吳俊超，邵海軍，陳愛(ài)霞，張鵬飛

(1.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西九江 332007； 2.九江學(xué)院機(jī)械與智能制造學(xué)院，江西九江 332005)

轎車(chē)前后保險(xiǎn)杠是轎車(chē)的主要零部件之一，直接影響轎車(chē)的外觀，它能減少空氣阻力，起到吸收和緩和外界沖擊力、保護(hù)車(chē)身及乘員安全的作用。早期的保險(xiǎn)杠一般選擇金屬材質(zhì)，采用厚度不小于3 mm的鋼板，沖成U形槽，鉚接或焊接在車(chē)架縱梁上，并確保保險(xiǎn)杠與車(chē)身有一定的間隙[1]，最后在表面鍍鉻。然而，采用這種工藝制備的保險(xiǎn)杠整體協(xié)調(diào)性較差，影響轎車(chē)外觀，且不利于車(chē)身減重。近年來(lái)，汽車(chē)工業(yè)不斷發(fā)展，特別是提倡轎車(chē)車(chē)身輕量化后工程塑料被大量使用，對(duì)于塑料材質(zhì)汽車(chē)保險(xiǎn)杠來(lái)說(shuō)，在生產(chǎn)中更加追求其外觀的和諧與統(tǒng)一，追求輕量化[1]，同時(shí)塑料材質(zhì)汽車(chē)保險(xiǎn)杠的安全保護(hù)功能并未改變，需要滿足力學(xué)特性和吸能特性[1]，使其在受到碰撞時(shí)能夠有一定的緩沖和吸能作用。

現(xiàn)行的轎車(chē)保險(xiǎn)杠由橫梁和外板組成。橫梁采用的冷軋鋼板被沖壓成U形槽，厚度為1.5 mm左右，橫梁和車(chē)架縱梁采用螺絲連接[1]，方便拆裝；外板的材料一般采用聚酯系和聚丙烯系兩種材料，附著在橫梁上，工藝上多采用注射成型。例如標(biāo)致405選取了聚酯系列的塑料原料，采用反應(yīng)注塑成型工藝。而奧迪100，GOLF，Santana等型號(hào)轎車(chē)的保險(xiǎn)杠[1]，選取的是聚丙烯系列的塑料原料，采用注射成型。近年來(lái)，有些企業(yè)還采用聚碳酸酯系列的塑料原料，摻入一定量的合金粉末，采用合金注射成型，這種保險(xiǎn)杠強(qiáng)度好、剛性高、涂裝性能好而且可焊接。

鑒于某轎車(chē)前保險(xiǎn)杠塑料外板生產(chǎn)中產(chǎn)品合格率較低的問(wèn)題，筆者采用模流分析軟件Moldflow 2023進(jìn)行CAE分析，借助專(zhuān)業(yè)的質(zhì)量管理統(tǒng)計(jì)分析軟件Minitab 2021進(jìn)行響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，探索在多優(yōu)化目標(biāo)的情況下，存在多個(gè)有交互作用的因子時(shí)如何選取合理取值的注塑工藝優(yōu)化問(wèn)題。

1 塑件結(jié)構(gòu)與工藝分析

1.1 研究對(duì)象

筆者的研究對(duì)象轎車(chē)保險(xiǎn)杠如圖1所示，材料為質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%滑石粉填充聚丙烯(PP+T20)，密度為1.12 g/cm3，質(zhì)量為4.07 kg，體積為3 633.967 cm3。這種改性聚丙烯材料具有較好的耐候性和足夠的韌性，工廠實(shí)際生產(chǎn)中沒(méi)有添加玻纖。一次注塑前保險(xiǎn)杠塑件的平均合格率僅有65.35%。主要缺陷表現(xiàn)在塑件外觀有明顯的熔接痕、氣穴、應(yīng)力痕和明顯的縮痕，此外還有飛邊，總的翹曲變形量超出裝配的允許值。因此，研究目標(biāo)是在不改變模具結(jié)構(gòu)的情況下，通過(guò)模流分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理來(lái)提高轎車(chē)前保險(xiǎn)杠外板注塑件的產(chǎn)品合格率。

