目前，塑料制品的注塑分析都是基于CAD/CAE技术实现。常见的CAD设计软件主要有Pro/E[1]、UG[2]和Solidworks[3]等，用于建立塑料制品的三维模型。而CAE分析软件主要有Plastic Advisor[4]和Moldflow[5]，通过有限元方法对塑料制品的注塑过程进行模拟仿真，进而分析不同注塑参数对塑料制品的影响机理。其中，Plastic Advisor的分析功能比较简单，多集成于Pro/E和UG等CAD软件中，只能实现比较简单的模流分析。Moldflow则是非常强大的分析软件，可用于进行深入模流分析。杨鸿等[6]针对无人机上盖塑料产品的注塑加工问题设计不同的塑料浇注方案，基于Moldflow软件分析了注塑压力、熔接痕、气穴以及变形等注塑结果，通过优化参数得到较为理想的设计方案。陈开源等[7]采用Moldflow软件分析了风机外壳的翘曲度，优化冷却系统和保压，使总翘曲值降低61.9%。轴承端盖是组成轴承的重要零部件，在汽车、高铁、航空、船舶和军工等高端装备领域具有非常广泛的应用，但针对轴承端盖的注塑加工研究较少。因此，采用Moldflow软件对高速覆膜机轴承端盖进行模流分析，优化不同数目的注塑浇口位置，并通过实验设计分析不同注塑参数对翘曲度的影响。1前处理分析1.1轴承端盖模型图1为典型的轴承端盖模型。轴承端盖底部大圆盘结构直径为224 mm，顶部小圆盘结构直径为142 mm，厚度为49 mm。此外，轴承端盖属于薄壳类零件，壁厚比较均匀，约为2.5 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.025.F001图1轴承端盖模型视Fig.1Model view of bearing end cover1.2网格划分图2为轴承端盖网格划分结果。其中，最大纵横比为6.97，平均纵横比为1.52，最小纵横比为1.16，匹配百分比为90.0%，适合用于双层面分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.025.F002图2轴承端盖网格划分Fig.2Meshing of bearing end cover1.3材料参数为了对轴承端盖进行轻量化设计，选择轴承端盖的注塑材料为低密度高强度聚乙烯(PE)，牌号为POLYFLAM RIPP 3625 CS1，25%的矿物质填充。设置模具表面温度60 ℃，熔体温度200 ℃，最大剪切应力0.25 MPa，最大剪切速率100 000/s，弹性模量2 822 MPa，泊松比0.375，剪切模量907 MPa。1.4浇口位置优化在分析序列中选择浇口位置优化，在浇口位置设置中分别输入浇口数量为1和2，图3为得到的单浇口位置和双浇口位置的流动阻力。从图3可以看出，流动阻力越高的区域越不适合作为浇口位置，而流动阻力越低的区域越适合作为浇口注塑位置。因此，单浇口位置优化图的轴承端盖中心位置为最佳浇注口。此外，双浇口位置优化图显示最佳浇注口位于轴承端盖的两侧，处于大圆盘结构和小圆环结构的连接位置，显然不适合设置注塑浇口，需要进行适当调整。为分析不同浇口位置对注塑性能产生的影响，采取3种不同的浇注方案进行比较。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.025.F003图3单浇口位置和双浇口位置的流动阻力Fig.3Flow resistance at single gate position and double gate position方案一：位于最优单浇口位置的浇注方案。方案二：调整最优双浇口位于圆环外侧的浇注方案。方案三：调整最优双浇口位于圆环内侧的浇注方案。2仿真结果2.1分析序列选择为了研究轴承端盖的注塑过程，选取分析序列为“填充+保压+翘曲”。其中，充填控制以及速度/压力切换选择自动，保压时间10 s，填充压力80%。2.2注塑结果2.2.1填充时间图4为三种不同浇注方案的填充时间结果。从图4可以看出，方案一~方案三的填充时间分别为0.900 3、0.783 1和0.785 2 s。方案一的填充时间最长，明显高于方案二和方案三的填充时间，因而方案一的注塑效率比较低。此外，方案二和方案三的填充时间比较近似，相对于方案一注塑效率比较高。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.025.F004图4不同浇注方案的填充时间Fig.4Filling time of different pouring schemes2.2.2流动前沿温度流动前沿温度代表塑料熔体流经节点的温度状况。图5为三种不同浇注方案的流动前沿温度分布。从图5可以看出，方案一~方案三的流动前沿温度范围分别为200~200 ℃、199.9~200 ℃和199.9~200℃。三种注塑方案的流动前沿温度几乎没有区别，且流动前沿温度的温差范围非常小。因此，从流动前沿温度的分布情况来看，三种方案都不会产生困气方面的问题。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.025.F005图5三种不同浇注方案的流动前沿温度Fig.5Flow front temperature of three different pouring schemes2.2.3体积收缩率图6为三种不同浇注方案的体积收缩率分布图。从图6可以看出，方案一~方案三的最大体积收缩率分别为10.05%、9.959%和9.950%。方案一的最大体积收缩率高于方案二和方案三的最大体积收缩率，导致方案一更容易产生熔痕和翘曲变形。