加工设备与应用
CHINA SYNTHETIC RESIN AND PLASTICS
合 成 树 脂 及 塑 料 ， 2023， 40（2）： 52
DOI：10.19825/j.issn.1002-1396.2023.02.12
汽车尾灯罩是汽车常见的注塑零部件，产品应兼具安全、美观。随着市场需求的增加，注塑制品越来越多样化，而注塑过程中出现的缺陷不仅对注塑件的力学性能造成了巨大的影响，而且会导致注塑件的表面不美观，从而极大降低了塑料行业的利润［1］。传统的产品模具设计及注塑工艺参数选择主要通过反复试模确定，需要丰富的经验但效率低，造成制品成本高，不能精准有效地优化工艺生产［2］。由于冷却和收缩不均产生的翘曲变形是注塑制品的主要缺陷，为了提升产品质量，寻求合适的工艺参数组合，获得较小的模壁温差，以及提高制品生产效率，本工作采用稳健设计结合随形冷却水道优化方案对汽车尾灯罩注塑工艺参数进行优化。
基于稳健设计的汽车尾灯罩注塑工艺优化
胡开元，李晓龙，尹小燕，彭庆皓
（成都理工大学 工程技术学院，四川 乐山 614000）
摘要：以某汽车尾灯罩的翘曲变形量为主要优化目标，应用Moldflow软件，采用稳健设计的方法，结合随形冷却水道设计，对汽车尾灯罩注塑工艺参数进行优化，确定模具温度、熔体温度、注射时间、冷却时间、速度/压力转
换作为参数，得到了各工艺参数的最优组合为：模具温度75 ℃，熔体温度250 ℃，注射时间1.8 s，冷却时间12.0 s，速
度/压力转换100%。结合随形冷却水道的设计模拟优化后，翘曲变形量由最初的0.4118 mm优化为0.1544 mm，翘曲
变形量减少了62.51%，说明稳健设计方法结合随形冷却水道设计对提升复杂零部件产品质量起到了重要作用。
关键词：汽车尾灯罩 稳健设计 随形冷却 翘曲变形量 参数优化
中图分类号：TQ 320.662文献标志码： B 文章编号：1002-1396（2023）02-0052-05
Optimization of injection molding process for automobile taillight
shade based on robust design
Hu Kaiyuan，Li Xiaolong，Yin Xiaoyan，Peng Qinghao
（The Engineering & Technical College of Chengdu University of Technology，Leshan 614000，China）Abstract： The warpage deformation of automobile taillight shade was used as the main optimization goal to optimize the injection mold process parameters by Moldflow software and robust design method combined with the design of the conformal cooling channel. The mold temperature，melt temperature，injection time，cooling time，velocity/pressure（V/P） conversion were taken as experimental parameters to obtain the optimal combination as follows: the mold temperature is 75 ℃，melt temperature is 250 ℃，injection time is 1.8 s，cooling time is 12.0 s，V/P conversion is 100%. The warpage deformation value after the conformal cooling channel optimization and simulation is decreased from the original 0.4118 mm to 0.1544 mm，reduced by 62.51%. The results show that the robust design method combined with the design of the conformal cooling channel play an important role in improving the product quality of complex parts.
Keywords：automobile taillight shade； robust design； conformal cooling； warpage deformation；parameter optimization
收稿日期：2022-09-27；修回日期：2022-12-26。
作者简介：胡开元，男，1983年生，硕士，副教授，2010年
毕业于江苏大学材料加工工程专业，现主要从事材料成型
CAD/CAM/CAE，3D打印及智能制造分析等方面的教学和
研究工作。E-mail：626489509@qq。
基金项目：2021年乐山市重点科技研究项目（21GZD007）；
2019年成都理工大学工程技术学院院级基金项目（C12201
9023）。
第 2 期. 53 .
