氢能具有清洁无污染、安全性能好、来源范围广等优点，是应用前景较好的新能源[1-2]。随着氢燃料电池和电力的发展，需开发高效、经济的储氢方法，促进氢能的发展[3]。近几年，利用高压气瓶储存氢气的技术较成熟[4]。为节省储存成本、减轻储氢气瓶的质量、延长储氢气瓶的使用寿命，可将高压气瓶的内衬从金属内衬改为树脂内衬[5]。聚酰胺(PA6)材料具有较高的抗拉强度、硬度、耐磨性等特点[6]，可以满足内衬的使用需求。采用塑料材料设计高压气瓶内衬，可增加气瓶的气密性，防止氢气渗漏[7]。为了方便气瓶进气、出气，通常在封头中装入一个金属材料的瓶阀座，以保证气瓶的密封性。但金属瓶阀座导致封头在注塑成型过程中熔体流动不平衡，容易产生欠注、包覆不均等问题。针对欠注问题，已有研究者进行探究。吴燕华等[8]从塑件、模具的结构等方面分析欠注产生的原因，并提出解决方案，但不能确定造成欠注的工艺参数。唐志阳[9]从成型压力、保压时间等方面解决热压铸成型中的欠注问题。计算机辅助工程可以对注塑件在一定工艺参数下的注塑成型过程进行模拟，检验注塑件的状态是否满足要求[10]。正交试验可以对工艺参数进行优化，得出最佳工艺参数组合[11-12]。本实验以PA6的高压气瓶内衬封头为例，采用Moldflow软件建立浇注系统，并对其注塑过程进行模拟。设计L16(44)正交试验对欠注现象进行优化分析，通过极差、方差分析工艺参数对欠注现象的影响，以得到最佳工艺参数组合。在最佳工艺组合下进行模拟及注塑样品验证。1注塑件初始分析1.1模型分析图1为高压气瓶树脂内衬封头三维结构剖视图。从图1可以看出，白色为树脂内衬，尺寸57.98 mm×32.60 mm×57.99 mm。黑色为金属瓶阀座，尺寸39.94 mm×35.00 mm×39.94 mm。树脂内衬和金属瓶阀座通过注塑成型连接在一起。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.F001图1高压气瓶树脂内衬封头三维结构剖视图Fig.1Three-dimensional structure view of high pressure cylinder resin liner head1.2网格划分图2为高压气瓶树脂内衬封头双层面网格模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.F002图2高压气瓶树脂内衬封头双层面网格模型Fig.2Double layer mesh model of high pressure cylinder resin liner head由于注塑件壁厚不均，含有金属瓶阀座，故选择双层面网格类型进行网格划分。网格单元的质量直接影响模流分析结果的精确性。通过修改纵横比、合并节点等方法，进行多次网格修复及划分。最大纵横比为3.65，最小纵横比1.16，平均纵横比为1.51，匹配百分比为86.3%，相互百分比为93.1%。最终的网格划分质量满足模流分析的需要。1.3材料特性内衬封头注塑件采用型号为Novamid-1010c2聚酰胺(PA6)，表1为PA6材料的推荐工艺参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.T001表1PA6材料的推荐工艺参数Tab.1Recommended process parameters for PA6 material参数数值熔体温度范围/℃230~300模具温度范围/℃70~110绝对最大熔体温度/℃340顶出温度/℃133最大剪切应力/MPa0.31最大剪切速率/（s-1）1000001.4浇注系统设计利用Moldflow分析最佳浇口位置，图3为封头浇口位置分析及浇注系统设计。从图3可以看出，浇口匹配性最好地方位于图中蓝色部分，即封头中间位置，此处流动阻力小，在注塑过程中有利于补充原料。最佳浇口位置分析可以作为一个参考，具体的浇口位置的选择需结合注塑件的结构以及实际生产加工情况。实际生产中对封头整体注塑质量有要求，同时需要便于模具的加工及脱模，具体浇口位置在封头的底部。基于最佳的浇口位置，建立一模两腔冷流道系统。主流道的长度为55 mm，形状为锥体，始端直径为4 mm，末端直径为6 mm；分流道形状为非锥体，截面形状为圆形，直径为5 mm；浇口形状为锥体，始端直径为5 mm，末端直径为2 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.F003图3封头浇口位置分析及浇注系统的建立Fig.3Analysis of head gate position and establishment of gating system2原始方案注塑模拟在浇注系统建立的基础上，进行填充+保压分析。按照系统默认的参数进行模拟分析，其中熔体温度选择平均值265 ℃，模具温度选择平均值90 ℃，充填控制为自动，速度/压力切换时为自动，保压压力为80%的充填压力，保压时间为10 s。