离合器踏板作为离合器总成的操作位置，具有人机交互性。作为汽车驾驶“五大操纵件”之一，也是汽车轻量化应用最为广泛区域。离合器踏板需要具有较高的精度和较好的力学性能[1-2]。传统的离合器踏板多由金属合金制成，虽然金属材料的离合器踏板质量高，耐磨损，但是其本身较重，成型成本高，同时难以满足汽车轻量化设计的需求。为了满足人们对汽车轻量化的需求，近年来人们采用橡胶、塑料等高分子材料用以成型离合器踏板，减重效果明显。橡胶材质的离合器踏板抗冲击性强，成本低，但是成型复杂，长时间应用易老化，出现疲劳失效[3-6]。故对于离合器踏板的轻量化设计，选用塑料作为成型离合器踏板的材料，基于离合器踏板耐冲击的工作环境，此处选择抗冲击的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)材料[7-8]。注塑成型是塑料加工成型的最主要的成型方式之一，成型制品可以复杂多样化，效率高效。但当模具材料及成型塑料种类确定后，工艺成型参数是影响塑件质量的决定性因素。其中，翘曲变形是塑件制品在生产过程中的主要缺陷，不仅影响塑件的外观质量，也影响塑件的装配精度[9-11]。为满足离合器踏板的轻量化设计需求，改善制品的翘曲变形缺陷，利用微发泡注塑成型技术，通过优化工艺参数，可以实现熔体快速充填模具型腔，凝固成型，从而使得成型的离合器踏板具有优异的力学性能[12-13]。本实验基于正交试验，利用模流分析软件研究不同工艺条件对微发泡注塑成型离合器踏板的翘曲变形改善及减重的影响，从而确定最优的工艺参数组合，科学有效的指导实际生产。1离合器踏板工艺性分析及模型设计1.1离合器踏板的工艺性分析图1为离合器压踏板的三维模型，尺寸为60 mm × 45 mm × 6 mm，最大壁厚6.6 mm，最小值2.3 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F001图1离合器踏板三维构型Fig.1Three-dimensional configuration of clutch pedal由于离合器踏板需要具有较好的抗冲击的力学性能，因此材料选择丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)树脂。ABS材料具有较好的力学性能，抗冲击性能好，但是吸水性强，易受潮，耐候性差，因此在成型加工前，需要对其进行充分干燥，其水质量分数需要控制在0.3%以下。采用Solidwork三维建模软件完成离合器踏板构型，进而将模型导入Moldex3D模流分析软件中，进行网格划分，图2为离合器踏板模型网格划分。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F002图2离合器踏板模型网格划分Fig.2Mesh division of clutch pedal model经过修改后，网格纵横比控制在6.85以下，小于模拟分析要求的10，网格匹配率95.21%，大于模拟分析的85%，符合塑件制品进行下一步模流分析的要求。1.2离合器踏板的系统设计1.2.1离合器踏板的浇口区域优化图3为离合器踏板的浇口优化流长比。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F003图3离合器踏板的浇口优化流长比Fig.3The gate optimized flow length ratio of the clutch pedal从图3可以看出，越靠近蓝色区域，代表熔体的流长比越大，因而熔体填充受到的阻力越大，故蓝色区域表示浇口位置最差的区域，红色区域表示其浇口位置最优的位置。由于离合器踏板模型较为规整，结合模流分析浇口位置推荐，本次实验采用一模一腔双点浇口进浇，制件位置模具型腔中心位置。1.2.2离合器踏板的冷却系统设计冷却系统设计会直接影响离合器踏板的整个成型周期，因此合理设计离合器踏板的冷却系统，可使模具在整个成型过程中保持在一个均匀的温度场，从而影熔体的流动和固化速率，最终影响离合器踏板的质量。基于离合器踏板的结构特点与流道的结构，在离合器踏板模型周围等距的放置4个水管，选择直径Φ=8 mm的管为冷却水道，恒温20 oC的水作为冷却介质，回路雷诺数默认为10 000。图4为离合器踏板模型的冷却系统设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F004图4离合器踏板模型的冷却系统设计Fig.4Cooling system design of the clutch pedal model2离合器踏板轻量化的工艺参数设置由于本实验主要针对离合器踏板的轻量化设计，因此采用减重率、翘曲变形量作为成型质量的评价指标。在影响离合器踏板成型质量的多个成型工艺参数中，温度和压力是对所选评价指标影响较大的两个工艺参数，同时ABS材料的流动性一般，为了更全面地研究工艺参数对评价指标的影响，故选择熔体温度(R)、模具温度(M)、注射压力(Y)、注射速度(S)四个参数进行DOE实验[14-15]。表1为Moldex3D 推荐的工艺参数，表2为DOE实验中各因素水平表。