油底壳作为汽车发动机机油循环中的重要部件，其与发动机安装面的密封性能直接影响发动机工作的稳定性[1-2]。目前，为了实现有效减重和降低成本，主机厂逐渐采用塑料油底壳替代原始金属油底壳。玻纤增强PA6材料由于具备较好的比强度、高温稳定性、耐油耐腐蚀性和抗蠕变疲劳性，成为汽车油底壳的优选材料[3-4]。玻纤增强PA6材料在注塑成型冷却过程中存在结晶收缩行为[5]，容易产生较大的翘曲变形[6]。塑料油底壳在密封面位置产生较大的翘曲变形量，直接影响油底壳的装配和密封性能[7]。计算机辅助技术在注塑成型模拟中，可以评估产品结构、模具设计和工艺参数的合理性，并得出优化方向[8-10]。注塑成型过程的影响变量较多，增加工艺参数优化难度。利用正交试验可以提升优化效率，并快速获得优化方案[11]。本实验以一款玻纤增强PA6材料的油底壳为研究对象，基于计算机辅助技术模拟其注塑成型过程，并采用正交试验探究工艺参数对X向最大翘曲变形量的影响。通过极差分析获得工艺参数的影响程度及优化的工艺参数组合，并利用仿真模拟和试模进行验证。1塑件分析1.1结构分析图1为油底壳三维结构。从图1可以看出，整体呈半封闭盒状结构，由周边11个螺栓安装孔固定。长度340 mm，宽度236 mm，高度102 mm。油底壳内表面布置少量加强筋，用于局部增强。背面存在大量加强筋，用于整体结构加强，加强筋延伸至周边螺栓孔，提高结构振动模态和安装面的密封性能。注塑成型过程产生的密封面X向翘曲变形量的要求较高。油底壳试模样品发现，X向最大翘曲变形量不大于1.0 mm时，密封性能满足试验要求。图1油底壳结构设计Fig.1Structure design of oil pan10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.026.F1a1（a）正面10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.026.F1a2（b）背面1.2网格模型对于Fusion双面网格，单元纵横比越小、单元匹配率越大，仿真计算精度越高。单元尺寸越小，可以提高单元质量，但显著增加计算时间，需要综合考虑确定单元基本长度。修复的网格质量指标为：单元基本长度1.8 mm、单元总数462 996、纵横比最大值5.78、纵横比最小值1.23、纵横比均值2.56、单元匹配率90.4%、相互匹配率90.2%，满足Fusion双面网格计算要求，模流分析可正常进行。图2为油底壳的双面网模型。图2油底壳网格模型Fig.2Mesh model of oil pan10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.026.F2a1（a）正面10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.026.F2a2（b）背面1.3厚度分析图3为油底壳壁厚分布。模型最大壁厚为5.0 mm，位于周边安装孔，有助于增强安装区域结构。油底壳主体壁厚较均匀，为2.5 mm，有助于产品收缩均匀。主要加强筋厚度为1.5~2.0 mm，设有5°拔模斜度，便于脱模。由于油底壳为功能件，对熔接线、缩印等外观状态要求不高，要求产品无欠注、飞边、满足翘曲变形量。图3壁厚分布Fig.3Distribution of thickness10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.026.F3a1（a）正面10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.026.F3a2（b）背面1.4材料参数表1为35%玻纤增强PA6的推荐工艺及性能参数。初始工艺参数组合：模具温度为75 ℃、熔体温度为290 ℃、注射时间为1.0 s、保压压力为80%最大压力、保压时间为10 s、冷却时间为20 s。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.026.T001表1玻纤增强PA6材料参数Tab.1Material parameters of fiber reinforced PA6参数数值参数数值顶出温度/℃200固体状态密度/（g·cm-3）1.41模具温度范围/℃50~100流动方向弹性模量/MPa9000推荐模具温度/℃75垂直流动方向弹性模量/MPa4550熔体温度范围/℃280~305流动方向泊松比0.25推荐熔体温度/℃290垂直流动方向泊松比0.38剪切应力最大值/MPa0.43剪切模量/MPa22501.5进胶系统设计图4为单点和两点热流道进胶系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.026.F004图4进胶系统Fig.4Injection system流道系统包括圆形热浇口、圆形垂直热流道、圆形水平热流道和圆形热主流道等。