近年来，便携式电子产品和通讯电子设备正向薄壁化、轻量化、小型化的方向发展，使得薄壳类设计变得尤为重要，也推动了新型注塑成型技术的发展[1-2]。薄壳类制品是指壁厚尺寸小于1.2 mm的制品，具有成型过程复杂、成型难度大的特点，众多学者致力于研究薄壳注塑成型[3-7]。采用计算机辅助技术对工艺参数组合优化，可以较好地评估和优化产品结构[8-11]。翘曲变形不仅影响薄壳类塑料产品外观质量，更影响产品的使用性能。研究影响翘曲变形量的因素以降低其对产品质量的影响，具有重要的现实意义。赵永刚[12]针对传统建模预测的翘曲变形位置与实际偏差较大的问题，通过建模仿真，对注塑成型制品曲面参数进行优化，使预测结果更准确。凌杰等[13]以继电器壳架反应注塑成型为例，运用中心复合试验，并建立二阶多项式模型响应曲面，获得最优反应注塑成型工艺参数，使优化后最大翘曲变形量下降了23.1%。本实验的研究对象为机箱CD-ROM挡板，塑件精度要求等级为MT2[14]，要求翘曲变形量不超过0.60 mm。基于UG三维建模软件对其进行建模，利用Moldflow软件作为虚拟实验平台，综合考虑制品的材料性能以及保压压力和注射时间等因素之间的关联。基于正交试验，分析机箱CD-ROM挡板注塑成型中主要工艺参数的影响，并对部分工艺参数进行多目标组合优化，以提升产品质量、提升生产效率、优化材料成本等。1模型构建1.1模型的导入和网格划分以某品牌电脑机箱CD-ROM挡板为例，外壳几何模型运用三维软件UG6.0建立。图1为机箱CD-ROM挡板几何模型。模型尺寸为151 mm×12 mm×43 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.018.F001图1机箱CD-ROM挡板几何模型Fig.1Geometric model of the chassis CD-ROM baffle采用双层面网格对机箱CD-ROM挡板三维模型进行网格划分，图2为网格划分结果。网格边长为1.32 mm，单元数为26 700，节点数为13 352，对网格密度进行统计可知，三角形最小纵横比为1.16，最大纵横比为5.40，平均纵横比为1.54，匹配率可达到97.1%，完全满足模流分析要求，无须再进行网格修复，可适用于后续模拟分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.018.F002图2网格划分结果Fig.2Meshing results1.2材料选择本文选择的材料是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，型号为MP220N，由LG Chemical生产。表1为材料成型工艺参数。从表1可以看出，ABS材料的熔体温度范围为195~235 ℃（推荐215 ℃），模具温度为40~80 ℃（推荐60 ℃）。剪切速率过大，材料出现降解，注塑成型中材料剪切速率不应超过材料的最大推荐剪切速率。图3为材料的剪切速率-黏度曲线。从图3可以看出，随着剪切速率增大，材料黏度下降。并且不同温度下黏度曲线形状相似，随着温度升高，材料黏度下降；剪切速率越低，温度对黏度的影响越大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.018.T001表1材料成型工艺参数Tab.1Material forming process parameters参数数值模具表面温度/℃60熔体温度/℃215模具温度范围/℃40~80熔体温度范围/℃195~235保压压力/MPa25~140保压时间/s15~60冷却时间/s10~4010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.018.F003图3材料的剪切速率-黏度曲线Fig.3Shear rate-viscosity curves of the materialPVT曲线能够直观地反映压力p和温度T与容积V的关系，可用于解释注射成型中翘曲、收缩、气孔等缺陷[15]。图4为材料的PVT曲线。从图4可以看出，p一定时，随着温度升高，体积比容增大；不同压力下体积比容曲线形状相似，温度一定时，随着压力增大，体积比容降低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.018.F004图4材料的PVT曲线Fig.4PVT curves of the material2基于计算机辅助设计的注塑成型工艺参数仿真及优化2.1浇口位置分析浇口的设计和塑件的尺寸、形状、性能、注射工艺条件及模具结构等因素有关。综合考虑浇口设计各因素影响和设计原则[16-17]，本文选择单浇口方案，通过Moldflow分析，图5为浇口位置分析结果。从图5可以看出，电脑机箱CD-ROM挡板浇口匹配性最好的位置在中间部分，而在两端的浇口匹配性能较差。图6为最佳浇口具体位置。分别从上方、左方、右方展示最佳浇口位置，浇口位置坐标为(0.06，-7，1.69)。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.018.F005图5浇口位置分析结果Fig.5Analysis results of gate position10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.018.F006图6最佳浇口具体位置Fig.6Optimal gate specific location2.2翘曲分析在注塑成型过程中，影响翘曲变形量的主要因素包括三方面：温度（料温和模温）、压力（注射压力、保压压力等）、时间（注射时间、保压时间、冷却时间）。选择分析序列为“填充+保压+翘曲”，选择推荐的基本工艺参数为：熔体温度215 ℃、模具温度60 ℃、保压压力80 MPa、保压时间为15 s、冷却时间为20 s。图7为初始翘曲变形量分析结果。从图7可以看出，机箱CD-ROM挡板的两侧边缘处最大翘曲变形量为0.640 9 mm；由冷却不均造成的最大翘曲变形量为6×10-6 mm；由收缩不均引起的最大翘曲变形量为0.731 5 mm；由取向效应造成的最大翘曲变形量为0.245 0 mm。综合分析，选择五个试验因素作为自变量，包括熔体温度(A)、模具温度(B)、保压压力(C)、保压时间(D)、冷却时间(E)，根据材料的推荐工艺参数范围结合实际生产经验，选取四个水平进行正交试验设计。图7初始翘曲变形量分析结果Fig.7Analysis results of initial warping deformation10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.018.F7a1(a)所有效应变形10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.018.F7a2(b)冷却不均变形10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.018.F7a3(c)收缩不均变形10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.018.F7a4(d)取向效应变形表2为L16(45)正交试验因素水平设计。