空气过滤器主要由滤芯和壳体两部分组成，通常还包含谐振腔[1-2]。空气过滤器不仅能够有效减少杂质进入发动机，维持发动机工作稳定[3]，也能够防止有害污染物吸入人体，并吸收部分噪音[4]。随着汽车轻量化的发展，空气滤清器的外壳基本采用塑料材料。玻纤增强PP具备优良的耐热性能、力学性能、阻燃性能及易成型性[5]，较多地应用于壳体。由于该材料的收缩较大，容易使产品形状尺寸产生偏差[6]，导致装配困难、使用性能下降。在空气滤清器设计开发过程中，较多地采用仿真模拟技术，以评估设计材料、模具方案及工艺参数的合理性[7-8]。通过一些数学方法统计和分析数据，例如正交试验设计、综合加权评分法、多目标分析、遗传算法等，可以更快速获得优化方案[9-12]。本实验以某玻纤增强PP材料空气滤清器为研究对象，采用仿真技术模拟其注塑成型过程，并探究安装孔轴偏移量及出口管圆柱度的优化方案。通过正交试验获得不同工艺参数组合下的目标变量结果。结合极差分析、方差分析及综合加权评分得到最优工艺参数组合，并通过仿真模拟与实际试模验证工艺参数的可行性。1空气滤清器结构分析图1为某空气滤清器外壳的结构。从图1可以看出，该产品周边均匀布置5个安装孔进行固定，从出口管开始按逆时针进行编号(I~V)。针对空气滤清器外壳密封性能要求较高，因此5个安装孔的轴偏移量均不大于0.5 mm。出口管路与出气管连接，为了保证密封性，出口管圆柱度不大于0.7 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.024.F001图1空气滤清器结构Fig.1Structure of air cleaner图2为空气滤清器的厚度分布。从图2可以看出，空气滤清器整体厚度在1.0~3.2 mm之间。顶部平面厚度为3.0 mm，侧壁面厚度为2.4 mm。外部加强筋较少，厚度为1.8 mm左右，内部加强筋分布较密集，厚度为1 mm。出口管厚度在3.0 mm左右，较大的厚度有助于提升与出口管的连接强度。安装孔区域厚度相对较大，为3.2 mm左右，以保证空气滤清器的安装强度和密封性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.024.F002图2空气滤清器厚度分布Fig.2Thickness distribution of air cleaner2初始模流分析2.1网格模型该空气滤清器外壳的主要为薄壳结构，故采用Fusion双面网格类型。图3为空气滤清器的网格模型。从图3可以看出，单元总数为23 289，最大纵横比为3.6，平均纵横比为1.3，匹配百分比为91.2%，相互匹配百分比为91.3%，满足工程计算的网格质量要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.024.F003图3空气滤清器网格模型Fig.3Mesh model of air cleaner2.2材料工艺参数采用45%玻纤增强PP材料进行注塑成型。表1为PP材料主要工艺参数及性能参数。根据材料特性及产品特征确定初始工艺参数为：熔体温度205 ℃，模具温度35 ℃，注射时间1.2 s，v/p切换体积99%，保压压力70%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.024.T001表1材料参数Tab.1Material parameters工艺参数数值顶出温度/℃111模具温度范围/℃25~55模具表面温度/℃40熔体温度范围/℃185~245剪切速率最大值/s-110500剪切应力最大值/MPa0.24固体密度/（g·cm-3）1.28弹性模量E1/MPa7449弹性模量E2/MPa5234泊松比v120.35泊松比v230.41剪切模量E1/MPa17912.3流道系统设计根据该空气滤清器的尺寸，采用单点热流道进胶方式填充。图4为流动阻力及浇口匹配性结果。从图4可以看出，滤清器边缘的流动阻力及浇口匹配性较差，而本体结构流动阻力及浇口匹配性较好。顶面中心偏右侧区域的流动阻力和浇口匹配性较好，最佳浇口位置为图4圈出区域。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.024.F004图4最佳浇口位置分析Fig.4Analysis of optimal gate location采用一模一穴方式建立热流道进胶系统。图5为进胶系统。流道系统主要包括圆形热浇口、圆形热流道、圆形热主流道。热浇口截面尺寸为Φ2.5~Φ5，圆形热流道截面尺寸为Φ5，圆形热主流道截面尺寸为Φ3~Φ5。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.024.F005图5进胶系统设计Fig.5Design of runner system2.4初始模流分析采用初始工艺参数进行模流分析，图6为空气滤清器的翘曲变形量及顶出时体积收缩率。从图6可以看出，最大翘曲变形量为1.318 mm，位于出口管路区域。第I安装孔~第V安装孔的翘曲变形量分别为1.018、0.749 9、0.911 8 、0.882 7及0.823 4 mm。顶出时体积收缩率最大值为14.51%，发生在浇口区域。出口管区域及第I安装孔~第V安装孔顶出时体积收缩率分别为5.719%、8.484%、9.406%、9.283%、9.321%及9.568%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.024.F006图6初始分析结果Fig.6Initial simulation results采用Roundness宏功能得到第I安装孔~第V安装孔轴偏移量分别为0.985 1、0.439 9、0.739 0、0.596 6、0.489 2 mm，其中第Ⅱ安装孔和第ⅴ安装孔轴偏移量满足要求。