随着科学技术的发展，注塑制品逐渐向精密化发展[1]。在注塑成型工艺中，与注塑制品的品质息息相关的是熔体中内应力的变化以及熔体的温度分布，因而需要对影响注塑制品成型的各个因素进行分析与优化。在注塑成型工艺中，成型的制品基本会存在或多或少的残余应力，当残余应力达到一定值后，会出现表面缺陷，如制品的翘曲变形、开裂等。同时，在初期表现优异的制品在使用过程中会逐渐出现变形甚至开裂[2]。而制品残余应力很难被发现，因此，改善注塑制品的残余应力成为研究的重点。应用于体操项目中的S型弹簧踏板，需要承受较大的冲击力，因而需要较强的抗冲击性能。弹簧踏板上一旦出现裂纹，其使用寿命会急速下降。而裂纹的出现多与其内部的残余应力相关，故亟须改善弹簧踏板的残余应力[3]。注塑制品品质高低主要与其应用材料和成型的工艺参数有关[4-5]。POE是应用注塑成型高弹性制品的理想材料之一，既具有良好的韧性又具有良好的可加工性，可满足弹簧踏板的高冲击性工作环境[6]，因此，本实验基于Moldflow仿真模拟软件对POE材质的弹簧踏板的浇注系统进行优化设计，设计了两种浇注系统方案进行分析对比，从而确定最佳的浇注系统。在此基础上，对成型工艺参数进行正交优化设计，从而将弹簧踏板的残余应力降至最低，实现对弹簧踏板的力学性能优化。1弹簧踏板模型的构建及结构性分析利用UG构建弹簧踏板的三维模型，图1为建模结果。弹簧踏板分为支撑上板、支撑下板，其中，支撑上板尺寸为1 000 mm×600 mm×20 mm；支撑下板尺寸为1 000 mm×150 mm×20 mm。由于弹簧踏板应用于高冲击性的环境，因此，尽可能改善弹簧踏板残余应力的同时，弹簧踏板的材料也需要具有高弹性，因此，选择Dow Chemical Europe生产的牌号为Engage D8830的POE高分子材料。POE塑料是一种聚烯烃热塑性弹性体材料，这种材料在撤去外力后，能自如的恢复形状。可以由乙烯与丁烯或辛烯聚合而成，耐老化性优良，具有优良的可加工性[7]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.018.F001图1弹簧踏板的三维模型Fig.1Three-dimensional model of spring pedal图2为网格划分结果。其中，网格平均纵横比为1.59，匹配百分比为95.7%，满足弹簧踏板浇注系统优化以及正交试验分析的要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.018.F002图2S型弹簧踏板的网格划分Fig.2Meshing division of S-shaped spring pedal图3和图4分别为弹簧踏板支撑上板、下板的浇口匹配性分析。从图3和图4可以看出，红色程度越深的区域，表示流动阻力越大，蓝色程度越深的区域表示流动阻力越小，因此最优的浇口位置位于蓝色区域。结合弹簧踏板的结构特性，利用浇口匹配性分析，设置两种浇注系统方案进行模拟优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.018.F003图3弹簧踏板支撑上板的浇口匹配性Fig.3The matching of the gate of the support upper plate of the spring pedal10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.018.F004图4弹簧踏板支撑下板的浇口匹配性Fig.4The matching of the gate of the support lower plate of the spring pedal2S型踏板的浇注系统优化设计选取两种浇口设计方案优化分析，第一种方案是在S型踏板的上下支撑板的正中心设计一处进浇点，即单浇口进料；第二种方案是在其上下支撑板正中心等距两侧各设计一处进浇点，即双点浇口进料。2.1S型踏板上支撑板的浇注系统优化2.1.1注射时间分析图5为不同浇注系统对上支撑板的注射时间的影响。从图5可以看出，在单点浇口下，上支撑板的注射时间42.72 s，而双点浇口注射时间43.32 s，第二种浇注系统下注射时间有小幅度的上升，说明增加浇口数量并不能减少注射时间，达到减少成型时间的目的，由此可以得出，选用单浇口进浇更能减少成本，减少成型周期。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.018.F005图5两种浇注系统方案注射时间对比云图Fig.5Contrast cloud diagram of injection time of two gating system schemes2.1.2流动前沿温度分析图6为不同浇注系统下对上支撑板流动前沿温度的变化云图。从图6可以看出，在单浇口下，成型的上支撑板的流动前沿温度比双浇口的温度分布更为均匀，因而单浇口下熔体分子的取向更加一致，减少了熔体内部的残余应力，成型的弹簧踏板的翘曲变形也会相对应减少。因此，对于S型弹簧踏板上支撑板的浇注系统应选用单浇口进浇，成型制品的质量更好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.018.F006图6两种浇注系统方案流动前沿温度的变化云图Fig.6Cloud diagram of the temperature change of the flow front of two gating system schemes2.2S型弹簧踏板下支撑板的浇注系统优化2.2.1注射时间分析图7为不同浇注系统对支撑下板的注射时间分析。从图7可以看出，通过单浇口注塑成型支撑下板时间46.77 s，而双浇口的注射时间仅为2.493 s。从成本角度上考虑，双浇口方案更有利于缩短成型周期，但考虑到模具制作以及一次成型S型弹簧踏板的初衷，同时单浇口进浇的方案更接近于弹簧踏板上支撑板的注射时间，因此从注射时间的角度出发，选择单浇口成型弹簧踏板下支撑板更适合。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.018.F007图7两种浇注系统方案注射时间对比云图Fig.7Contrast cloud diagram of injection time of two gating system schemes2.2.2流动前沿温度分析图8为不同浇注系统下对下支撑板的流动前沿温度的分析。从图8可以看出，对于成型弹簧踏板的下支撑板，单浇口浇注系统方案和双浇口的浇注系统方案的温度分布区域及范围基本一致。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.018.F008图8两种浇注系统方案流动前沿温度的变化云图Fig.8Cloud diagram of the temperature change of the flow front of two gating system schemes因此，单浇口方案下，弹簧踏板更有利于一次成型，减少模具设计及指导的成本；同时流动前沿温度分布差别不大，说明单浇口方案可以保持很好的熔体流动速率，有利于熔体快速充模完成，减少制品内部的残余应力。