張文超1，吳迪1，王明偉1，李小虎1，崔恩銘1，周紀委1，葉星輝2
(1.大連工業(yè)大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，遼寧大連116034；2.浙江凱華模具有限公司，浙江臺州318020)
摘要：為解決汽車B柱上飾板注塑成型過程中出現(xiàn)的體積收縮和翹曲變形等缺陷問題，利用Moldex3D軟件，采用滑石粉改性聚丙烯材料對其注塑成型過程進行模擬。以注射時間、熔體溫度、模具溫度、保壓壓力、保壓時間為變量，體積收縮率和Z方向(產(chǎn)品脫模方向)的翹曲變形為目標，設(shè)計16組正交實驗。利用Critic權(quán)重法對二者進行權(quán)重計算，并通過計算綜合評分將多目標優(yōu)化轉(zhuǎn)化為單目標優(yōu)化；最終通過計算綜合評分的極差分析得到五個工藝參數(shù)的影響大小排序為：保壓壓力>模具溫度>充填時間>熔體溫度>保壓時間，最優(yōu)成型工藝參數(shù)組合為充填時間為2s、熔體溫度為240℃、模具溫度為30℃、保壓壓力為70MPa、保壓時間為8s。將最優(yōu)成型工藝參數(shù)組合進行模擬，得到該產(chǎn)品的體積收縮率為5.901%，Z方向翹曲變形量為1.75mm。與初始分析結(jié)果相比，體積收縮率降低了12.2%，Z方向翹曲變形量減小了9.04%。通過實際試模驗證，產(chǎn)品充填完全，質(zhì)量良好，符合生產(chǎn)要求
關(guān)鍵詞：汽車B柱上飾板；Moldex3D；正交試驗；Critic權(quán)重法；工藝參數(shù)優(yōu)化。
隨著近年來汽車輕量化進程的穩(wěn)步推進以及我國塑料工業(yè)的不斷發(fā)展，塑料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用品類和范圍也在逐步擴大，汽車的內(nèi)外飾件已基本實現(xiàn)塑料化[1]。汽車立柱飾板是汽車內(nèi)飾件中必不可少的一部分。表面上，其不僅可以提升汽車內(nèi)部的觀感，還可以保護立柱表面，避免日常使用中的磨損和劃傷，并對立柱內(nèi)部的連接件和線束進行隱藏，提高汽車內(nèi)部的舒適感；結(jié)構(gòu)上，其可以增強立柱的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對連接汽車的頂部和底部車身起著重要作用，使車身更加穩(wěn)定和堅固，還可以起到部分緩沖和吸能的作用，以減輕碰撞時對乘員產(chǎn)生的沖擊力[2-4]。
在實際注塑生產(chǎn)過程中，有諸多因素影響此類塑件的成型質(zhì)量，尤其體現(xiàn)在工藝參數(shù)的選擇上。選擇不當?shù)某尚凸に噮?shù)，會引起翹曲、飛邊、熔接線等成型缺陷。針對注塑工藝參數(shù)尋優(yōu)已有較多的研究提供參考。孫肖霞等[5]以冰箱抽屜為研究對象，采用漸進式正交試驗并結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)法進行極差分析快速找到最佳工藝成型參數(shù)，提高了制品質(zhì)量。李姝等[6]采用熵權(quán)法對汽車左側(cè)前保險杠成型時的翹曲變形和體積收縮缺陷進行優(yōu)化，通過對綜合評分的極差分析得出最優(yōu)工藝參數(shù)。Lo[7]利用Moldflow對電腦散熱風扇的葉輪進行注塑過程模擬，為解決翹曲問題采用田口法與灰色關(guān)聯(lián)度相結(jié)合的方法確定最佳工藝參數(shù)，以減少試模成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。