基于正交試驗的車燈后蓋殼體注塑成型工藝優化

丁華鋒，金先志，谷雨原，宛加雄，潘俊杰

（純電動汽車電力系統設計與測試湖北省重點實驗室，湖北 襄陽 441053）

塑料燈殼由于具有質量輕、耐化學藥品腐蝕性強、耐熱性好等優點被廣泛應用于汽車工業中。隨著國內外汽車行業的飛速發展，對汽車的外觀和質量要求也越來越高，車燈作為汽車照明系統的重要組成部分，其結構和質量的改變都會影響汽車的外觀和整車的輕量化［1］。為提高車燈殼體的成型精度，降低成型產品的翹曲變形量，提高產品的成型質量，找出合理的工藝參數就顯得尤為重要。目前，國內外對于注塑成型工藝的研究比較多。朱宏峰等［2］采用注塑成型的方法設計了隨行結構的冷卻系統，通過激光3D打印技術制造出隨行冷卻模具，運用Moldflow軟件對比分析了傳統冷卻與隨行冷卻系統的冷卻效果，結果表明，隨行冷卻系統燈殼的翹曲變形量降低了74%。Lee等［3］對超薄壁電氣元件殼的注塑成型過程進行了研究，并通過Moldflow軟件對柔性印刷電路板連接器外殼的翹曲變形進行預測，基于仿真模擬結果設計了符合工程實際的模具并進行了可靠性驗證。Chen等［4］采用田口法和響應面法對聚甲醛材質的直齒圓柱齒輪進行了注塑模擬，最終確定了最優參數組合，仿真結果顯示，翹曲變形量為0.188 6 mm，與實際翹曲變形量相比誤差僅為2.7%。Shin等［5］通過分析聚碳酸酯（PC）/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）螺桿在受機械應力后的斷裂現象，利用Moldflow軟件將螺桿成型過程中注射壓力和殘余應力進行比較，發現注射速率對螺桿斷裂有較大影響，最終通過降低注射速率，提高了螺桿的成型質量。Wang Youmin等［6］通過正交試驗對聚丙烯輸液瓶進行仿真模擬，得到了各工藝參數對體積收縮率的影響梯度，采用綜合加權法確定了最佳工藝參數。張田榮等［7］對電氣分線盒的成型過程進行了研究，利用Moldflow軟件結合塑件結構和材料特性進行分析，得出塑件壁厚差大是造成成型困難的原因，通過優化分線盒結構并在最大壁厚處進行減膠處理，成功提高了分線盒開模成功率。塑件在汽車上的應用也較為廣泛。Sun Baofu等［8］設計了適合汽車天窗框架的澆注系統和冷卻系統，并對其填充過程進行仿真分析，優化了熱流道和模具，提高了產品試模成功率。陳杰等［9］對某車載GPS定位器外殼進行了優化設計，從澆注系統和冷卻系統的設計著手，在保證基本達到流道平衡的條件下設計正交試驗，模擬結果顯示，在最佳參數條件下的總翹曲變形量有所下降。Cedric等［10］基于Moldflow2012軟件分析了4種冷卻水道對汽車前照燈殼體的冷卻效果，得出采用螺旋曲折拱形冷卻通道進行冷卻的燈殼生產速率提高了18.12%，但未給出各工藝參數對燈殼翹曲變形量影響的大小以及最佳工藝參數組合。原政軍等［11］采用板料沖壓的方法對車燈殼體進行了成型仿真，并確定了合理的拉深工藝和拉深參數，最終找到了最優的工藝方案，設計出了模具，但是沖壓工藝不僅工序多、成型周期長，而且板材利用率也相對較低。目前，對于車燈后蓋殼體的注塑成型研究還比較少，工程上對車燈后蓋殼體的注塑成型工藝參數的設定大多憑借經驗，經驗法成型的產品不僅浪費原料，而且成型質量難以保證。本工作主要針對汽車前照燈后蓋殼體的注塑仿真過程，采用正交試驗法確定最優工藝參數，對冷卻系統進行優化設計，并采用極差分析法進行驗證。

1 車燈后蓋殼體的結構及成型

1.1 殼體建模與材料分析

利用CATIA軟件建立車燈后蓋殼體的3D模型（見圖1）。其包容尺寸為120 mm×120 mm×80 mm，殼體壁厚為3 mm，殼體壁上開出3個直徑為3 mm的螺紋孔用以固定車燈燈罩。

