孟小林，張繼祥，李又兵，周建軍

(1.重慶交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074； 2.重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054；3.重慶平偉汽車零部件有限公司，重慶 400026)

雙色注塑是指將兩種不同材質(zhì)或不同顏色的材料分別塑化，然后按順序或同時注入模腔而得到兩種不同顏色或不同材質(zhì)的塑料成型制品的注塑工藝[1]。雙色注塑與傳統(tǒng)的單色注塑有著極大的不同：一方面制品由兩種不同的材料注塑完成，其產(chǎn)品具有兩種不同材料的性質(zhì)特點；另一方面在一套模具里面進行兩次注塑，兩種材料在進行充填、融合、保壓、冷卻等時，材料之間在熔融狀態(tài)下或者在凝固之后都存在著相互作用，這不僅影響了兩種材料之間的接合性能，也對塑件的翹曲變形、體積收縮、凹痕縮痕等缺陷有著重要的影響[2]，因此對其成型模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計、成型工藝、使用壽命等提出了更高的挑戰(zhàn)[3-5]。

在單色注塑過程中，在原料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)確定的情況下，模具冷卻方式和成型工藝參數(shù)成為決定塑件翹曲變形的關(guān)鍵因素[6]，而在雙色注塑條件下，兩種塑料所占比例(厚度比)也成為影響成型的重要可變因素。Huang等[7]通過數(shù)值和實驗證明了幾何效應(yīng)和材料組合在雙色注射中具有非常重要的影響，還研究了不同材料組合中雙色成型零件的翹曲趨勢：無論第二次注塑使用什么材料，當(dāng)?shù)谝淮巫⑺艿膸缀涡螤罟潭?，第二次注塑的寬度增加時，翹曲向外的傾向較大。Sahli等[8]研究了雙色成型工藝的數(shù)值模型，以確定影響材料之間界面處附著力質(zhì)量的因素，研究了橡膠材料的流變行為和交聯(lián)反應(yīng)。

有學(xué)者通過借用其它工具有效地模擬雙色塑件的翹曲變形量，如黃海龍等[9]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙色塑件變形量預(yù)測，提出了一種結(jié)合AMI軟件數(shù)值模擬、正交試驗和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙色塑件翹曲變形量的預(yù)測方法，最后結(jié)果證明了訓(xùn)練的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有很高的預(yù)測精度，能夠滿足對于塑件翹曲變形量準確、快速的預(yù)測要求。Deng等[10]通過混合層壓模型計算熱沖壓中的變形，將碳纖維增強熱塑性塑料嵌件的幾何形狀和紗線重新定向，然后根據(jù)重新定向紗線的方向計算局部熱力學(xué)性能，最后，塑件的幾何和材料信息導(dǎo)入到注射分析中，能夠準確地得到塑件翹曲變形的預(yù)測值。

為了處理數(shù)值模擬得到的結(jié)果，苗盈等[11]通過正交試驗和綜合評分法相結(jié)合，得出分流道直徑對總翹曲變形量和平均體積收縮率的影響最大，模具溫度影響最小。楊雪等[12]將產(chǎn)品的總翹曲率與第二色塑件體積收縮率作為響應(yīng)值，通過中心復(fù)合設(shè)計試驗(CCD)，得出第二色塑件體積收縮率的響應(yīng)面預(yù)測值與Moldflow模擬值的誤差較小，響應(yīng)面的預(yù)測具有較高的精度，進而可對產(chǎn)品進行工藝優(yōu)化。

筆者將雙色塑件外層材料和內(nèi)層材料的厚度比、熔體溫度、保壓壓力、保壓時間作為雙色塑件成型翹曲變形的影響因素，利用Taguchi優(yōu)化試驗方法，在Moldflow軟件上模擬分析汽車B柱外飾板雙色注塑工藝，獲得最小翹曲量的厚度比和成型工藝方案，為雙色注塑理論分析和生產(chǎn)提供支持。

1 建模及研究方案

1.1 塑件及模型

汽車B柱外飾板實物圖如圖1所示，尺寸為400 mm×90 mm×4 mm。塑件結(jié)構(gòu)簡單，壁厚均勻，內(nèi)外雙層，內(nèi)層為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)，外層為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。塑件三維圖如圖2所示。