方案二和方案三的最大体积收缩率相对较小，且相差不大。此外，方案一~方案三的体积收缩率分布规律比较一致，顶部圆环的体积收缩率比较小，而底部圆盘的体积收缩率相对较大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.025.F006图6三种不同浇注方案的体积收缩率Fig.6Volume shrinkage of three different pouring schemes2.2.4缩痕和翘曲度变形图7为三种不同浇注方案的注塑缩痕分布。从图7可以看出，方案一~方案三的最大注塑缩痕分别为0.778 6、0.787 7和0.786 7 mm。三种方案的注塑缩痕值差别不大，均比较小。此外，三种方案的缩痕分布规律基本一致，在顶部圆环结构表面会出现点状的缩痕。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.025.F007图7三种不同浇注方案的注塑缩痕Fig.7Injection shrinkage marks of three different pouring schemes图8为三种不同浇注方案的翘曲度变形分布。图8可以看出，方案一~方案三的最大翘曲度分别为0.921 5、0.943 8和0.970 8 mm。方案一中最大翘曲度变形沿xyz三个方向分别为0.280 4、0.910 2和0.915 5 mm，方案二中最大翘曲度变形沿xyz三个方向分别为0.312 7、0.910 8和0.878 5 mm，方案三中最大翘曲度变形沿xyz三个方向分别为0.332 5、0.946 3和0.852 1 mm。三种方案的最大翘曲度大小顺序为方案三方案二方案一。从翘曲度的分布规律来看，方案一中翘曲度较高的变形分布范围相对于方案二和方案三的分布范围较多。因此，综合最大翘曲度和翘曲度分布范围来看，方案一和方案二的翘曲度性能相对于方案三更好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.025.F008图8三种不同浇注方案的翘曲度变形Fig.8Warpage deformation of three different pouring schemes因此，三种方案的流动前沿温度和注塑缩痕的分析结果比较一致。考虑到方案一的填充时间明显高于方案二和方案三的填充时间，方案一的最大体积收缩率高于方案二和方案三的最大体积收缩率，因而排除方案一。此外，由于方案三的翘曲度性能要低于方案一和方案二的翘曲度性能，排除方案三。因此，最终选择方案二的注塑浇口设置较为合理。3翘曲变形优化试验验证为降低轴承端盖的翘曲变形，对方案二注塑参数进行优化设计[8-9]。在Moldflow进行注塑参数优化，选取变量参数包括熔体温度[200℃，220℃，240℃]、充填时间[8s，10s，12s]与充填压力[64%，80%，96%]，评价变量选取轴承端盖的总翘曲变形。表1为根据相应的试验分析得到的15组参数组合。从表1可以看出，最佳的注塑成型参数，即熔体温度200 ℃、充填时间8 s、充填压力64%，此时总翘曲变形[标准偏差]为0.614 mm，此时制件的成型效果最好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.025.T001表1翘曲变形优化验证15组参数Tab.1Warpage deformation optimization verification 15 sets of parameters编号因素翘曲变形/mm熔体温度/℃充填时间/s充填压力/%12008640.614220012800.623320010960.639420010640.64052008960.644622012960.653722010640.65782208800.66192208640.6691022012640.7021124010960.708122408640.7111324012800.7141424010640.7171524010800.719为了对最佳参数方案进行验证，将以上最优注塑参数分别在仿真软件中进行设置，图9为得到的优化后翘曲变形结果。从图9可以看出，优化后的翘曲变形最大为0.900 0 mm，相对于优化前减小了0.043 8 mm，降低4.6%，验证了优化结果能够显著提高轴承端盖的注塑性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.025.F009图9优化后的翘曲变形Fig.9Optimized warpage deformation4实际验证在熔体温度200 ℃、充填时间8 s、充填压力64%，对制件进行了实际的生产验证，图10为制件具体的成型图，从图10可以看出，采用该种方案显著减小了制件的翘曲变形量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.025.F010图10轴承端盖Fig.10Bearing end cover5结论(1)单浇口位置优化图的轴承端盖中心位置为最佳浇注口，而双浇口位置优化图显示最佳浇注口位于轴承端盖的两侧，处于大圆盘结构和小圆环结构的连接位置。(2)对比三种不同的浇注方案，调整最优双浇口位于圆环外侧的浇注方案二为轴承端盖的最佳浇口位置。(3)通过对轴承端盖的翘曲变形进行优化设计，得到轴承端盖最优注塑参数为：熔体温度200 ℃、充填时间8 s、充填压力64%，优化后的翘曲变形最大为0.900 0 mm，相对于优化前减小了0.043 8 mm，降低4.6%，显著提高了轴承端盖的注塑性能。