在注塑成型工艺中，通过一次工艺即可成型复杂形状的高分子材料制品，具有效率高、成本低的优点，是目前高分子材料制品中最为普遍的成型方法[1]。高分子制品的成型质量往往受多方面因素的制约，成型的工艺参数、成型的工艺环境、模具的结构设计、成型的材料、成型的工艺方式等因素都决定了成型制品的质量上限[2-3]。尤其对于厚壁的高分子材料制品，往往会出现较大的翘曲变形和收缩，在整个成型工艺过程中难以控制[4-5]。传统的注塑成型工艺难以满足生产的需要，而微发泡注塑成型工艺通过将超临界流体注入熔体中，在高分子制品内部形成致密的泡孔，从而平衡制品内部熔体的收缩，减少制品的翘曲变形，实现厚壁制品的轻量化[6-7]。本实验选择厚壁篮球板作为研究对象，基于玻纤增强聚丙烯(GFPP)高强度、高抗冲击性的特点，利用微发泡注塑成型工艺成型厚壁篮球板。采用Moldflow分析探究单因素成型参数对厚壁篮球板的质量减轻效果的影响，继而利用单因素实验结果结合正交试验，研究成型工艺参数对厚壁篮球板轻量化优化程度[8]。1厚壁篮球板的结构性分析图1为厚壁篮球板的整体结构模型。厚壁篮球板的尺寸为1 400 mm×900 mm×30 mm。由于厚壁篮球板不仅需要具有较强的抗冲击性能，还需要具有较高的强度，因此，选择厚壁篮球板的材料为GFPP[9]。图2为网格划分结果。其中，平均纵横比为1.40，网格匹配百分比为97.9%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.017.F001图1厚壁篮球板的整体结构模型Fig.1The overall structure model of a thick-walled basketball board10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.017.F002图2厚壁篮球板的网格划分Fig.2Grid division of thick-walled basketball board2厚壁篮球板的CAE工艺性分析2.1厚壁篮球板的浇口位置分析图3为双浇口下厚壁篮球板的流动阻力。从图3可以看出，红色程度越深的区域流动阻力越大，蓝色程度越深的区域流动阻力越小，因此最优的浇口位置位于蓝色区域。结合厚壁篮球板的特点，采取一模一腔双浇口进浇。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.017.F003图3双浇口下厚壁篮球板的流动阻力Fig.3Flow resistance of thick-walled basketball board under double gates2.2厚壁篮球板冷却系统分析基于厚壁篮球板的结构特点，在厚壁篮球板模型上下两侧等距放置两组水管，冷却水道直径为8 mm，冷却介质（水）恒温在20 ℃，回路雷诺数默认为10 000。图4为厚壁篮球板的冷却系统设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.017.F004图4厚壁篮球板的冷却系统设计Fig.4Cooling system design of thick-walled basketball board2.3厚壁篮球板工艺参数的设定本实验的出发点是在不改变篮球板的尺寸及力学性能的基础上，实现轻量化。在微发泡注塑成型工艺中，通过对厚壁篮球板的结构分析，结合Moldflow对GFPP加工工艺参数的推荐，从而设定相应的工艺参数进行优化。选择熔体温度、模具温度、冷却时间、注射速率、注射压力和气体初始浓度作为研究对象，进行单因素实验研究各因素对厚壁篮球板的减重效果。利用单因素实验研究结果，选择影响显著的4个因素进行正交试验设计，从而获得最优的微发泡注塑成型厚壁篮球板的工艺参数。表1为基于GFPP材料成型特点及Moldflow推荐的工艺参数范围。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.017.T001表1GFPP成型工艺参数范围Tab.1Process parameters range of GFPP molding工艺参数数值熔体温度/℃180~260模具温度/℃50~90冷却时间/s20~40注射速率/（cm3‧s-1）20~30注射压力/MPa80~145初始气体浓度/%0.5~2.53单因素作用下厚壁篮球板的轻量化研究3.1单因素实验参数的设定初步选择熔体温度230 ℃、模具温度70 ℃、冷却时间32 s、注射速率26 cm3/s、注射压力110 MPa和气体初始浓度1.5%的工艺参数，经过Moldflow分析，得到厚壁制品的质量为23 462 g，相应的翘曲值为1.583 mm，图5和图6分别为质量和翘曲值的分析结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.017.F005图5初始参数下厚壁篮球板的质量Fig.5The quality of the thick-walled basketball board under the initial parameters10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.017.F006图6初始参数下厚壁篮球板的翘曲值Fig.6The warpage value of the thick-walled basketball board under the initial parameters3.2结果分析表2为单因素作用下厚壁篮球板质量的变化。从表2可以看出，随着参数水平的变大，注射压力对厚壁篮球板的质量影响效果不大，可以忽略。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.017.T002表2单因素作用下厚壁篮球板质量的变化Tab.2Changes in the quality of thick-walled basketball boards under single factor熔体温度/oC熔体温度对应重量/kg模具温度/℃模具温度对应重量/kg注射速率/（cm3·s-1）注射速率对应重量/kg气体初始浓度/%冷却时间对应重量/kg注射压力/MPa注射压力对应重量/kg18023.585024.252022.590.521.018023.0419023.295523.592122.381.020.648522.9220022.956023.762221.891.519.989022.7521023.016522.982321.422.019.679522.5922022.787022.742420.792.518.9810022.8423022.467522.512520.953.018.9710523.0124021.358021.792620.323.518.9511022.5625021.548521.592719.964.018.8911522.7426020.989020.782820.134.518.8412022.67随着熔体温度和模具温度的升高，厚壁篮球板的质量随之减小。