圖1 研究對(duì)象

1.2 CAE模型的創(chuàng)建

該轎車(chē)保險(xiǎn)杠的尺寸精度需要按照汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QCn 29017-1991生產(chǎn)和驗(yàn)收，因?yàn)樵撍芗仁峭庥^件也是受力結(jié)構(gòu)件，所以除了要滿足裝配要求外還要滿足表面外觀光潔、無(wú)飛邊、無(wú)縮孔或縮松等要求，應(yīng)力痕、縮痕和熔接痕也要盡量少。因?yàn)楸ｋU(xiǎn)杠塑件出現(xiàn)的缺陷較多，所以需要先創(chuàng)建CAE模型，這個(gè)模型應(yīng)和實(shí)際生產(chǎn)所用的模具實(shí)物完全相同；然后按照當(dāng)前生產(chǎn)中采用的注塑工藝參數(shù)在模流分析軟件中進(jìn)行設(shè)定，通過(guò)模流分析觀察模擬結(jié)果和生產(chǎn)實(shí)際是否吻合。如果不吻合需要查找是CAE模型存在問(wèn)題還是成型工藝參數(shù)存在問(wèn)題。模擬結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)不吻合或符合程度較差時(shí)需要進(jìn)行調(diào)整，直到調(diào)整一致，這樣所建立的CAE分析模型才能作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)，后續(xù)調(diào)整的工藝參數(shù)也才有意義。

首先在UG軟件NX2212中打開(kāi)之前設(shè)計(jì)好的三維模具數(shù)模。該數(shù)模的外形尺寸為1 705 mm×825 mm ×520 mm，平均厚度為2.66 mm，最大壁厚為5.28 mm。然后檢查、修復(fù)轎車(chē)保險(xiǎn)杠三維數(shù)模并以*.stp格式導(dǎo)入Moldflow[2]，采用雙層面網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長(zhǎng)2.2 mm。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格診斷、網(wǎng)格缺陷處理和網(wǎng)格修復(fù)[3]，最終生成的合格網(wǎng)格數(shù)量有23.36萬(wàn)，縱橫比小于15 (對(duì)于大型塑件來(lái)說(shuō)，縱橫比小于15即可得到可靠結(jié)果)，網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)匹配百分比超過(guò)85%(Moldflow 2023要求翹曲分析時(shí)，匹配率需要大于80%)，此外該雙層面網(wǎng)格沒(méi)有其它諸如壁厚過(guò)小、零面積單元等錯(cuò)誤，用該網(wǎng)格進(jìn)行分析可以得到可信度較高的模流分析結(jié)果。

模具采用熱流道模具，細(xì)水口轉(zhuǎn)大水口澆注系統(tǒng)，一模一腔，在NX2212中將流道中心線導(dǎo)出為*.igs文檔，在Moldflow中用主頁(yè)下“添加”功能將流道中心線添加到劃分好網(wǎng)格的分析文件中，更改流道中心線屬性為“熱流道”，設(shè)定流道和澆口的尺寸和模具實(shí)物一致并在保證合理長(zhǎng)徑比的情況下劃分網(wǎng)格。對(duì)于距離保險(xiǎn)杠產(chǎn)品很近的形狀不規(guī)則的大水口澆口，需要將這部分在三維軟件中畫(huà)出，然后用添加*.stp的方式添加到Moldflow 2023中，劃分成雙層面網(wǎng)格，設(shè)定屬性為“冷澆口”，隨即利用Moldflow的圖層功能將異形冷澆口和產(chǎn)品共面的三角形網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)刪除，然后將冷澆口邊沿的節(jié)點(diǎn)和產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并，將熱流道結(jié)束的節(jié)點(diǎn)和冷澆口節(jié)點(diǎn)合并。最終創(chuàng)建了7個(gè)熱澆口，這7個(gè)熱澆口都是可以獨(dú)立控制的閥澆口，第2個(gè)和第3個(gè)澆口形狀大小結(jié)構(gòu)一致，第4個(gè)和第5個(gè)澆口形狀大小結(jié)構(gòu)一致，第6個(gè)和第7個(gè)澆口形狀大小結(jié)構(gòu)一致，澆口的結(jié)構(gòu)如圖2所示。用同樣的方法將冷卻系統(tǒng)導(dǎo)進(jìn)分析模型并劃分好網(wǎng)格，該模具的冷卻水路很復(fù)雜，存在較多的隔水板水路，共有21進(jìn)21出的21組循環(huán)水路。在水路CAE模型設(shè)計(jì)中需要注意出水口和入水口的數(shù)量必須相等，否則CAE分析會(huì)報(bào)錯(cuò)。

