汽車升降器開關翹曲分析及工藝參數正交優化

趙笑梅，王 權，杜 晉，劉曉鳴

（1.天津職業技術師范大學機械工程學院，天津300222；2.天津職業技術師范大學汽車模具智能制造技術國家地方聯合工程實驗室，天津300222）

伴隨著近現代工業的迅猛發展，塑料制品的使用越來越廣泛，注塑模具技術同時也飛速發展，因此模具設計不能僅依靠人工經驗來完成。隨著CAE技術的發展，Moldflow在模擬塑件成型中的應用日益廣泛[1]，而翹曲、縮痕、飛邊、熔接痕和尺寸變化等是注塑成型中最常見的質量缺陷。除材料自身的性能外，注射壓力、注射時間、模具溫度、熔體溫度等工藝參數對塑件成型也會產生一定的影響[2]。采用注塑CAE技術，可以極大地縮短設計周期，降低制造成本，提高生產效率，達到精度要求[3]。

汽車內飾件的注塑生產在汽車制造領域中具有重要的作用，在汽車產品設計中，主要注重觸覺、舒適度以及美觀度等因素，如果汽車內飾件注塑生產過程中的質量問題不能得到有效解決，將會由于配件質量不過關而削弱產品的市場競爭力[4-6]。汽車玻璃升降器開關底座是汽車內飾件中形狀復雜的裝配部件，其不僅對表面質量要求較高，同時還需要較精密的配合精度。本文以汽車玻璃升降器開關底座作為研究對象，基于Moldflow對注塑成型過程進行模擬分析，以降低翹曲變形量為主要目標，對注塑工藝參數以及保壓方式進行優化。

1 塑件分析

1.1 塑件結構

圖1為某品牌汽車玻璃升降器開關底座三維模型。

圖1 塑件三維模型

塑件總尺寸114 mm×47.92 mm×20.71 mm，制品壁厚分布較均勻，最大壁厚為3 mm，平均壁厚1.17 mm。該產品外形復雜，多孔位，多小型倒角、圓角，尺寸精度要求高，短射風險大，易出現氣穴現象，故需加強排氣。殼體類塑件翹曲變形量必須小于0.7 mm，由于該產品屬于配合件，對變形量有較高要求。因此，需在設計階段對塑件的翹曲變形進行分析和優化，以減少實際生產中產生的變形。

1.2 材料特性分析

塑件材料采用Kingfa Sci&Tech公司生產的聚丙烯PP（牌號GFPP-L40 DM），40%Long Glass Fiber填充。材料推薦模具溫度30℃～80℃，熔體溫度200℃～260℃。材料PVT特性如圖2所示。

從圖2可知，物料體積比容（單位質量的物質所占體積）與溫度和壓力有關。注塑機選用Moldflow中牌號Default molding machine的默認注塑機，其中最大注塑機注射速率為5 000 cm3/s，注塑機最大注射壓力為180 MPa，注塑機液壓響應時間為0.01 s。

圖2 材料PVT圖

2 模擬前處理

2.1 零件前處理

采用Moldflow 2016對塑件進行翹曲分析與模擬，為提高塑件注塑成型工藝分析和翹曲分析的精度，簡化網格分析流程，預先在CAD doctor中去除表面間隙、凸臺和圓角等局部幾何特征。將處理好的模型導入Moldflow中，進行網格劃分后得到有限元模型[7]，利用Moldflow中的網格診斷命令合并節點、交換邊、填充孔等，找出網格存在的具體缺陷并修正[8]，最后劃分得到三角形單元數為13 442個，最大縱橫比9.98，最小縱橫比1.16，平均縱橫比2.14，匹配百分比87.3%，相互百分比85.7%。劃分及修復完成的有限元網格模型如圖3所示。

