车灯是汽车的安全件和法规件，也是非常重要的外观件，车灯灯罩的质量会直接影响汽车的照明效果。在车灯灯罩实际的注塑成型生产过程中，由于壁厚不均、长宽比较大等特殊性及成型工艺参数的复杂性，使得车灯灯罩易产生翘曲变形大、收缩、气穴、飞边等问题，对产品的性能产生严重影响[1]。为提高注塑件的品质，降低成型产品的翘曲变形，寻找较为合理的工艺参数组合十分重要[2]。目前，国内外很多学者运用CAE模流分析技术对塑件成型过程进行模拟，并对注塑成型工艺参数进行研究。Sateesh等[3]以熔体温度、模具温度和注射时间为因素，翘曲、体积收缩、循环时间和质量预测为目标设计了正交试验，并对不同工艺参数进行模流分析，获得了最佳工艺参数组合。Li等[4]利用粒子群算法和Kriging模型对注塑工艺参数进行优化，减少了汽车顶棚翘曲量。凌杰等[5]通过中心复合试验法构建模具温度、熔体温度、保压压力等工艺参数与翘曲变形量之间的关系，得到继电器壳架的二阶响应曲面模型和最优注塑成型工艺参数。段家现[6]以熔体温度、模具温度、注射时间、保压压力等工艺变量为因素，运用灰色关联和模糊逻辑推理对手机壳翘曲、体积收缩、缩痕等缺陷进行综合评判，得到最优工艺组合方案，并进行了实验验证。黄蓓[7]利用模流分析软件对电钻外壳进行注塑成型仿真，探究工艺参数对翘曲变形量的影响，通过正交试验找出最优工艺参数组合，在最佳方案下翘曲得到明显减小。孙莎莎[8]利用模流分析技术对油污传感器进行注塑成型过程模拟，并设计正交试验探究翘曲变形和塑件质量的最优工艺组合和各因素影响程度。本实验以汽车雾灯灯罩为研究对象，利用Moldex3D模流分析技术，结合正交试验对汽车雾灯灯罩成型过程中的不同工艺参数组合进行模拟，运用灰色关联分析将Z方向翘曲和体积收缩率转化为灰色关联度值对工艺参数进行优化，通过对灰色关联度值进行极差分析得到最佳工艺参数组合，提高产品的质量。1汽车雾灯灯罩初始分析1.1产品的结构图1为汽车雾灯灯罩的三维模型。从图1可以看出，塑件形状不规则，有较多的孔、凸台和加强筋。汽车雾灯灯罩最大外形尺寸为267 mm×80 mm×192 mm，体积为86.5 cm3，平均壁厚为2.5 mm。塑件外观要求表面光洁，无明显熔接线，且要求装配方向（Z方向）上的翘曲变形和体积收缩率尽可能小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.015.F001图1汽车雾灯灯罩三维模型Fig.13D model diagram of automobile fog lamp shade1.2产品的材料特性汽车雾灯灯罩选用SABIC制造商，牌号为LEXAN LS2(EUR)的聚碳酸酯(PC)塑料，此材料无味、质轻、具有良好的抗冲击效果。表1为PC材料推荐的工艺参数，图2为PC材料的黏度和比容曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.015.T001表1PC材料的推荐工艺参数Tab.1Recommended process parameters for PC materials成型工艺参数数值熔体温度/℃280~310模具温度/℃80~110模具表面温度/℃95顶出温度/℃130非流动温度/℃159最大剪切应力/MPa0.5最大剪切速率/s-140000图2PC材料的黏度和比容曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.015.F2a1（a）黏度曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.015.F2a2（b）比容曲线Tab.2 Viscosity and Specific volume curves of PC materials10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.015.T002表2正交试验因素水平设计Tab.2Orthogonal test factor level design水平因素熔体温度（A）/℃模具温度（B）/℃保压时间（C）/s冷却时间（D）/s保压压力（E）/MPa1280807161552290908181603300100920165431011010221701.3网格划分在Moldex3D CADdoctor中对汽车雾灯灯罩进行检查和修复，并将修复后的模型导入Moldex3D Studio中进行网格划分，得到塑件和流道的实体网格数量为753 626个，表面网格和实体网格无缺陷。图3为汽车雾灯灯罩网格模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.015.F003图3汽车雾灯灯罩网格划分Fig.3Grid division of automobile fog lamp shade1.4浇注系统与冷却系统建立图4为汽车雾灯灯罩的浇注系统和冷却系统。