梁春蘭，胡慧敏，孫秀倩

汽車(chē)車(chē)門(mén)把手氣輔成型工藝CAE優(yōu)化研究

梁春蘭，胡慧敏，孫秀倩

（河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 邢臺(tái) 054000）

針對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)車(chē)門(mén)把手成型工藝在實(shí)際應(yīng)用中塑件收縮變形量大、無(wú)法有效控制等問(wèn)題，開(kāi)展汽車(chē)車(chē)門(mén)把手氣輔成型工藝優(yōu)化研究。通過(guò)確定基于計(jì)算機(jī)輔助工程的塑件成型方式、設(shè)置改造后汽車(chē)車(chē)門(mén)把手塑件結(jié)構(gòu)、優(yōu)化注塑和注氣參數(shù)，提出一種針對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)把手氣輔成型的工藝優(yōu)化方案。與優(yōu)化前成型工藝相比，采用優(yōu)化后成型工藝得到的汽車(chē)車(chē)門(mén)把手塑件的收縮變形量明顯降低，汽車(chē)車(chē)門(mén)把手塑件的收縮變形量均能夠控制在0.45%以下。引入計(jì)算機(jī)輔助工程優(yōu)化分析技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)車(chē)門(mén)把手整體制件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有更高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，有利于提升汽車(chē)車(chē)門(mén)把手設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和加工的效率。

汽車(chē)車(chē)門(mén)把手；氣輔成型工藝；塑件收縮變形；制件結(jié)構(gòu)

氣輔成型工藝是一種通過(guò)特殊方式將注塑成型工藝和結(jié)構(gòu)發(fā)泡成型工藝相結(jié)合的全新成型工藝。在實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)注塑工藝存在無(wú)法實(shí)現(xiàn)制件整體結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的問(wèn)題，因此在制作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，最終因過(guò)分充氣而造成產(chǎn)品產(chǎn)生大量氣泡，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，在應(yīng)用時(shí)還需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行噴涂處理，這將無(wú)法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)效率的提升。而氣輔成型技術(shù)能夠?qū)?種傳統(tǒng)注塑成型工藝的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，并在確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡可能地降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來(lái)更大的利益優(yōu)勢(shì)[1-2]。當(dāng)前，氣輔成型技術(shù)及其相關(guān)工藝的應(yīng)用前景十分廣闊，在汽車(chē)、家電、包裝等領(lǐng)域都受到了人們的高度歡迎。同時(shí)，塑料在實(shí)際應(yīng)用中具備一定的優(yōu)越性，故在汽車(chē)設(shè)計(jì)當(dāng)中也被廣泛應(yīng)用。汽車(chē)中應(yīng)用塑料材料的零部件眾多，包括把手、后視鏡、車(chē)座牌等[3-4]。當(dāng)前應(yīng)用氣輔成型技術(shù)生產(chǎn)汽車(chē)車(chē)門(mén)把手的過(guò)程存在塑件壁厚度大、收縮變形量大等問(wèn)題?；诖?，文中開(kāi)展了汽車(chē)車(chē)門(mén)把手氣輔成型工藝優(yōu)化研究。

1 汽車(chē)車(chē)門(mén)把手氣輔成型工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 基于計(jì)算機(jī)輔助工程的塑件成型方式確定

基于汽車(chē)車(chē)門(mén)把手塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)輔助工程軟件對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)把手成型過(guò)程進(jìn)行模擬。初步選擇氣輔注射成型（GAIM）工藝作為汽車(chē)車(chē)門(mén)把手的塑件成型方式。該成型方式包含了4種不同方案，4種方案的實(shí)施操作流程和特點(diǎn)如表1所示。

