張文超1，吳迪1，王明偉1，李小虎1，崔恩銘1，周紀委1，葉星輝2
(1.大連工業(yè)大學(xué)機械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧大連116034；2.浙江凱華模具有限公司，浙江臺州318020)
摘要：為解決汽車(chē)B柱上飾板注塑成型過(guò)程中出現的體積收縮和翹曲變形等缺陷問(wèn)題，利用Moldex3D軟件，采用滑石粉改性聚丙烯材料對其注塑成型過(guò)程進(jìn)行模擬。以注射時(shí)間、熔體溫度、模具溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間為變量，體積收縮率和Z方向(產(chǎn)品脫模方向)的翹曲變形為目標，設計16組正交實(shí)驗。利用Critic權重法對二者進(jìn)行權重計算，并通過(guò)計算綜合評分將多目標優(yōu)化轉化為單目標優(yōu)化；最終通過(guò)計算綜合評分的極差分析得到五個(gè)工藝參數的影響大小排序為：保壓壓力>模具溫度>充填時(shí)間>熔體溫度>保壓時(shí)間，最優(yōu)成型工藝參數組合為充填時(shí)間為2s、熔體溫度為240℃、模具溫度為30℃、保壓壓力為70MPa、保壓時(shí)間為8s。將最優(yōu)成型工藝參數組合進(jìn)行模擬，得到該產(chǎn)品的體積收縮率為5.901%，Z方向翹曲變形量為1.75mm。與初始分析結果相比，體積收縮率降低了12.2%，Z方向翹曲變形量減小了9.04%。通過(guò)實(shí)際試模驗證，產(chǎn)品充填完全，質(zhì)量良好，符合生產(chǎn)要求
關(guān)鍵詞：汽車(chē)B柱上飾板；Moldex3D；正交試驗；Critic權重法；工藝參數優(yōu)化。
隨著(zhù)近年來(lái)汽車(chē)輕量化進(jìn)程的穩步推進(jìn)以及我國塑料工業(yè)的不斷發(fā)展，塑料在汽車(chē)工業(yè)中的應用品類(lèi)和范圍也在逐步擴大，汽車(chē)的內外飾件已基本實(shí)現塑料化[1]。汽車(chē)立柱飾板是汽車(chē)內飾件中必不可少的一部分。表面上，其不僅可以提升汽車(chē)內部的觀(guān)感，還可以保護立柱表面，避免日常使用中的磨損和劃傷，并對立柱內部的連接件和線(xiàn)束進(jìn)行隱藏，提高汽車(chē)內部的舒適感；結構上，其可以增強立柱的結構穩定性，對連接汽車(chē)的頂部和底部車(chē)身起著(zhù)重要作用，使車(chē)身更加穩定和堅固，還可以起到部分緩沖和吸能的作用，以減輕碰撞時(shí)對乘員產(chǎn)生的沖擊力[2-4]。
在實(shí)際注塑生產(chǎn)過(guò)程中，有諸多因素影響此類(lèi)塑件的成型質(zhì)量，尤其體現在工藝參數的選擇上。選擇不當的成型工藝參數，會(huì )引起翹曲、飛邊、熔接線(xiàn)等成型缺陷。針對注塑工藝參數尋優(yōu)已有較多的研究提供參考。孫肖霞等[5]以冰箱抽屜為研究對象，采用漸進(jìn)式正交試驗并結合灰色關(guān)聯(lián)法進(jìn)行極差分析快速找到最佳工藝成型參數，提高了制品質(zhì)量。李姝等[6]采用熵權法對汽車(chē)左側前保險杠成型時(shí)的翹曲變形和體積收縮缺陷進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)對綜合評分的極差分析得出最優(yōu)工藝參數。Lo[7]利用Moldflow對電腦散熱風(fēng)扇的葉輪進(jìn)行注塑過(guò)程模擬，為解決翹曲問(wèn)題采用田口法與灰色關(guān)聯(lián)度相結合的方法確定最佳工藝參數，以減少試模成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。