从图4可以看出，模具为一模两腔，热流道的直径为22 mm，冷流道采用U型分流道，尺寸为10 mm×8 mm，浇口为扇形浇口，尺寸为前端10 mm，后端12 mm，厚度1.8 mm。冷却系统采用2个串联隔板式水路和6个直通式水路，水管与塑件间距为16 mm，水路直径为10 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.015.F004图4浇注系统与冷却系统设计Fig.4Design of the pouring system and cooling system1.5默认工艺参数分析在默认参数（熔体温度300 ℃、模具温度100 ℃、保压时间8 s、冷却时间20 s、保压压力160 MPa）下进行“充填+保压+冷却+翘曲”分析[9-10]，图5为得到的模拟结果。图5默认分析Fig.5Default analysis results10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.015.F5a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.015.F5a210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.015.F5a3从图5a可以看出，在1.521 s时塑件能够充填到末端，没有出现短射或迟滞现象，说明充填时间较合适。从图5b可以看出，产品外观产生熔接线，但此处熔接线由产品结构引起，无法避免。从图5c可以看出，塑件体积收缩不均匀，最大体积收缩为4.338%，不均匀的体积收缩容易造成翘曲变形过大，因此将体积收缩作为优化指标之一。从图5d~图5f可以看出，X方向最大位移为0.288 mm，Y方向最大位移为0.229 mm，Z方向最大位移为0.191 mm，由于汽车雾灯灯罩在Z方向需要进行装配，所以需要Z方向的翘曲变形量尽可能小，因此，将Z方向翘曲变形量作为另一个优化指标。2正交试验设计和试验结果分析2.1因素水平设计根据默认参数分析结果，选择Z方向翘曲变形和体积收缩率作为优化目标，选择熔体温度(A)、模具温度(B)、保压时间(C)、冷却时间(D)和保压压力(E)为因素，进行正交试验设计[11]。在不考虑相互作用下，每个因素设置4个水平，表2为L16(45)正交试验因素水平设计表。2.2正交试验结果分析选用5因素4水平的正交试验矩阵L16(45)，基于Moldex3D模流分析软件对塑件成型过程进行分析，得到模拟后的Z方向翘曲变形和体积收缩率。表3为L16(45)正交试验结果，表4为Z方向位移的极差分析，表5为体积收缩率的极差分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.015.T003表3L16（45）正交试验结果Tab.3Results of L16（45） orthogonal test试验号因素试验结果ABCDEZ方向位移/mm体积收缩率/%1111110.1133.2062122220.1303.0403133330.1592.8774144440.1762.7165212340.1503.0456221430.1363.2097234120.1773.3718243210.1503.5389313420.1253.69910324310.1293.86811331240.2103.36912342130.1693.53313414230.1563.85214423140.1883.68615432410.1704.19416441320.1734.02310.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.015.T004表4Z方向位移的极差分析Tab.4Range analysis of Z-direction displacement试验号ABCDER10.02730.04300.00470.01000.0405k10.14450.13600.15800.16180.1405k20.15330.14580.15480.16150.1513k30.15830.17900.15550.15280.1550k40.17180.16700.15950.15180.181010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.015.T005表5体积收缩率的极差分析Tab.5Range analysis of volume shrinkage试验号ABCDER1*0.97900.00200.00300.00550.4975k1*2.95983.45053.45183.44903.7015k2*3.29083.45083.45303.44983.5333k3*3.61733.45283.45003.45333.3678k4*3.93883.45253.45183.45453.2040根据Z方向翘曲变形的极差分析可知，模具温度对Z方向翘曲变形指标影响最大。