新能源汽车电子水泵是热管理系统中的重要组成部分，起循环冷却液、驱动系统冷却的作用[1-2]。分离罐起到承载转子、隔离叶轮与定子的作用，其强度、绝缘性和精度等指标对电子水泵的性能非常重要[3]。分离罐塑件底部区域带有较多筋、孔、圆角特征，注塑后较易出现缩痕、熔接痕和毛刺等外观缺陷。若壁厚变化过大、浇口位置不合理会产生短射与迟滞现象。塑件的成型通过浇口实现，浇口是整个浇注系统中重要的组成部分，其形式、尺寸及位置影响熔体的充填与产品质量[4]。浇口位置在注塑后难以调整，通常成型前采用CAE技术进行预判，从而及时发现注塑问题并修改。Moldflow软件可对产品的充填和保压阶段进行模拟分析，以确定合理的浇口位置方案，减少前期试模次数，均匀型腔温度，减少制品缺陷，从而提升产品表面质量[5-6]。考虑可加工性问题，传统模具浇口位置设置较为局限，增材制造技术的出现使得浇口位置的自由化设计成为可能。目前，已有许多关于浇口位置的研究。赵春元[7]对烟丝水分仪外壳设定了几种浇口位置方案，采用Moldflow模拟对比了充填时间、流动前沿温度等结果，得到了可行的注塑方案。牛金坡等[8]研究了免充气轮胎的浇口位置和数量对填充时间、前沿流动温差的影响，得出浇口位置位于顶侧较优，且增加浇口数量有利于提升塑件质量。Huszar等[9]针对四种浇口位置和三种注塑材料，介绍了选择最优注塑材料和浇口位置的方法。Purbaningrum[10]以喷油器为研究对象，采用Moldflow优化翘曲率，确定了合适的浇口位置。Mehat等[11]采用田口法，对不同浇注系统类型、浇口位置和加工参数下的齿轮性能进行仿真，得到了最优的注塑方案。Zhai等[12]提出了一种基于流动路径的高效计算方案，以确定最佳浇口位置，实现均衡流动。填充时间的范围被用作目标函数，比较了流动路径搜索方案和现有的相邻节点评估方案，分析了填充时间范围的目标函数和现有的填充时间标准偏差。结果表明：基于流动路径概念的搜索程序计算效率更高，填充时间范围是反映填充均匀性较好的目标函数。Li等[13]在Kriging模型中引入流动路径，建立了浇口位置响应的替代模型。该方法可用于复杂形状的零件，在目标函数中考虑注射压力、翘曲、残余应力和焊缝等四个质量因素。然而，目前针对浇口位置的分析，未考虑浇注系统整体充模流动情况。本实验针对分离罐产品，考虑了熔体整体流动情况，设计了三种不同的浇口位置并辅以浇注系统，采用Moldflow软件进行充模流动分析。根据充填时间、流动前沿温度、熔接线和缩痕估算分析结果，选择合理浇注方案。在此基础上，设计一种爪形浇口进一步优化分析，旨在缩短注塑周期，提升型腔温度分布均匀性，减少制品缺陷。对分离罐产品浇口位置进行模拟分析和比较，获得较佳的浇口位置，从而对实际生产过程进行指导。1产品分析及方案确定1.1产品分析图1为某分离罐模型。整体为回转件，材料为聚苯硫醚(PPS)，尺寸为99.8 mm×99.8 mm×58.7 mm，壁厚在0.8~2.8 mm范围分布不均，采用注塑成型方法。在产品注塑之前用Moldflow软件进行模拟分析，确定合理浇口位置方案，避免注塑过程中出现产品短射、迟滞、缩痕和熔接痕等缺陷，从而提升塑件表面外观与使用性能[14-16]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.015.F001图1分离罐模型Fig.1Separation tank model1.2网格划分及处理将产品模型导入Moldflow软件，既要保证分析精度又要兼顾计算机运算速度，针对产品采用双层面网格进行网格划分，并针对网格缺陷进行必要的修复[17-18]。图2为分离罐产品网格划分结果。该产品的三角形单元为69 960个，网格匹配率85.5%，纵横比为7.45，修复后的网格模型较为均匀，没有出现自由边、多重边等缺陷单元，达到计算要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.015.F002图2分离罐产品网格划分结果Fig.2Mesh division results of Separation tank1.3成型参数设置分离罐采用荷兰帝斯曼公司生产的Xytron G4024T BK00001，表1为注塑成型参数设置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.015.T001表1注塑成型参数设置Tab.1Injection molding parameter settings参数数值顶出温度/℃205模具表面温度/℃140模具表面温度（推荐值）/℃130~150熔体温度/℃325熔体温度（推荐值）/℃310~340最大剪切压力/MPa0.5最大剪切速率/s-1500001.4浇口位置分析1.4.1浇口匹配性分析浇口位置是否合理需要通过浇口的匹配性进行验证。当浇口匹配性因子值为1时，即云图中蓝色区域，表示浇口在此位置较为合理[19-20]。图3为浇口匹配。