吳俊超，邵海軍，陳愛霞，張鵬飛

(1.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西九江 332007； 2.九江學(xué)院機(jī)械與智能制造學(xué)院，江西九江 332005)

轎車前后保險(xiǎn)杠是轎車的主要零部件之一，直接影響轎車的外觀，它能減少空氣阻力，起到吸收和緩和外界沖擊力、保護(hù)車身及乘員安全的作用。早期的保險(xiǎn)杠一般選擇金屬材質(zhì)，采用厚度不小于3 mm的鋼板，沖成U形槽，鉚接或焊接在車架縱梁上，并確保保險(xiǎn)杠與車身有一定的間隙[1]，最后在表面鍍鉻。然而，采用這種工藝制備的保險(xiǎn)杠整體協(xié)調(diào)性較差，影響轎車外觀，且不利于車身減重。近年來，汽車工業(yè)不斷發(fā)展，特別是提倡轎車車身輕量化后工程塑料被大量使用，對(duì)于塑料材質(zhì)汽車保險(xiǎn)杠來說，在生產(chǎn)中更加追求其外觀的和諧與統(tǒng)一，追求輕量化[1]，同時(shí)塑料材質(zhì)汽車保險(xiǎn)杠的安全保護(hù)功能并未改變，需要滿足力學(xué)特性和吸能特性[1]，使其在受到碰撞時(shí)能夠有一定的緩沖和吸能作用。

現(xiàn)行的轎車保險(xiǎn)杠由橫梁和外板組成。橫梁采用的冷軋鋼板被沖壓成U形槽，厚度為1.5 mm左右，橫梁和車架縱梁采用螺絲連接[1]，方便拆裝；外板的材料一般采用聚酯系和聚丙烯系兩種材料，附著在橫梁上，工藝上多采用注射成型。例如標(biāo)致405選取了聚酯系列的塑料原料，采用反應(yīng)注塑成型工藝。而奧迪100，GOLF，Santana等型號(hào)轎車的保險(xiǎn)杠[1]，選取的是聚丙烯系列的塑料原料，采用注射成型。近年來，有些企業(yè)還采用聚碳酸酯系列的塑料原料，摻入一定量的合金粉末，采用合金注射成型，這種保險(xiǎn)杠強(qiáng)度好、剛性高、涂裝性能好而且可焊接。

鑒于某轎車前保險(xiǎn)杠塑料外板生產(chǎn)中產(chǎn)品合格率較低的問題，筆者采用模流分析軟件Moldflow 2023進(jìn)行CAE分析，借助專業(yè)的質(zhì)量管理統(tǒng)計(jì)分析軟件Minitab 2021進(jìn)行響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，探索在多優(yōu)化目標(biāo)的情況下，存在多個(gè)有交互作用的因子時(shí)如何選取合理取值的注塑工藝優(yōu)化問題。

1 塑件結(jié)構(gòu)與工藝分析

1.1 研究對(duì)象

筆者的研究對(duì)象轎車保險(xiǎn)杠如圖1所示，材料為質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%滑石粉填充聚丙烯(PP+T20)，密度為1.12 g/cm3，質(zhì)量為4.07 kg，體積為3 633.967 cm3。這種改性聚丙烯材料具有較好的耐候性和足夠的韌性，工廠實(shí)際生產(chǎn)中沒有添加玻纖。一次注塑前保險(xiǎn)杠塑件的平均合格率僅有65.35%。主要缺陷表現(xiàn)在塑件外觀有明顯的熔接痕、氣穴、應(yīng)力痕和明顯的縮痕，此外還有飛邊，總的翹曲變形量超出裝配的允許值。因此，研究目標(biāo)是在不改變模具結(jié)構(gòu)的情況下，通過模流分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理來提高轎車前保險(xiǎn)杠外板注塑件的產(chǎn)品合格率。