圖2 澆口結(jié)構(gòu)與編號(hào)

轎車(chē)保險(xiǎn)杠外板的塑料原料選擇工廠實(shí)際生產(chǎn)中采用的原料為PP+T20，其為Ferro生產(chǎn)的POLYPROPYLENES (PP)系列，牌號(hào)為T(mén)PP20AC17 BK，該材料的推薦工藝見(jiàn)表1，材料特性如圖3所示。PP+T20流動(dòng)方向與橫向之間的泊松比(v12)為0.38，兩個(gè)橫向之間的泊松比(v23)為0.43，第1主方向彈性模量(塑料流動(dòng)方向的拉伸彈性模量)為2 518 MPa，第2主方向彈性模量(垂直于流動(dòng)方向即橫向拉伸彈性模量)為2 494 MPa。

表1 PP+T20的推薦工藝

圖3 PP+T20材料特性

1.3 CAE模型的驗(yàn)證

CAE模型建立后，按照實(shí)際生產(chǎn)中采用的注塑工藝參數(shù)(見(jiàn)表2)進(jìn)行設(shè)置，打開(kāi)時(shí)間見(jiàn)表3。前期的實(shí)際生產(chǎn)中，第1個(gè)閥澆口、第2個(gè)閥澆口和第3個(gè)閥澆口初始均為打開(kāi)狀態(tài)，第4個(gè)閥澆口和第5個(gè)閥澆口在開(kāi)始注射1.1 s后打開(kāi)，第6個(gè)閥澆口和第7個(gè)閥澆口分別在開(kāi)始注射2.2 s后和2.5 s后打開(kāi)。所有澆口46 s后關(guān)閉。

表2 優(yōu)化前實(shí)際生產(chǎn)中采用的部分工藝參數(shù)

表3 閥澆口打開(kāi)時(shí)間

按照實(shí)際參數(shù)設(shè)置后，CAE模擬結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)情況基本一致，但仍存在以下幾個(gè)主要問(wèn)題，結(jié)合圖4分述如下。

圖4 CAE模擬結(jié)果以及模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)品缺陷對(duì)應(yīng)關(guān)系

(1)翹曲變形較大，最大翹曲變形量達(dá)12.44 mm (如圖4a所示)，不能滿足驗(yàn)收要求。實(shí)際生產(chǎn)中部分產(chǎn)品因翹曲變形過(guò)大無(wú)法進(jìn)行裝配。

(2)從圖4b的熔接線模擬結(jié)果可以看出，產(chǎn)品上的熔接線和熔合線過(guò)多，而且比較雜亂，保險(xiǎn)杠塑件正面有10條長(zhǎng)度超過(guò)20 mm的熔接線，最長(zhǎng)的4條長(zhǎng)度超過(guò)100 mm，熔接線過(guò)長(zhǎng)、過(guò)大會(huì)嚴(yán)重影響保險(xiǎn)杠的外觀質(zhì)量，過(guò)長(zhǎng)的熔接線還會(huì)導(dǎo)致保險(xiǎn)杠的力學(xué)性能下降。

