电气控制系统通过若干电气元件组成，实现对某个或某些对象的控制，从而保证被控设备安全、可靠运行[1]。而电气控制盒作为电气控制系统的重要零部件，需要具备较高的尺寸精度以保证电路板长期稳定地工作[2]。玻纤增强聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)材料由于具有优异的力学性能、尺寸稳定性、阻燃和绝缘性能，在电子电器产品中应用较为广泛[3-4]。本实验以一款玻纤增强PBT材料的电气控制盒为研究对象，基于模流分析模拟其注塑成型过程，并对关键的电路板安装区域的翘曲变形和平面度进行分析，得到影响该区域翘曲变形的主要因素。采用正交试验法探究影响该区域平面度各工艺参数的程度和规律。最终得到平面度最小的最优工艺组合，并通过模流分析验证可行性。1塑件分析1.1结构分析图1为电气控制盒三维结构，长度为230 mm，宽度为160 mm，高度为47 mm，模型呈半封闭盒状结构，由周边三个螺栓安装孔进行固定。从图1c可以看出，关键的电路板安装区域由八个螺丝柱安装固定，以保证电路板的有效安装和正常使用，要求该区域八个螺丝柱上端的平面度小于0.05 mm，且越小越好。图1电气控制盒三维结构Fig.1Three-dimensional structure of electrical control box10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.F1a1（a）正面10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.F1a2（b）背面10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.F1a3（c）电路板安装区域图2为产品壁厚分布，模型最大壁厚为6.0 mm，位于周边安装孔区域，最小壁厚为0.5 mm，位于加强筋末端，主体壁厚较均匀，有利于降低整体平整度。此产品重点要求安装电路板区域具有较低的翘曲变形和平面度，且对熔接线、缩痕等外观要求不高，产品无欠注和明显飞边即可。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.F002图2壁厚分布Fig.2Distribution of thickness1.2材料特性玻纤增强PBT-G10由于具有较好的刚强度、尺寸稳定性、绝缘阻燃等性能，常用于电子电器零件中，表1为其材料注塑成型推荐工艺及力学性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.T001表1材料参数Tab.1Material parameters工艺参数数值顶出温度/℃160模具温度/℃70~90模具表面温度/℃80熔体温度/℃260~280剪切速率最大值/s-150000剪切应力最大值/MPa0.40固体密度/（g‧cm-3）1.29弹性模量E1/MPa4500弹性模量E2/MPa2590泊松比v120.41泊松比v230.53剪切模量E1/MPa860图3为该材料与成型性能相关的PVT曲线和黏度曲线。PVT曲线是材料的本质属性，不会随成型条件而改变。从图3a可以看出，该材料在相同温度下的比容随压力的降低呈现近似线性增加，150 ℃以下，随着温度的增加比容几乎呈线性增加。黏度曲线表征材料在不同温度条件下剪切变稀的特性，对其在螺杆中的加热塑化以及模具中的快速填充过程有着关键的影响。从图3b可以看出，该材料在100 s-1以内的低温条件下，剪切速率的增加对黏度的影响较小，而当剪切速率达到1 000 s-1以上，其黏度随剪切速率的增加呈现明显下降。图3材料的PVT曲线及黏度曲线Fig.3PVT curves and viscosity curves of the material10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.F3a1（a）PVT曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.F3a2（b）黏度曲线1.3进胶系统设计为了尽可能保证电路板安装区域的填充顺畅和有效保压，在靠近电路板区域的产品中部布置两个热浇口，图4为浇口位置及进胶系统尺寸。针阀热浇口布置在加强筋交汇处，且增加较厚的一段圆柱体，避免主体结构未充分填充时浇口冻结，有利于整体结构的保压补缩。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.F004图4进胶系统Fig.4Injection system2初始模流分析2.1网格模型根据产品结构特征，采用双层面网格类型进行网格划分。双面网格质量需重点保证较小的纵横比和较高的匹配率，同时网格数量越少越有利于快速计算。