一氧化碳气体是合成气和各类煤气的主要组分，是有机化工的重要原料，但一氧化碳含量过高时，容易导致头痛、头晕、全身乏力、心动过速、短暂昏厥等情况发生，严重时，会引起心肌损伤、心血管系统异常等。因此，需要采用一定的方法对一氧化碳进行检测。一氧化碳检测仪是通过将一氧化碳的含量和设定值进行比较，将浓度差值转化为电信号后，由高亮度液晶显示屏输出，得到一氧化碳浓度[1]。一氧化碳浓度检测仪由内部原件和塑料外壳组成，其中，塑料外壳起到保护一氧化碳检测仪免受外部冲击干扰的作用，因此，对外壳的优化分析至关重要。本实验以某型一氧化碳检测仪外壳为实例，对其外壳进行模具流道系统及冷却系统优化设计，同时通过正交试验，分析影响制品翘曲变形量的关键性因素，从而实现对一氧化碳检测仪外壳的优化设计。1一氧化碳检测仪外壳的结构分析图1为某一氧化碳检测仪的三维模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F001图1一氧化碳检测仪示意图Fig.1Schematic diagram of carbon monoxide detector一氧化碳检测仪外壳主要由上盖和底座组成，上盖尺寸100 mm×50 mm×18 mm，底座尺寸100 mm×50 mm×10 mm，且上下盖的厚度均为2 mm，属于薄壁制品。从图1可以看出，一氧化碳检测仪的外壳包括螺钉孔、分型面和流线曲面等。实际生产中，为节约制造成本，提高生产效率，该模具设计为一模两腔。2基于Moldflow的模具优化设计网格划分是进行模流分析的基础，其质量直接影响分析精度[2]。由于检测仪结构简单、壁厚均匀，因此采用双层面网格，图2为网格划分结果。外壳整体面积为295.85 cm2，平均纵横比为1.65，匹配百分比92%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F002图2网格划分Fig.2Mesh generation2.1浇注系统设计浇注系统具有传输介质的功能，对制品质量影响较大[3]。通过Moldflow分析浇口位置的匹配性，得到浇口的最佳位置，图3为流动阻力分析结果。从图3可以看出，越靠近蓝色区域，流动阻力越小，表示熔体在填充过程中受到的阻力越小，故蓝色区域代表浇口的最佳位置，红色区域代表浇口位置最差的区域。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F003图3流动阻力Fig.3Flow resistance综合分析一氧化碳检测仪外壳的结构特性，结合模流分析所得最优浇口的位置，采用一模一腔各双点浇口进料设计，图4为具体浇口位置。从图4可以看出，最佳浇口位置位于外壳上下件的中心位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F004图4浇口位置Fig.4Gate location基于最优的浇口位置，进行检测仪外壳模具的流道系统设计。浇注系统入口处拔模角为3°，入口直径为3 mm，其余流道直径均为6 mm。顶部浇口为阶梯圆柱形状，长度为1 mm，图5为最终浇注系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F005图5浇注系统Fig.5Gating system2.2冷却系统设计冷却在整个成型周期中占比较大，且对制品的收缩、翘曲都有较大影响。因此，冷却系统设计在整个模具设计中占有重要地位[4]。为得到较好的冷却效果，冷却水管沿分型面对称分布，采用3根冷却水管，彼此中心距离为30 mm，图6为冷却系统布置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F006图6冷却系统Fig.6Cooling system2.3翘曲分析基于Moldflow仿真实验，观察制品在完成保压工艺后的翘曲变形。图7为检测仪上盖与底座的翘曲分析结果。图7检测仪外壳制品翘曲分析结果Fig.7Analysis results of warpage of detector shell products10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F7a1（a）所有效应下制品的翘曲变形10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F7a2（b）冷却不均下制品的翘曲变形10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F7a3（c）收缩不均下制品的翘曲变形10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F7a4（d）取向效应下制品的翘曲变形其中，熔体温度设定为230 ℃、开模时间设定为5 s、工艺成型时间设定为30 s、充填压力设定为85%。从图7a可以看出，在所有效应影响下，检测仪的最大翘曲变形量为0.900 3 mm；从图7b可以看出，在冷却不均影响下，检测仪的最大翘曲变形量为0.032 9 mm，影响较小；从图7c可以看出，收缩不均效应下，制品的最大翘曲量为0.893 3 mm；从图7d可以看出，取向效应对检测仪的翘曲变形影响最小，最大翘曲变形量仅为1.819×10-9 mm，影响可以忽略不计。3正交试验优化分析影响薄壁制品翘曲的主要因素分别是熔体温度、充填压力和开模时间[5-6]。采用L9(33)正交试验法研究熔体温度(A)、充填压力(B)和开模时间(C)对检测仪外壳翘曲变形的影响，根据材料的加工属性确定工艺参数范围。