圖3 有限元分析模型

2.2 澆注系統及冷卻系統

考慮塑件尺寸及流道平衡，型腔采用對稱模具，分為2個型腔，減少開模次數，提高生產效率。澆注系統需要確保塑料熔體可以同時充滿型腔的所有角落，設置5 mm×0.8 mm矩形澆口，主流道形狀設置為錐體，始端直徑3.5 mm，末端直徑6 mm，分流道形狀為圓形非錐體，直徑5 mm。為保證模具冷卻的均勻性，采用手動創建冷卻系統，冷卻水溫25℃，水管與零件間距離25 mm，共創建10條冷卻回路，其中8條直行水路分布在模型上下兩側，同時在模型的下半部分創建2條環形回路[9]。初始澆注系統與冷卻系統如圖4所示。

圖4 初始澆注與冷卻系統

3 初始模擬分析

3.1 工藝參數設置

工藝參數的選擇和控制在注塑成型過程中尤為重要，是保證成型順利進行的關鍵，同時決定了塑件質量的好壞，參數設置是否合理將直接影響到產品注塑成型的分析結果。初始模擬分析工藝設置如表1所示。

表1 初始工藝設置

3.2 翹曲變形分析

塑料在成型過程中，塑件因其特有性質在凍結的分子鏈之間出現很大的內應力，在脫模的過程中，按不同的塑件形狀，應力通常會造成不同程度的變形。在應力和應變之間存在著一種特定的聯系，每種材料都不同，在塑件設計和生產中碰到最多和最難解決的問題就是翹曲變形[10]。

收縮不均、冷卻不均、分子取向不均是影響翹曲變形的原因[11]。不同因素引起的翹曲變形量如圖5所示。從圖5（a）可知，（比例因子擴大10倍）為所有因素導致的總翹曲變形量為0.421 2 mm；圖5（b）為導致翹曲變形的冷卻不均因素圖像，冷卻不均導致的變形為0.002 3 mm，可以看出冷卻因素對于翹曲變形的影響是微不足道的，在變形中不是主要因素，說明在Moldflow前期分析中冷卻水路布置合理。圖5（c）為導致翹曲變形的取向因素圖像，取向效應導致的變形量為0.124 4 mm，一般可通過修改產品設計或改變澆口位置來解決；圖5（d）為導致翹曲變形的收縮不均因素圖像，收縮不均導致的變形為0.413 5 mm，是導致本例中翹曲變形的主要因素。綜合考慮可知，本例中主要解決由收縮不均導致的翹曲變形問題。

圖5 不同因素引起的翹曲變形量

3.3 體積收縮率分析

塑件從模具中取出16～24 h冷卻到室溫后，產品各部分尺寸均比在模具中的尺寸有所減小，這種特有的性能叫做收縮性[12]。塑件過量收縮產生的原因主要包含保壓時間過短、冷卻時間不夠、熔融料溫度太高、模具溫度太高或保壓壓力太低等[13]。

體積收縮率顯示塑件每個區域的體積收縮百分比，可以用來確定塑件可能產生縮痕的區域，體積收縮率的變化影響塑件的翹曲變形。初始模擬分析的體積收縮率如圖6所示。

圖6 體積收縮率

對比塑件變形程度，選出4個有代表性的節點分別為T21754、T21645、T25245、T13551，重疊收縮不均因素圖像，可以發現主要翹曲變形位置在遠離澆口的兩側角落，且各節點處體積收縮率差距較大、不均勻，這在一定程度上影響產品的形狀。為了找出影響翹曲變形量最大的因素，遂使用正交試驗法對其進行分析。

4 正交試驗的設計及優化

4.1 正交試驗設計

為了更好地得出一組翹曲變形最佳工藝參數，需要合理地選擇正交試驗因素與水平[14]。本文選擇了5個因素，分別為熔體溫度（℃）、模具溫度（℃）、保壓時間（s）、填充壓力（%）以及成型時間（s），并記為A、B、C、D、E，根據Moldflow軟件推薦工藝值范圍，取4個水平，設計5因素4水平的正交試驗，如表2所示。

