热管理是根据具体对象的要求，利用加热或冷却手段对其温度或温差进行调节和控制的过程[1]。热管理包括具体的对象，实现手段，热管理参数等[2]。热管理系统中必不可少的水路及其连接器对热管理系统的性能具有关键性影响[3]。水路连接器主要起分散流体、汇合流体、流向转换等功能，为了提高设计集成度、减轻系统质量、降低成本等，水路连接器多数采用塑料化方案[4]。其中，玻纤增强PA6材料以其优良的热稳定性、耐腐蚀性及高温条件下的力学稳定性，在水路连接器中应用较为广泛[5]。然而，此类材料基本以注塑方式成型，材料基体本身较大的结晶收缩和玻纤的高度取向，导致注塑成型的产品往往产生较大的翘曲变形，从而影响安装和工作稳定性[6]。针对此类问题，基于计算机辅助工程的注塑成型模拟技术发挥了较好的作用[7]。通过模拟注塑成型过程，成型后制品的熔接线分布、翘曲变形趋势和变形量等，便于对材料选型、对浇口设计及工艺参数进行评估分析[8]。而对于多参量的工艺参数优化探究问题，正交试验设计可以有效降低实验的工作量，且具备较高的准确性[9-10]。本实验以一玻纤增强PA6材料的热管理系统水路连接器为研究对象，采用计算机辅助工程模拟其注塑成型过程，并进行进胶方案的选择和工艺参数的优化。针对其最大Z向翘曲变形不合格的问题，设计正交试验并进行数据分析，从而获得优化的工艺参数组合。1热管理系统水路连接器结构设计图1为热管理系统(TMS)水路连接器结构设计。整体尺寸为94 mm×63 mm×58 mm。整体结构类似于三通阀门，由一个进水口和两个出水口组成，周边依靠两个安装孔进行固定。该热管理系统水路连接器工作过程中，持续承受来自流体介质不稳定的动态冲击，为了保证工作的稳定性，故对设计的强度和刚度有较高的要求。安装精度直接影响零件的工作性能，而此水路连接器的安装性能主要取决于安装孔的位置精度。由于两个安装孔位于两侧矩形平面内，注塑成型过程中容易发生法向变形，从而导致安装精度低甚至无法正常安装，因此需要重点控制产品在此区域的法向（Z向）变形量。根据该水路连接器注塑成型模流分析与实际注塑成型试模对标结果，为了保证安装精度满足实际测试要求，限制了安装平面的最大Z向翘曲变形不得大于0.2 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.017.F001图1热管理系统水路连接器结构设计Fig.1Structure design of waterway connector of TMS图2为热管理系统水路连接器厚度。从图2可以看出，厚度范围在0.3~6.7 mm之间。其中，进水管圆柱面厚度为2.7 mm，出水管圆柱面厚度在1.0~1.6 mm之间变化，具备一定的拔模斜度，利于脱模。最大厚度位于进水管根部平面上，保证了结构整体强度和刚度。安装面厚度为3.0 mm，兼顾了安装点刚强度和成型性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.017.F002图2热管理系统水路连接器厚度Fig.2Thickness of waterway connector of TMS2初始模流分析2.1网格模型考虑该热管理系统水路连接器的结构特征，采用Fusion（双层面）网格类型进行离散化处理。该网格类型兼顾了计算精度和计算效率，但对于网格单元质量的要求较高。Moldflow软件中要求，单元匹配率和相互匹配率需大于85%，单元纵横比不大于25。经过单元质量修复。图3为热管理系统水路连接器网格模型。通过网格诊断发现：单元匹配率为92.3%，相互匹配率为92.5%，单元纵横比最大值为5.37，无交叉单元、重复单元和自由边，连通区域为1，满足单元质量要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.017.F003图3热管理系统水路连接器网格模型Fig.3Mesh model of waterway connector of TMS2.2材料工艺参数为了保证高温条件下较强的刚度和强度以及尺寸稳定性，采用35%玻纤增强PA6材料进行热管理系统水路连接器的注塑成型。根据材料UDB文件，表1为典型的注塑成型工艺参数及力学性能参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.017.T001表1PA6材料参数Tab.1PA6 material parameters参数数值参数数值顶出温度/℃158固体密度/（g‧cm-3）1.44模腔温度范围/℃45~85纵向弹性模量E1/MPa9923.5料筒温度范围/℃250~280横向弹性模量E2/MPa5630.6转换温度/℃176泊松比v120.41剪切速率最大值/s-158500泊松比v230.46剪切应力最大值/MPa0.49剪切模量E1/MPa2037.9推荐的初始模腔温度为65 ℃，料筒温度为265 ℃。根据模流分析自动初始计算得到：初始注射时间为1.0 s，初始保压时间为8 s。2.3流道系统设计根据该热管理系统水路连接器的整体尺寸及材料流动性，可采用单点胶口进胶。根据该类产品注塑成型经验，图4为推荐的三种进胶方案。Gate1为进水管顶部中心进胶，料流从上自下顺序填充；Gate2为进水管中上部进胶，料流自中间向两边顺序填充；Gate3为安装面侧边进胶，料流自中间向两边顺序填充。采用模流分析方法，对三种进胶方案进行优选。