表1 氣輔成型工藝4種方案對(duì)比表

Tab.1 Comparison of four schemes of gas-assisted molding process

對(duì)比表1中的4種方案可知，采用方案Ⅲ和方案Ⅳ能夠達(dá)到更加理想的成型效果。為進(jìn)一步探究方案Ⅲ和方案Ⅳ的實(shí)際應(yīng)用效果，引入計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)，利用欠注法對(duì)方案Ⅲ和方案Ⅳ的體積收縮情況進(jìn)行對(duì)比[5]。采用氣輔成型工藝后，2種方案下的汽車(chē)車(chē)門(mén)把手收縮率均出現(xiàn)了下降，但下降幅度基本維持在4.6%～5.25%范圍內(nèi)。通過(guò)數(shù)據(jù)可知，2種氣輔成型工藝方案（方案Ⅲ和方案Ⅳ）均能夠降低汽車(chē)車(chē)門(mén)把手在成型過(guò)程中的收縮變形量。相對(duì)于方案Ⅲ而言，方案Ⅳ引入了2個(gè)側(cè)向的輔助氣口，能夠在外觀結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步縮小收縮變形量，說(shuō)明通過(guò)改變外觀正向區(qū)域范圍內(nèi)的填充方式，能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)收縮變形量的控制。因此，綜合外觀正面結(jié)構(gòu)以及整體收縮率，方案Ⅳ的氣輔成型效果更優(yōu)。

1.2 滿(mǎn)射法CAE分析

利用滿(mǎn)射法通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)對(duì)方案Ⅳ的體積收縮情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，方案Ⅳ中塑件收縮率基本降到0.44%左右。此外，塑件整體填充時(shí)間減少到5.5 s左右，整體結(jié)構(gòu)的填充壓力降低到35.2 MPa。通過(guò)對(duì)方案Ⅳ的汽車(chē)車(chē)門(mén)把手進(jìn)行氣輔成型模擬得出，熔體的流動(dòng)性也在一定程度上得到了提高，這對(duì)把手結(jié)構(gòu)的充氣脹形以及充氣保壓都有更加積極的作用。綜合方案Ⅲ和方案Ⅳ的成型效果，文中選用方案Ⅳ的氣輔成型工藝，即單點(diǎn)氣口側(cè)向澆注、雙側(cè)注氣口輔助成型的方法作為汽車(chē)車(chē)門(mén)把手塑件成型方式[6-7]。

圖1 方案Ⅳ的體積收縮率分析結(jié)果

1.3 改造后汽車(chē)車(chē)門(mén)把手塑件結(jié)構(gòu)設(shè)置

汽車(chē)車(chē)門(mén)把手塑件的外形結(jié)構(gòu)類(lèi)似于啞鈴形狀，在使用過(guò)程中，由于該塑件的一側(cè)直接暴露在汽車(chē)外部結(jié)構(gòu)表面，因此對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)把手外觀正面以及內(nèi)側(cè)面的工藝要求更高，需要對(duì)其尺寸進(jìn)行更加嚴(yán)格的控制。根據(jù)汽車(chē)車(chē)門(mén)把手的外觀正面結(jié)構(gòu)、支架頭結(jié)構(gòu)、扣柄結(jié)構(gòu)、后座基臺(tái)結(jié)構(gòu)以及內(nèi)側(cè)面結(jié)構(gòu)等，將把手的壁厚特征劃分為4個(gè)不同分區(qū)[8-9]，4個(gè)不同分區(qū)壁厚的最厚上限分別為9.5、2.5、6.5、13.5 mm。將4個(gè)不同分區(qū)的壁厚設(shè)置為不同數(shù)值，構(gòu)成一個(gè)厚度不平均分配的結(jié)構(gòu)，以充分滿(mǎn)足汽車(chē)車(chē)門(mén)把手的使用要求。汽車(chē)車(chē)門(mén)把手為汽車(chē)制件中使用相對(duì)頻繁的制件，因此對(duì)其強(qiáng)度要求更高，通過(guò)增加把手的壁厚可以在一定程度上提高其使用強(qiáng)度。汽車(chē)車(chē)門(mén)把手整體結(jié)構(gòu)的支架頭位置、把手位置和扣柄尾端位置的壁厚應(yīng)當(dāng)相對(duì)更厚，扣柄末端位置的壁厚應(yīng)當(dāng)相對(duì)較薄，因此壁厚不均勻是汽車(chē)車(chē)門(mén)把手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)之一[10]。汽車(chē)車(chē)門(mén)把手的材質(zhì)可選用熱塑型高分子材料作為汽車(chē)車(chē)門(mén)把手塑件的主要結(jié)構(gòu)材料。該類(lèi)型材料在實(shí)際應(yīng)用中能夠表現(xiàn)出十分良好的耐磨性、韌性和強(qiáng)度，同時(shí)，在2個(gè)結(jié)構(gòu)之間通過(guò)引入熱塑型高分子材料可以在一定程度上降低其摩擦因數(shù)、減小對(duì)材料結(jié)構(gòu)的損壞。熱塑型高分子材料性能參數(shù)如下：導(dǎo)熱系數(shù)為0.19 W/(m·℃)，比熱容為2 350 J/(kg·℃)，熔體密度為0.945 2 kg/m3，推薦注塑溫度為260 ℃，推薦模具溫度為45 ℃，推薦頂出溫度為86 ℃，最大剪切率為12 500 s?1。

