雷繼梅1 倪君杰2 黃瑤1 王釗1
1.江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.鎮(zhèn)江成功科技有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 2212028
摘要:以高光三色汽車(chē)尾燈燈罩作為研究對(duì)象，使用Box-behnken設(shè)計(jì)(BBD)方法并通過(guò)Design-Expert軟件建立塑件總翹曲量及第一射收縮率與注塑參數(shù)的響應(yīng)模型，并檢驗(yàn)響應(yīng)模型的精確度及可信度。運(yùn)用此模型進(jìn)行注塑工藝參數(shù)優(yōu)化，得到最小總翹曲量和最小第一射收縮率，應(yīng)用最佳參數(shù)進(jìn)行注塑過(guò)程模擬；進(jìn)行試生產(chǎn)得到了變形量小、質(zhì)量較好的產(chǎn)品。
關(guān)鍵詞:三色燈罩；注塑；數(shù)值模擬；工藝參數(shù)；優(yōu)化設(shè)計(jì)
隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)外觀和質(zhì)量的要求越來(lái)越高。雙色或三色一次注射成型的產(chǎn)品外觀良好，并具有較高的產(chǎn)品精度及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此在汽車(chē)行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。為保證多色產(chǎn)品在不同顏色或不同材質(zhì)相互作用之后，仍具有較好的外觀質(zhì)量和使用性能，選擇最佳注塑工藝參數(shù)尤為重要[1]。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于工藝參數(shù)的控制主要采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)及試錯(cuò)的方法，極大浪費(fèi)了生產(chǎn)時(shí)間及生產(chǎn)資源。數(shù)值模擬和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用可通過(guò)參數(shù)組合優(yōu)化提升產(chǎn)品性能和品質(zhì)，大大縮短產(chǎn)品研制周期。Box-Behnken設(shè)計(jì)(BBD)是一種基于3水平的不完全因子設(shè)計(jì)方法，用于3～21因子二階多項(xiàng)式響應(yīng)模型的建立。與中心復(fù)合和三級(jí)全因子設(shè)計(jì)等，響應(yīng)面模型相比，BBD具有更高的效率；并且BBD不包括所有因子同時(shí)處于最低水平或最高水平的組合，避免了極端條件下試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行或者試驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定的情況出現(xiàn)[2]。下面將采用BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以高光三色汽車(chē)尾燈燈罩注塑為例，得出最佳工藝參數(shù)組合，以此工藝參數(shù)進(jìn)行注塑模擬，并進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，得到高質(zhì)量產(chǎn)品。
1 材料與方法
1.1塑件材料選擇
車(chē)尾燈是高光三色塑件，其三維數(shù)據(jù)模型如圖1所示，尺寸為367.00mm×210.00mm×291.00mm，厚度均勻，大致為2.5mm。白色透明及紅色透明部分為透光部分，其表面質(zhì)量要求較高，黑色不透明部分起裝飾及裝配作用。根據(jù)塑件的使用性能，指定材料為流動(dòng)性好、透光性好的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
1.2 注望順序選擇
塑件注射成型過(guò)程的翹曲變形及殘余應(yīng)力是影響塑件服役壽命的關(guān)鍵[3]。由于多色塑件不同顏色部位的材質(zhì)特性存在差異，在注射成型后及服役條件下易產(chǎn)生開(kāi)裂，影響塑件的外觀質(zhì)量及使用壽命，多色塑件不同顏色部位的翹曲變形更是導(dǎo)致塑件開(kāi)裂的關(guān)鍵。
多色塑件注射成型時(shí)，不同顏色部位的結(jié)合方式主要有拼接式和覆蓋式。使用Moldflow2016初步對(duì)汽車(chē)尾燈每一色單獨(dú)進(jìn)行注射成型模擬，發(fā)現(xiàn)黑色部分產(chǎn)生較大翹曲變形，如圖2所示。翹曲變形量達(dá)到14.95mm。為減小整個(gè)車(chē)燈的翹曲變形量，避免為裝配造成不便，采用包覆式注射成型，即紅色部分包覆黑色及白色部分注射成型。由于白色透明部分和黑色部分不相互接觸，且均與紅色部分接觸，所以紅色部分作為第二射注塑，白色部分及黑色部分作為第一射注塑。第1次合模，黑色及白色部分注塑完成后留在后模，進(jìn)行第1次開(kāi)模，但不進(jìn)行頂出動(dòng)作，后模旋轉(zhuǎn)180°，第2次合模，注射紅色部分，注塑完成后進(jìn)第2次開(kāi)模，頂出整個(gè)塑件。
1.3 注塑模擬
由于塑件黑色部分產(chǎn)生較大塑性變形，在注塑分析過(guò)程中主要分析黑色部分及與其相接的紅色部分變形程度。將黑色和紅色部分分別導(dǎo)入到Moldflow2016中進(jìn)行2D網(wǎng)格劃分，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行修改使得網(wǎng)格匹配率達(dá)到85％以上，最大縱橫比為10。分別在2D網(wǎng)格的基礎(chǔ)上進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分，并導(dǎo)入同一個(gè)分析任務(wù)中，選擇重疊注塑分析，定義澆口位置及注塑順序。注塑分析程序選擇為“填充十保壓十重疊注塑填充十重疊注塑保壓”，即可進(jìn)行分析。
