吴俊超，邵海军，陈爱霞，张鹏飞
(1.九江职业技术学院，江西九江 332007；
2.九江学院机械与智能制造学院，江西九江 332005)
轿车前后保险杠是轿车的主要零部件之一，直接影响轿车的外观，它能减少空气阻力，起到吸收和缓和外界冲击力、保护车身及乘员安全的作用。早期的保险杠一般选择金属材质，采用厚度不小于3 mm的钢板，冲成U形槽，铆接或焊接在车架纵梁上，并确保保险杠与车身有一定的间隙[1]，最后在表面镀铬。然而，采用这种工艺制备的保险杠整体协调性较差，影响轿车外观，且不利于车身减重。近年来，汽车工业不断发展，特别是提倡轿车车身轻量化后工程塑料被大量使用，对于塑料材质汽车保险杠来说，在生产中更加追求其外观的和谐与统一，追求轻量化[1]，同时塑料材质汽车保险杠的安全保护功能并未改变，需要满足力学特性和吸能特性[1]，使其在受到碰撞时能够有一定的缓冲和吸能作用。
现行的轿车保险杠由横梁和外板组成。横梁采用的冷轧钢板被冲压成U形槽，厚度为1.5 mm左右，横梁和车架纵梁采用螺丝连接[1]，方便拆装；
外板的材料一般采用聚酯系和聚丙烯系两种材料，附着在横梁上，工艺上多采用注射成型。例如标致405选取了聚酯系列的塑料原料，采用反应注塑成型工艺。而奥迪100，GOLF，Santana等型号轿车的保险杠[1]，选取的是聚丙烯系列的塑料原料，采用注射成型。近年来，有些企业还采用聚碳酸酯系列的塑料原料，掺入一定量的合金粉末，采用合金注射成型，这种保险杠强度好、刚性高、涂装性能好而且可焊接。
鉴于某轿车前保险杠塑料外板生产中产品合格率较低的问题，笔者采用模流分析软件Moldflow 2023进行CAE分析，借助专业的质量管理统计分析软件Minitab 2021进行响应面法试验设计和数据分析，探索在多优化目标的情况下，存在多个有交互作用的因子时如何选取合理取值的注塑工艺优化问题。
1.1 研究对象
笔者的研究对象轿车保险杠如图1所示，材料为质量分数20%滑石粉填充聚丙烯(PP+T20)，密度为1.12 g/cm3，质量为4.07 kg，体积为3 633.967 cm3。这种改性聚丙烯材料具有较好的耐候性和足够的韧性，工厂实际生产中没有添加玻纤。一次注塑前保险杠塑件的平均合格率仅有65.35%。主要缺陷表现在塑件外观有明显的熔接痕、气穴、应力痕和明显的缩痕，此外还有飞边，总的翘曲变形量超出装配的允许值。因此，研究目标是在不改变模具结构的情况下，通过模流分析和试验数据处理来提高轿车前保险杠外板注塑件的产品合格率。
图1 研究对象
1.2 CAE模型的创建
该轿车保险杠的尺寸精度需要按照汽车行业标准QCn 29017-1991生产和验收，因为该塑件既是外观件也是受力结构件，所以除了要满足装配要求外还要满足表面外观光洁、无飞边、无缩孔或缩松等要求，应力痕、缩痕和熔接痕也要尽量少。因为保险杠塑件出现的缺陷较多，所以需要先创建CAE模型，这个模型应和实际生产所用的模具实物完全相同；
然后按照当前生产中采用的注塑工艺参数在模流分析软件中进行设定，通过模流分析观察模拟结果和生产实际是否吻合。如果不吻合需要查找是CAE模型存在问题还是成型工艺参数存在问题。模拟结果和实际生产不吻合或符合程度较差时需要进行调整，直到调整一致，这样所建立的CAE分析模型才能作为后续研究的基础，后续调整的工艺参数也才有意义。
首先在UG软件NX2212中打开之前设计好的三维模具数模。该数模的外形尺寸为1 705 mm×825 mm ×520 mm，平均厚度为2.66 mm，最大壁厚为5.28 mm。然后检查、修复轿车保险杠三维数模并以*.stp格式导入Moldflow[2]，采用双层面网格，网格边长2.2 mm。经过网格诊断、网格缺陷处理和网格修复[3]，最终生成的合格网格数量有23.36万，纵横比小于15 (对于大型塑件来说，纵横比小于15即可得到可靠结果)，网格统计匹配百分比超过85%(Moldflow 2023要求翘曲分析时，匹配率需要大于80%)，此外该双层面网格没有其它诸如壁厚过小、零面积单元等错误，用该网格进行分析可以得到可信度较高的模流分析结果。
