基于CAE與正交試驗的汽車玻璃升降器鋼絲繩支架注塑工藝參數優化

陳艷艷， 劉兵

（鶴壁職業技術學院，河南 鶴壁458030）

0 引言

在汽車塑料零配件制造過程中，影響塑件質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計者關注的重點[1]。且中小型模具企業依靠傳統方法來制定和優化成型工藝，這通常會導致后序修模工作量很大，且補焊精度降低了模具精度，使得產品質量難以保障。近年來，隨著CAD/CAE技術在塑料模具設計和制造中的廣泛應用，上述問題得到有效解決，塑件質量顯著提高。為解決這些問題，本文利用注塑模CAD/CAE技術，以汽車玻璃升降器鋼絲繩支架成型為研究對象，在塑料模具設計之后，利用Moldflow分軟件析模擬了塑料零件的注塑成型過程，通過仿真技術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，利用正交法對成型的工藝參數及時作出調整與修改及優化, 從而保證塑料模具加工質量，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。塑件的外部和內部結構較復雜，形狀呈扇形分布，底部有突出的固定腳，有鋼絲滑道側孔，周邊有圓角，外表面要求光亮且美觀，無熔接痕、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模型導出，導入Moldflow軟件中劃分網格，在此過程中，網格被診斷和修復[3]。因塑件的結構形狀較復雜，存在較多的加強筋、凸臺、圓角、字和紋理等結構，如果采用雙層面網格分析，將導致縱橫比增大、匹配率降低，增加了網格劃分處理的工作量。根據塑件的特點，我們采用四面體網格分析。在進行網格劃分處理之前，對塑件合理的簡化、去除可有效地減少網格修補工作量[4]。但在簡化前和簡化后應保證以下內容：形狀應保證差異不大，塑件的模型體積和網格體積差異不大。結合網格劃分要求和塑件的結構特點，對模型進行劃分，如圖2所示，四面體：1 296 454個，已連接的節點為232 773個，縱橫比最小為1.06。

成型材料和工藝參數選取系統中Ticona公司的PPGF30-0501。在軟件中可以找到推薦的參數，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 ℃。創建的澆注系統（一模兩腔，點澆口，熱流道系統）和冷卻系統如圖3所示。

圖2 網格模型圖

圖3 創建冷卻系統預澆注系統

3 正交試驗設計

3.1 根據實驗要求，確定試驗條件的因素和水平

按照田口玄一提出的參數試驗設計方法對典型試驗參數進行分析，從而找出最優化組合方法[5]。影響翹曲變形的因素較多，經綜合考慮，選出正交試驗法，在數理統計理論的基礎上，采用規范化正交取注射時間、熔體溫度、保壓時間和保壓壓力為試驗因素，分別用A、B、C、D來代替，表1為試驗因素水平劃分表。

3.2 試驗結果的優化與分析

田口正交表設計為L16（44），因子為4，試驗次數為16，列L16（45） 陣 列。我們田口正交表設計為L16（44），因子為4，實驗次數為16，列L16（45）陣列。在正交設計表2中，各列的數字換成對應因素的具體試驗值，進行4×4=16次模擬試驗，并在表格中記錄分析的翹曲值。試驗結果記為Qi，i為試驗序號，試驗的數值愈小，表明翹曲變形量越小，塑件質量越高。

表1 正交試驗因素水平劃分表

表2 正交試驗

表3 均值分析表

通過表2對比分析，翹曲變形量最小的是第6次試驗，變形值為0.1832 mm。工藝組合為A2B2C1D4，即注射時間1.5 s、熔體溫度240 ℃、保壓時間15 s和保壓壓力75 MPa。

利用均值分析法對試驗結果進行分析，可以清楚地區分各試驗因素對翹曲變形的影響程度，并能預測出各因素的最優水平組合。通過正交設計助手確定均值并填寫分析表，如表3所示。

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

3.3 驗證優化結果

在模流軟件參數設置中設置最佳組合優化參數，并在此條件下進行模擬試驗，驗證了優化分析結果。在工藝設置里面設定澆注時間1 s，熔體溫度為240 ℃，保壓時間為15 s，保壓壓力為75 MPa，分析結果如圖5所示。依圖所示，優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，變形值為0.1832 mm，效果較理想。

4 結語

圖4 各工藝參數不同水平效應曲線圖

圖5 優化參數驗證圖

以汽車玻璃升降器鋼絲繩支架塑件為研究對象，采用Moldflow軟件，對熔體在模具型腔中的填充、保壓和冷卻、翹曲等成型過程進行分析，優化澆注口的位置，合理布置冷卻管路，所得數據為模具設計提供了依據。

正交試驗時，以翹曲變形為主要指標。以注射時間、熔體溫度、保壓時間和保壓壓力為試驗因素。通過實驗分析，獲得塑件的最優工藝參數組合。結果表明，注塑工藝參數對翹曲變形的影響主要表現為：保壓時間＞熔體溫度＞保壓壓力＞注射時間。對優化數據進行了驗證，塑料零件翹曲變形量由最初的0.2562 mm優化為0.1817 mm。實踐證明，Moldflow軟件和正交試驗相結合，能有效地優化成型工藝，提高生產效率，縮短成型周期，減少試模次數，提升產品質量。

本文的研究成果在實踐中雖具有參考意義，但隨著我國塑料工業的快速發展，CAE技術應用不夠廣泛，功能的開發不夠深入，需要大力的推廣，同時對于本文研究的工藝參數，涉及不夠全面，還有較多問題需要深入探討，如正交試驗的局限性，人工智能的使用。隨著模流分析技術的普及，我國塑料模具行業的發展將顯著提高。