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鞋仍；2.鎮(zhèn)江成功科技有限公司常摧，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(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)模型威创，并檢驗響應(yīng)模型的精確度及可信度落午。運用此模型進行注塑工藝參數(shù)優(yōu)化，得到最小總翹曲量和最小第一射收縮率肚豺，應(yīng)用最佳參數(shù)進行注塑過程模擬溃斋；進行試生產(chǎn)得到了變形量小、質(zhì)量較好的產(chǎn)品吸申。
關(guān)鍵詞:三色燈罩梗劫；注塑；數(shù)值模擬截碴；工藝參數(shù)梳侨；優(yōu)化設(shè)計
隨著社會的不斷發(fā)展，人們對汽車外觀和質(zhì)量的要求越來越高日丹。雙色或三色一次注射成型的產(chǎn)品外觀良好走哺，并具有較高的產(chǎn)品精度及結(jié)構(gòu)強度，因此在汽車行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛哲虾。為保證多色產(chǎn)品在不同顏色或不同材質(zhì)相互作用之后丙躏，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]束凑。在實際生產(chǎn)過程中晒旅，對于工藝參數(shù)的控制主要采用經(jīng)驗參數(shù)及試錯的方法，極大浪費了生產(chǎn)時間及生產(chǎn)資源湘今。數(shù)值模擬和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計技術(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)敢朱，大大縮短產(chǎn)品研制周期。Box-Behnken設(shè)計(BBD)是一種基于3水平的不完全因子設(shè)計方法，用于3～21因子二階多項式響應(yīng)模型的建立拴签。與中心復(fù)合和三級全因子設(shè)計等孝常，響應(yīng)面模型相比，BBD具有更高的效率蚓哩；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构灸，避免了極端條件下試驗無法進行或者試驗結(jié)果不穩(wěn)定的情況出現(xiàn)[2]。下面將采用BBD試驗設(shè)計方法岸梨，以高光三色汽車尾燈燈罩注塑為例喜颁，得出最佳工藝參數(shù)組合，以此工藝參數(shù)進行注塑模擬曹阔，并進行生產(chǎn)驗證半开，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赃份，其三維數(shù)據(jù)模型如圖1所示寂拆，尺寸為367.00mm×210.00mm×291.00mm，厚度均勻抓韩，大致為2.5mm纠永。白色透明及紅色透明部分為透光部分，其表面質(zhì)量要求較高谒拴，黑色不透明部分起裝飾及裝配作用尝江。根據(jù)塑件的使用性能，指定材料為流動性好英上、透光性好的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)炭序。
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)特性存在差異苍日，在注射成型后及服役條件下易產(chǎn)生開裂少态，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)鍵易遣。
多色塑件注射成型時彼妻，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進行注射成型模擬豆茫，發(fā)現(xiàn)黑色部分產(chǎn)生較大翹曲變形侨歉，如圖2所示。翹曲變形量達到14.95mm揩魂。為減小整個車燈的翹曲變形量幽邓，避免為裝配造成不便，采用包覆式注射成型火脉，即紅色部分包覆黑色及白色部分注射成型牵舵。由于白色透明部分和黑色部分不相互接觸柒啤，且均與紅色部分接觸，所以紅色部分作為第二射注塑畸颅，白色部分及黑色部分作為第一射注塑担巩。第1次合模，黑色及白色部分注塑完成后留在后模没炒，進行第1次開模涛癌，但不進行頂出動作，后模旋轉(zhuǎn)180°送火，第2次合模拳话，注射紅色部分，注塑完成后進第2次開模种吸，頂出整個塑件弃衍。
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坚俗。將黑色和紅色部分分別導(dǎo)入到Moldflow2016中進行2D網(wǎng)格劃分笨鸡，并對網(wǎng)格進行修改使得網(wǎng)格匹配率達到85％以上，最大縱橫比為10坦冠。分別在2D網(wǎng)格的基礎(chǔ)上進行3D網(wǎng)格劃分，并導(dǎo)入同一個分析任務(wù)中哥桥，選擇重疊注塑分析辙浑，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”拟糕，即可進行分析判呕。
1. 4 BBD試驗設(shè)計
