液压系统是一种利用油液的压力能并通过控制阀门操纵液压执行机构工作的整套装置[1]。液压系统电磁阀是一种利用电磁控制被控流量的阀门，通常由一个保护装置和一个液压换向装置组成，可以实现流量、压力和流向的精确控制，在自动控制系统中广泛应用[2]。液压电磁阀主要包括阀体、阀芯、电磁控制系统、弹簧、密封组件等[3]。随着轻量化的发展，液压电磁阀中越来越多的部件采用塑料材料，特别是阀体和阀芯部分[4]。阀体长期接触液体介质，需要具备较好的耐腐蚀性和抗疲劳性。而且所有其他零部件都需要安装在阀体上，阀体的结构较复杂[5]。玻纤增强材料能够满足这些性能要求，可通过注塑成型获得复杂的结构，在阀体中的应用广泛[6-7]。但是注塑成型常常面临尺寸和公差难以控制的问题，如管路的轴线平行度等[8]。当电磁阀管路的形位公差较大时，引起液体流动紊乱，导致阀体振动并产生较大噪声，影响电磁阀寿命和人员身心安全[9]。目前，大多文献主要集中在电磁阀的密封性能以及可靠性设计方面[10-11]。计算机辅助工程(CAE)可以在设计方案前期进行模拟评估，节省试错次数和开发周期，有效缩短设计周期[12]。Moldflow软件能够进行最佳浇口位置分析，冷却、填充、保压和翘曲分析等[13]。CAE技术能够较好地模拟注塑成型过程，对于产品外观状态、尺寸及形位公差进行精确的预测，得到优化结果，如缩痕、圆柱度、轴线偏移等[14-15]。针对工艺参数对设计目标的影响程度分析和优化探究，可以结合正交试验设计，大幅减少试验次数并提高参数精度[16-17]。本实验针对某液压系统电磁阀阀体，以注射时间、熔体温度、模具温度、冷却时间等工艺参数为研究变量设计正交试验，探究进出口管路轴线平行度的影响规律及优化方案。1液压系统电磁阀阀体设计与模拟1.1液压系统电磁阀阀体设计图1为电磁阀阀体设计。电磁阀阀体长度为34 mm，宽度为12 mm，高度为18 mm。结构主要包含进出口管路、电磁控制区域、安装固定区域。出口大管末端的卡扣、入口小管附近的螺丝孔及阀体下端的两根圆柱均可起安装和限位作用，以保证电磁阀整体结构的运动稳定性。进出口管路中由入口小管和出口大管组成，用于液体介质的流动，液体介质由入口小管流入再经过出口大管流出，是阀门控制的核心部位。该阀门依靠液体介质流动进行控制，需要保证液体介质的流动处于受控状态，要求进出口管路的轴线尽可能平行，以保证液体介质稳流的稳定性。该液压系统电磁阀阀体的设计需要保证进出口管路轴线平行度不大于1.0 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.019.F001图1电磁阀阀体设计Fig.1Design of solenoid valve body图2为电磁阀阀体的壁厚分布。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.019.F002图2电磁阀阀体厚度分布Fig.2Thickness distribution of the solenoid valve body从图2可以看出，进出口管路壁面厚度约为0.55 mm，电磁控制区域壁厚约1.0 mm。安装卡扣根部底座厚度为1.5 mm，卡簧本体厚度为1.25 mm，限位圆柱壁厚为1.57~1.58 mm。阀体整体结构壁厚在0.54~1.58 mm范围变化，符合常规注塑成型对于结构壁厚的要求。1.2网格模型该液压系统电磁阀阀体采用Dual Domian网格类型对其进行网格离散化建模。单元质量要求中需要重点降低单元纵横比并提升匹配率，以保证计算精度。避免产生重复单元、交叉单元、零面积单元、自由边，以防止无法计算。通过质量修复后得到单元质量指标，表1为网格划分结果。从表1可以看出，网格划分结果满足双面网格对于计算分析的要求，实际计算也可正常进行。图3为电磁阀阀体的网格模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.019.T001表1网格划分结果Tab.1Mesh division results参数数值基本单元长度/mm0.4单元总数53638纵横比最大值8.49纵横比均值1.73单元匹配率/%88.3相互匹配率/%87.610.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.019.F003图3电磁阀阀体网格模型Fig.3Mesh model of the solenoid valve body1.3材料参数该液压系统电磁阀阀体的材料为30%玻纤填充的聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)材料，表2为材料推荐工艺参数，初始模流分析基于材料推荐值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.019.T002表2推荐工艺参数Tab.2Recommended process parameters参数数值顶出温度180转移温度195熔体温度范围235~255熔体温度推荐值245模具温度范围50~100模具温度推荐值75℃℃1.4浇注系统设计根据该电磁阀尺寸及材料流动性，可采用单点浇口进行注塑成型。