基于Moldflow 技術的汽車保險杠格柵外觀縮痕優化研究

周健寧，張栩梓

（南寧職業技術學院新能源汽車學院，廣西 南寧 530008）

0 引言

汽車注塑零件縮痕形成原因復雜，其主要影響因素有材料特性、模具結構設計、注塑工藝參數等。縮痕是產品開發過程中常見缺陷問題，它會降低零件的外觀質量和尺寸精度，后期改善難度大、成本高，尤其對于外觀質量要求高的汽車外飾注塑零件而言，應在產品設計階段采取措施來減少和優化縮痕問題，以降低后期模具改模和修模風險[1]。以某企業生產的汽車保險杠格柵為例，針對該保險杠格柵出現的縮痕問題，通過Moldflow 仿真分析與正交試驗相結合的方法，對注塑成型工藝參數進行了優化，旨在找到一種科學方法來改善保險杠縮痕問題，從而提高產品注塑成型質量。

1 汽車保險杠注塑成型的縮痕問題

1.1 縮痕的定義和產生原因

縮痕（sink marks）為塑料制品表面產生的一種局部塌陷現象，又稱凹痕，縮坑、沉降斑。縮痕產生的原因有多種。首先，塑料材料在注塑過程中具有不同的流動特性，如果材料流動性差或填充速度過快，就可能導致部分材料無法均勻填充模具，從而形成縮痕。其次，模具的設計和結構也會影響縮痕的產生。例如，模具的冷卻系統不合理，導致局部冷卻速度過快或過慢，或者模具的澆口設計不恰當，導致材料流動不均勻，都可能引發縮痕問題。此外，成型條件如注射壓力、保壓時間、注射速度等也會影響縮痕的形成。如果注射壓力不足或保壓時間太短，可能會使塑料無法充分填充模具，從而在產品表面形成縮痕[1]。

1.2 控制縮痕的方法

為了解決汽車保險杠注塑成型過程中的縮痕問題，通常可采取以下控制方法。

（1）合理選擇塑料材料。根據保險杠的形狀和尺寸選擇流動性好、收縮率穩定的塑料材料。

（2）優化模具設計。通過合理布置冷卻系統，確保各部位冷卻均勻，同時，調整澆口位置和大小，使材料能更好地填充模具。

（3）調整成型條件。根據實際情況調整成型工藝參數，合理選擇適當的工藝參數。

但在注塑生產或試模過程中，如果出現縮痕問題直接采取更換原材料、改進模具設計或變更產品結構等方式解決，不僅生產成本較高而且時間周期也較長。因此，從生產成本控制、生產過程和生產效率考慮，我們優先選擇通過優化成型工藝參數進行縮痕問題改善。

2 注塑成型CAE 模擬分析

2.1 CAE 模型的建立

該保險杠格柵具有特定的長寬高尺寸，壁厚范圍在2.0～3.0 mm，并采用左右對稱設計，呈現出大尺寸多孔狀的格柵形狀[2]，如圖1 所示。為了進行進一步的分析，我們將該部件模型導入Moldflow 軟件中，并進行了網格劃分，得到部件的網格模型，如圖2 所示。該部件模型的三角形單元數和節點數分別為261092 和130396，縱橫比為1.89，匹配率達89.5%。這些網格的質量在滿足仿真運算時間和精度的前提下，滿足了分析的要求[2]。

圖1 部件三維圖

圖2 部件網格模型

考慮到商用車保險杠格柵屬于大尺寸部件，需要綜合考慮產品性能、質量和生產成本。因此，選用某公司生產的LQ-PP/T20-B1 塑料作為材料，其主要成分為20%的滑石粉加聚丙烯材料。這種材料的主要性能參數見表1，CAE 分析模型設計參數見表2。

