注塑成型生产速度快、效率高，操作可实现自动化，尺寸可大可小，制品精度高，产品更新换代快，能成型形状复杂的制件，适用于大批量生产制件[1-2]。但注塑成型工艺仍存在部分不足。李雅[3]利用Moldflow软件模拟了浇注系统及注塑工艺对制件成型性能的影响。杨良波等[4]研究了温度参数对于注塑成型的影响。王金荣等[5]研究了工艺参数对制件翘曲变形的影响。国内外也有很多学者通过算法对注塑成型工艺参数进行优化。黄可等[6]通过NX和Moldflow软件对轮胎罩进行模拟验证，利用正交试验获得了制件翘曲变形量最小时的工艺参数组合。段帅帅等[7]研究了注塑成型工艺制品的影响因素，通过正交试验法对参数进行了优化。仪表外壳通常为塑料制品，是仪表类制件重要的组成部分之一，一般通过注塑成型制得，在注塑成型过程中，由于材料特性、注射工艺参数等影响，易发生翘曲问题。因此，为了提高塑件产品的质量，保证加工精度，减少注塑过程中的缺陷，有必要对其进行优化设计。本实验以录音机仪表外壳为实例，基于Moldflow软件，通过对其结构分析制定合理的浇口位置以及冷却水路，研究了熔体温度、填充压力以及开模时间对产品性能的影响，并且通过正交试验方差分析对注塑成型工艺参数进行了优化设计。1产品结构分析图1为录音机外壳三维模型图。材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)。尺寸为105 mm×60 mm×30 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F001图1录音机外壳三维模型Fig.13D model of recorder housing图2为二维尺寸图。由于其是一个对称件，因此在进行分析时取其一半研究。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F002图2录音机外壳尺寸大小Fig.2Size of recorder housing2基于Moldflow的模流分析随着数值模拟技术的不断兴起，美国Autodesk公司开发了Moldflow软件模拟注塑成型过程，该软件替代了传统注塑根据技术人员经验不断试错的过程，缩短了制品研发的周期，节约了大量的人力物力，降低了生产成本[8-9]。通过Moldflow模流分析，可以对注塑制件成型质量进行有效的评估，通过仿真分析展示壁厚、浇口位置、材料、几何形状变化对最终产品的影响，减少不必要缺陷的产生，提高研发设计的效率[10]。本实验对仪表外壳进行网格划分，运用三角形网格，曲面上的最小边长为2 mm，网格匹配百分比为93.0%，相互百分比为88.7%，网格纵横比最小为1.18。图3为网格划分图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F003图3网格划分Fig.3Mesh division and grid check2.1浇注系统设计图4为具体浇口位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F004图4浇口位置图Fig.4Location of gate由于塑件本身较长，采用一个浇口可能会导致填充不充分，以及填充过程中的温度损失会导致塑件有较大的成型缺陷，所以采用两个浇口进行研究。图5为两个浇口翘曲变形云图，从图5可以看出，两个浇口最大翘曲变形量为1.172 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F005图5浇口分布云图Fig.5Distribution cloud map of gate2.2冷却系统设计在注塑成型过程中，合理的冷却系统有利于控制模具的温度和塑件质量的提高[11-13]。本次实验设定冷却水管直径8 mm，考虑到塑件的外形尺寸，选择冷却管道的数量为2，冷却系统在设计时应沿着成型面对称布置，并且要尽量覆盖模具的表面，形状与塑件类似，保证各处温度均匀。基于存水冷却效果良好的特性，冷却介质选择雷诺数为10 000的纯水，入口温度为25℃，图6为冷却水路排布。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F006图6冷却水路Fig.6Cooling waterways3翘曲分析与优化3.1翘曲分析图7为翘曲分布云图。从图7可以看出，冷却不均以及取向效应所导致的翘曲云图分布比较均匀，对制件翘曲影响较小，收缩不均对制件翘曲变形影响较大。造成收缩不均的因素有很多，首先是熔体温度，一般情况下，熔体温度越高，制件的收缩也会越大，但随着温度的不断升高，熔体黏度下降，在注塑压力不变的情况下，模腔内压力损失会减小，进入模腔料流压力会增高，不但抵消了熔体温度升高的影响，反而使得制件收缩减小；填充压力也对收缩有所影响，一般填充压力越大，填充越好，收缩越小，但是较大的填充压力会产生残余应力，所以适当的压力对于制件收缩十分重要；开模时间对其也有一定的影响，开模时间过长或过短都会造成制件很大的收缩变形，因此有必要对翘曲变形进行优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F007图7翘曲影响因素对比图Fig.7Comparison of factors affecting warpage3.2正交试验引起注塑件翘曲变形的因素较多，如熔体温度、开模时间、保压时间、保压压力、充填时间、充填压力以及冷却介质的入口温度等。