从图3可以看出，中上部环形区域、顶部边缘环和底部区域为蓝色区域即浇口合理位置，故浇口位置可以选择这三处。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.015.F003图3浇口匹配Fig.3Gate matching1.4.2浇口位置方案结合浇口位置匹配性分析结果和分离罐三维形状结构，图4为设计的三种浇口位置方案。从图4可以看出，方案一浇口位置为顶部边缘环处，方案二浇口位置为中上部环形区域，方案三浇口位置为底部区域。通过Moldflow中“充填+保压”分析序列选择最优浇口方案。图4浇口位置方案Fig.4Gate position10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.015.F4a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.015.F4a21.4.3流道系统方案对于注塑模具，浇注系统是塑料熔体进入模具型腔的唯一通道，一般由主流道、分流道、浇口及冷料井组成，在充填固化过程中可使注射压力均匀传递至型腔表面，从而得到完整、高质量的注塑产品[21-22]。合理的浇注系统便于熔体在型腔内流动，有利于产品成型，减少充模过程中的熔流能量损失。为便于熔体流动，表2为根据浇口位置设计的三种流道系统方案参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.015.T002表2流道系统方案参数Tab.2Parameters of the runner system schemes方案主流道流道竖直流道浇口入口直径/mm长度/mm拔模角/（°）直径/mm形状底部直径/mm拔模角/（°）始端直径/mm末端直径/mm长度/mm方案一38035圆柱形53511方案二38035圆柱形53511方案三38035圆柱形53511图5为不同浇注方案的流道系统。从图5可以看出，三种方案主流道位置均在分离罐回转轴线上。图5不同浇注方案的流道系统Fig.5Flow channel system of different gate schemes10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.015.F5a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.015.F5a22浇口位置方案模拟分析2.1流动前沿温度流动前沿温度表示熔体的流动前端到达塑料产品横截面中心位置时的温度。流动前沿温度的变化范围越小，模具型腔温度分布越均匀，产品出现成型缺陷的可能性越低[23-24]。图6为不同方案的流动前沿温度分布。从图6可以看出，方案一中流动前沿温度的温差为66.8 ℃，方案二中流动前沿温度的温差为89.3 ℃，方案三中流动前沿温度的温差为28.9 ℃。方案一和方案二下温度变化范围远大于方案三的温差，方案三的温差最小，方案三的温差相比于方案二降低了67.6%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.015.F006图6不同方案的流动前沿温度分布Fig.6Temperature distribution of flow front in different schemes由于方案一与方案二的浇口位置距产品回转轴线较远，熔体自浇口流动过程充填不均，导致型腔温度分布不均。而方案三的浇口靠近中轴线附近，熔体充填至产品各处的时间相对均衡，导致流动前沿温度的温差较小，模具型腔温度分布较为均匀。2.2熔接线熔接线由两股或两股以上的塑料熔体在型腔内交汇产生，若产品上有孔洞、流速不连贯和熔流中断的区域，注塑后较易产生熔接线，从而降低产品强度。影响熔接线产生的主要因素是熔体内的温度差与流速差[25-27]。本产品罐底部结构相对比较复杂，熔体流动至罐底部会有多股熔流交汇，因此熔接线会比较稠密。图7为不同方案的熔接线。从图7可以看出，方案一和方案二中熔接线较多，会产生熔接痕，从而降低塑件的尺寸精度，原因为浇口位置距罐体底部区域较远，因此熔流较为紊乱。方案三的熔接线较少，由于方案三浇口位置较靠近底部位置，熔体以此处为圆心铺展蔓延向上，熔流之间的温度差和流速差较小，在此位置熔体均匀分布，因此熔接痕较浅，保证了产品外观质量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.015.F007图7不同方案的熔接线Fig.7Weld lines in different schemes2.3缩痕估算缩痕是一种外观表面缺陷，易出现在产品厚度大的部位，或带加强筋、定位柱、圆角、镂空和薄壁等熔体流动较为困难和压力损失较大的位置。注塑成型中，不合理的工艺参数设置与产品的结构易引起塑件收缩不一致，冷却时大厚度区域熔体对塑件表面区域收缩加强，易形成内应力，最终形成制品表面凹陷，产生缩痕[28-30]。