模具采用热流道模具，细水口转大水口浇注系统，一模一腔，在NX2212中将流道中心线导出为*.igs文档，在Moldflow中用主页下“添加”功能将流道中心线添加到划分好网格的分析文件中，更改流道中心线属性为“热流道”，设定流道和浇口的尺寸和模具实物一致并在保证合理长径比的情况下划分网格。对于距离保险杠产品很近的形状不规则的大水口浇口，需要将这部分在三维软件中画出，然后用添加*.stp的方式添加到Moldflow 2023中，划分成双层面网格，设定属性为“冷浇口”，随即利用Moldflow的图层功能将异形冷浇口和产品共面的三角形网格和节点删除，然后将冷浇口边沿的节点和产品节点进行合并，将热流道结束的节点和冷浇口节点合并。最终创建了7个热浇口，这7个热浇口都是可以独立控制的阀浇口，第2个和第3个浇口形状大小结构一致，第4个和第5个浇口形状大小结构一致，第6个和第7个浇口形状大小结构一致，浇口的结构如图2所示。用同样的方法将冷却系统导进分析模型并划分好网格，该模具的冷却水路很复杂，存在较多的隔水板水路，共有21进21出的21组循环水路。在水路CAE模型设计中需要注意出水口和入水口的数量必须相等，否则CAE分析会报错。
图2 浇口结构与编号
轿车保险杠外板的塑料原料选择工厂实际生产中采用的原料为PP+T20，其为Ferro生产的POLYPROPYLENES (PP)系列，牌号为TPP20AC17 BK，该材料的推荐工艺见表1，材料特性如图3所示。PP+T20流动方向与横向之间的泊松比(v12)为0.38，两个横向之间的泊松比(v23)为0.43，第1主方向弹性模量(塑料流动方向的拉伸弹性模量)为2 518 MPa，第2主方向弹性模量(垂直于流动方向即横向拉伸弹性模量)为2 494 MPa。
表1 PP+T20的推荐工艺
图3 PP+T20材料特性
1.3 CAE模型的验证
CAE模型建立后，按照实际生产中采用的注塑工艺参数(见表2)进行设置，打开时间见表3。前期的实际生产中，第1个阀浇口、第2个阀浇口和第3个阀浇口初始均为打开状态，第4个阀浇口和第5个阀浇口在开始注射1.1 s后打开，第6个阀浇口和第7个阀浇口分别在开始注射2.2 s后和2.5 s后打开。所有浇口46 s后关闭。
表2 优化前实际生产中采用的部分工艺参数
表3 阀浇口打开时间
按照实际参数设置后，CAE模拟结果和实际生产情况基本一致，但仍存在以下几个主要问题，结合图4分述如下。
图4 CAE模拟结果以及模拟结果与实际生产中产品缺陷对应关系
(1)翘曲变形较大，最大翘曲变形量达12.44 mm (如图4a所示)，不能满足验收要求。实际生产中部分产品因翘曲变形过大无法进行装配。
(2)从图4b的熔接线模拟结果可以看出，产品上的熔接线和熔合线过多，而且比较杂乱，保险杠塑件正面有10条长度超过20 mm的熔接线，最长的4条长度超过100 mm，熔接线过长、过大会严重影响保险杠的外观质量，过长的熔接线还会导致保险杠的力学性能下降。
(3)从图4c缩痕指数上看，产品收缩不均匀。这会导致塑件密度不同，翘曲变形量增加，同时塑件的力学性能下降。
(4)第1主方向(横穿塑件横截面方向，可以简单理解为塑件厚度方向，正值对应塑件中的张力，而负值对应压缩力)和第2主方向(垂直于第1主方向的方向)的残余应力都过大，而且应力变化不均匀。应力突变的地方会形成应力痕，残余应力过大会导致塑件在使用中过早失效和翘曲变形量增大。图4d、图4e是模拟的第一主方向上残余应力情况和实际生产中产品上对应出现的缺陷，可以看出，模拟结果和实际生产中出现的缺陷非常吻合。