圖1 研究對(duì)象

1.2 CAE模型的創(chuàng)建

該轎車保險(xiǎn)杠的尺寸精度需要按照汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QCn 29017-1991生產(chǎn)和驗(yàn)收，因?yàn)樵撍芗仁峭庥^件也是受力結(jié)構(gòu)件，所以除了要滿足裝配要求外還要滿足表面外觀光潔、無飛邊、無縮孔或縮松等要求，應(yīng)力痕、縮痕和熔接痕也要盡量少。因?yàn)楸ｋU(xiǎn)杠塑件出現(xiàn)的缺陷較多，所以需要先創(chuàng)建CAE模型，這個(gè)模型應(yīng)和實(shí)際生產(chǎn)所用的模具實(shí)物完全相同；然后按照當(dāng)前生產(chǎn)中采用的注塑工藝參數(shù)在模流分析軟件中進(jìn)行設(shè)定，通過模流分析觀察模擬結(jié)果和生產(chǎn)實(shí)際是否吻合。如果不吻合需要查找是CAE模型存在問題還是成型工藝參數(shù)存在問題。模擬結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)不吻合或符合程度較差時(shí)需要進(jìn)行調(diào)整，直到調(diào)整一致，這樣所建立的CAE分析模型才能作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)，后續(xù)調(diào)整的工藝參數(shù)也才有意義。

首先在UG軟件NX2212中打開之前設(shè)計(jì)好的三維模具數(shù)模。該數(shù)模的外形尺寸為1 705 mm×825 mm ×520 mm，平均厚度為2.66 mm，最大壁厚為5.28 mm。然后檢查、修復(fù)轎車保險(xiǎn)杠三維數(shù)模并以*.stp格式導(dǎo)入Moldflow[2]，采用雙層面網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長(zhǎng)2.2 mm。經(jīng)過網(wǎng)格診斷、網(wǎng)格缺陷處理和網(wǎng)格修復(fù)[3]，最終生成的合格網(wǎng)格數(shù)量有23.36萬，縱橫比小于15 (對(duì)于大型塑件來說，縱橫比小于15即可得到可靠結(jié)果)，網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)匹配百分比超過85%(Moldflow 2023要求翹曲分析時(shí)，匹配率需要大于80%)，此外該雙層面網(wǎng)格沒有其它諸如壁厚過小、零面積單元等錯(cuò)誤，用該網(wǎng)格進(jìn)行分析可以得到可信度較高的模流分析結(jié)果。

模具采用熱流道模具，細(xì)水口轉(zhuǎn)大水口澆注系統(tǒng)，一模一腔，在NX2212中將流道中心線導(dǎo)出為*.igs文檔，在Moldflow中用主頁(yè)下“添加”功能將流道中心線添加到劃分好網(wǎng)格的分析文件中，更改流道中心線屬性為“熱流道”，設(shè)定流道和澆口的尺寸和模具實(shí)物一致并在保證合理長(zhǎng)徑比的情況下劃分網(wǎng)格。對(duì)于距離保險(xiǎn)杠產(chǎn)品很近的形狀不規(guī)則的大水口澆口，需要將這部分在三維軟件中畫出，然后用添加*.stp的方式添加到Moldflow 2023中，劃分成雙層面網(wǎng)格，設(shè)定屬性為“冷澆口”，隨即利用Moldflow的圖層功能將異形冷澆口和產(chǎn)品共面的三角形網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)刪除，然后將冷澆口邊沿的節(jié)點(diǎn)和產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并，將熱流道結(jié)束的節(jié)點(diǎn)和冷澆口節(jié)點(diǎn)合并。最終創(chuàng)建了7個(gè)熱澆口，這7個(gè)熱澆口都是可以獨(dú)立控制的閥澆口，第2個(gè)和第3個(gè)澆口形狀大小結(jié)構(gòu)一致，第4個(gè)和第5個(gè)澆口形狀大小結(jié)構(gòu)一致，第6個(gè)和第7個(gè)澆口形狀大小結(jié)構(gòu)一致，澆口的結(jié)構(gòu)如圖2所示。用同樣的方法將冷卻系統(tǒng)導(dǎo)進(jìn)分析模型并劃分好網(wǎng)格，該模具的冷卻水路很復(fù)雜，存在較多的隔水板水路，共有21進(jìn)21出的21組循環(huán)水路。在水路CAE模型設(shè)計(jì)中需要注意出水口和入水口的數(shù)量必須相等，否則CAE分析會(huì)報(bào)錯(cuò)。

圖2 澆口結(jié)構(gòu)與編號(hào)

轎車保險(xiǎn)杠外板的塑料原料選擇工廠實(shí)際生產(chǎn)中采用的原料為PP+T20，其為Ferro生產(chǎn)的POLYPROPYLENES (PP)系列，牌號(hào)為TPP20AC17 BK，該材料的推薦工藝見表1，材料特性如圖3所示。PP+T20流動(dòng)方向與橫向之間的泊松比(v12)為0.38，兩個(gè)橫向之間的泊松比(v23)為0.43，第1主方向彈性模量(塑料流動(dòng)方向的拉伸彈性模量)為2 518 MPa，第2主方向彈性模量(垂直于流動(dòng)方向即橫向拉伸彈性模量)為2 494 MPa。

