玩具汽车由于较好的趣味性和益智性受到广泛的关注[1]。注塑成型是玩具汽车加工的重要方法，其工艺参数决定了塑料玩具汽车的性能优劣[2]。汽车转向器壳体是玩具汽车的重要组成部分，具有导向作用和保护作用。因此，玩具汽车转向器不仅需要保证良好的工艺性，还需要较高的强度，满足抗磨损、长寿命、高刚度以及耐摔性强。此外，玩具汽车转向器属于中型件，装配需要非常精确。若注塑过程中导致不均匀的变形，转向器壳体装配时会产生错位或者无法装配[3]。玩具汽车转向器的加工质量主要取决于模具的设计与加工、塑料材料的性能以及注塑成型工艺[4]。注塑成型的工艺参数优化一直是很多学者研究的热点。注塑过程中需要控制的工艺参数主要有浇道设计、注射温度、保压时间和背压压力等[5]。目前，注塑工艺参数的优化设计方法包括反复试错法、Taguchi法、神经网络法和遗传算法等[6]。反复试错法指工程师根据以往成功的经验进行调试，但是这种方法只能对同类型的案例进行优化，而对于塑料种类繁多和形状结构复杂的案例无法实现。Taguchi法是基于反复试错法，结合专家系统和计算机系统给出相应的优化建议，但此方法需要全面和完整的数据[7]。神经网络法是一种人工智能算法，能够自组织和自学习进行注塑工艺参数的优化，具有非常复杂的逻辑运算和模拟的能力，优化效果较好[8]。但神经网络法的建模特别复杂，需要大量的测试数据来训练模型。遗传算法能对低要求的注塑模具工艺参数进行优化，在局部最优解的问题上具有很好的效果，但是在全局最优解的位置求解上比较困难[9]。因此，针对玩具汽车转向器注塑工艺参数优化困难的问题，采用CAE分析法研究工艺参数对玩具汽车转向器质量的影响，通过Pro/E软件建立玩具汽车转向器的三维模型，利用Plastic Advisor进行注塑过程的模流分析。1玩具汽车转向器的三维模型建立考虑玩具汽车的流线型设计，转向器具有比较复杂的曲面结构。图1为采用Pro/E软件绘制的玩具汽车转向器，尺寸为300 mm×60 mm×20 mm，壳体厚度为3 mm。从图1可以看出，玩具汽车转向器壳体是一个左右对称结构，其中，A处是与车体连接的铰链，B处和C处是玩具汽车的导向轮安装位置。该结构的曲面过度较多，结构比较复杂，并且没有镶件和抽芯结构。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F001图1玩具汽车转向器三维模型Fig.1Three-dimensional model of toy car steering gear2转向器注塑仿真2.1仿真条件设置玩具汽车转向器壳体选用性能较好的聚丙烯材料(PP)，牌号HG168，密度为0.9~0.91 g/cm3，材料的耐疲劳强度和刚度都较好。PP材料的推荐模具温度为20~60 ℃，熔体温度为220~260 ℃，最大绝对熔体温度为280 ℃，注射温度为101 ℃，最大剪切应力为0.25 MPa。因此，本次仿真中选取的初始模具温度为40 ℃，熔体温度为240 ℃，最大注射压力为180 MPa。此外，设置转向器壳体的开模方向为y方向坐标。2.2注射位置分析图2为是转向器注射位置优化图。由于转向器是对称结构，注射位置的性能也呈对称分布。从图2可以看出，转向器两侧B处和C处的注射位置最差，而中间铰链A处的注射效果最好。因而，当注射位置的个数为1时，A处是注射位置的最佳选项。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F002图2玩具汽车转向器的注射位置优化Fig.2Optimization of injection position of toy car steering gear2.3转向器的仿真结果图3为具体网格划分结果。从图3可以看出，本次网格划分纵横比为1.08，网格匹配率为97.32%，一般网格划分匹配率大于90%表明网格划分较好，可以用于仿真模拟。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F003图3网格划分图Fig.3Grid graph图4为玩具汽车转向器的注塑时间分析图。塑料熔体从注射位置向两侧逐渐扩散，最终达到最外侧导向轮安装位置。从图4可以看出，汽车转向器的总体注射时间为1.98 s。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F004图4玩具汽车转向器的注射时间Fig.4Injection time of toy car steering gear图5为玩具汽车转向器的注射压力分布。