圖1 汽車B柱外飾板實物圖

圖2 汽車B柱外飾板三維圖

1.2 網(wǎng)格劃分

在Moldflow軟件中，首先創(chuàng)建一個新工程，導(dǎo)入塑件內(nèi)層模型(ABS層)，設(shè)定為第一組方案，接著進行網(wǎng)格劃分，得到劃分后的網(wǎng)格模型，其中最大縱橫比為42.15，平均縱橫比為9.31，最小縱橫比為1.09，滿足軟件仿真模擬要求。同理，導(dǎo)入塑件外層模型(PMMA層)，設(shè)定為第二組方案，得到最大縱橫比為41.60，平均縱橫比為7.32，最小縱橫比為1.26的網(wǎng)格模型。最后，通過重復(fù)功能，將第一組方案重新構(gòu)建成一組新的方案，并設(shè)定為之后進行的重疊注塑方案，在這重疊注塑方案中，通過“添加”選項，將第二組網(wǎng)格劃分后的sdy網(wǎng)格模型導(dǎo)入在這一方案當(dāng)中，由于初始在UG軟件中已經(jīng)確定好兩個組件的關(guān)聯(lián)性，使得兩組模型在同一組方案當(dāng)中仍相關(guān)聯(lián)，最終網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格模型

1.3 澆口位置確定

按照雙色注塑一般注射順序，將塑件內(nèi)層設(shè)定為第一次注射，將外層作為第二次注射。由于塑件內(nèi)層體積不大，對表面質(zhì)量要求不高，因此選定澆口數(shù)量為1個，為了減少流長比，將澆口放在塑件內(nèi)容的上表面中心；注塑外層外表面外觀要求較高，不允許有凹陷、飛邊、熔接痕、氣孔等缺陷。為了使注塑過程單向流動，防止出現(xiàn)熔融塑膠流鋒匯合產(chǎn)生表面缺陷，故塑件外層成型澆口位置設(shè)置在側(cè)面。兩個澆口位置設(shè)計如圖4所示。

圖4 澆口位置圖

1.4 模擬過程

在塑件建模完成后，就可以對該塑件進行雙色注塑模流分析設(shè)計。首先單擊“主頁”選項卡中的“成型工藝設(shè)置”面板，選擇“熱塑性塑料重疊注塑”，同時，在這一面板下的“分析序列”中設(shè)置分析類型為“填充+保壓+重疊注塑填充+重疊注塑保壓+翹曲”。在“模型”板塊中，選中ABS內(nèi)層全部單元，在“組成”選項設(shè)置為“第一次注射”，同樣，選定PMMA外層設(shè)置為“第二次注射”，即重疊注射。在“方案任務(wù)”窗格中雙擊“材料A”，選擇第一次注射熔融材料ABS，其牌號為TFX-210；同理，雙擊“材料B”，選擇材料為PMMA，其牌號為Acryrex CM-205。按照研究方案設(shè)置第一次注射ABS內(nèi)層成型工藝參數(shù)，第一次注射結(jié)束后便開始進行第二次重疊注射，并且將第一次注射熔體冷卻后的溫度設(shè)定為第二次注射熔體的充填初始溫度，最后進行初始工藝參數(shù)設(shè)計：參數(shù)根據(jù)推薦值選擇，模具表面溫度在第一次注射和第二次注射的值分別為50 ℃和60 ℃，熔體溫度分別為230 ℃和250 ℃，冷卻時間為20 s，其它參數(shù)均采用自動控制。根據(jù)研究方案設(shè)置第二次注射PMMA外層成型工藝參數(shù)。塑件模具型腔設(shè)計采取一模兩腔，模具型腔及冷卻水道布局如圖5所示。

圖5 模具型腔及冷卻水道布局圖

1.5 研究方案

(1) PMMA/ABS厚度比水平選擇。

由于塑件屬于雙色扁長件，塑件對翹曲變形量非常地敏感[13]，在壁厚均勻調(diào)整方面，壁厚變化會導(dǎo)致產(chǎn)品的收縮率不同，從而導(dǎo)致翹曲變形。因此，在塑件總厚度2.4 mm不變的情況下，設(shè)置三個試驗水平進行研究，設(shè)計方案見表1。

表1 塑件PMMA/ABS厚度比水平

(2)其它工藝參數(shù)水平表。

在注塑過程中，溫度和壓力對塑件產(chǎn)生翹曲變形有著十分重要的影響。溫度體現(xiàn)在塑料熔體溫度和模具溫度，雖然較高的熔體溫度和模具溫度能夠有效地增強塑料的流動特性，但是，一方面模具產(chǎn)品表面上的溫度與凝固之后的內(nèi)部溫度溫差較大時容易產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致翹曲變形，另一方面熔體溫度較低時，其熔體內(nèi)部受熱應(yīng)力降低，極大地影響熔體冷卻時的溶解速率，從而導(dǎo)致熔體的塑化能力降低，造成塑件結(jié)構(gòu)變形，產(chǎn)生翹曲。保壓壓力如果過大，將導(dǎo)致塑件產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力增大從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形、開裂，如果保壓壓力過小，將會導(dǎo)致短射、收縮、熔接痕等缺陷，同時壓力不足導(dǎo)致熔體的密度偏低，在冷卻發(fā)生后造成體積收縮而低于模腔體積。