出口管圆柱孔的圆柱度为0.729 5 mm，不满足设计指标要求。综上所述，初始工艺参数下，部分安装孔及出口管圆柱度不满足设计指标要求，工艺参数需要进行优化。3正交试验设计与分析3.1正交试验因素水平设计选择注射时间（A）、v/p切换体积（B）、熔体温度（C）、模具温度（D）和保压压力（E）等工艺参数作为研究自变量，以5个螺栓安装孔轴线偏移量及出口管圆柱度作为研究的目标变量。基于采用材料的工艺参数范围，各均匀设置4个水平。表2为L16(45)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.024.T002表2L16（45）正交试验因素水平设计Tab.2L16（45） orthogonal test factor level design水平因素注射时间（A）/sv/p切换体积（B）/%熔体温度（C）/℃模具温度（D）/℃保压压力（E）/%11.198.0185256521.298.5205357031.399.0225457541.499.52455580基于正交试验因素水平设计，共进行16组试验，表3为L16(45)的正交试验表。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.024.T003表3L16（45）正交试验表Tab.3L16（45） orthogonal test table试验编号因素ABCDE11444421222231111144142352123463312471333383243193134210221431134213122432113234121442314154324116441323.2正交试验结果分析为了能够综合考虑安装孔轴偏移量和出口管圆柱度，将目标变量进行无量纲化处理再进行综合加权。采用无量纲化处理，无量纲参数越大，结果越优。无量纲参数计算公式为：tm*(z)=[max(tm(z))-tm(z)]-[max(tm(z))-min(tm(z))] （1）式（1）中：tm*(z)为目标变量无量纲化参数，无量纲化处理后得到的新生数据序列；tm(z)为目标变量的试验数据，其中m为列号，代表不同的目标变量；z为行号，代表不同的试验组合；max(tm(z))为第m列试验的最大值，min(tm(z))为第m列试验的最小值。对5个安装孔轴偏移量及出口管圆柱度进行无量纲化处理，再进行权重均为1/6的综合加权评分，表4为L16(45)正交试验结果。从表4可以看出，轴偏移量I的变化范围为0.769~1.157 mm。轴偏移量Ⅱ的变化范围为0.387~0.587 mm。轴偏移量Ⅲ的变化范围为0.547~0.998 mm。轴偏移量Ⅳ的变化范围为0.489~0.784 mm。轴偏移量ⅴ的变化范围为0.358~0.684 mm。出口管圆柱度的变化范围为0.647~0.962 mm。第10组工艺参数组合的加权评分最大，为0.776，第7组工艺参数组合的加权评分最小，为0.357，说明工艺参数对综合加权评分的影响较大，工艺参数的优化存在可行性及必要性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.024.T004表4L16（45）正交试验结果Tab.4Results of L16（45） orthogonal test试验编号轴偏移量Ⅰ/mm轴偏移量Ⅱ/mm轴偏移量Ⅲ/mm轴偏移量Ⅳ/mm轴偏移量Ⅴ/mm出口管圆柱度/mm综合加权评分10.9650.3870.7890.6010.5020.7880.61521.0210.4560.6580.7560.4870.7920.50030.8870.4470.5780.4890.4670.7760.76440.8540.5680.6690.6230.4320.7420.60450.7890.4630.9980.7840.5310.6980.47960.8630.3980.8320.5990.5220.6470.69970.9940.5680.7630.6230.6840.7850.35780.9320.4870.5470.6420.3580.7640.69891.1570.4320.7300.5920.4690.7220.574100.8310.3980.6980.6310.4210.6840.776110.8240.5270.8210.6420.5540.6670.561121.0980.4970.7740.7230.6010.7210.388130.8340.4550.7620.6330.6620.8340.500140.9470.5630.6520.5890.4280.9620.479150.7690.5870.7350.5570.4550.8780.554160.9970.4110.6880.5120.5310.6550.724依据正交试验表中综合加权评分结果，计算各工艺参数在不同水平下的综合加权评分的平均值(k)及极差(R)，表5为综合加权评分极差结果。从表5可以看出，各工艺参数R排序为：RCRARBRDRE，故对于综合加权评分，工艺参数的影响程度排序为：熔体温度注射时间v/p切换体积模具温度保压压力。