故经过优化分析，选择单浇口进浇的实验方案进行下一步的正交试验分析。3S型弹簧踏板残余应力的正交优化分析基于S型弹簧踏板的结构特点以及Moldflow推荐的冷却系统结构，在S型弹簧踏板模型上下两侧等距放置两组水管，选择冷却水道为软件推荐的为直径Ф=8 mm的管，恒温20 ℃的水作为冷却介质，回路雷诺数为10 000。图9为S型弹簧踏板冷却系统设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.018.F009图9S型弹簧踏板冷却系统设计Fig.9Design of S-type spring pedal cooling system3.1S型弹簧踏板的工艺参数设定选择模具温度、熔体温度、注射时间、保压时间和保压压力为自变量，以制品的残余应力为质量指标，建立含两组空白实验的五因素三水平(L18(35))正交试验。表1为POE材料的Moldflow推荐工艺参数范围。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.018.T001表1POE成型工艺参数范围Tab.1Process parameter range of POE molding工艺参数模具温度/℃熔体温度/℃注射时间/s保压时间/s保压压力/MPa参数范围40~60150~22020~405~258~12基于POE材料的注塑成型特点，根据推荐参数范围进行Moldflow分析，图10为残余应力仿真结果。表2为L18(35)正交试验因素水平设计表。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.018.F010图10推荐工艺参数下弹簧踏板的残余应力Fig.10Residual stress of spring pedal under recommended process parameters10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.018.T002表2S型弹簧踏板的正交试验因素及水平设计Tab.2Orthogonal test factors and level design of S-type spring pedal水平因 素模具温度（A）/°C熔体温度（B）/°C注射时间（C）/s保压时间（D）/s保压压力（E）/MPa14015020582501853015103602204025123.2正交试验结果分析表3为正交试验结果，表4为方差分析结果。图11为S型弹簧踏板的残余应力均值效应图。从图11可以看出，注射时间对其影响程度最大。当模具温度逐渐增大时，S型弹簧踏板的残余应力逐渐增大。当熔体温度不断增大时，残余应力随着熔体温度的增大先减小后增大；当注射时间增大时，制品的残余应力先增大后减小；随着保压时间的增加，弹簧踏板的残余应力不断减小。对于保压压力，制品的残余应力随着其增大先增大后减小。从表4可以看出，对于残余应力优化结果的影响，注射时间对弹簧踏板的残余应力影响最为显著，结合均值分析，选取的工艺参数符合预期；熔体温度、保压时间影响程度次之，结合均值分析，选取比较小的保压时间更有助于减少残余应力。相比于前三个因素，保压压力影响更小，模具温度影响程度最小。最终确定最优的工艺组合A1B2C1D3E3，即模具温度40 ℃，熔体温度185 ℃，注射时间20 s，保压时间25 s，保压压力12 MPa。图12为最优工艺组合下，成型S型弹簧踏板的残余应力。从图12可以看出，最优工艺参数组合下S型弹簧踏板的残余应力是35.77 MPa，相比优化前降低8.6%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.018.T003表3正交试验结果Tab.3Orthogonal experimental results试验编号因素残余应力/MPaABCDE11111123.7821222254.0931333326.7842112225.5452223339.4362331158.9273121359.23832315144.9793313224.95101133258.34111211321.76121322152.43132123153.12142231247.32152312324.21163132353.64173213121.86183321257.23k139.5345.6123.6844.7142.51k241.4238.2452.5942.4844.58k343.6540.7548.3337.4137.51Rj4.127.3728.917.297.0710.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.018.T004表4方差分析Tab.4Variance analysis来源偏差平方和自由度均方值F值F临界值显著性A50.95225.470.4194.737B168.43284.211.3864.737C2922.0521461.0224.0434.737显著D167.64283.821.3794.737E158.60279.301.3054.737误差3467.66760.7710.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.018.F011图11S型弹簧踏板的残余应力均值效应Fig.11The mean value effect diagram of the residual stress of the S-shaped spring pedal10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.018.F012图12最优工艺参数组合下S型弹簧踏板的残余应力Fig.12Residual stress of S-shaped spring pedal under the optimal process parameter combination4生产验证图13为当模具温度40 ℃，熔体温度185 ℃，注射时间20 s，保压时间25 s，保压压力12 MPa时的制件成品图。从图13可以看出，制件的整体效果较好，翘曲变形很小，说明优化后的成型工艺参数较好，可以用于实际的生产验证。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.018.F013图13制件成品图Fig.13Finished product photo5结论(1)基于POE材料注塑成型S型弹簧踏板，提出两种浇注系统的优化方案，结果表明单浇口方案成型S型弹簧踏板更有利于减少模具设计，缩短成型周期，实现一次成型弹簧踏板。(2)基于优化得到的单浇口实验方案，利用正交试验对S型弹簧踏板进行残余应力优化设计，将弹簧踏板的残余应力作为质量评价指标，最终得出的优化参数组合：模具温度40 ℃，熔体温度185 ℃，注射时间20 s，保压时间25 s，保压压力12 MPa。实际验证表明，优化后的制件整体效果较好，翘曲变形很小，可以用于实际的生产验证。