一般来说，ABS熔点为170 ℃左右，分解温度为260 ℃，注塑成型时，一般其使用温度为180~240 ℃。针对不同的塑件，其填充压力需要根据塑件结构的复杂程度以及成型工艺难易程度来定。开模时间的选取不仅与制件结构有关，而且与模具设计也有关联，因此对于不同的成型设备其开模时间也有所不同。为了找出影响翘曲变形的关键因素，通过正交试验，研究熔体温度(A)、填充压力(B)以及开模时间(C)对制件翘曲变形的影响，表1为三因素三水平正交试验设计表。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.T001表1因素与水平Tab.1Factors and levels水平因 素熔体温度(A)/℃填充压力(B)/%开模时间(C)/s119052322106543230785表2为正交实验结果。从表2可以看出，开模时间(C)对翘曲变形的影响最大，其次为填充压力(B)，最后为熔体温度(A)，即影响程度CBA。但是由于正交试验存在一定的误差，所以对正交试验进行方差分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.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/mmABC111111.189212220.952313330.932421231.002522310.893623121.106731321.006832131.104933211.045k11.0241.0661.1331.042k21.0000.9831.0001.021k31.0521.0280.9441.013R0.0520.0830.1890.029表3为方差分析结果。从表3可以看出，开模时间对塑件翘曲变形影响较大，填充压力以及熔体温度对塑件翘曲变形影响较小，与极差分析CBA结果相一致，因此本次正交试验较为准确。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.T003表3方差分析Tab.3Analysis of variance因素离差平方和(SS)自由度(df)均方值(MS)FF临界值(α=0.05)显著性A0.00394320.0019722.8419.385B0.01029720.0051497.4219.385C0.05674520.02837340.6219.385*误差0.0013892.0.000695为了能够更加直观准确地看出各因素变化对仪表外壳翘曲影响，绘制其效应曲线图[14]，如图8所示。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F008图8正交效应折线图Fig.8Orthographic line chart从图8可以看出，熔体温度为210 ℃、填充压力为65%以及开模时间为5 s时，此时，翘曲变形量最小，即较佳组合为A2B2C3。在该优化条件下利用Moldflow对制件翘曲变形进行模拟分析，图9为优化后的总体翘曲结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F009图9优化后总体翘曲变形云图Fig.9The optimized total warpage deformation cloud map从图9可以看出，最大翘曲变形量为0.893 2 mm，相比未优化的最大翘曲量1.189 mm降低了24.88%。从以上分析结果可以看出，通过正交试验优化后的工艺参数较初始工艺参数对于制件翘曲有一定的改善作用。4生产验证根据正交试验所获得的较佳工艺参数组合进行生产验证，随机抽取30件样品测量翘曲变形量，如图10所示。从图10可以看出，整体变形量之间相差不大，变形值在0.893 mm上下浮动，表明此次模拟结果可靠，可以用于实际生产。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F010图1030个点统计图Fig.10Chart of 30 points5结论通过对录音机仪表外壳结构进行分析，利用Moldflow软件，模拟了录音机外壳注塑成型过程，采用正交试验法，分析了熔体温度(A)、填充压力(B)以及开模时间(C)对仪表外壳制件翘曲变形的影响。结果表明：开模时间对塑件翘曲变形影响最大，其次是填充压力，最后是熔体温度，并且通过方差分析获得最优的参数组合为A2B2C3，利用优化后的工艺参数对塑件翘曲变形进行模拟，优化后的制件翘曲变形量较未优化前降低了24.88%，说明优化后的工艺参数使制品成型质量得到了改善。