塑料按键作为一种外观制件，其外观质量有一定的要求，成型工艺参数设定不当，则产生缩水、应力痕、飞边等外观缺陷[1-2]。产品结构设计不合理，则造成卡键、按键联动、手感僵硬等问题[3]。以某款平板产品的侧面塑料按键为研究对象，经前期分析，在生产过程中产生残余应力过大的问题，从而在使用过程中，受长期按压作用，将影响按键的使用寿命、力学性能，或因残余应力过大导致产品的尺寸和形状发生改变，装配过程中使产品出现裂纹或断裂现象，降低成品质量[4]。为解决这一问题，常对成型工艺参数进行有限元分析，对残余应力进行合理优化，以减小甚至消除残余应力的影响。蒋兰芳等[5]借助ABAQUS对注塑件进行去应力退火仿真分析，证明退火热处理可有效降低注塑件的残余应力。傅建钢[6]利用Moldflow对成型工艺参数进行仿真分析，结合正交试验，可有效降低残余应力。王娟[7]设计了两种浇口方案，通过对比Moldflow结果，对确定的方案进行成型工艺参数优化，注塑件的残余应力相较优化前降低了8.6%。本实验对塑件结构设计提出分析方案，结合Moldflow和ANSYS Workbench，对不同结构设计方案进行工艺参数、功能使用性能仿真和验证，以确定产品最优设计方案。1初步分析1.1产品结构和材料分析图1为按键的三维模型。根据产品图纸上的设计要求，为保证按压过程顺畅，按键力需控制在(2±0.2) N之内。从图1可以看出，按键外形尺寸为40 mm×22 mm，平均壁厚1.2 mm，因产品各区域所实现的功能不同，故相应的成型质量要求不同。如区域A，因产品组装后，作为按压区域的外观面，表面要求无明显外观缺陷，如熔接痕、应力痕等；区域B，因后期需和其他组件进行装配，该面成型后要求光滑、平整，不可有异物凸起，如飞边、毛刺等将产生装配间隙；区域C，需固定安装于其他组件上，起固定作用。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.019.F001图1按键的三维模型Fig.13D model of the key按键材料为广东金发科技生产的料号为GAR-011的改性ABS，表1为材料的主要特征参数。从表1可以看出，材料流动性好、高抗冲击性，广泛应用于电子类产品、汽车及机械零件等。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.019.T001表1材料的主要特征参数Tab.1Main characteristic parameters of materials参数数值密度/（g·cm-3）1.05热变形温度/℃92最大剪切应力/106 Pa0.26最大剪切速率/s-140000弹性模量/106 Pa2200泊松比0.3941.2产品成型缺陷分析因产品各区域成型质量要求不同，为进一步分析产品在注塑加工过程中可能产生的成型缺陷，将模型以IGS格式导入Moldflow中，划分中性面网格，网格经修改后，三角形网格共计51 322个，节点数25 661个，匹配百分比为91.7%，可以较好地进行模流分析。为避免缺料、缩水等成型问题的产生，满足一定的生产效率，设置2个浇口进行分析，图2为浇口位置。从图2可以看出，最佳浇口位置集中在区域B处。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.019.F002图2浇口位置分析Fig.2Gate location analysis2塑件成型分析2.1分析方案的确立经分析，最佳浇口位置在区域B内，但区域B的上表面要求光滑平整，若在此区域设置浇口，成型后将留有浇口痕迹，需人工削除残胶，影响生产效率。并可能因为人工操作不当，在去胶过程中，造成壁厚削除不均匀，影响产品的刚度、强度，或削除力量过大时，容易在区域A上留有削除痕迹。图3为原设计方案。从图3可以看出，原设计方案在区域B浇口位置处，如A-A处设计下沉结构，进胶点随之下降，可消除浇口痕迹对区域B上表面的光滑和平整度影响。但在注塑过程中，因壁厚的突变，产品表层和芯层冷却速率不均，导致两者处于拉力、压力的状态，从而产生残余应力，造成产品变形、影响尺寸精度，甚至开裂等情况[8-9]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.019.F003图3原设计方案Fig.3Original design scheme为解决上述问题，尽可能使壁厚均匀，结构上平缓过渡，降低残余应力产生的概率，图4为两种分析方案。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.019.F004图4分析方案Fig.4Analytical scheme从图4可以看出，方案一，尽可能减小产品进胶点处的尺寸，缓解进胶处因壁厚差过大而带来的影响；方案二，产品进胶点处的尺寸不变，可在产品下表面设计凸起结构，对应进行均匀壁厚的设计。2.2浇注系统的建立将方案一和方案二模型导入Moldflow，为提升生产效率，并减少不同的浇注系统对结果的影响，两者均采用一模四穴的冷流道浇注系统，以方案一为例，图5为浇注系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.019.F005图5浇注系统Fig.5Gating system2.3成型分析工艺参数对产品的成型质量具有重要影响作用，经前期分析，因浇口位置处易产生残余应力，参考文献[10-12]。表2为原始工艺参数。从表2可以看出，选取模具温度、熔体温度、注射压力和保压压力等4个工艺参数，以最大残余应力作为判定指标，确定最佳方案。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.019.T002表2原始工艺参数Tab.2Original process parameters参数数值模具温度/℃60熔体温度/℃245注射压力/MPa80保压压力/MPa65相同工艺参数条件下，为对比方案的有效性，图6为原始方案、方案一和方案二的仿真结果。从图6可以看出，原始方案、方案一和方案二的最大残余应力分别为36.19、33.23、31.19 MPa，方案二比原始方案和方案一的最大残余应力分别下降了14%和6%，故选定方案二为最终方案。图6残余应力Fig.6Residual Stress10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.019.F6a1(a)原始方案10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.019.F6a2(b)方案一10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.019.F6a3(c)方案二2.4按键力仿真分析2.4.1预处理因区域B对区域A起支撑作用，且是介于施加按键力的区域A和固定区域C的中间区域，可将其近似看作是一个悬臂结构，区域B作为悬臂部分，若结构设计上发生改变，将对产品的刚度、强度、按键力等产生影响。