注塑成型工藝參數對汽車保險杠翹曲變形的影響研究

王妍婕

廣汽本田汽車有限公司 廣東 廣州 510000

引言

工業產業的發展帶動塑料制品應用在各個領域，利用塑料制品輕重量、低成本、高耐腐蝕以及染色等優勢，汽車的內飾件、外裝件以及功能結構件都應用塑料制品，尤其是汽車保險杠應用塑料制品，成為減少汽車變形關鍵的部件。轎車前后保險杠使用塑料制品，本文通過正交試驗設計方法利用Moldflow模擬分析計算出翹曲變形的影響因素，綜合比較各工藝參數下翹曲變形，確定注塑成型工藝參數，然后Moldflow模擬出參數實際效果，驗證參數組合正確性。

1 實驗部分

1.1 保險杠模型

某品牌轎車前保險杠作為模型進行試驗研究，按照1/2等比例制作前保險杠模型，模型規格為1688×688×513mm，厚度控制在2.8-3.0mm范圍內。Moldflow軟件前期對有限元模型進行分析，澆口、填充平衡性以及外觀熔接都是分析對象，對以上對象進行綜合性分析，根據分析結果確定澆口設計方案。本文采用正交試驗的方式，在不同注塑成型工藝參數交互作用下，以及按照不同工藝參數的配比，分析翹曲收縮變形對保險杠模型的影響。

1.2 注塑機和原材料性能參數

選用型號HTFIOOOW2寧渡海天塑料注射成型機，該機型參數如下：鎖模力10000kN；注射容量4847cm3；螺桿直徑110mm；塑化能力104B；最大注射壓力174MPa；注射行程510N。該機型以上的機型參數輸入到Moldflow軟件，在Moldflow軟件注塑機數據庫內準備進行模擬分析。保險杠的材料選用揚子石化生產的材料，材料為高抗沖聚丙烯(PP)1215C，材料的固體密度為8895g/cm3，熔體密度為7218g/cm3。

2 結果與討論

2.1 正交實驗方案設計

保險杠的注塑過程在溫度和壓力變化下，塑料制件體積和密度也會發生變化，直接影響到制件的翹曲變化。其中翹曲變形發生的變化，通常受到以下工藝參數影響：熔體溫度→模具溫度→注射時間。以上工藝參數雖然對翹曲變形的影響不同，但是每個參數間產生相互制約的關系。正交實驗過程分析可知，相應條件以及因素對試驗最優水平組合的影響，以及實驗因素對試驗指標的影響都會按照大小通過排列的方式展示出來。在列表中分析每個因素的影響作用，最終確定最佳參數水平組合，降低對翹曲變形的影響。實驗設計按照以下流程進行：（1）確定模擬試驗目的。因素以及因素水平；（2）制作因素水平表、正交表；（3）確定試驗模型；（4）進行Moldflow模擬分析；（5）計算模擬實驗結果，處理數據；（6）確定最佳參數水平組合；（7）驗證模擬試驗數據。通過分析可知，翹曲變形影響因素主要指標包括以下幾種：（1）選擇熔體溫度(A)；（2）模具溫度(B)；（3）注射時間(C)；（4）保壓壓力(D)；（5）保壓時間(E)。

制件過程產生的翹曲變形因素有三種：（1）冷卻差異。在模腔內分布差異性的溫度，引發不均勻熱收縮；（2）收縮差異。產品的不同位置由于不均勻體積收縮，導致塑料制品厚度出現收縮差異性，結晶度不同的薄壁以及厚壁位置，會出現不均勻收縮現象；（3）取向差異。平行方向和垂直方向分子排列，出現明顯的收縮差異現象。

制件在增高的溶體注射溫度下翹曲變形會減小，翹曲變形最小值通常出現在230℃，一段時間后會有所增加。溶體溫度的變化，會影響到制件成型翹曲收縮，包括熱收縮、結晶收縮、取向收縮以及補壓收縮。若升高溶體溫度，會減小溶體黏度，增強充模和保壓收縮能力，降低翹曲收縮變形。若增加料體的溫度，在保壓和冷卻定型階段的制件，都會出現明顯的熱收縮、結晶收縮以及取向收縮現象，即使溫度上升到230℃，翹曲變形上升情況仍然存在。模具溫度上升會導致制件出現明顯的翹曲變形，翹曲變形趨勢變化不是很明顯。在澆口凍結后制件脫模前，模具溫度對制件翹曲收縮的影響較為明顯。澆口凍結后對制件進行填充和保壓，不會出現翹曲變形。升高橫溫后，會增加冷卻定型時間，制件完成脫模會增加翹曲變形。

影響保險杠翹曲變形的參數，還包括不同時間的注射以及不同壓力的保壓。增加注射時間，制件的翹曲變形影響會降至最低，注射時間按照螺桿連續推進壓縮熔體入模連續時間確定。若較短的注射時間，增加注射速度，熔體內會受到較強的剪切力作用，導致結晶和取向間的作用力明顯增強，翹曲變形的趨勢不斷增加。

保壓壓力增加可以降低制件的翹曲變形，若壓力增至45MPa或者更高，制件翹曲變形會更加明顯。較高的保壓壓力會增加模腔內制品的密實度，模腔彈性逐漸恢復，減少翹曲收縮現象的發生。若超高的保壓壓力，模具會發生溢料情況，出現較為強烈的流動參與應力，翹曲變形仍會增加。

不同保壓時間對保險杠的翹曲變形量影響較為特殊，若保壓時間增加之間的翹曲變形會降低，拖增加保壓時間，可以將溶體不斷引入到型腔內，填充冷卻后產生的收縮縫隙，降低型腔內的應力，避免制件出現明顯的翹曲變形。

2.2 最佳工藝參數組合及實驗驗證

翹曲變形的影響程度，會在同工藝參數下發生變化，按照重要程度大小進行排列，分別為模具溫度為最大，保壓時間、注射時間、溶體溫度依次降低，最小為保壓壓力，最終得出最佳工藝參數組合為A4B1C5D2E5，按照最佳工藝參數優化后的結果，輸入到Moldflow軟件分析模流，制件翹曲變形由最大降至7166mm，在該工藝參數下獲得的制件，受到翹曲變形的影響最小。

3 結論

綜上所述，利用Moldflow模擬分析技術和正交試驗設計，進行保險杠塑料制件注塑成型各影響因素進行分析可知，制件發生翹曲變形與注塑成型工藝參數有直接關系。按照影響大小排列，分別為模具溫度為最大，保壓時間、注射時間、溶體溫度依次降低，最小為保壓壓力，在不同水平狀態下制品的翹曲變形影響趨勢和原因，確定最終的最佳工藝參數組合。最佳工藝參數組合輸入到Moldflow模擬進行分析可知，制件的翹曲變形好于原有的狀態，證明注塑成型試驗與Moldflow的驗證結果相符。