朱紅萍等[8]通過(guò)理論分析、有限元仿真以及實(shí)驗驗證的方法對洗衣機水盒蓋進(jìn)行成型質(zhì)量分析，以熔接線(xiàn)為優(yōu)化目標進(jìn)行田口實(shí)驗，從而得到最優(yōu)工藝組合，并通過(guò)模具設計以及試模驗證其成型質(zhì)量。Hiyane-Nashiro等[9]提出了EAAWSM加權求合法，通過(guò)與Taguchi-Gray，TOPSIS，MOGA三種優(yōu)化方法對比，有效降低了塑件的收縮率和翹曲，表明這種方法對優(yōu)化兩個(gè)或者多個(gè)變量的優(yōu)勢與結果具有可靠性。任立輝等[10]為提高坐廁椅面板注射成型質(zhì)量，以翹曲變形量、縮痕指數、體積收縮率為評價(jià)指標，利用Critic法確定了各評價(jià)指標權重系數，采用基于TOPSIS的灰色關(guān)聯(lián)綜合評價(jià)方法，獲得了塑件的最佳注塑工藝參數組合。上述研究大多通過(guò)復雜的計算或者程序進(jìn)行工藝優(yōu)化，在生產(chǎn)時(shí)比較費時(shí)費力，且無(wú)法保證提高生產(chǎn)效率和節省生產(chǎn)成本。而利用Critic權重法進(jìn)行工藝參數尋優(yōu)其優(yōu)勢在于能夠有效處理多目標問(wèn)題，找出相對平衡的解決方案，可以根據實(shí)際需求調整權重，以精確反應目標的重要性從而得到更合理的工藝參數；計算速度相對較快，以提高生產(chǎn)效率、降低能耗、減少生產(chǎn)成本。
基于上述分析，筆者以汽車(chē)B柱上飾板為研究對象，利用Moldex3D軟件對其注塑成型過(guò)程模擬。在初始工藝分析的基礎上通過(guò)設計正交試驗，運用Critic權重法計算體積收縮率和Z方向(產(chǎn)品脫模方向)翹曲變形量的權重，再通過(guò)對綜合評分的極差分析，將多目標優(yōu)化轉化為單目標優(yōu)化，以得出最優(yōu)成型工藝參數。最終結合仿真模擬和實(shí)際試模驗證，來(lái)提高產(chǎn)品的品質(zhì)和合格率。
1汽車(chē)B柱上飾板工藝性分析
1.1 產(chǎn)品結構
利用UG10.0對某型號汽車(chē)B柱上飾板進(jìn)行三維模型建立，單個(gè)塑件長(cháng)度為445mm，寬度為252mm，高度為60mm，體積為323049.73mm3，平均壁厚約為2.5mm。圖1為汽車(chē)B柱上飾板三維模型。從圖1看出，塑件的背面具有復雜的結構，包含多個(gè)卡扣和加強筋。該塑件成型時(shí)需要同時(shí)滿(mǎn)足外觀(guān)表面平整光潔、無(wú)飛邊毛刺、熔接線(xiàn)等缺陷的要求，還要保證能否與其他件正確配合安裝。因此，成型過(guò)程中需避免產(chǎn)生較大的翹曲和體積收縮現象。
1.2產(chǎn)品的材料特性
筆者選用由蘇州旭光聚合物有限公司生產(chǎn)的型號為P221T-UV的含有15%滑石粉(talc)填充的聚丙烯材料。該材料經(jīng)常應用于成型汽車(chē)內飾件，有良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的耐UV老化性能[11]。該材料所推薦的工藝參數列于表1。
1.3 設計澆注系統
為了使熔融材料快速充填型腔，節省原材料的同時(shí)還要減小壓力和熱量損失，所以采用熱流道和普通流道相結合的復合進(jìn)料結構[12]。該塑件對表面質(zhì)量要求較高，遂采用潛伏式牛角澆口進(jìn)行一模兩腔成型。本次澆注系統方案如圖2所示。