1. 4 BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)
使用Design-Expert軟件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化。BBD和中心復(fù)合試驗(yàn)(CCD)常用于擬合二階響應(yīng)面模型，但是CCD所需的試驗(yàn)更多、成本更高。試驗(yàn)采用5因素3水平的BBD進(jìn)行模擬，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選取試驗(yàn)變量為：A為第一射熔體溫度/℃，B為第二射熔體溫度/℃，C為模具溫度/℃，D為保壓壓力/MPa，E為保壓時(shí)間/s，由于塑件在注塑過(guò)程中不同部位的收縮不均是導(dǎo)致塑件產(chǎn)生翹曲變形的主要原因，所以將總體翹曲變形量(Y1)及第一射收縮率(Y2)作為響應(yīng)值[4]。根據(jù)Moldflow材料庫(kù)中提供的PMMA材料參數(shù)設(shè)置范圍，設(shè)置各因素的水平，BBD試驗(yàn)各因素及其水平設(shè)置如表1所示。
采用響應(yīng)面回歸方法對(duì)BBD試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，擬合式(1)所示為二階多項(xiàng)式響應(yīng)模型[5]：
2結(jié)果分析
2.1 響應(yīng)模型擬合
采用5因素3水平的BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行46組模擬仿真試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。
在表2的基礎(chǔ)上使用Design-Expert對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型擬合，將失效率（p）大于0.05的非顯著因素排除，可得到如式（2）和（3）所示的方程式。
式(2)～(3)中，Y1和Y2分別為響應(yīng)值總翹曲量和第一射收縮率。
為保證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，可通過(guò)擬合度系數(shù)(R2)和方差分析對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，表3為響應(yīng)模型各評(píng)價(jià)指標(biāo)值。
表3中顯示，所建立的響應(yīng)模型F值分別為96.53和1864.64，均較大，遠(yuǎn)大于1，這表明響應(yīng)模型具有較高的顯著性。P值均小于0.0001，這表明響應(yīng)模型在用于預(yù)測(cè)時(shí)，由于噪聲產(chǎn)生誤差的概率僅為0.01％。R2值為組內(nèi)變化與總變化的比值，該值越接近于1，表明擬合程度越好，該值越低，代表著擬合程度越低，應(yīng)不低于0.95。試驗(yàn)中R2分別為0.9650和0.9886，表明擬合程度較好，表3中R2與預(yù)測(cè)擬合度系數(shù)(Pred R2)較為接近，實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的圖解如圖3所示，表明該模型能夠很好地解釋該試驗(yàn)。信噪比(Adeq Precisior)是有效信號(hào)與噪聲的比值，其值大于4，表示響應(yīng)模型合理，該試驗(yàn)的信噪比分別為40.651和33.501。綜上所述，Y1和Y2的響應(yīng)近似模型均具有較高的精確度和可信度，能夠用于有限元模型預(yù)測(cè)。
2.2 參數(shù)優(yōu)化
使用Design-Expert的優(yōu)化模塊對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化結(jié)果中的最佳參數(shù)組合作為試驗(yàn)參數(shù)在Moldflow中進(jìn)行注塑模擬，最佳參數(shù)組合及模擬所得結(jié)果如表4所示。由此可以看出預(yù)測(cè)值與實(shí)際值非常接近，這表明響應(yīng)模型具有較高精確度和可信度。
使用此最佳參數(shù)組合對(duì)黑色部分進(jìn)行單獨(dú)注塑分析，即第一射熔體溫度242.39℃，模具溫度79.99℃，保壓壓力80.00MPa，保壓時(shí)間12.00s，如圖4所示，其翹曲變形量為12.120mm，較優(yōu)化前降低了18.9％。
以表4中所示的參數(shù)進(jìn)行試生產(chǎn)，汽車(chē)尾燈燈罩白色部分與黑色部分熔體溫度相同，即塑件白色部分與黑色部分熔體溫度242.39℃，紅色部分熔體溫度240.08℃，模具溫度79.99℃，保壓壓力80.00MPa，保壓時(shí)間12.00s，得到了質(zhì)量較好的產(chǎn)品，實(shí)物如圖5所示。
3結(jié)論
a)通過(guò)BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了高光三色汽車(chē)尾燈罩燈的工藝參數(shù)優(yōu)化，得到了響應(yīng)模型，且響應(yīng)的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值較為接近，表明響應(yīng)模型具有較高的精確度和可信度。
b)采用最佳參數(shù)組合進(jìn)行模擬，塑件黑色部分翹曲變形量為12.120mm，降低了18.9％。此時(shí)參數(shù)組合為第一射熔體溫度242.39℃，第二射熔體溫度240.08℃，模具溫度79.99℃，保壓壓力力80.00MPa，保壓時(shí)間12.00s。
c)通過(guò)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，得到最佳工藝參數(shù)組合，相較于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法及試錯(cuò)法，有效節(jié)約了生產(chǎn)時(shí)間及生產(chǎn)材料，降低生產(chǎn)成本。
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