故除了厚度比(A)作為分析的影響因素外，再選擇熔體溫度(B)、保壓壓力(C)、保壓時間(D)三個影響因素進行分析，每個因素選取四個水平，建立正交實驗水平表，見表2。

表2 汽車B柱外飾板正交試驗工藝參數(shù)因素水平表

(3) Taguchi正交試驗方案設(shè)計。

由于試驗因素厚度比(A)只有三個水平，而其它因素均為四個，這里需要利用擬水平法對正交試驗方案進行改造[14]，需要對厚度比(A)構(gòu)造一條新的擬水平列。通常會把預(yù)計結(jié)果好的水平進行重復(fù)，在本文中，控制其它因素保持推薦值不變，對厚度比(A)進行三次單因素水平測試，測試結(jié)果如圖6所示，其中厚度比(A)中的第二水平(0.96∶1)產(chǎn)生的翹曲值最低，故將厚度比(A)第二水平重復(fù)一次，構(gòu)成四水平。最后根據(jù)四因素四水平的設(shè)計方案，選擇L16(44)的正交試驗表，改進后的正交試驗設(shè)計數(shù)據(jù)表見表3。其余參數(shù)根據(jù)推薦值選擇，模具表面溫度第一次注射和第二次注射時的值分別為50 ℃和60 ℃，冷卻時間為20 s，其它參數(shù)均采用自動控制。

圖6 厚度比單因素水平測試的翹曲值

2 結(jié)果分析

2.1 翹曲結(jié)果

雙色注塑與單色注塑相比，不僅僅只是兩個塑件注塑相重合那么簡單，在雙色注塑模擬仿真過程中，第一次注塑的模流過程與傳統(tǒng)的單色注塑的模擬過程差別不大，以模具的剛性材料作為填充邊界條件，而在第二次注塑的過程中，其熔體的充填流動不僅僅與模具的型腔表面相接觸，還與第一次注射塑件的塑性外表面相接觸，這將導(dǎo)致兩者之間發(fā)生相互作用，在第二次注射壓力或者溫度足夠高時，或?qū)?dǎo)致塑件整體的翹曲變形存在誤差[15]。重疊注塑階段所使用的模具和熔體溫度由第一個組成階段結(jié)束時記錄的溫度進行初始化，并且通常一般選取第一次注射塑件所產(chǎn)生翹曲變形作為整體的翹曲變形。將16組實驗數(shù)據(jù)放在Moldflow軟件中進行分析，表3模擬結(jié)果表明，塑件厚度比是在總厚度不變的情況下，選取的是趨近三個具有代表的比值，在厚度比為0.96∶1的八個試驗(試驗編號5～12)仿真中模擬得到的翹曲值相對較小，這表明，在注塑該雙色薄壁件的時候，首先要考慮該塑件的厚度比，兩種材料所占的比值越趨近于1，則產(chǎn)生的翹曲變形越低。

表3 汽車B柱外飾板正交試驗設(shè)計數(shù)據(jù)表

2.2 數(shù)據(jù)處理

信噪比是通常求解最佳條件或系統(tǒng)的一種現(xiàn)代試驗設(shè)計方法，也稱為SN比試驗設(shè)計，一般是指因子的主效應(yīng)與誤差效應(yīng)的比值，一般根據(jù)試驗設(shè)計優(yōu)化目標的不同，可以將信噪比的計算方法分為三大類[16]：①目標值越大越優(yōu)(“Large-the-Best”)；②目標值越接近某個值越優(yōu)(“Nominal-the-Best”)；③目標值越小越優(yōu)(“Smaller-the-Best”)。本次試驗希望所模擬出的翹曲變形值越小越好，故采取第三類目標值越小越優(yōu)，其公式如下：

式(1)中：S/N為信噪比；yi表示第i次的試驗結(jié)果；n表示試驗次數(shù)。

可以通過Minitab軟件快速地進行極差分析，根據(jù)表3的仿真翹曲值試驗結(jié)果，探究各個水平下不同試驗因素的極差分析，得出汽車B柱外飾板翹曲變形信噪比的極差分析結(jié)果，見表4。

表4 汽車B柱外飾板翹曲變形信噪比極差分析結(jié)果 dB

同樣的，在這里依然可以通過Minitab軟件快速地進行單因素方差分析，根據(jù)表3的仿真試驗結(jié)果，得出汽車B柱外飾板翹曲信噪比方差分析結(jié)果，見表5。

