郭巍，李金松，嚴(yán)巋

(1.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；3.武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070)

注射成型能夠快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)，然而成型過程中注塑件易產(chǎn)生翹曲、體積收縮等缺陷，所以得到合理的注塑件工藝參數(shù)就變得尤為重要。汽車座椅的調(diào)角器是用來完成座椅角度調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)，常采用注塑加工，其要承受一定的載荷。為提高汽車的安全性，調(diào)角器在聚酰胺6 (PA6)的基礎(chǔ)上加入一定量玻纖(GF)來提高力學(xué)強(qiáng)度，但加入GF使成型過程更加復(fù)雜，表現(xiàn)出明顯的各項(xiàng)異性[1]，這對(duì)注塑件的翹曲和體積收縮產(chǎn)生重要影響。注塑件的翹曲變形量及體積收縮率過大會(huì)導(dǎo)致其質(zhì)量下降，為了使汽車座椅調(diào)角器注塑件具有良好的外觀質(zhì)量、裝配性能，調(diào)角器注塑件的翹曲變形量和體積收縮率要盡可能地小，以提升其質(zhì)量[2-5]。

影響注塑件質(zhì)量的因素有很多，為了得到更好質(zhì)量的塑件，已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。Oliaei 等[6]利用田口實(shí)驗(yàn)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的最優(yōu)工藝參數(shù)組合非常接近。Li 等[7]運(yùn)用田口實(shí)驗(yàn)、響應(yīng)面方法以及NSGA-II 算法，發(fā)現(xiàn)纖維參數(shù)對(duì)零件質(zhì)量有很大影響。Xu 等[8-9]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和粒子群優(yōu)化算法得到了質(zhì)量目標(biāo)最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，提升了產(chǎn)品性能。翟豪瑞等[10-11]和張維合等[12]運(yùn)用Moldex3D 對(duì)儀表盤、碳罐、汽車后背門護(hù)板進(jìn)行模流分析，并改善了成型質(zhì)量。

筆者通過Moldex3D 軟件進(jìn)行注射成型CAE分析和正交試驗(yàn)，利用極差分析和方差分析對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，分析了各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)翹曲，體積收縮率兩個(gè)質(zhì)量目標(biāo)的影響規(guī)律，得到了優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，該試驗(yàn)方法對(duì)纖維增強(qiáng)材料薄壁注塑件工藝參數(shù)優(yōu)化有一定參考價(jià)值。

1 建立分析模型

1.1 注塑件結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

調(diào)角器的幾何模型如圖1a 所示，其整體尺寸為172.9 mm×60.5 mm×37.4 mm，模型厚度集中在1～5 mm。為提高模流分析的精度，首先在Moldex3D CAD Doctor 中對(duì)調(diào)角器注塑件的拐角、尖角進(jìn)行修復(fù)，避免自由邊、干涉網(wǎng)格等缺陷的出現(xiàn)。在Moldex3D 中對(duì)調(diào)角器進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為1，四面體個(gè)數(shù)為337 962 個(gè)，得到有限元分析模型如圖1b 所示。對(duì)表面網(wǎng)格和實(shí)體網(wǎng)格進(jìn)行檢查，展弦比均小于0.05，沒有正交性不佳和雅可比不佳等缺陷，網(wǎng)格生成成功，滿足Moldex3D 分析的基本要求，可以進(jìn)行后續(xù)分析，檢查結(jié)果如圖2所示。

圖1 調(diào)角器幾何示意圖和有限元分析模型示意圖

圖2 網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果

調(diào)角器成對(duì)使用，采用一模雙腔，為了加快有限元分析速度，在Moldex3D 之中設(shè)置對(duì)稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)調(diào)角器結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行流道設(shè)計(jì)，采用冷流道和側(cè)邊澆口。根據(jù)流道位置和實(shí)際模具特點(diǎn)，冷卻液選擇水，采用異形水路，如圖3 所示。

圖3 流道、澆口及冷卻系統(tǒng)

1.2 材料選擇

以汽車座椅調(diào)角器為研究對(duì)象，使用BASF公司生產(chǎn)的牌號(hào)為Ultramid B3WG3 的短GF 增強(qiáng)PA6 作為Moldex3D 分析材料，GF 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。PA6 采用GF 增強(qiáng)后，熱穩(wěn)定性好、剛度大，尺寸穩(wěn)定性高。

1.3 初始注塑模擬分析

產(chǎn)品的質(zhì)量在很大程度上受注射成型過程中工藝參數(shù)的影響，選取熔體溫度(A)、模具溫度(B)、最大保壓壓力百分比(C)、保壓時(shí)間(D)和充填時(shí)間(E)五個(gè)因素為研究對(duì)象。根據(jù)前期嘗試，調(diào)角器的原始工藝參數(shù)組合為：A=270℃，B=80℃，C=84%，D=8 s，E=1.5 s，記為初始模擬組合為G1，得到的最大翹曲變形量(W1)為1.933 mm，最大體積收縮率(W2)為9.2%，如圖4 所示。

圖4 初始模擬設(shè)計(jì)結(jié)果

2 正交試驗(yàn)與結(jié)果分析

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)-試模-修模的迭代過程，能夠得出可行的工藝參數(shù)，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力且不夠準(zhǔn)確，增加了試模時(shí)間和成本，采用正交試驗(yàn)法[13-14]能避免反復(fù)試湊，通過較少的試驗(yàn)次數(shù)，得到相關(guān)工藝參數(shù)在試驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)組合，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量[15-16]。