速度/压力切换代表充填阶段的结束，保压阶段的开始，此时压力为充填阶段的最高压力。图4为速度/压力切换时的压力图。通过压力图观察塑件的压力分布是否平衡，是否有欠注现象。从图4可以看出，黑色框选部分为欠注区域，此时充填量为99.580%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.F004图4速度/压力切换时的压力Fig.4Pressure during speed/pressure switch以往注塑过程中出现几种情况，图5为注塑件对比图。从图5a可以看出，注塑件的形状良好。从图5b可以看出，注塑件没有未充填部分，但是在注塑过程中封头底部对金属瓶阀座的包覆厚度未达到设计要求。从图5c可以看出，在靠近中间孔处有明显的未充填部分，与模拟过程出现的欠注现象相似。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.F005图5注塑件对比图Fig.5Injection molded parts comparison photos3欠注原因分析欠注是指在充填末端或远离浇口的地方型腔未完全充满[13]。欠注产生的原因包括：注射机的注射量达不到制件生产的要求，注塑原料不充足或者未完全熔融，模具浇注系统设计不合理，制件本身结构复杂，工艺参数设置有误等[14]。本次注塑过程中欠注的原因可能是：（1）制件含有金属瓶阀座，瓶阀座的温度与模具的温度有差异，导致熔体在充模过程中流动不平衡。（2）浇注系统的设置，浇口所在位置的壁厚较薄，熔体在流动过程中阻力较大。（3）工艺参数中温度、压力、时间等设置不合理。针对制件的欠注现象，可从这几个原因分析角度进行改善，但修改浇注系统需要重新设计及制造模具，成本较高，故对温度、压力、时间等工艺参数进行优化分析，确定最佳注塑工艺参数。4正交试验优化与结果分析4.1正交试验设计以往研究多数从提高熔体温度、增加注射压力，增加保压时间等方面优化工艺参数，从而改善欠注现象[15]。选取熔体温度(A)、注射压力(B)、保压压力(C)和保压时间(D)等工艺参数，进行四水平四因素正交试验。表2为L16(44)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.T002表2L16（44）正交试验因素水平设计Tab.2L16（44） Orthogonal test factor level design水平因素熔体温度（A）/℃注射压力（B）/MPa保压压力（C）/MPa保压时间（D）/s12302035102240254015325030452042603550254.2正交试验结果分析表3为L16(44)正交试验结果。从表3可以看出，第16组试验中充填量最大，为99.999%；第1组试验中充填量最小，为3.487%，两者相差96.5%左右。由此得出工艺组合对制件欠注问题的影响较大。四个工艺参数极差排序为RBRARCRD，对欠注问题影响最大的工艺参数为注射压力(B)。对于欠注问题，四个因素影响程度排序为：注射压力熔体温度保压压力保压时间。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.T003表3L16（44）正交试验结果Tab.3L16（44） orthogonal test results试验序号因素充填量/%ABCD111113.487212227.8523133365.9414144499.478521237.5266221412.4207234197.5878243299.9629313462.73010324393.93811331298.98112342199.97413414285.76814423195.94215432498.98516441399.999k144.18939.87853.72174.248k254.37452.53853.58473.141k388.90690.37381.14366.851k495.17399.85394.19368.403R50.98459.97540.6097.397为了排除误差对试验结果的影响，进行了方差分析，表4为方差分析结果。从表4可以看出，各工艺参数F值的排序为FBFAFCFD，影响程度排序为注射压力熔体温度保压压力保压时间，与极差分析结果相同。注射压力的F值F0.01，注射压力对封头欠注具有极显著影响；对于熔体温度和保压压力，F0.05F值F0.01，故熔体温度和保压压力对封头欠注具有显著影响；保压时间的F值F0.05，故保压时间对封头欠注的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.T004表4充填量的方差分析Tab.4Analysis of variance for filling amount离差来源偏差平方和/×103自由度平均偏差平方和/×103F值F临界值A7.632.5327.295F0.01（3，3）=29.5F0.05（3，3）=9.28B10.033.3336.161C4.9731.6617.847D0.1530.050.555误差0.27830.093图6为16组试验中塑件充填量显示图。