(3)從圖4c縮痕指數(shù)上看，產(chǎn)品收縮不均勻。這會(huì)導(dǎo)致塑件密度不同，翹曲變形量增加，同時(shí)塑件的力學(xué)性能下降。

(4)第1主方向(橫穿塑件橫截面方向，可以簡(jiǎn)單理解為塑件厚度方向，正值對(duì)應(yīng)塑件中的張力，而負(fù)值對(duì)應(yīng)壓縮力)和第2主方向(垂直于第1主方向的方向)的殘余應(yīng)力都過(guò)大，而且應(yīng)力變化不均勻。應(yīng)力突變的地方會(huì)形成應(yīng)力痕，殘余應(yīng)力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致塑件在使用中過(guò)早失效和翹曲變形量增大。圖4d、圖4e是模擬的第一主方向上殘余應(yīng)力情況和實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)品上對(duì)應(yīng)出現(xiàn)的缺陷，可以看出，模擬結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的缺陷非常吻合。

2 熔接線的改善方法

針對(duì)過(guò)多、過(guò)長(zhǎng)且雜亂的熔接線和熔合線，采用調(diào)整閥澆口的打開(kāi)時(shí)間，以減少熔接痕和熔合線，將不可避免的熔接痕和熔合線盡量調(diào)整到產(chǎn)品的非外觀面，盡量減少熔接痕和熔合線對(duì)產(chǎn)品力學(xué)性能的影響。

在充填過(guò)程中兩股或多股塑料熔體相遇匯合而成的瑕疵就是熔接線和熔合線，多數(shù)為可見(jiàn)缺陷。熔合線附近塑件的強(qiáng)度和外觀都要好于產(chǎn)生熔接線的區(qū)域。平行的流體會(huì)形成熔合線，塑料原料的不同、填充物的不同以及保壓壓力和保壓溫度的不同都會(huì)影響熔合線區(qū)域的產(chǎn)品質(zhì)量。有角度的兩股或多股塑料熔體相遇融合會(huì)形成熔接線，熔接線會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品外觀和力學(xué)性能不合格。實(shí)際生產(chǎn)中要盡量避免熔接線，盡可能少產(chǎn)生熔合線。當(dāng)塑料熔體流經(jīng)孔后合流，或存在多個(gè)澆口且打開(kāi)時(shí)間不合理，或多個(gè)澆口同時(shí)打開(kāi)時(shí)，熔接線和熔合線的產(chǎn)生很難避免。若兩股塑料熔體相遇時(shí)還有較高的流前溫度，則后期如果采用合適的保壓壓力和保壓時(shí)間，就可能避免較多熔接線和熔合線出現(xiàn)在實(shí)際產(chǎn)品上。

更改充填速度和流向，使兩股塑料熔體或多股塑料熔體在合適的位置相遇，這是將熔接線移動(dòng)到非外觀面的有效方法。更改填充模式常采用的方法有：①用閥澆口技術(shù)使?jié)部谠诓煌臅r(shí)間打開(kāi)；②改變澆口的位置；③更改塑料產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，譬如厚度等。當(dāng)熔接線和熔合線無(wú)法避免時(shí)，只能盡量降低熔接線帶來(lái)的危害，常用的方法有：①提高塑料原料的注塑溫度、提高注射速度或增大保壓壓力，這能讓塑料更好地彼此熔合；②增大澆口或流道的尺寸，以使保壓壓力更好地傳遞到塑件上；③把澆口設(shè)置在熔接線附近，這樣熔接線產(chǎn)生的區(qū)域就會(huì)有更高的溶體溫度和保壓壓力；④移動(dòng)注射位置，盡量將熔接線轉(zhuǎn)化成熔合線；⑤在熔接線的區(qū)域增加排氣結(jié)構(gòu)或改善排氣措施，以消除氣穴、減少或縮短熔接線；⑥優(yōu)化流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用摩擦剪切熱來(lái)提高塑料的流前溫度。