熔体温度为210~250 ℃，填充压力为70~100 MPa，开模时间为4~6 s[7-9]。表1为L9(33)正交试验因素水平设计。表2为L9(33)正交试验极差分析结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T001表1L9（33）正交试验因素水平设计Tab.1L9（33） orthogonal test factor level design水平因素熔体温度（A）/℃充填压力（B）/MPa开模时间（C）/s121070422308553250100610.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T002表2L9（33）正交试验极差分析结果Tab.2L9（33） orthogonal test range analysis results实验编号因素翘曲变形量/mmABC125010040.82222108560.94632507060.883421010050.937523010060.88562508550.83472308540.90182307050.94792107040.980k10.9540.9370.901k20.9110.8940.906k30.8460.8810.905R0.1080.0550.005为更加直观地表示工艺参数对翘曲变形的影响趋势，图8为不同因素对综合翘曲的影响效应图。从图8可以看出，熔体温度对检测仪外壳的翘曲变形量影响较大，翘曲变形量随熔体温度的增大而急剧减小，当熔体温度为A3时，翘曲变形量最小；填充压力对检测仪外壳的翘曲变形量影响次之，翘曲变形量随填充压力的增大逐渐减小，当填充压力为B3时，翘曲变形量最小；开模时间对检测仪外壳的翘曲变形量影响最小，随着开模时间的增大，翘曲变形量先增大，后保持基本不变。当开模时间为C1时，翘曲变形量最小。因此产生最小翘曲变形量的最佳工艺参数为：熔体温度250 ℃、充填压力100 MPa和开模时间4 s。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F008图8不同因素对综合翘曲的影响效应Fig.8Effect of different factors on the comprehensive warpage表3为L9(33)正交试验方差分析结果。从表3可以看出，熔体温度对检测仪的翘曲变形量的影响极显著；充填压力对检测仪的翘曲变形影响显著；开模时间对制品的翘曲变形影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T003表3L9（33）正交试验方差分析结果Tab.3L9（33） orthogonal test variance analysis results因素离差平方和（SS）自由度（df）均方值（MS）F值F临界值A0.0177220.00886205.56F0.05（2，2）=19.000，F0.01（2，2）=99.000B0.0050620.0025358.72C0.0000420.000020.47误差0.0000920.00004图9为将优化后的工艺参数组合代入Moldflow进行验证的实验结果。从图9a可以看出，所有效应综合影响下，检测仪的最大翘曲变形量为0.822 2 mm，相比于优化前的工艺参数组合降低8.67%，同时，从云图上观察检测仪结构的外围及中心的翘曲变形量都降低。从图9b可以看出，冷却不均影响下，检测仪的最大翘曲变形量为0.037 1 mm，相比优化前，反而增长12.8%。从图9c可以看出，收缩不均影响下，检测仪的最大翘曲量为0.814 7 mm，与优化前相比降低8.8%，同时，从云图上观察，检测仪的最大翘曲量的变化幅度更平缓。从图9d可以看出，优化后取向效应对检测仪结构的影响仍然很小，可以忽略不计。图9正交优化后外壳的翘曲分析云图Fig.9The warpage analysis cloud diagram of the shell after orthogonal optimization10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F9a1（a）所有效应下制品的翘曲变形10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F9a2（b）冷却不均下制品的翘曲变形10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F9a3（c）收缩不均下制品的翘曲变形10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F9a4（d）取向效应下制品的翘曲变形图10为检测仪产品实物图。从图10可以看出，产品翘曲变形量较小，无明显缺陷，符合大规模生产的要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F010图10检测仪产品Fig.10Detector products4结论基于Moldflow对某型一氧化碳检测仪外壳的浇注和冷却系统进行优化设计，以熔体温度、充填压力和开模时间为三因素建立正交试验，优化分析影响检测仪外壳翘曲变形的因素。结果表明：经过优化后的最优参数组合为熔体温度250 ℃、充填压力100 MPa和开模时间4 s。熔体温度对检测仪的翘曲变形量的影响极显著；充填压力对检测仪的翘曲变形影响显著；开模时间对制品的翘曲变形影响不显著。利用正交优化后的工艺参数组合可以使得检测仪外壳综合翘曲变形量降低8.67%，制品出现翘曲变形现象得到大幅度改善，制品整体质量显著提高。