某轻量化稳定杆吊杆注射成型方案优化设计

梁 旭，卜继玲，王 凤，陈国栋，王月明，陈 颜

(1.西南交通大学机械工程学院，成都 610031；2.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

0 前言

随着汽车行业的快速发展，注射塑料零部件在汽车轻量化方面的应用越来越受到重视。一般而言，国内将注塑材料大多应用在汽车的非承载结构或小承载结构上，如仪表板、车门内板、散热器罩、冷却风扇等零部件[1-2]。纤维增强注塑材料具有低密度、高比强度、高比模量、高撞吸能、尺寸稳定、高生产效率的优点[3-4]，为承载结构的轻量化设计提供了可能。应用纤维增强注塑材料的承载结构有发动机悬置、电池托架、汽车踏板等[5-6]，主要应用于承载较小的乘用车领域。

本文以最新研发的轻量化稳定杆吊杆为研究对象，该稳定杆吊杆为某商用车稳定杆吊杆，采用玻璃纤维增强聚酰胺材料，其外形尺寸大、承载大、形状结构复杂，极限工况下承受数吨载荷，基本壁厚近10 mm。为满足注射成型工艺对承载的要求，基于浇口设计对轻量化设计的稳定杆吊杆进行注射成型工艺分析，寻求良好的注射成型方案，为产品的结构设计及修改提供参考。

1 背景介绍

1.1 结构功能及应力分布

稳定杆装置是用来提高汽车悬架侧倾角度刚度，减少车身倾角，保证汽车在路况不平或转弯时平稳行驶的装置[7]，稳定杆装置基本组成如图1所示。稳定杆杆身安装在悬架上，吊杆的一端安装在车架上，当车轮上下运动时，稳定杆吊杆分别受拉、压力，使稳定杆受扭转力矩，抵消车身的侧倾力。在实际运用中，稳定杆吊杆主要受沿杆长度方向拉伸和压缩2个工况的载荷，因此本文主要关注其满足拉、压工况要求的注射成型质量。

图1 稳定杆装置基本组成示意图Fig.1 The schematic diagram of basic compositionof the stabilizer bar

产品研发前期对稳定杆吊杆结构进行充分优化设计，使其满足极限工况下的应力分布要求。为保证稳定杆吊杆承载性能，重点关注其应力较大位置，如图2彩色显示部分所示，其应力较小部分如图2透明显示部分。规定：杆长度方向为纵向，装配孔轴线方向为厚度方向，垂直于纵向和厚度方向组成的平面为横向。

(a)拉伸工况 (b)压缩工况图2 稳定杆吊杆应力分布Fig.2 The stress distribution of the stabilizer bar link

在拉伸工况下，作用力在杆顶、杆身和杆底部，沿杆纵向传导，杆顶和杆身应力较大，杆装配孔下部和杆底部螺栓孔外侧应力较小；压缩工况下，作用力主要在杆身沿杆纵向传导，杆身应力较大，杆顶和杆底部螺栓孔外侧几乎不受作用力，因此应力较小。在整个工作实际中，杆身均受力较大，尤其是杆身纵向筋和圆弧筋；杆身中间部位、杆身横筋、螺栓孔外侧等透明显示部位的应力较小。

1.2 材料性能及工艺要求

材料选用Moldflow材料数据库中Kingfa Sci & Tech Co Ltd公司的30 %玻璃纤维增强聚酰胺材料，牌号为PA66-NPG30 BK001，其相关参数如表1所示，材料PVT曲线如图3所示，黏度曲线如图4所示。

对于稳定杆吊杆注射成型工艺，着重考虑以下问题：一是应该消除杆身缩孔及内部气穴；二是在注塑过程中，杆身的纤维取向必须要好，以保证稳定杆吊杆结构强度；三是对于整个稳定杆吊杆，尽量减少熔接痕并使其出现位置避开结构强度敏感部位；四是稳定杆吊杆外形尺寸大、基本壁厚大，容易产生翘曲变形问题，应尽量降低其翘曲变形，以满足外形尺寸精度和装配尺寸精度。

表1 PA66-NPG30 BK001材料性能参数Tab.1 Material performance parameters of PA66-NPG30 BK001

