基于CAE汽車B柱飾板變形分析及工藝優(yōu)化研究

任東雪，徐少華，陳土輝，王 月，林 強(qiáng)，王 浩，袁國強(qiáng)

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

1 引言

本文以汽車B柱飾板為研究對象，以ASA為注射材料，運(yùn)用MoldFlow模流分析軟件對汽車B柱飾板在注射成型時(shí)的翹曲變形進(jìn)行模擬分析，并通過正交試驗(yàn)法重點(diǎn)研究各因素對其變形的影響，獲得較優(yōu)的工藝方案，用以指導(dǎo)后續(xù)塑件設(shè)計(jì)和模具開發(fā)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材料選擇

汽車B 柱飾板材料多為聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、ABS或ASA，本文中汽車B柱飾板選用ASA作為注射材料。ASA 是由丙烯酸丁酯—苯乙烯—丙烯腈三元共聚形成的一種非結(jié)晶性熱塑性塑料[4~6]，相對于結(jié)晶性塑料，其分子鏈排列處于雜亂無章的狀態(tài)，各向異性較小，因各向異性導(dǎo)致的收縮引起的變形較小[7]。ASA材料分子鏈中全部為飽和的C-C鍵構(gòu)成，不存在不夠穩(wěn)定的C=C 鍵，因此其相對于具有殘留不飽和C=C鍵的ABS材料，ASA具有更優(yōu)越的耐候性[8]，此外，ASA 材料還具有良好的抗沖擊性能、易著色和耐化學(xué)腐蝕性。因此該材料比較適合用于汽車立柱裝飾板的注射材料。

本次試驗(yàn)中選用注射的ASA 材料牌號為ASA XC230，制造商：KUMHOSUNNY。該材料的推薦注射工藝參數(shù)如表1所示。

表1 ASA材料推薦注射工藝參數(shù)

ASA 材料的PVT 曲線（P：壓力、V：體積、T：溫度）與黏度曲線分別如圖1、圖2所示。

圖1 ASA材料PVT曲線

圖2 ASA材料粘度曲線

由粘度曲線可知：在溫度一定時(shí)，該材料的粘度隨剪切速率的增大而降低，在剪切速率一定時(shí)，溫度越高，粘度越小。由PVT曲線可知：在壓力一定時(shí)，體積比容隨溫度的升高而增大；在溫度一定時(shí)，壓力越小，體積比容越大。在進(jìn)膠位置及澆口數(shù)量一定時(shí)，熔體溫度越高，注射壓力相對越小，可以通過適當(dāng)升高材料熔體溫度來降低材料的粘度，達(dá)到降低注射壓力的目的。

2.2 基于MoldFlow分析的模型處理

本次分析所選用的汽車B 柱飾板模型尺寸為448×90×28mm，除邊緣局部漸變減薄外，其主壁厚均為3mm，將其塑件_xt 文件導(dǎo)入MoldFlow Insight 軟件中，網(wǎng)格類型選擇雙層面網(wǎng)格，網(wǎng)格密度采用系統(tǒng)推薦的1.93mm，自動(dòng)劃分網(wǎng)格后得到汽車B柱飾板網(wǎng)格模型，如圖3所示。對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢查，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 網(wǎng)格質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表

從網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：汽車B柱飾板模型劃分的網(wǎng)格中不存在相交單元、重疊單元、自由邊等，縱橫比最大13.52，平均縱橫比為1.65，網(wǎng)格匹配百分比為96.4%，說明網(wǎng)格匹配度良好，不需要對網(wǎng)格進(jìn)行修補(bǔ)。汽車B柱飾板網(wǎng)格模型如圖3所示。

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圖3 汽車B柱飾板網(wǎng)格模型

2.3 澆注系統(tǒng)建立

根據(jù)該汽車B 柱飾板的尺寸，澆注系統(tǒng)采用2 點(diǎn)針閥式熱流道轉(zhuǎn)冷流道組成，通過一端的側(cè)澆口作為主澆口進(jìn)膠，在另一端側(cè)邊通過滑塊結(jié)構(gòu)設(shè)置保壓澆口，既可以保證充填末端保壓良好，也可以避免因時(shí)序充填導(dǎo)致的塑件表面出現(xiàn)缺陷[9]，兩個(gè)澆口位置裝配后均不可見，不影響外觀。該B柱飾板為左右對稱件，因此設(shè)計(jì)為1模2腔的澆注系統(tǒng)，為減輕計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，本次實(shí)驗(yàn)將塑件及相關(guān)澆口流道的分析出現(xiàn)次數(shù)設(shè)置為2，與實(shí)際1模2腔的排位及分析一致。塑件及澆注系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 汽車B柱飾板澆注系統(tǒng)