朱紅萍等[8]通過理論分析、有限元仿真以及實驗驗證的方法對洗衣機水盒蓋進行成型質(zhì)量分析，以熔接線為優(yōu)化目標進行田口實驗，從而得到最優(yōu)工藝組合，并通過模具設(shè)計以及試模驗證其成型質(zhì)量。Hiyane-Nashiro等[9]提出了EAAWSM加權(quán)求合法，通過與Taguchi-Gray，TOPSIS，MOGA三種優(yōu)化方法對比，有效降低了塑件的收縮率和翹曲，表明這種方法對優(yōu)化兩個或者多個變量的優(yōu)勢與結(jié)果具有可靠性。任立輝等[10]為提高坐廁椅面板注射成型質(zhì)量，以翹曲變形量、縮痕指數(shù)、體積收縮率為評價指標，利用Critic法確定了各評價指標權(quán)重系數(shù)，采用基于TOPSIS的灰色關(guān)聯(lián)綜合評價方法，獲得了塑件的最佳注塑工藝參數(shù)組合。上述研究大多通過復(fù)雜的計算或者程序進行工藝優(yōu)化，在生產(chǎn)時比較費時費力，且無法保證提高生產(chǎn)效率和節(jié)省生產(chǎn)成本。而利用Critic權(quán)重法進行工藝參數(shù)尋優(yōu)其優(yōu)勢在于能夠有效處理多目標問題，找出相對平衡的解決方案，可以根據(jù)實際需求調(diào)整權(quán)重，以精確反應(yīng)目標的重要性從而得到更合理的工藝參數(shù)；計算速度相對較快，以提高生產(chǎn)效率、降低能耗、減少生產(chǎn)成本。
基于上述分析，筆者以汽車B柱上飾板為研究對象，利用Moldex3D軟件對其注塑成型過程模擬。在初始工藝分析的基礎(chǔ)上通過設(shè)計正交試驗，運用Critic權(quán)重法計算體積收縮率和Z方向(產(chǎn)品脫模方向)翹曲變形量的權(quán)重，再通過對綜合評分的極差分析，將多目標優(yōu)化轉(zhuǎn)化為單目標優(yōu)化，以得出最優(yōu)成型工藝參數(shù)。最終結(jié)合仿真模擬和實際試模驗證，來提高產(chǎn)品的品質(zhì)和合格率。
1汽車B柱上飾板工藝性分析
1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
利用UG10.0對某型號汽車B柱上飾板進行三維模型建立，單個塑件長度為445mm，寬度為252mm，高度為60mm，體積為323049.73mm3，平均壁厚約為2.5mm。圖1為汽車B柱上飾板三維模型。從圖1看出，塑件的背面具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包含多個卡扣和加強筋。該塑件成型時需要同時滿足外觀表面平整光潔、無飛邊毛刺、熔接線等缺陷的要求，還要保證能否與其他件正確配合安裝。因此，成型過程中需避免產(chǎn)生較大的翹曲和體積收縮現(xiàn)象。
1.2產(chǎn)品的材料特性
筆者選用由蘇州旭光聚合物有限公司生產(chǎn)的型號為P221T-UV的含有15%滑石粉(talc)填充的聚丙烯材料。該材料經(jīng)常應(yīng)用于成型汽車內(nèi)飾件，有良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的耐UV老化性能[11]。該材料所推薦的工藝參數(shù)列于表1。
1.3 設(shè)計澆注系統(tǒng)
為了使熔融材料快速充填型腔，節(jié)省原材料的同時還要減小壓力和熱量損失，所以采用熱流道和普通流道相結(jié)合的復(fù)合進料結(jié)構(gòu)[12]。該塑件對表面質(zhì)量要求較高，遂采用潛伏式牛角澆口進行一模兩腔成型。本次澆注系統(tǒng)方案如圖2所示。
圖2澆筑系統(tǒng)
