新能源汽车开启充电口盖后可进行充电，充电口盖具有保护充电插座以及装饰美观作用[1-2]。充电口盖的设计包含充电口位置布置、线束改布、充电口盖安装结构和控制方式等方面[3-4]。目前多数研究聚焦在充电口盖的结构设计上，包括布置方案、机构设计和系统开发[5-6]。然而，充电口盖的设计开发必须考虑充电环境的复杂性[7-8]。复杂环境下的使用状态也与选材有直接关系。充电口盖采用塑料进行制造，还需要考虑喷涂问题，为了保证较好的外观，在线喷涂是未来发展的主流趋势[9-10]。聚苯醚(PPE)材料具备耐高温、比强度高、电气性能优异及喷涂性能好等优点，在充电口盖的塑料化中成为主流材料[11]。但是，PPE材料在注塑成型中易出现翘曲变形，导致产品无法安装或密封不良[12]。因此，在产品设计开发前期，一般需要采用计算机辅助工程技术对结构设计、进胶方案以及工艺参数等进行评估分析[13]。利用Moldflow软件建立有限元分析模型，通过对产品的填充时间、压力转换、注射位置压力、锁模力、熔前温度、翘曲变形量等进行分析，预测产品在注塑过程中可能存在的短射、困气、气穴、熔接线、翘曲变形及尺寸公差大等问题[14]。成型后产品不满足要求时，可以对工艺参数组合进行优化。由于工艺参数变量较多，一般结合正交实验可以快速获得优化工艺，提高开发效率[15]。本实验针对某PPE充电口盖注塑成型中充电孔轴心偏差大的问题，采用计算机辅助工程和正交实验方法进行工艺参数的优选和验证。1充电口盖结构设计图1为充电口盖结构。蓝色部分为聚苯醚(PPE)材料的本体，绿色部分为软胶，用于提高密封和减震[16]。该充电口盖上有两个较大的圆孔，可对整体结构进行固定和连接，并与充电系统其他组件相互配合进行线路传输[17]。这两个圆孔的尺寸公差十分关键，特别是轴心偏差，不仅影响充电口盖整体的密封性和抗震疲劳性，还会影响电流传输的稳定性。因此，在实际注塑成型生产中，对该充电口盖的充电孔的形位公差有明确的指标要求：轴心偏差不能大于1.0 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.022.F001图1充电口盖结构Fig.1Structure of charging port cover图2为充电口盖厚度属性。主体壁面厚度为2.4 mm，主要加强筋厚度为0.86 mm。侧壁面厚度为3.0 mm，限位卡扣厚度为1.2 mm，螺栓孔厚度为2.6~2.7 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.022.F002图2充电口盖厚度属性Fig.2Thickness property of charging port cover2初始模流分析2.1网格模型采用Dual Domain网格类型对该充电口盖网格建模。图3为充电口盖网格模型，最大纵横比为5.24，匹配率达到91.5%，符合质量要求[18]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.022.F003图3充电口盖网格模型Fig.3Mesh model of charging port cover2.2材料工艺参数依据该充电口盖的对于材料的力学性能、耐热性能和电学性能要求，采用PPE材料进行注塑成型，表1为PPE材料参数[19]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.022.T001表1PPE材料参数Tab.1Material parameters of PPE项目数值顶出温度129绝对最大料筒温度360料筒温度范围260~320推荐料筒温度290模具表面温度范围60~120推荐模具表面温度90℃℃2.3流道系统设计根据该充电口盖的尺寸及材料流动性，建议采用单点进胶。采用仿真模拟技术分析最佳浇口位置，图4为分析结果。从图4可以看出，圆圈内的蓝色区域的流动阻力及浇口匹配性较好，综合考虑模具成本及工艺，选择矩形内的区域作为最佳浇口位置[20]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.022.F004图4最佳浇口位置分析Fig.4Analysis of optimal gate location2.4初始工艺分析图5为初始工艺结果。从图5可以看出，充电孔附近边缘的变形量较大，最大变形量为3.379 0 mm。