注塑成型工艺参数对汽车保险杠翘曲变形的影响研究

王妍婕

广汽本田汽车有限公司 广东 广州 510000

引言

工业产业的发展带动塑料制品应用在各个领域，利用塑料制品轻重量、低成本、高耐腐蚀以及染色等优势，汽车的内饰件、外装件以及功能结构件都应用塑料制品，尤其是汽车保险杠应用塑料制品，成为减少汽车变形关键的部件。轿车前后保险杠使用塑料制品，本文通过正交试验设计方法利用Moldflow模拟分析计算出翘曲变形的影响因素，综合比较各工艺参数下翘曲变形，确定注塑成型工艺参数，然后Moldflow模拟出参数实际效果，验证参数组合正确性。

1 实验部分

1.1 保险杠模型

某品牌轿车前保险杠作为模型进行试验研究，按照1/2等比例制作前保险杠模型，模型规格为1688×688×513mm，厚度控制在2.8-3.0mm范围内。Moldflow软件前期对有限元模型进行分析，浇口、填充平衡性以及外观熔接都是分析对象，对以上对象进行综合性分析，根据分析结果确定浇口设计方案。本文采用正交试验的方式，在不同注塑成型工艺参数交互作用下，以及按照不同工艺参数的配比，分析翘曲收缩变形对保险杠模型的影响。

1.2 注塑机和原材料性能参数

选用型号HTFIOOOW2宁渡海天塑料注射成型机，该机型参数如下：锁模力10000kN；注射容量4847cm3；螺杆直径110mm；塑化能力104B；最大注射压力174MPa；注射行程510N。该机型以上的机型参数输入到Moldflow软件，在Moldflow软件注塑机数据库内准备进行模拟分析。保险杠的材料选用扬子石化生产的材料，材料为高抗冲聚丙烯(PP)1215C，材料的固体密度为8895g/cm3，熔体密度为7218g/cm3。

2 结果与讨论

2.1 正交实验方案设计

保险杠的注塑过程在温度和压力变化下，塑料制件体积和密度也会发生变化，直接影响到制件的翘曲变化。其中翘曲变形发生的变化，通常受到以下工艺参数影响：熔体温度→模具温度→注射时间。以上工艺参数虽然对翘曲变形的影响不同，但是每个参数间产生相互制约的关系。正交实验过程分析可知，相应条件以及因素对试验最优水平组合的影响，以及实验因素对试验指标的影响都会按照大小通过排列的方式展示出来。在列表中分析每个因素的影响作用，最终确定最佳参数水平组合，降低对翘曲变形的影响。实验设计按照以下流程进行：（1）确定模拟试验目的。因素以及因素水平；（2）制作因素水平表、正交表；（3）确定试验模型；（4）进行Moldflow模拟分析；（5）计算模拟实验结果，处理数据；（6）确定最佳参数水平组合；（7）验证模拟试验数据。通过分析可知，翘曲变形影响因素主要指标包括以下几种：（1）选择熔体温度(A)；（2）模具温度(B)；（3）注射时间(C)；（4）保压压力(D)；（5）保压时间(E)。

制件过程产生的翘曲变形因素有三种：（1）冷却差异。在模腔内分布差异性的温度，引发不均匀热收缩；（2）收缩差异。产品的不同位置由于不均匀体积收缩，导致塑料制品厚度出现收缩差异性，结晶度不同的薄壁以及厚壁位置，会出现不均匀收缩现象；（3）取向差异。平行方向和垂直方向分子排列，出现明显的收缩差异现象。

制件在增高的溶体注射温度下翘曲变形会减小，翘曲变形最小值通常出现在230℃，一段时间后会有所增加。溶体温度的变化，会影响到制件成型翘曲收缩，包括热收缩、结晶收缩、取向收缩以及补压收缩。若升高溶体温度，会减小溶体黏度，增强充模和保压收缩能力，降低翘曲收缩变形。若增加料体的温度，在保压和冷却定型阶段的制件，都会出现明显的热收缩、结晶收缩以及取向收缩现象，即使温度上升到230℃，翘曲变形上升情况仍然存在。模具温度上升会导致制件出现明显的翘曲变形，翘曲变形趋势变化不是很明显。在浇口冻结后制件脱模前，模具温度对制件翘曲收缩的影响较为明显。浇口冻结后对制件进行填充和保压，不会出现翘曲变形。升高横温后，会增加冷却定型时间，制件完成脱模会增加翘曲变形。

影响保险杠翘曲变形的参数，还包括不同时间的注射以及不同压力的保压。增加注射时间，制件的翘曲变形影响会降至最低，注射时间按照螺杆连续推进压缩熔体入模连续时间确定。若较短的注射时间，增加注射速度，熔体内会受到较强的剪切力作用，导致结晶和取向间的作用力明显增强，翘曲变形的趋势不断增加。

保压压力增加可以降低制件的翘曲变形，若压力增至45MPa或者更高，制件翘曲变形会更加明显。较高的保压压力会增加模腔内制品的密实度，模腔弹性逐渐恢复，减少翘曲收缩现象的发生。若超高的保压压力，模具会发生溢料情况，出现较为强烈的流动参与应力，翘曲变形仍会增加。

不同保压时间对保险杠的翘曲变形量影响较为特殊，若保压时间增加之间的翘曲变形会降低，拖增加保压时间，可以将溶体不断引入到型腔内，填充冷却后产生的收缩缝隙，降低型腔内的应力，避免制件出现明显的翘曲变形。

2.2 最佳工艺参数组合及实验验证

翘曲变形的影响程度，会在同工艺参数下发生变化，按照重要程度大小进行排列，分别为模具温度为最大，保压时间、注射时间、溶体温度依次降低，最小为保压压力，最终得出最佳工艺参数组合为A4B1C5D2E5，按照最佳工艺参数优化后的结果，输入到Moldflow软件分析模流，制件翘曲变形由最大降至7166mm，在该工艺参数下获得的制件，受到翘曲变形的影响最小。

3 结论

综上所述，利用Moldflow模拟分析技术和正交试验设计，进行保险杠塑料制件注塑成型各影响因素进行分析可知，制件发生翘曲变形与注塑成型工艺参数有直接关系。按照影响大小排列，分别为模具温度为最大，保压时间、注射时间、溶体温度依次降低，最小为保压压力，在不同水平状态下制品的翘曲变形影响趋势和原因，确定最终的最佳工艺参数组合。最佳工艺参数组合输入到Moldflow模拟进行分析可知，制件的翘曲变形好于原有的状态，证明注塑成型试验与Moldflow的验证结果相符。