1.4網(wǎng)格的劃分與處理
首先在CADdoctor中修復(fù)和簡化塑件模型，將修復(fù)簡化完的模型導(dǎo)入Moldex3D中分別對塑件和流道系統(tǒng)進行網(wǎng)格劃分并手動修復(fù)網(wǎng)格缺陷。最終得到網(wǎng)格數(shù)量總數(shù)為1487491個。圖3為汽車B柱上飾板網(wǎng)格劃分結(jié)果及數(shù)量。
1.5初始工藝參數(shù)分析
在Moldex3D中對該塑件模擬注塑成型的初始工藝參數(shù)設(shè)為：充填時間3s、塑料溫度220℃、模具溫度45℃、保壓時間10s、保壓壓力70MPa。對初始工藝參數(shù)進行“充填+保壓+翹曲”分析，圖4為初始模擬結(jié)果，該塑件體積收縮率為6.721%，Z方向翹曲變形上翹1.924mm，下榻1.445mm。體積收縮率不均勻和Z方向的翹曲過大會對產(chǎn)品造成很大影響，比如產(chǎn)生尺寸失控、安裝時發(fā)生不匹配等問題，所以需將二者控制在6.3%和1.8mm以下的范圍內(nèi)。初始分析結(jié)果并不符合要求，因此繼續(xù)對體積收縮率以及Z方向翹曲進行優(yōu)化，以達到設(shè)計指標要求，并改善塑件質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率。
圖4初始分析
2成型工藝正交試驗設(shè)計與結(jié)果分析
2.1 正交試驗因素與水平
均勻的體積收縮率和較低的Z方向翹曲變形量取決于塑件成型過程中工藝參數(shù)的調(diào)整，因此選用合適的成型工藝參數(shù)就顯得十分重要。因此選取注射時間(A)、熔體溫度(B)、模具溫度(C)、保壓壓力(D)、保壓時間(E)為變量，體積收縮率和Z方向的翹曲量為優(yōu)化目標，根據(jù)所使用的成型材料參數(shù)，選擇4個水平進行正交試驗設(shè)計。正交試驗因素水平表見表2。
2.2正交試驗方案設(shè)計
根據(jù)表2的因素水平表得知，需要選取L16(45)正交表進行試驗。使用Moldex3D模流分析軟件進行16組注塑成型過程的模擬，并得到每次試驗汽車B柱上飾板本體在Z方向的翹曲變形量和體積收縮率。正交試驗結(jié)果見表3。
3 Critic權(quán)重法
Critic權(quán)重法是根據(jù)各目標所占的權(quán)重，通過計算綜合評分將多目標優(yōu)化轉(zhuǎn)化為單目標優(yōu)化，最終進行極差分析得到影響目標因素的主次及最優(yōu)成型方案[13]。本次試驗的目標是同時優(yōu)化汽車B柱上飾板成型中的體積收縮率和Z方向翹曲變形兩種缺陷，通過改變工藝參數(shù)，以尋求二者的最優(yōu)成型工藝方案。
由于所要優(yōu)化的體積收縮率和Z方向翹曲量所在量綱和單位不同，所以要先進行無量綱化處理，使數(shù)據(jù)的比較和分析變得更加方便和準確。計算公式見式(1)。
（1）
式中：x'ij表示無量綱化后的值；xij表示第i次試驗j指標所對應(yīng)的試驗值；minxij表示本次試驗中的最小值；maxxij表示本次試驗中的最大值[14]。在Critic權(quán)重法中，為反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度，遂采用標準差來表示各指標內(nèi)取值的差異波動情況。標準差越大表示該指標的數(shù)值差異越大，越能反映出更多的信息，該指標本身的評價強度也就越強[15]，計算公式為式(2)。
（2）
式中：Sj表示第j個指標的標準差；j表示第j個指標的平均值；n表示試驗次數(shù)，n取16。
信息量表示評價指標在整個評價指標體系中的作用[10]，其計算公式為公式(3)。
