周紀(jì)委，郭昊亮，張文超，王明偉，林連明

(1.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,遼寧大連 116034； 2.北京精雕科技集團(tuán)有限公司蘇州分公司,江蘇蘇州 215163；3.浙江凱華模具有限公司,浙江臺(tái)州 318020)

在現(xiàn)代社會(huì)高速發(fā)展下,交通出行對(duì)人們生活的影響越來越大。而汽車作為受廣大群眾喜愛且使用率較高的一種交通工具,人們對(duì)汽車的外觀和質(zhì)量提出了更高的要求[1]。在人們的這種需求下,汽車輕量化、降低能耗、減少尾氣排放成為汽車制造業(yè)的一大發(fā)展趨勢[2]。汽車副儀表板扶手底座作為汽車的重要配件,使用塑料作為原材料不僅可以減輕汽車的質(zhì)量以及保護(hù)汽車的安全,而且還可以使汽車空間內(nèi)飾和諧統(tǒng)一。

在汽車副儀表板扶手底座實(shí)際注塑過程中,熔融塑料在模具型腔中將會(huì)受到內(nèi)外因素的影響,易造成翹曲變形大、收縮、氣穴、飛邊等質(zhì)量缺陷[3]。同時(shí)注塑產(chǎn)品的質(zhì)量不僅取決于材料本身具有的性能,而且還會(huì)受到模具結(jié)構(gòu)、成型工藝參數(shù)的影響[4]。為了提高注塑件的品質(zhì),國內(nèi)外許多學(xué)者運(yùn)用CAE技術(shù)對(duì)塑件成型過程進(jìn)行模擬。Satoshi等[5]研究了夾緊力與焊縫溫度之間的關(guān)系,并以注射時(shí)間、熔體溫度、模具溫度、保壓時(shí)間、保壓壓力、冷卻時(shí)間為水平進(jìn)行了多目標(biāo)工藝參數(shù)優(yōu)化,最終使焊縫減少。Mukras等[6]重點(diǎn)研究了雙凹結(jié)構(gòu)和銳邊的微小零件成型問題,通過田口試驗(yàn)方法,得到了影響微小零件生產(chǎn)的關(guān)鍵成型參數(shù)和最小收縮率。Sateesh 等[7]以熔體溫度、模具溫度和注射時(shí)間為因素,翹曲、體積收縮、循環(huán)時(shí)間和質(zhì)量預(yù)測為目標(biāo)設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)并對(duì)不同工藝參數(shù)的水表部件進(jìn)行模流分析,獲得了最佳工藝參數(shù)組合。吳俊超等[8]學(xué)者通過Moldflow DOE功能結(jié)合響應(yīng)面BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對(duì)轎車后視鏡鏡框注塑工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,確定了最優(yōu)工藝參數(shù)組合。鄔斌揚(yáng)等[9]在抑爆球注塑成型結(jié)果的基礎(chǔ)上,建立了抑爆球多指標(biāo)優(yōu)化代理模型,并結(jié)合自適應(yīng)性模擬退火算法進(jìn)行全局尋找最優(yōu)性能。莊燕等[10]為改善汽車扶手箱下蓋板的成型質(zhì)量,進(jìn)行了拉丁超立方方案設(shè)計(jì)并在Moldflow中進(jìn)行各組方案模擬,最后基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立翹曲變形的回歸方程并進(jìn)行了優(yōu)化。

筆者運(yùn)用Moldex3D軟件和正交試驗(yàn)對(duì)汽車副儀表板扶手底座成型過程中的不同工藝參數(shù)組合進(jìn)行了模擬,并計(jì)算信噪比與灰色關(guān)聯(lián)度值。通過灰色關(guān)聯(lián)度分析對(duì)汽車副儀表板扶手底座進(jìn)行了優(yōu)化,從而提高了汽車副儀表板扶手底座塑件的品質(zhì)。

1 模流分析

1.1 塑件分析與網(wǎng)格劃分

汽車副儀表盤扶手底座內(nèi)飾件三維圖見圖1。其最大尺寸為340 mm×224 mm×63 mm,體積為207 cm3。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,有加強(qiáng)筋、螺紋孔和凸臺(tái)設(shè)計(jì),平均壁厚為1.73 mm,最大壁厚為3.9 mm。汽車副儀表板扶手底座材料選用的是Borealis AG制造商生產(chǎn)的材料牌號(hào)為DAPLEN KSR 65 T 20 E1 的20%滑石粉填充聚丙烯(PP)/20%Talc,該材料具有高強(qiáng)度、抗沖擊、耐低溫、方向性強(qiáng)等特性[11]。

圖1 汽車副儀表板扶手底座三維圖

在Moldex3D Studio 2021 軟件中對(duì)塑件進(jìn)行Solid 網(wǎng)格劃分,手動(dòng)修復(fù)網(wǎng)格缺陷后,塑件網(wǎng)格元素?cái)?shù)量為503 130 個(gè),塑件表面網(wǎng)格和實(shí)體網(wǎng)格無缺陷可進(jìn)行模流分析。汽車副儀表板扶手底座網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 汽車副儀表板扶手底座網(wǎng)格模型