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T001表1Moldex3D推荐工艺参数Tab.1Moldex3D recommended process parameters项目因素熔体温度(R)/oC模具温度(M)/oC注射压力(Y)/MPa注射速度(S)/(mm·s-1)水平200~24040~7080~12530~5010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T002表2离合器踏板工艺参数影响因素水平Tab.2Clutch pedal process parameters influencing factor level水平因 素R/oCM/oCY/MPaS/(mm·s-1)12205095342230601104132407012548为了更好对比基于正交试验的微发泡注塑成型离合器踏板的参数优化，特设置常规注塑成型离合器踏板的对照组，基于Moldex3D推荐的工艺参数，成型得到离合器踏板的翘曲变形量为0.619 mm，质量为103 g。图5为常规注塑成型离合器踏板的翘曲变形。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F005图5常规注塑成型离合器踏板的翘曲变形Fig.5Warpage deformation value of conventional injection molded clutch pedal3结果讨论3.1方案初定依据DOE实验表进行模流分析实验，将翘曲变形量、减重率作为实验评价指标，表3为采取四因素三水平方法建立的离合器踏板模型L9(34)正交试验方案及得到相关的模拟结果。表4和表5分别为各因素在相应水平下减重率及翘曲变形量的均值及极差值。为了更加直观观察各个因素在不同水平下对离合器踏板的减重率和翘曲变形量的影响规律，图6和图7为利用Origin处理得到不同因素对评价指标的影响效果图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T003表3离合器踏板模型正交试验方案及结果Tab.3Orthogonal experiment scheme and results of clutch pedal model编号因素减重率/%翘曲变形量/mmRMYS111324.890.367212218.230.423313139.540.578421235.260.404522127.230.556623316.010.401731119.470.616832339.140.4159332210.240.59810.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T004表4离合器踏板减重率的均值及极差值结果Tab.4The results of the average and extreme values of the clutch pedal weight loss rate编号RMYSk17.5546.5406.7966.790k26.1668.2008.3107.544k39.6168.5968.2309.004R3.4502.0561.5142.21410.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T005表5离合器踏板翘曲变形量的均值及极差值结果Tab.5The results of the average and extreme values of clutch pedal warpage编号RMYSk10.4560.4620.4560.462k20.4540.4640.5320.414k30.5440.5260.4640.578R0.090.0640.0760.16410.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F006图6离合器踏板减重率的均值效应图Fig.6The mean effect diagram of the clutch pedal weight loss rate10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F007图7离合器踏板翘曲变形量的均值效应图Fig.7The mean effect diagram of the clutch pedal warpage deformation从图6可以看出，对于不同因素对离合器踏板的减重率的影响趋势，熔体温度(R)对微发泡注塑成型离合器踏板的减重率影响较大，减重率随着熔体温度的升高先减小后增大；当模具温度(M)逐渐增大时，减重幅度先急剧增大，然后随之放缓。当注射压力(Y)增大时，减重幅度呈现出先激剧增大，后来逐渐减小的趋势；随着注射速度(S)的增加，离合器踏板的减重率随之增大。从图7可以看出，当评价指标为离合器踏板的翘曲变形量时，熔体温度(R)与模具温度(M)对翘曲变形量的影响程度相似，随着水平值增大，翘曲变形量先不变后增大。注射压力(Y)对塑件的翘曲变形量影响趋势完全不同，随着注射压力(Y)增大，离合器踏板的翘曲变形量先增大后减小。随着注射速度(S)的增加，离合器踏板的翘曲变形量先减小后增大。