基于CAE汽車B柱飾板變形分析及工藝優化研究

任東雪，徐少華，陳土輝，王 月，林 強，王 浩，袁國強

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

1 引言

本文以汽車B柱飾板為研究對象，以ASA為注射材料，運用MoldFlow模流分析軟件對汽車B柱飾板在注射成型時的翹曲變形進行模擬分析，并通過正交試驗法重點研究各因素對其變形的影響，獲得較優的工藝方案，用以指導后續塑件設計和模具開發。

2 實驗部分

2.1 材料選擇

汽車B 柱飾板材料多為聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、ABS或ASA，本文中汽車B柱飾板選用ASA作為注射材料。ASA 是由丙烯酸丁酯—苯乙烯—丙烯腈三元共聚形成的一種非結晶性熱塑性塑料[4~6]，相對于結晶性塑料，其分子鏈排列處于雜亂無章的狀態，各向異性較小，因各向異性導致的收縮引起的變形較小[7]。ASA材料分子鏈中全部為飽和的C-C鍵構成，不存在不夠穩定的C=C 鍵，因此其相對于具有殘留不飽和C=C鍵的ABS材料，ASA具有更優越的耐候性[8]，此外，ASA 材料還具有良好的抗沖擊性能、易著色和耐化學腐蝕性。因此該材料比較適合用于汽車立柱裝飾板的注射材料。

本次試驗中選用注射的ASA 材料牌號為ASA XC230，制造商：KUMHOSUNNY。該材料的推薦注射工藝參數如表1所示。

表1 ASA材料推薦注射工藝參數

ASA 材料的PVT 曲線（P：壓力、V：體積、T：溫度）與黏度曲線分別如圖1、圖2所示。

圖1 ASA材料PVT曲線

圖2 ASA材料粘度曲線

由粘度曲線可知：在溫度一定時，該材料的粘度隨剪切速率的增大而降低，在剪切速率一定時，溫度越高，粘度越小。由PVT曲線可知：在壓力一定時，體積比容隨溫度的升高而增大；在溫度一定時，壓力越小，體積比容越大。在進膠位置及澆口數量一定時，熔體溫度越高，注射壓力相對越小，可以通過適當升高材料熔體溫度來降低材料的粘度，達到降低注射壓力的目的。

2.2 基于MoldFlow分析的模型處理

本次分析所選用的汽車B 柱飾板模型尺寸為448×90×28mm，除邊緣局部漸變減薄外，其主壁厚均為3mm，將其塑件_xt 文件導入MoldFlow Insight 軟件中，網格類型選擇雙層面網格，網格密度采用系統推薦的1.93mm，自動劃分網格后得到汽車B柱飾板網格模型，如圖3所示。對網格質量進行統計檢查，統計結果如表2所示。

表2 網格質量統計表

從網格統計結果可以看出：汽車B柱飾板模型劃分的網格中不存在相交單元、重疊單元、自由邊等，縱橫比最大13.52，平均縱橫比為1.65，網格匹配百分比為96.4%，說明網格匹配度良好，不需要對網格進行修補。汽車B柱飾板網格模型如圖3所示。

編碼驅動的英漢學習型詞典名詞條目深度描寫研究 ……………………………………………… 喬麗婷（5.28）

圖3 汽車B柱飾板網格模型

2.3 澆注系統建立

根據該汽車B 柱飾板的尺寸，澆注系統采用2 點針閥式熱流道轉冷流道組成，通過一端的側澆口作為主澆口進膠，在另一端側邊通過滑塊結構設置保壓澆口，既可以保證充填末端保壓良好，也可以避免因時序充填導致的塑件表面出現缺陷[9]，兩個澆口位置裝配后均不可見，不影響外觀。該B柱飾板為左右對稱件，因此設計為1模2腔的澆注系統，為減輕計算機的計算量，本次實驗將塑件及相關澆口流道的分析出現次數設置為2，與實際1模2腔的排位及分析一致。塑件及澆注系統如圖4所示。

圖4 汽車B柱飾板澆注系統

2.4 MoldFlow分析結果

使用MoldFlow軟件推薦的默認分析參數，即模具溫度60℃、熔體溫度250℃，保壓時間10s，保壓壓力為填充壓力的80%進行填充-保壓-翹曲分析，得到注射壓力及變形結果如圖5和圖6所示。

圖5 注射位置處壓力

圖6 默認參數下變形結果

通過圖5 可以看出：默認方案的注射最大壓力為88.4MPa，其中保壓壓力為70.72MPa，最大注射壓力小于100MPa，在可接受范圍內。通過圖6可以看出分析結果中X方向和Y方向變形較小，均在可接受范圍內；Z方向分析翹曲變形為5.052mm，分析該翹曲變形的原因是由于塑件料厚及各部分溫度不均使熔體凍結過程中收縮不均導致的，而填充過程中分子取向不均也會導致翹曲變形，但該因素相對于收縮不均影響較小。接下來將通過CAE技術，采用正交試驗法優化工藝參數，實現減小B柱飾板Z方向變形量的目的。

2.5 正交試驗設計與仿真分析

（1）正交試驗因素確定。

在注射過程中，影響塑件翹曲變形的因素較多，其中模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時間、冷卻時間這5種因素對變形結果影響較大。