表1 T042 材料主要性能參數

表2 CAE 分析模型參數

2.2 縮痕問題模擬再現

在Moldflow 模擬分析中，縮痕指數給出了產品上產生縮痕的相對可能性，其數值越大則對應塑件制品的位置也越容易產生縮痕[3]。該保險杠格柵縮痕最嚴重的位置位于離澆口位置較遠且厚度較大的塑件兩側尖角區域表面。將成型工藝參數設置與實際生產參數一樣并進行模擬分析，得到最大縮痕指數為2.5%，且最大數值位置與實際產品出現縮痕位置一致。以上結果說明以最大縮痕指數作為優化指標進行分析較為可靠。

3 制定正交試驗計劃

3.1 確認試驗因素及其水平

正交試驗設計是一種科學、有效的實驗設計方法，具有高效率、快速、經濟性的特點[4]。通過精心設計的正交表，以較少的實驗次數來獲得最優的組合參數。它能夠系統地考慮所有可能的組合條件，從而大大減少實驗次數，提高效率。為全面考慮各工藝參數的影響，將三大成型條件，即溫度、壓力和時間，共七個成型工藝參數構建試驗因素水平表，見表3，用AG 字母段代表對應的試驗因素。

表3 試驗因素水平

3.2 構建正交表格進行分析

在取值范圍內對7 個成型工藝參數進行三水平取值，選擇L18（37）正交表進行實驗，并用Moldflow軟件進行數值模擬[5]。運用正交試驗法和極差分析理論[6]探究各工藝參數對保險杠縮痕指數的影響，最終得出試驗結果及極差分析表（表4）。

表4 試驗結果及極差分析

在正交試驗設計中，極差R 值越大，表明該參數對優化指標影響越大[6]。因此，根據表4 試驗結果和極差分析表得出極差R 值可知，各試驗因素對保險杠格柵縮痕的影響程度從大到小依次排列為：F > E >D > A> B > G > C。得出最優工藝參數組合為：A1B3C2D3E3F3G3，即熔體溫度為230 ℃、模具溫度為60 ℃、注塑壓力為80 MPa、注塑時間為6 s、保壓壓力為40 MPa、保壓時間為80 s 和冷卻時間為28 s。其中最大影響因素是保壓時間F，最小影響因素為注塑壓力C。

從圖3 因素效應曲線圖可以看出各試驗因素對縮痕指數的影響趨勢，其中熔體溫度A 對制品縮痕指數影響呈遞增趨勢，當熔體溫度過高時，熔體的熱脹冷縮特性使得進入模具型腔內的物料量相對減少，冷卻時塑料制品的體積收縮增大，從而造成縮痕指數增大[7]。而注塑時間D、保壓壓力E 和保壓時間F 對制品最大縮痕指數影響呈遞減趨勢，較長的注塑時間和保壓時間以及較大的保壓壓力有助于補償塑件因冷卻導致的體積收縮，使模腔填充完整以達到較高的飽和度，有利于減少或消除縮痕。而模具溫度B、注塑壓力C 和冷卻時間G 為非主要影響因素，對于縮痕指數的影響不大，在保證塑件制品品質的前提下，模具溫度設置高些有利于塑料熔體的流動，而注塑壓力可結合其他生產條件選適中的數值，同時可考慮縮短冷卻時間，這樣有助于縮短注塑成型周期，提高生產效率。

圖3 因素效應曲線

4 分析結論和改善效果

通過以上Moldflow 模擬及正交試驗設計分析結果，對7 個成型工藝參數進行最優組合，成型工藝參數優化數據見表5，并對優化后的工藝參數進行模擬分析，得出保險杠格柵的最大縮痕指數為0.483%，如圖4 所示。而優化前最大縮痕指數為2.5%，可見，優化后的工藝參數組合較優化前的工藝參數組合下降了80.7%，以最優工藝參數組合進行成型生產，縮痕改善明顯，滿足模具蝕紋要求，問題得以解決。

表5 成型工藝參數優化數據

圖4 優化工藝參數后模擬結果

優化后的工藝參數組合可較大程度的改善縮痕問題，所采用的分析方法為后續其他塑件生產中類似縮痕問題的解決提供了思路和指導。