伴随着经济的快速增长，人们生活水平不断提高，居民汽车保有量迅速增加，停车位与汽车的矛盾日益突出。公共停车场已逐渐无法满足日益增长的停车需求，如何合理充分利用停车场资源是当前城市发展亟待解决的问题之一。为了提高停车场资源的利用效率，有必要对停车场进行智能化改造[1]。超声波探测器是停车场智能化改造的重要设备之一，其是一种利用无法被人类耳朵捕捉到的超声波，通过测试声波发射到返回的时间，来探测与移动物体的距离。通过在每个车位上方安装超声波探测器实时监测车位信息，使需要停车的车主及时了解空余车位的状态，直接前往指定空车位，实现快速泊车，提高停车效率和减缓拥堵[2]。超声波探测器一般由塑料外壳包裹，起到保护传感器不受外部冲击和干扰的作用，因此，外壳十分重要。Moldflow是由美国Autodesk公司为了帮助注塑从业设计师及时发现模具设计中存在的问题及缺陷研发的一款软件，能够极大地提高设计效率、缩短研发周期，并节省经费。本实验以某型号超声波探测为实例，对其外壳注塑模具的浇注系统和冷却系统进行设计，采用正交试验法探究影响模具翘曲变形的主要因素，并对注塑工艺参数进行了优化。1产品结构分析图1为某超声波探测器的三维模型。其外壳材料为TFX-710-EB塑料，上壳外形尺寸为14.00 mm×40.00 mm×40.00 mm，下壳外形尺寸为40.00 mm×2.00 mm×40.00 mm。在Moldflow软件中进行壁厚分析，图2为名义壁厚。上壳和下壳的名义壁厚均为2 mm，上壳厚度最大为2.129 mm，最小为0.944 6 mm，下壳各处厚度均为2 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F001图1超声波探测器及其上壳和下壳三维模型Fig.1Three-dimensional model of ultrasonic detector and its upper and lower shells10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F002图2名义壁厚Fig. 2Nominal wall thickness2基于Moldflow软件的模流分析网格划分是进行模流分析的基础，在Moldflow中结构简单、壁厚均匀的构件选用双层面网络，结构复杂及厚度不均的选用3D实体网络。图3为网格划分的结果。超声波探测器的上壳体和下壳体中，不包括模具镶块和冷却管道的表面积为108.02 cm2，网格的纵横比最大为9.24，最小为1.16，平均为1.92，网格匹配百分比91.3%，相互百分比92.3%，适合双层面分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F003图3网格划分结果Fig.3Meshing results2.1浇注系统设计浇注系统能够控制溶体流入型腔的速度和时间，具有传保压和传热的功能，决定着塑件的加工质量[3-5]。根据模具的特点和实际注塑成型的过程，选择潜入式浇口。在Moldflow中选择初始浇口位置，进行浇口位置分析，图4为所得分析结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F004图4浇口匹配性Fig.4Gate matching为了便于熔体的注射，浇注系统入口的直径和长度为3 mm和40 mm，拔模角为3°，水平流道和竖直流道直径均为6 mm，其中竖直流道的拔模角为3°。顶部浇口为长度1.5 mm阶梯圆柱，初始直径5 mm，末端直径1.5 mm，图5为最终所得的浇注系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F005图5浇注系统Fig.5Gating system2.2冷却系统设计在一个注塑过程中，冷却时间占了绝大部分，不合理的冷却系统会降低模具使用寿命，使塑件产生缩影及翘曲等缺陷，因此，冷却系统的合理设计十分重要[6]。选择具有良好冷却效果的纯水作为冷却介质，其雷诺数为1 000，初始温度为25 oC。为了保证冷却效果，水管直径选择9 mm，沿分型面对称布置，与零件的距离为15 mm，管道数量为2，管道中心距离30 mm，零件之外距离40 mm，图6为设计的冷却系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F006图6冷却系统Fig. 6Cooling system2.3流动性分析模具的充填时间反映着塑料熔体在各个型腔内的流动情况，影响着塑件注塑成型的质量，塑料熔体的不平衡流动会引起翘曲、飞边和短射等问题[7]。设置工艺参数为：熔体温度210 oC，注射+保压+冷却时间36 s，充填压力96%，图7为所得分析结果。从图7可以看出，上壳完成填充时间2.242 s，下壳完成填充时间1.623 s，流动不平衡率27.61%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F007图7充填时间Fig. 7Filling time2.4翘曲变形分析翘曲变形会影响塑件的外观，对于应用于精密仪器的部件，甚至会影响装配，降低产品的性能[8]。图8为翘曲变形分析结果。从图8可以看出，由所有效应、冷却不均效应、收缩不均效应和取向效应造成的最大翘曲变形量分别为0.249 9、0.014 7、0.248 7和0 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F008图8翘曲变形分析结果Fig.8Warpage deformation analysis results3优化分析由于翘曲变形会对塑件的外观及性能造成直接影响，因此本研究仅针对翘曲变形进行优化。