目标变量选择最大翘曲变形量，表3为L16(45)正交试验结果。从表3可以看出，第1组试验的最大翘曲变形量最大，能够达到0.677 1 mm。第14组试验的最大翘曲变形量最小，为0.520 1 mm。五个工艺参数的极差排序为：RARCRDRBRE，故对于机箱CD-ROM挡板的翘曲变形量，五个因素的影响程度排序为：熔体温度保压压力保压时间模具温度冷却时间。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.018.T002表2L16（45）正交试验因素水平设计Tab.2L16（45） orthogonal test factor level design水平因素熔体温度（A）/℃模具温度（B）/℃保压压力（C）/MPa保压时间（D）/s冷却时间（E）/s119540251510220550603020321560954530422570120604010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.018.T003表3L16（45）正交试验结果Tab.3Results of L16（45） orthogonal test试验编号因素最大翘曲变形量/mmABCDE1111110.67712122220.65353133330.64474144440.64825212340.63616221430.65157234120.59768243210.61229313420.610910324310.593111331240.633712342130.591313414230.543014423140.520115432410.610116441320.6222k10.65590.61680.64610.59650.6231k 20.62440.60460.62280.61060.6211k 30.60730.62150.59700.62400.6076k 40.57390.61850.59550.63020.6095R0.08200.01690.05060.03370.0155图8为电脑机箱CD-ROM挡板塑件的最大翘曲变形量与因素水平的关系曲线。从图8可以看出，随熔体温度A的增大，塑件的最大翘曲变形量快速降低，在熔体温度为A4时最小。随模具温度B的增大，塑件的最大翘曲变形量先减少小后增加，再趋于平稳，整体波动较小，在模腔温度为B2时最大翘曲变形量最小。随保压压力C的增大，塑件的最大翘曲变形量先快速减小，再趋于稳定，在保压压力为C4时最大翘曲变形量最小。随保压时间D的增大，塑件的最大翘曲变形量增大，保压时间为D1时最大翘曲变形量最小。随着冷却时间E的增加，塑件翘曲变形量先逐渐减小，再趋于平稳，冷却时间为E3时最大翘曲变形量最小。综合分析得到：优化的工艺参数组合为A4B2C4D1E3。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.018.F008图8电脑机箱CD-ROM挡板塑件的最大翘曲变形量随因素水平变化曲线Fig.8Curve of maximum warpage deformation of computer case CD-ROM baffle plastic parts with factor level把因素E置为误差列，取显著性水平a=0.05。表4为最大翘曲变形量的方差分析。从表4可以看出，因素A的F值F0.05，熔体温度对CD-ROM挡板塑件的最大翘曲变形量的影响显著。因素B、因素C、因素D的F值F0.05，模具温度、保压压力和保压时间对CD-ROM挡板塑件的最大翘曲变形量的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.018.T004表4最大翘曲变形量方差分析Tab.4Variance analysis of maximum warpage deformation离差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和F值F临界值显著性水平A0.014130.004714.1F0.05（3，3）=9.28显著B0.000830.00020.8不显著C0.007030.00237.0不显著D0.002730.00092.7不显著误差0.001030.0003综合分析可知，最优工艺参数组合为A4B2C4D1E3，即熔体温度225 ℃、模具温度50 ℃、保压压力120 MPa、保压时间15 s、冷却时间30 s。基于最优参数进行试验验证，图9为在此最优工艺参数下进行模拟验证试验的分析结果。从图9可以看出，所有效应下，最优工艺参数下最大翘曲变形量为0.414 3 mm，仍然位于制品两端；由冷却不均造成的最大翘曲变形量为2×10-5 mm；由收缩不均变形造成的最大翘曲变形量为0.494 6 mm，与初始工艺相比降低32.39%；由取向效应造成的翘曲变形量为0.198 9 mm，与初始工艺相比降低18.82%。最优工艺参数组合下，塑件最大翘曲变形量为0.414 3 mm，与16组试验中翘曲变形量最小的一组（第14组）进行比较，翘曲变形量减小，证明试验的优越性和可靠性。图9最优工艺参数组合下模拟验证结果Fig.9Simulation verification results under optimal process parameters combination10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.018.F9a1(a)所有效应变形10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.018.F9a2(b)冷却不均变形10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.018.F9a3(c)收缩不均变形10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.018.F9a4(d)取向效应变形3结论针对机箱CD-ROM挡板注塑成型工艺参数的优化，基于正交试验得出最佳工艺参数组合。工艺参数对最大翘曲变形量的影响排序为：熔体温度保压压力保压时间模具温度冷却时间，最优工艺参数配置为A4B2C4D1E3，即熔体温度225 ℃、模具温度50 ℃、保压压力120 MPa、保压时间15 s、冷却时间30 s。优化后机箱CD-ROM挡板翘曲变形量由0.640 9 mm减至0.414 3 mm，降低了35.36%，从而改善了塑件的翘曲变形情况。对薄壳型制品注塑成型工艺参数的优化，具有较好的指导意义。