5个因素中对Z方向翘曲变形指标影响程度从大到小顺序为：模具温度保压压力熔体温度冷却时间保压时间。Z方向翘曲的最佳工艺参数组合为A1B1C2D4E1。根据体积收缩率的极差分析可知，熔体温度对体积收缩率指标影响最大。5个因素中对体积收缩率影响程度从大到小顺序为：熔体温度保压压力冷却时间保压时间模具温度。体积收缩率的最佳工艺参数组合为A1B1C3D1E4。在正交试验下影响Z方向翘曲变形和体积收缩率的最优工艺参数组合并不相同，因此，需要对工艺参数进行综合分析。3灰色关联分析为进一步评估产品质量，选择信噪比作为产品质量的评价标准，对数据进行统计分析，以得到抗干扰性强的产品[12-13]。信噪比值大小与产品质量的优劣成正比，根据具体情况分为望目特性、望大特性及望小特性[14]。注塑产品希望得到尽可能小的翘曲变形值和体积收缩率以保证产品质量，因此选取望小特性，计算公式为：η=-10lg1n∑i=1nxi2 （1）式（1）中：n为每一组试验要重复的次数；xi为第i次试验对应的试验值。在实际工作中，一个产品的好坏不单单是靠一个指标衡量，有时会根据两个或两个以上的目标去考虑，从而选出合理的方法[15]。在多目标试验中常用的分析方法有综合平衡法和灰色关联分析法。综合平衡法是对每次试验评定一个综合分数，以此分数进行分析，而灰色关联分析法是根据各指标的重要性确定权值，并将多目标优化问题转化为单目标优化问题，提升产品的品质性能[16]。本实验根据指标间的相似或相异程度评判各因素间的关联程度，选择灰色关联分析法进行注塑成型工艺参数进行优化。首先对信噪比作无量纲化处理[17-18]。无量纲后可以将各列量纲不同的数据转换为(0,1)之间的小数，保证分析的质量及可靠性。计算公式为：yi=maxηi-ηimaxηi-minηi （2）式（2）中：ηi为第i次试验数值转化后的信噪比值；maxηi和minηi分别为根据试验得到的信噪比的最大值和最小值；yi为ηi无量纲化后的数值。对灰色关联系数进行计算。灰色关联系数为理想数据和无量纲化数据之间的关系，计算公式为：ξi=min|yi0-yi|+ρmax|yi0-yi||yi0-yi|+ρmax|yi0-yi| （3）式（3）中：yi0为第i个无量纲化理想数据，一般取0；ρ为分辨系数，一般取0.5。灰色关联度计算公式为：γi=1m∑i=1mξi(i=1,2,…,16)（4）式（4）中：m为优化目标个数。通过正交试验得到的Z方向翘曲变形和体积收缩率数据，按公式（1）进行信噪比计算，通过公式（2）进行无量纲化计算，根据公式（3）和公式（4）计算灰色关联度系数和灰色关联度值[19]。表6为Z方向翘曲变形和体积收缩率的灰色关联系数和灰色关联度值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.015.T006表6正交试验的灰色关联数据Tab.6Grey correlation data of orthogonal test试验号Z方向翘曲变形体积收缩率灰色关联度值信噪比/dB无量纲化灰色关联系数信噪比/dB无量纲化灰色关联系数118.9380.0001.000-10.1200.3820.5670.784217.7210.2260.689-9.6570.2590.6590.674315.9720.5510.476-9.1790.1320.7910.633415.0890.7150.411-8.6790.0001.0000.706516.4780.4570.522-9.6720.2630.6550.589617.3290.2990.626-10.1270.3840.5660.596715.0410.7240.408-10.5550.4970.5010.455816.4780.4570.522-10.9750.6080.4510.487918.0620.1630.754-11.3620.7110.4130.5841017.7880.2140.701-11.7500.8140.3810.5411113.5561.0000.333-10.5500.4960.5020.4181215.4420.6500.435-10.9630.6050.4520.4441316.1380.5200.490-11.7140.8040.3830.4371414.5170.8210.378-11.3310.7030.4160.3971515.3910.6590.431-12.4531.0000.3330.3821615.2390.6870.421-12.0910.9040.3560.389对各组试验对应的灰色关联度值进行极差分析，极差值越大代表该因素对灰色关联度值影响较大。