P/MPa：■—0 ◆—50 ▲—100 ▼—150 ●—200图3 PVT曲线Fig.3 PVT curve

T/℃：▲—270 ■—276.7 ●—283.3 ◆—290图4 黏度曲线Fig.4 Viscosity curve

2 成型方案设计

2.1 模流分析前处理

稳定杆吊杆尺寸长，基本壁厚大。在考虑壁厚和分析精度的情况下，利用Moldflow软件对其进行实体网格划分，并修复网格，得到实体网格：567 345，节点：103 110。其网格模型如图5所示。

图5 网格模型Fig.5 The mesh of the model

材料注塑温度采用推荐值280 ℃，模具温度为75 ℃，保压时间10 s，压力为充填压力的80 %。冷却回路采用8根8 mm管道，冷却介质采用25 ℃的冷却水。

2.2 浇口方案设计

选择良好的浇口位置和适当的浇口数量，不仅可以缩减充填时间、节约生产成本，而且可以避免制品制造缺陷，对保证制品表面质量和承载性能具有重要意义。本稳定杆吊杆采用单浇口设计主要有2个原因：一是避免出现过多熔接痕和减少排气孔数，同时降低模具排气措施复杂化[8]；二是降低多浇口位置对稳定杆吊杆承载性能的影响。根据经验和浇口位置分析结果，选择3个浇口位置，分别选在杆正面中间位置、杆反面中间位置、杆顶部位置，并依次编号为方案1、方案2、方案3，如图6所示。由于杆件厚度方向上下为非对称结构，所以方案1、2非相同浇口位置。

图6 浇口位置方案Fig.6 The scheme of gate location

3 浇口方案成型质量

自动填充时，3个方案充填时间依次分别为4.724、4.724、5.136 s，浇口方案1、2对填充时间影响不明显且充填时间短，方案3阻力大充填时间较长。虽然方案3流动阻力大，但其纤维取向会有优势，设为浇口用以验证其成型质量是否满足要求。流动前沿温度依次分别为277.2～280.7、277.3～281.1、277.5～281.3 ℃，温差在4 ℃之内符合填充流动要求。3个方案在填充过程中，杆身无缩孔，且气穴没有出现在杆身内部，而只存在于吊杆上下表面，因此可以通过模具设计将气体排出模腔。

3.1 纤维取向

如图7所示，3个浇口方案在浇口、横筋、纵横筋交接处、杆顶和杆底螺栓孔等部位纤维取向均较差，红色标记圈内为纤维取向差且应力较大的部位。

(a)方案1 (b)方案2 (c)方案3图7 纤维取向张量Fig.7 Fiber orientation tensor

如图7(a)所示，方案1在杆身纵向纤维取向良好，杆身纤维取向张量基本在0.77以上，但在杆顶顶部、杆顶与杆身由宽变窄处两外侧筋纤维取向较差，会对稳定杆吊杆承载产生影响。如图7(b)所示，方案2杆身纵向纤维分布较好，但杆身中间整体不均匀连续，及杆顶顶部较差，是杆身承载的薄弱部位。如图7(c)所示，方案3杆身纵向纤维取向整体最好，但浇口位置及杆顶下部纤维取向差，且在杆顶下部纤维取向较差区域贯穿整个厚度方向，压缩工况下此处应力最大。

3.2 熔接痕

如图8所示，3个浇口方案熔接痕均较多，出现位置相似，主要分布于杆件上下表面、纵横筋交接处、杆底部螺栓孔分型面处，红色标记圈内熔接痕长且处于大承力部位。玻璃纤维尼龙材料缺口敏感性强，在拉伸工况下，杆身顶部和杆身应力大，方案1、2的杆顶部熔接痕与方案2、3的杆身熔接痕过长，会影响结构强度；在压缩工况下，如图8(c)标记处，方案3杆顶下部熔接痕较长且应力最大，因此是杆件受力的薄弱部位。

3.3 翘曲变形

稳定杆吊杆翘曲分析的变形值如表2所示。由表2可知方案1变形大于方案2大于方案3，且方案1、2变形量相近。表2中最小值为负数表示变形方向为负方向。翘曲变形值均达到预期，满足设计要求。

表2 不同浇口方案翘曲量 mm

3.4 浇口方案选择

方案2杆顶和杆身熔接痕长，杆顶顶部纤维取向差且杆身存在纵向纤维取向不均匀连续，根据有限元分析结果，这些部位应力较大，可导致承载能力下降，因此淘汰方案2。

方案3纤维取向最好、翘曲变形最小，但在有限元分析中压缩工况下杆顶下部应力最大，并且熔接痕沿杆厚度方向贯穿，此处纤维取向也较差；又因拉伸工况下杆顶顶部应力较大，浇口设在杆顶会降低结构强度，难以保证整体强度，所以淘汰方案3。

