手动电钻由于体积小、便于携带，广泛应用于建筑、装修等行业。手动电钻主要由外壳、电机、钻头、按钮等组成。对于壳体结构，螺柱部分需要具有较高的强度，而且壁厚需要均匀，整体无变形[1-3]。由于聚丙烯(PP)的耐热性强，力学性能高、耐磨性好且加工性能优良等，PP材料注塑成型可以满足手动电钻的需求[4-5]。注塑成型工艺是非线性多工序过程，主要表现变量多、不平稳、周期性强等。注塑成型过程中常见的问题包括飞边、银纹、熔接痕、气眼、缩痕等[6-8]。而手动电钻外壳结构复杂、壁厚不均匀，因此手动电钻外壳注塑成型易出现翘曲变形。注塑成型中工艺参数对制品的翘曲变形量影响较大，利用模流分析软件控制工艺参数使制品具有良好的尺寸稳定性、减少试错成本、增加企业效益、提高制品质量[9-10]。基于模流分析软件，结合正交试验，可以优化工艺参数以减小制品翘曲变形量。本实验结合PP材料属性，利用注塑成型工艺制备手动电钻外壳，基于正交试验对电钻外壳的翘曲缺陷进行优化，分析注塑成型工艺参数对翘曲变形量的影响，预测和验证最佳工艺参数组合，以提高产品质量。1三维结构初始分析1.1制品分析该手动电钻外壳尺寸长度为200 mm，宽度为55 mm，高度为400 mm，壁厚平均为2.5 mm，设有加强筋、格栅、倒圆角和艺术曲面等结构，结构较复杂。考虑实际安装需要，翘曲变形量不能超过1.9 mm，否则难以装配。手动电钻外壳包括上盖和底座，图1为手动电钻外壳三维结构。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.022.F001图1手动电钻外壳三维结构Fig.1Three- dimensional structure of manual electric drilling shellPP由制造商ExxonMobil Chemical生产，在熔融状态的密度为0.775 1 g/cm3，弹性模量为1 340 MPa，泊松比为0.39，剪切模量为481.3 MPa，是一种无色、无臭、无毒、半透明热塑性树脂[11-12]。表1为PP推荐工艺参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.022.T001表1推荐工艺参数Tab.1Recommended process parameters工艺参数数值模具表面温度/℃50熔体温度/℃230模具温度/℃20~80顶出温度/℃93最大剪切力/MPa0.26最大剪切速率/s-124000为了保证手动电钻外壳装配方便无阻碍，需要严格控制电钻外壳的翘曲变形量。注塑成型工艺参数对翘曲变形量的影响较大，并且控制翘曲变形量较困难，故优化工艺参数很重要[13]。将手动电钻外壳三维模型的igs文件导入Moldflow软件中，划分网格，图2为手动电钻网格划分结果。从图2可以看出，平均纵横比为1.61，符合分析要求，对比模拟优化分析的下限值85%，通过修复网格可以将匹配性优化至91.5%，满足下一步分析要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.022.F002图2手动电钻外壳网格划分结果Fig.2Meshing results of manual electric drilling shell1.2浇注系统设计浇注系统对手动电钻外壳的翘曲变形量影响较大。根据软件分析最佳“浇口位置”，图3为浇口匹配性结果。从图3可以看出，深蓝色区域表明浇口匹配性最佳，红色区域表示浇口匹配性最差。结合手动电钻外壳的结构性，最佳浇口位置选在图中红色圆圈位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.022.F003图3手动电钻外壳浇口位置匹配性Fig.3Gate position matching of manual electric drilling shell图4为手动电钻外壳浇注系统。从图4可以看出，模流分析采用一模两腔结构，点浇口进料。根据Moldflow推荐及设计经验，选择入口直径4 mm，长度25 mm，拔模角4 °的圆锥形主流道，距手动电钻外壳表面60 mm，流道为半圆形，竖直流道为圆锥形。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.022.F004图4手动电钻外壳浇注系统Fig.4Pouring system of manual electric drilling shell1.3冷却系统分析不同冷却系统对制品表面的温度分布不同，导致收缩不同，导致由收缩引起的翘曲变形量不同。将冷却管路呈Y型排列，水管直径12 mm，距离手动电钻外壳上表面15 mm。管路数量为4根，彼此之间距离为70 mm。图5为手动电钻外壳冷却系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.022.F005图5手动电钻外壳冷却系统Fig.5Cooling system of manual electric drilling shell正交优化前，根据手动电钻外壳薄壁的结构特性以及材料属性，按材料及系统推荐设置手动电钻外壳的初始成型工艺参数，即熔体温度为230 ℃，模具温度为50 ℃，保压时间为10 s，保压压力为14 MPa，进行初始模流分析。图6为初始参数下手动电钻外壳翘曲变形量。从图6可以看出，初始翘曲变形量为2.048 mm，超过手动电钻外壳需求(1.9 mm)，直接影响后期装配，因此需要进一步优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.022.F006图6初始参数下手动电钻外壳的翘曲变形量Fig.6Warpage deformation of manual electric drill shell under initial parameters2工艺参数优化翘曲变形量主要由注射工艺参数决定，包含熔体温度、注射时间、注射速度、模具温度、保压时间、背压压力、保压压力等，不同工艺参数对手动电钻外壳的翘曲变形量影响不同，其中熔体温度、模具温度、保压压力、保压时间对外壳翘曲变形量影响较大[14-16]。