随着汽车轻量化的发展，塑料材料在汽车电器件的支架和外壳中应用广泛[1-2]。电子器件通常需要采用封闭式罩盖进行保护，以隔绝外界干扰和杂质污染[3]。玻纤增强材料由于具有良好的刚强度、阻燃性和易成型性[4]，在电子器件的罩盖中应用较普遍。封闭式罩盖一般由上、下分壳体组成，通过焊接或紧固等方式进行连接，对罩盖的翘曲变形量提出较高要求。然而，玻纤增强材料注塑成型容易产生一定的翘曲变形量[5]，需要通过控制注塑成型工艺，保证翘曲变形量达到要求[6-7]。基于计算机辅助工程的注塑成型模拟技术，可以在开模前期指导产品和模具设计、优化工艺参数。正交试验设计与计算机模拟技术相结合，有利于优化注塑成型的工艺参数。本实验以一款玻纤增强PA6材料的电磁驱动器冷却罩为研究对象，利用计算机辅助技术和正交试验探究其工艺参数的优化方法。利用综合加权评分法，以最大翘曲变形量、最大缩痕估算和最大注射压力为目标变量，通过极差分析得到优化工艺参数组合，并通过仿真模拟和实际试模进行验证。1电磁驱动器冷却罩初始分析1.1结构方案图1为电磁驱动器冷却罩的三维结构。从图1可以看出，冷却罩主要包括上盖（黄色部分）、下盖（绿色部分）和PCB电路板（红色部分）。冷却罩上盖与下盖需要具备一定的散热功能，下盖底部通常布置较多的加强筋，以增加与空气的接触面积，提升散热效果。冷却罩上盖与下盖之间通过4个螺栓孔进行连接，为了防止灰尘等杂质接触PCB电路板，要求冷却罩上盖与下盖之间密封性好，对冷却罩下盖的翘曲变形量要求较高。根据模流分析和密封性测试，当冷却罩下盖的最大翘曲变形量不大于0.8 mm，可以满足密封性要求。冷却罩上盖为主要的外观件，需要保证其不产生明显的缩印。根据模流分析与实际试模经验，当模流分析的缩痕估算值不大于0.20 mm，外观缩痕状态满足要求。注塑冷却罩上盖、下盖采用玻纤含量较高的PA6材料，为了减小对注射机台和模具的损耗，要求其注射过程中的最大压力不超过90 MPa。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.022.F001图1三维结构Fig.1Three-dimension structure1.2材料参数表1为60%玻纤增强PA6注塑成型推荐工艺及力学性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.022.T001表1材料参数Tab.1Material parameters参数数值参数数值顶出温度/℃174固体密度/（g‧cm-3）1.73模具温度/℃80~120弹性模量E1/MPa21432模具表面温度/℃100弹性模量E2/MPa8954熔体温度/℃270~290泊松比v120.37剪切速率最大值/s-162000泊松比v230.41剪切应力最大值/MPa0.47剪切模量E1/MPa4284.60根据产品生产经验，初始工艺参数为：注射时间1.0 s、保压压力50 MPa、保压时间8 s、熔体温度280 ℃、模具温度100 ℃、v/p切换体积99%、冷却时间22 s。1.3网格模型电磁驱动器冷却罩采用Fusion双面网格进行划分，需要控制单元纵横比和匹配率。经过质量修复后网格质量指标情况为：基本边长1.7 mm、单元总数99 482、最大纵横比3.14、最小纵横比1.16、平均纵横比2.23、匹配百分比90.8%、相互百分比94.3%。各参数满足工程计算的要求，实际计算可正常进行。图2为电磁驱动器冷却罩的双面网模型。整体网格尺寸分布较均匀，安装孔周边节点数量较多，下盖加强筋的网格进行局部加密。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.022.F002图2网格模型Fig.2Mesh model1.4进胶系统设计冷却罩上盖、下盖材料相同，考虑减少开模成本和成型周期，采用一模两穴进胶方式注塑成型，单点侧边进胶方式控制填充，三段式冷流道进胶系统。图3为进胶系统设计。从图3可以看出，进胶系统主要包括梯形冷浇口、圆形冷流道、圆形冷主流道，尺寸分别为（长×宽×高）10 mm×12 mm×1 mm~4 mm×6 mm×5 mm、Ф6 mm及Ф6~Ф3 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.022.F003图3进胶系统Fig.3Injection runner system1.5初始结果分析采用“填充+保压+翘曲”分析序列，对该电磁驱动器冷却罩的注塑成型过程进行模拟，主要分析冷却罩下盖的翘曲变形量、冷却罩上盖的缩痕估算和注射压力，图4为计算结果。从图4可以看出，所有效应下冷却罩下盖的最大翘曲变形量为0.852 0 mm，大于设计指标(0.8 mm)。翘曲变形量在左右两侧边缘区域较大，直接影响装配。冷却罩上盖的最大缩痕估算为0.213 0 mm，大于设计指标(0.20 mm)。背面加强筋区域的缩痕估算较大，主要分布于边缘区域和中间矩形槽边缘。注射过程中最大注射压力为90.67 MPa，发生在保压阶段前，大于要求的90 MPa。