2.4 MoldFlow分析結(jié)果

使用MoldFlow軟件推薦的默認(rèn)分析參數(shù)，即模具溫度60℃、熔體溫度250℃，保壓時(shí)間10s，保壓壓力為填充壓力的80%進(jìn)行填充-保壓-翹曲分析，得到注射壓力及變形結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 注射位置處壓力

圖6 默認(rèn)參數(shù)下變形結(jié)果

通過圖5 可以看出：默認(rèn)方案的注射最大壓力為88.4MPa，其中保壓壓力為70.72MPa，最大注射壓力小于100MPa，在可接受范圍內(nèi)。通過圖6可以看出分析結(jié)果中X方向和Y方向變形較小，均在可接受范圍內(nèi)；Z方向分析翹曲變形為5.052mm，分析該翹曲變形的原因是由于塑件料厚及各部分溫度不均使熔體凍結(jié)過程中收縮不均導(dǎo)致的，而填充過程中分子取向不均也會(huì)導(dǎo)致翹曲變形，但該因素相對于收縮不均影響較小。接下來將通過CAE技術(shù)，采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)減小B柱飾板Z方向變形量的目的。

2.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與仿真分析

（1）正交試驗(yàn)因素確定。

在注射過程中，影響塑件翹曲變形的因素較多，其中模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間這5種因素對變形結(jié)果影響較大。

其中模具溫度主要影響塑件的冷卻速率。通過控制模具溫度可使型腔內(nèi)塑件各區(qū)域溫度均勻分布，冷卻一致，從而減小塑件因內(nèi)應(yīng)力引起的翹曲變形來達(dá)到改善塑件質(zhì)量的目的。

熔體溫度即注射溫度，合理的設(shè)置注射溫度有利于高分子熔體的流動(dòng)填充，以獲得高質(zhì)量的塑件，相反則影響塑件的品質(zhì)。如注射溫度設(shè)置較高，高分子熔體流動(dòng)性提升，但可能會(huì)導(dǎo)致高分子材料過熱分解，影響塑件的性能，且熔體溫度較高需要更長的冷卻時(shí)間，將會(huì)延長塑件的生產(chǎn)周期；注射溫度設(shè)置較低，會(huì)使熔體冷料堵塞流道、澆口等，造成充填困難。

保壓壓力是在注射完成后，對型腔內(nèi)塑件因冷卻凍結(jié)收縮形成的空隙進(jìn)行補(bǔ)縮，通過保壓壓力來調(diào)節(jié)塑件的收縮率，保證塑件各區(qū)域質(zhì)量的一致性、均勻性和致密性等。

保壓時(shí)間合理設(shè)置可以有效改善塑件因收縮差異導(dǎo)致的缺陷，壁厚越厚的塑件冷卻時(shí)間越長，因此應(yīng)設(shè)置相對較長的保壓時(shí)間，當(dāng)保壓至一定時(shí)間后，型腔內(nèi)的塑件完全凍結(jié)，繼續(xù)保壓將不能繼續(xù)減小收縮、反而徒增生產(chǎn)周期，結(jié)合實(shí)際，本塑件的保壓時(shí)間設(shè)置為8～16s[10~11]。

冷卻時(shí)間是熔體注射入型腔至開模動(dòng)作開始時(shí)的時(shí)間差，在這段時(shí)間中，隨著冷卻時(shí)間的延長，高分子熔體逐步從熔融狀態(tài)凍結(jié)為固態(tài)的塑件，合理的設(shè)置冷卻時(shí)間既能保證塑件質(zhì)量又能有效縮短塑件生產(chǎn)周期。

本文以模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間5 個(gè)影響因素為主要工藝參數(shù)，分別用A、B、C、D 和E 表示，每個(gè)工藝參數(shù)取5 個(gè)水平，分別為水平1、水平2、水平3、水平4 和水平5，根據(jù)上述5個(gè)工藝參數(shù)5 個(gè)水平結(jié)合材料推薦工藝表1 中數(shù)據(jù)，建立5因素5水平的正交試驗(yàn)，如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)因素水平表