从图5可以看出，在接近注射位置的注射压力最大，为75.97 MPa；在远离注射位置的注射压力最小，为0。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F005图5玩具汽车转向器的注射压力分布Fig.5Injection pressure distribution of toy car steering gear图6为玩具汽车转向器的注射温度分布图。从图6可以看出，玩具汽车转向器各处的温度范围变化较小，基本保持在240 ℃左右。其中，汽车转向器较高温度分布在最开始注射的部位，而较低温度分布在较远的部位。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F006图6玩具汽车转向器的注射温度分布Fig.6Injection temperature distribution of toy car steering gear图7为玩具汽车转向器冷却后缩痕阴影图和缩痕云图。从图7可以看出，汽车转向器的缩痕主要集中在中间铰链附近处，而在转向器外侧基本没有缩痕。此外，转向器的缩痕最大处位于结构曲面过渡的位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F007图7玩具汽车转向器的缩痕分布Fig.7Shrink mark distribution of toy car steering gear2.4不同熔体温度对汽车转向器的影响图8为注射时间随熔体温度的变化关系。从图8可以看出，当塑料熔体温度设置为220 ℃时，汽车转向器的注射时间为2.3 s。随着熔体温度逐渐增加，注塑过程中需要的注射时间越来越短。当塑料熔体温度设置为260 ℃时，汽车转向器的注射时间为1.75 s。从整体变化趋势来看，随着注射时间的增加，熔体温度逐渐变小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F008图8注射时间随熔体温度的变化Fig.8Injection time changes with melt temperature图9为缩痕随熔体温度的变化关系。从图9可以看出，玩具汽车转向器的缩痕随熔体温度增加基本保持不变，始终保持在0.085 mm，熔体温度对于制件的缩痕影响很小，几乎忽略不计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F009图9缩痕随熔体温度的变化Fig.9Shrink mark changes with melt temperature2.5不同模具温度对汽车转向器的影响图10为得到的注射时间随模具温度的变化关系。从图10可以看出，当塑料模具温度设置为20 ℃时，玩具汽车转向器的注射时间为1.76 s。随着模具温度逐渐增加，注塑过程中需要的注射时间越来越长。当塑料模具温度设置为60 ℃时，汽车转向器的注射时间为2.18 s。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F010图10注射时间随模具温度的变化Fig.10Injection time changes with mold temperature图11为汽车转向器的缩痕随模具温度的变化关系。从图11可以看出，汽车转向器的缩痕随模具温度基本保持不变，始终保持在0.085 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F011图11缩痕随模具温度的变化Fig.11Change of shrink mark with mold temperature3生产验证通过研究分析，对制件进行实际的生产验证，在注射时间为1.98 s，注射压力为75.97 MPa，最高温度为240 ℃的成型工艺条件下，图12为玩具汽车转向器制件成品图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.05.020.F012图12制件成品Fig.12Finished product drawing4结论(1)玩具汽车转向器的最佳注射位置位于结构中心附近，总体注射时间为1.98 s，注射压力为75.97 MPa，最高温度为240 ℃，最大缩痕为0.085 mm。(2)注射时间随熔体温度的增加而减小，缩痕随熔体温度基本保持不变。(3)注射时间随模具温度的增加而增加，缩痕随模具温度基本保持不变。(4)当注射位置在结构中心时注射时间短，注射位置越接近结构外侧时注射时间越长。