2.1 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

在試驗(yàn)中，忽略各因素之間的交互作用，確定五因素五水平L25(55)的正交方案，結(jié)果見表1，設(shè)計(jì)的25 組試驗(yàn)在Moldex3D 中進(jìn)行模擬，以W1，W2為質(zhì)量指標(biāo)，結(jié)果見表2。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

表2 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，在Minitab 軟件中進(jìn)行極差分析和方差分析，可以得到各工藝參數(shù)對(duì)質(zhì)量指標(biāo)的影響。

(1)極差分析。

極差分析是一種直觀分析方法，試驗(yàn)因素的極差越大，該因素對(duì)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的影響就越大；試驗(yàn)因素的極差越小，該因素對(duì)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的影響就越小。通過極差對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行排序，可以分析出主次因素，對(duì)影響大的因素選取使目標(biāo)達(dá)到最佳的水平，對(duì)影響小的因素，可以任意選取一個(gè)水平，一般選取經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的水平[17]。優(yōu)化目標(biāo)的極差分析結(jié)果見表3 和表4，其中，ki表示某一因素在i(i=1，2，3，4，5)水平時(shí)W1或W2的均值，優(yōu)化目標(biāo)的均值主效應(yīng)圖如圖5 和圖6 所示。

圖5 W1 主效應(yīng)圖

圖6 W2 主效應(yīng)圖

由表3、表4 可以發(fā)現(xiàn)，各試驗(yàn)因素對(duì)W1的影響主次順序?yàn)椋篊＞A＞B＞E＞D；對(duì)W2的影響主次順序?yàn)椋篊＞A＞B＞D＞E。根據(jù)極差分析結(jié)果，使W1最小的最優(yōu)組合為A4B1C5D5E3，使W2最小的最優(yōu)組合為A1B1C5D5E5。

表3 W1 極差分析

表4 W2 極差分析

(2)方差分析。

采用直觀分析方法，雖然計(jì)算簡(jiǎn)單，工作量小且易懂，但它不能將試驗(yàn)中由于試驗(yàn)條件改變引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)與試驗(yàn)誤差引起的波動(dòng)區(qū)分開，也無法精確估計(jì)各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的精度，而方差分析將數(shù)據(jù)的總變異分解為因素引起來的變異和誤差引起來的變異，可以精確估計(jì)各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，判斷因素作用是否顯著[17]。

方差分析結(jié)果可以確定誤差對(duì)結(jié)果的影響以及試驗(yàn)因素對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響情況。表5、表6分別為W1，W2的方差分析結(jié)果。取顯著性水平α=0.05，查F分布表可知，F(xiàn)0.05(4，4)=6.39。根據(jù)表5、表6 的方差分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)調(diào)角器注塑件的C，A和B對(duì)W1的影響顯著，而D和E對(duì)W2的影響不顯著，按檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值F值大小排序?yàn)椋篊＞A＞B＞D＞E，與極差分析得到的結(jié)果略有不同；C，A，B和D對(duì)W2的影響顯著，E對(duì)W2的影響不顯著，按F值大小排序?yàn)椋篊＞A＞B＞D＞E，與極差分析得到的結(jié)果一致。

表5 W1 方差分析

表6 W2 方差分析

3 優(yōu)化結(jié)果與驗(yàn)證

通過前述分析，已經(jīng)分別得到使W1，W2最小對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)組合，為得到兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)都較好的工藝參數(shù)組合，取W1，W2各自對(duì)應(yīng)最優(yōu)工藝參數(shù)的平均值[18]，結(jié)果見表7。由表7 可以看出，采用正交試驗(yàn)優(yōu)化方法，最終得到W1和W2的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：A=265℃，B=70℃，C=98%，D=8.4 s，E=1.6 s。將得到的工藝參數(shù)組合進(jìn)行Moldex3D仿真驗(yàn)證，結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可以看出，其最大W1為1.470 mm，最大W2為8.106%，兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)都得到了明顯改善，W1和W2減少了23.95%和11.89%。用圖8 所示的模具生產(chǎn)的調(diào)角器注塑件如圖9 所示，可以發(fā)現(xiàn)，注塑件的整體質(zhì)量良好，收縮較為均勻，整體變形較小，無明顯外觀質(zhì)量問題。

圖7 優(yōu)化后的結(jié)果

圖8 調(diào)角器注塑件模具

圖9 調(diào)角器注塑件

表7 最優(yōu)工藝參數(shù)組合

4 結(jié)論

(1)根據(jù)極差分析結(jié)果可知，各試驗(yàn)因素對(duì)W1的影響主次順序?yàn)椋篊＞A＞B＞E＞D；對(duì)W2的影響主次順序?yàn)椋篊＞A＞B＞D＞E。使W1最小的最優(yōu)組合為A4B1C5D5E3，使W2最小的最優(yōu)組合為A1B1C5D5E5。

(2)根據(jù)方差分析結(jié)果可知，調(diào)角器注塑件的C，A和B對(duì)W1影響顯著，而D和E對(duì)翹曲影響不顯著，按照檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值F值大小排序?yàn)椋篊＞A＞B＞D＞E，與極差分析得到的結(jié)果略有不同；C，A，B和D對(duì)W2的影響顯著，E對(duì)W2的影響不顯著，按F值大小排序?yàn)椋篊＞A＞B＞D＞E，與極差分析得到的結(jié)果一致。

(3)采用正交優(yōu)化得到的最佳參數(shù)組合為：A=265℃，B=70℃，C=98%，D=8.4 s，E=1.6 s，此時(shí)最大W1為1.470 mm，最大W2為8.106%，相比初始模擬設(shè)計(jì)，分別減少了23.95%和11.89%，兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)都得到了明顯改善。