随着汽车工业的发展，消费者对汽车外观质量和舒适性能的要求不断提高，汽车整体设计逐步向人性化、个性化发展，同时汽车保险杠功能也向车身美学、减小风阻等方面发展。而全金属保险杠已经不再适合现代汽车在轻量化、高技能化等要求，尤其在轻型车上，塑料保险杠代替全金属保险杠已成为一种趋势[1-2]。塑料保险杠作为汽车车身的重要外观部件，不仅具有造型美观、质量轻等优点，还具有适度的强度与刚性，能够保证车身与乘客的安全。在保险杠实际注塑生产中，由于产品壁厚较薄以及成型工艺参数的复杂性，翘曲变形、体积收缩、熔接线、飞边等缺陷仍是此类塑件注塑成型的重要问题。中大型薄壁塑件易出现翘曲变形与收缩，严重影响塑件成型后的质量。为提高注塑产品的品质，降低翘曲变形和体积收缩，寻找较优的工艺参数组合至关重要[3]。针对获取较优的工艺参数已有大量研究。Huang等[4]采用ABS+PC料进行薄壁注塑成型，使用正交试验优化薄壁零件的翘曲现象，发现影响薄壁件翘曲现象的重要工艺参数为充填时间。Wu等[5]采用Moldflow软件对汽车仪表导光板支架的注塑过程进行模拟，采用正交试验结合灰色关联分析对试验结果进行分析，得到体积收缩率与翘曲量的最佳组合。冯志新[6]以保险杠注塑过程中熔体温度、模具温度、保压时间为试验因素，最大锁模力和最大变形为目标变量进行试验设计，得到了多目标优化最优组合。吴俊超等[7]针对某轿车外后视镜框注塑生产中合格率较低问题进行响应面法试验设计优化，通过数据分析得出多目标优化最优解。本实验以汽车左侧前保险杠作为研究对象，在正交试验基础上使用Moldflow软件对汽车左侧前保险杠成型过程进行模拟，运用熵值法得出两个指标的权重系数，将多目标（Z方向翘曲和顶出时的体积收缩率）优化问题转化为单目标（综合评分目标值）优化，通过对综合评分目标值进行极差分析与方差分析得到最佳工艺参数组合，并经过仿真模拟与实际试模验证。1汽车左侧前保险杠模型建立与分析1.1模型的建立以汽车左侧前保险杠作为研究对象，使用UG软件创建模型，汽车左侧前保险杠外形尺寸为880 mm×412 mm×500 mm，平均壁厚为2.5 mm，最大壁厚为3.5 mm。图1为汽车左侧前保险杠模型。从图1可以看出，塑件背面结构较为复杂，有较多的卡扣、加强筋和Boss柱。左侧前保险杠既是外观件也是受力结构件，不仅要满足表面光洁，无明显熔接线、缩痕、飞边等缺陷，还需要较小的Z方向翘曲变形和体积收缩[2]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.017.F001图1汽车左侧前保险杠模型Fig.1Model of the left front bumper of a car1.2网格的划分运用Moldflow软件对塑件进行模拟分析，先进行网格划分。网格划分时应严格控制网格纵横比和匹配率，以免出现自由边、多重边和重叠单元。图2为汽车左侧前保险杠网格划分。采用双层面网格，将网格全局边长设为3.6 mm。经过网格诊断、网格缺陷修复后，合格三角形为199 144，最大纵横比为14.82，平均纵横比为1.91，网格匹配百分比为92.1%，相互匹配百分比为91.3%[8]。结果表明，各项指标均满足模流分析计算要求[9]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.017.F002图2汽车左侧前保险杠网格划分Fig.2Mesh division of the left front bumper of a car1.3材料的选择汽车左侧前保险杠选用Hyundai Engineering Plastics 公司生产的牌号为HCR650S的聚丙烯+15%矿物填充(PP+15% Mineral)。此材料具有较好的抗冲击性、抗划伤性和良好的表面质量。表1为材料参数。图3为黏度和比容曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.017.T001表1材料参数Tab.1Material parameters参数数值熔体温度/℃180~240模具温度/℃20~50顶出温度/℃117固体密度/（g·cm-3）0.99517泊松比0.3862剪切模量/MPa545.816最大剪切应力/MPa0.25最大剪切速率/s-110000010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.017.F003图3黏度和比容曲线Fig.3Viscosity and specific capacity curve1.4浇注系统的建立考虑到汽车左侧前保险杠的尺寸大小以及生产要求，模具采用一模两腔，6点阀式热流道转U型冷流道，侧浇口进胶方式注塑成型。图4为汽车左侧前保险杠的浇注系统。热流道直径为Φ22 mm，阀浇口直径为Φ6 mm，U型冷流道为15 mm×12 mm，侧浇口尺寸为15 mm×1.2 mm。6点阀式热流道开启顺序为：G1-G2-G3-G4-G5-G6，顺序阀开启时间为G1浇口先打开；G2、G3浇口在2.141 s同时打开；G4浇口在3.232 s打开；最后G5、G6浇口同时在3.985 s打开；所有浇口在30 s后均关闭[10-11]。