电机端盖是在电机的两端支撑电机的转子，并且具有通风散热和润滑的作用[1]。端盖结构设计主要涉及3方面因素：（1）应具有足够的强度和刚度[2]。（2）功能性，如选择适当的轴承型式、尺寸和润滑系统，内置集电环应设置电刷装置检察窗口，防护式电机端盖应有足够大的通风孔[3]。（3）工艺性，如保证端盖制造、加工和装拆等满足可行性要求[4]。端盖在电机结构设计中较重要，影响电机的整体水平[5]。小型电机应用广泛，如电控系统、智能机器人、精密仪器等，对于电机的尺寸、质量及精度要求较高[6]。为了降低电机的整体质量、提高集成度、减少装配步骤，目前电机端盖已逐步采用塑料材料[7]。PA66材料具有良好的耐温性和尺寸稳定性，添加一定比例的玻璃纤维和矿粉，进一步提高刚度、强度、绝缘性和阻燃性能，在电机端盖上的应用较常见[8]。然而，采用填充改性PA66材料，需要解决由产品的翘曲变形导致的系列问题[9]。例如，平面度不合格导致密封较差及磨损严重，孔轴线偏差大导致安装困难和泄漏等[10]。针对注塑成型问题，研究者们采用计算机辅助技术模拟过程，评估和优化产品结构，保证模具流道的设计以及工艺参数组合具有合理性[11]。对于工艺参数的优化，通过正交试验设计能够降低试验次数[12]。本实验利用计算机辅助技术，模拟某填充改性PA66电机端盖的注塑成型过程，并进行填充方案的优选。设计正交试验，探究安装孔轴线偏差最优时的工艺参数组合，并进行模拟和试模验证。1电机端盖结构设计图1为某电机端盖结构。端盖整体尺寸为402 mm×233 mm×71 mm，主要起保护和装饰电机的作用。中部两个圆柱孔挂负载，故周边增设一定高度的加强筋，以保证强度和刚度。电机端盖呈半封闭结构，依靠周边多个螺栓孔进行安装固定。电机端盖周边安装精度直接影响密封性能和工作稳定性，密封性能较差导致噪声较大，降低电机的品质。因此，对于该电机端盖需要保证安装精度达到一定要求。对于注塑成型的电机端盖，需要控制成型后安装孔的轴线相对设计的偏差，即孔轴线偏差。根据该电机端盖模流分析与实际注塑成型样品的测试结果，为了满足安装精度的要求，限制该电机端盖的最大孔轴线偏差不超过0.5 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.021.F001图1电机端盖结构Fig.1Structure of motor shield图2为该电机端盖的厚度分布。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.021.F002图2电机端盖厚度属性Fig.2Thickness property of motor shield从图2可以看出，主体厚度为3.0 mm，局部厚度达到7.0 mm以上，以加强结构。周边圆柱孔厚度为3.5 mm，加强筋厚度为3.0~4.0 mm。沿拔模方向的加强筋采用变壁厚设计，采用0.5°的拔模斜度。2初始模流分析2.1电机端盖网格模型基于Fusion双层面网格类型，对该电机端盖进行离散并进行单元质量修复。控制单元的总数、最大和最小纵横比，表1为网格模型的单元质量诊断结果。从表1可以看出，最大单元纵横比小于5，单元匹配率在90%以上，单元总数不超过10万，兼顾计算效率和精度，满足Moldflow对单元质量的要求。图3为经过单元质量修复后电机端盖的网格模型，模流分析可正常运行，验证该网格模型的可行性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.021.T001表1网格质量Tab.1Mesh quality参数基本边长/mm网格总数纵横比最大值纵横比最小值纵横比平均值匹配率/%数值1.0974584.971.141.6892.210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.021.F003图3电机端盖网格模型Fig.3Mesh model of motor shield2.2材料性能参数该电机端盖对于刚强度、阻燃、电化学性能及尺寸稳定性要求较高，推荐采用牌号为PA66-MG30的填充改性材料。该材料含有15%的玻璃纤维和15%的矿粉，既保证材料的刚强度，也兼顾收缩性能。表2为该材料与注塑成型相关的工艺参数及力学性能参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.021.T002表2填充改性PA66材料参数Tab.2Material parameters of filling-modified PA66参数数值参数数值顶出温度/℃220固体密度/（g‧cm-3）1.42模腔温度范围/℃60~90弹性模量E1/MPa8200推荐模腔温度/℃75弹性模量E2/MPa5925料筒温度范围/℃270~300泊松比u10.39推荐料筒温度/℃285泊松比u20.41最大剪切应力/MPa0.44剪切模量Et/MPa2678参考推荐的料筒温度和模腔温度，结合实际试模工艺及快速充填计算，得到初始工艺参数为：料筒温度285 ℃、模腔温度75 ℃、注射时间2.45 s、保压压力55 MPa、保压时间10 s、v/p切换体积99%。