基于Moldflow 技術(shù)的汽車保險(xiǎn)杠格柵外觀縮痕優(yōu)化研究

周健寧，張栩梓

（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院新能源汽車學(xué)院，廣西 南寧 530008）

0 引言

汽車注塑零件縮痕形成原因復(fù)雜，其主要影響因素有材料特性、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、注塑工藝參數(shù)等。縮痕是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中常見(jiàn)缺陷問(wèn)題，它會(huì)降低零件的外觀質(zhì)量和尺寸精度，后期改善難度大、成本高，尤其對(duì)于外觀質(zhì)量要求高的汽車外飾注塑零件而言，應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段采取措施來(lái)減少和優(yōu)化縮痕問(wèn)題，以降低后期模具改模和修模風(fēng)險(xiǎn)[1]。以某企業(yè)生產(chǎn)的汽車保險(xiǎn)杠格柵為例，針對(duì)該保險(xiǎn)杠格柵出現(xiàn)的縮痕問(wèn)題，通過(guò)Moldflow 仿真分析與正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)注塑成型工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，旨在找到一種科學(xué)方法來(lái)改善保險(xiǎn)杠縮痕問(wèn)題，從而提高產(chǎn)品注塑成型質(zhì)量。

1 汽車保險(xiǎn)杠注塑成型的縮痕問(wèn)題

1.1 縮痕的定義和產(chǎn)生原因

縮痕（sink marks）為塑料制品表面產(chǎn)生的一種局部塌陷現(xiàn)象，又稱凹痕，縮坑、沉降斑。縮痕產(chǎn)生的原因有多種。首先，塑料材料在注塑過(guò)程中具有不同的流動(dòng)特性，如果材料流動(dòng)性差或填充速度過(guò)快，就可能導(dǎo)致部分材料無(wú)法均勻填充模具，從而形成縮痕。其次，模具的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)也會(huì)影響縮痕的產(chǎn)生。例如，模具的冷卻系統(tǒng)不合理，導(dǎo)致局部冷卻速度過(guò)快或過(guò)慢，或者模具的澆口設(shè)計(jì)不恰當(dāng)，導(dǎo)致材料流動(dòng)不均勻，都可能引發(fā)縮痕問(wèn)題。此外，成型條件如注射壓力、保壓時(shí)間、注射速度等也會(huì)影響縮痕的形成。如果注射壓力不足或保壓時(shí)間太短，可能會(huì)使塑料無(wú)法充分填充模具，從而在產(chǎn)品表面形成縮痕[1]。

1.2 控制縮痕的方法

為了解決汽車保險(xiǎn)杠注塑成型過(guò)程中的縮痕問(wèn)題，通常可采取以下控制方法。

（1）合理選擇塑料材料。根據(jù)保險(xiǎn)杠的形狀和尺寸選擇流動(dòng)性好、收縮率穩(wěn)定的塑料材料。

（2）優(yōu)化模具設(shè)計(jì)。通過(guò)合理布置冷卻系統(tǒng)，確保各部位冷卻均勻，同時(shí)，調(diào)整澆口位置和大小，使材料能更好地填充模具。

（3）調(diào)整成型條件。根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整成型工藝參數(shù)，合理選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)。

但在注塑生產(chǎn)或試模過(guò)程中，如果出現(xiàn)縮痕問(wèn)題直接采取更換原材料、改進(jìn)模具設(shè)計(jì)或變更產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等方式解決，不僅生產(chǎn)成本較高而且時(shí)間周期也較長(zhǎng)。因此，從生產(chǎn)成本控制、生產(chǎn)過(guò)程和生產(chǎn)效率考慮，我們優(yōu)先選擇通過(guò)優(yōu)化成型工藝參數(shù)進(jìn)行縮痕問(wèn)題改善。

2 注塑成型CAE 模擬分析

2.1 CAE 模型的建立

該保險(xiǎn)杠格柵具有特定的長(zhǎng)寬高尺寸，壁厚范圍在2.0～3.0 mm，并采用左右對(duì)稱設(shè)計(jì)，呈現(xiàn)出大尺寸多孔狀的格柵形狀[2]，如圖1 所示。為了進(jìn)行進(jìn)一步的分析，我們將該部件模型導(dǎo)入Moldflow 軟件中，并進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，得到部件的網(wǎng)格模型，如圖2 所示。該部件模型的三角形單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為261092 和130396，縱橫比為1.89，匹配率達(dá)89.5%。這些網(wǎng)格的質(zhì)量在滿足仿真運(yùn)算時(shí)間和精度的前提下，滿足了分析的要求[2]。

圖1 部件三維圖

圖2 部件網(wǎng)格模型

考慮到商用車保險(xiǎn)杠格柵屬于大尺寸部件，需要綜合考慮產(chǎn)品性能、質(zhì)量和生產(chǎn)成本。因此，選用某公司生產(chǎn)的LQ-PP/T20-B1 塑料作為材料，其主要成分為20%的滑石粉加聚丙烯材料。這種材料的主要性能參數(shù)見(jiàn)表1，CAE 分析模型設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 T042 材料主要性能參數(shù)

表2 CAE 分析模型參數(shù)

2.2 縮痕問(wèn)題模擬再現(xiàn)