针对过多、过长且杂乱的熔接线和熔合线，采用调整阀浇口的打开时间，以减少熔接痕和熔合线，将不可避免的熔接痕和熔合线尽量调整到产品的非外观面，尽量减少熔接痕和熔合线对产品力学性能的影响。
在充填过程中两股或多股塑料熔体相遇汇合而成的瑕疵就是熔接线和熔合线，多数为可见缺陷。熔合线附近塑件的强度和外观都要好于产生熔接线的区域。平行的流体会形成熔合线，塑料原料的不同、填充物的不同以及保压压力和保压温度的不同都会影响熔合线区域的产品质量。有角度的两股或多股塑料熔体相遇融合会形成熔接线，熔接线会导致产品外观和力学性能不合格。实际生产中要尽量避免熔接线，尽可能少产生熔合线。当塑料熔体流经孔后合流，或存在多个浇口且打开时间不合理，或多个浇口同时打开时，熔接线和熔合线的产生很难避免。若两股塑料熔体相遇时还有较高的流前温度，则后期如果采用合适的保压压力和保压时间，就可能避免较多熔接线和熔合线出现在实际产品上。
更改充填速度和流向，使两股塑料熔体或多股塑料熔体在合适的位置相遇，这是将熔接线移动到非外观面的有效方法。更改填充模式常采用的方法有：①用阀浇口技术使浇口在不同的时间打开；
②改变浇口的位置；
③更改塑料产品的结构，譬如厚度等。当熔接线和熔合线无法避免时，只能尽量降低熔接线带来的危害，常用的方法有：①提高塑料原料的注塑温度、提高注射速度或增大保压压力，这能让塑料更好地彼此熔合；
②增大浇口或流道的尺寸，以使保压压力更好地传递到塑件上；
③把浇口设置在熔接线附近，这样熔接线产生的区域就会有更高的溶体温度和保压压力；
④移动注射位置，尽量将熔接线转化成熔合线；
⑤在熔接线的区域增加排气结构或改善排气措施，以消除气穴、减少或缩短熔接线；
⑥优化流道系统设计，用摩擦剪切热来提高塑料的流前温度。
结合本例的实际情况，模具已经投入生产，如果能够在不修改模具结构或者尽量少修改模具结构的情况下解决问题，将能够减少开发成本，有利于绿色生产。基于这个考虑，先将阀浇口的打开时间尽量调整到合理时间。在模流分析软件Moldflow 2023中，设置阀浇口的触发器为“流动前沿”，见表4。根据浇注系统结构特点，塑料熔体最先到达第1个阀浇口，当塑料流到第1个阀浇口附近(柱体单元B843，见表4)时，第1个阀浇口打开，此时其它阀浇口均未打开，塑料熔体流经第1个阀浇口在型腔中继续向前流动，当塑料熔体的流动前沿流到下一个阀浇口(本例会先流到第3个阀浇口)附近(节点N906273，见表4)时，下一个阀浇口(第3个阀浇口)打开，塑料熔体会从第3个阀浇口流出，与从第1个阀浇口流出的塑料熔体汇合，继续向前流动到下一个阀浇口，依次直到充满模具型腔。经过多次调整阀浇口的打开时间和反复模拟，熔接线的问题得到了有效解决。总体来看熔接线的数量明显减少，比较长的熔接线基本上都在产品的背面，外观表面没有明显的熔接线，如图5所示。优化后的阀浇口打开时间见表4，阀浇口编号如图2所示。
表4 优化后的阀浇口打开时间
图5 优化后的熔接线
根据上述的模拟，保险杠的缺陷除了熔接线外，还存在翘曲变形较大、产品收缩不均匀、第1主方向和第2主方向的残余应力均过大、应力变化不均匀等问题，这些问题都是待优化的目标(响应)，优化目标多，各个影响目标(响应)的因子(各个工艺参数)又相互影响，这给优化分析带了很大的难题。笔者拟采用熵值法将多个优化目标简化为一个综合优化目标。通过Moldflow CAE分析，借助Minitab软件求出综合优化目标的最优值及综合优化目标取最优值时各个因子(工艺参数)的合理取值。
3.1 熵值法
熵值法是指根据各项指标观测值所提供的信息的大小来确定指标权重的一种方法[4]。熵是对不确定性信息的一种度量。信息量越大，不确定性越小，熵越小[4]。在多响应的试验中通常会选择熵这个工具计算出各指标的权重，该方法得出的权重较为客观。