圖1 車燈后蓋殼體的3D模型Fig.1 3D model of lamp rear cover shell

整個殼體采用的注塑材料為PC/ABS共混物，具有PC的抗沖擊性、耐熱性及ABS優異的尺寸穩定性［12］。在Moldflow軟件熱塑性成型材料庫中選擇日本帝人株式會社牌號為Multilon T-3011 TG5667的PC/ABS。材料的體積比容受溫度的影響而不同，在不同壓力條件下材料的致密度會影響塑件的成型質量［13］，結合材料自身的體積比容隨壓力、溫度變化的曲線（PVT）屬性見圖2。

圖2 PC/ABS的PVT曲線Fig.2 PVT curves of PC/ABS

1.2 傳統成型過程

將模型導入Moldflow軟件中，結合殼體的結構特點，采用雙層面網格進行網格劃分，生成51 562個三角形網格單元，進行網格統計，修復不合理的網格和調整縱橫比過大的網格。網格統計結構顯示，聯通區域為1，自由邊為0，多重邊為0，取向不正確單元為0，網格匹配性達94.9%，適合雙層面網格分析。在質量合格的條件下進行澆口位置分析以及成型窗口分析，找到最佳澆口位置和推薦成型參數。分析完成后，最佳澆口位置和流動阻力見圖3。

圖3 澆口匹配性與流動阻力指示Fig.3 Gate matching and flow resistance indicator

推薦模具溫度為88.89 ℃，熔體溫度為287.65℃，注射時間為0.546 5 s，選擇分析序列為“冷卻+填充+保壓+翹曲”，因塑件采用單澆口的注射形式，故不需要考慮流道平衡的設計，具體工藝過程可分為：（1）澆注系統的設計。根據殼體的結構特點采用單一直接澆口的形式射料，澆口為直徑5 mm的圓形截面非錐體，冷主流道為始端5 mm、末端8 mm的圓錐體。（2）冷卻系統的設計。根據系統默認生成冷卻系統，冷卻介質為純水，溫度為25℃，采用圓形冷卻水管，管道直徑為8 mm，冷卻時間為24 s。（3）工藝參數設置。根據成型分析結果設置熔體溫度為287.65 ℃，開模時間默認為5 s，注射+保壓+冷卻時間為自動，查詢Moldflow材料庫中該材料的頂出溫度為117 ℃，保壓壓力為注射壓力的80%，持續時間為10 s。（4）分析結果。塑件的翹曲變形主要由三個原因造成。從圖4可以看出：總翹曲變形量最大為0.538 9 mm，由收縮不均所引起的最大翹曲變形量為0.526 5 mm，由冷卻不均引起的最大翹曲變形量為0.031 7 mm，取向效應所引起的翹曲變形量為0 mm。

圖4 翹曲變形量Fig.4 Warping deformation

2 冷卻不均優化

2.1 設計冷卻回路

傳統方案所制塑件，在冷卻和收縮不均方面都存在缺陷。塑件冷卻不均就會導致塑件表面產生內應力，塑件各部位的應力不同造成塑件翹曲變形［14］。根據冷卻分析結果可知，回路冷卻液溫度為27.67 ℃，冷卻液溫度相差2.67 ℃，整體上來說冷卻不均勻。后蓋殼體屬于深腔結構件，采用上下兩排水平布置的冷卻管道來冷卻塑件，達不到均勻冷卻的效果，因此需要對冷卻系統進行重新設計。結合殼體深腔特點，在原有水平布置的冷卻水管的基礎上增添四條凹模冷卻回路和六條外圍冷卻回路，采用圓形冷卻水管，根據冷卻系統設計原理，如果所設計的冷卻回路在模具尺寸結構允許并滿足吸收塑件放熱的前提下，冷卻水管應盡量多，管道直徑盡量大，所以為均勻冷卻，水管直徑改為10 mm，管道粗糙度為0.05 μm，冷卻介質為純水，冷卻水管入口溫度為25 ℃，回路雷諾數為10 000。優化冷卻回路后重新選擇材料為PC/ABS，分析序列為“冷卻+填充+保壓+翹曲”，其他工藝參數的設置均與系統默認的參數相同。

2.2 冷卻不均優化結果

優化后的冷卻回路布置見圖5a。優化后的回路冷卻液溫度為25.68 ℃，與傳統方案的回路冷卻液溫度相比下降了1.99 ℃，冷卻更加均勻。從圖5b可以看出：優化后的由冷卻不均造成的最大翹曲變形量為0.015 0 mm，較傳統冷卻方案下的最大翹曲變形量減小0.016 7 mm，由冷卻不均所引起的翹曲變形量降低了52.68%，說明優化后的 冷卻回路達到了很好的冷卻效果。

