控制阀是化工系统或动力系统中的常用部件[1]，通过控制阀调节液体的流通面积，控制系统流路的速度、流量、压力等参数[2-3]。控制阀按照动力来源可分为气动式、电动式、液动式、自动式[4]；按照功能又可分为单向阀、止逆阀、压力阀和流量阀等[5]。随着控制技术的提升、控制阀功能的多样化，对于控制阀精确度、复杂度、集成度、轻便化的要求也越来越高[6]。高分子材料由于比强度高、耐腐蚀性好、易成型等特点，在电子电器、控制元件中的应用越来越广泛[7]。PA66材料具有较高的化学稳定性和高温条件下的尺寸稳定性，加入一定比例玻璃纤维，使其高温条件下的刚强度和抗疲劳性能得到提升，在控制阀的塑料化方案中应用较多[8-9]。然而，对于玻纤增强PA66材料的控制阀，流通区域的形位公差尤为重要，如控制阀阀芯圆柱度等，不仅直接影响其装配性能，更影响其稳定性和寿命[10]。材料成型制造过程可通过计算机辅助工程(CAE)进行模拟分析，以评估设计和工艺的可行性并指导优化方向[11]。典型的CAE如模流分析技术，可重现产品注塑成型的填充、保压、冷却及翘曲变形过程，在产品设计、模具设计、材料选型、工艺优化中具有重要功能[12]。设计正交试验可迅速找到自变量对因变量的影响规律并得到最优工艺参数组合[13-14]。本实验以一款30%质量比例填充的玻纤增强PA66的控制阀阀芯为研究对象，基于CAE模拟其注塑成型过程。针对初始工艺参数下圆柱度不合格的情况，设计正交试验探究优化方案。1控制阀阀芯结构分析与材料方案1.1结构分析图1为控制阀阀芯的三维结构。控制阀最大直径为42 mm，高度为23 mm，整体尺寸相对较小。产品呈中心对称结构，周边及底部均存在八个相同的流通孔。流体介质由周边流通孔流入，再由底部流通孔流出，该零件与实体阀芯配合，限制流通孔的面积，控制流体介质的流量。图中红色面为配合面，其整体构成开孔的圆柱面，其控制阀阀芯圆柱度直接影响控制阀装配性能及流量控制功能的稳定性。根据实际注塑成型样品测试与模流分析的对比结果发现，为满足总成结构的功能要求，通过模流分析计算圆柱面的控制阀阀芯圆柱度应不大于0.05 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.021.F001图1控制阀阀芯的三维结构设计Fig.13D structure design of control valve spool从图2可以看出，下端面厚度为2.5 mm，侧边缘厚度为2.075 mm，相对较薄，利于填充。上端面厚度为2.5 mm，流通孔所在侧壁厚度在2.4~3.0 mm之间，设置一定的拔模斜度，有助于脱模。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.021.F002图2控制阀阀芯的壁厚分布Fig.2Distribution of thickness of control valve spool1.2材料分析由30%质量比例玻璃纤维填充的PA66材料注塑成型的产品在使用中具有较好的抗疲劳及尺寸稳定性，广泛应用于阀门阀芯、传感器、控制器等零件。表1为材料的参数。其中模具温度、熔体温度等与熔体在模具中的填充过程相关。弹性模量、泊松比、剪切模量直接影响最终产品的翘曲变形情况。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.021.T001表1材料参数Tab.1Material parameters参数数值参数数值顶出温度/℃195固体密度/（g‧cm-3）1.38模具温度范围/℃50~95纵向弹性模量/MPa7895熔体温度范围/℃265~295横向弹性模量/MPa3134转换温度/℃235纵向泊松比0.38最大熔体温度/℃305横向泊松比0.54剪切应力最大值/MPa0.42剪切模量/MPa1382图3为该材料的PVT曲线和黏度曲线。材料在注塑成型过程中经历的熔胶-填充-保压-冷却-顶出等阶段都和PVT曲线密切相关，对最终成品的质量有重要影响。从图3可以看出，200 ℃以下，体积比容与温度几乎呈线性关系，且压力对体积比容的影响较小。在50 s-1以下，温度及剪切速率的变化对黏度的影响较小；剪切速率在1 000 s-1以上时，随剪切速率增大，黏度呈几乎线性降低，高剪切速率下，黏度受温度的影响较小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.021.F003图3材料的PVT曲线及黏度曲线Fig.3PVT curves and viscosity curves of material2初始模流分析2.1网格模型根据产品结构特征，采用双层面网格类型进行网格划分。表2为网格质量修复后的诊断结果。从表2可以看出，网格数量在50 000以内，计算时间可接受。