图4为基于单点浇口进行的浇口位置分析结果。从图4可以看出，其中，红色区域表示流动阻力较大及浇口匹配性较差的区域，蓝色区域表示流动阻力较小及浇口匹配性较好的区域。综合分析得到：出口大管区域结果较好，远离出口大管的区域结果较差。因此，选择出口大管上的红色圈出位置作为最佳的浇口位置，并进行后续的流道系统构建及模流分析。图4电磁阀阀体浇口位置分析Fig.4Analysis of gate location of the solenoid valve boy10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.019.F4a1(a)流动阻力指示器10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.019.F4a2(b)浇口匹配性图5为电磁阀阀体进胶系统设计。基于最佳浇口位置建立单点冷流道进胶系统模型。从图5可以看出，该流道系统包含：（1）圆形冷浇口(Φ1.5~3 mm)、（2）圆形冷流道（垂向，Φ3 mm）、（3）圆形冷流道（横向，Φ3 mm）、（4）圆形冷主流道(Φ2~3 mm)。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.019.F005图5电磁阀阀体进胶系统设计Fig.5Design of runner system the solenoid valve body1.5初始工艺分析基于初始工艺参数及单点冷流道进胶系统进行模流分析计算，图6为得到该电磁阀所有效应下的翘曲变形结果。从图6可以看出，整体看，出口大管区域的变形较小，电磁控制区域及卡扣区域的变形较大。靠近卡扣的限位圆柱变形量最大，达到0.291 5 mm。进一步计算得到进出口管路轴线平行度为1.107 mm，大于1.0 mm，故不满足要求，需进行工艺优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.019.F006图6初始工艺结果Fig.6Results of initial parameters2正交试验设计多变量优化可采用正交试验法，有效减少试验数量、提升优化效率。该液压系统电磁阀阀体产品实际注塑成型试模中发现，注射时间(A)、熔体温度(B)、模具温度(C)和冷却时间(D)对其翘曲变形及进出口管路轴线平行度的影响较大。故选择这4个注塑成型工艺参数进行正交试验的设计。参考材料UDB中的工艺参数范围，等差方式设置不同因素水平，表3为L9(34)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.019.T003表3L9（34）正交试验因素水平设计Tab.3L9（34） orthogonal test factor level design水平因素注射时间（A）/s熔体温度（B）/℃模具温度（C）/℃冷却时间（D）/s10.7235501020.8245751530.925510020表4为L9(34)正交试验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.019.T004表4L9（34）正交试验结果Tab.4Results of L9（34） orthogonal test序号因素轴线平行度/mmABCD111110.937212321.284313230.897421331.251522211.035623120.873731221.198832130.965933311.172k11.0391.1290.9251.048k21.0531.0951.0431.118k31.1120.9811.2361.038R0.0720.1480.3110.081从表4可以看出，进出口管路轴线平行度在0.873~1.284 mm内变化，进出口管路轴线平行度的最大值和最小值相差47%，说明工艺参数组合对液压系统电磁阀阀体进出口管路轴线平行度的影响较大。第6组试验进出口管路轴线平行度最小，第2组试验进出口管路轴线平行度最大。第1、3、6和8组试验结果满足设计指标要求，第2、4、5、7和9组试验结果不满足设计指标要求，证明正交试验工艺参数水平取值较为合理。对于进出口管路轴线平行度，极差大小排序为：RCRBRDRA。模具温度对进出口管路轴线平行度的影响最大，注射时间的影响最小。3结果分析3.1工艺参数初选图7为进出口管路轴线平行度随因素水平变化曲线。从图7可以看出，随着注射时间增大，进出口管路轴线平行度逐渐增大；当注射时间为A1时，进出口管路轴线平行度获得最小值。随着熔体温度增大，进出口管路轴线平行度逐渐下降；当熔体温度为B3时，进出口管路轴线平行度获得最小值。