圖5 優化后冷卻回路和翹曲變形量Fig.5 Warpage and cooling circuit after optimization

3 收縮不均優化

3.1 產生收縮不均的原因和優化目的

注塑成型產品的好壞絕大部分取決于在完成射料到保壓和冷卻階段后，塑件能否均勻收縮且收縮量較小。塑件從射料到頂出階段變形是必然發生的，隨著塑件溫度的降低，由于厚度的影響，塑件上下表面的溫差會引起熱變形，遠離澆口的地方與澆口附近的地方也會由于溫差使材料在模腔內的結晶速率不一樣。由于遠離澆口的部位冷卻速率低于澆口附近的冷卻速率，澆口附近的晶體成分也會較遠離澆口部位的多，因此會造成收縮不均［15］。如果塑件翹曲變形量大，就會造成產品成型質量不高、塑件精度不夠、塑件尺寸不符合要求等嚴重后果。通過優化工藝參數來降低翹曲變形量，既可以提高產品質量，縮短成型周期，提高生產效率，又可以提高產品精度，減少對注塑機的磨損。根據分析結果可知，塑件產生翹曲變形的主要原因是收縮不均，因此需要優化。

3.2 正交試驗

在塑件成型過程中，影響塑件成型質量的主要因素是模具溫度、熔體溫度、注射時間、保壓壓力、保壓時間等，對于工藝優化來說主要是對工藝參數的優化，選擇合理的參數范圍來進行正交試驗，不僅關系到能否取到最優方案，而且還關系到找到最優方案的效率［16］。

設計了L25（55）的正交試驗，正交試驗的因素與水平見表1。各因素之間無交互作用［17］，考核指標為總翹曲變形量。通過實驗得到的總翹曲變形量分別為0.595 2，0.529 3，0.480 5，0.444 1，0.409 0，0.518 9，0.505 5，0.357 2，0.523 8，0.441 4，0.559 4，0.485 4，0.439 5，0.382 4，0.493 9，0.485 6，0.567 4，0.506 5，0.467 1，0.332 8，0.547 1，0.497 5，0.349 0，0.516 4，0.455 0。

表1 正交試驗的因素與水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

3.3 極差分析

各因素對翹曲變形量影響的效應曲線見圖6。極差按式（1）計算，得出RA=0.022 24（RA為A因素的極差，其他類推），RB=0.090 60，RC=0.051 90，RD=0.042 18，RE=0.088 50，從各因素的極差可以得出，各因素對總翹曲變形量的影響由大到小依次為RB，RE，RC，RD，RA，由此可知，熔體溫度對總翹曲變形量影響最大，其次是保壓壓力、注射時間、保壓時間，模具溫度對總翹曲變形量的影響最小。

圖6 效應曲線Fig.6 Effect curves

式中：Rj為j因素的極差；Max（xij）為j因素i水平下總翹曲變形量最大值；Mix（xij）為j因素i水平下總翹曲變形量最小值。

3.4 方差分析

從表2可以看出：對總翹曲變形量影響比較大的是熔體溫度和保壓壓力，模具溫度影響適中，注射時間和保壓時間影響較小。由此得出最佳方案組合為A4B5C3D1E4，即選用模具溫度85 ℃，熔體溫度295 ℃，注射時間0.6 s，保壓時間7 s，保壓壓力45 MPa的工藝組合。在最佳方案組合下的最大總翹曲變形量為0.332 8 mm，較傳統方案降低38.24%。

表2 總翹曲變形量方差分析Tab.2 Analysis of variance for total warping deformation

4 結論

a）車燈后蓋殼體傳統成型工藝存在缺陷，總翹曲變形量大，為0.538 9 mm。重新設計冷卻回路能夠降低由冷卻不均引起的翹曲變形量，調整工藝參數可以降低收縮不均引起的翹曲變形量。

b）基于Moldflow軟件，對某汽車車燈后蓋殼體的注塑過程進行模擬分析，結果發現重新設計的冷卻系統能夠有效改善冷卻不均的問題，與傳統方案相比由冷卻不均引起的翹曲變形量降低了30.28%。

c）殼體在成型過程中，對翹曲變形量影響最大的是收縮不均，通過設計L25（55）正交試驗，并進行了極差分析和方差分析，最終確定最佳方案組合為模具溫度85 ℃，熔體溫度295 ℃，注射時間0.6 s，保壓時間7 s，保壓壓力45 MPa，對比傳統方案，總翹曲變形量降低了38.24%。