部位的應(yīng)力較小。

1.2 材料性能及工藝要求

材料選用Moldflow材料數(shù)據(jù)庫中Kingfa Sci & Tech Co Ltd公司的30 %玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺材料，牌號為PA66-NPG30 BK001，其相關(guān)參數(shù)如表1所示，材料PVT曲線如圖3所示，黏度曲線如圖4所示。

對于穩(wěn)定桿吊桿注射成型工藝，著重考慮以下問題：一是應(yīng)該消除桿身縮孔及內(nèi)部氣穴；二是在注塑過程中，桿身的纖維取向必須要好，以保證穩(wěn)定桿吊桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；三是對于整個穩(wěn)定桿吊桿，盡量減少熔接痕并使其出現(xiàn)位置避開結(jié)構(gòu)強(qiáng)度敏感部位；四是穩(wěn)定桿吊桿外形尺寸大、基本壁厚大，容易產(chǎn)生翹曲變形問題，應(yīng)盡量降低其翹曲變形，以滿足外形尺寸精度和裝配尺寸精度。

表1 PA66-NPG30 BK001材料性能參數(shù)Tab.1 Material performance parameters of PA66-NPG30 BK001

P/MPa：■—0 ◆—50 ▲—100 ▼—150 ●—200圖3 PVT曲線Fig.3 PVT curve

T/℃：▲—270 ■—276.7 ●—283.3 ◆—290圖4 黏度曲線Fig.4 Viscosity curve

2 成型方案設(shè)計(jì)

2.1 模流分析前處理

穩(wěn)定桿吊桿尺寸長，基本壁厚大。在考慮壁厚和分析精度的情況下，利用Moldflow軟件對其進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，并修復(fù)網(wǎng)格，得到實(shí)體網(wǎng)格：567 345，節(jié)點(diǎn)：103 110。其網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格模型Fig.5 The mesh of the model

材料注塑溫度采用推薦值280 ℃，模具溫度為75 ℃，保壓時間10 s，壓力為充填壓力的80 %。冷卻回路采用8根8 mm管道，冷卻介質(zhì)采用25 ℃的冷卻水。

2.2 澆口方案設(shè)計(jì)

選擇良好的澆口位置和適當(dāng)?shù)臐部跀?shù)量，不僅可以縮減充填時間、節(jié)約生產(chǎn)成本，而且可以避免制品制造缺陷，對保證制品表面質(zhì)量和承載性能具有重要意義。本穩(wěn)定桿吊桿采用單澆口設(shè)計(jì)主要有2個原因：一是避免出現(xiàn)過多熔接痕和減少排氣孔數(shù)，同時降低模具排氣措施復(fù)雜化[8]；二是降低多澆口位置對穩(wěn)定桿吊桿承載性能的影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和澆口位置分析結(jié)果，選擇3個澆口位置，分別選在桿正面中間位置、桿反面中間位置、桿頂部位置，并依次編號為方案1、方案2、方案3，如圖6所示。由于桿件厚度方向上下為非對稱結(jié)構(gòu)，所以方案1、2非相同澆口位置。

圖6 澆口位置方案Fig.6 The scheme of gate location

3 澆口方案成型質(zhì)量

自動填充時，3個方案充填時間依次分別為4.724、4.724、5.136 s，澆口方案1、2對填充時間影響不明顯且充填時間短，方案3阻力大充填時間較長。雖然方案3流動阻力大，但其纖維取向會有優(yōu)勢，設(shè)為澆口用以驗(yàn)證其成型質(zhì)量是否滿足要求。流動前沿溫度依次分別為277.2～280.7、277.3～281.1、277.5～281.3 ℃，溫差在4 ℃之內(nèi)符合填充流動要求。3個方案在填充過程中，桿身無縮孔，且氣穴沒有出現(xiàn)在桿身內(nèi)部，而只存在于吊桿上下表面，因此可以通過模具設(shè)計(jì)將氣體排出模腔。