熵值法是解决多个响应的有效方法。利用熵值法首先需要根据试验数据构建数据矩阵，求出第i个响应在试验运行序号为j时对应响应值的比重[5]，即pij，然后求出各个响应的熵值，通过熵值计算各响应的权重wj。有了各响应相对客观的权重，就可以计算所有响应的综合评分[6]。最终可以通过所有响应综合评分的高低来确定各个因子的取值[7]，综合评分越大越好。综合评分常用的公式见式(1)，其中Si为综合评分。
3.2 构建综合优化目标
由于存在多个需要改善的响应，而且每个因子以及响应间有复杂的交互作用，如果要进行全面试验，需要的试验次数非常多，耗时太长[8](有些需要多台工作站运行几年甚至更长时间)，虽然理论上有可行性，但在实际生产中进行全面试验的模拟分析费时费力。结合熵值法的优点，在实际生产中通过进行部分有代表性的试验，根据试验中因子的取值和响应的模拟结果，构建一个综合的响应。然后再借助田口方法在Minitab或其它软件的帮助下，求出综合优化目标的最优值，以及取得最优值时对应因子的合理取值。最后再将因子的合理取值设定在软件中模拟验证，如果验证没有问题就可以通过实际生产进行产品试制。
通过仔细分析实际生产中的产品缺陷，结合CAE分析结果，确定总的翘曲变形量、第1方向(塑件厚度方向)的残余应力、第2方向(垂直于第1方向的方向)的残余应力、缩痕指数、顶出时的体积收缩率这5个分析结果作为响应。
在不改变模具结构的情况下，对以上响应影响较大的工艺条件(即变量)有熔体温度(推荐温度230～270 ℃，低于230 ℃，流动性不好，高于270 ℃材料分解)、充填时间(根据之前的分析结果推荐2.4～6.6 s，少于2.4 s充填不满)、保压时间(18～30秒)、保压压力(充填压力的64%～96%)、冷却介质入口温度(20～30 ℃)、模具表面温度(40～70 ℃)。最终建立的因子水平表见表5。
表5 因子水平表
根据建立的因子水平表，采用6因子3水平创建田口方法，进行27组CAE模拟分析试验，得到的分析结果见表6。
表6 试验因子取值与评价结果的分析结果
利用熵值法确定权重，首先应该对响应的试验数据进行规范化处理。响应分为效益型和成本型两种，效益型就是数据越大对结果越有利，而成本型则相反。规范化处理数据采用极差变换法，效益型采用式(2)，成本型采用式(3)，数据规范化实际上是将响应的绝对值转化为相对值[9]，数据处理后，每个响应的最优值为1，最差值为0。
式(2)和式(3)中，x*是规范化处理后得到的值，x是当前值，xmax是该响应所有试验结果中的最大值，xmin是该响应所有试验结果中的最小值。
表6中的5个响应：翘曲变形量、第1方向的残余应力、第2方向的残余应力、缩痕指数、顶出时的体积收缩率都属于成本型，数据越小对生产越有利。规范化处理数据时采用式(3)。处理后数据见表7。
表7 规范化处理指标的分析结果
将规范化处理过的响应数据按照熵值法的原理代入公式中进行必要的计算可以得到各个响应的权重[10]。具体的步骤有：①响应当前值在该指标中的比重，用式(4)计算[式(4)中x*ij为第i个响应在第j个运行序号的试验中对应的规范化处理值]；
②用式(5)求出各响应的熵值ej；
③通过式(6)和式(7)计算各响应的权重。
经过计算，得出翘曲变形量、第1方向的残余应力、第2方向的残余应力、缩痕指数、顶出时的体积收缩率的权重依次为25.668%，19.268%，20.667%，12.191%，22.206%。计算过程相对繁琐，可借助Excel进行计算，也可以通过SPSS软件进行计算，还可以通过https：//spssau.com/在线计算熵值和每个响应的权重。
根据各响应的权重，建立综合优化目标Y，其计算公式如式(8)所示。
式(8)中，Y1，Y2，Y3，Y4，Y5分别为翘曲变形量、第1方向的残余应力、第2方向的残余应力、缩痕指数、顶出时的体积收缩率。
3.3 求解工艺参数
将处理前的分析结果直接代入式(8)，经过计算可以得出综合优化目标Y的数值，结果见表6中最后一列。