顺序阀热流道(SVG)技术原理是通过油缸控制浇口按顺序进胶，可以有效防止产品外观面出现熔接线、困气等缺陷，缩短成型周期，提高产品成型质量[12]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.017.F004图4浇注系统Fig.4Pouring system1.5CAE默认结果分析使用默认参数熔体温度210 ℃、模具温度35 ℃、注射时间3.5 s、速度/压力切换体积99%、保压压力25 MPa、保压时间12 s进行分析[13]，图5为得到模拟结果。图5默认分析结果Fig.5Default analysis results10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.017.F5a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.017.F5a2从图5a和图5b可以看出，产品外观面无熔接线和气穴产生，符合外观要求。从图5c和图5d可以看出，顶出时体积收缩率为12.32%，Z方向最大翘曲变形为3.477 mm。左侧保险杠在装配设计时要求Z方向最大翘曲变形、顶出时体积收缩率应控制在10.5%和3.3 mm范围内。在默认工艺参数下Z方向翘曲变形与顶出时的体积收缩率均不满足设计指标要求，需要继续进行优化[3]。2汽车左侧保险杠成型工艺参数优化与结果分析2.1正交试验因素水平设计根据CAE分析结果以及试模经验，选择Z方向翘曲变形(Y1)和顶出时的体积收缩率(Y2)作为优化目标，熔体温度(A)、模具温度(B)、注射时间(C)、保压压力(D)和保压时间(E)作为正交试验因素[14-15]。同时参考汽车左侧保险杠默认分析的工艺参数，在材料参数范围内均匀取4个水平，表2为L16(45)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.017.T002表2L16（45）正交试验因素水平设计Tab.2L16（45） orthogonal test factor level design水平因素熔体温度（A）/℃模具温度（B）/℃注射时间（C）/s保压压力（D）/MPa保压时间（E）/s1195303.42092205353.525113215403630134225453.735152.2正交试验结果选用L16(45)正交试验表，并基于Moldflow模流分析软件对汽车左侧前保险杠注塑成型进行16次模拟分析，得到每次试验下的Z方向翘曲变形和顶出时的体积收缩率。表3为L16(45)正交试验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.017.T003表3L16（45）正交试验结果Tab.3Results of L16（45） orthogonal test试验编号因素Y1/mmY2/%ABCDE1111113.46212.0302122223.35111.2293133333.30210.9704144443.18410.6405212343.73210.7606221433.48311.4907234123.44212.4208243213.44013.0509313422.91112.70010324313.15613.43011331243.61911.89012342133.39312.72013414233.71912.81014423143.83012.44015432412.98614.15016441323.10513.7203熵权法在汽车左侧前保险杠注塑成型过程中，顶出时的体积收缩率影响塑件的外观质量，Z方向翘曲变形决定产品是否能够正常装配，将二者进行多目标优化，确定各指标的权重成为主要问题[16-17]。利用熵权法根据各指标的熵值确定权重系数，熵是对不确定信息的一种量值[2]。各指标的变化程度越小，其对应的熵值就越大，响应的信息量越少，权重系数就越小。权重系数的计算方法与步骤为：数据正则化。利用熵权法确定权重首先要对各指标进行正则化处理，以防止数据过拟合。λij=Yij∑i=1mYij2 （1）熵值的计算。将正则化处理结果按式（2）计算各指标的熵值：Ej=-1lnm∑i=1mλij*∑i=1mλij*lnλij*∑i=1mλij* （2）式（2）中：m为试验次数，文章中m=16。权重的计算。根据式（3）计算各指标的权重：ωj=1-Ej∑j=1n1-Ej×100% （3）多目标优化综合评分。得到各项指标权重系数后，按式（4）对综合评分值进行计算：Si=∑j=12Yijωj(i=1,2,…,16)（4）将正交试验结果首先按公式(1)计算，得到两个指标归一化后的数据，按式（2）~式（3）对Z方向翘曲变形、顶出时的体积收缩率的熵值和权重进行计算，利用公式（4）得到综合评分。表4为各参数值的计算结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.017.T004表4各参数值计算Tab.4Calculation of various parameter values试验编号Y1Y2综合评分λijEjωjλijEjωj10.255150.9989445.6%3.427350.9987454.4%8.12220.246973.199157.63630.243363.125367.47340.234673.031347.23950.275053.065537.55560.256703.273507.83870.253683.538468.32580.253533.717958.66790.214553.618238.235100.232603.826218.744110.266733.387468.118120.250073.623938.466130.274103.649578.664140.282283.544168.513150.220074.031349.058160.228843.908838.879表5为综合评分极差分析。