表1 PP+T20的推薦工藝

圖3 PP+T20材料特性

1.3 CAE模型的驗(yàn)證

CAE模型建立后，按照實(shí)際生產(chǎn)中采用的注塑工藝參數(shù)(見表2)進(jìn)行設(shè)置，打開時(shí)間見表3。前期的實(shí)際生產(chǎn)中，第1個(gè)閥澆口、第2個(gè)閥澆口和第3個(gè)閥澆口初始均為打開狀態(tài)，第4個(gè)閥澆口和第5個(gè)閥澆口在開始注射1.1 s后打開，第6個(gè)閥澆口和第7個(gè)閥澆口分別在開始注射2.2 s后和2.5 s后打開。所有澆口46 s后關(guān)閉。

表2 優(yōu)化前實(shí)際生產(chǎn)中采用的部分工藝參數(shù)

表3 閥澆口打開時(shí)間

按照實(shí)際參數(shù)設(shè)置后，CAE模擬結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)情況基本一致，但仍存在以下幾個(gè)主要問題，結(jié)合圖4分述如下。

圖4 CAE模擬結(jié)果以及模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)品缺陷對(duì)應(yīng)關(guān)系

(1)翹曲變形較大，最大翹曲變形量達(dá)12.44 mm (如圖4a所示)，不能滿足驗(yàn)收要求。實(shí)際生產(chǎn)中部分產(chǎn)品因翹曲變形過大無法進(jìn)行裝配。

(2)從圖4b的熔接線模擬結(jié)果可以看出，產(chǎn)品上的熔接線和熔合線過多，而且比較雜亂，保險(xiǎn)杠塑件正面有10條長(zhǎng)度超過20 mm的熔接線，最長(zhǎng)的4條長(zhǎng)度超過100 mm，熔接線過長(zhǎng)、過大會(huì)嚴(yán)重影響保險(xiǎn)杠的外觀質(zhì)量，過長(zhǎng)的熔接線還會(huì)導(dǎo)致保險(xiǎn)杠的力學(xué)性能下降。

(3)從圖4c縮痕指數(shù)上看，產(chǎn)品收縮不均勻。這會(huì)導(dǎo)致塑件密度不同，翹曲變形量增加，同時(shí)塑件的力學(xué)性能下降。

(4)第1主方向(橫穿塑件橫截面方向，可以簡(jiǎn)單理解為塑件厚度方向，正值對(duì)應(yīng)塑件中的張力，而負(fù)值對(duì)應(yīng)壓縮力)和第2主方向(垂直于第1主方向的方向)的殘余應(yīng)力都過大，而且應(yīng)力變化不均勻。應(yīng)力突變的地方會(huì)形成應(yīng)力痕，殘余應(yīng)力過大會(huì)導(dǎo)致塑件在使用中過早失效和翹曲變形量增大。圖4d、圖4e是模擬的第一主方向上殘余應(yīng)力情況和實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)品上對(duì)應(yīng)出現(xiàn)的缺陷，可以看出，模擬結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的缺陷非常吻合。

2 熔接線的改善方法

針對(duì)過多、過長(zhǎng)且雜亂的熔接線和熔合線，采用調(diào)整閥澆口的打開時(shí)間，以減少熔接痕和熔合線，將不可避免的熔接痕和熔合線盡量調(diào)整到產(chǎn)品的非外觀面，盡量減少熔接痕和熔合線對(duì)產(chǎn)品力學(xué)性能的影響。

在充填過程中兩股或多股塑料熔體相遇匯合而成的瑕疵就是熔接線和熔合線，多數(shù)為可見缺陷。熔合線附近塑件的強(qiáng)度和外觀都要好于產(chǎn)生熔接線的區(qū)域。平行的流體會(huì)形成熔合線，塑料原料的不同、填充物的不同以及保壓壓力和保壓溫度的不同都會(huì)影響熔合線區(qū)域的產(chǎn)品質(zhì)量。有角度的兩股或多股塑料熔體相遇融合會(huì)形成熔接線，熔接線會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品外觀和力學(xué)性能不合格。實(shí)際生產(chǎn)中要盡量避免熔接線，盡可能少產(chǎn)生熔合線。當(dāng)塑料熔體流經(jīng)孔后合流，或存在多個(gè)澆口且打開時(shí)間不合理，或多個(gè)澆口同時(shí)打開時(shí)，熔接線和熔合線的產(chǎn)生很難避免。若兩股塑料熔體相遇時(shí)還有較高的流前溫度，則后期如果采用合適的保壓壓力和保壓時(shí)間，就可能避免較多熔接線和熔合線出現(xiàn)在實(shí)際產(chǎn)品上。