针对表6的试验结果利用Minitab2021进行数据分析。进行数据分析可以采用两种方法，一种是田口方法，一种是响应面法[11]。
采用田口方法可以快速地找到响应望小时这6个因子该取3水平中的哪个水平，之所以快速是因为可以采用表6中已经做好的27组试验的试验数据，不必重新做试验。但是由于该案例中的因子取值是连续的，不是仅有的3个水平，所以采用田口方法，响应望小，但不是最小，只是比较接近最小，如果这6个因子均只能取这3个水平中的1个水平，那响应的最小值即为最优解。
采用响应面法，可以解决田口试验在上述问题中的不足，在数据分析软件Minitab的帮助下通过试验数据可以建立综合优化目标与各因子之间的回归方程[12]，通过回归方程可以求出综合响应的最优值，以及取最优值时各个因子的取值。但是响应面法需要重新安排试验，试验次数较多。
响应面法又可分为中心复合法和BOXBehnken等，对于6因子，如果采用中心复合法需要重新安排90组试验[13]，采用BOX-Behnken试验法也需要重新做54组试验。本例中为了达到分析要求，需要的双层面网格数据较多(产品网格约23.36万)，每次试验的运行时间都比较长(每组试验约72 h)。如果采用响应面法虽然能够求出综合优化目标的最优值，但是需要的时间长[14](72 h/组试验×54组试验，最短需要连续工作约162 d)，耗费的成本会比较大。因此先采用田口方法找到综合响应最小时各因子的取值。然后将各因子(工艺参数)取值在Moldflow 2023中设定并进行模拟分析，以初步确定能否满足生产要求，如果能满足要求将分析结果应用于实际生产中进行验证。
在minitab2021中创建田口设计，设计类型选用6因子3水平，响应选择“望小”[15]。经过分析计算，得到均值主效应图，如图6所示。从图6中可以看到当熔体温度选择250 ℃、充填时间选择4.5 s、保压时间选择30 s、保压压力选择为充填压力的96%、冷却介质入口温度选择25 ℃、模具表面温度选择40 ℃时综合响应值最小。
图6 均值主效应图
实际生产中各因子对响应的影响是相互交错的，改变因子的水平值，分析结果又不相同[16]。所以上述的分析结果可以作为参考。将因子的水平值重新设定好后，重新分析计算。图7和图8是重新设置后缩痕指数、翘曲变形量的计算结果。
图7 重新设置后缩痕指数的计算结果
图8 重新设置后翘曲变形量的计算结果
根据模拟结果，无论是缩痕指数还是翘曲变形量都达到了企业生产标准。在实际生产中检验合格率从65.35%提高到85.87%，明显提高了产品的合格率。图9是轿车前保险杠模具的三维设计结果。图10是企业生产采用的模具。图11是合格的保险杠产品。
图9 保险杠模具的三维设计结果
图10 保险杠模具实物
图11 合格的保险杠产品
(1)优化了阀浇口的打开时间，通过采用更合理、更准确的阀浇口打开时间有效地解决了产品上熔接线过多、过长的问题和应力痕问题。
(2)基于熵值法建立综合优化目标，通过正交试验分析出综合优化目标，以及各因子(工艺参数)的合理取值。本例工艺参数的最终合理取值为：熔体温度250 ℃、充填时间4.5 s、保压时间30 s、保压压力为充填压力的96%、冷却介质入口温度25 ℃、模具表面温度40 ℃。
(3)经过工艺参数改进，在不变更模具设计、不修改模具结构的情况下，产品合格率得到了有效提高，从65.35%提高到85.87%。
(4)利用模流分析软件Moldflow 2023[16]，在阀浇口功能、DOE功能、田口方法的帮助下结合数据分析软件Minitab，能够快速地解决针对多响应、有交互作用多因子的取值问题。该方法能有效解决多优化目标且因子有交互作用的注塑工艺参数选取问题，节约试模成本。
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