采取L9(34)正交试验法，以翘曲变形最大量为评价指标，利用极差分析法和方差分析法相结合的方式[9-10]，探究熔体温度、注射+保压+冷却时间和充填压力对翘曲变形的影响。表1为设计的L9(34)正交试验因素与水平表，表2为正交试验结果及极差分析结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T001表1因素与水平Tab.1Factors and standards水平因素熔体温度(A)/oC注射+保压+冷却时间(B)/s充填压力(C)/%119028.876.822103696323043.2115.210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T002表2正交试验结果Tab.2Orthogonal test results方案编号因素空白列翘曲变形量/mmABC111110.28780212220.23850313330.19480421230.25190522310.21600623120.28620731320.22990832130.27850933210.25850K10.7211000.7696000.8525000.762300K20.7541000.7330000.7489000.754600K30.7669000.7395000.6407000.725200k10.2403670.2565330.2841670.254100k20.2513670.2443330.2496330.251533k30.2556330.2465000.2135670.241733R0.0152670.0122000.0706000.012367由于极差分析无法排除随机误差的影响，因此为了准确找出影响超声波探测器外壳翘曲变形的关键因素，需要对数据进行方差分析。表3为所得的方差分析结果。从表3可以看出，当α=0.05时，因素C(充填压力)显著，因素A(熔体温度)、因素B(注射+保压+冷却时间)不显著，因素的主次顺序为CAB，与极差分析结果一致。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T003表3方差分析结果Tab. 3ANOVA results因素离差平方和(SS)自由度(df)均方值(MS)F比F临界值(α=0.05)显著性A0.0003722.0000000.000191.45669219.08B0.0002542.0000000.000130.99467819.08C0.0074782.0000000.0037429.25986319.08*误差0.0002562.0000000.000128为了直观地反映各因素对翘曲变形的影响，将极差分析结果做成折线图，图9为正交效应折线图。从图9可以看出，最大翘曲变形量随充填压力的增大而减小。根据翘曲分析结果可知，因素C(充填压力)的优水平为C3。由于因素A(熔体温度)、B(注射+保压+冷却时间)对翘曲变形影响不大，从经济角度和提高生产效率方面考虑选择A1、B3。故最终选择的优水平组合为A1B3C3，即熔体温度190 oC、注塑+保压+冷却时间43.2 s、充填压力115.2%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F009图9正交效应折线图Fig. 9Orthographic line chart图10为在A1B3C3参数下的翘曲分析结果。从图10可以看出，所有效应、冷却不均效应、收缩不均效应和取向效应造成的最大翘曲变形量分别为0.193 9、0.010 7、0.192 8和0 mm，分别降低了22.41%、27.21%、22.48%和0，翘曲变形量得到了极大的改善。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F010图10优化后的翘曲分析结果Fig.10The optimized warpage analysis results图11为优化后的充填时间。从图11可以看出，上壳完成充填的时间为2.219 s，下壳完成充填的时间为1.615 s，流动不平衡性为27.22%，相比优化前提升了1.41%。从以上分析结果可以看出，优化后的工艺参数相对于初始参数在模具翘曲和流动平衡性方面有了改善。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F011图11优化后的充填时间Fig. 11The optimized filling time将优化所得的工艺参数带入到实际生产验证，得到如图12所示的合格的试模产品，说明优化后的工艺参数能够满足实际生产需要。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F012图12超声波探测器注塑外壳Fig.12Injection molding shell of ultrasonic detector4结论超声波探测器是智能停车管理系统的重要部件之一，本研究以某型号超声波探测器的外壳为实例，基于Moldflow软件设计了其模具的浇注系统和冷却系统，采用正交试验法探究影响翘曲变形的主要因素，并对工艺参数进行了优化。试验结果表明：充填压力是影响超声波探测器外壳翘曲变形的主要因素；优化后的工艺参数使由所有效应、冷却不均效应、收缩不均效应造成的最大翘曲变形量分别为降低了22.41%、27.21%和22.48%，使流动不平衡性降低了1.41%，相比初始参数有了显著改善。