利用L16(45)正交试验表，以翘曲变形量为评价指标，利用极差分析法和方差分析法，探究熔体温度(A)、模具温度(B)、保压时间(C)和保压压力(D)等因素对翘曲变形量的影响，选择一列为误差列，方便方差分析，水平在推荐参数范围内均匀选择。表2为L16(45)正交试验因素与水平设计，表3为L16(45)正交试验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.022.T002表2L16（45）正交试验因素与水平设计Tab.2Design of L16（45） orthogonal test factor level水平因素熔体温度（A）/°C模具温度（B）/°C保压时间（C）/s保压压力（D）/MPa12202081222404010143260601216428080141810.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.022.T003表3L16（45）正交试验结果Tab.3Results of L16（45） orthogonal test试验编号因素空白列翘曲变形量/mmABCD1111111.9922122221.7323133331.4604144441.2685212341.5196221431.6307234121.7448243211.8159313421.75110324311.86211331242.06112342132.24813414232.17014423142.36915432411.90016441322.014k11.6131.8581.9242.088k21.6771.8981.8501.945k31.9811.7911.8491.714k42.1131.8361.7611.637R0.5000.1070.1630.451图7为不同因素下各水平对手动电钻外壳翘曲变形量的影响。从图7可以看出，翘曲变形量随着熔体温度(A)的增大而显著增大，当熔体温度为A1，翘曲变形量最小。模具温度(B)对翘曲变形量的影响较小，无明显波动，且模具温度为B3时翘曲变形量最小。保压时间(C)的增大降低翘曲变形量，当保压时间为C4，翘曲变形量最小；随着保压压力的增大，翘曲变形量下降，当保压压力为D4，翘曲变形量最小。优化手动电钻外壳翘曲变形量，最优工艺参数组合是A1B3C4D4，即熔体温度220 ℃、模具温度60 ℃、保压时间14 s以及保压压力18 MPa。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.022.F007图7翘曲变形量和因素水平关系Fig.7The relationship between warpage deformation and factor level为了排除随机误差的影响，进行一次重复试验。表4为手动电钻外壳翘曲变形量方差分析。从表4可以看出，各工艺参数的F值排序为ADCB，与极差分析结果相同。对于熔体温度(A)和保压压力(D)，F值F0.01，二者对手动电钻外壳的翘曲变形量具有极显著影响。对于保压时间(C)，F0.05F值F0.01，说明保压时间(C)对制品的翘曲变形量影响显著。对于模具温度(B)，F值F0.05，表示模具温度(B)对动手电钻外壳的翘曲变形量影响不显著。因此，最优工艺参数组合为：熔体温度220 ℃、模具温度60 ℃、保压时间14 s以及保压压力18 MPa。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.022.T004表4手动电钻外壳翘曲变形量方差分析Tab.4Analysis of variance of manual electric drill horses因素离差平方和（SS）自由度（df）均方值（MS）F值F临界值A0.68930.230050.00F0.013,19=5.01F0.053,19=3.03B0.02430.00801.73C0.05330.01803.91D0.51830.173037.61误差0.088190.0046总和1.30931将最佳工艺参数组合应用于仿真实验，图8为最优工艺参数下模拟结果。从图8可以看出，优化后手动电钻外壳翘曲变形量为1.252 mm，与初始参数相比降低38.87%，翘曲分布更均匀，经过验证可被应用。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.022.F008图8最优工艺参数下模拟结果Fig.8Simulation results under optimal process parameters3实物验证将最优成型工艺参数应用于实践生产，图9为手动电钻外壳实物。从图9可以看出，手动电钻外壳装配良好，翘曲变形缺陷极小，表明此工艺参数可以实际生产。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.022.F009图9手动电钻外壳实物Fig.9Manual electric drill shell4结论基于模流软件对手动电钻外壳的浇口区域进行优化，确定最佳的浇口位置。最优工艺参数组合：熔体温度220 ℃、模具温度60 ℃、保压时间14 s以及保压压力18 MPa。优化后外壳翘曲变形量为1.252 mm，与优化前相比降低38.87%。将最优成型工艺参数组合应用于实践生产，装配良好无干涉。