結(jié)合本例的實(shí)際情況，模具已經(jīng)投入生產(chǎn)，如果能夠在不修改模具結(jié)構(gòu)或者盡量少修改模具結(jié)構(gòu)的情況下解決問(wèn)題，將能夠減少開(kāi)發(fā)成本，有利于綠色生產(chǎn)。基于這個(gè)考慮，先將閥澆口的打開(kāi)時(shí)間盡量調(diào)整到合理時(shí)間。在模流分析軟件Moldflow 2023中，設(shè)置閥澆口的觸發(fā)器為“流動(dòng)前沿”，見(jiàn)表4。根據(jù)澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，塑料熔體最先到達(dá)第1個(gè)閥澆口，當(dāng)塑料流到第1個(gè)閥澆口附近(柱體單元B843，見(jiàn)表4)時(shí)，第1個(gè)閥澆口打開(kāi)，此時(shí)其它閥澆口均未打開(kāi)，塑料熔體流經(jīng)第1個(gè)閥澆口在型腔中繼續(xù)向前流動(dòng)，當(dāng)塑料熔體的流動(dòng)前沿流到下一個(gè)閥澆口(本例會(huì)先流到第3個(gè)閥澆口)附近(節(jié)點(diǎn)N906273，見(jiàn)表4)時(shí)，下一個(gè)閥澆口(第3個(gè)閥澆口)打開(kāi)，塑料熔體會(huì)從第3個(gè)閥澆口流出，與從第1個(gè)閥澆口流出的塑料熔體匯合，繼續(xù)向前流動(dòng)到下一個(gè)閥澆口，依次直到充滿模具型腔。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整閥澆口的打開(kāi)時(shí)間和反復(fù)模擬，熔接線的問(wèn)題得到了有效解決?？傮w來(lái)看熔接線的數(shù)量明顯減少，比較長(zhǎng)的熔接線基本上都在產(chǎn)品的背面，外觀表面沒(méi)有明顯的熔接線，如圖5所示。優(yōu)化后的閥澆口打開(kāi)時(shí)間見(jiàn)表4，閥澆口編號(hào)如圖2所示。

表4 優(yōu)化后的閥澆口打開(kāi)時(shí)間

圖5 優(yōu)化后的熔接線

3 其它缺陷的改善方法

根據(jù)上述的模擬，保險(xiǎn)杠的缺陷除了熔接線外，還存在翹曲變形較大、產(chǎn)品收縮不均勻、第1主方向和第2主方向的殘余應(yīng)力均過(guò)大、應(yīng)力變化不均勻等問(wèn)題，這些問(wèn)題都是待優(yōu)化的目標(biāo)(響應(yīng))，優(yōu)化目標(biāo)多，各個(gè)影響目標(biāo)(響應(yīng))的因子(各個(gè)工藝參數(shù))又相互影響，這給優(yōu)化分析帶了很大的難題。筆者擬采用熵值法將多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)簡(jiǎn)化為一個(gè)綜合優(yōu)化目標(biāo)。通過(guò)Moldflow CAE分析，借助Minitab軟件求出綜合優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)值及綜合優(yōu)化目標(biāo)取最優(yōu)值時(shí)各個(gè)因子(工藝參數(shù))的合理取值。

3.1 熵值法

熵值法是指根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)觀測(cè)值所提供的信息的大小來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重的一種方法[4]。熵是對(duì)不確定性信息的一種度量。信息量越大，不確定性越小，熵越小[4]。在多響應(yīng)的試驗(yàn)中通常會(huì)選擇熵這個(gè)工具計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重，該方法得出的權(quán)重較為客觀。

熵值法是解決多個(gè)響應(yīng)的有效方法。利用熵值法首先需要根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)矩陣，求出第i個(gè)響應(yīng)在試驗(yàn)運(yùn)行序號(hào)為j時(shí)對(duì)應(yīng)響應(yīng)值的比重[5]，即pij，然后求出各個(gè)響應(yīng)的熵值，通過(guò)熵值計(jì)算各響應(yīng)的權(quán)重wj。有了各響應(yīng)相對(duì)客觀的權(quán)重，就可以計(jì)算所有響應(yīng)的綜合評(píng)分[6]。最終可以通過(guò)所有響應(yīng)綜合評(píng)分的高低來(lái)確定各個(gè)因子的取值[7]，綜合評(píng)分越大越好。綜合評(píng)分常用的公式見(jiàn)式(1)，其中Si為綜合評(píng)分。

