江麗珍，梁秋華，潘健怡，韓 偉

(華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，機(jī)械工程學(xué)院，廣州 510800)

0 前言

汽車(chē)零部件注塑生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常容易出現(xiàn)多種影響因素同時(shí)作用產(chǎn)生質(zhì)量缺陷的現(xiàn)象，如由于模具溫度、注射時(shí)間、保壓壓力等工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)引起的短射、飛邊、氣孔、熔接線、翹曲變形等缺陷[1]，模具廠為了保證塑件的質(zhì)量，一直以來(lái)都是依賴(lài)工程師們積累的豐富的模具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和來(lái)回地修改模具再上注塑機(jī)試模的這種成本高、周期長(zhǎng)的方法[2-3]。然而用注塑試驗(yàn)這樣的方式來(lái)解決這些成型缺陷，需要考慮塑料熔體受到的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、成型參數(shù)設(shè)置不恰當(dāng)?shù)葍?nèi)、外部重重因素的影響[4]，然后如果對(duì)相關(guān)的每個(gè)因素下的各個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，需要進(jìn)行次數(shù)繁多的實(shí)際注塑實(shí)驗(yàn)[5]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，通過(guò)引入計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)模擬技術(shù)，工程人員可以利用CAE仿真軟件進(jìn)行模擬試驗(yàn)，再結(jié)合正交試驗(yàn)方法則可以快捷地解決這一技術(shù)改進(jìn)難題。正交試驗(yàn)的最大優(yōu)勢(shì)就是在全面展開(kāi)的逐項(xiàng)注塑質(zhì)量影響因子試驗(yàn)中選取其中某些有代表性的工藝因素項(xiàng)目組合來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做極差和方差分析找出規(guī)律，優(yōu)化各注塑工藝試驗(yàn)因素水平，這樣就可將注塑次數(shù)大大減少，工程師們就能通過(guò)最少的注塑試驗(yàn)次數(shù)找到影響結(jié)果的最關(guān)鍵的工藝參數(shù)和最佳的工藝參數(shù)組合，能很大程度降低注塑試驗(yàn)花費(fèi)的人力及時(shí)間成本，有效地提高工作效率[6]。本文以某企業(yè)注塑的汽車(chē)檔位桿為研究對(duì)象，應(yīng)用CAE模流分析技術(shù)Moldflow軟件對(duì)檔位桿的注塑過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，再通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，研究出各注塑工藝參數(shù)對(duì)檔位桿翹曲變形產(chǎn)生的影響程度，并找出生成翹曲變形值最小的工藝參數(shù)水平組合。

1 檔位桿的塑件及模具結(jié)構(gòu)分析

1.1 材料性能分析

本文研究的汽車(chē)零件使用的塑料原料的牌號(hào)為M90-44的聚甲醛(POM)，它的黏度曲線和PVT曲線圖如圖1所示。POM屬于結(jié)晶型塑料，分子鏈呈線形不帶側(cè)鏈，密度高，整體性能優(yōu)越，抗疲勞性、耐磨性都很好，能承受反復(fù)沖擊，強(qiáng)度剛度高，可媲美金屬，有“賽鋼”之稱(chēng)[7]。所以汽車(chē)上的受力和耐磨零件一般都會(huì)使用POM塑料來(lái)注射成型。但POM在注射成型時(shí)，由于其收縮率較大，另一方面結(jié)晶型塑料在2個(gè)方向(流動(dòng)和垂直流動(dòng)方向)上的收縮率不一致，產(chǎn)生了較大的異向疊加收縮，所以用POM注塑的塑件比非結(jié)晶型的塑件出現(xiàn)翹曲變形的幾率會(huì)大得多。

溫度/℃：▲—173 ■—178.7 ●—184.3 ◆—190壓力/MPa：1—0 2—50 3—100 4—150 5—200(a)材料的黏度曲線圖 (b)材料的PVT曲線圖圖1 材料的黏度曲線和PVT曲線圖Fig.1 Viscosity curves and PVT curves of the materials

1.2 塑件特性及結(jié)構(gòu)分析

檔位桿是汽車(chē)上一個(gè)重要的受力和耐磨零件，如圖2(a)所示，檔位桿連接著汽車(chē)的變速器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的檔位變化功能，同時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳到驅(qū)動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的改變，適應(yīng)行駛時(shí)遇到的不同的路況，還能實(shí)現(xiàn)汽車(chē)前進(jìn)、倒退和停止的動(dòng)作，使用頻率非常高，僅次于方向盤(pán)[8]，檔位桿與換擋撥叉之間要求具有較高裝配精度，檔位桿的注射成型尺寸精度和結(jié)構(gòu)精度直接關(guān)系到后續(xù)的動(dòng)力系統(tǒng)裝配和操縱的手感、舒適程度以及使用壽命。