3.2正交工艺参数的优化经过的上述分析可知，减重率越大越好，基于成本控制，因此工艺优化的组合应该是R3M3Y2S3，即熔体温度为240 oC，模具温度为70 oC，注射压力为110 MPa，注射速度为48 mm/s；对于翘曲变形量，通过优化工艺追求越小越好，同样基于成本控制，工艺优化组合为R2M1Y1S2，即熔体温度为220 oC，模具温度为50 oC，注射压力95 MPa，注射速度41 mm/s。以上是各因素对于离合器踏板工艺优化得到的减重率和翘曲变形量优化实验组合，由于仅仅是对每个单一评价指标的优化方案。而最终实验目的是同时优化离合器踏板的减重率和翘曲变形量，因此需要根据各个因素对评价指标的影响程度，综合考虑各个因素，得出一个相对合理的优化方案。为了更好地排除误差对实验结果的影响，进行相应的方差分析，表6和表7分别为减重率、翘曲变形量方差分析表。从表6可以看出，熔体温度对离合器踏板的减重率影响效果最为显著，注射速度和模具温度减重率影响效果比较接近，注射压力影响最小。从表7可以看出，对于翘曲变形量的影响，注射速度对翘曲变形量影响最为显著，熔体温度次之，模具温度与注射压力影响效果比较接近，影响最小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T006表6减重率方差分析Tab.6Variance analysis of weight loss rate effect离差来源偏差平方和自由度F值P值误差E0.222F0.05(2.2)=19.000 F0.01(2.2)=99.000熔体温度(R)9.204241.089P＞0.05模具温度(M)3.696216.500P＜0.05注射压力(Y)2.275210.156P＜0.05注射速度(S)3.824217.071P＜0.0510.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T007表7翘曲变形量方差分析Tab.7Analysis of variance of warpage value离差来源偏差平方和自由度F值P值误差E0.132F0.05(2.2)=19.000 F0.01(2.2)=99.000熔体温度(R)1.06828.218P0.05模具温度(M)0.54424.187P0.05注射压力(Y)0.68025.230P0.05注射速度(S)2.732221.019P0.05对于因素R(熔体温度)，其对于离合器踏板的减重率与翘曲变形量的影响都比较大，对于减重率，熔体温度选择为R3，即240 oC；而对于翘曲变形，熔体温度选择为R2，即220 oC。观察熔体温度不同水平对评价指标的影响，减重率下的结果极差值更大；相比于未发泡的离合器踏板，240 oC下制品的减重幅度为9.616%，翘曲变形减小幅度为19.9%，220 oC下制品的减重幅度为6.616%，翘曲变形减小幅度为30.1%。本研究为实现离合器踏板轻量化，翘曲变形量本身较小，因此选择设置熔体温度为R3，即240 oC。对于因素M(模具温度)，其对于减重率和翘曲变形量的影响，相比于其他因素影响程度都较小，对于减重率而言，模具温度的影响程度居中，结合方差分析，其对减重率的影响并不显著，考虑到成本因素，因此设置模具温度为M1，即模具温度为50 oC。对于因素Y(注射压力)，其对于减重率还是翘曲变形量的影响，相比于其他因素影响程度都比较小，考虑到成本因素及机器运行状况，注射压力为Y1，即95 MPa。对于因素S(注射速度)，其对于翘曲变形量的影响较大，而对于离合器踏板的减重率影响程度较小，因此选择注射速度为S2，即41 mm/s。基于上述分析优化，最终的优化组合为R3M1Y1S2，利用Moldex3D模流分析软件基于最终的工艺优化参数组合进行优化分析，图8为所得结果。从图8可以看出，分析得到最大的翘曲变形量为0.327 mm，相比优化前降低47.1%，相比于常规注塑成型离合器踏板质量，优化后质量为90.25 g，减重率为12.38%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F008图8优化工艺组合下离合器踏板翘曲变形量Fig.8Clutch pedal warpage deformation under optimized process combination3.3生产验证利用Solidworks三维建模软件，设计制造出离合器踏板零件的注塑成型模具，依据模流分析软件分析得到的优化工艺参数组合，得到质轻翘曲变形量小的高质量离合器踏板。图9为实际生产的离合器踏板。可得看出，模拟结果的正确性，进而广泛应用于实践中。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F009图9实际生产的离合器踏板Fig.9The actual produced clutch pedal4结论(1)基于微发泡注塑成型工艺，利用四因素三水平的DOE实验方法对于离合器踏板进行轻量化工艺设计，将离合器踏板的减重率和最大翘曲变形量作为实践评价指标，获得最终优化方案：熔体温度240 oC，模具温度50 oC，注射压力95 MPa，注射速度41 mm/s。(2)基于优化结果为设计离合器踏板微发泡注塑成型模具提供了解决方案，通过微发泡注塑成型实验，得到了合格高质量的离合器踏板，进行了批量生产，验证了数值模拟结果的正确性。