从图6可以看出，试验1、2、5和6几乎未充填，充填量较少。试验3和9只充填了注塑件体积的一半左右。试验4、7、10、11、14和15注塑件的充填量大多在95%左右，在注塑件的充填末端位置容易出现欠注现象，如图中框选位置。试验8和12的框选位置处的压力低于其他位置，在注塑过程中若注射压力过小、注塑原料不足，则该位置对嵌件的包覆厚度可能低于设计的厚度，造成底部区域厚薄不均。试验16的充填量为99.999%，相较其余15组试验，其充填量良好，几乎没有欠注问题，在注塑完成后制件底部也不会出现欠注缺陷，但模拟过程中制件底部的压力分布不平衡，底部大部分压力高于孔周边位置，压力梯度不均匀。实际注塑生产过程中，非均匀的压力梯度可能影响制件的质量、尺寸精度、表面质量、表面光泽度、刚度和翘曲变形等[16]。图616组试验中塑件充填量显示图Fig.6Plastic parts filling amount display diagram of 16 tests10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.F6a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.F6a210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.F6a310.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.F6a410.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.F6a510.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.F6a610.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.F6a710.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.F6a8图7为充填量随因素水平的变化曲线。从图7可以看出，充填量随熔体温度(A)的增大而增加，熔体温度为A4(260 ℃)时填充量达到最大值。充填量随注射压力(B)的增大而增加，注射压力为B4(35 MPa)时填充量达到最大值。充填量随保压压力(C)的增大先减小后增加，保压压力为C4(50 MPa)时填充量达到最大值。充填量随保压时间(D)的增大先减少后增加，保压时间为D1(10 s)时填充量达到最大值。综合分析得到最佳工艺参数组合为A4B4C4D1。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.F007图7充填量与因素水平关系曲线Fig.7Relation curves between filling amount and factors and levels5工艺优化与验证将最佳工艺参数组合A4B4C4D1输入Moldflow中进行模拟，图8为模拟结果。从图8可以看出，注塑件的充填量为100%，无欠注现象且压力分布均匀。与初始参数相比，注塑件的填充量增加了0.42%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.F008图8最优参数组合下充填量Fig.8Filling amount under optimal parameter combination将最佳工艺参数组合进行实际注塑验证，图9为注塑试模件。从图9可以看出，树脂内衬封头的试模制件充填良好，制件底部无欠注现象，达到生产要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.020.F009图9注塑试模件Fig.9Injection test molds6结论利用Moldflow对某PA6材料的高压气瓶内衬封头进行填充和保压模拟，初始工艺参数下模拟过程中封头存在欠注现象，欠注时的充填量为99.580%。结合封头含有金属瓶阀座的结构特点，对其欠注产生的原因进行分析，得出不同工艺参数影响注塑件的成型质量。通过正交试验对熔体温度、注射压力、保压压力、保压时间等工艺参数进行优化，得出各工艺参数对欠注问题的影响程度排序为：注射压力熔体温度保压压力保压时间，最佳工艺参数组合为A4B4C4D1。在最佳工艺参数组合下通过Moldflow进行模拟，模拟结果中封头充填量为100%，相比初始工艺条件下的充填量增加0.42%。实验试模件的充填良好，底部无欠注现象，满足实际生产的需要，验证了工艺优化的可行性。