为了判定方案二的按键力，现将方案二模型以STP格式导入ANSYS Workbench，采用自动划分网格的方法，图7为划分后的模型[13-15]。方案二模型共计个86 159单元，134 074个节点。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.019.F007图7ANSYS Workbench中的分析模型Fig.7Analytical models in ANSYS Workbench按表1设定材料属性，测试按键力的实际过程中，需将区域C固定，对按压区域A施加一定的力，区域A位移一段距离，直至触发电路板上的微动开关，使其发送电信号后复位。按设计及测试要求，当位移距离过大时，按键力上升，将对塑料按键的疲劳寿命产生影响；当位移距离过小时，按键力下降，则极易触发微动开关，造成误操作等现象。已知区域A的位移距离为3 mm，图8为采取的固定约束和位移约束。从图8可以看出，将区域C施加固定约束，区域A施加对应的位移约束。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.019.F008图8固定约束和位移约束Fig.8Fixed constraints and displacement constraints2.4.2仿真结果图9为运动趋势仿真结果。从图9可以看出，经仿真分析，区域A施加的按键力方向，如箭头所示方向，将结果放大2.3倍，清晰可见正确的运动趋势，最终可得区域A的按键力为2.1 N，在设计要求内。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.019.F009图9运动趋势仿真Fig.9Motion trend simulation3优化分析3.1正交试验方案验证了方案二结构设计的合理性后，为尽可能消除残余应力的影响，可对工艺参数进一步优化，采用正交试验，得出最佳工艺参数组合[16]。表3为工艺参数范围。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.019.T003表3工艺参数范围Tab.3Process parameter range参数数值模具温度/℃30~80熔体温度/℃220~250注射压力/MPa70~110保压压力/MPa50~85根据表3中推荐的工艺参数，设计正交试验。表4为L16(44)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.019.T004表4L16（44）正交试验因素水平设计Tab.4L16（44） orthogonal test factor level design水平因素模具温度（A）/℃熔体温度（B）/℃注射压力（C）/MPa保压压力（D）/MPa150220805526023090653702401007548025011085参考文献[17-18]，适当提高模具温度和熔体温度时，可有效降低残余应力。故以原始工艺参数为参考，在推荐范围内，进一步减少残余应力对产品的影响。3.2正交试验结果选定L16(44)正交试验表，以最大残余应力作为评价指标，采用极差分析法，对结果进行直观分析，表5为L16(44)正交试验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.019.T005表5L16（44）正交试验结果Tab.5Results of L16（44） orthogonal test试验编号因素最大残余应力/MPaABCD150220805536.44250230906531.643502401007527.014502501108536.31560220907529.11660230808527.927602401105531.048602501006530.269702201008531.2010702301107527.111170240806526.771270250905533.1013802201106534.0914802301005532.871580240908529.551680250807527.84k132.8532.7129.7433.36k229.5829.8930.8530.69k329.5528.5930.3427.77k431.0931.8832.1431.25R3.314.122.405.60从表5可以看出，四个工艺参数的极差排序为：RDRBRARC，故对残余应力的影响依次为保压压力熔体温度模具温度注射压力，最佳工艺参数为A3B3C1D3。为进一步研究各工艺参数对残余应力的影响程度，判断分析各工艺参数对残余应力的影响程度，采用方差分析对数据进行分析，表6为方差分析结果。从表6可以看出，各工艺参数对最大残余应力的影响依次为：保压压力熔体温度模具温度注射压力，与极差分析结果一致。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.019.T006表6最大残余应力方差分析Tab.6Variance analysis of maximum residual stress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A29.3539.7817.34F0.05（3，3）=9.28B42.06314.0224.85C12.4934.167.38D63.87321.2937.74误差1.69230.56当模具温度为70 ℃，熔体温度为240 ℃，注射压力为80 MPa，保压压力为75 MPa时，方案二的最大残余应力最小。将参数导入Moldflow中，图10为优化后的残余应力。从图10可以看出，优化后模型最大残余应力为26.75 MPa。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.019.F010图10优化后的残余应力Fig.10Residual stress after optimization对最优工艺参数进行实际生产验证，图11为按键实物。从图11可以看出，按键充型完整，表面无缩痕、变形，或因残余应力过大而导致按键过早断裂等问题，塑件成型质量符合要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.019.F011图11按键实物Fig.11Physical object of the key4结论（1）基于Moldflow和ANSYS Workbench仿真分析，方案二为最终产品的结构设计方案。经仿真分析可得，方案二的按键力为2.1 N，在设计要求内。（2）工艺参数对最大残余应力的影响为：保压压力熔体温度模具温度注射压力，最优参数组合为A3B3C1D3。当模具温度为70 ℃，熔体温度为240 ℃，注射压力为80 MPa，保压压力为75 MPa时，优化后的残余应力为26.75 MPa。实际试模验证表明，样品外观良好，满足塑件质量要求。