更改充填速度和流向，使兩股塑料熔體或多股塑料熔體在合適的位置相遇，這是將熔接線移動(dòng)到非外觀面的有效方法。更改填充模式常采用的方法有：①用閥澆口技術(shù)使?jié)部谠诓煌臅r(shí)間打開；②改變澆口的位置；③更改塑料產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，譬如厚度等。當(dāng)熔接線和熔合線無法避免時(shí)，只能盡量降低熔接線帶來的危害，常用的方法有：①提高塑料原料的注塑溫度、提高注射速度或增大保壓壓力，這能讓塑料更好地彼此熔合；②增大澆口或流道的尺寸，以使保壓壓力更好地傳遞到塑件上；③把澆口設(shè)置在熔接線附近，這樣熔接線產(chǎn)生的區(qū)域就會(huì)有更高的溶體溫度和保壓壓力；④移動(dòng)注射位置，盡量將熔接線轉(zhuǎn)化成熔合線；⑤在熔接線的區(qū)域增加排氣結(jié)構(gòu)或改善排氣措施，以消除氣穴、減少或縮短熔接線；⑥優(yōu)化流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用摩擦剪切熱來提高塑料的流前溫度。

結(jié)合本例的實(shí)際情況，模具已經(jīng)投入生產(chǎn)，如果能夠在不修改模具結(jié)構(gòu)或者盡量少修改模具結(jié)構(gòu)的情況下解決問題，將能夠減少開發(fā)成本，有利于綠色生產(chǎn)?；谶@個(gè)考慮，先將閥澆口的打開時(shí)間盡量調(diào)整到合理時(shí)間。在模流分析軟件Moldflow 2023中，設(shè)置閥澆口的觸發(fā)器為“流動(dòng)前沿”，見表4。根據(jù)澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，塑料熔體最先到達(dá)第1個(gè)閥澆口，當(dāng)塑料流到第1個(gè)閥澆口附近(柱體單元B843，見表4)時(shí)，第1個(gè)閥澆口打開，此時(shí)其它閥澆口均未打開，塑料熔體流經(jīng)第1個(gè)閥澆口在型腔中繼續(xù)向前流動(dòng)，當(dāng)塑料熔體的流動(dòng)前沿流到下一個(gè)閥澆口(本例會(huì)先流到第3個(gè)閥澆口)附近(節(jié)點(diǎn)N906273，見表4)時(shí)，下一個(gè)閥澆口(第3個(gè)閥澆口)打開，塑料熔體會(huì)從第3個(gè)閥澆口流出，與從第1個(gè)閥澆口流出的塑料熔體匯合，繼續(xù)向前流動(dòng)到下一個(gè)閥澆口，依次直到充滿模具型腔。經(jīng)過多次調(diào)整閥澆口的打開時(shí)間和反復(fù)模擬，熔接線的問題得到了有效解決?？傮w來看熔接線的數(shù)量明顯減少，比較長(zhǎng)的熔接線基本上都在產(chǎn)品的背面，外觀表面沒有明顯的熔接線，如圖5所示。優(yōu)化后的閥澆口打開時(shí)間見表4，閥澆口編號(hào)如圖2所示。

表4 優(yōu)化后的閥澆口打開時(shí)間

圖5 優(yōu)化后的熔接線

3 其它缺陷的改善方法

根據(jù)上述的模擬，保險(xiǎn)杠的缺陷除了熔接線外，還存在翹曲變形較大、產(chǎn)品收縮不均勻、第1主方向和第2主方向的殘余應(yīng)力均過大、應(yīng)力變化不均勻等問題，這些問題都是待優(yōu)化的目標(biāo)(響應(yīng))，優(yōu)化目標(biāo)多，各個(gè)影響目標(biāo)(響應(yīng))的因子(各個(gè)工藝參數(shù))又相互影響，這給優(yōu)化分析帶了很大的難題。筆者擬采用熵值法將多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)簡(jiǎn)化為一個(gè)綜合優(yōu)化目標(biāo)。通過Moldflow CAE分析，借助Minitab軟件求出綜合優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)值及綜合優(yōu)化目標(biāo)取最優(yōu)值時(shí)各個(gè)因子(工藝參數(shù))的合理取值。