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.024.T005表5综合加权评分极差结果Tab.5Range results of synthetic weighted mark项目ABCDER0.0970.0860.2920.0820.033k10.5590.6050.7410.5760.601k20.5360.6130.5230.5480.575k30.6330.5280.4490.5650.574k40.5900.5720.6040.6300.568图7为轴偏移量的综合加权评分随因素水平变化曲线。从图7可以看出，综合加权评分随注射时间A的增大，呈现先降低后增加再降低的趋势，当注射时间为A3，综合加权评分最大。综合加权评分随v/p切换体积B的增大，呈现先增大后降低再增大的趋势，当v/p切换体积为B2，综合加权评分最大。综合加权评分随熔体温度C的增大，呈现先降低后增大的趋势，当熔体温度为C1，综合加权评分最大。综合加权评分随模具温度D的增大，呈现先降低后增大的趋势，当模具温度为D4，综合加权评分最大。综合加权评分随保压压力E的增大，呈现逐渐降低的趋势，当保压压力为E1，综合加权评分最大。当工艺参数组合为A3B2C1D4E1，安装孔轴偏移量的综合加权评分最大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.024.F007图7综合加权评分随因素水平的变化曲线Fig.7The curves of synthetic weighted mark changing with factor level为了确定误差对试验结果的影响，对正交试验进行一次重复试验和方差分析。表6为综合加权评分的方差分析。从表6可以看出，各工艺参数F值排序为：FCFAFBFDFE，故各工艺参数对综合加权评分的影响程度排序为：熔体温度注射时间v/p切换体积模具温度保压压力。针对熔体温度，F值F0.01，故熔体温度对于综合加权评分具有极显著影响。针对注射时间和v/p切换体积，F0.05F值F0.01，故注射时间和v/p切换体积对于综合加权评分的影响显著。针对模具温度和保压压力，F值F0.05，故模具温度和保压压力对于综合加权评分的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.024.T006表6综合加权评分的方差分析Tab.6Variance analysis of synthetic weighted mark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A0.01130.0043.993F0.01（3，16）=5.29F0.05（3，16）=3.24B0.00930.0033.427C0.03330.01112.589D0.00830.0032.828E0.00130.0000.476误差0.014160.001总和0.076314工艺优化与验证实际注塑成型生产过程中，需要不断加热和保温能够使模具温度处于较高水平，但增加生产成本和周期。考虑模具温度对综合加权评分的影响不显著，为了降低生产成本和周期，故选择综合加权评分相对较高的D1(25℃)进行实际生产。因此，最终优化工艺参数组合为A3B2C1D1E1，对应具体参数值为：注射时间1.3 s、v/p切换体积98.5%、熔体温度185 ℃、模具温度25 ℃及保压压力65%。基于优化工艺参数组合A3B2C1D1E1，利用Moldflow模流分析进行注塑成型模拟计算，图8为优化工艺仿真结果。从图8可以看出，所有效应下的最大翘曲变形为0.908 5 mm，在出口圆管处产生较大的翘曲变形，相比初始工艺降低31.1%。最大顶出时体积收缩率为12.0%，相比初始工艺降低17.3%。优化工艺参数下各安装孔轴偏移量及出口管圆柱度分别为0.483、0.375、0.474、0.431、0.382及0.639 mm，均满足设计指标要求。产品填充过程均匀，无缺胶及明显滞留效应。流动前沿温度范围为239.5~245.6 ℃，最大温度与最小温度相差较小，表明料流流经产品各区域时温度差异较小，产生温差线的可能性较小。同时主要外观面上无熔接线，外观状态良好。产品填充末端和加强筋上存在气穴，需加强这些区域的排气。采用该优化工艺参数组合注塑成型该空气滤清器，产品成型状态良好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.024.F008图8优化工艺仿真结果Fig.8Simulation results of optimized parameters采用该优化工艺进行实际注塑成型试模，图9为空气滤清器样品。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.024.F009图9实际试模样品Fig.9Trial sample of molding test从图9可以看出，试模样品无填充不良和外观问题，实测产品的安装孔轴偏移量及出口管圆柱度均满足要求，验证优化工艺应用于实际生产的可行性。5结论（1）采用高级浇口定位器，计算分析单点浇口在不同位置下的流动阻力、浇口匹配性，确定最佳的浇口位置。各工艺参数对综合加权评分影响程度排序为：熔体温度注射时间v/p切换体积模具温度保压压力。（2）考虑成本及生产周期，最优化工艺参数组合为A3B2C1D1E1，即注射时间1.3 s、v/p切换体积98.5%、熔体温度185 ℃、模具温度25 ℃及保压压力65%。优化工艺仿真结果表明，第I安装孔~第V安装孔轴偏移量及出口管圆柱度均满足设计指标要求，且实际试模验证为合格。