胡祚庥 ，劉淑梅 ，毛欣然 ，張 春

（1. 上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院，上海 201620；2. 上海岡奇電子有限公司，上海 201619）

汽車接插件作為汽車零部件的重要組成部分，有著極大的市場需求，其成型質(zhì)量直接影響行車安全. 由于金屬嵌件的存在，汽車接插件在成型過程中容易產(chǎn)生收縮不均、短射、翹曲變形等問題. 其中，翹曲變形是最不可忽視的問題，因此，對汽車接插件進(jìn)行翹曲變形優(yōu)化顯得尤為重要[1?4].翹曲變形是注塑制品在成型過程中常出現(xiàn)的缺陷，過大的翹曲變形會使制品的尺寸精度嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)要求而失去其使用價值[2]. 在注塑過程中，材料性能、塑件結(jié)構(gòu)、工藝條件均會對翹曲變形有不同的影響[3]. 近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在對工程問題不斷優(yōu)化求解設(shè)計(jì)的過程中，結(jié)合各種優(yōu)化方法和注塑成型有限元模擬分析技術(shù)已經(jīng)成為有效控制塑件缺陷的手段[4].

本研究主要研究以銅片作為嵌件的汽車接插件，由于形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作為汽車的安全零部件之一，對其成型質(zhì)量要求也高. 響應(yīng)面法是一種基于合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)條件尋求設(shè)計(jì)變量與響應(yīng)值之間最優(yōu)組合條件的一種統(tǒng)學(xué)方法[5]. 以汽車接插件的翹曲變形作為研究目標(biāo)，利用Moldflow有限元分析軟件與響應(yīng)面法相結(jié)合的方法分析塑件成型工藝參數(shù)對翹曲變形的影響，最終獲得最優(yōu)的成型工藝方案，進(jìn)而達(dá)到提高汽車接插件成型質(zhì)量的要求.

1 汽車接插件有限元模型的建立

某汽車接插件的三維模型圖如圖1所示. 其具有兩個接插口，整體形狀為方形，外形尺寸為113mm×84mm×32mm，主體壁厚為2 mm. 該汽車接插件在兩個接插口處共包含13個銅錫合金嵌件（圖1中a、b區(qū)域），尺寸精度要求高，塑件材料選定為PBT/ASA-GF20（含有20%玻璃纖維的聚對苯二甲酸丁二醇酯和丙烯腈—丙烯酸橡膠—苯乙烯三元共聚物混合成的合金加纖防火料），具有低翹曲、易流動等特點(diǎn)，材料性能參數(shù)見表1.

表1 材料性能參數(shù)Table 1 Material performance parameters

圖1 汽車接插件3D模型Fig. 1 3D model of automobile connector

將建立好的汽車接插件三維模型導(dǎo)入至CAD Doctor軟件中進(jìn)行檢查和修復(fù)，并將修復(fù)后的模型導(dǎo)入Moldflow軟件中，使用雙層面網(wǎng)格類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，檢測與修復(fù)網(wǎng)格缺陷后，最大縱橫比降低至6以下，網(wǎng)格匹配率提升至89.1%，滿足模流分析要求. 選擇分析序列“冷卻+填充+保壓+翹曲”進(jìn)行分析，獲得不同成形工藝參數(shù)下汽車接插件的翹曲變形量. 在Moldflow軟件中對接插件進(jìn)行注塑成形數(shù)值模擬，設(shè)定模具溫度為70 ℃，熔體溫度為260 ℃，保壓壓力為50 MPa，獲得翹曲變形值為0.656 3 mm.

2 響應(yīng)面模型的建立

2.1 設(shè)計(jì)變量篩選

本研究采用Moldflow有限元軟件數(shù)值模擬與響應(yīng)面優(yōu)化法相結(jié)合的方法，以減小汽車接插件翹曲變形值，確定最優(yōu)的成型工藝方案.

