近年来，由于CAE模拟技术的升级和国外先进技术的引进，我国注塑模具水平得到明显提高。在数量、质量和技术方面均取得长足发展[1-2]。在塑料产品的注塑成型过程中，产品的设计及优化过程较为复杂，传统注塑成型需要进行反复试模以提高产品精度，导致制造成本高、生产效率低的缺点。而现代注塑成型过程中，多采用CAE模拟技术[3]，在实际生产之前，先对产品模型进行仿真分析，减少试模次数，提高产品精度，有效缩短生产周期[4-6]。随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。家庭火灾一旦发生，很容易出现扑救不及时、灭火器材缺乏及在场人惊慌失措、逃生迟缓等问题，导致重大生命财产损失。探讨家庭火灾的特点及防火对策，对于预防家庭火灾，减少火灾损失具有现实意义。烟雾报警器的广泛使用，可有效减少火灾所造成的严重损失。很多学者对烟雾报警器注塑成型做出研究，何媛等[7]以家用烟雾报警器为对象，结合相关可行性技术，对产品功能、结构、形态及界面进行创新设计，给出设计方案，为相关产品设计提供设计参考。马岩等[8]基于动车组的烟雾报警器作出研究，介绍几种常见的烟雾报警器。本实验以烟雾报警器外壳为研究对象，基于正交试验与CAE模拟技术对烟雾报警器外壳进行“冷却+填充+保压+翘曲”分析，得到产品产生翘曲变形的主要原因，并对其工艺参数进行优化分析，得出最优的工艺参数组合，以达到降低产品翘曲变形量，提高产品精度、减少试模次数的目的[9-10]。1塑件分析1.1结构分析图1为烟雾报警器外壳各视角三维模型，模型最大直径为105 mm，高47.5 mm，模型多加强筋。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.F001图1烟雾报警器外壳的模型结构图Fig.1Model structure diagram of the smoke alarm housing图2为壁厚诊断云图，模型最大壁厚为4 mm，壁厚较为均匀。此产品所要求成型精度较高，所以在注塑成型过程中要严格把控产品质量，避免翘曲变形程度过大，气穴、熔接线的产生等。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.F002图2壁厚云图Fig.2Wall thickness cloud map1.2材料特性烟雾报警器外壳材料选用Techno Polymer制造商生产的ABS(NC100G20)。表1为材料注塑成型推荐工艺，其中，顶出温度为88 ℃，模具温度为25~80 ℃，模具表面温度为50 ℃，熔体温度为200~280 ℃，剪切速率最大值为12 000 s，剪切应力最大值为0.28 MPa。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.T001表1推荐工艺Tab.1Recommended process项目数值顶出温度/℃88模具温度/℃25~80模具表面温度/℃50熔体温度/℃200~280剪切速率最大值/s-112 000剪切应力最大值/MPa0.282初始分析2.1分析前处理表2为修复完成后网格划分情况。从表2可以看出，网格划分结果满足分析要求。图3为烟雾报警器网格模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.T002表2网格划分结果Tab.2Meshing results项目数值网格边长/mm2.17网格数目27 540最大纵横比5.88最小纵横比1.16平均纵横比1.78匹配百分比/%95.00相互百分比/%93.0010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.F003图3烟雾报警器外壳的网格模型Fig.3Mesh model of the smoke alarm housing2.2最佳浇口位置分析借助CAE模拟技术对烟雾报警器外壳模型进行最佳浇口位置分析，图4为分析结果，其中，蓝色区域代表浇口匹配性较好区域，红色区域代表浇口匹配性较差区域。此分析结果仅提供浇口位置建议，具体浇口设置情况应综合考虑模具设计、冷却系统设计、产品外观要求等因素。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.F004图4浇口匹配性Fig.4Gate matching2.3浇注系统与冷却系统的建立通过CAE模拟技术分析，潜伏式浇口具有进料位置比较灵活、塑件分型面不会留有进料口痕迹、兼备点浇口的优点，同时，具备大水口的简单外形、成型时不会在塑件表面产生由于喷射带来的喷痕和气纹等问题[11]。综合考虑产品外观以及模具设计等因素，浇注系统选择潜伏式浇口，浇口始端直径为1.5 mm，末端直径为4 mm，潜伏式浇口所需的零件柱体截面直径为2.5 mm，冷却水温为25 ℃。由于模型尺寸并不是很大，为降低开模次数，提高生产效率，采用一模两腔的生产方式。冷却系统采用随行流道，管道直径为10 mm，水管与模型间的距离为15 mm，单腔进水口数目为2。图5为烟雾报警器外壳模型所设计的浇注系统及冷却系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.F005图5浇注系统和冷却系统设置情况Fig.5Gating system and cooling system settings2.4分析结果模型浇注系统与冷却系统建立完成后，开始对模型进行注塑成型模拟分析，在工艺参数设置中所有参数均采用系统默认值，其中，熔体温度为230 ℃，开模时间为5 s，“注射+保压+冷却时间”为30 s，保压压力为最大填充压力的80%，保压时间为10 s。图6为分析结果。图6翘曲变形分析结果Fig.6Results of warpage deformation analysis10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.F6a1(a)所有效应10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.F6a2(b)冷却不均10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.F6a3(c)收缩不均10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.F6a4(d)取向效应从图6可以看出，模型综合因素影响下初始变形量为0.572 0 mm，由于冷却不均引起的变形量为0.041 9 mm，变形量较小，即冷却系统设置基本满足注塑成型要求。