热浇口长度为15 mm，截面尺寸为Φ2.5~Φ5.0 mm，垂直热流道长度为100 mm，截面尺寸为Φ5.0~Φ8.0 mm，水平热流道长度为30 mm，截面尺寸为Φ8.0 mm，热主流道长度为20 mm，截面尺寸为Φ8.0~Φ3.0 mm。2初始模流分析2.1进胶方案对比分析针对单点和两点进胶方案，采用Moldflow进行填充、保压、翘曲变形分析，图5为两种进胶方案分析结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.026.F005图5两种进胶方案分析结果Fig.5Analysis results of two injection chemes从图5可以看出，观察流动前沿温度结果，单点进胶的流动前沿温度范围为277.5~282.2 ℃，温度差为4.7 ℃；两点进胶的流动前沿温度范围为279.6~281.9 ℃，温度差为2.3 ℃。两点进胶最小流动前沿温度大于单点进胶，流动前沿温度差也相对较小。较低的流动前沿温度不利于填充，容易导致该区域填充不完全，发生局部缺胶或填充压力过大。较大的流动前沿温度差容易导致产品各部分收缩差异大、力学性能差异大。因此，两点进胶方案更优。单点进胶的最大注射压力为85.89 MPa，两点进胶的最大注射压力为48.07 MPa。单点进胶的最大注射压力明显大于两点进胶，注射压力小有利于降低产品内应力，提升保压补缩效果。熔体填满模具型腔时，型腔内部填充末端压力越大，料流流动过程中受阻力越大，产品保压补缩的难度越大，产品冷却后内应力越大，降低产品强度。单点进胶的最大填充末端压力为41.74 MPa，两点进胶的最大填充末端压力为38.58 MPa。两点进胶的最大填充末端压力更小，流动阻力更小、保压效果更好，产品内应力更小。综上所述，两点进胶填充过程的温度变化更小、注射压力和填充末端压力更小，使产品内应力更小，故选择两点进胶方案。2.2初始工艺翘曲变形分析初始工艺和两点进胶方案下，分析填充、保压和翘曲变形，图6为所有效应和油底壳密封面X向的翘曲变形量。从图6可以看出，最大翘曲变形在油底壳边缘安装孔附近，直接影响油底壳的安装和密封性能。X向最大翘曲变形量为1.399 mm，大于设计指标，需要优化工艺参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.026.F006图6两种翘曲变形量Fig.6Two kinds of warpage deformation3正交试验设计与分析油底壳实际注塑成型时注射时间、熔体温度、模具温度、保压时间、保压压力和冷却时间对最大翘曲变形量影响较大。以注射时间（A）、保压压力（B）、保压时间（C）、熔体温度（D）、模具温度（E）冷却时间（F）为自变量，在推荐范围内取3个水平，表2为L18(36)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.026.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）/s0.81.01.2保压压力（B）/%708090保压时间（C）/s81012熔体温度（D）/℃280290300模具温度（E）/℃5075100冷却时间（F）/s152025表3为L18(36)正交试验结果。从表3可以看出，第13组试验的X向最大翘曲变形量最大，为1.546 mm，大于设计指标。第8组试验的X向最大翘曲变形量最小，为0.894 mm，小于设计指标。X向最大翘曲变形量的最大值与最小值相差42.2%，说明工艺参数对X向最大翘曲变形量的影响较大，工艺参数优化具备可行性。第3、8、10、18组试验的X向最大翘曲变形量均满足设计指标要求，说明正交试验设计较合理。通过分析各工艺参数极差(R)，各工艺参数对油底壳X向最大翘曲变形量影响程度排序为：RERCRDRBRARF。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.026.T003表3L18（36）正交试验结果Tab.3Results of L18（36） orthogonal