大量实验表明，注塑产品在存储和使用中发生的翘曲变形及开裂、影响注塑件脱模及脱模拉伤、成制品表面应力痕、沉降斑或内部有真空泡等不良现象基本上是由于注塑件内的残余应力造成的。而车灯生产装配过程中残余应力的来源主要有: 单件注塑成型残余应力、脱模顶出产生的残余应力和车灯装配过程产生的残余应力。单件制品注塑成型过程中产生的残余应力主要有两个方面：一是在注塑成型的充填、保压阶段，塑料熔体在模腔中做非等温可压缩流动形成的剪切应力和法向应力而导致的分子取向，由于冷却过程中温度的迅速下降而不能完全松弛，当温度降到玻璃化温度以下时，来不及松弛的应力被“冻结”在固体中，这部分应力称为流动残余应力;二是在冷却阶段，内部温度分布不均匀，冷却层由模腔表面向内部逐渐推进，制品中各点在不同时间从较高温度降到玻璃化转变温度以下，所经历的收缩和形变不一样，从而产生应力，这部分的应力称为热残余应力。

随着国内外汽车零部件塑料化、轻量化这一趋势的深入开展，我们对射出成型残余应力的改善提出了更高的要求。因为塑件越薄，填充阶段的剪切应力就越大，塑料熔体在型腔内冷却的速度越快，这就使得塑件内部冻结更多的残余应力，同时薄壁化的产品具有尺寸大、肉厚薄等特征，产品本身刚度较差，也更易受残余应力影响，导致开模后制品的收缩、翘曲甚至使用中开裂等缺陷。

汽车车灯零部件作为精密注塑外观件，对制品外观、形状尺寸、使用性能的要求更加严格。因此有必要从产品开发阶段找出导致残余应力的显著因素及它们之间的内在规律，以便在开发前期采取有效措施降低注塑件的残余内应力，这对实现注塑件精密设计、精益生产，提高产品竞争力具有重要意义。

响应曲面设计及分析模型的建立

响应曲面法(RSM, Response Surface Methodology)实验设计属于正交实验设计中的一种解决复杂的响应变量和实验变量之间关系的高阶应用。在大多数场合，一个实验变量的效应受另一个实验变量的水平影响，即变量之间存在交互作用，而且需优化的目标变量和实验变量之间并非是线性关系，而是存在较明显的拐点。为了详细表达这种弯曲，就需要进行响应曲面法实验设计，利用多元二次回归方程拟合各实验因素与响应值之间的函数关系并寻找优化响应的因子设置，即寻求最优工艺参数组合。

影响注塑制品残余应力的因素非常多，且相互之间可能存在交互影响。因此，利用响应面法分析各因素对残余应力值的影响规律，对避免因残余应力过大造成的注塑件过度变形或开裂都有着极其重要的意义。根据残余应力的形成机理，对于不考虑薄壁化设计，而是以最优化制品残余应力的光学件，应从产品设计和注塑工艺两方面展开针对最优化残余应力的讨论。产品设计中影响到流动状态的因素有产品流长和产品壁厚两个主要的因素。因此建立了带中心点的2因素2水平实验设计，见表1。注塑成型过程中所涉及到影响制品残余应力的主要工艺参数有: 模具温度、熔体温度、注射时间、保压压力和保压时间等，因此建立了带中心点的5因素2水平实验设计，见表2。

表1 产品设计对制品残余应力影响的因子水平表

表2 注塑工艺参数对制品残余应力影响的因子水平表

相应的建立一个流长为L，壁厚为T的平板模型，外形尺寸为L×50×T  mm，其中流长L设置为100 mm与200 mm，厚度T设置为1.50 mm与4.00 mm，所用成型材料为PC-AL2647，所有有限元分析均采用完全一致的工艺参数设置。而对于薄壁化设计的产品，只从注塑工艺方面展开。因此建立一个薄壁化模型，外形尺寸为2×50×200 mm。

对于注塑工艺的研究，首先要进行筛选实验选出影响比较显著的3个因子，然后再进行2K全因子实验。首先添加中心点实验组，然后根据P值评估中心点是否显著。对于中心点显著的模型需增加实验变量水平值，不断缩减影响不显著的因子和交互作用，直到得出P值全部小于0.05的显著因子，并得到回归方程，最后利用响应优化器得出最小化残余应力的因子取值组合。

产品设计对制品残余应力的影响

根据表1 实验方案，利用CAE模流分析软件，进行注塑成型过程的“填充+ 保压”模拟分析，得到注塑件的最大残余应力值，记录到Minitab统计软件中。进行分析因子设计，简化模型，并删除P值大于0.05的不显著影响的区组、平方项和交互作用项，然后做残差分析，各记录的观测值的残差均在±0.05的范围内，因此该简化的实验模型和结果是可接受的，可展开进一步的统计分析。