3.1 纖維取向

如圖7所示，3個澆口方案在澆口、橫筋、縱橫筋交接處、桿頂和桿底螺栓孔等部位纖維取向均較差，紅色標(biāo)記圈內(nèi)為纖維取向差且應(yīng)力較大的部位。

(a)方案1 (b)方案2 (c)方案3圖7 纖維取向張量Fig.7 Fiber orientation tensor

如圖7(a)所示，方案1在桿身縱向纖維取向良好，桿身纖維取向張量基本在0.77以上，但在桿頂頂部、桿頂與桿身由寬變窄處兩外側(cè)筋纖維取向較差，會對穩(wěn)定桿吊桿承載產(chǎn)生影響。如圖7(b)所示，方案2桿身縱向纖維分布較好，但桿身中間整體不均勻連續(xù)，及桿頂頂部較差，是桿身承載的薄弱部位。如圖7(c)所示，方案3桿身縱向纖維取向整體最好，但澆口位置及桿頂下部纖維取向差，且在桿頂下部纖維取向較差區(qū)域貫穿整個厚度方向，壓縮工況下此處應(yīng)力最大。

3.2 熔接痕

如圖8所示，3個澆口方案熔接痕均較多，出現(xiàn)位置相似，主要分布于桿件上下表面、縱橫筋交接處、桿底部螺栓孔分型面處，紅色標(biāo)記圈內(nèi)熔接痕長且處于大承力部位。玻璃纖維尼龍材料缺口敏感性強(qiáng)，在拉伸工況下，桿身頂部和桿身應(yīng)力大，方案1、2的桿頂部熔接痕與方案2、3的桿身熔接痕過長，會影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；在壓縮工況下，如圖8(c)標(biāo)記處，方案3桿頂下部熔接痕較長且應(yīng)力最大，因此是桿件受力的薄弱部位。

3.3 翹曲變形

穩(wěn)定桿吊桿翹曲分析的變形值如表2所示。由表2可知方案1變形大于方案2大于方案3，且方案1、2變形量相近。表2中最小值為負(fù)數(shù)表示變形方向?yàn)樨?fù)方向。翹曲變形值均達(dá)到預(yù)期，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 不同澆口方案翹曲量 mm

3.4 澆口方案選擇

方案2桿頂和桿身熔接痕長，桿頂頂部纖維取向差且桿身存在縱向纖維取向不均勻連續(xù)，根據(jù)有限元分析結(jié)果，這些部位應(yīng)力較大，可導(dǎo)致承載能力下降，因此淘汰方案2。

方案3纖維取向最好、翹曲變形最小，但在有限元分析中壓縮工況下桿頂下部應(yīng)力最大，并且熔接痕沿桿厚度方向貫穿，此處纖維取向也較差；又因拉伸工況下桿頂頂部應(yīng)力較大，澆口設(shè)在桿頂會降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，難以保證整體強(qiáng)度，所以淘汰方案3。

方案1成型質(zhì)量較好，纖維在桿頂與桿身由寬變窄處的兩外側(cè)筋取向稍差，但中間3個筋取向較好；桿頂頂部雖有貫穿厚度方向的熔接痕，但可以通過調(diào)整工藝條件轉(zhuǎn)移熔接痕來提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。因此通過對比分析，最終選擇方案1為成型工藝澆口方案。

4 注塑工藝參數(shù)優(yōu)化

穩(wěn)定桿吊桿是大承載結(jié)構(gòu)件，其工作環(huán)境惡劣，若翹曲量過大，壓縮工況下桿身容易處于不穩(wěn)定狀態(tài)，出現(xiàn)失穩(wěn)大變形，為保證承載性能，需要將其翹曲值盡量降低。針對選定的澆口方案1，采用L25(55)正交矩陣，將翹曲量作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)?？紤]影響因素有熔體溫度、模具溫度、保壓時間、保壓壓力和冷卻時間，將其分別標(biāo)記為A、B、C、D、E。每因素選取5個水平，其中熔體溫度和模具溫度在材料工藝參數(shù)范圍之內(nèi)選取，保壓時間和冷卻時間由前期分析確定，保壓壓力設(shè)定為填充壓力的百分?jǐn)?shù)，最終確定的正交試驗(yàn)因素與水平如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)因素與水平Tab.3 Factors and levels of the orthogonal test

