基于CAE汽车B柱饰板变形分析及工艺优化研究

任东雪，徐少华，陈土辉，王 月，林 强，王 浩，袁国强

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

1 引言

本文以汽车B柱饰板为研究对象，以ASA为注射材料，运用MoldFlow模流分析软件对汽车B柱饰板在注射成型时的翘曲变形进行模拟分析，并通过正交试验法重点研究各因素对其变形的影响，获得较优的工艺方案，用以指导后续塑件设计和模具开发。

2 实验部分

2.1 材料选择

汽车B 柱饰板材料多为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、ABS或ASA，本文中汽车B柱饰板选用ASA作为注射材料。ASA 是由丙烯酸丁酯—苯乙烯—丙烯腈三元共聚形成的一种非结晶性热塑性塑料[4~6]，相对于结晶性塑料，其分子链排列处于杂乱无章的状态，各向异性较小，因各向异性导致的收缩引起的变形较小[7]。ASA材料分子链中全部为饱和的C-C键构成，不存在不够稳定的C=C 键，因此其相对于具有残留不饱和C=C键的ABS材料，ASA具有更优越的耐候性[8]，此外，ASA 材料还具有良好的抗冲击性能、易着色和耐化学腐蚀性。因此该材料比较适合用于汽车立柱装饰板的注射材料。

本次试验中选用注射的ASA 材料牌号为ASA XC230，制造商：KUMHOSUNNY。该材料的推荐注射工艺参数如表1所示。

表1 ASA材料推荐注射工艺参数

ASA 材料的PVT 曲线（P：压力、V：体积、T：温度）与黏度曲线分别如图1、图2所示。

图1 ASA材料PVT曲线

图2 ASA材料粘度曲线

由粘度曲线可知：在温度一定时，该材料的粘度随剪切速率的增大而降低，在剪切速率一定时，温度越高，粘度越小。由PVT曲线可知：在压力一定时，体积比容随温度的升高而增大；在温度一定时，压力越小，体积比容越大。在进胶位置及浇口数量一定时，熔体温度越高，注射压力相对越小，可以通过适当升高材料熔体温度来降低材料的粘度，达到降低注射压力的目的。

2.2 基于MoldFlow分析的模型处理

本次分析所选用的汽车B 柱饰板模型尺寸为448×90×28mm，除边缘局部渐变减薄外，其主壁厚均为3mm，将其塑件_xt 文件导入MoldFlow Insight 软件中，网格类型选择双层面网格，网格密度采用系统推荐的1.93mm，自动划分网格后得到汽车B柱饰板网格模型，如图3所示。对网格质量进行统计检查，统计结果如表2所示。

表2 网格质量统计表

从网格统计结果可以看出：汽车B柱饰板模型划分的网格中不存在相交单元、重叠单元、自由边等，纵横比最大13.52，平均纵横比为1.65，网格匹配百分比为96.4%，说明网格匹配度良好，不需要对网格进行修补。汽车B柱饰板网格模型如图3所示。

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图3 汽车B柱饰板网格模型

2.3 浇注系统建立

根据该汽车B 柱饰板的尺寸，浇注系统采用2 点针阀式热流道转冷流道组成，通过一端的侧浇口作为主浇口进胶，在另一端侧边通过滑块结构设置保压浇口，既可以保证充填末端保压良好，也可以避免因时序充填导致的塑件表面出现缺陷[9]，两个浇口位置装配后均不可见，不影响外观。该B柱饰板为左右对称件，因此设计为1模2腔的浇注系统，为减轻计算机的计算量，本次实验将塑件及相关浇口流道的分析出现次数设置为2，与实际1模2腔的排位及分析一致。塑件及浇注系统如图4所示。

图4 汽车B柱饰板浇注系统

2.4 MoldFlow分析结果

使用MoldFlow软件推荐的默认分析参数，即模具温度60℃、熔体温度250℃，保压时间10s，保压压力为填充压力的80%进行填充-保压-翘曲分析，得到注射压力及变形结果如图5和图6所示。

图5 注射位置处压力

图6 默认参数下变形结果

通过图5 可以看出：默认方案的注射最大压力为88.4MPa，其中保压压力为70.72MPa，最大注射压力小于100MPa，在可接受范围内。通过图6可以看出分析结果中X方向和Y方向变形较小，均在可接受范围内；Z方向分析翘曲变形为5.052mm，分析该翘曲变形的原因是由于塑件料厚及各部分温度不均使熔体冻结过程中收缩不均导致的，而填充过程中分子取向不均也会导致翘曲变形，但该因素相对于收缩不均影响较小。接下来将通过CAE技术，采用正交试验法优化工艺参数，实现减小B柱饰板Z方向变形量的目的。