2.3流道系统设计图4为电机端盖进胶系统设计。考虑材料流动性和产品结构，采用四点针阀热流道方式填充计算分析。按照熔体流动顺序依次为圆形热浇口、垂直圆形热流道、水平圆形热流道、圆形热主流道，对应截面尺寸分别为：Φ1.5~Φ2.0 mm、Φ2.0~Φ3.0 mm、Φ3.0 mm及Φ3.0~Φ2.0 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.021.F004图4电机端盖进胶系统设计Fig.4Design of runner system of motor shield2.4结果分析基于4点热流道进胶系统，探究最佳的填充方案，图5为不同填充方案分析结果。从图5可以看出，考虑排气问题，常规的填充方案包括：从中间往两边顺序填充，从右往左顺序填充和从左往右顺序填充，分别对应方案1、方案2及方案3填充结果。采用3种填充方案模流分析计算，得到填充过程结果，对应填充体积比分别为10%、70%及100%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.021.F005图5不同填充方案分析结果Fig.5Analysis results under different filling schemes图6为基于3种填充方案计算得到的翘曲变形量结果。从图6可以看出，填充方案1得到的最大翘曲变形量为1.560 mm，发生在周边安装位置附近。填充方案2得到的最大翘曲变形量为1.572 mm，同样发生在周边安装位置附近。填充方案3得到的最大翘曲变形量为1.786 mm，发生位置与前两种填充方案相同，但最大孔轴线偏差明显大于前两种填充方案。图6不同填充方案翘曲变形量结果Fig.6Warpage deformation results under different filling schemes10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.021.F6a1（a）方案110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.021.F6a2（b）方案210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.021.F6a3（c）方案3表3为三种填充方案下，模流分析计算得到的主要结果参数，包括熔体前沿温度差、最大注射压力、最大锁模力、最大翘曲变形量及最大孔轴线偏差。从表3可以看出，填充方案1的最大翘曲变形量、最大孔轴线偏差、熔体前沿温度差及最大注射压力均最小，最大锁模力虽然相对较大，但与其余两种方案差距小，对于注射机的选择影响较小。综合以上分析，最终选择填充方案1。但该方案的最大孔轴线偏差仍大于设计指标要求的0.5 mm，仍需要进行工艺参数优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.021.T003表3不同填充方案结果Tab.3Results of different filling schemes项目填充方案123熔体前沿温度差/℃10.611.110.8最大注射压力/MPa50.8861.0358.33最大锁模力/t268.4268.0267.2最大翘曲变形量/mm1.5601.5721.786最大孔轴线偏差/mm0.6860.7120.8353正交试验设计与分析3.1正交试验设计对于注塑成型工艺参数的优化可采用设计正交试验，以显著提升分析效率，获得较准确的结果。该电机端盖产品在实际注塑成型试模中发现，料筒温度(A)、模腔温度(B)、保压压力(C)及注射时间(D)等工艺参数对其最大孔轴线偏差影响较大，故选择此4个变量作为正交试验设计的因素，在材料推荐参数范围内设置4个水平，表4为L16(45)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.021.T004表4L16（45）正交试验因素水平设计Tab.4L16（45） orthogonal test factor level design水平因素料筒温度（A）/℃模腔温度（B）/℃保压压力（C）/MPa注射时间（D）/s127060402.0228070502.3329080602.6430090702.93.2正交试验结果与分析表5为L16(45)正交试验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.021.T005表5L16（45）正交试验结果Tab.5Results of L16（45） orthogonal test序号因素最大孔轴线偏差/mmABCD111110.662212220.578313330.432414440.489521230.554622140.725723410.746824320.436931340.5241032430.4191133120.4431234210.5081341420.6951442310.4731543240.7341644130.469k10.5400.6090.5750.597k20.6150.5490.5940.538k30.4740.5890.4660.469k40.5930.4760.5870.618R0.1420.1330.1270.150从表5可以看出，第7组试验的最大孔轴线偏差最大，达到0.746 mm。