图1的结果显示了残余应力的主效应图和交互作用图。从图1(a)中可以看出，产品的残余应力随流长的增加而增大。因为随着流长的增加，填充产品所需的注射压力也增大，作用到聚合物熔体上的应力也就越大，当产品冻结而来不及松弛，就会残留在制品上。产品的残余应力和壁厚的关系呈U型曲线变化，即制品的壁厚过薄或过厚都会使得制品的残余应力增大，存在一个最佳的壁厚设计。图1(b)为产品设计的流长和壁厚两个因子的交互作用图，从中可以看出，各曲线之间存在交叉，即表明两因素之间存在较明显的交互作用。因此对于制品残余应力的改善，不能只通过调整其中的一个因子，要同时综合考虑两个因子的取值。

图1  流长和壁厚（a）以及两者交互作用（b）对制品残余应力的影响

图2(a)显示了制品的残余应力与流长和壁厚的曲面图和等值线图。曲面图直观的显示了流长和壁厚共同对制品残余应力的影响曲面，该曲面距离流长，壁厚平面的距离变化范围越大，说明流长和壁厚对制品残余应力的影响就越大。图2(b)等值线图显示了满足指定残余应力取值的流长和壁厚的设计区间。

图2  制品残余应力与流长，壁厚的（a）曲面图和（b）等值线图

进一步拟合出残余应力的二阶多项式响应回归方程：残余应力= 55.74 +0.1739流长-16.01壁厚+3.838壁厚×壁厚 -0.0496流长×壁厚。

最后使用响应优化器分析，得出了最优化产品残余应力的流长和壁厚取值。对于不考虑薄壁化设计，首要目的为最小化制品残余应力的光学制品，可根据该结果进行最佳的流长和壁厚设计。

注塑工艺对制品残余应力的影响

响制品残余应力的主要注塑工艺参数有模具温度、熔体温度、填充时间、保压压力和保压时间等5个参数。由于响应曲面设计只适合2～3个因子的分析研究，因此需要先通过因子筛选，选出其中主要的3个因子。对上述5个因子筛选设计，对部分交互作用进行显著性排序，可以确定研究的因子保压压力、料温和填充时间。

图3的结果显示了注塑工艺参数对薄壁化制品残余应力影响的主效应图和交互作用图。从图3(a)中可以看出，薄壁产品的残余应力随料温的升高而降低，这是因为随着料温的升高，制品的冻结时间延长，取向的分子有更多的时间进行松弛，蜷缩，从而降低残余应力。随着填充时间延长，制品的残余应力先增加到一个峰值，然后又呈降低趋势，即残余应力和填充时间的关系呈抛物线形状。产品的残余应力和保压压力的关系呈线性增长变化，即制品的保压压力越大，残余应力就相应增大，这是因为随着保压的增加，直接作用到熔体上力就越大，冻结到制品上来不及松弛就会形成残余应力。

图3  料温、填充时间和保压压力（a）以及两两交互作用（b）对薄壁制品残余应力的影响

图3(b)为注塑工艺的保压压力、料温和填充时间之间两两因子的交互作用图，从中可以看出，料温和其他两个因子之间不存在明显的交互作用，而填充时间和保压压力之间存在较明显的交互作用。因此如果通过调整注塑工艺来优化制品的残余应力，则可单独调整料温优化，如果要调整保压压力和填充时间中的一个，就必须要考虑到另一个因子对其的影响，即不能只通过调整保压压力和填充时间中的一个因子，要同时综合考虑两个因子的取值。

进一步拟合出残余应力的二阶多项式响应回归方程：残余应力= 66.4 - 0.094料温+ 9.58填充时间- 0.065保压压力- 2.34填充时间×填充时间+0.079填充时间×保压压力

最后使用响应优化器分析，得出了最优化产品残余应力的保压压力，料温和填充时间的取值。对于考虑薄壁化设计的产品，无法通过产品设计优化残余应力，只能通过注塑工艺来进行优化。以本文模型为例，最佳的注塑工艺设置为料温设置为320 ℃，保压压力为40 MPa，填充时间为1 s，即在保证熔体充填顺利的前提下，尽可能升高熔体温度，缩短注射时间，降低保压压力都是改善产品残余应力的有效途径。

就复杂多因素交互影响的质量问题，我们提供了一种结合有限元仿真模拟和统计分析工具Minitab解决问题的思路。对于光学件，不考虑薄壁化设计，以最小化制品残余应力为首要目的时，可以从产品设计和注塑工艺角度，通过响应曲面设计法研究显著因子及其交互作用对制品残余应力的影响规律，拟合出残余应力的二阶回归方程，并自动得出最小化残余应力的因子取值。确定进行薄壁化设计的产品，从注塑工艺角度，保证熔体充填顺利的前提下，尽可能升高熔体温度，缩短注射时间，降低保压压力都是改善产品残余应力的有效途径。在前期开发环节选择最佳的要素设计(包括产品设计、注塑工艺两方面)来改善制品内在的残余应力缺陷，改善产品光学性能，降低产品在服役过程中发生隐裂、开裂的风险，增强产品前期开发技术含量，提高产品市场竞争力。