2.5 正交试验设计与仿真分析

（1）正交试验因素确定。

在注射过程中，影响塑件翘曲变形的因素较多，其中模具温度、熔体温度、保压压力、保压时间、冷却时间这5种因素对变形结果影响较大。

其中模具温度主要影响塑件的冷却速率。通过控制模具温度可使型腔内塑件各区域温度均匀分布，冷却一致，从而减小塑件因内应力引起的翘曲变形来达到改善塑件质量的目的。

熔体温度即注射温度，合理的设置注射温度有利于高分子熔体的流动填充，以获得高质量的塑件，相反则影响塑件的品质。如注射温度设置较高，高分子熔体流动性提升，但可能会导致高分子材料过热分解，影响塑件的性能，且熔体温度较高需要更长的冷却时间，将会延长塑件的生产周期；注射温度设置较低，会使熔体冷料堵塞流道、浇口等，造成充填困难。

保压压力是在注射完成后，对型腔内塑件因冷却冻结收缩形成的空隙进行补缩，通过保压压力来调节塑件的收缩率，保证塑件各区域质量的一致性、均匀性和致密性等。

保压时间合理设置可以有效改善塑件因收缩差异导致的缺陷，壁厚越厚的塑件冷却时间越长，因此应设置相对较长的保压时间，当保压至一定时间后，型腔内的塑件完全冻结，继续保压将不能继续减小收缩、反而徒增生产周期，结合实际，本塑件的保压时间设置为8～16s[10~11]。

冷却时间是熔体注射入型腔至开模动作开始时的时间差，在这段时间中，随着冷却时间的延长，高分子熔体逐步从熔融状态冻结为固态的塑件，合理的设置冷却时间既能保证塑件质量又能有效缩短塑件生产周期。

本文以模具温度、熔体温度、保压压力、保压时间、冷却时间5 个影响因素为主要工艺参数，分别用A、B、C、D 和E 表示，每个工艺参数取5 个水平，分别为水平1、水平2、水平3、水平4 和水平5，根据上述5个工艺参数5 个水平结合材料推荐工艺表1 中数据，建立5因素5水平的正交试验，如表3所示。

表3 正交试验因素水平表

（2）正交试验方案与仿真分析。

根据正交试验因素水平表进行正交试验，实验序号为1~25，并以MoldFlow模拟分析结果中的Z方向变形结果为实验的评定依据，用Z方向变形/mm 表示。建立正交试验方案如表4所示。

表4 正交试验方案及结果

根据正交试验方案表中的相关参数，运用MoldFlow模流分析软件对塑件进行翘曲变形分析，得到不同参数下的分析结果，并变将Z方向形结果作为正交试验的评定依据填入表4所示。

3 结果与讨论

3.1 均值与极差分析

通过对表1 中正交实验结果进行分析处理，得到不同影响因素（A、B、C、D、E）、不同水平（1、2、3、4、5）试验下的均值，取各因素下不同水平实验结果的最大均值与最小均值求差，即得到该影响因素的极差R，如表5所示。极差值的大小反映该影响因素对评定依据的影响能力，极差值越大，表明该影响因素对评定依据的影响能力越强；极差值越小，表明该影响因素对评定依据的影响能力越弱[12~13]。

表5 均值与极差分析结果

根据表中数据可以得出，RD＞RA＞RC＞RE＞RB，因此对该B 柱饰板Z方向变形影响最大的因素是保压时间，其它因素依次是模具温度、保压压力、冷却时间和熔体温度。根据塑件成型要求，Z方向的变形越小越好，因此根据实验数据选定的最佳方案参数为A5B5C1D5E1，即模具温度80℃、熔体温度260℃、保压压力60MPa、保压时间16s、冷却时间16s。

2.2 最佳方案参数验证

根据得到的最佳方案参数，模具温度80℃、熔体温度260℃、保压压力60MPa、保压时间16s、冷却时间16s，输入到MoldFlow软件中再次进行仿真分析，得到Z方向变形结果如图7所示。

从图7 中可以看出，选择该最佳的工艺参数进行仿真分析，得到Z方向变形为3.546mm，比原有默认方案分析结果Z方向变形减小了1.506mm，即Z方向变形量降低了29.8%。通过比较试验1~25 的分析结果可以发现，通过正交试验得到的最佳工艺参数确实得到了更为理想的变形量，因此可以确定，该方法得到的优化方案有效可靠。

图7 优化后的Z方向变形结果

4 结论

（1）通过CAE技术对ASA汽车B柱饰板的变形进行分析，得到默认参数下B 柱饰板的变形结果，并根据所选择ASA材料的属性，运用正交试验法对该塑件注射成型的主要影响因素进行优化分析研究，确认各因素对B柱饰板变形的影响能力为保压时间＞模具温度＞保压压力＞冷却时间＞熔体温度，并根据正交实验结果得到最佳的工艺参数为模具温度80℃、熔体温度260℃、保压压力60MPa、保压时间16s、冷却时间16s。

（2）将正交实验得出的最佳工艺参数输入MoldFlow软件进行仿真分析，结果表明该工艺参数较默认参数使B 柱饰板Z方向变形量降低了29.8%，且低于其它参数下的实验结果值。通过该实验得出的最佳注射工艺参数及变形结果对后续塑件预变形设计、模具设计和试模参数的设定都具有较大的参考意义，可以有效的减少改模和试模次数，缩短模具制造周期，降低模具的生产成本。