3.1 熵值法

熵值法是指根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)觀測(cè)值所提供的信息的大小來確定指標(biāo)權(quán)重的一種方法[4]。熵是對(duì)不確定性信息的一種度量。信息量越大，不確定性越小，熵越小[4]。在多響應(yīng)的試驗(yàn)中通常會(huì)選擇熵這個(gè)工具計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重，該方法得出的權(quán)重較為客觀。

熵值法是解決多個(gè)響應(yīng)的有效方法。利用熵值法首先需要根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)矩陣，求出第i個(gè)響應(yīng)在試驗(yàn)運(yùn)行序號(hào)為j時(shí)對(duì)應(yīng)響應(yīng)值的比重[5]，即pij，然后求出各個(gè)響應(yīng)的熵值，通過熵值計(jì)算各響應(yīng)的權(quán)重wj。有了各響應(yīng)相對(duì)客觀的權(quán)重，就可以計(jì)算所有響應(yīng)的綜合評(píng)分[6]。最終可以通過所有響應(yīng)綜合評(píng)分的高低來確定各個(gè)因子的取值[7]，綜合評(píng)分越大越好。綜合評(píng)分常用的公式見式(1)，其中Si為綜合評(píng)分。

3.2 構(gòu)建綜合優(yōu)化目標(biāo)

由于存在多個(gè)需要改善的響應(yīng)，而且每個(gè)因子以及響應(yīng)間有復(fù)雜的交互作用，如果要進(jìn)行全面試驗(yàn)，需要的試驗(yàn)次數(shù)非常多，耗時(shí)太長(zhǎng)[8](有些需要多臺(tái)工作站運(yùn)行幾年甚至更長(zhǎng)時(shí)間)，雖然理論上有可行性，但在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行全面試驗(yàn)的模擬分析費(fèi)時(shí)費(fèi)力。結(jié)合熵值法的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中通過進(jìn)行部分有代表性的試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)中因子的取值和響應(yīng)的模擬結(jié)果，構(gòu)建一個(gè)綜合的響應(yīng)。然后再借助田口方法在Minitab或其它軟件的幫助下，求出綜合優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)值，以及取得最優(yōu)值時(shí)對(duì)應(yīng)因子的合理取值。最后再將因子的合理取值設(shè)定在軟件中模擬驗(yàn)證，如果驗(yàn)證沒有問題就可以通過實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行產(chǎn)品試制。

通過仔細(xì)分析實(shí)際生產(chǎn)中的產(chǎn)品缺陷，結(jié)合CAE分析結(jié)果，確定總的翹曲變形量、第1方向(塑件厚度方向)的殘余應(yīng)力、第2方向(垂直于第1方向的方向)的殘余應(yīng)力、縮痕指數(shù)、頂出時(shí)的體積收縮率這5個(gè)分析結(jié)果作為響應(yīng)。

在不改變模具結(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)以上響應(yīng)影響較大的工藝條件(即變量)有熔體溫度(推薦溫度230～270 ℃，低于230 ℃，流動(dòng)性不好，高于270 ℃材料分解)、充填時(shí)間(根據(jù)之前的分析結(jié)果推薦2.4～6.6 s，少于2.4 s充填不滿)、保壓時(shí)間(18～30秒)、保壓壓力(充填壓力的64%～96%)、冷卻介質(zhì)入口溫度(20～30 ℃)、模具表面溫度(40～70 ℃)。最終建立的因子水平表見表5。

表5 因子水平表

根據(jù)建立的因子水平表，采用6因子3水平創(chuàng)建田口方法，進(jìn)行27組CAE模擬分析試驗(yàn)，得到的分析結(jié)果見表6。

表6 試驗(yàn)因子取值與評(píng)價(jià)結(jié)果的分析結(jié)果

利用熵值法確定權(quán)重，首先應(yīng)該對(duì)響應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理。響應(yīng)分為效益型和成本型兩種，效益型就是數(shù)據(jù)越大對(duì)結(jié)果越有利，而成本型則相反。規(guī)范化處理數(shù)據(jù)采用極差變換法，效益型采用式(2)，成本型采用式(3)，數(shù)據(jù)規(guī)范化實(shí)際上是將響應(yīng)的絕對(duì)值轉(zhuǎn)化為相對(duì)值[9]，數(shù)據(jù)處理后，每個(gè)響應(yīng)的最優(yōu)值為1，最差值為0。