1 汽车尾灯罩数值模拟
1.1 优化模拟前处理
运用UG软件对汽车尾灯罩进行3D造型，图1为汽车尾灯罩的3D模型及壁厚诊断图，产品尺寸为200 mm×110 mm×40 mm，制品最大壁厚为2.159
mm。
1.984 mm
110100
剪切速率/s-1
1 00010 000100 000
100
1 000
10
黏
度
/
(
P
a
·
s
)
压力为0 MPa
压力为50 MPa
压力为100 MPa
压力为150 MPa
压力为200 MPa
2575125175225275325
温度/℃
温度为280 ℃
温度为290 ℃
温度为300 ℃
温度为310 ℃
0.950
0.925
0.900
0.875
0.850
0.825
0.800
比
体
积
/
(
c
m
3
·
g
-
1
)
汽车尾灯罩材料选择S A B I C I n n o v a t i v e
Plastics B.V.的聚碳酸酯（PC）Lexan LS2，从图2a
可以看出：当温度开始上升时，聚合物因为受热
膨胀，比体积升高。当聚合物所受压力增加时，
比体积呈下降趋势。当温度逐渐升高到转折点附
近时，比体积的升高速率变得更快。从图2b可以
看出：初始阶段，进入料筒的塑料熔体黏度较高，
流动速度较慢，在浇口处由于收缩作用，使熔体
a 3D模型
b 壁厚诊断图
图1汽车尾灯罩的3D模型及壁厚诊断图
Fig.13D model and wall thickness diagnosis of automobile taillight shade
流动速度增加，增大了剪切速率，降低了熔体黏
度，充模效果良好。将汽车尾灯罩的3D模型导入
到Moldflow软件中，采用双层面技术，以3mm为
全局网格边长对制品进行网格划分，所得三角形
网格数为14736，最大纵横比通过手动网格修复
到9.45，平均纵横比为1.53，
无自由边、相交边、
重叠边等，匹配百分比为97.3%，满足模流分析
的要求。
a PVT曲线
b 黏度曲线
图2PC Lexan LS2的压力、比体积、温度（PVT）曲线与黏度曲线
Fig.2PVT and viscosity curves of PC Lexan LS2
1.2 浇口分析
浇口设置不当可能造成熔接痕、气穴、翘曲变
形等缺陷［3］。通过Moldflow软件对汽车尾灯罩进行最
佳浇口分析，从图4看出：浇口匹配在灯罩下边沿位
置上，流道连通性检查正常，同时由于灯罩是透明
件，要求表面痕迹小，加工方便，选用侧浇口。
a 浇口位置分析
b 浇口位置设置
图3浇口位置分析与设置
Fig.3Analysis and setting of gate position
最好
最差
胡开元等. 基于稳健设计的汽车尾灯罩注塑工艺优化
合 成 树 脂 及 塑 料 2023 年第 40 卷
. 54 .
1.3 传统冷却水道的设计
冷却系统也是注塑模具设计中的重要组成部分之一，合理的冷却系统设计不仅可以提升制品的力学性能，减小制品的翘曲变形量，提高尺寸精度，还可以缩短成型冷却时间，提高生产效率［4］。Moldflow软件的冷却回路可为产品提供简单的冷却水道设计，传统注塑模具冷却水道的设计通常采用钻孔形成的直通式水道（见图4）。1.4 成型方案的模拟结果分析
根据材料特性，注塑工艺参数设置为：模具温度80 ℃，熔体温度290 ℃，冷却时间30 s，其余工
艺参数软件默认。通过冷却+填充+保压+翘曲分析序列，得到不同因素组合导致的翘曲变形量，从图5看出：引起制品翘曲变形的主要原因是收缩不均和冷却不均，最大翘曲变形量为0.411 8 mm。
变形，收缩不均变形比例因子=1.0000.411 8
0.003 30.002 50.001 70.001 00.000 2
0.309 30.206 80.104 30.003 8
变形，所有效应变形比例因子=1.000[mm]
变形，取向效应变形比例因子=1.000[mm][mm][mm]
0.336 00.252 30.168 60.085 00.001 3
0.244 70.183 60.122 40.061 20.834 9
变形，冷却不均变形比例因子=1.000a 所有效应变形 b 冷却不均变形 c 取向效应变形 d 收缩不均变形
图
4 传统冷却系统Fig.4 Traditional cooling system
图5 不同因素导致的翘曲变形量
Fig.5 Warpage deformation caused by different factors
2 基于稳健设计的优化设计2.1 正交试验设计
稳健设计的基本内涵是在不消除和减小不确定性因素源的状况下，通过试验设计使不同因素对目标质量的影响程度尽可能小［5］。稳健设计的两个基本工具是：信噪比试验和正交试验。信噪比作为权衡目标的特性值，特性值越大，目标值越小，即翘曲变形优化越好，因此，采用信噪比望小特性的质量损失函数确定工艺参数的最优水平组合［6-8］。以翘曲变形量为质量目标，模具温度、熔体温度、注射时间、冷却时间和速度/压力转换为因素，每个因素进行4水平设计，正交试验因素与水平见表1。
表1 正交试验的因素与水平
曲变形量及其信噪比的影响，从表2可以看出：当工艺参数组合为A 2B 1C 2D 3E 4，即模具温度75 ℃，熔
体温度230 ℃，注射时间1.8 s，冷却时间12.0 s，型腔100%被充满时，信噪比最大为16.444 dB，翘曲变形量最小为0.150 6 mm。
表2 正交试验测试结果Tab.2 Orthogonal test results
试验号翘曲变形量/mm
信噪比/dB 10.585 34.65220.582 14.70030.366 58.719
40.291 010.72250.150 616.44460.377 58.46270.541 45.33080.527 75.5529
0.609 44.302100.552 35.156110.253 611.917120.438 87.155130.613 24.248140.208 513.618
150.535 15.431160.477 1
6.428按照L 16（45）正交试验考察5因素4水平对翘
第 2 期
. 55 .