方案1成型质量较好，纤维在杆顶与杆身由宽变窄处的两外侧筋取向稍差，但中间3个筋取向较好；杆顶顶部虽有贯穿厚度方向的熔接痕，但可以通过调整工艺条件转移熔接痕来提高结构强度。因此通过对比分析，最终选择方案1为成型工艺浇口方案。

4 注塑工艺参数优化

稳定杆吊杆是大承载结构件，其工作环境恶劣，若翘曲量过大，压缩工况下杆身容易处于不稳定状态，出现失稳大变形，为保证承载性能，需要将其翘曲值尽量降低。针对选定的浇口方案1，采用L25(55)正交矩阵，将翘曲量作为优化目标进行正交试验。考虑影响因素有熔体温度、模具温度、保压时间、保压压力和冷却时间，将其分别标记为A、B、C、D、E。每因素选取5个水平，其中熔体温度和模具温度在材料工艺参数范围之内选取，保压时间和冷却时间由前期分析确定，保压压力设定为填充压力的百分数，最终确定的正交试验因素与水平如表3所示。

表3 正交试验因素与水平Tab.3 Factors and levels of the orthogonal test

图9 各因素水平对翘曲影响的均值Fig.9 The effect of factors and levels on the warpage

通过正交试验，正交矩阵相对应的翘曲值及分析结果如表4所示。其中，Ki表示同一因素下的不同水平对翘曲影响的均值，R表示同一因素下的不同水平对翘曲影响的极差。极差值R越大表示相应因素对翘曲的影响越大，由表4中分析结果可知，轻量化稳定杆吊杆注射成型翘曲变形，模具温度>熔体温度>保压压力>保压时间>冷却时间的影响，即B>A>D>C>E。各因素水平对翘曲影响均值变化趋势如图9所示。

根据正交试验结果，最优工艺参数为A1B1C3D4E3，即熔体温度270 ℃，模具温度55 ℃，保压时间12 s，保压压力90 %，冷却时间20 s。又因为保压时间与冷却时间对本稳定杆吊杆翘曲影响较小，且保压时间和冷却时间影响注塑成型周期，尽量降低保压时间和冷却时间可以降低成型成本、提高注塑效率，因此最省工艺参数为A1B1C1D4E1，即熔体温度270 ℃，模具温度55 ℃，保压时间8 s，保压压力90 %，冷却时间10 s。

表4 L25(55)正交试验结果及分析Tab.4 The results and analysis of L25 (55) orthogonal test

通过进一步分析得到最优工艺参数翘曲优化为1.515 mm，最省工艺参数翘曲优化为1.514 mm，两者相差不大且最省工艺方案翘曲量相对较低，最终选定最省方案作为优化结果，即熔体温度270 ℃，模具温度55 ℃，保压时间8 s，保压压力90 %，冷却时间10 s。

5 实际实施建议

为保证吊杆成型的结构强度，针对选定的成型方案1，在实际生产中还需对工艺条件及模具设计进行适当调整：

(1)拉伸工况下杆顶顶部熔接痕处应力较大，可适当增加局部温度，以提高熔接处的强度，或者开溢料井来转移熔接痕；

(2)杆底螺栓孔均有较长熔接痕且无法避免，可以在分型面处开溢料井转移熔接痕为飞边，来增加稳定杆吊杆的结构强度；

(3)本稳定杆吊杆外形尺寸和基本尺寸大、形状复杂，翘曲变形不可避免，因此在注射成型后可进行热处理，以减小制件残余应力，稳定制件尺寸。

6 结论

(1)不同于传统注塑件，轻量化稳定杆吊杆的注塑成型不仅关注注射成型外观质量，还考虑成型缺陷出现位置对其承载性能的影响；可以通过对比多个浇口方案的成型质量，使缺陷避开应力敏感部位，来保证稳定杆吊杆注塑产品的承载性能；

(2)通过对比3个浇口方案的纤维取向、熔接痕、翘曲变形等缺陷的成型状态及出现位置，最终选定方案1为满足注塑成型工艺要求的浇口方案；

(3)以翘曲变形量为优化目标，对方案1进行正交试验寻求最佳工艺参数为熔体温度270 ℃，模具温度55 ℃，保压时间8 s，保压压力90 %，冷却时间10 s。实际生产中可根据实际情况做出调整。

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