电机在自动卷烟机、自动包装机等烟草机械中普遍应用，整个香烟生产线采用的电机数量高达1 000台[1]。因此，对于提高电机工作稳定性和安全性的研究十分重要[2]。目前，关于烟草电机新型设计、状态检测及控制系统优化的研究越来越多。烟草电机中最重要的信号传输和控制元件是电机骨架，由于电机骨架需要嵌入电学器件，结构十分复杂，通常采用塑料材料进行制造[3]。玻纤增强PA66材料具备较好的电化学性能及尺寸稳定性，在电子电器中应用较多[4]。然而，玻纤增强材料由于料流填充过程中玻纤的高度取向，导致此类材料的产品普遍存在翘曲变形量大的问题。较大的翘曲变形量导致产品形状、尺寸、位置等精度不合格，使产品无法正常安装和使用[5]。烟草电机骨架注塑成型时翘曲变形过大，导致安装孔的轴线明显偏移，使其无法正常安装。通常采用计算机辅助技术对加工制造过程进行评估分析，以此判断产品结构、模具设计和工艺参数的可行性[6]。然而，当产品结构方案和模具设计无法修改，只能够依靠工艺参数的优化满足设计指标要求，而正交试验可以解决工艺参数优化问题[7]。本实验针对某烟草电机骨架的安装孔最大轴线偏移量不合格的问题，利用Moldflow分析，并设计正交试验，探究其工艺参数的优化方法。以最大轴线偏移量为目标变量，得到最优工艺参数组合，并利用仿真模拟和实际试模进行验证。1烟草电机骨架初始模流分析1.1结构设计图1为烟草电机骨架的三维结构，整体结构较复杂，尺寸为154 mm×153 mm×35 mm，周向布置多个信号针插孔及螺栓安装孔。作为烟草电机上传输电控制信号的关键部件，其安装状态直接影响其工作性能，故产品设计开发指标中明确限制螺栓安装孔的位置精度，即螺栓安装孔的轴线偏移量不大于0.8 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.021.F001图1结构设计Fig.1Structure design图2为烟草电机骨架厚度分布，整体厚度在1.5~5.0 mm之间，满足高分子材料可注塑成型的厚度范围。主要壁面厚度为2.0 mm，中心区域相对较厚，达到3.5 mm，保证远离安装位置的强度和刚度。周边安装孔区域及电源插槽区域厚度在1.5 mm左右，便于成型和脱模。边缘区域厚度最大，达到5.0 mm左右，有利于保持整体结构的强度和刚度，有效降低产品变形量，保证周边安装孔位置精度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.021.F002图2厚度分布Fig.2Thickness distribution1.2材料参数烟草电机骨架要求在较高温度条件下仍具备较好的刚强度和热稳定性，并要求具备较好的耐腐蚀性、阻燃性和绝缘性能。采用牌号为PA66-RG301的30%玻纤增强PA66材料进行注塑成型，表1为材料性能参数。根据产品实际注塑成型生产经验，推荐工艺参数为：注射时间1.2 s、保压压力80 MPa、保压时间10 s、熔体温度310 ℃、模具温度75 ℃、v/p切换体积99%、冷却时间20 s，以此为初始工艺参数进行模流分析和工艺优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.021.T001表1材料性能参数Tab.1Material prperty parameters工艺参数数值工艺参数数值顶出温度/℃210固体密度/（g·cm-3）1.64模具温度范围/℃50~100流动方向弹性模量/MPa8772推荐模具温度/℃75垂直流动方向弹性模量/MPa5234熔体温度范围/℃295~325流动方向泊松比0.42最大剪切速率/s-159800垂直流动方向泊松比0.46最大剪切应力/MPa0.45剪切模量/MPa22311.3网格模型为了保证较高的计算精度，需要控制单元纵横比(20)和匹配率(85%)在较高水平。经过质量修复，网格质量指标为，基本边长为1.0 mm，单元总数为48 483，最大纵横比为2.17，最小纵横比为1.13，平均纵横比为1.54，匹配百分比为90.8%，相互百分比为90.3%，满足工程计算要求。图3为最终完成的驱动器冷却罩的双面网模型。从图3可以看出，整体网格尺寸分布较均匀，安装孔周边节点数量较多，下盖加强筋上的网格进行局部加密。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.021.F003图3网格模型Fig.3Mesh model1.4进胶系统设计考虑注塑成型填充时的流长比和材料流动性，图4为采用四点热流道针阀控制系统。从图4可以看出，每个热浇口填充的区域基本一致，保证填充的稳定性和收缩的均匀性。热流道进胶系统主要包括热浇口、垂直热流道、水平热流道和热主流道。每段截面均为圆形，直径尺寸分别为Ф2~Ф3 mm、Ф3 mm、Ф3 mm及Ф3~Ф2 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.021.F004图4进胶系统Fig.4Injection runner system1.5初始结果分析基于初始工艺参数，采用“填充+保压+翘曲”分析序列，模拟该烟草电机骨架的注塑成型过程，图5为所有效应下翘曲变形结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.021.F005图5初始分析结果Fig.5Initial simulation results从图5可以看出，烟草电机骨架的最大翘曲变形量达到1.432 mm，位于边缘两个安装孔附近，影响到产品安装位置的精度。通过Roundness宏功能计算得到各个安装孔的轴线偏移量，最大值为0.882 mm，超过设计指标要求，需要进行工艺参数优化。2正交试验设计与数据分析2.1正交试验设计烟草电机骨架实际试模发现，样品的翘曲变形和轴线偏移量受注射时间(A)、保压压力(B)、保压时间(C)、熔体温度(D)、模具温度(E)及v/p切换体积(F)的影响较明显。故以此6个工艺参数作为自变量，并在材料推荐取值范围各取3个水平设计正交试验，表2为L18(36)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.021.T002表2L18（36）正交试验因素水平设计Tab.2L18（36） orthogonal test factor level design因素水平123注射时间（A）/s1.01.21.4保压压力（B）/MPa708090保压时间（C）/s81012熔体温度（D）/℃295310325模具温度（E）/℃5075100v/p切换体积（F）/%98.59999.52.2正交试验结果表3为L18(36)正交试验结果。