数控机床接触式滚轮传感器一般由外部的壳体和内部的电子器件组成，考虑到数控机床工作时内部温度比较高、运动频率大，因此对内部零件及外壳的抗高温、耐磨损和绝缘性要求比较高。由于塑料具有质量轻、化学性质稳定、不生锈、绝缘性好、导热性低、耐磨性强和成本低的特点，因此接触式传感器的外壳一般由塑料构成[1]。Moldflow是一款能够模拟注塑成型过程的软件，可及时发现设计存在的问题，便于对加工工艺参数进行优化。本实验以数控机床的接触式滚轮传感器为实例，基于计算机辅助技术，通过Moldflow软件，对其外壳的模具的注塑工艺参数进行优化设计与分析。1产品结构分析图1为应用于数控机床的某接触式传感器及其上盖和底座的三维模型。上盖尺寸55.00 mm×18.50 mm×28.00 mm，底座尺寸64.00 mm×20.50 mm×28.00 mm，材料为Daicel Polymer 公司的牌号为Novalloy S 3230的塑料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F001图1传感器及上盖和底座三维模型Fig.1Three-dimensional model of sensor and upper cover and base图2为壁厚分析。从图2可以看出，上盖名义壁厚2 mm，底座名义壁厚2.5 mm。上盖最大壁厚在与滚轮连接处，为4.478 mm，最小为1.525mm；底座最大壁厚8 mm，最小1.340 mm。传感器的上盖和底座内部细节较为简单，结合生产实际需求，采用一模异穴注塑模进行加工。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F002图2名义壁厚Fig.2Nominal wall thickness2基于Moldflow的模流分析图3为网格划分。模具表面面积为141.831 cm2，网格类型为三角形，纵横比最大为12.19，最小1.16，平均2.00，匹配百分比90.8%，相互百分比94.7%，适合双层面分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F003图3网格划分结果Fig.3Meshing results2.1浇注系统设计浇口位置的选择会影响塑料熔体在模具型腔内的流动[2]。因此，基于模具特点，结合实际加工情况，所选浇口形式为潜入式浇口。图4为所得的分析结果。从图4可以看出，上盖和底座的初始浇口位置分别为(0.37, 23.00, 1.23)和(9.08, 3.00, -4.38)，根据色彩分布情况，上盖和底座的最终浇口见图中标注位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F004图4浇口匹配性Fig.4Gate matching冷流道系统中主流道入口设计为直径2.5 mm的圆形，便于熔体的注射，长度75 mm，拔模角3º。分流管道为直径5 mm的圆柱体，竖直流道直径为5 mm，拔模角3º的圆柱，顶部浇口的初始直径5 mm，末端直径1 mm，长度1 mm，图5为最终所得的浇注系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F005图5浇注系统Fig.5Gating system2.2冷却系统设计合理的冷却系统能够控制模具温度，保证产品缩影、增强模具寿命和减少注塑缺陷的产生[3-5]，因此，冷却系统的设计十分重要。基于纯水冷却效果良好的特性，选择雷诺数为1 000，初始温度为25 ℃的纯水为冷却介质。由于模具形状较小，因此冷却水管直径设定为6 mm，选择双管道对称布置的冷却方式，水管与零件的距离为25 mm，管道中心间距为55 mm，零件外的距离为35 mm，图6为所得的冷却系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F006图6冷却系统Fig.6Cooling system2.3流动性分析充填时间能够反映塑料熔体在各个型腔内的充填情况和熔体流动情况[6-8]。设置熔体温度为245 ℃，开模时间4 s，注射+保压+冷却时间为30 s，充填压力为64%，图7为所得的充填时间分析结果。从图7可以看出，上盖和底座完成充填的时间分别为1.188 s和1.055 s，相差12.6%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F007图7充填时间Fig.7Filling time图8为填充末端压力图。从图8可以看出，最大压力在顶部浇口处，从填充压力的色彩分布可知，底座的填充压力显著大于上盖，导致熔体在上盖模具型腔中流动速度较慢，使得底座填充完毕时，上盖还有部分区域未充填，造成两个型腔内部压力不平衡，从而降低塑件的加工品质。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F008图8填充末端压力Fig.8Filling end pressure2.4翘曲分析图9为翘曲分析结果。从图9可以看出，最大翘曲变形发生在底座的下端面，变形量为0.855 7 mm；由冷却不均造成的最大变形位于上盖的左侧板，为0.058 5 mm；由收缩不均造成的最大变形位于底座下端面，为0.860 8 mm；由取向效应造成的变形基本为0，忽略不计。