电机在汽车、飞机等设备中的应用十分普遍，其依靠电力进行驱动，在交通运输中起关键性作用[1-2]。由于电动新能源汽车的高速发展，电机的使用规模扩大[3]。新能源汽车需要较高的比能量，因此对电机的轻量化提出较高的要求[4]。由于电机线圈转子必须采用金属材料，而其他部件如电机外壳、电机骨架、电机机座及电机端盖等轻量化需求更高[5-6]。玻纤增强PA6材料具备较高的比强度和电化学性能，并且易制成形状、结构复杂的零件，在电机轻量化中起重要作用，尤其以电机外壳为主[7]。然而，玻纤增强PA6材料注塑成型过程中，由于树脂结晶收缩及玻纤取向而发生收缩不均，导致产品发生翘曲变形，为塑料电机外壳发展带来较大的阻碍[8-9]。对于注塑成型的评估和优化，通常采用计算机模拟技术[10]。通过模拟塑料熔体在模具型腔中的填充、保压、冷却等行为，预估产品成型的可行性，并为工艺参数的优化提供指导意见[11]。工艺参数的优化通常将计算机模拟技术与正交试验相结合，分析工艺参数影响规律，使注塑成型产品满足设计指标中对于翘曲变形、尺寸、形位公差等要求[12]。本实验针对某电机外壳注塑成型后翘曲变形量超标的问题，以熔体温度、模具温度、注射压力和保压压力为研究变量设计正交试验，并探究对最大翘曲变形量的影响，通过极差与方差分析，最终获得优化的工艺参数组合。1电机外壳设计与模拟1.1电机外壳设计图1电机外壳的三维结构。该电机外壳主要起保护和装饰作用，中部的一电插孔用于传递控制性电信号，周边布置6个螺栓安装孔。为了保证电机内部清洁并降低电机内部噪音传出，要求该电机外壳与电机之间具备较好的密封性，对该零件的变形量提出严格要求。根据注塑成型模拟与实际试模结果，得到该电机外壳的最大翘曲变形量不超过0.6 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.020.F001图1电机外壳三维构型Fig.1Three-dimensional configuration of the motor cover图2为该电机外壳的壁厚分布。最大壁厚6.132 mm，最小壁厚0.484 2 mm。主要壁厚约2.3 mm和3.0 mm，电插孔区域厚度1.6 mm，螺栓安装孔区域厚度相对较大，约3.0 mm。整个产品上沿脱模方向的壁面均设置拔模斜度，以便于脱模。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.020.F002图2电机外壳厚度分布Fig.2Thickness distribution of the motor cover1.2网格模型采用双层面网格类型对该电机外壳进行网格离散化建模。修复的单元质量指标为：基本单元长度0.5 mm，单元总数65 821，纵横比最大值2.34，纵横比最小值1.08，纵横比均值1.33，单元匹配率92.2%，相互匹配率91.7%，满足双面网格对于计算的要求，实际计算可正常进行。图3为对应电机外壳的网格模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.020.F003图3电机外壳网格模型Fig.3Mesh model of motor cover1.3材料参数该电机外壳采用40%玻纤填充的PA6材料进行注塑成型。推荐的工艺参数包括：顶出温度158 ℃、转移温度176 ℃、模具温度范围50~100 ℃、推荐模具温度75 ℃、熔体温度范围265~285 ℃、推荐熔体温度275 ℃。基于材料推荐及默认的工艺参数进行初始模流分析，初始工艺参数为：熔体温度275 ℃、模具温度75 ℃、保压压力80%注射压力、保压时间10 s、冷却时间20 s。1.4浇注系统设计基于产品尺寸、外观要求、材料特性及模具设计等因素，建议采用两种冷流道系统填充。图4为两种冷流道系统。从图4可以看出，流道系统一为边缘侧边进胶，流道系统二为中部侧边进胶。流道系统的结构类似，主要包括矩形侧浇口、U型冷流道和圆形冷主流道，对应截面尺寸分别为6×2~4×4、4×4、Φ4~Φ2（单位：mm）。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.020.F004图4电机外壳流道系统设计Fig.4Design of runner system of motor cover1.5初始工艺模拟分析初始工艺和两种进胶系统下，对电机外壳的注塑成型过程进行模拟计算，分析序列选择填充+保压+翘曲。图5为分析结果。从图5可以看出，进胶系统一的熔体前沿稳定范围为270.1~280.5 ℃，温差为10.4 ℃；进胶系统二的熔体前沿温度范围为270.1~276.7 ℃，温差为6.6 ℃。进胶系统二的熔体温度变化较小，料流状态更稳定，利于外观和收缩均匀。进胶系统一在1.732 s时产生最大注射压力76.30 MPa，进胶系统二在2.226 s时产生最大注射压力60.62 MPa，进胶系统二的最大注射压力明显小于进胶系统一，较小的注射压力表明熔体填充模具型腔过程中阻力小，料流受到的剪切力较小，避免材料在高剪切应力下的分解，利于材料性能的稳定，故进胶系统二更优。进胶系统二最大翘曲变形量为0.719 0 mm，而进胶系统一最大翘曲变形量为1.265 mm，进胶系统二最大翘曲变形量更小，表明产品形状尺寸精度更好。综上所述，进胶系统二相比进胶系统一更优，故选择进胶系统二作为后续工艺参数优化的进胶方案。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.020.F005图5初始模拟结果Fig.5Results of initial simulation2正交试验设计与分析2.1正交试验设计该电机外壳产品实际注塑成型试模发现，熔体温度、模具温度、注射压力和保压压力对其最大翘曲变形量的影响较大。故选择这4个工艺参数设计正交试验。依据进胶系统二的初始工艺参数自动分析得到，注射压力参考值为60 MPa，保压压力参考值为48 MPa。