随着汽车行业不断发展，市场对汽车性能需求也越来越高，作为汽车动力装置，涡轮增压储气管性能好坏直接影响汽车发动机，甚至影响整个汽车性能[1]。随着计算机辅助工程(CAE)技术不断兴起，制造业迎来了新一轮变革，通过数值模拟技术能够减少试模次数、优化吹塑工艺条件、降低设计和制造成本，并缩短设计周期[2]。Polyflow软件是目前应用最为广泛的黏弹性材料流动分析CAE软件，能够准确模拟等温与非等温吹塑成型过程[3]。易婷等[4]通过Polyflow软件模拟型坯初始温度对制件壁厚的影响，通过改变初始型坯局部温度控制吹胀制品的壁厚，成型出性能良好的制件。刘沙粒等[5]以高密度聚乙烯(HDPE)带把手油桶为例，模拟非均一壁厚初始型坯挤出吹塑成型过程。陈杰等[6]通过正交试验对医用床头板成型工艺参数进行优化，获得性能良好的医用床头板。李付武[7]以公司某产品的灌装装量为例，通过过程能力指数(CPK)值评价生产过程能力。易新颜等[8]以汽车发动机曲轴生产线加工过程为例进行了基于过程能力指数的抽样方案分析。郭昌耀等[9]针对加料滚筒前物料CPK值较低的问题做出改进，有效提高加料滚筒前物料CPK值。本实验的研究对象为汽车涡轮增压储气管，通过响应面法对其工艺参数进行优化分析，通过minitab软件对成型质量进行分析，通过比较CPK值确定成型质量好坏。1成型模拟过程1.1建立模型在挤出吹塑成型过程中，一般假设熔体为不可压缩，非等温流体，遵循流体一般规律。涡轮增压储气管最大长度为242 mm，最大宽度为65 mm，本次研究对象所用材料为增强尼龙，由于涡轮增压储气管对于耐热性要求较高，因此，将尼龙中加入玻纤有效解决储气管耐正负压强度不足、易变形，不耐高温的缺点，图1为涡轮增压储气管三维图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F001图1涡轮增压储气管三维图Fig.1Three-dimensional diagram of turbocharged gas storage pipe1.2网格划分通过UG NX软件导出iges格式，导入ANSYS软件中进行网格划分。由于该制件凹凸不平，很容易发生壁厚不均，从而导致翘曲变形，影响制件成型质量，因此在划分网格的时候对于拐角处需要稍微细化，本次所用网格单元尺寸设置为2 mm，网格纵横比1.15，匹配率93%，图2为具体网格划分。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F002图2网格划分Fig.2Grid graph1.3有限元模拟根据技术经验以及吹塑级增强尼龙固有特性，模拟采用吹胀压力为0.1 MPa，型坯初始温度为240 ℃，型坯初始壁厚为4 mm，对其进行成型模拟。图3分别为涡轮增压储气管在吹胀时间为0.7、0.8、0.9以及1.0 s时所对应的成型状态，从图3可以看出，该制件壁厚分布不均匀，制件凸起部分壁厚相对较薄，这是由于制件凹进去的部分先与模具接触，温度降低，黏度变大，厚度变化程度较小，拐角处后接触模具，因此其继续变形，厚度不断减小，导致其壁厚较薄，从而造成整体壁厚不均的情况，整个制件壁厚最大为5.006 mm，最小为2.413 mm。通过公式(1)计算出壁厚均匀性函数值为1.682×10-6。F=(t¯-Tm)2+∑i=1m(ti-t¯)2m (1)10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F003图3储气管成型模拟图Fig.3Simulation of gas storage pipe forming式（1）中：t¯为壁厚平均值，mm；Tm为目标值，mm；ti为节点壁厚值，mm；m为节点个数。2响应面法工艺参数优化2.1响应面设计由于制件壁厚分布不均匀，极易发生翘曲变形，因此需要对其进行成型优化。影响挤出吹塑制件的参数有很多，首先是吹胀压力，吹胀压力过小会导致制件成型不饱满，过大会吹破型坯，甚至引起炸模。其次是型坯初始温度，温度对于吹塑成型来说至关重要，温度高低对于制件收缩率也有一定的影响，因此需要严格把控温度。型坯初始壁厚对于吹塑成型也有一定的影响，初始壁厚过厚过薄可能会导致最终制件的壁厚也过厚或过薄，因此，通过设计响应面优化其成型参数，以吹胀压力为（A）、型坯初始温度为（B）以及型坯初始壁厚为（C）建立响应面模型，表1为具体工艺参数组合。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.T001表1成型工艺参数数值Tab.1The value of molding process parameters因素下限中心上限吹胀压力(A)/MPa0.10.30.5型坯初始温度(B)/℃240250260型坯初始壁厚(C)/m0.0030.0040.005通过Design Expert软件对其进行响应面设计，采用Box-Behnken Design(BBD)设计，表2为相应的壁厚均匀性函数值。根据表2可得出响应面拟合回归方程：R1=1.51-0.021A+0.12B-0.049C+0.35AB-0.25AC+0.46BC-0.35A2+0.22B2-0.49C2 (2)图4为响应面线性模型残差分布图。当残差分布趋于一条直线时，表明拟合效果较好，该模型可以用来预测。从图4可以看出，所有点基本趋于一条直线，表明拟合效果较好。由于该模型残差拟合较好，因此，可进行变异数分析，表3为具体结果。从表3可以看出，模型F值为12.90，P值为0.0014，说明模型显著。其中，AB、AC、BC、 A2、B2以及C2的P值都小于0.05，表明其对响应目标影响显著。模型相关系数R2为0.943 1，表明壁厚均匀性预测值和实际值拟合程度比较高。