3.2 構(gòu)建綜合優(yōu)化目標(biāo)

由于存在多個(gè)需要改善的響應(yīng)，而且每個(gè)因子以及響應(yīng)間有復(fù)雜的交互作用，如果要進(jìn)行全面試驗(yàn)，需要的試驗(yàn)次數(shù)非常多，耗時(shí)太長(zhǎng)[8](有些需要多臺(tái)工作站運(yùn)行幾年甚至更長(zhǎng)時(shí)間)，雖然理論上有可行性，但在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行全面試驗(yàn)的模擬分析費(fèi)時(shí)費(fèi)力。結(jié)合熵值法的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中通過(guò)進(jìn)行部分有代表性的試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)中因子的取值和響應(yīng)的模擬結(jié)果，構(gòu)建一個(gè)綜合的響應(yīng)。然后再借助田口方法在Minitab或其它軟件的幫助下，求出綜合優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)值，以及取得最優(yōu)值時(shí)對(duì)應(yīng)因子的合理取值。最后再將因子的合理取值設(shè)定在軟件中模擬驗(yàn)證，如果驗(yàn)證沒(méi)有問(wèn)題就可以通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行產(chǎn)品試制。

通過(guò)仔細(xì)分析實(shí)際生產(chǎn)中的產(chǎn)品缺陷，結(jié)合CAE分析結(jié)果，確定總的翹曲變形量、第1方向(塑件厚度方向)的殘余應(yīng)力、第2方向(垂直于第1方向的方向)的殘余應(yīng)力、縮痕指數(shù)、頂出時(shí)的體積收縮率這5個(gè)分析結(jié)果作為響應(yīng)。

在不改變模具結(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)以上響應(yīng)影響較大的工藝條件(即變量)有熔體溫度(推薦溫度230～270 ℃，低于230 ℃，流動(dòng)性不好，高于270 ℃材料分解)、充填時(shí)間(根據(jù)之前的分析結(jié)果推薦2.4～6.6 s，少于2.4 s充填不滿)、保壓時(shí)間(18～30秒)、保壓壓力(充填壓力的64%～96%)、冷卻介質(zhì)入口溫度(20～30 ℃)、模具表面溫度(40～70 ℃)。最終建立的因子水平表見(jiàn)表5。

表5 因子水平表

根據(jù)建立的因子水平表，采用6因子3水平創(chuàng)建田口方法，進(jìn)行27組CAE模擬分析試驗(yàn)，得到的分析結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 試驗(yàn)因子取值與評(píng)價(jià)結(jié)果的分析結(jié)果

利用熵值法確定權(quán)重，首先應(yīng)該對(duì)響應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理。響應(yīng)分為效益型和成本型兩種，效益型就是數(shù)據(jù)越大對(duì)結(jié)果越有利，而成本型則相反。規(guī)范化處理數(shù)據(jù)采用極差變換法，效益型采用式(2)，成本型采用式(3)，數(shù)據(jù)規(guī)范化實(shí)際上是將響應(yīng)的絕對(duì)值轉(zhuǎn)化為相對(duì)值[9]，數(shù)據(jù)處理后，每個(gè)響應(yīng)的最優(yōu)值為1，最差值為0。

式(2)和式(3)中，x*是規(guī)范化處理后得到的值，x是當(dāng)前值，xmax是該響應(yīng)所有試驗(yàn)結(jié)果中的最大值，xmin是該響應(yīng)所有試驗(yàn)結(jié)果中的最小值。