第10组试验的最大孔轴线偏差最小，为0.419 mm。四个工艺参数的极差大小排序为：RDRARBRC，故对于电机端盖的最大孔轴线偏差，这四个因素的影响程度排序为：注射时间料筒温度模腔温度保压压力。图7为电机端盖的最大孔轴线偏差与因素水平的关系曲线。从图7可以看出，随料筒温度(A)的增大，电机端盖的最大孔轴线偏差先增大后减小再增大，最大孔轴线偏差在料筒温度为A3时最小。随模腔温度(B)的增大，电机端盖的最大孔轴线偏差先减小后增大再减小，最大孔轴线偏差在模腔温度为B4时最小。随保压压力(C)的增大，电机端盖的最大孔轴线偏差先增大后减小再增大，最大孔轴线偏差在保压压力为C3时最小。随注射时间(D)的增大，电机端盖的最大孔轴线偏差先减小后增大，最大孔轴线偏差在注射时间为D3时最小。综合分析得到：优化的工艺参数组合为A3B4C3D3。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.021.F007图7最大孔轴线偏差与因素水平关系曲线Fig.7Relationship curve between maximum hole axis deviation and factor level对正交试验进行一次重复试验，并进行目标变量的方差统计分析，表6为方差分析结果。从表6可以看出，误差的平均偏差平方和明显小于工艺参数的平均偏差平方和，正交试验准确性较高。工艺参数的F值排序为：DABC，验证极差分析的结论。注射时间的F值F0.01，故注射时间对该电机端盖的最大轴线偏差的影响极显著。对于料筒温度、模腔温度和保压压力的F值，F0.05F值F0.01，故料筒温度、模腔温度和保压压力对最大孔轴线偏差的影响显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.021.T006表6最大孔轴线偏差的方差分析Tab.6Variance analysis of maximum axis deviation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A0.02430.007944.57F0.01（3，19）=5.01F0.05（3，19）=3.13B0.02230.007334.22C0.02130.007004.03D0.02730.009025.19误差0.033190.00174总和0.127314优化工艺可行性验证基于优化工艺A3B4C3D3进行充填、保压和翘曲的仿真模拟计算，图8为所得的翘曲变形量结果。从图8可以看出，最大翘曲变形量降低至1.405 mm，相比初始工艺结果降低9.94%，采用Roundness宏功能计算得到最大孔轴线偏差为0.408 mm，小于0.5 mm，与方案相比降幅为40.5%，达到设计指标的要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.021.F008图8优化工艺翘曲变形量结果Fig.8Warpage deformation of optimized parameters基于优化工艺参数组合进行注塑成型模拟，图9为得到熔接线及气穴分布。从图9可以看出，熔接线主要分布于产品侧缘及非外观面，两个主要圆形外观面上无熔接线，满足外观要求。气穴主要分布于螺栓孔圆柱面及加强筋末端，这些位置可通过加强排气设计，避免困气和烧焦问题。因此，基于优化工艺注塑成型的电机端盖在外观、排气均可达到要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.021.F009图9优化工艺熔接线及气穴结果Fig.9Welding line and cavitation of optimized parameters通过实际试模验证优化工艺的可用性。在产品状态稳定后，取出样件进行表面状态观察、安装孔位置精度测试。图10为典型试模样品。从图10可以看出，产品表面无明显缺陷，安装孔的轴线偏移差测试为合格，验证优化方案及优化工艺参数组合的合理性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.021.F010图10电机端盖实际试模样品Fig.10Mold trial sample of motor shield5结论基于计算机辅助技术对某填充改性PA66材料的电机端盖的注塑成型进行仿真模拟。针对4点热流道进胶系统，确定从中间往两边的进胶方案最优。分析得到各工艺参数对最大孔轴线偏差的影响程度排序为：注射时间料筒温度模具温度保压压力。最优工艺参数组合为A3B4C3D3。优化工艺下最大孔轴线偏差降低至0.408 mm，低于0.5 mm，满足设计要求，优化率达到40.5%，优化效果十分显著。试模样品的外观及最大轴线偏差测试结果均合格，验证该优化工艺参数应用于注塑成型生产的可行性。