最大纵横比小于10，两项百分比指标均大于90%，很好地保证了计算精度，总体质量满足计算分析要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.021.T002表2网格质量Tab.2Meshing quality参数数值基本尺寸/mm0.5三角形数量49774最大纵横比3.68最小纵横比1.15平均纵横比1.67匹配百分比/%90.4相互百分比/%91.2图4为控制阀阀芯的双面网模型。从图4可以看出，网格密度基本均匀，局部特征均得到较好体现，可正常进行计算分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.021.F004图4网格模型Fig.4Mesh model2.2浇口位置分析该控制阀阀芯整体尺寸较小，采用单点浇口进行填充即可。图5为流动阻力指示器及浇口匹配性结果。从图5可以看出，蓝色代表流动阻力较小及浇口匹配性较好的区域，为较好的浇口位置。考虑成型性及模具加工性选择的最佳浇口位置如图中红圈所示。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.021.F005图5浇口位置分析Fig.5Analysis of gate position2.3进胶系统创建图6为基于最佳浇口建立的流道系统。从图6可以看出，主要包括圆形冷浇口、圆形冷流道和圆形冷主流道等。序号1处圆形冷浇口截面尺寸为Φ1.0 mm~Φ1.5 mm，序号2处圆形冷流道的截面尺寸为Φ1.5 mm~Φ2.5 mm，序号3处圆形冷流道的截面尺寸为Φ2.5 mm~Φ3.0 mm，序号4处圆形冷流道的截面尺寸为Φ3.0 mm，序号5处圆形冷主流道的截面尺寸为Φ3.0 mm~Φ2.0 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.021.F006图6流道系统分析Fig.6Analysis of runner system2.4结果分析图7为模流分析得到的初始工艺结果。从图7a可以看出，所有效应下最大翘曲变形位于上端圆柱面边缘，最大翘曲变形量为0.284 4 mm。从图7b可以看出，采用Moldflow中“Roundness and Concentricity”宏功能计算得到流通孔圆柱面的控制阀阀芯圆柱度为0.106 3 mm，大于设计指标要求的0.05 mm，需要进行工艺参数的优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.021.F007图7初始工艺参数结果Fig.7Results of initial process parameters3控制阀阀芯圆柱度优化控制阀阀芯零件实际注塑成型试模中发现，注射压力、注射时间、熔体温度及模具温度对其翘曲变形及圆柱度的影响较大。以注射压力(A)、注射时间(B)、模熔体温度(C)、模具温度(D)作为主要变量，在材料推荐范围内等差选择四个水平，进行正交试验设计，探究控制阀阀芯圆柱度的工艺参数优化方案。表3为L16(44)正交试验因素水平设计。表4为L16(44)正交试验结果。从表4可以看出，控制阀阀芯圆柱度最大为0.125 6 mm，对应试验编号为14；控制阀阀芯圆柱度最小为0.043 0 mm，对应试验编号为6。正交试验表中试验编号为2、6、8、11、12及16等试验均满足设计指标要求；试验编号为1、3、4、5、7、9、10、13、14及15等试验均不满足设计指标要求，证明本文正交试验设计较合理。工艺参数的极差大小排序为RBRARDRC，即对控制阀阀芯圆柱度的影响程度大小为：注射时间注射压力模具温度熔体温度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.021.T003表3L16（44）正交试验因素水平设计Tab.3L16（44） orthogonal test factor level design水平因素注射压力（A）/MPa注射时间（B）/s熔体温度（C）/℃模具温度（D）/℃1400.21265502450.23275653500.25285804550.272959510.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.021.T004表4L16（44）正交试验结果Tab.4Results of L16（44） orthogonal test试验编号因素控制阀阀芯圆柱度/mmABCD111110.1125212220.0487313330.0687414440.0854521230.0724622140.0430723410.0523824320.0487931340.07341032430.08541133120.04771234210.04691341420.09881442310.12561543240.06591644130.0466k10.07880.08930.06240.0843k20.05410.07570.05850.0610k30.06330.05860.07910.0683k40.08420.05690.08050.0669R0.03010.03240.02200.0234图8为控制阀阀芯圆柱度随工艺参数水平变化曲线。