随着模具温度增大，进出口管路轴线平行度逐渐增大；当模具温度为C1时，进出口管路轴线平行度获得最小值。随着冷却时间增加，进出口管路轴线平行度先增大后减小；当冷却时间为D3时，进出口管路轴线平行度获得最小值。综合推断：液压系统电磁阀阀体的进出口管路轴线平行度在组合为A1B3C1D3时获得最小值。对应的工艺参数：注射时间为0.7 s，熔体温度为255 ℃，模具温度为50 ℃，冷却时间为20 s。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.019.F007图7进出口管路轴线平行度随因素水平变化Fig.7Axis parallelism of inlet and outlet pipeline vs factor level3.2工艺参数优化为了排除误差对实验结果的影响并获得工艺参数对目标变量影响的显著性程度，进行了一次重复实验及方差分析，表5为方差分析数据。从表5可以看出，误差的偏差平方和小于工艺参数的偏差平方和，故实验误差影响较小。对于模具温度，F值F0.01，故模具温度对进出口管路轴线平行度具有极显著影响。对于熔体温度，F值F0.01，故熔体温度对进出口管路轴线平行度也具有极显著影响。对于冷却时间，F0.05F值F0.01，故冷却时间对进出口管路轴线平行度具有显著影响。对于注射时间，F值F0.05，故注射时间对进出口管路轴线平行度无显著影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.019.T005表5方差分析结果Tab.5Results of variance analysis离差来源偏差平方和/×10-3自由度平均偏差平方和/×10-3F值FaA4.4322.222.101F0.01（2，9）=8.02F0.05（2，9）=4.26B18.0029.018.549C33.80216.9016.007D9.7824.894.638误差9.4991.053.3优化工艺验证分析优化组合A1B3C1D3的可行性需要进行模流分析仿真验证，图8为所得所有效应的翘曲变形结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.019.F008图8电磁阀阀体优化工艺结果Fig.8Result of optimization process parameters of solenoid valve body从图8可以看出，所有效应的最大翘曲变形量为0.210 2 mm，整体分布趋势与初始工艺相似，相比初始工艺结果优化率达到27.9%。计算得到进出口管路轴线平行度为0.856 mm，相比优化前降低幅度为22.7%，优化效果较为明显。优化后的进出口管路轴线平行度小于1.0 mm，满足设计指标的要求。图9为基于优化工艺模流分析得到的充填过程参数结果。从图9可以看出，充填等值线分布十分均匀、无明显密切区域，说明熔体填充模腔过程中速度稳定、受到的阻力也较为稳定，有利于材料物性及收缩的均匀性。熔接线主要分布于电磁控制区域侧边，而主要的外观区域（出口大管）无熔接线分布，外观达到要求。图9优化工艺模流分析结果Fig.9Mold flow analysis results under optimized process parameters10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.019.F9a1(a)充填时间等值线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.019.F9a2(b)熔接线采用优化工艺参数进行该液压系统电磁阀阀体的注塑成型试模，图10为工艺稳定后取出试模样品。从图10可以看出，液压系统电磁阀阀体表面无明显不良缺陷，进出口管路轴线平行度实际测试结果为合格，验证了本文优化分析及优化工艺的合理性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.019.F010图10液压系统电磁阀阀体试模样品Fig.10Molding test sample of solenoid valve body4结论利用软件模拟了液压系统电磁阀阀体的注塑成型过程，并对其进出口管路的轴线平行度进行了优化分析。基于单点浇口分析得到阻力最小及匹配性最好时的最佳浇口位置，并以此建立冷流道系统。采用初始工艺分析得到进出口管路轴线平行度为1.107 mm，超过设计指标的要求。通过极差与方差分析得到：模具温度和熔体温度对于电磁阀进出口管路轴线平行度的影响为极显著；冷却时间影响为显著；注射时间的影响不显著。最优工艺参数为A1B3C1D3。优化工艺模拟分析得到：进出口管路轴线平行度降至0.856 mm，满足指标要求，且优化率达到22.7%。模拟得到填充过程及外观熔接线结果合格，试模样件的进出口管路轴线平行度实测为合格，验证了优化工艺的可行性。