表2 正交試驗因素水平設計

以總翹曲變形量作為正交試驗的評價指標，列出L16（45）正交表及模擬分析翹曲變形結果，如表3所示。

表3 正交試驗結果

極差分析結果簡單地反映了數據間的差異，結果越大，說明數據越分散[15]。

指標的極差Ri的計算公式為

式中：Rijmax為某個參數在不同水平下的最大均值；Rijmin為某個參數在不同水平下的最小均值。

Ri越大，表示所對應的工藝參數對翹曲變形量的影響越大[16]。為了研究各因素對翹曲變形量的影響，對所得出的16組試驗數據中的各因數的水平值取平均值后，采用極差法進行分析，正交試驗極差計算結果如表4所示。

表4 正交極差表

由表4可以看出，RA＞RB＞RD＞RE＞RC，在影響翹曲變形的因素中，熔體溫度對翹曲變形影響最大，模具溫度次之，填充壓力再次之，保壓時間與整體充填時間在本案例中影響較小。

4.2 工藝參數優化

根據各影響因素的均值主效應曲線對結果進行分析，如圖7所示。查看曲線的最低點，可得到最佳工藝參數組合A4B1C3D4E3，得出一組最佳注塑工藝參數為熔體溫度260℃、模具表面溫度35℃、保壓時間20 s、成型時間40 s。

圖7 各影響因素的均值主效應曲線

分析發現，去除無關因素，僅更改填充壓力對塑件翹曲變形量的影響不顯著，而影響收縮變形的主要原因是保壓，因此還要對保壓曲線進行優化。通過對塑件的初始保壓曲線進行調整，把各階段的保壓持續時間和保壓壓力百分比進行調整和優化，優化前后保壓曲線對比如圖8所示。其過程為以充填壓力的100%的保壓壓力注射10 s；以充填壓力的85%的保壓壓力注射5 s；控制保壓壓力從充填壓力的85%線性降為0，過程持續5 s。

圖8 單段保壓及多段保壓的曲線

4.3 優化結果分析

根據得出的翹曲變形最優工藝參數組合，利用Moldflow得出翹曲變形量分析結果如圖9所示。制品的總翹曲變形量為0.107 4 mm，對比初步分析得出的總翹曲變形量0.421 2 mm，降低了74.5%；影響較大的收縮不均變形量為0.114 0 mm，對比初步分析的收縮不均翹曲變形量0.413 5 mm，降低了72.4%。

圖9 工藝優化后的翹曲變形量

體積收縮率表征如圖10所示，從圖10可以看出，各節點的體積收縮率均大幅降低，且收縮值基本均勻。經Moldflow模擬驗證，提高熔體溫度可以有效地提高熔體的流動性，流動前沿阻力減小，使充填更為順暢；而對于保壓曲線的優化，第二段以較快的速度降壓，有利于改善塑件末端的收縮不平衡現象，第三段采取線性遞減保壓，能減小澆口處的體積收縮，進而得到更優的制品質量。

圖10 工藝優化后的體積收縮率

5 結論

本文通過Moldflow對某品牌汽車內飾件進行了仿真成型研究，得出以下結論：

（1）針對汽車玻璃升降器開關底座在注塑工業成型中精度差、效率低、裝配難的問題，分析了這一類形狀復雜裝配部件成型過程中的主要原因。結果顯示，其最主要原因是工藝參數的不合理設置造成的收縮不均勻。本研究針對收縮不均問題進行工藝優化，通過實驗驗證合理性，提升注塑成型時精度及效率。

（2）通過分析均值主效應曲線，選出翹曲變形最優工藝參數組合為：熔體溫度260℃、模具表面溫度35℃、整體充填時間40 s；同時采用多段式保壓對保壓曲線進行工藝優化。對最優工藝參數組合進行模擬驗證，結果顯示：優化后最大翹曲變形量為0.107 4 mm，相較優化前翹曲變形量0.421 2 mm，降低了74.5%。優化后翹曲變形量明顯降低，裝配精度極大提高。同時，一模兩腔成型效率更高，適合在實際生產中推廣。