圖2澆筑系統
1.4網(wǎng)格的劃分與處理
首先在CADdoctor中修復和簡(jiǎn)化塑件模型，將修復簡(jiǎn)化完的模型導入Moldex3D中分別對塑件和流道系統進(jìn)行網(wǎng)格劃分并手動(dòng)修復網(wǎng)格缺陷。最終得到網(wǎng)格數量總數為1487491個(gè)。圖3為汽車(chē)B柱上飾板網(wǎng)格劃分結果及數量。
1.5初始工藝參數分析
在Moldex3D中對該塑件模擬注塑成型的初始工藝參數設為：充填時(shí)間3s、塑料溫度220℃、模具溫度45℃、保壓時(shí)間10s、保壓壓力70MPa。對初始工藝參數進(jìn)行“充填+保壓+翹曲”分析，圖4為初始模擬結果，該塑件體積收縮率為6.721%，Z方向翹曲變形上翹1.924mm，下榻1.445mm。體積收縮率不均勻和Z方向的翹曲過(guò)大會(huì )對產(chǎn)品造成很大影響，比如產(chǎn)生尺寸失控、安裝時(shí)發(fā)生不匹配等問(wèn)題，所以需將二者控制在6.3%和1.8mm以下的范圍內。初始分析結果并不符合要求，因此繼續對體積收縮率以及Z方向翹曲進(jìn)行優(yōu)化，以達到設計指標要求，并改善塑件質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率。
圖4初始分析
2成型工藝正交試驗設計與結果分析
2.1 正交試驗因素與水平
均勻的體積收縮率和較低的Z方向翹曲變形量取決于塑件成型過(guò)程中工藝參數的調整，因此選用合適的成型工藝參數就顯得十分重要。因此選取注射時(shí)間(A)、熔體溫度(B)、模具溫度(C)、保壓壓力(D)、保壓時(shí)間(E)為變量，體積收縮率和Z方向的翹曲量為優(yōu)化目標，根據所使用的成型材料參數，選擇4個(gè)水平進(jìn)行正交試驗設計。正交試驗因素水平表見(jiàn)表2。
2.2正交試驗方案設計
根據表2的因素水平表得知，需要選取L16(45)正交表進(jìn)行試驗。使用Moldex3D模流分析軟件進(jìn)行16組注塑成型過(guò)程的模擬，并得到每次試驗汽車(chē)B柱上飾板本體在Z方向的翹曲變形量和體積收縮率。正交試驗結果見(jiàn)表3。
3 Critic權重法
Critic權重法是根據各目標所占的權重，通過(guò)計算綜合評分將多目標優(yōu)化轉化為單目標優(yōu)化，最終進(jìn)行極差分析得到影響目標因素的主次及最優(yōu)成型方案[13]。本次試驗的目標是同時(shí)優(yōu)化汽車(chē)B柱上飾板成型中的體積收縮率和Z方向翹曲變形兩種缺陷，通過(guò)改變工藝參數，以尋求二者的最優(yōu)成型工藝方案。
由于所要優(yōu)化的體積收縮率和Z方向翹曲量所在量綱和單位不同，所以要先進(jìn)行無(wú)量綱化處理，使數據的比較和分析變得更加方便和準確。計算公式見(jiàn)式(1)。
（1）
式中：x'ij表示無(wú)量綱化后的值；xij表示第i次試驗j指標所對應的試驗值；minxij表示本次試驗中的最小值；maxxij表示本次試驗中的最大值[14]。在Critic權重法中，為反映一個(gè)數據集的離散程度，遂采用標準差來(lái)表示各指標內取值的差異波動(dòng)情況。標準差越大表示該指標的數值差異越大，越能反映出更多的信息，該指標本身的評價(jià)強度也就越強[15]，計算公式為式(2)。
（2）
式中：Sj表示第j個(gè)指標的標準差；j表示第j個(gè)指標的平均值；n表示試驗次數，n取16。
信息量表示評價(jià)指標在整個(gè)評價(jià)指標體系中的作用[10]，其計算公式為公式(3)。
（3）