表1为L9(34)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.020.T001表1L9(34)正交试验因素水平设计Tab.1L9(34) orthogonal test factor level design水平因素熔体温度（A）/℃模具温度（B）/℃注射压力（C）/MPa保压压力（D）/MPa12655050382275756048328510070582.2正交试验结果分析表2为L9(34)正交试验结果。从表2可以看出，最大翘曲变形量在0.537~0.823 mm范围内变化，最大翘曲变形量的最大值和最小值相差较大，说明工艺参数组合对电机外壳最大翘曲变形量的影响较大。第4、5、7和9组试验满足设计指标要求，证明工艺参数水平取值较合理。极差(R)排序为：RARBRCRD，因此熔体温度对最大翘曲变形量的影响最大，保压压力的影响最小。图6为最大翘曲变形量与因素水平关系曲线。从图6可以看出，对于熔体温度，熔体温度为A2时，电机外壳的最大翘曲变形量获得最小值。对于模具温度，模具温度为B3时，最大翘曲变形量获得最小值。对于注射压力，注射压力为C2时，电机外壳的最大翘曲变形量获得最小值。对于保压压力，保压压力为D3时，电机外壳的最大翘曲变形量获得最小值。工艺参数组合为A2B3C2D3时，电机外壳的最大翘曲变形量获得最优解。对应的工艺参数取值为：熔体温度275 ℃、模具温度100 ℃、注射压力60 MPa、保压压力58 MPa。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.020.T002表2L9(34)正交试验结果Tab.2Results of L9(34) orthogonal test试验序号因素最大翘曲变形量/mmABCD111110.785212320.823313230.655421330.537522210.596623120.617731220.584832130.648933310.542k10.7540.6350.6830.641k20.5830.6890.6120.675k30.5910.6050.6340.613R0.1710.0840.0720.06110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.020.F006图6最大翘曲变形量与因素水平变化关系曲线Fig.6Relationship curves between maximum warpage deformation and factor level为了排除误差对试验结果的影响，获得工艺参数对目标变量的影响程度，进行一次重复试验，表3为方差分析结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.020.T003表3最大翘曲变形量方差分析Tab.3Variance analysis of maximum warpage deformation离差来源偏差平方和×10-3自由度平均偏差平方和×10-3F值F临界值A10.8025.40013.083F0.01（2，9）=8.02F0.05（2，9）=4.26B5.4722.7306.626C4.0322.0204.890D2.8321.4203.431误差3.7190.413从表3可以看出，误差偏差平方和明显小于工艺参数偏差平方和，试验误差影响较小。针对熔体温度，F值F0.01，故熔体温度对最大翘曲变形量具有极显著影响。针对模具温度和注射压力，F0.05F值F0.01，故模具温度和注射压力对最大翘曲变形量具有显著影响。对于保压压力，F值F0.05，故保压压力对最大翘曲变形量无显著影响。3优化工艺验证分析图7为优化工艺下模流分析。从图7可以看出，优化工艺最大翘曲变形量为0.526 0 mm，相比优化前降低26.8%，优化效果较明显，且小于0.6 mm，达到设计指标的要求。优化工艺的最大翘曲变形量小于正交试验表中的最小值，证明工艺优化具有可行性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.020.F007图7优化工艺的电机外壳最大翘曲变形量Fig.7Maximum warpage deformation of motor cover under optimized process combination图8为基于优化工艺得到的充填过程等值线及熔接线结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.020.F008图8优化工艺电机外壳模流分析结果Fig.8Moldflow analysis results of motor cover under optimized process combination从图8可以看出，充填等值线分布较均匀，说明熔体填充模腔过程中速度稳定、受到阻力也较稳定，有利于保持熔体物性及收缩均匀性。熔接线主要分布在电机外壳边缘及电插孔等非外观区域，整体外观面无熔接线，满足外观要求。图9为该电机外壳的注塑成型试模产品。从图9可以看出，电机外壳表面无明显不良缺陷，最大翘曲变形量实际测试结果合格，验证优化工艺的合理性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.020.F009图9电机外壳样品Fig.9Sample of motor cover4结论基于计算机模拟技术，探究熔体温度、模具温度、注射压力和保压压力对某电机外壳最大翘曲变形量的影响，并进行优化分析。优化工艺参数组合为A2B3C2D3。优化工艺下最大翘曲变形量降至0.526 mm，优化幅度达到26.8%，且满足设计指标的要求，产品充填状态及外观良好。通过实际试模获得试模样品，其外观状态及测试结果均合格，验证工艺优化的可行性。