薄壁塑件表面縮痕分析及工藝參數優化

孟 健，羅嘉文，陳 健，王妍婕，賴先勤

（廣汽本田汽車有限公司，廣東 廣州 510700）

隨著汽車工業輕量化的發展，汽車各個零部件都在進行輕量化的設計，汽車塑料件主要采用薄壁化設計，減輕自重從而實現輕量化。薄壁塑件采用高流動性、高模量、高韌性的新材料，在滿足其綜合性能的前提下，不但實現了輕量化的目的，同時還縮短了成型周期，提高了生產效率，薄壁塑件正逐漸成為未來的主流趨勢。

薄壁塑件在注塑成型中的質量缺陷主要表現在塑件的表面縮痕、翹曲變形、氣痕、氣泡等。縮痕是產品的外觀缺陷而非結構缺陷，是指制品在壁厚處出現表面下凹的現象。縮痕是由于產品體積收縮率不同而引起的，通常出現在加強筋或定位柱表面以及壁厚較厚區域。

本文以薄壁化保險杠為研究對象，借助數值模擬軟件Moldflow 對薄壁化保險杠進行數值模擬分析，再現其在成型過程中出現的表面縮痕，通過正交試驗分析出其主要成型過程中工藝參數對該產品表面縮痕的影響規律以及最佳工藝參數組合，通過數值模擬驗證及實際生產驗證共同確認其優化效果。

1 產品表面縮痕數值模擬分析

1.1 薄壁化保險杠生產現狀

本文以某薄壁化保險杠為研究對象，采用一模兩腔的模具結構設計，制品的外形尺寸為580 mm×90 mm×43 mm，澆口位置位于產品的頂部，其在注射成型過程中澆口位置附近出現較為嚴重的表面縮痕，嚴重影響了該制品的外觀質量。該產品的澆口位置及產品表面縮痕如圖1 所示。

圖1 產品的澆口位置及表面縮痕

1.2 表面縮痕數值模擬再現

借助Moldflow 對該產品進行數值模擬分析，選用雙面網格對產品進行網格劃分，參照實際繪制產品模具的冷卻水路，數值模擬網格如圖2 所示，網格形態比為2.13，網格質量好，采用熱塑性成型模塊冷卻+填充+保壓+翹曲分析序列進行分析。

圖2 產品的數值模擬網格

模擬結果中頂出時的體積收縮率及縮痕指數較大，說明該產品表面更容易出現表面縮痕。模擬中使用的聚丙烯與實際生產所用三井化學的X465C 相近，熔融指數（MFⅠ）為 48 g/10 min（230 ℃/2.16 kg），圖3 為聚丙烯的流變曲線圖，成型參數設置與實際成型工藝參數相一致。數值模擬結果如圖4、圖5 所示，該產品頂出時的體積收縮率較大區域位于澆口位置附近，最大為10.64%，對應位置該產品的縮痕指數為4.20%，與實際生產過程中產品出現縮痕位置相一致，說明本次模擬的可靠性。

圖3 聚丙烯的流變曲線圖

圖4 數值模擬中產品頂出時的體積收縮率

圖5 數值模擬中產品的縮痕指數

2 正交試驗工藝參數優化

縮痕為制品表面的局部塌陷，又稱凹痕、縮坑、沉降斑。當塑件厚度不均時，在冷卻過程中有些部分就會因收縮過大而產生縮痕。為了消除該產品的縮痕不良，采用正交試驗對其成型工藝參數進行優化，正交試驗選擇熔體溫度、保壓壓力、保壓時間、冷卻水溫4 個因素分別對應3 個水平進行試驗，選取縮痕指數作為正交試驗質量指標。表1 為后保險杠翹曲變形正交試驗因子及水平設置。

表1 正交試驗因子及水平

根據表1 的數據，選擇正交表L（3），利用正交試驗矩陣設計進行數值模擬分析，其他工藝參數采用Moldflow 的默認設置，正交試驗結果采用直觀分析評定實驗因素的重要性順序, 極差越大說明該因素對質量指標的影響就越大, 說明該因素越重要。

圖6 為正交試驗縮痕指數的直觀分析圖。由圖可知，工藝參數對該產品翹曲變形量影響程度從大到小依次為保壓時間、冷卻水溫、熔體溫度、保壓壓力。其中，保壓時間對產品的縮痕指數影響最為明顯，且隨著保壓時間延長，產品的縮痕指數不斷減小。

圖6 縮痕指數的直觀分析圖

正交試驗采用望小特性，直觀分析表中均值最小的參數組合作為本次正交試驗的最有工藝參數組合，最優工藝參數組合為熔體溫度180 ℃、保壓壓力30 MPa、保壓時間20 s、冷卻水溫25 ℃。

3 最優工藝參數組合效果驗證

3.1 數值模擬驗證

將正交試驗中最優工藝參數組合用于數值模擬驗證，圖7 為數值模擬結果，顯示了該產品頂出時的體積收縮率為7.82%，相較原工藝參數減小了41.6%。圖8 為數值模擬產品的縮痕指數，由圖可知，產品的縮痕指數為0.61%，相較原工藝參數減小了85.9%。借助于數值模擬理論分析，對注射成型過程中的工藝參數進行優化，可有效減小產品頂出時的體積收縮率及產品的縮痕指數，可降低產品在注射成型過程中出現凹痕的風險。

圖7 最優工藝參數組合下產品頂出時的體積收縮率

圖8 最優工藝參數組合下產品的縮痕指數

3.2 實際生產驗證

采用正交試驗優化后得到的最優工藝參數組合進行實際生產驗證。

材料：改性PP，熔融指數（MFⅠ）為48 g/10 min（230 ℃/2.16 kg），由三井化學復合塑料（中山）有限公司生產。

工藝：熔體溫度為220 ℃、保壓壓力為30 MPa、保壓時間為20 s、冷卻水溫為25 ℃；注射速度、螺桿背壓、鎖模力等其他工藝參數保持一致。

設備：注塑機為三菱重工的3000MMⅢ-470，由日本三菱公司生產。

經實際生產驗證，產品的澆口位置未出現表面縮痕，與模擬結果相一致，滿足量產品質要求，成型的產品如圖9 所示。

圖9 實際生產驗證產品表面無縮痕

4 結論

借助Moldflow 對某薄壁化保險杠進行數值模擬，再現保險杠在成型過程中出現的表面縮痕，采用正交試驗對其成型工藝參數進行優化，將最優工藝參數組合通過數值模擬驗證以及實際生產驗證，主要結論如下：①工藝參數對表面縮痕的影響程度從大到小依次為保壓時間、冷卻水溫、熔體溫度、保壓壓力，其中保壓時間對產品的縮痕指數影響較明顯。②最優工藝參數組合為熔體溫度180 ℃、保壓壓力30 MPa、保壓時間20 s、冷卻水溫25 ℃，該工藝參數組合下產品的縮痕指數為0.61%。③采用最優工藝參數組合進行實際生產驗證，產品未出現不良凹痕，與模擬結果相一致，滿足量產品質要求。