从表3可以看出：极差由大到小依次为R E ，R D ，R C ，R A ，R B ，因此，影响翘曲变形量的因素由大到小依次为速度/压力转换、冷却时间、注射时间、模具温度、熔体温度。
3.2 翘曲优化结果分析
使用稳健设计优化后的工艺参数，模具温度
85 ℃，熔体温度270 ℃，注射时间1.8 s，冷却时间
12.0 s，速度/压力转换100%，结合随形冷却水道进行模拟分析，从图8看出：采用冷却+填充+保压+翘曲分析序列，经随形冷却优化后，产品的翘曲变
形量由0.198 0 mm变为0.154 4 mm，降低22.02%，优化效果和产品质量再一次提升。
0.198 00.149 10.100 20.051 30.002 4
变形，取向效应变形
比例因子=1.000
[mm]
0.154 4
0.116 10.077 70.039 30.001 0
变形，所有效应变形
比例因子=1.000[mm]
表3 翘曲变形量的均值及极差
Fig.3 Mean value and range of warpage deformation 项 目模具温度熔体温度注射时间冷却时间速度/
压力转换T 17.1987.4126.1757.6825.198T 28.9477.9848.4336.6045.190T 37.1337.8498.0489.1877.146
T 47.4317.4648.0545.87213.175R
1.814
0.572
2.258
3.315
7.985 注： T 1~T 4分别代表各因素对应的1，2，3，4水平的均值；
R 代表极差。
将A 2B 1C 2D 3E 4优化组合的注塑工艺参数在
Moldflow软件中优化分析，得到翘曲变形量数据，从图6可以看出：翘曲变形量由0.411 8 mm降为0.198 0 mm，降低了51.92%，优化效果提升。
图6 稳健设计后的翘曲变形量Fig.6 Warpage deformation after robust design
3 随形冷却优化分析3.1 随形冷却水道设计
首先，将产品分成曲面和侧面两个主要冷却区域，分别按照产品外形轮廓等距扩展获得冷却水道中心线，然后，用圆形截面沿曲线扫掠建立随形冷却水道。水道直径选用8 mm，管道壁面距离模腔壁面20 mm，同时将水道壁面之间距离减小到15 mm，最终随形冷却水道设计［9-11］见图7。
图7 随形冷却水道建立
Fig.7 Establishment of conformal cooling channel
图8 随形冷却后的翘曲变形量
Fig.8 Warpage deformation after conformal cooling
4 结论
a ）以某汽车尾灯罩的翘曲变形量为主要优化目标，采用稳健设计方法与随形冷却设计，结合Moldflow软件，以减小翘曲变形量为目的，对汽车尾灯罩注塑工艺参数进行优化。
b）运用稳健设计方法进行信噪比分析与设计，采用均值分析获得最小翘曲变形量的最优工艺参数组合为：熔体温度230 ℃，模具温度75 ℃，注射时间1.8 s，冷却时间12.0 s，型腔被100%充满，优化后的翘曲变形量由0.411 8 mm降低到0.198 0 mm，减小了51.92%。
c）在稳健设计优化工艺参数基础上，结合随
形冷却水道，优化产品质量，使产品的翘曲变形量由0.198 0 mm降为0.154 4 mm，翘曲变形量降低了22.02%，产品质量得到进一步提升。5 参考文献
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胡开元等. 基于稳健设计的汽车尾灯罩注塑工艺优化（下转第59页）
第 2 期. 59 .
提供的安全阈值进行对比，当数据超出正常范围后报警，消除故障后，在报警页面点击复位操作，便可以对设备继续监控。
设备保养模块：设备的长期使用，难以避免会使设备产生磨损，因此，定期的保养必不可少。设备保
养模块由配件名称、保养方式、保养周期等组成。对设备保养之后通过设备编号进行记录，当需要查看时，搜索设备编号便可以快速检索保养过的配件与保养方式。定期保养不仅可以延长设备使用寿命，还可以为企业稳定生产提供保障。
3 系统部署与测试
为了满足塑料挤出机远程监控系统的安全平稳运行，经过多次测试，运行的服务器最低配置为：CPU 4核，内存8 GB，硬盘128 GB，网络上传与下载速率不低于1 Mbit/s。运行环境：Java运行环境是JDK1.8，数据库是PostgreSQL 12与TimescaleDB
1.7.4，消息中间件是RabbitMQ 3.8，页面应用服务器是Tomcat 9。系统中涉及的框架有：微服务架构Spring Cloud，版本是Hoxton.SR1；数据库结构版本控制及转移工具Flyway 6.5.5；MQTT客户端及服务器端的实现使用Spring-Integration-mqtt，版本是5.3.
2.RELEASE。
系统完成开发部署后，合作公司对塑料挤出机的数据采集、数据上传、数据展示、设备报警、设备保养等功能进行测试。结果表明：数据采集、数据显示稳定无异常，设备保养与设备报警等功能正常，能够保障塑料挤出机安全运行。
4 结论
a）开发的基于PLC的塑料挤出机远程监控系统，以西门子S7系列PLC为基础，结合嵌入式开发与Spring Cloud微服务架构设计，对塑料挤出机进行实时监控，帮助企业远程管理机械设备。
b）数据采集模块可在偏远厂房使用，并克服管理设备与机械设备处在不同网段进行通信，推进了塑料挤出机企业与厂商进一步现代化、智能化发展。
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汽车1.8t是什么意思（上接第55页）
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