汽車(chē)檔位桿的零件結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，該檔位桿的長(zhǎng)寬高為166.57 mm×39 mm×53.7 mm，長(zhǎng)度長(zhǎng)，內(nèi)部中空，外部曲面和幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，四周都有復(fù)雜曲面形狀的側(cè)凹設(shè)計(jì)。

(a)變速器示意圖 (b)塑件結(jié)構(gòu)圖圖2 檔位桿操縱變速器的示意圖及塑件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram and plastic structure of gear levers for transmission

1.3 模具結(jié)構(gòu)分析

由于塑件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模具設(shè)計(jì)為1模1腔，4個(gè)側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)分布在模具四周，如圖3(a)所示。將檔位桿的三維模型以igs格式由Pro ENGINEER中導(dǎo)出，經(jīng)過(guò)在Moldflow CAD Doctor軟件中修復(fù)及圓角倒角簡(jiǎn)化后再導(dǎo)入到Moldflow Insight軟件中，進(jìn)行雙層面的網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格質(zhì)量提升，獲得滿(mǎn)足分析要求的模型。接著采用手動(dòng)的方式創(chuàng)建出模具的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，澆注系統(tǒng)采用大水口進(jìn)料，冷卻系統(tǒng)分為3層，前模水路隨著檔位桿頭部與桿部作上下起級(jí)，在4個(gè)方向的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)4條中間水路以加強(qiáng)檔位桿各個(gè)方向的冷卻效果，后模以一條帶多處隔水片的直流水路為主，外加一條螺旋隔板片水路深入冷卻檔位桿頭部，具體如圖3(b)所示。

(a)檔位桿的模具結(jié)構(gòu) (b)模具結(jié)構(gòu)的有限元模型圖3 檔位桿的模具結(jié)構(gòu)Fig.3 Mold structure of automobile gear levers

2 優(yōu)化工藝參數(shù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)因素和水平

在注射成型過(guò)程中，引起翹曲變形產(chǎn)生的因素非常多(如圖4所示)[9-12]，其中工藝參數(shù)的設(shè)置直接影響到塑件的表面成型質(zhì)量，包括翹曲變形。模溫越高，熔體流動(dòng)越快，熱量損失越少，在模壁冷凝的速度就越慢，產(chǎn)生的冷凝厚度越小，不易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，翹曲變形也就較小。料溫若不夠高，熔體的流動(dòng)能力就較差，于是需要較大的注塑壓力來(lái)注塑，而內(nèi)應(yīng)力的釋放速度卻跟不上，于是翹曲變形就容易出現(xiàn)。注射時(shí)間關(guān)系著注塑速率，注射速率越高，溶體在型腔內(nèi)的流動(dòng)速度越快，產(chǎn)生殘余應(yīng)力的趨勢(shì)就越大，翹曲變形也就越大；而注塑速率越低又導(dǎo)致冷凝層越厚，溶體流動(dòng)受到阻礙，生成的剪切應(yīng)力越大，導(dǎo)致翹曲變形也越大。保壓壓力若過(guò)低，就容易出現(xiàn)型腔中溶體后面進(jìn)入的位置因不夠壓力充填而出現(xiàn)翹曲變形；而壓力若過(guò)高，就容易引起殘余應(yīng)力過(guò)大，從而產(chǎn)生較嚴(yán)重的翹曲變形。保壓時(shí)間不足會(huì)導(dǎo)致塑件后面填充的位置還未得到補(bǔ)料就開(kāi)始凝固，從而出現(xiàn)翹曲[13-14]。所以，實(shí)驗(yàn)中選取模具和熔體溫度、注射時(shí)間、保壓壓力和時(shí)間這幾個(gè)容易引起檔位桿翹曲變形的工藝參數(shù)做為試驗(yàn)因子，設(shè)定它們之間不存在相互作用，以降低數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)復(fù)雜度。

圖4 影響翹曲變形的因素Fig.4 Factors affecting warpage

為了提高最佳工藝參數(shù)組合的搜索速度，試驗(yàn)因子的取值范圍也很關(guān)鍵。參考Moldflow軟件對(duì)檔位桿所使用的Duracon M90-44 POM料的推薦值和分析出的工藝參數(shù)推薦范圍，確定出模具溫度、熔體溫度和注射時(shí)間的取值范圍；再根據(jù)以默認(rèn)參數(shù)分析出的頂出時(shí)的體積收縮率、V/P切換點(diǎn)時(shí)刻、填充末端的壓力曲線圖和澆口凝固時(shí)間來(lái)分析確定出保壓壓力和保壓時(shí)間的取值范圍[15]，并將它們均勻分成5個(gè)水平，表1為本次試驗(yàn)的因子水平安排表。

表1 試驗(yàn)因子水平表

Tab.1 Test factors and levels table

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)表1的試驗(yàn)因子與水平，采用正交表L25(55)來(lái)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，正交試驗(yàn)方案和25次模擬試驗(yàn)得到的翹曲變形結(jié)果見(jiàn)表2。