由于收缩不均引起的变形量为0.551 3 mm，变形量较大，即引起模型翘曲变形的主要因素为收缩不均。收缩不均又称为区域性收缩，是由塑件厚度变化较大、浇口位置不合理、成型工艺参数设置不合理等原因造成。在降低由于收缩不均所导致的翘曲变形的方法中，成本最低、操作最简单的方法为调整成型工艺参数。3正交试验设计及成型工艺参数优化3.1正交试验设计本实验选用五因素四水平正交试验方案，影响模型翘曲变形量的因素有很多，选取对模型翘曲变形量影响较大的5个注塑成型工艺参数进行正交试验分析，分别为熔体温度(A)、模具温度(B)、保压压力(C)、保压时间(D)、冷却时间(E)。表3为L16（45）正交试验因素水平设计表。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.T003表3L16（45）正交试验因素水平设计Tab.3Design of L16（45） orthogonal experimental factor and level水平因素熔体温度（A）/℃模具温度（B）/℃保压压力（C）/MPa保压时间（D）/s冷却时间（E）/s12004011010.01522205012012.52032406013015.02542607014017.5303.2正交试验结果分析表4为L16（45）正交试验结果。从表4可以看出，翘曲变形量最小的为第11组试验，翘曲变形量为0.183 2 mm，与初始变形量相比降低67.97%，产品精度显著提高，其工艺参数组合为A3B4C2D1E3。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.T004表4L16（45）正交试验结果Tab.4L16（45） orthogonal experimental results试验编号因素翘曲变形量/mmABCDE1144440.22512122220.27523111110.33144414230.28615212340.24776334240.24067133330.31298321310.32719313420.276910221430.215711342130.183212243210.189413234120.197814423140.254215432410.276516441320.4305表5为极差分析结果。从表5可以看出，对翘曲变形量产生影响的因素由大到小依次为RARCRDRERB，即熔体温度对翘曲变形量的影响最大，模具温度对翘曲变形量的影响最小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.T005表5极差分析结果Tab.5Range analysis results水平A/℃B/℃C/MPaD/sE/sk10.28620.28550.32620.24160.2811k20.21270.26810.24560.24780.2951k30.25700.25700.25840.32960.2495k40.31180.25710.23740.24860.2419R0.09910.02850.08880.08800.05324模拟验证图7为最优工艺参数下的模拟结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.F007图7最优工艺参数下的模拟结果Fig.7Simulation results under optimal process parameters从图7可以看出，最大翘曲变形量随着熔体温度(A)的增加先减小后增大，并在A2时达到最低值；随着模具温度(B)的增加逐渐降低再增加，在B3时达到最低值；随着保压压力(C)的增加先减小后增大再减小，并在C4时达到最低值；随着保压时间(D)的增加先增加后减小，并在D1时达到最低值；随着冷却时间(E)的增加先增加后减小，并在E4时达到最低值，因此，正交试验分析得出的最优组合为A2B3C4D1E4。即熔体温度220 ℃、模具温度60 ℃、保压压力140 MPa、保压时间10.0 s、冷却时间30 s。图8为最优工艺参数条件下的模拟试验结果。从图8a可以看出，最优工艺参数组合下的综合因素影响翘曲变形量为0.183 0 mm，产品精度较高。从图8b可以看出，气穴较小且数目少，可通过外部排气排除。从图8c可以看出，熔接线程度较低，满足外观要求。从图8d可以看出，冷却回路温度差为1.17 ℃，温度差较低，冷却效果较好。因此，最优工艺参数满足生产需求，可用于实际生产。图8最优工艺参数下的模拟结果Fig.8Simulation results under optimal process parameters10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.F8a1（a）所有效应翘曲变形10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.F8a2（b）气穴10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.F8a3（c）熔接线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.F8a4（d）回路冷却液温度图9为试模所得样品。从图9可以看出，样品无明显外观缺陷且翘曲变形量在误差允许范围之内，满足生产要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.020.F009图9试模样品Fig.9Trial sample5结论（1）在默认工艺参数设置下进行“填充+保压+冷却+翘曲”分析，得到初始翘曲变形量为0.572 0 mm，且产生翘曲变形的主要原因为收缩不均。（2）针对产品产生翘曲变形的原因，通过正交试验对工艺参数优化，并对正交试验结果分别进行极差分析，各组极差分析最终所得结果表明，各工艺参数对翘曲变形量的影响程度最大的为熔体温度、最小的为模具温度。（3）对比初始翘曲变形量以及正交试验所得翘曲变形量可知，最小的翘曲变形量对应的工艺参数组合为A2B3C4D1E4，即熔体温度220 ℃、模具温度60 ℃、保压压力140 MPa、保压时间10.0 s、冷却时间30 s，对应的翘曲变形量为0.183 0 mm，与初始翘曲变形量相比，降低68.01%，产品精度显著提高，满足模具设计中翘曲变形量的要求。