注塑工艺参数对聚碳酸酯车灯面罩翘曲变形的影响

刘朝福，冯翠云，史双喜

（桂林电子科技大学信息科技学院，广西 桂林541004）

0 前言

汽车的车灯面罩又称车灯配光镜，是车辆的重要功能与装饰零件，可以用PC注塑而成。PC是一种无色、透明的无定型热塑性塑料，具有优良的力学和光学性能，但对成型工艺的要求较为苛刻，实际生产中极容易出现欠注、流纹、翘曲变形等不良现象[1]。特别是翘曲变形现象，过大的翘曲变形不仅直接影响车灯面罩与其它零部件的装配精度，而且严重影响车辆的观感品质。在车灯面罩的注塑过程中，除了选择合适的塑料原料、注塑机和注塑模具外，还需要确定合理的熔体温度、模具温度、注射速度、保压压力和保压时间等工艺参数值。

由于注塑工艺参数之间是非线性和强耦合性的[2]，从而使得工艺参数的设计与优化过程变得十分的困难和费时。正交实验法则可以用少量的试验次数就可以较为全面的反映试验对象的信息，是解决多因素、多水平复杂问题的一种常用方法。通过对正交试验结果的分析，可以快速、准确地确定各个因素及其交互作用对实验指标的影响程度[3]。因此，分析、研究各工艺参数对车灯面罩翘曲变形的影响机理，并从中确定最优的工艺参数，对降低车灯面罩的翘曲变形量、提高其制造精度具有重要意义。

1 实验部分

1.1 车灯面罩模型与原料

图1所示为本文研究的车灯面罩的三维模型，其外形尺寸为245 mm×186 mm×68 mm，塑件中部透镜处壁厚较厚，达4.8 mm，其余部分壁厚较为均匀，为2.0～2.5 mm；总质量为376 g，塑件整体为壳状，相对规整，没有明显的尖角、凸台、薄壁等难于成型的特征。

图1 车灯面罩三维图Fig.1 The 3D model of the light lens

车灯面罩的原料为光学级PC，牌号为PCQQ3620，美国通用电气公司2013年12月生产，其主要加工参数如表1所示。

表1 PC的主要加工参数Tab.1 Processing parameters of PC

1.2 正交实验方案

根据正交实验的原理[4]，通过正交分析可以找出在一定条件下所有实验中的最佳试验组合，以及实验因素对实验指标的影响程度的大小。针对本文研究对象，具体的实验方案为：

（1）确定CAE模拟实验的目标为车灯面罩的翘曲变形量；

（2）确定影响实验目标的影响因素及其水平，影响本实验目标的因素为熔体温度（A）、模具温度（B）、注射时间（C）、保压压力（D）和保压时间（E）等5个，其因素水平表如表2所示；

表2 正交实验的因素及其水平Tab.2 Orthogonal experiment factors and levels

（3）构建出合理的正交实验表，并导入车灯面罩数字模型到计算机辅助工程（CAE）软件中进模拟注塑分析；

（4）处理模拟实验结果的数据；

（5）分析并挑选出最佳的工艺参数组合；

（6）验证工艺参数的正确性。

2 结果与讨论

2.1 数据处理

由于本实验的因素数为5，水平数也为5，其全部不同的实验条件共计应该有55个，但通过正交实验表进行实验则只需要25次实验即可。在Moldflow中导入车灯面罩的三维模型，在车灯面罩上标记10个点，依次进行25次模拟注塑，分别记录每次模拟中10个点的翘曲变形量，将每次模拟的10个点的变形量求取算术平均值，记为塑件的变形量，结果如表3所示。

表3 正交实验表及其结果Tab.3 Orthogonal experiment table andresults

对表3的实验数据进行统计分析，得到各个因素在不通水平下的翘曲变形量之和的平均值，记为ki；同一因素的平均值中，其最大值和最小值之差为极差，记为R，R＝kmax—kmin；逐一计算各个因素的极差，结果如表4所示。极差R的大小体现了因素变化对实验指标的影响程度，R越大，表示所对应的工艺参数对实验的目标（翘曲变形）影响程度越大，这个因素就越重要。由表4中的数据，发现影响车灯面罩翘曲变形的工艺参数中，其重要性的顺序应为：B＞E＞A＞D＞C。