在Moldflow 模擬分析中，縮痕指數(shù)給出了產(chǎn)品上產(chǎn)生縮痕的相對(duì)可能性，其數(shù)值越大則對(duì)應(yīng)塑件制品的位置也越容易產(chǎn)生縮痕[3]。該保險(xiǎn)杠格柵縮痕最嚴(yán)重的位置位于離澆口位置較遠(yuǎn)且厚度較大的塑件兩側(cè)尖角區(qū)域表面。將成型工藝參數(shù)設(shè)置與實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)一樣并進(jìn)行模擬分析，得到最大縮痕指數(shù)為2.5%，且最大數(shù)值位置與實(shí)際產(chǎn)品出現(xiàn)縮痕位置一致。以上結(jié)果說(shuō)明以最大縮痕指數(shù)作為優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行分析較為可靠。

3 制定正交試驗(yàn)計(jì)劃

3.1 確認(rèn)試驗(yàn)因素及其水平

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種科學(xué)、有效的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，具有高效率、快速、經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)[4]。通過(guò)精心設(shè)計(jì)的正交表，以較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)來(lái)獲得最優(yōu)的組合參數(shù)。它能夠系統(tǒng)地考慮所有可能的組合條件，從而大大減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提高效率。為全面考慮各工藝參數(shù)的影響，將三大成型條件，即溫度、壓力和時(shí)間，共七個(gè)成型工藝參數(shù)構(gòu)建試驗(yàn)因素水平表，見(jiàn)表3，用AG 字母段代表對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)因素。

表3 試驗(yàn)因素水平

3.2 構(gòu)建正交表格進(jìn)行分析

在取值范圍內(nèi)對(duì)7 個(gè)成型工藝參數(shù)進(jìn)行三水平取值，選擇L18（37）正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并用Moldflow軟件進(jìn)行數(shù)值模擬[5]。運(yùn)用正交試驗(yàn)法和極差分析理論[6]探究各工藝參數(shù)對(duì)保險(xiǎn)杠縮痕指數(shù)的影響，最終得出試驗(yàn)結(jié)果及極差分析表（表4）。

表4 試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，極差R 值越大，表明該參數(shù)對(duì)優(yōu)化指標(biāo)影響越大[6]。因此，根據(jù)表4 試驗(yàn)結(jié)果和極差分析表得出極差R 值可知，各試驗(yàn)因素對(duì)保險(xiǎn)杠格柵縮痕的影響程度從大到小依次排列為：F > E >D > A> B > G > C。得出最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：A1B3C2D3E3F3G3，即熔體溫度為230 ℃、模具溫度為60 ℃、注塑壓力為80 MPa、注塑時(shí)間為6 s、保壓壓力為40 MPa、保壓時(shí)間為80 s 和冷卻時(shí)間為28 s。其中最大影響因素是保壓時(shí)間F，最小影響因素為注塑壓力C。

從圖3 因素效應(yīng)曲線圖可以看出各試驗(yàn)因素對(duì)縮痕指數(shù)的影響趨勢(shì)，其中熔體溫度A 對(duì)制品縮痕指數(shù)影響呈遞增趨勢(shì)，當(dāng)熔體溫度過(guò)高時(shí)，熔體的熱脹冷縮特性使得進(jìn)入模具型腔內(nèi)的物料量相對(duì)減少，冷卻時(shí)塑料制品的體積收縮增大，從而造成縮痕指數(shù)增大[7]。而注塑時(shí)間D、保壓壓力E 和保壓時(shí)間F 對(duì)制品最大縮痕指數(shù)影響呈遞減趨勢(shì)，較長(zhǎng)的注塑時(shí)間和保壓時(shí)間以及較大的保壓壓力有助于補(bǔ)償塑件因冷卻導(dǎo)致的體積收縮，使模腔填充完整以達(dá)到較高的飽和度，有利于減少或消除縮痕。而模具溫度B、注塑壓力C 和冷卻時(shí)間G 為非主要影響因素，對(duì)于縮痕指數(shù)的影響不大，在保證塑件制品品質(zhì)的前提下，模具溫度設(shè)置高些有利于塑料熔體的流動(dòng)，而注塑壓力可結(jié)合其他生產(chǎn)條件選適中的數(shù)值，同時(shí)可考慮縮短冷卻時(shí)間，這樣有助于縮短注塑成型周期，提高生產(chǎn)效率。

圖3 因素效應(yīng)曲線

4 分析結(jié)論和改善效果

通過(guò)以上Moldflow 模擬及正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析結(jié)果，對(duì)7 個(gè)成型工藝參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)組合，成型工藝參數(shù)優(yōu)化數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，并對(duì)優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行模擬分析，得出保險(xiǎn)杠格柵的最大縮痕指數(shù)為0.483%，如圖4 所示。而優(yōu)化前最大縮痕指數(shù)為2.5%，可見(jiàn)，優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合較優(yōu)化前的工藝參數(shù)組合下降了80.7%，以最優(yōu)工藝參數(shù)組合進(jìn)行成型生產(chǎn)，縮痕改善明顯，滿足模具蝕紋要求，問(wèn)題得以解決。

表5 成型工藝參數(shù)優(yōu)化數(shù)據(jù)

圖4 優(yōu)化工藝參數(shù)后模擬結(jié)果

優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合可較大程度的改善縮痕問(wèn)題，所采用的分析方法為后續(xù)其他塑件生產(chǎn)中類似縮痕問(wèn)題的解決提供了思路和指導(dǎo)。