表6中的5個(gè)響應(yīng)：翹曲變形量、第1方向的殘余應(yīng)力、第2方向的殘余應(yīng)力、縮痕指數(shù)、頂出時(shí)的體積收縮率都屬于成本型，數(shù)據(jù)越小對(duì)生產(chǎn)越有利。規(guī)范化處理數(shù)據(jù)時(shí)采用式(3)。處理后數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表7 規(guī)范化處理指標(biāo)的分析結(jié)果

將規(guī)范化處理過(guò)的響應(yīng)數(shù)據(jù)按照熵值法的原理代入公式中進(jìn)行必要的計(jì)算可以得到各個(gè)響應(yīng)的權(quán)重[10]。具體的步驟有：①響應(yīng)當(dāng)前值在該指標(biāo)中的比重，用式(4)計(jì)算[式(4)中x*ij為第i個(gè)響應(yīng)在第j個(gè)運(yùn)行序號(hào)的試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的規(guī)范化處理值]；②用式(5)求出各響應(yīng)的熵值ej；③通過(guò)式(6)和式(7)計(jì)算各響應(yīng)的權(quán)重。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出翹曲變形量、第1方向的殘余應(yīng)力、第2方向的殘余應(yīng)力、縮痕指數(shù)、頂出時(shí)的體積收縮率的權(quán)重依次為25.668%，19.268%，20.667%，12.191%，22.206%。計(jì)算過(guò)程相對(duì)繁瑣，可借助Excel進(jìn)行計(jì)算，也可以通過(guò)SPSS軟件進(jìn)行計(jì)算，還可以通過(guò)https：//spssau.com/在線計(jì)算熵值和每個(gè)響應(yīng)的權(quán)重。

根據(jù)各響應(yīng)的權(quán)重，建立綜合優(yōu)化目標(biāo)Y，其計(jì)算公式如式(8)所示。

式(8)中，Y1，Y2，Y3，Y4，Y5分別為翹曲變形量、第1方向的殘余應(yīng)力、第2方向的殘余應(yīng)力、縮痕指數(shù)、頂出時(shí)的體積收縮率。

3.3 求解工藝參數(shù)

將處理前的分析結(jié)果直接代入式(8)，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出綜合優(yōu)化目標(biāo)Y的數(shù)值，結(jié)果見(jiàn)表6中最后一列。

針對(duì)表6的試驗(yàn)結(jié)果利用Minitab2021進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可以采用兩種方法，一種是田口方法，一種是響應(yīng)面法[11]。

采用田口方法可以快速地找到響應(yīng)望小時(shí)這6個(gè)因子該取3水平中的哪個(gè)水平，之所以快速是因?yàn)榭梢圆捎帽?中已經(jīng)做好的27組試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不必重新做試驗(yàn)。但是由于該案例中的因子取值是連續(xù)的，不是僅有的3個(gè)水平，所以采用田口方法，響應(yīng)望小，但不是最小，只是比較接近最小，如果這6個(gè)因子均只能取這3個(gè)水平中的1個(gè)水平，那響應(yīng)的最小值即為最優(yōu)解。

采用響應(yīng)面法，可以解決田口試驗(yàn)在上述問(wèn)題中的不足，在數(shù)據(jù)分析軟件Minitab的幫助下通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以建立綜合優(yōu)化目標(biāo)與各因子之間的回歸方程[12]，通過(guò)回歸方程可以求出綜合響應(yīng)的最優(yōu)值，以及取最優(yōu)值時(shí)各個(gè)因子的取值。但是響應(yīng)面法需要重新安排試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)較多。