1.2 澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的建立

汽車副儀表板扶手底座的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)如圖3 所示。主流道直徑為16 mm,冷流道采用U 型分流道,尺寸為10 mm×8 mm。由于塑件表面質(zhì)量要求高,澆口不能設(shè)在產(chǎn)品外觀面,綜合考慮在塑件側(cè)面搭接扇形澆口。冷卻系統(tǒng)是定模采用1組循環(huán)水路、動(dòng)模采用3 組循環(huán)水路,冷卻介質(zhì)為水。水路直徑為8～10 mm,冷卻水路溫度為30℃。

圖3 澆注系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)

1.3 默認(rèn)參數(shù)分析

先在默認(rèn)工藝條件(模具溫度30℃、熔體溫度220℃、冷卻時(shí)間20 s、保壓時(shí)間10 s、最大保壓壓力140 MPa)下進(jìn)行完整分析(充填+保壓+冷卻+翹曲),模擬結(jié)果如圖4所示。由圖4a流動(dòng)波前時(shí)間可知,熔膠在2.529 s時(shí)能夠充填到塑件末端,沒有出現(xiàn)短射或遲滯現(xiàn)象,充填時(shí)間較為合適。由圖4b熔融區(qū)域可知,在保壓時(shí)間10 s時(shí)澆口區(qū)域未能完全固化,而澆口未固化會(huì)造成塑件翹曲變形較大,凹痕較為嚴(yán)重,因此需要在優(yōu)化時(shí)繼續(xù)增加保壓時(shí)間使其完全固化。由圖4c～圖4f 可知體積收縮率為4.089%,翹曲總位移為1.151 mm,總溫度差異效應(yīng)位移為0.412 mm,總區(qū)域收縮差異效應(yīng)位移為0.889 mm。塑件翹曲變形主要原因是成型過程中殘余應(yīng)力的釋放,而塑件殘余應(yīng)力的產(chǎn)生因素為冷卻不均勻、收縮不均勻和分子纖維取向效應(yīng)[12-13]。由于此材料不含纖維,由圖4e～圖4f 總溫度差異效應(yīng)位移與總區(qū)域收縮差異效應(yīng)總位移對(duì)比可知,此汽車副儀表板扶手底座翹曲變形量主要由區(qū)域收縮不均勻引起的。故在對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)選擇區(qū)域收縮翹曲變形量為其一優(yōu)化指標(biāo),同時(shí)在注塑過程中還要求體積收縮率盡可能得小,因此,體積收縮率為另一優(yōu)化指標(biāo)。

圖4 默認(rèn)參數(shù)下模擬結(jié)果

2 正交試驗(yàn)

2.1 因素及水平設(shè)計(jì)

根據(jù)默認(rèn)參數(shù)分析,以區(qū)域收縮翹曲變形量和體積收縮率為優(yōu)化目標(biāo),模具溫度(A)、熔體溫度(B)、冷卻時(shí)間(C)、保壓時(shí)間(D)和保壓壓力(E)為正交因素。在不考慮相互作用下,每個(gè)因素設(shè)置4 個(gè)水平,因素與水平正交表設(shè)置列于表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)

2.2 信噪比計(jì)算

信噪比值的大小與產(chǎn)品質(zhì)量的好壞成正比,為了更好地評(píng)價(jià)塑件質(zhì)量,故選擇信噪比作為塑件質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[14]。信噪比有3 種,分別是望目信噪比、望小信噪比和望大信噪比[15-16]。而注塑產(chǎn)品要求較小的區(qū)域收縮翹曲變形和體積收縮率,因此選擇望小信噪比。望小信噪比計(jì)算公式如式(1)。

式中：n——每一組試驗(yàn)重復(fù)的次數(shù)；

xi——第i次試驗(yàn)值。

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

選用5因素4水平的正交試驗(yàn)矩陣L16(45),并基于Moldex3D模流分析軟件對(duì)塑件成型過程進(jìn)行分析,得到模擬后的區(qū)域收縮翹曲變形量和體積收縮率。并根據(jù)公式(1)計(jì)算所對(duì)應(yīng)的信噪比,得到的結(jié)果列于表2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3 區(qū)域收縮翹曲變形量極差分析可知,保壓壓力對(duì)區(qū)域收縮翹曲變形量指標(biāo)影響最大。5個(gè)因素中對(duì)區(qū)域收縮翹曲變形量指標(biāo)影響程度從大到小順序?yàn)椋罕簤毫?R1=0.356)、保壓時(shí)間(R1=0.143)、熔體溫度(R1=0.103)、冷卻時(shí)間(R1=0.059)、模具溫度(R1=0.053)。根據(jù)表4 體積收縮率極差分析可知,熔體溫度對(duì)體積收縮率指標(biāo)影響最大。5 個(gè)因素中對(duì)體積收縮率影響程度從大到小順序?yàn)椋喝垠w溫度(R2=0.216)、模具溫度(R2=0.173)、保壓壓力(R2=0.158)、保壓時(shí)間(R2=0.129)、冷卻時(shí)間(R2=0.119)。同時(shí)由表3 可知,最小區(qū)域收縮翹曲變形量的工藝參數(shù)組合為A4B1C1D4E4；由表4 可知,最小體積收縮率的工藝參數(shù)組合為A3B1C2D1E4。影響區(qū)域收縮翹曲變形量和體積收縮率的最優(yōu)工藝參數(shù)組合不相同,所以優(yōu)先使用灰色關(guān)聯(lián)分析法來得到較小的區(qū)域收縮翹曲變形量和體積收縮率[17]。