表2为最终经过质量修复后达到的质量指标，网格质量满足工程计算的要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.T002表2网格质量Tab.2Meshing quality参数数值网格边长/mm1.5网格数目223452最大纵横比5.93最小纵横比1.70平均纵横比2.04匹配百分比/%92.5相互百分比/%93.2图5为最终完成的电气控制盒的双面网模型，网格无重叠、交叉单元、自由边等缺陷，可进行模流分析计算。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.F005图5网格模型Fig.5Mesh model2.2纤维取向模型转扩散率Dr为：Dr=CIγ˙ （1）式（1）中：CI为纤维相互作用系数；γ˙为广义剪切速率；CI为纤维浓度。Bay在实验的基础上提出拟合函数：CI=0.0184exp(-0.7148ϕfLD) （2）该结果体现浓悬浮液中纤维相互作用的屏蔽效应。Ranganathan和Advani提出使用Doi-Edwards理论模型：CI=Kac/L （3）式（3）中：K为比例常数；ac为平均纤维间距。此模型中，纤维相互作用取决于取向状态。而对于黏弹性悬浮液，Ramazani进行了修正：CI=Kac/L1(a:c)n （4）式（4）中：c为聚合物结构张量；n为常数。根据该模型，随着聚合物在纤维取向方向上拉伸，纤维相互作用会减弱。Park等[5]采用上式建立了黏弹性介质中纤维悬浮的流变模型，发现纤维和聚合物之间的耦合作用仅在高剪切速率条件下占主导地位。由于PBT-GF10材料中玻纤含量较少且为短玻纤，故采用旋转扩散纤维取向计算模型，具有较高计算精度和效率。2.3结果分析采用“填充+保压+翘曲”分析序列对电气控制盒注塑成型过程进行模拟。初始分析采用默认的工艺参数，其中熔体温度为270 ℃，模具温度为80 ℃，保压压力为50 MPa，保压时间为15 s，冷却时间为20 s。图6为计算产品所有效应变形及不同因素下的翘曲变形。从图6可以看出，所有效应导致的翘曲变形为3.159 mm，且收缩不均和角效应导致的翘曲变形量相对较大，分别为2.133 mm和1.808 mm，可初步认为引起产品翘曲变形的主要因素为收缩不均和角效应。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.F006图6产品翘曲变形结果Fig.6Warpage deformation results of product图7为产品电路板安装区域的翘曲变形结果。将引起翘曲变形的不同因素进行分离，判断各因素影响程度。该区域所有效应下的最大翘曲变形量为0.558 2 mm，收缩不均引起的最大翘曲变形量为0.573 4 mm，取向效应引起的最大翘曲变形量为0.240 8 mm，角效应引起的最大翘曲变形量为0.107 9 mm。收缩不均引起的最大翘曲变形量明显大于其他因素，得到引起电路板安装区域最大翘曲变形量的主要因素为收缩不均。采用Moldflow的Flatness宏功能计算得到8个螺丝柱上端的平面度为0.068 36 mm，该值明显大于指标要求，超过指标要求36.72%，需要进行平面度优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.F007图7局部翘曲变形结果Fig.7Local warpage deformation results3平面度优化3.1正交试验设计收缩不均引起电路板区域产生较大翘曲变形的主要因素，取决于注塑成型过程中的工艺参数，主要包含熔体温度、模具温度、保压时间、保压压力和冷却时间。通过优化工艺参数有效控制注塑成型收缩过程，降低翘曲和平面度。采用L16(45)正交试验法研究熔体温度(A)、模具温度(B)、保压压力(C)、保压时间(D)、冷却时间(E)对电路板安装区域平面度的影响。分别在材料推荐参数范围内均匀取四个水平，表3为L16(45)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.T003表3L16(45)正交试验因素水平设计Tab.3L16(45) orthogonal test factor and level design水平因素熔体温度(A)/℃模具温度(B)/℃保压压力(C)/%保压时间(D)/s冷却时间(E)/s126575405152270805010203275856015254280907020303.2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，各因素下的极差大小排序为：RDRERBRARC，故各因素对平面度的影响程度由大到小为：DEBAC，即保压时间、冷却时间、模具温度、熔体温度及保压压力。