（2）正交試驗(yàn)方案與仿真分析。

根據(jù)正交試驗(yàn)因素水平表進(jìn)行正交試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)序號為1~25，并以MoldFlow模擬分析結(jié)果中的Z方向變形結(jié)果為實(shí)驗(yàn)的評定依據(jù)，用Z方向變形/mm 表示。建立正交試驗(yàn)方案如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)方案表中的相關(guān)參數(shù)，運(yùn)用MoldFlow模流分析軟件對塑件進(jìn)行翹曲變形分析，得到不同參數(shù)下的分析結(jié)果，并變將Z方向形結(jié)果作為正交試驗(yàn)的評定依據(jù)填入表4所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 均值與極差分析

通過對表1 中正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理，得到不同影響因素（A、B、C、D、E）、不同水平（1、2、3、4、5）試驗(yàn)下的均值，取各因素下不同水平實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大均值與最小均值求差，即得到該影響因素的極差R，如表5所示。極差值的大小反映該影響因素對評定依據(jù)的影響能力，極差值越大，表明該影響因素對評定依據(jù)的影響能力越強(qiáng)；極差值越小，表明該影響因素對評定依據(jù)的影響能力越弱[12~13]。

表5 均值與極差分析結(jié)果

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以得出，RD＞RA＞RC＞RE＞RB，因此對該B 柱飾板Z方向變形影響最大的因素是保壓時(shí)間，其它因素依次是模具溫度、保壓壓力、冷卻時(shí)間和熔體溫度。根據(jù)塑件成型要求，Z方向的變形越小越好，因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選定的最佳方案參數(shù)為A5B5C1D5E1，即模具溫度80℃、熔體溫度260℃、保壓壓力60MPa、保壓時(shí)間16s、冷卻時(shí)間16s。

2.2 最佳方案參數(shù)驗(yàn)證

根據(jù)得到的最佳方案參數(shù)，模具溫度80℃、熔體溫度260℃、保壓壓力60MPa、保壓時(shí)間16s、冷卻時(shí)間16s，輸入到MoldFlow軟件中再次進(jìn)行仿真分析，得到Z方向變形結(jié)果如圖7所示。

從圖7 中可以看出，選擇該最佳的工藝參數(shù)進(jìn)行仿真分析，得到Z方向變形為3.546mm，比原有默認(rèn)方案分析結(jié)果Z方向變形減小了1.506mm，即Z方向變形量降低了29.8%。通過比較試驗(yàn)1~25 的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，通過正交試驗(yàn)得到的最佳工藝參數(shù)確實(shí)得到了更為理想的變形量，因此可以確定，該方法得到的優(yōu)化方案有效可靠。

圖7 優(yōu)化后的Z方向變形結(jié)果

4 結(jié)論

（1）通過CAE技術(shù)對ASA汽車B柱飾板的變形進(jìn)行分析，得到默認(rèn)參數(shù)下B 柱飾板的變形結(jié)果，并根據(jù)所選擇ASA材料的屬性，運(yùn)用正交試驗(yàn)法對該塑件注射成型的主要影響因素進(jìn)行優(yōu)化分析研究，確認(rèn)各因素對B柱飾板變形的影響能力為保壓時(shí)間＞模具溫度＞保壓壓力＞冷卻時(shí)間＞熔體溫度，并根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到最佳的工藝參數(shù)為模具溫度80℃、熔體溫度260℃、保壓壓力60MPa、保壓時(shí)間16s、冷卻時(shí)間16s。

（2）將正交實(shí)驗(yàn)得出的最佳工藝參數(shù)輸入MoldFlow軟件進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明該工藝參數(shù)較默認(rèn)參數(shù)使B 柱飾板Z方向變形量降低了29.8%，且低于其它參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果值。通過該實(shí)驗(yàn)得出的最佳注射工藝參數(shù)及變形結(jié)果對后續(xù)塑件預(yù)變形設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和試模參數(shù)的設(shè)定都具有較大的參考意義，可以有效的減少改模和試模次數(shù)，縮短模具制造周期，降低模具的生產(chǎn)成本。