当前市场竞争日益激烈，产品的差异化越来越困难。为增强产品在市场中的竞争力，供应链管理得到广泛应用[1-2]。产品入库、出库是供应链管理流程中十分重要的环节，扫描枪的使用能够降低人工填写入库信息的错误率，提高入库、出库的效率，为产品的状态信息提供可视化管理[3-4]。为了减轻质量、提高外壳触感和加快生产进度，扫描枪外壳一般由塑料通过注塑成型加工而成[5]。由于扫描枪使用环境为手握，对表面品质有一定要求，因此扫描枪外壳的成型品质十分关键。正交试验是对试验结果分析和优化的科学方法，Moldflow是在模具设计中常用的模拟仿真软件。本实验以某品牌扫描枪为实例，基于计算机辅助技术，分析了扫描枪外壳的结构，设计了较为合理的浇注系统和冷却系统，结合模流分析和正交试验，对扫描枪外壳的注塑工艺参数进行了分析和优化，得到较为良好的工艺参数。1结构分析及材料选择1.1结构形状分析图1为某扫描枪底盖的三维模型，外形尺寸131.18 mm×163.26 mm×30.12 mm，尺寸大小适中，且含有螺钉孔、安装导柱、圆角、凸台和拉环等细节特征。由于扫描枪内部需要装电热相关器件，因此上盖和底盖需要注意装配要求，注塑成型后的零件尺寸应在合理范围内，避免出现尺寸偏差过大导致装配不上的问题。此外，扫描枪使用环境为手握，因此对于外壳表面品质有着较高的要求。考虑到以上两点，从降低加工成本和提升注塑生产效率的角度出发[6]，加工方式选择单型腔注塑成型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.014.F001图1扫描枪三维模型Fig.13D model of scanning gun1.2网格划分在进行模拟分析前，需要进行网格划分[7]，设定网格类型为双层面网格，全局边长1.23 mm，一共得到11 742个三角形网格，连通5 869个节点，网格表面积315.3 cm2，体积为66.918 9 cm3，最大纵横比为10.03，最小纵横比1.16，平均纵横比1.61，匹配百分比90.4%，相互百分比91.2%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.014.F002图2网格划分Fig.2Meshing results1.3材料选择及工艺参数确定选择底盖材料为Techno Polymer制造商，牌号为15的ABS塑料，固体密度1.054 1 g/cm3，熔体密度0.949 33 g/cm3，弹性模量2 240 MPa，泊松比0.392，剪切模量804.6 MPa，热膨胀数据的横向各向同性系数为8×10-5 ℃-1，在力学性能、表面硬度和成型收缩率方面具有较好的性能，表1为此塑料的工艺参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.014.T001表1推荐的工艺参数Tab.1Recommended process parameters项目数值项目数值模具表面温度/℃50熔体温度最小值/℃200熔体温度/℃230绝对最大熔体温度/℃280模具温度最大值/℃80顶出温度/℃88模具温度最小值/℃25最大剪切应力/MPa0.2熔体温度最大值/℃280最大剪切速率/s-1120000以系统推荐的参数为指导，结合扫描枪的装配需求和实际使用环境，选择工艺参数为：模具表面温度50 ℃，熔体温度220 ℃，充填压力80%，注射、冷却时间20 s，并在工艺设置中选择分离翘曲因素，其余保持默认设置。2注塑设计及分析2.1浇注系统设计浇注系统是模具中从注射机的喷嘴到型腔间的流道，也是塑料熔体流入型腔各个角落的通道，一般包括主流道、分流道和浇口[8-9]。图3为浇口位置分析。由于扫描枪的纵向长度明显大于横向长度，因此，为了保证填充的质量，在上、中、下三个位置设置浇口。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.014.F003图3浇口位置分析结果Fig.3Gate position analysis results设置主流道入口直径为3 mm，长度80 mm，拔模角3°，流道直径为6 mm，底部竖直流道直径为3°，拔模角直径为6 mm的圆柱，顶部浇口的初始直径为6 mm，末端直径为1 mm，长度1 mm。图4为最终所得的浇注系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.014.F004图4浇注系统Fig.4Gating system2.2冷却系统设计为保证型腔内各个部位的温度基本保持一致变化，需要设计模具的冷却系统[10]。图5为设计的冷却系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.014.F005图5冷却系统Fig.5Cooling system冷却系统应沿着模具分型面对阵布置，且尽可能地覆盖模具表面[11]。设计冷却管道的直径为8 mm，水管与零件距离25 mm，管道数量设置为单边4条，管道中心距为25 mm，零件外的距离为80 mm。2.3注塑分析图6为填充结果分析。从图6a可以看出，模具填充完成时间为0.347 1 s，最后填充完毕处于扫描仪顶部位置；从图6b可以看出，速度压力切换时压力最大为24.05 MPa；从图6c可以看出，填充时的体积收缩率最大为16.31%；从图6d可以看出，塑件最大翘曲变形量为0.825 4 mm。