表3 區(qū)域收縮翹曲變形量極差分析

表4 體積收縮率極差分析

3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析是把工藝參數(shù)之間的緊密程度用于判斷各參數(shù)間關(guān)系強(qiáng)弱的方法[18]。

首先對(duì)信噪比進(jìn)行無量綱化處理[19]。望小特征的無量綱化公式如式(2)：

式中：ηi——第i個(gè)試驗(yàn)信噪比值；

ηimax和ηimin——各試驗(yàn)指標(biāo)中信噪比最大值和最小值；

yi——ηi無量綱化之后的數(shù)值。

其次對(duì)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算?；疑P(guān)聯(lián)系數(shù)是無量綱化后的數(shù)據(jù)和理想數(shù)據(jù)之間的關(guān)系[20],灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)公式如式（3）：

yimin——無量綱化后信噪比值的最小值；

yimax——無量綱化后信噪比值的最大值；

yi——第i個(gè)試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的無量綱化信噪比值；

ρ——分辨系數(shù),一般取0.5。

最后對(duì)灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)進(jìn)行均值計(jì)算。灰色關(guān)聯(lián)度γ公式如式(4)：

式中：m——優(yōu)化目標(biāo)的個(gè)數(shù)。

將根據(jù)公式(1)計(jì)算所對(duì)應(yīng)的信噪比數(shù)值帶入到式(2)～式(4)中,得到兩個(gè)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和灰色關(guān)聯(lián)度值,列于表5。對(duì)表5中各組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)度值進(jìn)行極差分析,極差值越大就代表該因素對(duì)區(qū)域收縮翹曲變形量和體積收縮率影響較大。灰色關(guān)聯(lián)度值極差分析列于表6,因素水平變化趨勢圖如圖5所示。由表6及圖5可知,影響區(qū)域收縮翹曲變形量和體積收縮率的因素從大到小順序?yàn)椋篍＞B＞C＞A＞D。各因素灰色關(guān)聯(lián)度值極差最大對(duì)應(yīng)的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A3B1C1D4E4,即模具溫度30℃、熔體溫度210℃、冷卻時(shí)間17 s、保壓時(shí)間13 s、保壓壓力160 MPa。

圖5 因素水平變化趨勢

表5 各指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和灰色關(guān)聯(lián)度值

表6 灰色關(guān)聯(lián)度值極差分析

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

把灰色關(guān)聯(lián)度分析得到的最佳工藝參數(shù)組合在Moldex3D 中進(jìn)行模擬,得到塑件的區(qū)域收縮翹曲變形量為0.501 mm,比默認(rèn)分析減少了0.388 mm,塑件的體積收縮率為3.886%,比默認(rèn)分析減少了0.203%。因此,不論是區(qū)域收縮翹曲變形量還是體積收縮率都達(dá)到了相對(duì)較優(yōu)效果,相比默認(rèn)分析改善了43.6%和4.96%。模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 灰色關(guān)聯(lián)度分析優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié)論

(1)針對(duì)塑件成型過程中出現(xiàn)的區(qū)域收縮翹曲變形和體積收縮等缺陷,在默認(rèn)條件下進(jìn)行模擬,得到翹曲總位移、總溫度差異效應(yīng)位移、總區(qū)域收縮差異效應(yīng)位移和體積收縮率結(jié)果。對(duì)默認(rèn)條件模擬結(jié)果進(jìn)行分析可知,翹曲變形是由區(qū)域收縮不均勻引起的。因此在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)選擇區(qū)域收縮翹曲變形量和體積收縮率為優(yōu)化目標(biāo)。

(2)建立了5 因素4 水平的正交試驗(yàn)并利用Moldex3D 軟件對(duì)塑件成型過程進(jìn)行模擬,通過計(jì)算得到信噪比與灰色關(guān)聯(lián)度值。對(duì)區(qū)域收縮翹曲變形量和體積收縮率的灰色關(guān)聯(lián)度值進(jìn)行極差分析,得到E因素對(duì)塑件的綜合影響最大,最佳工藝參數(shù)組合為A3B1C1D4E4。

(3)將最優(yōu)工藝參數(shù)組合進(jìn)行模擬,得到區(qū)域收縮翹曲變形量為0.501 mm,體積收縮率為3.886%,分別比默認(rèn)分析改善了43.6%和4.96%,塑件區(qū)域收縮翹曲變形量和體積收縮率都達(dá)到相對(duì)較優(yōu)效果。因此,可證明灰色關(guān)聯(lián)理論適用于注塑工藝優(yōu)化。