test试验编号因素X向最大翘曲变形量/mmABCDEF11111111.42321122331.45531213320.89841231231.26551323211.38861332121.49872113231.24682131320.89492222221.365102233110.934112312311.168122321131.473133123121.546143132211.387153212131.259163221311.175173311221.113183333330.937k11.3211.3251.1851.2241.3561.246k21.1801.1491.4001.3551.2941.219k31.2361.2631.1531.1581.0881.273R0.1410.1760.2480.1970.2680.054图7为不同工艺参数下油底壳X向最大翘曲变形量随因素水平变化曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.026.F007图7因素水平与X向最大翘曲变形量关系曲线Fig.7Relationship curves between maximum X-direction wargage deformation and factor level从图7可以看出，X向最大翘曲变形量随着注射时间A的增大，呈现先减小后增大的趋势，注射时间为A2时获得最小值。X向最大翘曲变形量随着保压压力B增大，呈现先减小后增大的趋势，保压压力为B2时，获得最小值。X向最大翘曲变形量随着保压时间C的增大，呈现先增大后减小的趋势，保压时间为C3时，获得最小值。X向最大翘曲变形量随着保熔体温度D的增大，呈现先增大后减小的趋势，熔体温度为D3时，获得最小值。X向最大翘曲变形量随着模具温度E的增大，呈现逐渐减小趋势，模具温度为E3时，获得最小值。X向最大翘曲变形量随着冷却时间F的增大，呈现先减小后增大的趋势，冷却时间为F2时，获得最小值。综上所述，最优工艺参数组合为A2B2C3D3E3F2，X向最大翘曲变形量获得最小值，对应具体工艺参数分别为：注射时间1.0 s、保压压力80%、保压时间12 s、熔体温度300 ℃、模具温度100 ℃、冷却时间20 s。对正交试验进行一次重复试验并进行方差分析。表4各工艺参数的方差结果。从表4可以看出，各工艺参数的F值排序为：ECDBAF，验证极差分析的结论。针对模具温度和保压时间，F值F0.01，故模具温度和保压时间对油底壳的最大翘曲变形量具有极显著影响程度。针对熔体温度和保压压力，F0.05F值F0.01，故熔体温度和保压压力对油底壳的最大翘曲变形量具有显著影响。针对注射时间和冷却时间，F值F0.05，故注射时间和冷却时间对油底壳的最大翘曲变形量的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.026.T004表4方差分析Tab.4Variance analysis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A0.24220.1212.53F0.01（2，23）=5.66F0.05（2，23）=3.42B0.38120.1913.99C0.87220.4369.12D0.48420.2425.06E0.94320.4729.86F0.03420.0170.36误差1.100230.048总和4.058354优化工艺验证采用优化工艺参数组合A2B2C3D3E3F2，进行仿真模拟和试模验证。图8为优化工艺参数下注塑成型过程的翘曲变形量。从图8可以看出，所有效应下最大翘曲变形量为1.769 mm，与初始工艺参数下相比降低40.7%。优化工艺下X向最大翘曲变形量为0.739 9 mm，相比初始工艺参数下X向最大翘曲变形降低47.1%，优化效果显著，满足设计指标要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.026.F008图8油底壳翘曲变形优化结果Fig.8Optimization results of warpage deformation of oil pan基于优化工艺参数组合进行试模验证。优化工艺连续成型至样品状态稳定，取出油底壳试模样品观察形状并测试尺寸。图9为试模样品。从图9可以看出，油底壳试模样品无缺胶、银丝、气痕等明显外观缺陷，置于检具中测试安装面的变形量和密封性，结果均合格。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.026.F009图9试模样品Fig.9Sample of molding test5结论为了优化PA6油底壳X向最大翘曲变形量，两点热流道进胶方案在流动前沿温度、注射压力和填充末端压力方面效果更优。正交试验得到各工艺参数对X向最大翘曲变形的影响程度排序为：模具温度(E)保压时间(C)熔体温度(D)保压压力(B)注射时间(A)冷却时间(F)。最优工艺参数为A2B2C3D3E3F2。优化工艺参数下油底壳X向最大翘曲变形量为0.739 9 mm，相比初始工艺参数降低47.1%，并满足产品设计要求。实际试模产品外观及X向翘曲变形结果均合格，验证优化工艺应用于实际生产的可行性。