冷却罩上盖、下盖采用初始工艺注塑成型，难以满足各项指标要求，需要进行工艺参数优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.022.F004图4初始分析结果Fig.4Initial simulation results2正交试验设计与试验结果分析2.1正交试验设计电磁驱动器冷却罩在注塑成型中的注塑工艺参数，影响翘曲变形量、缩痕估算及注射压力。根据驱动器冷却罩实际注塑成型经验根据电磁驱动器冷却罩的实际注塑经验，选择对翘曲变形量影响较大的注射时间(A)、保压压力(B)、保压时间(C)、熔体温度(D)、模具温度(E)及v/p切换体积(F)等工艺参数作为自变量。各工艺参数在材料推荐的取值范围内各取3个水平进行正交试验设计，表2为L18(36)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.022.T002表2L18(36)正交试验因素水平设计Tab.2L18(36) orthogonal test factor and level design因素水平123注射时间（A）/s0.51.01.5保压压力（B）/MPa405060保压时间（C）/s81012熔体温度（D）/℃270280290模具温度（E）/℃80100120v/p切换体积（F）/%98.599.099.5基于正交试验因素水平设计，共进行18次试验，表3为L18(36)正交试验表。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.022.T003表3L18（36）正交试验表Tab.3L18（36） orthogonal test table试验编号因素ABCDEF1111111211223331213324123123513232161332127211323821313292222221022331111231231122321131331231214313221153212131632213117331122183333332.2正交试验结果分析为了能够综合考虑冷却罩下盖的最大翘曲变形量，冷却罩上盖的最大缩痕估算以及最大注射压力，将目标变量无量纲化处理再进行综合加权。目标变量取较小值时更优，无量纲化处理的计算公式为：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处理得到的新生数据序列；tm(z)为目标变量的试验数据，m为列号，代表目标变量，z为行号，代表试验组合；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。根据该电磁驱动器冷却罩注塑成型的实际生产要求，对于冷却罩下盖的最大翘曲变形量、冷却罩上盖的缩痕估算以及最大注射压力，分别采用0.5、0.3和0.2的权重因子进行综合加权评分。表4为无量纲化处理和综合加权后各工艺参数组合结果。从表4可以看出，最大翘曲变形量在0.667~0.932 mm之间，最大缩痕估算在0.147~0.228 mm之间，最大注射压力在79.6~104.3 MPa之间，综合加权评分在0.150~0.905之间，工艺参数对综合加权评分的影响较大。基于正交试验结果和设计指标，得到综合加权评分的设计指标为0.580。正交试验表中多组试验满足设计指标要求，说明正交试验设计合理。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.022.T004表4L18（36）正交试验结果Tab.4Results of L18（36） orthogonal test试验编号目标变量试验值目标变量无量纲化值综合加权评分最大翘曲变形量/mm缩痕估算/mm最大注射压力/MPa最大翘曲变形量/mm缩痕估算/mm最大注射压力/MPa10.7880.19889.50.5430.3650.5990.50120.8920.14795.30.1511.0000.3640.44830.7160.16594.20.8150.7780.4090.72340.7420.20181.20.7170.3330.9350.64650.7980.22896.30.5060.0000.3240.31860.8470.15687.10.3210.8890.6960.56670.8850.18779.90.1770.5060.9880.43880.8640.198102.50.2570.3700.0730.25490.8220.183104.30.4150.5560.0000.374100.6940.15979.60.8980.8521.0000.905110.6670.17786.31.0000.6300.7290.835120.7410.15484.60.7210.9140.7980.794130.8340.14892.70.3700.9880.4700.575140.9320.21691.30.0000.1480.5260.150150.8780.20385.40.2040.3090.7650.348160.7650.22590.60.6300.0370.5550.437170.7870.19685.50.5470.3950.7610.544180.7530.18483.70.6750.5430.8340.668表5为综合加权评分的极差分析。