（3）
式中：Cj表示第j個指標的信息量；rij表示評價指標i和j之間的相關(guān)系數(shù)。
權(quán)重是指某一因素或指標所占的百分比，表示該因素或指標在整體評價中的相對重要程度[16-17]，其計算公式為公式(4)。
（4）
式中：ωj表示第j個指標的權(quán)重。
計算Critic綜合評分值如式(5)所示：
（5）
式中：I表示綜合評分。
將表3的試驗結(jié)果分別帶入到公式(1)~(5)中，得到無量綱化、標準差、信息量、權(quán)重以及綜合評分的值列于表4。
將最終綜合評分的值進行極差分析，見表5。極差值越大，說明該因素對綜合評分影響越大。
通過分析表5綜合評分的極差，可以得出保壓壓力對綜合評分影響最大，其次是模具溫度、充填時間和熔體溫度的影響，而保壓時間對綜合評分的影響最小。因此得到綜合評分的最優(yōu)成型工藝參數(shù)組合為A1B4C1D3E2，即充填時間2s、熔體溫度240℃、模具溫度30℃、保壓壓力70MPa、保壓時間8s。
4優(yōu)化模擬結(jié)果對比分析
根據(jù)上述綜合評分優(yōu)化的最優(yōu)成型工藝參數(shù)組合A1B4C1D3E2在Moldex3D中進行模擬分析，綜合評分優(yōu)化的最優(yōu)工藝參數(shù)組合模擬結(jié)果如圖5所示。該產(chǎn)品初始工藝參數(shù)組合與綜合評分優(yōu)化的最優(yōu)成型參數(shù)組合數(shù)據(jù)對比見表6。
圖5最優(yōu)工藝參數(shù)分析結(jié)果
表6初始工藝參數(shù)與最優(yōu)工藝參數(shù)對比
從圖5及表6可以看出，綜合評分優(yōu)化的最優(yōu)工藝參數(shù)組合方案成型下體積收縮率為5.901%，Z方向翹曲變形為上翹1.75mm，下榻1.289mm，相較于初始成型分析下分別減小了1.466%和0.174mm，降低了12.2%和9.04%，得到了相對較優(yōu)的成型結(jié)果，使塑件成型質(zhì)量明顯提高。
為了驗證試驗的準確性，將最優(yōu)工藝參數(shù)組合A1B4C1D3E2輸入注塑機進行現(xiàn)場試模驗證，試模樣品如圖6所示。經(jīng)過對試模樣品的觀察，可以得出該塑件的成型效果良好，表面沒有明顯的外觀缺陷。此外，其體積收縮率和Z方向的翹曲變形量符合要求，可以滿足正常裝配。驗證了正交實驗與Critic權(quán)重法相結(jié)合的優(yōu)化方法的可行性，提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時能夠提升生產(chǎn)效率。
圖6汽車B柱上飾板試模樣品
5結(jié)論
(1)基于Moldex3D模流分析軟件對汽車B柱上飾板的體積收縮率和Z方向翹曲變形量兩種缺陷進行分析，并采用正交實驗與Critic權(quán)重法相結(jié)合的方法，將兩種缺陷轉(zhuǎn)化為綜合評分值來進行工藝參數(shù)優(yōu)化。
(2)通過計算綜合評分的極差以得到影響二者的因素主次為：保壓壓力>模具溫度>充填時間>熔體溫度>保壓時間，并最終得出最優(yōu)成型工藝方案A1B4C1D3E2，即充填時間2s、熔體溫度240℃、模具溫度30℃、保壓壓力70MPa、保壓時間8s。
(3)通過對最優(yōu)工藝參數(shù)組合進行模擬分析，得出體積收縮率為5.901%和Z方向翹曲變形量為1.75mm；與初始分析相比，二者分別降低了12.2%和9.04%；結(jié)合現(xiàn)場試模驗證，該塑件成型質(zhì)量良好，滿足正常裝配，符合批量生產(chǎn)要求。
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