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:以高光三色汽車尾燈燈罩作為研究對象，使用Box-behnken設(shè)計(jì)(BBD)方法并通過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)
隨著社會的不斷發(fā)展，人們對汽車外觀和質(zhì)量的要求越來越高。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，因此在汽車行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。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)過程中，對于工藝參數(shù)的控制主要采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)及試錯的方法，極大浪費(fèi)了生產(chǎn)時間及生產(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)致塑件開裂的關(guān)鍵。
多色塑件注射成型時，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初步對汽車尾燈每一色單獨(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。為減小整個車燈的翹曲變形量，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次開模，但不進(jìn)行頂出動作，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次開模，頂出整個塑件。
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為保壓時間/s，由于塑件在注塑過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，可通過擬合度系數(shù)(R2)和方差分析對模型進(jìn)行檢驗(yàn)，表3為響應(yīng)模型各評價指標(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)測時，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)測擬合度系數(shù)(Pred R2)較為接近，實(shí)際值和預(yù)測值的圖解如圖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。
2.2 參數(shù)優(yōu)化
使用Design-Expert的優(yōu)化模塊對試驗(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BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了高光三色汽車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，保壓時間12.00s。
c)通過參數(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)方法及試錯法，有效節(jié)約了生產(chǎn)時間及生產(chǎn)材料，降低生產(chǎn)成本。
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