从表5可以看出，各工艺参数的极差排序为：RARERDRBRC。表6为综合评分均值的主效应。从图6可看出，综合评分随熔体温度的增加而增加，当熔体温度取A1水平时，综合评分最小；综合评分随模具温度的增加而增加，当模具温度取B1水平时，综合评分最小；综合评分随注射时间的增加先减小再增加，当注射时间取C2水平时，综合评分最小；综合评分随保压压力的增加而减小，当保压压力取D4水平时，综合评分最小；综合评分随保压时间的增加而减小，当保压时间取E4水平时，综合评分最小[18-19]。综合评分最小时，Z方向翘曲变形和顶出时的体积收缩率取得最小值，此时对应的最优工艺参数组合为A1B1C2D4E4。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.017.T005表5综合评分极差分析Tab.5Comprehensive score range analysis项目因素ABCDEM17.6188.1448.2398.3578.648M28.0968.1838.1798.2718.269M38.3918.2438.2228.1628.110M48.7788.3138.2438.0937.856R1.1610.1690.0640.2640.79210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.017.T006表6综合评分方差分析Tab.6Comprehensive score analysis of variance离差系数自由度偏差平方和平均偏差平方和F值误差30.0100.003A32.8770.959275.715B30.0650.0226.255D30.1630.05415.630E31.3200.440126.46410.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.017.F006图6综合评分均值的主效应Fig.6Main effect of average comprehensive score为避免自由度为0，将因素C作为误差列。表6为综合评分方差分析结果。F值越大，表示数据结果的波动较大。从表6可以看出，熔体温度和保压时间对综合评分影响较显著，保压压力与模具温度对综合评分影响不显著。4最优工艺参数组合验证在最优工艺参数组合下模拟分析，图7为Z方向翘曲变形和顶出时的体积收缩率。表7为默认工艺组合、多目标综合评分优化最优组合的对比结果。从图7和表7可以看出，多目标综合评分优化下的Z方向翘曲为3.286 mm，顶出时的体积收缩率为10.36%，分别比默认分析降低了4.7%和15.9%，优化后塑件质量得到明显提升。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.017.F007图7最优工艺参数组合模拟结果Fig.7Simulation results of optimal process parameter combination10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.017.T007表7默认工艺组合与最优工艺组合对比Tab.7Comparison between default process combination and optimal process combination参数组合A/℃B/℃C/sD/MPaE/sY1/mmY2/%默认工艺210353.525123.44712.32最优工艺195303.535153.28610.36将最优工艺参数组合应用在注射机上进行试模验证，图8为试模样品。从图8可以看出，汽车左侧前保险杠产品外观质量较好，且Z方向的翘曲变形结果满足要求，能够进行正常装配。所以，正交试验与熵权法结合优化方法适用于汽车左侧前保险杠注塑成型生产。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.017.F008图8最优工艺组合下试模样品Fig.8Trial sample under optimal process combination5结论（1）为了提高汽车左侧前保险杠外观质量和降低翘曲变形，选用L16(45)正交试验表进行五因素四水平正交试验设计，并使用Moldflow软件对汽车左侧前保险杠成型过程进行模拟。针对多目标优化情况，采用熵权法将Z方向翘曲和体积收缩率优化转化为综合评分目标值优化。（2）通过对综合评分极差分析与方差分析可知：最佳工艺参数组合为A1B1C2D4E4；各因素对综合评分的影响程度为：AEDBC。在最优工艺参数组合下进行仿真模拟，得到Z方向翘曲变形为3.286 mm，顶出时的体积收缩率为10.36%，分别比默认分析降低了4.7%和15.9%，塑件质量得到明显提高。（3）采用模流分析技术、正交试验和熵权法相结合的方法，能够将Z方向翘曲变形和顶出时的体积收缩率转化为综合评分值来对工艺参数优化，最终通过仿真模拟与实际试模验证了优化工艺的可行性，从而满足降低翘曲变形和改善外观质量的需求。