从表5可以看出，各工艺参数极差R排序为：RBRERDRARCRF，各工艺参数对综合加权评分的影响程度排序为：保压压力模具温度熔体温度注射时间保压时间v/p切换体积。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.022.T005表5综合加权评分的极差分析Tab.5Range analysis of synthetic weighted mark编号ABCDEFk10.5340.3940.5650.5290.6150.524k20.6000.5720.4910.4530.4120.506k30.4540.6210.5310.6040.5610.557R0.1460.2260.0740.1510.2030.051图5为综合加权评分随不同因素水平变化的曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.022.F005图5综合加权评分随因素水平变化曲线Fig.5Synthetic weighted value vs factor level从图5可以看出，综合加权评分随注射时间A的增大呈现先增加后减小的趋势，当注射时间为A2，综合加权评分最大。综合加权评分随保压压力B的增大逐渐增加，当保压压力为B3，综合加权评分最大。综合加权评分随保压时间C的增大呈现先减小后增大的趋势，当保压时间为C1，综合加权评分最大。综合加权评分随熔体温度D的增大呈现先减小后增大的趋势，当熔体温度为D3，综合加权评分最大。综合加权评分随模具温度E的增大呈现先减小后增大的趋势，当模具温度为E1，综合加权评分最大。综合加权评分随v/p切换体积F的增大呈现先减小后增大的趋势，当v/p切换体积为F3，综合加权评分最大。综合加权评分最大时，理论工艺参数组合为A2B3C1D3E1F3，即注射时间1.0 s、保压压力60 MPa、保压时间8 s、熔体温度290 ℃、模具温度80 ℃、v/p切换体积99.5%。表6为综合加权评分的方差分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.022.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A0.039820.0203.672F0.01（2，23）=5.66F0.05（2，23）=3.42B0.073520.0376.773C0.033220.0173.060D0.041320.0213.806E0.062520.0315.763F0.029620.0152.726误差0.1250230.005总和0.405035从表6可以看出，各工艺参数F值排序为：BEDACF，各工艺参数的影响程度排序为：保压压力模具温度熔体温度注射时间保压时间v/p切换体积，验证极差分析的结论。对于保压压力和模具温度，F值F0.01，保压压力和模具温度对综合加权评分影响极显著。对于熔体温度和注射时间，F0.05F值F0.01，熔体温度和注射时间对综合加权评分的影响显著。对于保压时间和v/p切换体积，F值F0.05，保压时间和v/p切换体积对综合加权评分的影响不显著。3工艺优化与验证图6为优化工艺下电磁驱动器冷却罩的模流分析结果。从图6可以看出，所有效应下最大翘曲变形量为0.590 4 mm，最大缩痕估算为0.148 7 mm，最大注射压力为88.98 MPa，优于初始工艺结果，均满足设计指标要求。填充过程料流前锋温度变化小于5 ℃，产生温差线和滞留效应的可能性较低。冷却罩上盖的主要外观面上无熔接线产生，外观状态良好。气穴主要分布在冷却罩上盖的四周和填充末端，冷却罩上盖主要外观面上无气穴分布。图6优化工艺仿真结果Fig.6Simulation results of optimal processing parameters10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.022.F6a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.022.F6a2图7为优化工艺下实际试模样品。从图7可以看出，产品无缺胶、熔接线、温差线、缩印等明显外观问题，生产过程中注射压力满足生产要求。翘曲变形量结果合格，产品可正常装配。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.022.F007图7试模样品Fig.7Sample of mold test4结论针对某60%长玻纤增强PA6的电磁驱动器冷却罩，采用计算机辅助技术模拟注塑成型过程。通过正交试验探究注射时间、保压压力、保压时间、熔体温度和v/p切换体积对最大翘曲变形量、最大缩痕估算和最大注塑压力的综合加权评分的影响。试验结果表明：（1）工艺参数对综合加权评分的影响程度排序为：保压压力模具温度熔体温度注射时间保压时间v/p切换体积，最优工艺参数组合为A2B3C1D3E1F3。（2）基于优化工艺的模拟和试模结果显示，产品外观状态良好，翘曲变形量、缩痕及注塑压力均满足设计指标要求，验证优化工艺的可行性。