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.017.F004图4进胶方案Fig.4Injection schemes2.4结果分析采用Moldflow的“填充+保压+翘曲”分析序列对以上三种进胶方案进行模流分析计算。图5为熔接线结果。从图5可以看出，Gate1和Gate2的熔接线分布基本相同，主要集中于出水管圆柱面上，而Gate3在进水管上多出一条明显的熔接线。考虑到Gate3中所出现的明显熔接线会对整体结构强度产生明显的削弱，故Gate1和Gate2两种进胶方案相对更优。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.017.F005图5熔接线结果Fig.5Weld line results图6为三种进胶方案的体积收缩率结果。从图6可以看出，Gate1的最大体积收缩率为13.54%，Gate2的最大体积收缩率为13.73%，Gate3的最大体积收缩率为13.63%。三种进胶方案的体积收缩率相差不大，Gate1相对更优。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.017.F006图6体积收缩率Fig.6Volume shrinkage图7为三种进胶方案的Z向翘曲变形结果。从图7可以看出，最大Z向翘曲变形位于安装平面，直接影响产品安装性能和工作性能。Gate1的最大Z向翘曲变形相对最优，为0.299 4 mm；Gate2的最大Z向翘曲变形为0.334 9 mm；Gate3的最大Z向翘曲变形为0.455 6 mm。Gate3的最大Z向翘曲变形相比Gate1大52.2%，说明浇口位置对该产品最大Z向翘曲变形的影响较大，故需要对进胶方案进行优选。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.017.F007图7Z向翘曲变形Fig.7Warpage deformation in direction Z根据三种进胶方案的模流分析结果，表2为列出的注塑成型关键参数的参考结果。从表2可以看出，Gate3在熔体前沿温度、最大注射压力和最大锁模力结果中表现更优，但是在最大体积收缩率和最大Z向翘曲变形中表现较差。Gate2在熔体前沿温度、最大注射压力和最大锁模力结果虽优于Gate1，但差异不大，而最大Z向翘曲变形却明显大于Gate1。综合分析，选择Gate1作为最优的进胶方案。但Gate1的最大Z向翘曲变形大于0.2 mm，不满足设计指标的要求，故需要再进行工艺参数优选。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.017.T002表2不同进胶方案分析结果Tab.2Analysis results of different injection schemes进胶方案熔体前沿温度/℃最大注射压力/MPa最大锁模力/t最大体积收缩率/%最大Z向翘曲变形/mmGate14.833.526.813.540.2994Gate24.732.826.213.730.3349Gate34.431.825.413.630.45563正交试验设计与数据分析该热管理系统水路连接器实际注塑成型试模中发现，工艺参数组合对其最大Z向翘曲变形的影响十分明显，其中以模腔温度、料筒温度、保压时间和注射时间的影响较大。以模腔温度(A)、料筒温度(B)、保压时间(C)、注射时间(D)四个工艺参数为自变量，设计正交试验进行工艺参数优化研究。基于材料UDB文件中推荐的工艺参数范围各等差选择三个因素水平，表3为L9(43)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.017.T003表3正交试验因素水平设计Tab.3orthogonal test factor level design水平因素模腔温度（A）/℃料筒温度（B）/℃保压时间（C）/s注射时间（D）/s14525060.926526581.0385280101.1采用L9(43)进行正交试验设计，获取9组不同工艺参数组合。对每组工艺参数组合进行模流分析计算，获得最大Z向翘曲变形结果，并计算获得水平均值k和极差R，表4为L9(43)正交试验结果。从表4可以看出，最大Z向翘曲变形最小值为0.187 9 mm，发生在第3组试验中；最大Z向翘曲变形最大值为0.325 4 mm，发生在第9组试验中。最大Z向翘曲变形的最大值和最小值相差42.3%，说明工艺参数组合的影响较大，工艺参数优化具备可行性。正交试验表中既存在满足设计指标要求的试验序列3、4、6和8，也存在不满足设计指标要求的试验序列1、2、5、7和9，说明本文正交试验设计合理，可进行数据分析。这四个工艺参数的极差排序为：RDRCRARB，故对于最大Z向翘曲变形，这四个工艺参数的影响程度排序为：注射时间保压时间模腔温度料筒温度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.017.T004表4正交试验结果Tab.4Orthogonal test results序号因素最大Z向翘曲变形/mmABCD111110.3017212320.2482313230.1879421330.1954522210.2267623120.1936731220.2087832130.1898933310.3254k10.24590.23530.22840.2846k20.20520.22160.20780.2168k30.24130.23560.25630.1910R0.04070.01410.04860.0936为了更加直观地观察各个因素水平对目标函数的影响规律，图8为热管理系统水路连接器的最大Z向翘曲变形随不同因素水平变化的曲线。