从图8可以看出，控制阀阀芯圆柱度随注射压力呈现先减小后增大的趋势，在A2时最小。控制阀阀芯圆柱度随注射时间逐渐递减，在B4时最小。控制阀阀芯圆柱度随熔体温度呈现先减小后增大的趋势，在C2时最小。控制阀阀芯圆柱度随模具温度先减小后增加再减小，在D2时最小。因此，控制阀阀芯圆柱度最小时理论最优工艺参数组合为A2B4C2D2。图8控制阀阀芯圆柱度随工艺参数水平变化曲线Fig.8Control valve spool cylindricity curve with the change of process parameter level10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.021.F8a1(a)注射压力10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.021.F8a2(b)注射时间10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.021.F8a3(c)熔体温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.021.F8a4(d)模具温度进行重复实验及方差分析，以评估误差的影响及各工艺参数对于控制阀阀芯圆柱度的影响程度，表5为方差分析结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.021.T005表5方差分析Tab.5Variance analysis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A1.1533.856.191F0.01（3，19）=5.01F0.05（3，19）=3.13B1.4134.697.553C0.59932.003.215D0.76532.554.107误差1.18190.621总和5.1131从图5可以看出，误差的平均偏差平方和相对较小，正交试验的可信度高。F值反映了工艺参数对目标变量影响程度，故各工艺参数对控制阀阀芯圆柱度的影响程度排序为：注射时间注射压力模具温度熔体温度，与极差结论吻合。对于注射时间及注射压力，F值F0.01，说明注射时间及注射压力对控制阀阀芯圆柱度具有极显著影响。对于模具温度及熔体温度，F值在F0.01与F0.05之间，说明对控制阀阀芯圆柱度具有显著影响。4模拟验证对优化工艺参数组合A2B4C2D2进行仿真模拟与试模验证。图9为仿真计算得到控制阀阀芯所有效应下的翘曲变形结果及控制阀阀芯圆柱度计算结果。从图9可以看出，最大翘曲变形量为0.223 0 mm，相对优化率为21.6%。控制阀阀芯圆柱度为0.042 6 mm，小于0.05 mm，满足设计指标要求。相对优化率达到59.9%，优化效果十分显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.021.F009图9优化工艺参数结果Fig.9Results of optimized process parameters采用优化工艺进行注塑成型试模，连续成型控制阀制品直至样品状态稳定，取出样品进行观察和测量。图10为控制阀阀芯试模样品。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.021.F010图10控制阀阀芯试模样品Fig.10Control valve spool sample of molding test从图10可以看出，样品外观无缺胶、气痕等严重外观问题，样品控制阀阀芯圆柱度测试结果显示为合格，可正常装配。以上样品测试结果进一步验证了本文优化方案及优化工艺参数的可用性。5结论针对某玻纤增强PA66注塑成型的控制阀阀芯，采用计算机辅助工程及正交试验法探究了阀芯圆柱度的工艺参数优化方案。通过模流分析发现：初始工艺的控制阀阀芯圆柱度为0.106 3 mm，远大于设计标准要求的0.05 mm，需要进行优化。正交试验分析结果显示，注射时间和注射压力的影响为极显著；模具温度和熔体温度的影响为显著。对优化工艺进行模流分析发现：控制阀阀芯圆柱度降低为0.042 6 mm，优化幅度达到59.9%，效果十分明显。优化工艺实际试模结果显示：样品外观无缺胶、气痕等严重外观问题，样品控制阀阀芯圆柱度测试结果显示为合格，可正常装配，验证了优化工艺的可用性。