基于CAE與正交試驗(yàn)的汽車玻璃升降器鋼絲繩支架注塑工藝參數(shù)優(yōu)化

陳艷艷， 劉兵

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁458030）

0 引言

在汽車塑料零配件制造過(guò)程中，影響塑件質(zhì)量的主要因素是翹曲變形，有效控制塑件翹曲變形已成為模具設(shè)計(jì)者關(guān)注的重點(diǎn)[1]。且中小型模具企業(yè)依靠傳統(tǒng)方法來(lái)制定和優(yōu)化成型工藝，這通常會(huì)導(dǎo)致后序修模工作量很大，且補(bǔ)焊精度降低了模具精度，使得產(chǎn)品質(zhì)量難以保障。近年來(lái)，隨著CAD/CAE技術(shù)在塑料模具設(shè)計(jì)和制造中的廣泛應(yīng)用，上述問(wèn)題得到有效解決，塑件質(zhì)量顯著提高。為解決這些問(wèn)題，本文利用注塑模CAD/CAE技術(shù)，以汽車玻璃升降器鋼絲繩支架成型為研究對(duì)象，在塑料模具設(shè)計(jì)之后，利用Moldflow分軟件析模擬了塑料零件的注塑成型過(guò)程，通過(guò)仿真技術(shù)找出塑料模具翹曲變形的原因[2],分析影響塑料零件翹曲變形的因素，利用正交法對(duì)成型的工藝參數(shù)及時(shí)作出調(diào)整與修改及優(yōu)化, 從而保證塑料模具加工質(zhì)量，提升制件的精度，縮短模具制造周期和降低模具制造成本。

1 塑件分析

塑件的最大長(zhǎng)度尺寸為123.35 mm，最大寬度尺寸為122.47 mm，高度最大尺寸為39.29 mm，平均壁厚為1.54 mm，最大壁厚為5.07 mm，該件的縮水率是1.0035，該塑件屬于薄壁殼類零件。塑件的外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，形狀呈扇形分布，底部有突出的固定腳，有鋼絲滑道側(cè)孔，周邊有圓角，外表面要求光亮且美觀，無(wú)熔接痕、縮痕、翹曲變形等缺陷。圖1所示為該塑件的三維圖樣。

圖1 塑件的三維圖樣

2 塑件的預(yù)分析處理

以STL格式將UG繪制的汽車玻璃升降器鋼絲繩支架的3D模型導(dǎo)出，導(dǎo)入Moldflow軟件中劃分網(wǎng)格，在此過(guò)程中，網(wǎng)格被診斷和修復(fù)[3]。因塑件的結(jié)構(gòu)形狀較復(fù)雜，存在較多的加強(qiáng)筋、凸臺(tái)、圓角、字和紋理等結(jié)構(gòu)，如果采用雙層面網(wǎng)格分析，將導(dǎo)致縱橫比增大、匹配率降低，增加了網(wǎng)格劃分處理的工作量。根據(jù)塑件的特點(diǎn)，我們采用四面體網(wǎng)格分析。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理之前，對(duì)塑件合理的簡(jiǎn)化、去除可有效地減少網(wǎng)格修補(bǔ)工作量[4]。但在簡(jiǎn)化前和簡(jiǎn)化后應(yīng)保證以下內(nèi)容：形狀應(yīng)保證差異不大，塑件的模型體積和網(wǎng)格體積差異不大。結(jié)合網(wǎng)格劃分要求和塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)模型進(jìn)行劃分，如圖2所示，四面體：1 296 454個(gè)，已連接的節(jié)點(diǎn)為232 773個(gè)，縱橫比最小為1.06。

成型材料和工藝參數(shù)選取系統(tǒng)中Ticona公司的PPGF30-0501。在軟件中可以找到推薦的參數(shù)，模具溫度約為66 ℃，溫度控制范圍為50～80 ℃。溶體溫度在220～265℃之間，推薦232 ℃。創(chuàng)建的澆注系統(tǒng)（一模兩腔，點(diǎn)澆口，熱流道系統(tǒng)）和冷卻系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 網(wǎng)格模型圖

圖3 創(chuàng)建冷卻系統(tǒng)預(yù)澆注系統(tǒng)

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，確定試驗(yàn)條件的因素和水平

按照田口玄一提出的參數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)典型試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行分析，從而找出最優(yōu)化組合方法[5]。影響翹曲變形的因素較多，經(jīng)綜合考慮，選出正交試驗(yàn)法，在數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，采用規(guī)范化正交取注射時(shí)間、熔體溫度、保壓時(shí)間和保壓壓力為試驗(yàn)因素，分別用A、B、C、D來(lái)代替，表1為試驗(yàn)因素水平劃分表。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)化與分析