根據(jù)汽車接插件實(shí)際注塑成型經(jīng)驗(yàn)，模具溫度對塑料熔體體的充型能力及塑件的內(nèi)在性能和外觀質(zhì)量影響很大，模具溫度的大小取決于材料的特性以及注塑件的尺寸和結(jié)構(gòu)[6]；熔體溫度對材料的黏度與取向程度，以及注塑件成型質(zhì)量的影響很大，熔體溫度與材料特性相關(guān)；保壓壓力對注塑件的收縮及成型質(zhì)量有重要影響. 考慮模具的使用壽命，保壓壓力的數(shù)值選取為注射壓力的70%～80%. 綜上，本研究選取的設(shè)計(jì)變量為模具溫度A、熔體溫度B、保壓壓力C，響應(yīng)目標(biāo)為翹曲變形值R1，設(shè)計(jì)變量因素水平見表2.

表2 注塑水平因素表Table 2 Factors of injection level

響應(yīng)面法常用的兩種方法有中心試驗(yàn)復(fù)合設(shè)計(jì) (Central Composite Design, CCD)和 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)(Box-Behnken Design, BBD)，其中，CCD響應(yīng)面法適用于多因素、多水平的情況，BBD響應(yīng)面法適用于因素水平較少的情況[7]. 本研究設(shè)計(jì)的影響因素與水平較少，故選取BBD響應(yīng)面法設(shè)計(jì)3因素3水平試驗(yàn). 使用Design-Expert數(shù)據(jù)分析軟件，得到BBD響應(yīng)面試驗(yàn)表. 試驗(yàn)方案及其對應(yīng)的響應(yīng)目標(biāo)見表3.

表3 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及其響應(yīng)目標(biāo)Table 3 Experimental objectives and response objectives

3 響應(yīng)面模型的擬合與分析

3.1 響應(yīng)面模型的擬合

響應(yīng)面模型是利用響應(yīng)面法建立的一種有效反映設(shè)計(jì)變量與響應(yīng)目標(biāo)之間數(shù)量關(guān)系的分析函數(shù)[8]. 對于二階多項(xiàng)式響應(yīng)面，其試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)與對應(yīng)的響應(yīng)目標(biāo)值之間的表達(dá)式[4,8]為

式中：y′為 響應(yīng)目標(biāo)值；α0為常數(shù)項(xiàng)系數(shù)；x為設(shè)計(jì)變量；i、j為變量下標(biāo)；n為變量個數(shù)；ε為統(tǒng)計(jì)誤差.

基于表3所示的模擬結(jié)果，建立翹曲變形值R1與工藝參數(shù)模具溫度A、熔體溫度B及保壓壓力C之間的回歸模型為

翹曲變形預(yù)測值與實(shí)際值的離散點(diǎn)擬合如圖2所示. 由圖可知，離散點(diǎn)近乎處于一條直線上，表明該模型的翹曲變形預(yù)測值與實(shí)際值接近，響應(yīng)面模型設(shè)計(jì)合理.

圖2 預(yù)測值和實(shí)際值的擬合曲線Fig. 2 Fitting curve for predicted and actual values

3.2 響應(yīng)面曲面分析

利用Design expert分析軟件中的“3D Surface”功能，可獲得模具溫度A、熔體溫度B與保壓壓力C之間交互對翹曲變形值的影響關(guān)系三維曲面圖，如圖3所示.

圖3 注塑成型翹曲變形 R1的響應(yīng)面Fig. 3 Response surface of warpage R1 in injection molding

由圖3(a)可知，當(dāng)保壓壓力為定值時，隨著熔體溫度的升高，注塑件的翹曲變形值逐漸減??；當(dāng)熔體溫度為280 ℃時，翹曲變形值最低，為0.526 1 mm.由圖3(b)可知，當(dāng)模具溫度為定值時，隨著保壓壓力的升高，注塑件的翹曲變形值逐漸降低；當(dāng)保壓壓力為60 MPa時，翹曲變形值最低，為0.517 4 mm.由圖3(c)可知，當(dāng)熔體溫度為定值時，模具溫度對翹曲變形值的影響較小，總體趨勢為隨著模具溫度的降低，注塑件的翹曲變形值略微降低；當(dāng)模具溫度為50 ℃時，翹曲變形值最低，為0.525 5 mm.