根據(jù)上述基于計(jì)算機(jī)輔助工程軟件得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，在汽車(chē)車(chē)門(mén)把手塑件扣柄結(jié)構(gòu)的一端增加一個(gè)溢料槽，以確保達(dá)到更加理想的氣輔成型效果[11-14]。因此，在進(jìn)行汽車(chē)車(chē)門(mén)把手塑件結(jié)構(gòu)設(shè)置時(shí)，應(yīng)當(dāng)將傳統(tǒng)塑件結(jié)構(gòu)修改為如圖2所示的結(jié)構(gòu)形狀。

圖2 汽車(chē)車(chē)門(mén)把手氣輔成型塑件結(jié)構(gòu)示意圖

在實(shí)際應(yīng)用中，為了減小成型時(shí)的收縮變形量，可采用雙向澆注的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)把手基本結(jié)構(gòu)的澆注。其中一側(cè)通過(guò)潛伏式完成澆注，另一側(cè)采用側(cè)澆口方式完成澆注。

1.4 注塑和注氣參數(shù)優(yōu)化

為了確保最終汽車(chē)車(chē)門(mén)把手氣輔成型效果能夠滿(mǎn)足預(yù)期要求，還需要對(duì)注塑和注氣過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，相關(guān)參數(shù)包括成型材料熔解時(shí)的溫度、全部熔解后的時(shí)間、氣體填充耗時(shí)、氣體填充體積等。為了得到上述多種注塑和注氣參數(shù)的最優(yōu)結(jié)果，將汽車(chē)車(chē)門(mén)把手進(jìn)行因子間交互作用的正交分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行方差計(jì)算，從而更加直觀地分析各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)把手氣輔成型質(zhì)量的影響以及各個(gè)工藝參數(shù)之間的相互作用對(duì)成型質(zhì)量的影響，以實(shí)現(xiàn)對(duì)注塑和注氣參數(shù)組合的優(yōu)化[15]。將上述4個(gè)工藝參數(shù)作為因素，并根據(jù)現(xiàn)有汽車(chē)車(chē)門(mén)把手成型推薦配置條件對(duì)參數(shù)水平進(jìn)行設(shè)定。選擇氣輔成型工藝實(shí)施過(guò)程中的氣體穿透體積、進(jìn)氣口端壁厚和中間區(qū)域壁厚作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以綜合反映汽車(chē)車(chē)門(mén)把手氣輔成型質(zhì)量。其中，氣體穿透體積的計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：為氣輔成型工藝實(shí)施過(guò)程中的氣體穿透體積；￠為氣體穿透時(shí)形成的氣道體積；0為汽車(chē)車(chē)門(mén)把手制件整體體積。通過(guò)氣體穿透體積的變化情況可以判斷氣道參數(shù)大小設(shè)置是否合適，通過(guò)進(jìn)氣口端的壁厚以及中間區(qū)域壁厚的變化情況可以判斷工藝強(qiáng)度是否符合要求。完成上述分析后，利用方差大小分析不同因素對(duì)成型質(zhì)量的影響程度以及各個(gè)因素之間的相互作用對(duì)成型質(zhì)量的影響程度，并選擇出對(duì)成型質(zhì)量影響最大的因素。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得出上述4個(gè)工藝參數(shù)的方差結(jié)果，方差數(shù)值越大，說(shuō)明該參數(shù)對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)把手氣輔成型質(zhì)量的影響越大，反之同理[16-18]。通過(guò)對(duì)各個(gè)參數(shù)的方差結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和比較，確定了最優(yōu)注塑和注氣參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)把手氣輔成型工藝的優(yōu)化。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