从以上参数可以看出，塑件的体积收缩率较大，易造成最终成型的塑件与设计值有尺寸上的差距[12]，因此，有必要降低塑件成型时的体积收缩率。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.014.F006图6填充结果分析Fig.6Filling result analysis3DOE试验优化3.1试验设计由填充结果分析可知，塑件成型后的体积收缩率过大，有必要对其进行优化分析。因此，以塑件的体积收缩率为优化目标，选取熔体温度(A)、模具表面温度(B)和充填压力(C)为因素，研究其对扫描器底盖的体积收缩率的影响。3.2试验方案及结果在Moldflow中进行优化分析，表2为正交试验的因素水平设计表。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.014.T002表2L9(33)因素水平设计表Tab.2L9(33) factor level design table水平因素熔体温度(A)/℃模具表面温度(B)/℃充填压力(C)/%120030642220508032407096表3为正交试验结果，图7为极差分析结果的折线图，表4为方差分析结果。从表3和图7可以看出，熔体温度(因素A)对扫描枪底盖的注塑成型时的体积收缩率影响最大，且随着熔体温度的升高，塑件的体积收缩率增大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.014.T003表3正交试验结果Tab.3Orthogonal test results方案编号因素空白列体积收缩率/%ABC1111112.420002122212.770003133313.170004212313.550005223113.900006231214.340007313214.210008321314.490009332114.40000K138.36000040.18000041.25000040.720000K241.79000041.16000040.72000041.320000K343.10000041.91000041.28000041.210000k112.78666713.39333313.75000013.573333k213.93000013.72000013.57333313.773333k314.36666713.97000013.76000013.736667R1.5800000.5766670.1866670.20000010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.014.F007图7正交极差结果Fig.7Orthogonal range results10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.014.T004表4方差分析结果Tab.4Variance analysis results因素离差平方和(SS)自由度(df)均方值(MS)F比F临界值(α=0.05)显著性A3.99428921.9971458.720419.08*B0.50175620.250887.376319.08C0.06615620.033080.972619.08误差0.06802220.03401从表4可以看出，当α=0.05时，因素A(熔体温度)对塑件体积收缩率影响趋势最大，因素B(模具表面温度)和因素C(充填压力)均不显著，与极差分析结果基本一致。根据以上分析结果，由于因素C对体积收缩率影响不显著，考虑到降低充填压力有利于降低注射机的工作负荷，选择C1水平，故最终选取最优水平组合为A1B1C1。即熔体温度为200 ℃，模具表面温度为30 ℃、充填压力为64%。图8为此工艺条件下得到的体积收缩率分析结果。从图8可以看出，塑件的体积收缩率为12.42%，相比优化前，降低了23.85%，得到明显改善，并且翘曲变形量最大由0.825 4 mm降低到0.723 6 mm，仍处于较低水平。图8优化后的分析结果Fig.8The optimized analysis results10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.014.F008（a）体积收缩率10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.014.F009（b）翘曲变形3.3试模验证根据以上DOE优化的结果，将最优工艺参数进行验证，即熔体温度为200 ℃，模具表面温度为30 ℃、充填压力为64%。图9为所得的试模样品。从图9可以看出，塑件表面光泽度良好，各处无明显变形，表面平滑，能够满足生产需要。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.014.F010图9试模样品Fig.9Trial sample4结论以某型号的扫描枪为例，结合三维建模技术和Moldflow软件，对其结构形状进行分析，选择合适的加工工艺参数，设计了模具合理的浇注系统及冷却系统，对其填充时间、速度压力切换时的压力、体积收缩率和翘曲变形量进行了分析。设计了DOE试验，分析了熔体温度、模具表面温度和充填压力对塑件的体积收缩率的影响，得到了较为良好的优化参数。分析结果表明：塑件的体积收缩率从16.31%降低为12.42%，降低了23.85%，得到明显改善，翘曲变形量最大由0.825 4 mm降至0.723 6 mm，仍处于较低水平。