表7为灰色关联度值极差分析，图6为因素水平变化趋势图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.015.T007表7灰色关联度值极差分析Tab.7Gray correlation value range analysis项目因素ABCDE极差0.29800.12650.02450.06300.0230M10.69930.59850.54680.52000.5485M20.53180.55200.52230.50400.5255M30.49680.47200.52530.53800.5275M40.40130.50650.53480.56700.527510.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.015.F006图6因素水平变化趋势Fig.6Trend of factor levels从表7和图6可以看出，影响灰色关联度值的因素顺序从大到小为：熔体温度模具温度冷却时间保压时间保压压力。各因素灰色关联度极差最大对应的最优工艺参数组合为A1B1C1D4E1，即熔体温度280 ℃，模具温度80 ℃，保压时间7 s、冷却时间22 s、保压压力155 MPa。4最优工艺组合验证分析将获得的最优工艺参数组合在Moldex3D软件中进行模拟，图7为得到的灰色关联分析优化结果。从图7a和图7b可以看出，Z方向翘曲变形值与体积收缩率都得到了减小。表8为默认参数工艺组合、正交试验最优工艺组合与灰色关联度值最优工艺组合的结果对比。从表8可以看出，灰色关联度值最优工艺组合下Z方向翘曲为0.097 mm,比正交试验翘曲变形最优工艺组合下的Z方向翘曲减少了0.009 mm，比默认工艺参数组合下的Z方向翘曲减少了0.094 mm。塑件的体积收缩率为3.206%，比正交试验体积收缩率最优工艺组合下的结果略大，但比默认分析工艺参数组合下的体积收缩率减少了1.132%。因此，灰色关联分析优化下的Z方向翘曲变形和体积收缩率都达到了相对较优效果。将最优工艺参数组合在现场进行实际试模验证，图8为优化工艺下的试模样品。从图8可以看出，汽车雾灯灯罩产品无缺胶、温差线、缩痕等明显外观问题，且装配方向的翘曲变形结果合格，产品可以在安装方向上进行装配。因此，灰色关联分析优化得到的工艺参数组合适用于汽车雾灯灯罩注塑成型生产。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.015.F007图7灰色关联分析优化结果Fig.7Optimization result of grey correlation analysis10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.015.T008表8工艺组合结果对比Tab.8Comparison of process combination results项目熔体温度/℃模具温度/℃保压时间/s冷却时间/s保压压力/MPaZ方向翘曲变形/mm体积收缩率/%默认工艺组合3001008201600.1914.338正交试验翘曲变形最优工艺组合280808221550.1063.345正交试验体积收缩最优工艺组合2801109161700.1622.800灰色关联度值最优工艺组合280807221550.0973.20610.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.015.F008图8汽车雾灯灯罩试模样品Fig.8Sample of automobile fog lamp shade5结论（1）为了提高汽车雾灯灯罩的成型质量，选取Z方向翘曲变形和体积收缩为优化目标，运用正交试验和Moldex3D模流分析软件进行L16(45)正交试验，在正交试验结果的基础上，采用信噪比和灰色关联分析对成型工艺参数进行优化，根据灰色关联度极差分析得到各工艺参数对灰色关联度值的影响程度和最优工艺参数组合。（2）根据最优工艺参数组合的验证对比可知，采用灰色关联度值最优工艺组合得到的Z方向翘曲和体积收缩率都有一定程度的减小。灰色关联度值最优工艺组合下Z方向翘曲比正交试验翘曲变形最优工艺组合下Z方向翘曲减少了0.009 mm，比默认工艺组合下Z方向翘曲减少了0.094 mm。灰色关联度值最优工艺组合下体积收缩率比正交试验体积收缩率最优工艺组合下结果略大，但比默认工艺组合下体积收缩率减少了1.132%，总体来讲灰色关联分析优化可以得到相对较优效果。（3）在正交试验下，Z方向翘曲变形最优工艺参数组合和体积收缩率最优工艺参数组合并不相同，因此，Z方向翘曲和体积收缩率难以同时取得最小值，而通过灰色关联分析可以将多目标转化为单目标优化，从而提高产品成型质量，通过实际试模验证了灰色关联分析工艺优化的可行性。