表4 翘曲变形结果的极差分析Tab.4 The difference analysis of warpage deformationresults

2.2 工艺参数对车灯面罩翘曲变形的影响

2.2.1 熔体温度

从图2中可以看出，车灯面罩的翘曲变形量随着熔体温度的升高而逐渐降低，在温度为320℃时为最小值，随后略微升高。熔体温度对于塑件收缩的影响包括热收缩、结晶收缩、取向收缩和补压收缩等。熔体温度升高，其黏度降低，流动性增大，充填到模具的能力就会提高，补压补收缩的作用就会增强，塑件的翘曲变形就逐渐减少；但是，随着熔体温度的进一步上升，熔体在保压和冷却定型阶段的热收缩、结晶收缩和取向收缩等均会有所上升[5-6]，从而导致塑件的总体翘曲变形量在320℃以后会略微上升。

图2 熔体温度对车灯面罩翘曲变形的影响Fig.2 Effect of melt temperature on the warpage of the light lens

2.2.2 模具温度

从图3中可以发现，车灯面罩的翘曲变形量随着模具温度上升而显著增加。模具温度对塑件翘曲变形的影响主要是收缩变形[7]，其时间是在浇口凝固封闭后、塑件脱模前的这一过程，浇口封闭后，注塑机对模腔的填充和保压作用完全丧失，因此，随着模具温度的升高，熔体冷却定型所需的时间也将增加，塑件脱模后的翘曲变形量就会增大。

图3 模具温度对车灯面罩翘曲变形的影响Fig.3 Effect of mould temperature on the warpage of the light lens

2.2.3 注射时间

从图4可以看出，车灯面罩的翘曲变形量随着注射时间的增加而逐渐下降，其原因是，对于熔体体积一定的塑件而言，注射时间越短，其相应的注射速度就越大，熔体在此过程中所受到的剪切作用就越强烈，熔体中聚合物的结晶和取向作用越发明显[8-9]，结果是塑件的翘曲变形量会变大。

图4 注射时间对车灯面罩翘曲变形的影响Fig.4 Effect of filling time on the warpage of the light lens

2.2.4 保压压力

从图5可以看出，当保压压力较小时，塑件的翘曲变形量随着保压压力增加而显著下降，但保压压力上升到约60 MPa后，塑件的翘曲变形却又随之上升，其原因是较高的保压压力可以使模腔内的熔体更加密实，从而减少塑件中由于收缩导致的翘曲变形；但是，过高的保压压力会导致模具锁模不严密而产生熔体溢出的现象，并且可能引起较高的流动残余应力，从而导致塑件的变形量增大[10-12]。

图5 保压压力对车灯面罩翘曲变形的影响Fig.5 Effect of packing pressure on the warpage of the light lens

2.2.5 保压时间

从图6中可以看出，塑件的翘曲变形量随着保压时间的增加而逐渐下降，其原因是，保压时间越大，越有利于更多熔体补充到模具型腔内，用以弥补模腔内因冷却收缩而产生的空隙[13-14]，这个补充作用越强，模腔熔体的内应力就越小，塑件的翘曲变形量就越小。

图6 保压时间对车灯面罩翘曲变形的影响Fig.6 Effect of packing time on the warpage of the light lens

2.3 最佳工艺参数的确定与验证

从表4的分析中可以看出，根据对车灯面罩翘曲变形影响程度的大小，注塑工艺参数的重要性的依次是模具温度、保压时间、熔体温度、保压压力和注射时间。因此，为了满足塑件的翘曲变形量为最小值这一实验目标，结合表4，在表2中即可查找到最佳的工艺参数组合应为：A4B1C5D2E5，具体的工艺参数值如表5所示。

表5 最佳工艺参数组合Tab.5 The combination of optimal processing parameters

将选出的最佳工艺参数导入CAE分析软件Autodesk Moldflow中进行模拟注塑分析，结果如图7所示，系统显示车灯面罩的最大翘曲变形量下降至2.75 mm，这表示车灯面罩的翘曲变形现象明显改善，由此验证了正交实验所选择的工艺参数是正确的。

图7 最佳工艺参数下的变形情况Fig.7 Warpage of the light lens with the combination of optimal processing parameters

3 结论

（1）以PC为车灯面罩的材料，采用正交实验方法分析得出其注塑工艺参数对其翘曲变形的影响程度的重要性依次是模具温度、保压时间、熔体温度、保压压力、注射时间；

（2）当熔体温度为320℃、模具温度为80℃、注射时间为8 s、保压压力为60 MPa、保压时间为40 s时，车灯面罩的翘曲变形量为最小，最小值为2.75 mm。

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