某SUV保險杠飾條成型缺陷預估及工藝參數優化

翟豪瑞，尹 浩，項偉能，熊 新，朱柯馨

（鹽城工學院 汽車工程學院，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

隨著高分子材料和汽車輕量化的發展，塑件在汽車上的應用越來越廣泛，隨著汽車的普及，消費者對其美觀、耐用性有更高的要求。汽車保險杠的裝配質量是影響整車性能的因素之一，是對美觀性有要求的外飾件，同時須具備良好抗低速碰撞能力。裝配質量欠佳的前后保險杠飾條不僅影響汽車的外形美觀，還會導致對低速物體碰撞抗性較差的問題，影響飾條的耐用性，因此裝配中汽車前后保險杠飾條變形的控制尤為重要[1,2]?，F采用計算機輔助工程（CAE）技術，避免傳統模具設計與制造過程中反復試模、修模的情況，提高了生產效率且降低了制造成本，以Moldex 3D 2020為試驗平臺，對某SUV保險杠飾條進行成型缺陷預估及工藝參數優化，以獲得最優工藝參數組合。

1 塑件基本參數

塑件模型為汽車前后保險杠飾條，外形尺寸分別為1 032 mm×42.5 mm×61.8 mm和1 390 mm×42.5 mm×171.3 mm，成型其型腔體積為501.64 mm3，塑件主體部分壁厚為3 mm，塑件模型和厚度分析如圖1所示。

圖1 塑件模型和厚度分析

2 成型缺陷預估

塑件結構簡單，但內壁有較多卡扣和圓角等特征結構，成型時收縮率較大。塑件狹長，成型時其兩端會產生較大的翹曲變形，且采用多點進澆會在成型塑件外表面產生多條熔接痕，不僅影響塑件裝配質量及外形美觀度，還會導致對低速物體碰撞抗性較差。

3 模流分析

3.1 網格劃分及材料選擇

以Moldex 3D 2020為模流分析平臺，對塑件進行仿真分析，選用的網格類型為BLM邊界層網格，層數為5，如圖2所示，并對孔類、圓角類進行局部加密，網格數量統計為11 485 158個。

圖2 BLM邊界層網格

汽車內外飾件如儀表板、隔柵、照明系統、輪轂罩、車門把手等采用苯乙烯類的ABS作電鍍件，因ABS具有較高的沖擊強度和表面硬度，可以滿足汽車保險杠飾條的外觀和性能要求。ABS的成型溫度為220～240℃，模具溫度為40～80℃，頂出溫度為97℃，固化溫度為117℃，材料特性如圖3所示。

圖3 材料特性

3.2 流道系統建立

采用普通流道與熱流道相結合的方式進澆，以減少塑件翹曲量和消除熔接痕。設計的澆口尺寸為14 mm×20 mm，熱流道中分流道1尺寸為φ14 mm，分流道2尺寸為φ8 mm，如圖4（a）所示。U形普通流道采用7個澆口，搭接進澆，搭接尺寸為9.71 mm×2.11 mm如圖4（b）所示。

圖4 流道系統設計

3.3 冷卻系統建立

塑件成型周期中，冷卻時間占比較多，冷卻所需時間不僅與冷卻液的比熱容、塑件溫度有關，還與冷卻水路設計有關，良好的冷卻水路設計不僅可以縮短冷卻時間及成型周期，提高生產效率，還可以保證成型塑件具有良好的品質。模具采用定模側4條水路，動模側6條水路進行冷卻，在塑件內壁及外壁彎曲幅度較大處對應模具位置采用隔水板式水路提高冷卻效果。普通水路管徑為φ8 mm，隔水板式水路管徑為φ12 mm，如圖5所示。

圖5 冷卻系統

3.4 成型參數設定

塑件的成型質量與諸多因素有關，其中模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時間、冷卻時間對塑件成型質量有較大影響，試驗對上述5個因素進行分析，為方便試驗統計分別以A、B、C、D、E表示，均勻地選取4個水平因子，對5個因素進行試驗，表1所示為試驗因素及水平。

表1 試驗因素及水平

3.5 試驗結果及分析

排除其余4個因素對試驗的干擾，分別對每個因素進行單獨試驗，共進行16組試驗[3,4]。試驗指標為翹曲量和區域收縮率，正交試驗結果如表2所示。

為了直觀地選出對塑件成型質量有較大影響的因素，對表2試驗數據進行極差分析：極差值越大，該因素對塑件成型質量的影響越大，如表3所示，其中Kn/4代表各試驗因素編號n的翹曲量和體積收縮率的均值。