当模型信噪比大于4时，表明该模型用于预测的准确度较高，本实验模型信噪比结果为11.137，表明结果较好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.T002表2方案及结果Tab.2Scheme and results方案因素壁厚均匀性函数值R1/10-6吹胀压力(A)/MPa型坯初始温度(B)/℃型坯初始壁厚(C)/m10.32500.0041.43220.32500.0041.43230.12500.0030.43440.12400.0041.68250.32600.0031.09360.32400.0050.47770.52600.0041.78380.52400.0040.97390.52500.0050.422100.12600.0041.103110.32500.0041.832120.52500.0030.859130.32400.0031.659140.32500.0041.432150.12500.0050.985160.32500.0041.432170.32600.0051.76810.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F004图4残差分布图Fig.4Distribution of residuals10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.T003表3变异数分析Tab.3The variance analysis因素偏差平方和自由度方差F值P值显著性相关系数R2=0.9431模型信噪比r=11.137模型3.4590.3812.900.0014显著A3.468×10-313.468×10-30.120.7421B0.1110.1103.840.0908C0.01910.0190.650.4469AB0.4810.48016.220.0050显著AC0.2410.2408.210.0242显著BC0.8610.86028.990.0010显著A20.5210.52017.390.0042显著B20.2110.2107.090.0324显著C21.0011.00033.510.0007显著残差0.2170.030失拟项0.08030.0270.840.5405不显著纯误差0.1340.032总误差3.66160.229图5为壁厚均匀性函数值响应面模型三维图。图5a为吹胀压力与型坯初始温度交互作用图。从图5a可以看出，随着吹胀压力的增加，壁厚均匀性函数值先增大后减小，当型坯初始温度增加时，壁厚均匀性函数值先减小后增大。图5b为吹胀压力和型坯初始壁厚交互作用图。从图5b可以看出，随着吹胀压力以及型坯初始壁厚的增加，壁厚均匀性函数值先增大后减小。图5c为型坯初始温度与型坯初始壁厚交互作用图。从图5c可以看出，随着型坯初始温度增大，壁厚均匀性函数值略微减小，当型坯初始壁厚增大时，壁厚均匀性函数值先增大后减小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F005图5响应曲面分析Fig.5Response surface analysis通过Design Expert软件对响应面模型进行优化分析，通过Optimization选项自动获取最佳成型工艺参数组合，表4为具体期望值。从表4可以看出，最佳成型工艺参数吹胀压力为0.11 MPa，型坯初始温度为256.20 ℃，型坯初始壁厚为0.003 m，该条件下制件成型质量较好，因此，针对该工艺下涡轮增压储气管成型质量进行研究。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.T004表4最优设计变量取值Tab.4Value of optimal design variable变量吹胀压力/MPa初始温度/℃初始壁厚/mR1期望最优0.11256.200.0030.39710.992.2模拟验证图6为将该工艺参数组合通过Polyflow软件模拟得到的制件壁厚分布图。从图6可以看出，储气管壁厚分布较未优化前得到明显改善，未优化前制件壁厚均匀性函数值为1.682×10-6，优化后制件壁厚均匀性函数值通过为1.196×10-6，降低了28.89%，制件壁厚分布得到明显改善，因此该工艺参数组合下涡轮增压储气管成型质量较好，可满足实际生产需求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F006图6优化后储气管壁厚分布图Fig.6Distribution of wall thickness of gas storage pipe after optimization3生产验证3.1CPK法简介过程能力指数(CPK)，用来表示过程能力满足技术标准(例如规格、公差)的程度，也称工序能力指数[10]。CPK值通常作为衡量质量好坏的一个指标，CPK值越大，表示过程能力越强，能够保证所成型的工件质量越好越可靠。表5为CPK值处理原则[11]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.T005表5CPK值处理原则Tab.5CPK value treatment principles等级CPK值处理原则A+≥ 1.67无缺点，考虑降低成本A1.33 ≤ CPK ≤ 1.67继续保持B1 ≤ CPK ≤ 1.33有必要改进为A级C0.67≤ CPK ≤1过程不良较多，需提升过程能力D0.67过程能力太差，考虑重新整改设计制程3.2涡轮增压储气管质量分析随机抽取30件涡轮增压储气管，测量其壁厚值，将数值输入CPK分析软件中，设置壁厚上限为4.50 mm，壁厚下限为 5.50 mm，目标值壁厚为5 mm，图7为分析结果。从图7可以看出，壁厚基本处在(5±0.5) mm左右，壁厚服从正态分布。其中，CPK值为1.52，处于1.33~1.67之间，通过与表5对比可以得出，优化后的成型工艺条件下生产出的产品性能优良，可继续保持。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F007图7储气管CPK值分析结果Fig.7Analysis results of CPK value of gas storage pipe4结论(1)通过响应面法对吹塑涡轮增压储气管工艺参数进行优化分析，最佳的工艺参数组合为吹胀压力0.11 MPa，型坯初始温度256.20 ℃，型坯初始壁厚0.003 m，该工艺条件下制件壁厚较为均匀，成型质量较好。(2)通过CPK法对制件壁厚进行实际验证，通过获得的CPK值与理论CPK值进行比较，所获得的CPK值为1.52，处在理论CPK值1.33~1.67之间，表明该工艺条件下的储气管成型质量较好，可继续保持。