田口正交表設(shè)計(jì)為L(zhǎng)16（44），因子為4，試驗(yàn)次數(shù)為16，列L16（45） 陣 列。我們田口正交表設(shè)計(jì)為L(zhǎng)16（44），因子為4，實(shí)驗(yàn)次數(shù)為16，列L16（45）陣列。在正交設(shè)計(jì)表2中，各列的數(shù)字換成對(duì)應(yīng)因素的具體試驗(yàn)值，進(jìn)行4×4=16次模擬試驗(yàn)，并在表格中記錄分析的翹曲值。試驗(yàn)結(jié)果記為Qi，i為試驗(yàn)序號(hào)，試驗(yàn)的數(shù)值愈小，表明翹曲變形量越小，塑件質(zhì)量越高。

表1 正交試驗(yàn)因素水平劃分表

表2 正交試驗(yàn)

表3 均值分析表

通過(guò)表2對(duì)比分析，翹曲變形量最小的是第6次試驗(yàn)，變形值為0.1832 mm。工藝組合為A2B2C1D4，即注射時(shí)間1.5 s、熔體溫度240 ℃、保壓時(shí)間15 s和保壓壓力75 MPa。

利用均值分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以清楚地區(qū)分各試驗(yàn)因素對(duì)翹曲變形的影響程度，并能預(yù)測(cè)出各因素的最優(yōu)水平組合。通過(guò)正交設(shè)計(jì)助手確定均值并填寫分析表，如表3所示。

由分析可知，注塑工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形的影響依次為C＞B＞D＞A，即:保壓時(shí)間大于熔體溫度，熔體溫度大于保壓壓力，保壓壓力大于注射時(shí)間，注射時(shí)間影響最小。得到各工藝參數(shù)不同水平效應(yīng)曲線關(guān)系如圖4所示。根據(jù)效應(yīng)曲線圖每條曲線的最低點(diǎn)，最佳組合為A1B2C1D4。優(yōu)化后注塑工藝由澆注時(shí)間1 s、熔體溫度為240 ℃、保壓時(shí)間15 s、保壓壓力75 MPa組成。

3.3 驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果

在模流軟件參數(shù)設(shè)置中設(shè)置最佳組合優(yōu)化參數(shù)，并在此條件下進(jìn)行模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了優(yōu)化分析結(jié)果。在工藝設(shè)置里面設(shè)定澆注時(shí)間1 s，熔體溫度為240 ℃，保壓時(shí)間為15 s，保壓壓力為75 MPa，分析結(jié)果如圖5所示。依圖所示，優(yōu)化后的最大變形量為0.1817 mm，小于翹曲變形量最小的第6次試驗(yàn)，變形值為0.1832 mm，效果較理想。

4 結(jié)語(yǔ)

圖4 各工藝參數(shù)不同水平效應(yīng)曲線圖

圖5 優(yōu)化參數(shù)驗(yàn)證圖

以汽車玻璃升降器鋼絲繩支架塑件為研究對(duì)象，采用Moldflow軟件，對(duì)熔體在模具型腔中的填充、保壓和冷卻、翹曲等成型過(guò)程進(jìn)行分析，優(yōu)化澆注口的位置，合理布置冷卻管路，所得數(shù)據(jù)為模具設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

正交試驗(yàn)時(shí)，以翹曲變形為主要指標(biāo)。以注射時(shí)間、熔體溫度、保壓時(shí)間和保壓壓力為試驗(yàn)因素。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，獲得塑件的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。結(jié)果表明，注塑工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形的影響主要表現(xiàn)為：保壓時(shí)間＞熔體溫度＞保壓壓力＞注射時(shí)間。對(duì)優(yōu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，塑料零件翹曲變形量由最初的0.2562 mm優(yōu)化為0.1817 mm。實(shí)踐證明，Moldflow軟件和正交試驗(yàn)相結(jié)合，能有效地優(yōu)化成型工藝，提高生產(chǎn)效率，縮短成型周期，減少試模次數(shù)，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

本文的研究成果在實(shí)踐中雖具有參考意義，但隨著我國(guó)塑料工業(yè)的快速發(fā)展，CAE技術(shù)應(yīng)用不夠廣泛，功能的開發(fā)不夠深入，需要大力的推廣，同時(shí)對(duì)于本文研究的工藝參數(shù)，涉及不夠全面，還有較多問(wèn)題需要深入探討，如正交試驗(yàn)的局限性，人工智能的使用。隨著模流分析技術(shù)的普及，我國(guó)塑料模具行業(yè)的發(fā)展將顯著提高。