表2 正交試驗結果

表3 翹曲變形均值和極差

由表3可知，對塑件翹曲量的影響程度是：D＞E＞B＞A＞C，得出該項目最優的成型工藝參數為A3B2C4D4E4。

區域收縮率均值和極差如表4所示。由表4可知，對區域收縮率的影響程度為：D＞E＞B＞C＞A，該項目最優的成型工藝參數為A3B2C4D4E4。從表3和表4的分析可以看出，影響翹曲量和體積收縮率的最優參數組合相同。

表4 區域收縮均值和極差

3.6 模流分析驗證

經過上述正交試驗和極差分析，得到了最優參數組合，在Moldex 3D 2020工藝參數設置中錄入最優組合的相關數據，分別為：模具溫度73℃，熔體溫度230℃，保壓壓力85 MPa，保壓時間27 s，冷卻時間24 s。經過分析得到的結果最大翹曲量為6.723 mm，如圖6所示，區域收縮率最大為4.187%，如圖7所示，翹曲量和體積收縮率相對于16組分析結果得到了較大的優化。

圖6 翹曲量

圖7 體積收縮率

4 對試驗結果進一步優化

4.1 改變動模與定模溫度以優化翹曲量

分別對成型塑件做極差分析后得到的最優組合各個方向的翹曲量進行分析，發現Z方向翹曲量較大為5.979 mm，如圖8所示，通過改變動模與定模溫度以減小成型塑件在Z方向的翹曲量，提高塑件成型品質。

圖8 塑件Z方向翹曲量

將初始設定條件中動模與定模冷卻水路溫度均為60℃改為動模冷卻水路溫度為50℃，定模冷卻水路溫度為60℃，保持最優組合中的模具溫度73℃不變，分析結果如圖9所示，成型塑件Z方向翹曲量為4.887 mm，在最優參數組合所得結果上進一步優化了塑件翹曲量。

圖9 改變動模與定模溫度后塑件Z方向翹曲量

4.2 通過灰色關聯度計算優化翹曲量

灰色關聯理論是將評價指標原始數據進行無量綱化處理、計算關聯系數、關聯度以及根據關聯度的大小對待評價指標進行排序。

（1）采用最小值法對數據進行分析及初始基準為[7.485，6.828]。

（2）算出兩級最大差值和最小差值

式中：x0(k)——參考序列；xi(k)——比較序列。

根據以上2個公式可得到兩級最小值均為0，兩級最大值分別為8.037和3.568。

（3）計算關聯系數：

式中：ρ——分辨率，一般取ρ＝0.5。

（4）計算關聯系數的平均值：

關聯度越大表明因素和結果之間的關系越緊密，對結果影響也越大。關聯度越小則表明因素和結果之間的關系越疏遠，對結果影響也越小。

根據參考文獻[5，6]，表5所示為按照以上4個公式計算得到的關聯系數和關聯度，并對表5進行灰色關聯度方差分析，計算各均值和方差R，相關數據如表6所示。

表5 關聯系數和關聯度

表6 目標函數的平均關聯度

經過上述灰色關聯度分析，得出影響關聯度大小的因素排序為：D＞E＞C＞B＞A。根據灰色關聯系統理論得到該項目最優試驗組合是A3B2C4D4E4，即模具溫度73℃ ，熔體溫度230℃ ，保壓壓力85 MPa，保壓時間27 s，冷卻時間24 s。

按灰色關聯度的計算得出最優成型工藝參數組合，保持動、定模冷卻水溫分別為50℃和60℃，進行分析驗證，總翹曲量為5.426 mm，達到試驗所得到的最佳水平，塑件品質得到大幅度改善，如圖10所示。

圖10 最優成型工藝參數所得翹曲量

5 結束語

（1）通過正交試驗和灰色關聯系統理論分析，得到塑件翹曲量和體積收縮率達到最優水平的最佳注射工藝參數組合為模具溫度73℃、熔體溫度230℃、保壓壓力85 MPa、保壓時間27 s、冷卻時間24 s，分析結果顯示翹曲量最大為5.426 mm。

（2）通過類似于Moldex 3D模流分析軟件進行CAE分析，能準確反映在各工藝參數下的塑件成型品質和各方向上的塑件翹曲量，可以有針對性地進行優化，減少分析時間。

（3）根據模流分析結果進行注射模設計，注射模結構如圖11所示[7,8]。

圖11 模具結構