式中：Cj表示第j個(gè)指標的信息量；rij表示評價(jià)指標i和j之間的相關(guān)系數。
權重是指某一因素或指標所占的百分比，表示該因素或指標在整體評價(jià)中的相對重要程度[16-17]，其計算公式為公式(4)。
（4）
式中：ωj表示第j個(gè)指標的權重。
計算Critic綜合評分值如式(5)所示：
（5）
式中：I表示綜合評分。
將表3的試驗結果分別帶入到公式(1)~(5)中，得到無(wú)量綱化、標準差、信息量、權重以及綜合評分的值列于表4。
將最終綜合評分的值進(jìn)行極差分析，見(jiàn)表5。極差值越大，說(shuō)明該因素對綜合評分影響越大。
通過(guò)分析表5綜合評分的極差，可以得出保壓壓力對綜合評分影響最大，其次是模具溫度、充填時(shí)間和熔體溫度的影響，而保壓時(shí)間對綜合評分的影響最小。因此得到綜合評分的最優(yōu)成型工藝參數組合為A1B4C1D3E2，即充填時(shí)間2s、熔體溫度240℃、模具溫度30℃、保壓壓力70MPa、保壓時(shí)間8s。
4優(yōu)化模擬結果對比分析
根據上述綜合評分優(yōu)化的最優(yōu)成型工藝參數組合A1B4C1D3E2在Moldex3D中進(jìn)行模擬分析，綜合評分優(yōu)化的最優(yōu)工藝參數組合模擬結果如圖5所示。該產(chǎn)品初始工藝參數組合與綜合評分優(yōu)化的最優(yōu)成型參數組合數據對比見(jiàn)表6。
圖5最優(yōu)工藝參數分析結果
表6初始工藝參數與最優(yōu)工藝參數對比
從圖5及表6可以看出，綜合評分優(yōu)化的最優(yōu)工藝參數組合方案成型下體積收縮率為5.901%，Z方向翹曲變形為上翹1.75mm，下榻1.289mm，相較于初始成型分析下分別減小了1.466%和0.174mm，降低了12.2%和9.04%，得到了相對較優(yōu)的成型結果，使塑件成型質(zhì)量明顯提高。
為了驗證試驗的準確性，將最優(yōu)工藝參數組合A1B4C1D3E2輸入注塑機進(jìn)行現場(chǎng)試模驗證，試模樣品如圖6所示。經(jīng)過(guò)對試模樣品的觀(guān)察，可以得出該塑件的成型效果良好，表面沒(méi)有明顯的外觀(guān)缺陷。此外，其體積收縮率和Z方向的翹曲變形量符合要求，可以滿(mǎn)足正常裝配。驗證了正交實(shí)驗與Critic權重法相結合的優(yōu)化方法的可行性，提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)能夠提升生產(chǎn)效率。
圖6汽車(chē)B柱上飾板試模樣品
5結論
(1)基于Moldex3D模流分析軟件對汽車(chē)B柱上飾板的體積收縮率和Z方向翹曲變形量?jì)煞N缺陷進(jìn)行分析，并采用正交實(shí)驗與Critic權重法相結合的方法，將兩種缺陷轉化為綜合評分值來(lái)進(jìn)行工藝參數優(yōu)化。
(2)通過(guò)計算綜合評分的極差以得到影響二者的因素主次為：保壓壓力>模具溫度>充填時(shí)間>熔體溫度>保壓時(shí)間，并最終得出最優(yōu)成型工藝方案A1B4C1D3E2，即充填時(shí)間2s、熔體溫度240℃、模具溫度30℃、保壓壓力70MPa、保壓時(shí)間8s。
(3)通過(guò)對最優(yōu)工藝參數組合進(jìn)行模擬分析，得出體積收縮率為5.901%和Z方向翹曲變形量為1.75mm；與初始分析相比，二者分別降低了12.2%和9.04%；結合現場(chǎng)試模驗證，該塑件成型質(zhì)量良好，滿(mǎn)足正常裝配，符合批量生產(chǎn)要求。
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