響應(yīng)面法又可分為中心復(fù)合法和BOXBehnken等，對(duì)于6因子，如果采用中心復(fù)合法需要重新安排90組試驗(yàn)[13]，采用BOX-Behnken試驗(yàn)法也需要重新做54組試驗(yàn)。本例中為了達(dá)到分析要求，需要的雙層面網(wǎng)格數(shù)據(jù)較多(產(chǎn)品網(wǎng)格約23.36萬(wàn))，每次試驗(yàn)的運(yùn)行時(shí)間都比較長(zhǎng)(每組試驗(yàn)約72 h)。如果采用響應(yīng)面法雖然能夠求出綜合優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)值，但是需要的時(shí)間長(zhǎng)[14](72 h/組試驗(yàn)×54組試驗(yàn)，最短需要連續(xù)工作約162 d)，耗費(fèi)的成本會(huì)比較大。因此先采用田口方法找到綜合響應(yīng)最小時(shí)各因子的取值。然后將各因子(工藝參數(shù))取值在Moldflow 2023中設(shè)定并進(jìn)行模擬分析，以初步確定能否滿足生產(chǎn)要求，如果能滿足要求將分析結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行驗(yàn)證。

在minitab2021中創(chuàng)建田口設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)類(lèi)型選用6因子3水平，響應(yīng)選擇“望小”[15]。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，得到均值主效應(yīng)圖，如圖6所示。從圖6中可以看到當(dāng)熔體溫度選擇250 ℃、充填時(shí)間選擇4.5 s、保壓時(shí)間選擇30 s、保壓壓力選擇為充填壓力的96%、冷卻介質(zhì)入口溫度選擇25 ℃、模具表面溫度選擇40 ℃時(shí)綜合響應(yīng)值最小。

圖6 均值主效應(yīng)圖

實(shí)際生產(chǎn)中各因子對(duì)響應(yīng)的影響是相互交錯(cuò)的，改變因子的水平值，分析結(jié)果又不相同[16]。所以上述的分析結(jié)果可以作為參考。將因子的水平值重新設(shè)定好后，重新分析計(jì)算。圖7和圖8是重新設(shè)置后縮痕指數(shù)、翹曲變形量的計(jì)算結(jié)果。

圖7 重新設(shè)置后縮痕指數(shù)的計(jì)算結(jié)果

圖8 重新設(shè)置后翹曲變形量的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果，無(wú)論是縮痕指數(shù)還是翹曲變形量都達(dá)到了企業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際生產(chǎn)中檢驗(yàn)合格率從65.35%提高到85.87%，明顯提高了產(chǎn)品的合格率。圖9是轎車(chē)前保險(xiǎn)杠模具的三維設(shè)計(jì)結(jié)果。圖10是企業(yè)生產(chǎn)采用的模具。圖11是合格的保險(xiǎn)杠產(chǎn)品。

圖9 保險(xiǎn)杠模具的三維設(shè)計(jì)結(jié)果

圖10 保險(xiǎn)杠模具實(shí)物

圖11 合格的保險(xiǎn)杠產(chǎn)品

4 結(jié)論

(1)優(yōu)化了閥澆口的打開(kāi)時(shí)間，通過(guò)采用更合理、更準(zhǔn)確的閥澆口打開(kāi)時(shí)間有效地解決了產(chǎn)品上熔接線過(guò)多、過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題和應(yīng)力痕問(wèn)題。

(2)基于熵值法建立綜合優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)正交試驗(yàn)分析出綜合優(yōu)化目標(biāo)，以及各因子(工藝參數(shù))的合理取值。本例工藝參數(shù)的最終合理取值為：熔體溫度250 ℃、充填時(shí)間4.5 s、保壓時(shí)間30 s、保壓壓力為充填壓力的96%、冷卻介質(zhì)入口溫度25 ℃、模具表面溫度40 ℃。

(3)經(jīng)過(guò)工藝參數(shù)改進(jìn)，在不變更模具設(shè)計(jì)、不修改模具結(jié)構(gòu)的情況下，產(chǎn)品合格率得到了有效提高，從65.35%提高到85.87%。

(4)利用模流分析軟件Moldflow 2023[16]，在閥澆口功能、DOE功能、田口方法的幫助下結(jié)合數(shù)據(jù)分析軟件Minitab，能夠快速地解決針對(duì)多響應(yīng)、有交互作用多因子的取值問(wèn)題。該方法能有效解決多優(yōu)化目標(biāo)且因子有交互作用的注塑工藝參數(shù)選取問(wèn)題，節(jié)約試模成本。