翘曲变形会直接影响塑件的外观，严重时甚至会影响产品的正常使用，因此有必要对翘曲变形进行优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F009图9翘曲分析结果Fig.9Warpage analysis results3优化分析本实验通过正交试验，采用极差和方差分析法进行数据分析，以翘曲最大变形量为评价标准，研究熔体温度(A)、开模时间(B)和充填压力(C)对翘曲变形的影响，以初始工艺参数为基准参考，表1为正交试验的因素和水平设计表，表2为所得的正交试验结果。从表2可以看出，充填压力(C)对翘曲变形的影响最大，熔体温度(A)次之，开模时间(B)最小。由于极差法无法排除误差因素的影响，因此需要对数据进行方差分析，表3为方差分析结果，从表3可以看出，当α=0.05和α=0.01时，因素A和C显著，因素B不显著，与极差分析结果基本一致。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)/℃开模时间(B)/s充填压力(C)/%12253.251.222454.064.032654.876.810.15925/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 素翘曲变形量/mmABC空白列111111.0230212220.9368313330.8606421230.8550522310.7955623120.9539731320.7350832130.8686933210.7897k10.94010.87100.94850.8694k20.86810.86700.86050.8753k30.79780.86810.79700.8614R0.14240.00400.15150.013810.15925/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)F比F临界值A0.03040420.01520105.06α=0.05时，19.08α=0.10时，99.00B0.00002620.000010.09C0.03471420.01736119.96误差0.00028920.00015为了直观反映各因素的变化对翘曲变形的影响，将正交极差结果做成折线图[9-11]，如图10所示。从图10可以看出，翘曲变形量随着熔体温度和充填压力的升高而降低。根据试验结果，确定优水平为A3、C3，由于因素B的水平改变对试验结果影响不大，从缩短加工时间角度考虑，选B1。因此，优水平组合为A3B1C3，其工艺参数为：熔体温度265 ℃，开模时间3.2 s，充填压力76.8%。图11为所得的翘曲分析结果。从图11可以看出，最大翘曲变形发生在底座的下端面，变形量为0.735 0 mm，降低了14.11%；其中由冷却不均造成的最大变形位于上盖的左侧板，为0.056 6 mm，降低了3.25%；由收缩不均造成的最大变形位于底座的下端面，为0.739 5 mm，降低了14.09%；由取向效应造成的变形基本为0，可忽略不计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F010图10正交效应折线图Fig.10Orthographic line chart10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F011图11优化后的翘曲分析结果Fig.11The optimized warpage analysis results图12为优化后的充填时间。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F012图12优化后的充填时间Fig.12The optimized filling time从图12可以看出，模具充填完成时间为1.154 s，上盖的充填完成时间为1.154 s，底座的充填完成时间约为1.091 s，相差5.46%，相比优化前的12.6%有了极大改善，说明塑料熔体在两个型腔内的流动平衡性得到提高。将优化后的工艺参数进行实际生产试模，图13为所得的半成品。从图13可以看出，优化的工艺参数能够得到合格的塑件制品，可以进行实际生产。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F013图13接触式滚轮传感器注塑外壳Fig.13Contact type roller sensor injection molding shell4结论以接触式滚轮传感器为实例，基于计算机辅助设计技术，利用Moldflow软件，设计了模具的浇注系统和冷却系统，分析了其模具的流动性和翘曲情况。采用正交试验法，以模具的翘曲最大变形量的标准差为评价指标，探究了熔体温度、开模时间和充填压力对翘曲变形的影响，得到较为良好的工艺参数。从优化后的翘曲变形结果可知，翘曲最大变形量降低了14.11%；其中由冷却不均造成的最大变形量降低了3.25%；由收缩不均造成的最大变形量降低了14.09%；流动性差异由12.6%降低到5.46%，说明优化后的工艺参数使模具加工质量得到了改善。