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果使用直觀分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。直觀分析法，通過(guò)計(jì)算各試驗(yàn)因子的極差，再通過(guò)各極差的大小來(lái)判斷各因子對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，極差越大的因子對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響也就越大。

(1)計(jì)算信噪比

不同的優(yōu)化目標(biāo)有不同的評(píng)價(jià)方法，計(jì)算信噪比的公式也不相同。評(píng)價(jià)方法一般有[16]：①望目特性：目標(biāo)值越接近某個(gè)指定值越好；②望大特性：目標(biāo)值越大越好；③望小特性：目標(biāo)值越小越好。由于本次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是控制檔位桿的變形值，而變形值是越小越好，所以選用望小特性的評(píng)價(jià)方法來(lái)優(yōu)化計(jì)算，其信噪比的計(jì)算如式(1)所示，每次試驗(yàn)的信噪比計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)方案L25(55)

Tab.2 Orthogonal test scheme L25(55)

(1)

式中η——信噪比

n——試驗(yàn)次數(shù)

yi——第i次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

(2)計(jì)算信噪比均值，結(jié)果見(jiàn)表3，均值計(jì)算公式為：

(2)

式中Kjm——第j個(gè)試驗(yàn)因子第m個(gè)水平對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和

n——第j個(gè)試驗(yàn)因子第m個(gè)水平進(jìn)行的試驗(yàn)次數(shù)

ηi——第j個(gè)試驗(yàn)因子第m個(gè)水平第i次試驗(yàn)的信噪比

(3)計(jì)算極差，結(jié)果見(jiàn)表3，極差計(jì)算公式為：

(3)

式中Rj——第j個(gè)因子的極差

表3 翹曲變形信噪比極差分析表

Tab.3 Analysis of signal-to-noise ratio range of the warpage

(4)為了更直觀地表示各試驗(yàn)因子對(duì)檔位桿翹曲變形的影響大小，將極差計(jì)算結(jié)果畫(huà)成坐標(biāo)圖，如圖5所示。結(jié)合表3的極差R值和圖5的趨勢(shì)圖可看出5個(gè)工藝參數(shù)中，保壓時(shí)間對(duì)檔位桿翹曲變形的影響最顯著，隨著保壓時(shí)間的增加，翹曲變形減??；保壓壓力和注射時(shí)間對(duì)檔位桿翹曲變形的影響次之，熔體溫度和模具溫度的影響較小，具體的影響程度排序?yàn)椋罕簳r(shí)間>保壓壓力>注射時(shí)間>熔體溫度>模具溫度。

圖5 各參數(shù)的影響趨勢(shì)圖Fig.5 Influence trend chart of each parameter

由于望小特性的信噪比計(jì)算公式是一個(gè)單調(diào)遞減函數(shù)，說(shuō)明為了獲得最小的變形量，要取信噪比最大值的組合。通過(guò)影響趨勢(shì)圖5，得到各工藝參數(shù)的最佳組合是：A5B2C5D5E5，也就是模具溫度取120 ℃、熔體溫度取178 ℃、注射時(shí)間取6.8 s、保壓壓力取為90 %的填充壓力、保壓時(shí)間取14 s時(shí)，檔位桿的翹曲變形量最小。

3 Moldflow數(shù)值模擬驗(yàn)證

在Moldflow軟件中進(jìn)行模擬驗(yàn)證，將參數(shù)設(shè)置為正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)組合，分析得到的翹曲結(jié)果如圖6所示。從結(jié)果可見(jiàn)，翹曲變形值為2.137 mm，比表2中的最小翹曲變形量2.219 mm減小0.082 mm，下降了3.7 %。表明正交試驗(yàn)獲得的結(jié)果較優(yōu)。

圖6 A2B1C4D5E5最佳組合模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of A5B2C5D5E5 best combination

4 結(jié)論

(1)保壓時(shí)間對(duì)檔位桿翹曲變形的影響最顯著，隨著保壓時(shí)間的增加，翹曲變形減??；保壓壓力和注射時(shí)間對(duì)檔位桿翹曲變形的影響次之，熔體溫度和模具溫度的影響較小，具體的影響程度排序?yàn)椋罕簳r(shí)間>保壓壓力>注射時(shí)間>熔體溫度>模具溫度；

(2)最佳工藝參數(shù)組合為A5B2C5D5E5，即模具溫度取120 ℃、熔體溫度取178 ℃、注射時(shí)間取6.8 s、保壓壓力取為90 %的填充壓力、保壓時(shí)間取14 s；

(3)最佳參數(shù)下翹曲變形值模擬結(jié)果為2.137 mm，比25次正交實(shí)驗(yàn)中的最小變形值2.219 mm減小0.082 mm，下降了3.7 %。