上述論述從理論方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)把手氣輔成型工藝的優(yōu)化，為確保文中提出的優(yōu)化方案能夠在實(shí)際應(yīng)用中解決汽車(chē)車(chē)門(mén)把手塑件壁厚度大和收縮變形大等成型問(wèn)題，文中選擇利用改進(jìn)前后的2種汽車(chē)車(chē)門(mén)把手氣輔成型工藝對(duì)同一型號(hào)汽車(chē)車(chē)門(mén)把手進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)影響汽車(chē)車(chē)門(mén)把手成型質(zhì)量的相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，在其變化最高值和最低值之間引入中間值，設(shè)置5個(gè)不同成型條件，如表2所示。其中熔體溫度選擇210～240 ℃，過(guò)高和過(guò)低的熔體溫度均不適合實(shí)際生產(chǎn)，熔體注射時(shí)間選擇6.5～12.5 s，氣體注射延遲時(shí)間選擇1.5～4.5 s，氣體注射壓力選擇10～16 MPa。

表2 5種汽車(chē)車(chē)門(mén)把手成型條件參數(shù)設(shè)置

Tab.2 Parameter setting for forming conditions of five automobile door handles

根據(jù)表2中5種不同的成型條件水平，分別利用優(yōu)化前和優(yōu)化后2種成型工藝完成對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)把手的制作成型。設(shè)置優(yōu)化前的汽車(chē)車(chē)門(mén)把手氣輔成型工藝為對(duì)照組，優(yōu)化后汽車(chē)車(chē)門(mén)把手氣輔成型工藝為實(shí)驗(yàn)組。為了方便對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的工藝成型質(zhì)量進(jìn)行比較，文中選擇將制件收縮變形量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)2種成型工藝成型質(zhì)量和效果的量化評(píng)價(jià)。收縮變形量的計(jì)算公式如式（2）所示。

式中：為汽車(chē)車(chē)門(mén)把手制件的收縮變形量；為汽車(chē)車(chē)門(mén)把手設(shè)計(jì)圖紙中制件結(jié)構(gòu)體積標(biāo)準(zhǔn)；為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的汽車(chē)車(chē)門(mén)把手制件實(shí)際結(jié)構(gòu)體積大小。根據(jù)式（2）分別得出實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組在5種不同水平條件下的制件收縮變形量，并將其相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，完成實(shí)驗(yàn)。

表3 五因素四水平正交試驗(yàn)結(jié)果

Tab.3 Results of five-factor four-level orthogonal test

各因素按對(duì)收縮變形量的影響程度由大到小的順序依次為氣體注射壓力＞氣體延遲時(shí)間＞熔體注射時(shí)間＞熔體預(yù)注射量＞熔體溫度。根據(jù)表3結(jié)果，獲得最優(yōu)的工藝組合如下：熔體溫度為220 ℃，熔體注射時(shí)間為6.5 s，熔體預(yù)注射量為96%，氣體延遲時(shí)間為4.5 s，氣體注射壓力為16 MPa。