从表3可以看出，第14组试验下最大轴线偏移量最大，为0.920 mm，第8组试验下最大轴线偏移量最小，为0.655 mm，二者相差近30%，说明工艺参数组合对烟草电机骨架的最大轴线偏移量影响较大。第1、3、4、5、8、10、11、12、16和18组试验的最大轴线偏移量满足设计指标要求，验证正交试验的合理性。各工艺参数的极差(R)排序为：RERARDRBRFRC。影响程度排序为：模具温度注射时间熔体温度保压压力v/p切换体积保压时间。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.021.T003表3L18（36）正交试验结果Tab.3Results of L18（36） orthogonal test试验编号因素最大轴线偏移量/mmABCDEF11111110.77121122330.88531213320.69841231230.72551323210.79661332120.83772113230.87382131320.65592222220.811102233110.685112312310.658122321130.731133123120.823143132210.920153212130.867163221310.755173311220.878183333330.743k10.78530.82130.79090.75260.78570.7642k20.73570.75680.80030.82970.83390.7837k30.83100.77400.76080.76980.73240.8041R0.09520.06440.03950.07710.10150.0399图6为最大轴线偏移量随因素水平变化的曲线。从图6可以看出，最大轴线偏移量随注射时间A的增大先减小后增加，当注射时间为A2，最大轴线偏移量最小。最大轴线偏移量随保压压力B的增大先减小后增加，当保压压力为B2，最大轴线偏移量最小。最大轴线偏移量随保压时间C的增大先增大后减小，当保压时间为C3，最大轴线偏移量最小。最大轴线偏移量随熔体温度D的增大先增大后减小，当熔体温度为D1，最大轴线偏移量最小。最大轴线偏移量随模具温度E的增大先增大后减小，当模具温度为E3，最大轴线偏移量最小。最大轴线偏移量随v/p切换体积F的增大逐渐增大，当v/p切换体积F1，最大轴线偏移量最小。最优工艺参数组合为A2B2C3D1E3F1，烟草电机骨架的最大轴线偏移量获得最小值，即注射时间为1.2 s、保压压力为80 MPa、保压时间为12 s、熔体温度为295 ℃、模具温度为100 ℃、v/p切换体积为98.5%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.021.F006图6最大轴线偏移量随因素水平变化曲线Fig.6Maximum axis offset vs factor level对正交试验进行一次重复试验并进行方差分析。表4为最大轴线偏移量的方差分析结果。从表4可以看出，各工艺参数F值排序为：EADBFC，影响程度排序为：模具温度注射时间熔体温度保压压力v/p切换体积保压时间，验证极差分析结论。模具温度和注射时间的F值均F0.01，故模具温度和注射时间对烟草电机骨架的最大轴线偏移量具有极显著影响。熔体温度和保压压力的F0.05F值F0.01，故熔体温度和保压压力对烟草电机骨架的最大轴线偏移量具有显著影响。v/p切换体积和保压时间的F值F0.05，故v/p切换体积和保压时间对烟草电机骨架的最大轴线偏移量影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.021.T004表4最大轴线偏移量的方差分析Tab.4Variance analysis of maximum axis offset离差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和F值F临界值A0.013620.00687.20F0.01（2，23）=5.66F0.05（2，23）=3.42B0.006720.00333.53C0.002220.00111.19D0.009820.00495.20E0.015520.00778.18F0.003420.00171.79误差0.0217230.0009总和0.0730353工艺优化与验证采用Moldflow验证优化工艺A2B2C3D1E3F1可行性。图7为基于该优化工艺组合得到模流分析结果。从图7可以看出，最大翘曲变形量为0.759 0 mm，相比初始工艺降低47.0%；对应最大轴线偏移量为0.652 mm，相比初始工艺降低26.1%，达到设计指标对于最大轴线偏移量的要求。充填等值线充满整个产品，主要区域分布相对均匀，料流汇合区域存在一定密集，对外观的影响可以不考虑。最大流动前沿温度为296.3 ℃，最小流动前沿温度为292.6 ℃，填充过程料流前锋温度变化较小，型腔中各填充区域的料流物性较均匀，降低各区域的收缩不均。充填过程中的锁模力变化平稳，最大锁模力为103.1 t，采用合适的中小型机台即可进行注塑成型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.021.F007图7优化工艺参数模流分析结果Fig.7Moldflow results of optimal process parameters图8为基于优化工艺参数实际试模样品。从图8可以看出，样品不存在未填满区域、烧焦、银丝和气痕等严重外观不良等问题，安装孔位置精度测试结果合格，且产品可较好地完成装配。故该优化工艺参数可应用于该烟草电机骨架的注塑成型生产。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.021.F008图8试模样品Fig.8Sample of mold trial4结论针对某30%长玻纤增强PA66材料的烟草电机骨架，采用计算机辅助技术模拟其注塑成型过程。设计正交试验探究注射时间、保压压力、保压时间、熔体温度和v/p切换体积对最大轴线偏移量的影响。最优工艺参数组合为A2B2C3D1E3F1时，最大轴线偏移量最小。基于优化工艺的模拟结果显示，最大轴线偏移量为0.652 mm，相比初始工艺降低26.1%，满足设计指标要求，实际试模也验证该优化工艺的可行性。