本产品易产生缩痕的位置位于底部区域，该区域相对于罐壁较厚，厚度最大为2.8 mm，因此易产生缩痕的部位是底部区域的加强筋。图8为不同方案的缩痕估算。从图8可以看出，方案一产生的缩痕值最大为0.46 mm，方案二缩痕值为0.42 mm。方案三缩痕值最小，仅有0.15 mm，较方案一降低了67.4%。方案三的浇口位于中轴线较近，可以使熔体均匀分布产品各处，降低了塑件中心内应力与成型缺陷，提升了产品表面质量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.015.F008图8不同方案的缩痕估算Fig.8Shrinkage estimation of different schemes2.4充填时间充填时间是塑料熔流经过流道系统进入并充满型腔的时间总长，是评价注塑成型周期的重要指标之一，通过充填时间可以判断注塑充填过程中是否出现短射与流动不平衡问题，也能够看出熔体流动是否均匀[31-32]。图9为不同方案的充填时间。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.015.F009图9不同方案的充填时间Fig.9Filling time of different schemes从图9可以看出，在远离浇口的充填区域，充填时间较长；而且越靠近浇口位置，其充填时间越短。三种方案均能够使产品正常填充，方案一中浇口位置位于分离罐顶平面，熔体经过流道系统流至底部，不存在熔体没过浇口的情况，边缘各部分充填时间波动较小，充填时间最短，只有1.22 s。方案二中浇口位置位于罐体中上部，熔体要率先充满下部，再充满上部区域，因此充填时间仅次于方案一。而方案三中浇口位置最低，熔体向上盖过浇口需要克服的压力最大，充填时间稍长为1.39 s，但方案一填充时间与方案三接近相差0.17 s。3爪形浇口模拟分析综合三种浇口位置模流分析结果，优选方案三。方案三虽然充填时间稍长，但与充填时间最短的方案一仅相差0.17 s。此外，方案三流动前沿温差较低，说明模具型腔内的温度分布较为均匀，熔接痕较少，缩痕变形较小。为了进一步减少产品缺陷，提高产品尺寸精度，本文又设计了一种爪形浇口，图10为浇口的位置与爪形流道。为了更好地显示爪形流道系统全貌，采用剖视图表示爪形流道系统。该爪形浇口共有三个浇口围绕产品回转轴线，相比一个浇口熔体充模流动更均匀，防止充填不足，并且缩短充填时间，降低翘曲变形量，从而提高成型质量。表3为爪形浇口流道系统参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.015.F010图10浇口位置与爪形流道系统Fig.10Gate location and claw runner system10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.015.T003表3爪形流道系统参数Tab.3Parameters of claw runner system流道区域项目参数主流道入口直径/mm3长度/mm80拔模角/（°）3流道直径/mm5形状圆柱形竖直流道底部直径/mm5拔模角/（°）3浇口始端直径/mm5末端直径/mm1长度/mm1对爪形浇口流道系统分离罐进行模拟分析，图11为分析结果。从图11可以看出，爪形浇口的前沿温差为24.5 ℃，相较方案三降低了15.2%，提升了模具型腔内的温度分布均匀性，降低产品产生缺陷的可能性；爪形浇口的熔接线、缩痕值接近于方案三，缩痕值仅为0.17 mm，保证了产品表面质量；爪形浇口的充填时间为1.26 s，较方案三缩短了9.4%，缩短了成型周期。因此，爪形浇口方案在提升模具型腔温度分布均匀性、降低成型缺陷、缩短成型周期方面有显著效果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.015.F011图11爪形浇口模拟分析Fig.11Simulation analysis of claw gat4结论（1）采用Moldflow软件对产品进行模流分析，结合注塑工艺参数，设计了三种浇注方案。结果表明：方案三的流动前沿温度的温差最小，较方案二降低了67.6%；方案三相比其他方案熔接线较少；方案三缩痕值最小，相比方案一降低了67.4%；方案三填充时间与方案一接近，相差0.17 s。基于模流分析结果，方案三为最优浇注方案。（2）为进一步减小塑件表面缺陷，提高尺寸精度，在方案三的基础上设计了爪形浇口，并结合流道系统进行模流分析。结果表明，流动前沿温度的温差较最低的方案三降低了15.2%，提升了模具型腔内的温度分布均匀性；熔接线、缩痕值接近于最优的方案三，保证了产品的表面质量；爪形浇口的充填时间较方案三缩短了9.4%，缩短了成型周期。（3）浇口越靠近中轴线，熔体分布越均匀，导致模具型腔温度分布越均匀，从而降低了塑件中心内应力，减少了成型缺陷；浇口靠近产品复杂结构区域，易于消除熔接痕，从而保证外观质量。