从图8可以看出，产品最大Z向翘曲变形随模腔温度A的增大，先减小后增大，当模腔温度为A2时，产品最大Z向翘曲变形最小。产品最大Z向翘曲变形随料筒温度B的增大，先降低后增大，当料筒温度为B2时，产品最大Z向翘曲变形最小。产品最大Z向翘曲变形随保压时间C的增大，先减小后增大，当保压时间为C2时，产品最大Z向翘曲变形最小。产品最大Z向翘曲变形随注射时间D的增大，呈逐渐下降趋势，当注射时间为D3时，产品最大Z向翘曲变形最小。综上所述，热管理系统水路连接器的最大Z向翘曲变形获得最优时的工艺参数组合为A2B2C2D3，即A2B2C2D3为优化的工艺参数组合。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.017.F008图8最大Z向翘曲变形与因素水平关系曲线Fig.8Maximum warpage deformation in direction Z vs factor level为了进一步检验本文正交试验数据的可信度，需要确定误差对实验结果的影响。同时，分析各个工艺参数对目标变量的影响显著性程度。故对正交试验进行了一次重复试验，并进行了方差分析。表5为最大Z向翘曲变形的方差分析结果。从表5可以看出，误差的平均偏差平方和相对较小，故误差的影响较小，正交试验的结果具有可信度。工艺参数F值排序为：DCAB，即注射时间保压时间模腔温度料筒温度，验证了极差分析的结论。对于注射时间，F值F0.01，故注射时间对于最大Z向翘曲变形具有极显著的影响。对于保压时间和模腔温度，F0.05F值F0.01，故保压时间和模腔温度对于最大Z向翘曲变形具有显著影响。对于料筒温度，F值F0.05，故料筒温度对于最大Z向翘曲变形的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.017.T005表5最大Z向翘曲变形的方差分析Tab.5Variance analysis of maximum warpage deformation in direction Z离差来源偏差平方和/10-3自由度平均偏差平方和/10-4F值F临界值A1.4927.454.431F0.01（2，9）=8.02F0.05（2，9）=4.26B0.19320.9640.574C1.7828.915.304D7.01235.020.845误差1.5191.68总和12.0174验证分析对于该热管理系统水路连接器的最大Z向翘曲变形，基于正交试验数据分析，得到优化工艺参数组合为A2B2C2D3，即模腔温度为65 ℃、料筒温度为265 ℃、保压时间为8 s及注射时间为1.1 s。针对此优化工艺参数组合、利用Moldflow分析软件进行模拟验证。图9为优化工艺下Z向翘曲变形。从图9可以看出，所有效应下的最大Z向翘曲变形为0.187 5 mm，同样发生在安装面边缘，相比初始工艺降低了37.4%，优化效果十分明显，且达到了设计指标要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.017.F009图9优化工艺的Z向翘曲变形Fig.9Warpage deformation in direction Z of optimized process通过实际注塑成型试模进一步检验本文优化方法及优化的工艺参数组合的可行性。采用优化的工艺参数进行注塑成型试模，当样品状态稳定后将其取出，图10为实际试模样品。从图10可以看出，试模样品表面无缺胶、烧焦、气痕、鼓包等明显外观问题，样品外观状态满足质量要求。在特定检具工装上进行测量，最大Z向翘曲变形满足要求，且可以正常安装。试模样品测试结果验证了本文优化方法和优化工艺的合理性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.017.F010图10热管理系统水路连接器实际试模样品Fig.10Mold trial sample of waterway connector of TMS5结论基于Moldflow软件对玻纤增强PA6材料的热管理系统水路连接器的注塑成型过程进行计算机辅助工程的模拟并进行优化探究。分析对比了三种不同位置的进胶方案的模流分析结果，确定了Gate1进胶方案为最优。基于此进胶方案，设计正交试验并工艺参数优化分析。方差分析结果显示：注射时间对最大Z向翘曲变形的影响最大，为极显著；保压时间及模腔温度对最大Z向翘曲变形的影响为显著；料筒温度对最大Z向翘曲变形的影响为不显著。优化的工艺参数组合为A2B2C2D3，即模腔温度为65 ℃、料筒温度为265 ℃、保压时间为8 s及注射时间为1.1 s。模流分析得到：优化工艺的最大Z向翘曲变形为0.187 5 mm，相比初始工艺降低了37.4%，达到了设计指标要求。实际注塑成型试模样品的外观状态良好，最大Z向翘曲变形满足要求，验证了本文优化方法及优化工艺的正确性。