翹曲變形值的方差分析見表4. 由表可知，模型的P值為0.001 5時，顯著性為顯著. 在設(shè)計(jì)的影響因素中，只有熔體溫度（P=0.000 1）與保壓壓力(P=0.000 3)小于模型的P值，即熔體溫度與保壓壓力對翹曲變形值的影響顯著，其他項(xiàng)的影響則不顯著（P>0.001 5）. 同時該模型的相關(guān)系數(shù) R2=0.976 5，校正系數(shù) R2=0.934 2，皆接近于1，進(jìn)一步證明該響應(yīng)面模型設(shè)計(jì)合理，誤差較小；同時，模型的信噪比為r=17.422>4，表明該模型的分辨能力足夠.

表4 回歸模型方差分析Table 4 Analysis of variance of regression model

通過Design Expert軟件對響應(yīng)面模型進(jìn)行非線性優(yōu)化，得到因素水平的最優(yōu)組合. 響應(yīng)面優(yōu)化水平值見表5，最優(yōu)設(shè)計(jì)變量的組合見表6.

表5 非線性算法優(yōu)化條件Table 5 Optimization conditions of nonlinear algorithm

表6 最優(yōu)設(shè)計(jì)變量取值Table 6 Values of the optimal design variables

4 優(yōu)化后的數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證響應(yīng)面模型的準(zhǔn)確度，運(yùn)用Moldflow注塑成型有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬仿真. 按照響應(yīng)面模型給出的最優(yōu)工藝方案進(jìn)行“冷卻—填充—保壓—翹曲”注塑成型分析，其響應(yīng)目標(biāo)驗(yàn)證值結(jié)果如圖4所示. 驗(yàn)證方案的工藝參數(shù)及響應(yīng)值見表7.

圖4 翹曲變形分布Fig. 4 Distribution of warpage deformation

表7 驗(yàn)證方案工藝參數(shù)及響應(yīng)值Table 7 Process parameters and response values of validation scheme

根據(jù)表6與表7可知，由響應(yīng)面模型所得最優(yōu)解的響應(yīng)值（翹曲變形值0.517 0 mm）與仿真結(jié)果（翹曲變形值0.516 8 mm）接近，誤差僅為0.04%，說明以該響應(yīng)面模型獲得注塑件的最優(yōu)成型工藝參數(shù)的方法是可行的. 相比初始工藝方案的翹曲變形值降低21.26%.

實(shí)際生產(chǎn)表明，汽車接插件在接口處的翹曲變形最大，經(jīng)過尺寸測量，產(chǎn)品實(shí)際翹曲變形結(jié)果與 模擬結(jié)果保持一致，其樣品如圖5所示.

圖5 汽車接插件樣品圖Fig. 5 Sample diagram of automobile connector

5 結(jié) 語

1）采用Box-Behnken Design試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法建立以模具溫度、熔體溫度和保壓壓力為試驗(yàn)設(shè)計(jì)變量，塑件的翹曲變形值為響應(yīng)目標(biāo)的二階響應(yīng)面模型，試驗(yàn)驗(yàn)證所構(gòu)建的響應(yīng)面模型質(zhì)量較好.

2）通過分析響應(yīng)面模型獲得成型工藝參數(shù)最優(yōu)組合，即模具溫度為50 ℃、熔體溫度為280 ℃、保壓壓力為60 MPa. 再一次將最優(yōu)工藝參數(shù)組合通過Moldflow有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證，模擬結(jié)果翹曲變形值（R1=0.516 8）與初始值（R1=0.656 3）相比，注塑件的翹曲變形值下降21.26%，達(dá)到期望目標(biāo)，對實(shí)際的同類零件生產(chǎn)具有一定的參考意義.