其中模具溫度主要影響塑件的冷卻速率。通過控制模具溫度可使型腔內塑件各區域溫度均勻分布，冷卻一致，從而減小塑件因內應力引起的翹曲變形來達到改善塑件質量的目的。

熔體溫度即注射溫度，合理的設置注射溫度有利于高分子熔體的流動填充，以獲得高質量的塑件，相反則影響塑件的品質。如注射溫度設置較高，高分子熔體流動性提升，但可能會導致高分子材料過熱分解，影響塑件的性能，且熔體溫度較高需要更長的冷卻時間，將會延長塑件的生產周期；注射溫度設置較低，會使熔體冷料堵塞流道、澆口等，造成充填困難。

保壓壓力是在注射完成后，對型腔內塑件因冷卻凍結收縮形成的空隙進行補縮，通過保壓壓力來調節塑件的收縮率，保證塑件各區域質量的一致性、均勻性和致密性等。

保壓時間合理設置可以有效改善塑件因收縮差異導致的缺陷，壁厚越厚的塑件冷卻時間越長，因此應設置相對較長的保壓時間，當保壓至一定時間后，型腔內的塑件完全凍結，繼續保壓將不能繼續減小收縮、反而徒增生產周期，結合實際，本塑件的保壓時間設置為8～16s[10~11]。

冷卻時間是熔體注射入型腔至開模動作開始時的時間差，在這段時間中，隨著冷卻時間的延長，高分子熔體逐步從熔融狀態凍結為固態的塑件，合理的設置冷卻時間既能保證塑件質量又能有效縮短塑件生產周期。

本文以模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時間、冷卻時間5 個影響因素為主要工藝參數，分別用A、B、C、D 和E 表示，每個工藝參數取5 個水平，分別為水平1、水平2、水平3、水平4 和水平5，根據上述5個工藝參數5 個水平結合材料推薦工藝表1 中數據，建立5因素5水平的正交試驗，如表3所示。

表3 正交試驗因素水平表

（2）正交試驗方案與仿真分析。

根據正交試驗因素水平表進行正交試驗，實驗序號為1~25，并以MoldFlow模擬分析結果中的Z方向變形結果為實驗的評定依據，用Z方向變形/mm 表示。建立正交試驗方案如表4所示。

表4 正交試驗方案及結果

根據正交試驗方案表中的相關參數，運用MoldFlow模流分析軟件對塑件進行翹曲變形分析，得到不同參數下的分析結果，并變將Z方向形結果作為正交試驗的評定依據填入表4所示。

3 結果與討論

3.1 均值與極差分析

通過對表1 中正交實驗結果進行分析處理，得到不同影響因素（A、B、C、D、E）、不同水平（1、2、3、4、5）試驗下的均值，取各因素下不同水平實驗結果的最大均值與最小均值求差，即得到該影響因素的極差R，如表5所示。極差值的大小反映該影響因素對評定依據的影響能力，極差值越大，表明該影響因素對評定依據的影響能力越強；極差值越小，表明該影響因素對評定依據的影響能力越弱[12~13]。

表5 均值與極差分析結果

根據表中數據可以得出，RD＞RA＞RC＞RE＞RB，因此對該B 柱飾板Z方向變形影響最大的因素是保壓時間，其它因素依次是模具溫度、保壓壓力、冷卻時間和熔體溫度。根據塑件成型要求，Z方向的變形越小越好，因此根據實驗數據選定的最佳方案參數為A5B5C1D5E1，即模具溫度80℃、熔體溫度260℃、保壓壓力60MPa、保壓時間16s、冷卻時間16s。

2.2 最佳方案參數驗證

根據得到的最佳方案參數，模具溫度80℃、熔體溫度260℃、保壓壓力60MPa、保壓時間16s、冷卻時間16s，輸入到MoldFlow軟件中再次進行仿真分析，得到Z方向變形結果如圖7所示。

從圖7 中可以看出，選擇該最佳的工藝參數進行仿真分析，得到Z方向變形為3.546mm，比原有默認方案分析結果Z方向變形減小了1.506mm，即Z方向變形量降低了29.8%。通過比較試驗1~25 的分析結果可以發現，通過正交試驗得到的最佳工藝參數確實得到了更為理想的變形量，因此可以確定，該方法得到的優化方案有效可靠。

圖7 優化后的Z方向變形結果

4 結論

（1）通過CAE技術對ASA汽車B柱飾板的變形進行分析，得到默認參數下B 柱飾板的變形結果，并根據所選擇ASA材料的屬性，運用正交試驗法對該塑件注射成型的主要影響因素進行優化分析研究，確認各因素對B柱飾板變形的影響能力為保壓時間＞模具溫度＞保壓壓力＞冷卻時間＞熔體溫度，并根據正交實驗結果得到最佳的工藝參數為模具溫度80℃、熔體溫度260℃、保壓壓力60MPa、保壓時間16s、冷卻時間16s。

（2）將正交實驗得出的最佳工藝參數輸入MoldFlow軟件進行仿真分析，結果表明該工藝參數較默認參數使B 柱飾板Z方向變形量降低了29.8%，且低于其它參數下的實驗結果值。通過該實驗得出的最佳注射工藝參數及變形結果對后續塑件預變形設計、模具設計和試模參數的設定都具有較大的參考意義，可以有效的減少改模和試模次數，縮短模具制造周期，降低模具的生產成本。