式(2)和式(3)中，x*是規(guī)范化處理后得到的值，x是當(dāng)前值，xmax是該響應(yīng)所有試驗(yàn)結(jié)果中的最大值，xmin是該響應(yīng)所有試驗(yàn)結(jié)果中的最小值。

表6中的5個(gè)響應(yīng)：翹曲變形量、第1方向的殘余應(yīng)力、第2方向的殘余應(yīng)力、縮痕指數(shù)、頂出時(shí)的體積收縮率都屬于成本型，數(shù)據(jù)越小對(duì)生產(chǎn)越有利。規(guī)范化處理數(shù)據(jù)時(shí)采用式(3)。處理后數(shù)據(jù)見表7。

表7 規(guī)范化處理指標(biāo)的分析結(jié)果

將規(guī)范化處理過的響應(yīng)數(shù)據(jù)按照熵值法的原理代入公式中進(jìn)行必要的計(jì)算可以得到各個(gè)響應(yīng)的權(quán)重[10]。具體的步驟有：①響應(yīng)當(dāng)前值在該指標(biāo)中的比重，用式(4)計(jì)算[式(4)中x*ij為第i個(gè)響應(yīng)在第j個(gè)運(yùn)行序號(hào)的試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的規(guī)范化處理值]；②用式(5)求出各響應(yīng)的熵值ej；③通過式(6)和式(7)計(jì)算各響應(yīng)的權(quán)重。

經(jīng)過計(jì)算，得出翹曲變形量、第1方向的殘余應(yīng)力、第2方向的殘余應(yīng)力、縮痕指數(shù)、頂出時(shí)的體積收縮率的權(quán)重依次為25.668%，19.268%，20.667%，12.191%，22.206%。計(jì)算過程相對(duì)繁瑣，可借助Excel進(jìn)行計(jì)算，也可以通過SPSS軟件進(jìn)行計(jì)算，還可以通過https：//spssau.com/在線計(jì)算熵值和每個(gè)響應(yīng)的權(quán)重。

根據(jù)各響應(yīng)的權(quán)重，建立綜合優(yōu)化目標(biāo)Y，其計(jì)算公式如式(8)所示。

式(8)中，Y1，Y2，Y3，Y4，Y5分別為翹曲變形量、第1方向的殘余應(yīng)力、第2方向的殘余應(yīng)力、縮痕指數(shù)、頂出時(shí)的體積收縮率。

3.3 求解工藝參數(shù)

將處理前的分析結(jié)果直接代入式(8)，經(jīng)過計(jì)算可以得出綜合優(yōu)化目標(biāo)Y的數(shù)值，結(jié)果見表6中最后一列。

針對(duì)表6的試驗(yàn)結(jié)果利用Minitab2021進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可以采用兩種方法，一種是田口方法，一種是響應(yīng)面法[11]。

采用田口方法可以快速地找到響應(yīng)望小時(shí)這6個(gè)因子該取3水平中的哪個(gè)水平，之所以快速是因?yàn)榭梢圆捎帽?中已經(jīng)做好的27組試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不必重新做試驗(yàn)。但是由于該案例中的因子取值是連續(xù)的，不是僅有的3個(gè)水平，所以采用田口方法，響應(yīng)望小，但不是最小，只是比較接近最小，如果這6個(gè)因子均只能取這3個(gè)水平中的1個(gè)水平，那響應(yīng)的最小值即為最優(yōu)解。

采用響應(yīng)面法，可以解決田口試驗(yàn)在上述問題中的不足，在數(shù)據(jù)分析軟件Minitab的幫助下通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以建立綜合優(yōu)化目標(biāo)與各因子之間的回歸方程[12]，通過回歸方程可以求出綜合響應(yīng)的最優(yōu)值，以及取最優(yōu)值時(shí)各個(gè)因子的取值。但是響應(yīng)面法需要重新安排試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)較多。