圖9 各因素水平對翹曲影響的均值Fig.9 The effect of factors and levels on the warpage

通過正交試驗(yàn)，正交矩陣相對應(yīng)的翹曲值及分析結(jié)果如表4所示。其中，Ki表示同一因素下的不同水平對翹曲影響的均值，R表示同一因素下的不同水平對翹曲影響的極差。極差值R越大表示相應(yīng)因素對翹曲的影響越大，由表4中分析結(jié)果可知，輕量化穩(wěn)定桿吊桿注射成型翹曲變形，模具溫度>熔體溫度>保壓壓力>保壓時間>冷卻時間的影響，即B>A>D>C>E。各因素水平對翹曲影響均值變化趨勢如圖9所示。

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，最優(yōu)工藝參數(shù)為A1B1C3D4E3，即熔體溫度270 ℃，模具溫度55 ℃，保壓時間12 s，保壓壓力90 %，冷卻時間20 s。又因?yàn)楸簳r間與冷卻時間對本穩(wěn)定桿吊桿翹曲影響較小，且保壓時間和冷卻時間影響注塑成型周期，盡量降低保壓時間和冷卻時間可以降低成型成本、提高注塑效率，因此最省工藝參數(shù)為A1B1C1D4E1，即熔體溫度270 ℃，模具溫度55 ℃，保壓時間8 s，保壓壓力90 %，冷卻時間10 s。

表4 L25(55)正交試驗(yàn)結(jié)果及分析Tab.4 The results and analysis of L25 (55) orthogonal test

通過進(jìn)一步分析得到最優(yōu)工藝參數(shù)翹曲優(yōu)化為1.515 mm，最省工藝參數(shù)翹曲優(yōu)化為1.514 mm，兩者相差不大且最省工藝方案翹曲量相對較低，最終選定最省方案作為優(yōu)化結(jié)果，即熔體溫度270 ℃，模具溫度55 ℃，保壓時間8 s，保壓壓力90 %，冷卻時間10 s。

5 實(shí)際實(shí)施建議

為保證吊桿成型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，針對選定的成型方案1，在實(shí)際生產(chǎn)中還需對工藝條件及模具設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整：

(1)拉伸工況下桿頂頂部熔接痕處應(yīng)力較大，可適當(dāng)增加局部溫度，以提高熔接處的強(qiáng)度，或者開溢料井來轉(zhuǎn)移熔接痕；

(2)桿底螺栓孔均有較長熔接痕且無法避免，可以在分型面處開溢料井轉(zhuǎn)移熔接痕為飛邊，來增加穩(wěn)定桿吊桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

(3)本穩(wěn)定桿吊桿外形尺寸和基本尺寸大、形狀復(fù)雜，翹曲變形不可避免，因此在注射成型后可進(jìn)行熱處理，以減小制件殘余應(yīng)力，穩(wěn)定制件尺寸。

6 結(jié)論

(1)不同于傳統(tǒng)注塑件，輕量化穩(wěn)定桿吊桿的注塑成型不僅關(guān)注注射成型外觀質(zhì)量，還考慮成型缺陷出現(xiàn)位置對其承載性能的影響；可以通過對比多個澆口方案的成型質(zhì)量，使缺陷避開應(yīng)力敏感部位，來保證穩(wěn)定桿吊桿注塑產(chǎn)品的承載性能；

(2)通過對比3個澆口方案的纖維取向、熔接痕、翹曲變形等缺陷的成型狀態(tài)及出現(xiàn)位置，最終選定方案1為滿足注塑成型工藝要求的澆口方案；

(3)以翹曲變形量為優(yōu)化目標(biāo)，對方案1進(jìn)行正交試驗(yàn)尋求最佳工藝參數(shù)為熔體溫度270 ℃，模具溫度55 ℃，保壓時間8 s，保壓壓力90 %，冷卻時間10 s。實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)實(shí)際情況做出調(diào)整。

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