表5 汽車B柱外飾板翹曲變形信噪比方差分析結(jié)果

塑件的兩層材料的熔體溫度是按照系統(tǒng)推薦的工藝溫度(內(nèi)層熔體溫度230 ℃，外層熔體溫度250 ℃)從左向右按溫度梯度所取的一段區(qū)間。對于本次Taguchi試驗，希望得到的翹曲變形值最小，即信噪比采用目標值越小越優(yōu)的計算方法處理，由表4發(fā)現(xiàn)熔體溫度在水平3的信噪比均值最大，則對塑件產(chǎn)生的翹曲變形量最小，表明在這個溫度梯度中內(nèi)層240 ℃、外層260 ℃是最合適的熔體溫度。保壓壓力一般采用的大小為充填壓力大小的80%，這里內(nèi)外層所采取的保壓壓力梯度為充填壓力的70%，80%，90%，100%，表4試驗結(jié)果表明，本次塑件在內(nèi)層保壓壓力為80 MPa、外層保壓壓力為50 MPa時，所產(chǎn)生的信噪比均值最大，所產(chǎn)生的翹曲變形量最低，則在該大小下的保壓壓力為最優(yōu)值。同理，在保壓時間梯度中，內(nèi)外層保壓時間均為6 s時信噪比均值最大，這時塑件產(chǎn)生的翹曲變形量最小，為最佳的保壓時間。

從表4和表5汽車B柱外飾板翹曲變形信噪比極差和方差分析結(jié)果來看，塑件的厚度比對塑件的翹曲變形有著突出的影響，其次為保壓時間、保壓壓力，影響最小的是熔體溫度，并給出汽車B柱外飾板翹曲變形量最小的最佳工藝參數(shù)組合為A2B3C1D2。結(jié)合表2給出最佳工藝參數(shù)組合為：厚度比0.96∶1，內(nèi)層(ABS層)成型階段熔體溫度240 ℃、保壓壓力80 MPa以及保壓時間6 s，外層(PMMA層)成型階段熔體溫度260 ℃、保壓壓力50 MPa以及保壓時間6 s。

2.3 優(yōu)化前后翹曲量對比

為了驗證通過基于Taguchi試驗方法后獲得的是最優(yōu)參數(shù)組合，將得到的參數(shù)組合導(dǎo)入到Moldflow軟件進行驗證。優(yōu)化前后推薦工藝參數(shù)見表6，將得到的結(jié)果與初始默認工藝參數(shù)組合進行對比，結(jié)果如圖7所示。由圖7可以發(fā)現(xiàn)，初始的總翹曲量為4.73 mm，優(yōu)化后得到的總翹曲量為1.435 mm，相比優(yōu)化前翹曲量降低了69.7%。

表6 優(yōu)化前后推薦工藝參數(shù)

圖7 塑件優(yōu)化前后翹曲變形量對比

3 結(jié)論

通過正交試驗?zāi)M之后，對于該汽車B柱外飾板雙色注塑模擬分析可以得出以下結(jié)論：

(1)塑件厚度比是對于該雙色薄壁件產(chǎn)生翹曲變形量大小的重要影響因素，在總厚度不變的情況下，改變PMMA/ABS的厚度比值，塑件所產(chǎn)生的翹曲變形量將發(fā)生改變，第一次注射的厚度越薄，所產(chǎn)生的翹曲變形值越大，當(dāng)厚度比越趨近于1時，所產(chǎn)生的翹曲變形量越小。

(2)對于試驗結(jié)果，在四個因素共同影響下，塑件的厚度比對翹曲變形結(jié)果有著突出的影響，其次是保壓時間、保壓壓力，影響最小的是熔體溫度。

(3)通過對Taguchi正交試驗的試驗結(jié)果進行極差和方差計算分析，選出最優(yōu)的參數(shù)組合。即最佳工藝參數(shù)組合為：厚度比0.96∶1，內(nèi)層(ABS層)成型階段熔體溫度240 ℃、保壓壓力80 MPa以及保壓時間6 s，外層(PMMA層)成型階段熔體溫度260 ℃、保壓壓力50 MPa以及保壓時間6 s。相比較于最初默認的設(shè)計方案(初始的總翹曲量為4.73 mm)，優(yōu)化后得到的總翹曲量為1.435 mm，較優(yōu)化前降低69.7%。這表明利用Taguchi優(yōu)化試驗方法能夠有效地減少翹曲量，為之后實際的生產(chǎn)提供有效的理論依據(jù)。