響應(yīng)面法又可分為中心復(fù)合法和BOXBehnken等，對(duì)于6因子，如果采用中心復(fù)合法需要重新安排90組試驗(yàn)[13]，采用BOX-Behnken試驗(yàn)法也需要重新做54組試驗(yàn)。本例中為了達(dá)到分析要求，需要的雙層面網(wǎng)格數(shù)據(jù)較多(產(chǎn)品網(wǎng)格約23.36萬)，每次試驗(yàn)的運(yùn)行時(shí)間都比較長(zhǎng)(每組試驗(yàn)約72 h)。如果采用響應(yīng)面法雖然能夠求出綜合優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)值，但是需要的時(shí)間長(zhǎng)[14](72 h/組試驗(yàn)×54組試驗(yàn)，最短需要連續(xù)工作約162 d)，耗費(fèi)的成本會(huì)比較大。因此先采用田口方法找到綜合響應(yīng)最小時(shí)各因子的取值。然后將各因子(工藝參數(shù))取值在Moldflow 2023中設(shè)定并進(jìn)行模擬分析，以初步確定能否滿足生產(chǎn)要求，如果能滿足要求將分析結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行驗(yàn)證。

在minitab2021中創(chuàng)建田口設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)類型選用6因子3水平，響應(yīng)選擇“望小”[15]。經(jīng)過分析計(jì)算，得到均值主效應(yīng)圖，如圖6所示。從圖6中可以看到當(dāng)熔體溫度選擇250 ℃、充填時(shí)間選擇4.5 s、保壓時(shí)間選擇30 s、保壓壓力選擇為充填壓力的96%、冷卻介質(zhì)入口溫度選擇25 ℃、模具表面溫度選擇40 ℃時(shí)綜合響應(yīng)值最小。

圖6 均值主效應(yīng)圖

實(shí)際生產(chǎn)中各因子對(duì)響應(yīng)的影響是相互交錯(cuò)的，改變因子的水平值，分析結(jié)果又不相同[16]。所以上述的分析結(jié)果可以作為參考。將因子的水平值重新設(shè)定好后，重新分析計(jì)算。圖7和圖8是重新設(shè)置后縮痕指數(shù)、翹曲變形量的計(jì)算結(jié)果。

圖7 重新設(shè)置后縮痕指數(shù)的計(jì)算結(jié)果

圖8 重新設(shè)置后翹曲變形量的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果，無論是縮痕指數(shù)還是翹曲變形量都達(dá)到了企業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際生產(chǎn)中檢驗(yàn)合格率從65.35%提高到85.87%，明顯提高了產(chǎn)品的合格率。圖9是轎車前保險(xiǎn)杠模具的三維設(shè)計(jì)結(jié)果。圖10是企業(yè)生產(chǎn)采用的模具。圖11是合格的保險(xiǎn)杠產(chǎn)品。

圖9 保險(xiǎn)杠模具的三維設(shè)計(jì)結(jié)果

圖10 保險(xiǎn)杠模具實(shí)物

圖11 合格的保險(xiǎn)杠產(chǎn)品

4 結(jié)論

(1)優(yōu)化了閥澆口的打開時(shí)間，通過采用更合理、更準(zhǔn)確的閥澆口打開時(shí)間有效地解決了產(chǎn)品上熔接線過多、過長(zhǎng)的問題和應(yīng)力痕問題。

(2)基于熵值法建立綜合優(yōu)化目標(biāo)，通過正交試驗(yàn)分析出綜合優(yōu)化目標(biāo)，以及各因子(工藝參數(shù))的合理取值。本例工藝參數(shù)的最終合理取值為：熔體溫度250 ℃、充填時(shí)間4.5 s、保壓時(shí)間30 s、保壓壓力為充填壓力的96%、冷卻介質(zhì)入口溫度25 ℃、模具表面溫度40 ℃。

(3)經(jīng)過工藝參數(shù)改進(jìn)，在不變更模具設(shè)計(jì)、不修改模具結(jié)構(gòu)的情況下，產(chǎn)品合格率得到了有效提高，從65.35%提高到85.87%。

(4)利用模流分析軟件Moldflow 2023[16]，在閥澆口功能、DOE功能、田口方法的幫助下結(jié)合數(shù)據(jù)分析軟件Minitab，能夠快速地解決針對(duì)多響應(yīng)、有交互作用多因子的取值問題。該方法能有效解決多優(yōu)化目標(biāo)且因子有交互作用的注塑工藝參數(shù)選取問題，節(jié)約試模成本。