利用Roundness得到两个孔的轴心偏差分别为2.072 9 mm（小孔）和2.315 5 mm（大孔），大于指标要求的1.0 mm，需要进行优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.022.F005图5初始工艺结果Fig.5Results of initial parameters3正交试验设计与分析充电口盖的注塑成型试模发现，料筒温度、模具表面温度、注射时间和速度压力切换体积对变形和孔轴心偏差的影响较大，表2为L9(34)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.022.T002表2L9（34）正交试验因素水平设计Tab.2L9（34） orthogonal test factor level design水平因素料筒温度（A）/℃模具表面温度（B）/℃注射时间（C）/s速度压力切换体积（D）/%1260601.098.02290901.298.533201201.499.0表3为L9(34)正交试验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.022.T003表3L9（34）正交试验结果Tab.3Results of L9（34） orthogonal test试验编号ABCD轴心偏差/mm111111.2643212321.8647313230.9245421332.3876522211.5438623120.8714731222.0262832131.3579933310.9851k11.35121.89271.16451.2644k21.60091.58881.49821.5874k31.45640.92701.74581.5567R0.24980.96570.58130.3230从表3可以看出，第6组实验的轴心偏差最小，为0.871 4 mm，第4组实验的轴心偏差最大，为2.387 6 mm。轴心偏差的最大值与最小值相差2~3倍，说明工艺参数组合对轴心偏差有较大影响。极差R的大小对应工艺参数对轴心偏差的影响程度，即BCDA。随着料筒温度A的增大，轴心偏差先增后减，A1时轴心偏差获得最小值。随着模具表面温度B的增大，轴心偏差逐渐减小，B3时轴心偏差获得最小值。随着注射时间C的增大，轴心偏差逐渐增大，C1时轴心偏差获得最小值。随着速度压力切换体积D的增大，轴心偏差先增大后减小，D1时轴心偏差获得最小值。因此，得到最优组合为A1B3C1D1。表4为方差分析结果。根据F值得到影响程度排序为：BCDA。对于模具表面温度和注射时间，F值F0.01，表示有极显著影响。对于速度压力切换体积，F0.05F值F0.01，表示有显著影响。对于料筒温度，F值F0.05，表示影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.022.T004表4方差分析结果Tab.4Variance analysis results离差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和F值FaA0.067220.03362.6487F0.01（2，9）=8.02F0.05（2，9）=4.26B0.431520.215717.0124C0.255320.127610.0647D0.135420.06775.3372误差0.114190.01274优化工艺分析与验证对优化工艺进行仿真验证，图6为优化工艺结果。从图6可以看出，所有效应翘曲变形在充电孔附近边缘区域较大，最大值为1.286 0 mm，相比初始工艺显著下降。对应两个充电孔的轴心偏差分别为0.692 9 mm（小孔）和0.854 9 mm（大孔），达到设计要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.022.F006图6优化工艺结果Fig.6Results of optimized parameters对优化工艺下注塑成型过程进行仿真评估，图7为分析结果。从图7a可以看出，充填过程等值线充满整个制件，无明显密集区域，说明无缺胶和直流问题[21]。从图7b可以看出，主要外观面（圈出区域）无熔接线，外观状态满足要求。从图7c可以看出，最大注射压力为85.43 MPa，小于一般注塑机的最大压力限制。从图7d可以看出，最大锁模力为159.9 t，锁模力较小，可选用中小型注塑机台。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.022.F007图7优化工艺注塑成型仿真分析结果Fig.7Simulation analysis results of optimized process injection molding优化工艺下进行注塑成型试模，图8为充电口盖注塑成型样品。从图8可以看出，样品外观良好。轴心偏差的测试结果也合格，产品可正常安装，密封性达标。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.022.F008图8充电口盖注塑成型样品Fig.8Sample of charging port cover5结论基于计算机辅助工程模拟了PPE材料充电口盖的注塑成型，设计正交试验对其充电孔轴心偏差进行工艺优化分析。模具表面温度和注射时间的影响极显著，速度压力切换体积的影响显著，料筒温度的影响不显著。工艺优化后，大孔轴心偏差由2.315 5 mm降低到0.854 9 mm，小孔轴心偏差由2.072 9 mm降低到0.692 9 mm，优化效果显著，并满足设计要求。仿真模拟及试模样品结果显示外观及轴心偏差均满足要求，验证了文章优化方案的合理性。