主要是因为随着温度的升高，延长了熔体的冷却时间，不仅可以延长泡孔在熔体中快速成核的时间，使熔体内的泡孔更加细密，而且也可使熔体始终保持在一个较高的流动速率，减小壁面对熔体内泡孔的剪切，减小泡孔的逸散，一定程度上减小了厚壁篮球板的质量。随着注射速率的增大，厚壁篮球板的质量先减小后增大。主要是因为注射速率越快，短时间内熔体内泡孔来不及长大，在熔体内部形成大量细密泡孔，因而厚壁篮球板的质量有下降的趋势。但随着注射速率的进一步增加，熔体内泡孔有一定的时间快速成核长大，同时熔体温度快速降低，导致流动阻力明显增大，泡孔逸散严重，因而减重幅度不降反升。初始气体浓度对厚壁篮球板的质量影响更为显著，在浓度为2.5%，质量减小到18.98 kg，主要是因为气体初始浓度决定超临界流体在熔体内的浓度，也决定熔体内成核长大数量的程度，进而影响泡孔在制品内的细密程度。因此，随着气体的初始浓度增大，厚壁篮球板的减重明显。4厚壁篮球板的成型工艺参数优化为进一步得到最优的工艺参数组合，采用四因素三水平正交试验进行分析。由于熔体温度、模具温度、注射速率、初始气体浓度对厚壁篮球板的减重幅度影响显著，因此，选取这4个因素进行分析。表3为L18（34）正交试验因素水平设计表。表4为正交试验分析结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.017.T003表3L18（34）正交试验因素水平设计Tab.3Factor level design of L18（34） orthogonal test水平因素熔体温度（A）/°C模具温度（B）/°C注射速率（C）/（cm3‧s-1）初始气体浓度（D）/%121560281.0223070321.5324580362.010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.017.T004表4正交试验结果Tab.4Orthogonal test results试验编号因 素空白列质量/kgABCD11111123.53521222219.88431333323.66142112221.90652223320.10162331124.08873121320.25283232121.90293313222.073101133221.785111211323.027121322122.075132123119.963142231220.372152312321.195163132324.027173213120.054183321219.974k122.32821.91121.96521.875k221.27120.89020.37521.832k321.38022.17822.63921.273极差1.061.292.260.60表5为正交试验方差分析结果。从表5可以看出，注射速率对厚壁篮球板的质量影响最为显著；模具温度影响程度次之；溶体温度影响更小；气体的初始浓度的影响程度最小。最终确定最优的工艺组合A2B2C2D3。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.017.T005表5方差分析Tab.5Variance analysis离差来源偏差平方和自由度均值F值F临界值显著性A4.05422.0271.5284.256B5.54422.7722.0904.256C16.22128.1106.1154.256显著D1.35220.6760.5104.256误差11.93691.326图7和图8分别为最优参数组合下厚壁篮球板的质量和翘曲值。从图7可以看出，最优工艺参数组合下，厚壁篮球板的质量是19 996 g，相比优化前降低14.8%。从图8可以看出，翘曲翘曲值降到1.234 mm，相比优化前降低22.0%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.017.F007图7最优参数组合下厚壁篮球板的质量Fig.7The mass of the thick-walled basketball board under the optimal parameter combination10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.017.F008图8最优参数组合下厚壁篮球板的翘曲值Fig.8The warpage value of the thick-walled basketball board under the optimal parameter combination5生产验证图9为当熔体温度230 ℃，模具温度70 ℃，注射速率32 cm3/s，气体初始浓度2%时得到的制件图。从图9可以看出，制件的整体质量较好，制件翘曲变形量较小，表明在该条件下获得的制件成型质量较好，可以用于实际生产。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.017.F009图9篮球板制件图Fig.9Basketball board photo6结论(1)在厚壁篮球板的单因素实验中，熔体温度、模具温度、注射时间、气体初始浓度影响最为显著。其中，厚壁篮球板的质量随着注射速率、熔体温度、模具温度的增大呈现先减小后增大的趋势；而随着气体的初始浓度的增加，厚壁篮球板的质量逐渐减小。(2)正交试验得出的最优工艺参数组合为熔体温度230 ℃，模具温度70 ℃，注射速率32 cm3/s，气体初始浓度2%。最优工艺参数组合下，厚壁篮球板的质量为19 996 g，相比优化前降低14.8%。翘曲翘曲值为1.234 mm，相比优化前降低22.0%。(3)实际验证结果表明，通过最优参数得出的制件整体质量较好，制件翘曲变形量较小，表明该成型工艺参数较好，在该条件下获得的制件成型质量较好，可以用于实际生产。