2.2 結(jié)果與分析

得到實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組制件收縮變形量結(jié)果分別為0.432%和18.82%?？梢钥闯觯瑢?shí)驗(yàn)組滿(mǎn)足汽車(chē)車(chē)門(mén)把手成型質(zhì)量要求的收縮變形量小于0.5%的標(biāo)準(zhǔn)，而對(duì)照組收縮變形量超過(guò)了15.0%，嚴(yán)重不符合汽車(chē)車(chē)門(mén)把手成型質(zhì)量要求。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于汽車(chē)車(chē)門(mén)把手結(jié)構(gòu)的特殊性，主梁結(jié)構(gòu)壁厚遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他位置的壁厚[19-20]，采用未優(yōu)化前的汽車(chē)車(chē)門(mén)把手氣輔成型工藝會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的縮痕現(xiàn)象，并且會(huì)引發(fā)手柄制件出現(xiàn)明顯翹曲，嚴(yán)重影響汽車(chē)車(chē)門(mén)把手生產(chǎn)質(zhì)量。因此，采用文中提出的優(yōu)化方案改進(jìn)的汽車(chē)車(chē)門(mén)把手氣輔成型工藝在實(shí)際應(yīng)用中能夠有效降低制件的收縮變形量，滿(mǎn)足汽車(chē)車(chē)門(mén)把手生產(chǎn)后使用的成型質(zhì)量要求。同時(shí)，上述論述也進(jìn)一步證明，在氣輔成型工藝中引入計(jì)算機(jī)輔助工程實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的模擬，對(duì)改善工藝條件和提高實(shí)際生產(chǎn)質(zhì)量具有十分重要的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)語(yǔ)

在結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，考慮各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)把手氣輔成型質(zhì)量的影響，并從多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)把手成型工藝的優(yōu)化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)一步證明，優(yōu)化后的汽車(chē)車(chē)門(mén)把手成型工藝能夠有效降低制件的收縮變形量，提高汽車(chē)車(chē)門(mén)把手的整體加工和生產(chǎn)質(zhì)量。但由于研究能力有限，在對(duì)注塑和注氣參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，受到了因素水平數(shù)的限制，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)參數(shù)組合進(jìn)行全面分析。當(dāng)前氣輔成型技術(shù)在實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)和加工中的應(yīng)用較少，并且存在氣輔成型技術(shù)落后于當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)的問(wèn)題。因此，在后續(xù)的研究中還需要不斷結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)并完善適合實(shí)際工況的汽車(chē)車(chē)門(mén)把手成型工藝。

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CAE Optimization of Gas-assisted Forming Process for Automobile Door Handle

LIANG Chun-lan, HU Hui-min, SUN Xiu-qian

(Hebei Vocational University of Technology and Engineering, Hebei Xingtai 054000, China)

The work aims to research gas-assisted molding process optimization of automobile door handles to solve problems such as large shrinkage deformation of plastic parts in the actual application of the traditional automobile door handle molding process, which cannot be effectively controlled.Through the determination of the plastic part molding method based on computer-aided engineering, the parting setting of the plastic part of the automobile door handle after the transformation, the optimization of injection molding and gas injection parameters, a process optimization plan for the gas-assisted molding of the automobile door handle was proposed.Compared with the former molding process, the optimized molding process significantly reduced the shrinkage deformation of the plastic parts of the automobile door handle. The shrinkage deformation of the plastic parts of the automobile door handle can be controlled below 0.45%.The introduction of computer-aided engineering optimization analysis technology has higher practical application value for the design of the overall structure of the automobile door handle, and is beneficial to the efficiency improvement of the design, production and processing of the automobile door handle.

automobile door handle; gas-assisted molding process; plastic parts shrinkage and deformation; parts structure

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.09.018

TQ320.66

A

1674-6457(2022)09-0131-05

2022–07–27

梁春蘭（1970—），女，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)樾履茉雌?chē)零部件設(shè)計(jì)及仿真。

責(zé)任編輯：蔣紅晨