使用Design-Expert軟件進行試驗設(shè)計、數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化送滞。BBD和中心復(fù)合試驗(CCD)常用于擬合二階響應(yīng)面模型侠草，但是CCD所需的試驗更多、成本更高犁嗅。試驗采用5因素3水平的BBD進行模擬边涕，根據(jù)經(jīng)驗，選取試驗變量為：A為第一射熔體溫度/℃褂微，B為第二射熔體溫度/℃功蜓，C為模具溫度/℃，D為保壓壓力/MPa宠蚂，E為保壓時間/s式撼，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]求厕。根據(jù)Moldflow材料庫中提供的PMMA材料參數(shù)設(shè)置范圍著隆，設(shè)置各因素的水平扰楼，BBD試驗各因素及其水平設(shè)置如表1所示。
采用響應(yīng)面回歸方法對BBD試驗數(shù)據(jù)進行分析美浦，擬合式(1)所示為二階多項式響應(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試驗設(shè)計弦赖，進行46組模擬仿真試驗，結(jié)果如表2所示抵代。
在表2的基礎(chǔ)上使用Design-Expert對試驗數(shù)據(jù)進行模型擬合腾节，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）所示的方程式荤牍。
式(2)～(3)中案腺，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)果的準確性康吵，可通過擬合度系數(shù)(R2)和方差分析對模型進行檢驗劈榨，表3為響應(yīng)模型各評價指標值。
表3中顯示晦嵌，所建立的響應(yīng)模型F值分別為96.53和1864.64同辣，均較大，遠大于1惭载，這表明響應(yīng)模型具有較高的顯著性旱函。P值均小于0.0001，這表明響應(yīng)模型在用于預(yù)測時描滔，由于噪聲產(chǎn)生誤差的概率僅為0.01％棒妨。R2值為組內(nèi)變化與總變化的比值，該值越接近于1含长，表明擬合程度越好券腔，該值越低，代表著擬合程度越低拘泞，應(yīng)不低于0.95纷纫。試驗中R2分別為0.9650和0.9886，表明擬合程度較好陪腌，表3中R2與預(yù)測擬合度系數(shù)(Pred R2)較為接近辱魁，實際值和預(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诗鸭。信噪比(Adeq Precisior)是有效信號與噪聲的比值商叹，其值大于4，表示響應(yīng)模型合理只泼，該試驗的信噪比分別為40.651和33.501剖笙。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请唱，能夠用于有限元模型預(yù)測弥咪。
2.2 參數(shù)優(yōu)化
使用Design-Expert的優(yōu)化模塊對試驗參數(shù)進行優(yōu)化过蹂，將優(yōu)化結(jié)果中的最佳參數(shù)組合作為試驗參數(shù)在Moldflow中進行注塑模擬，最佳參數(shù)組合及模擬所得結(jié)果如表4所示聚至。由此可以看出預(yù)測值與實際值非常接近酷勺，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)組合對黑色部分進行單獨注塑分析扳躬，即第一射熔體溫度242.39℃脆诉，模具溫度79.99℃，保壓壓力80.00MPa贷币，保壓時間12.00s击胜，如圖4所示，其翹曲變形量為12.120mm役纹，較優(yōu)化前降低了18.9％偶摔。
以表4中所示的參數(shù)進行試生產(chǎn)，汽車尾燈燈罩白色部分與黑色部分熔體溫度相同促脉，即塑件白色部分與黑色部分熔體溫度242.39℃辰斋，紅色部分熔體溫度240.08℃，模具溫度79.99℃瘸味，保壓壓力80.00MPa宫仗，保壓時間12.00s，得到了質(zhì)量較好的產(chǎn)品旁仿，實物如圖5所示藕夫。
3結(jié)論
a)通過BBD試驗設(shè)計，進行了高光三色汽車尾燈罩燈的工藝參數(shù)優(yōu)化丁逝，得到了響應(yīng)模型，且響應(yīng)的預(yù)測值與實際值較為接近梭姓，表明響應(yīng)模型具有較高的精確度和可信度霜幼。
b)采用最佳參數(shù)組合進行模擬，塑件黑色部分翹曲變形量為12.120mm誉尖，降低了18.9％罪既。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℃铡恕，模具溫度79.99℃琢感，保壓壓力力80.00MPa，保壓時間12.00s探熔。
c)通過參數(shù)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)驹针，得到最佳工藝參數(shù)組合，相較于傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法及試錯法诀艰，有效節(jié)約了生產(chǎn)時間及生產(chǎn)材料柬甥，降低生產(chǎn)成本饮六。
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