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.T004表4L16(45)正交试验结果Tab.4L16(45) orthogonal test results试验编号因素平面度/mmABCDE1144440.063192122220.054323111110.042654414230.051985212340.046126331240.053987133330.047838324310.061929313420.0603410221430.0482111342130.0417712243210.0568013234120.0465314423140.0424415432410.0679816441320.05725k10.052000.050270.051290.043350.05551k20.049820.051720.052550.054270.05461k30.050270.054080.051850.052270.04719k40.053240.054750.054370.063840.05143R0.003430.004480.003070.020490.00832图8为不同工艺参数下的平面度与水平的关系曲线。从图8a可以看出，平面度随熔体温度的变化呈现先减小后增大的趋势。熔体温度为A2时，平面度最小。从图8b可以看出，平面度随模具温度升高呈递增的关系。模具温度为B1时，平面度最小。从图8c可以看出，平面度随保压压力的增加呈先增加后减小再增加的趋势。保压压力为C1时，平面度最小。从图8d可以看出，平面度随保压时间的增加呈先增加后减小再增加的趋势。保压时间为D1时，平面度最小。从图8e可以看出，平面度随冷却时间的增加呈现先降低后增加的趋势。冷却时间为E3时，平面度最小。综合以上各因素对平面度影响趋势的分析，得到平面度最小的理论最优工艺参数组合为A2B1C1D1E3。该工艺组合不在表4的正交试验表中，需进行重复试验。图8因素水平与平面度Fig.8Factor level and flatness10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.F8a1（a）熔体温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.F8a2（b）模具温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.F8a3（c）保压压力10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.F8a4（d）保压时间10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.F8a5（e）冷却时间各组工艺参数组合进行一次重复试验，表5为重复试验方差分析结果。从表5可以看出，F值大小排序为：DEBAC，反映各因素对于平面度的影响程度大小排序为：保压时间冷却时间模具温度熔体温度保压压力，这与极差分析结果一致。保压时间、冷却时间及模具温度的F值大于F0.01，说明保压时间、冷却时间及模具温度对平面度具有极其显著的影响；熔体温度F值小于F0.01而大于F0.05，说明熔体温度对平面度具有显著影响，而保压压力的F值小于F0.05，说明保压压力对平面度没有显著影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.T005表5L16(45)方差分析Tab.5L16(45) variance analysis离差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和F值F临界值A884.6329.494.982F0.01(3,16)=5.29F0.05(3,16)=3.24B10.22334.075.757C568.1318.943.199D1.15033.83464.772E43.5131.45024.504误差947.0165.919总和1.927314模拟验证对A2B1C1D1E3工艺参数组合下产品的注塑成型过程进行模拟及平面度计算。图9为仿真计算得到电路板安装区域的翘曲变形结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.F009图9推荐工艺参数组合下的翘曲变形分析结果Fig.9Warpage deformation analysis results under recommended process parameters combination从图9可以看出，所有效应下的最大翘曲变形量为0.299 6 mm，与初始工艺参数下的最大翘曲变形量相比降低46.3%。收缩不均引起的最大翘曲变形0.301 6 mm，与初始工艺参数下的最大翘曲变形量相比降低47.4%。取向效应引起的最大翘曲变形0.245 0 mm，与初始工艺参数下的最大翘曲变形量相比增加1.7%。角效应引起的最大翘曲变形0.160 0 mm，与初始工艺参数下的最大翘曲变形量相比增加48.3%。该工艺参数组合下收缩不均引起的电路板安装区域的最大翘曲变形量明显下降，虽然其他效应引起的最大翘曲变形量有所增加，但所有效应下的最大变形量下降明显。计算得到该理论最优工艺参数组合下平面度为0.038 26 mm，小于正交试验的最小平面度0.041 77 mm，验证A2B1C1D1E3的确为平面度最小的最优工艺参数组合。该工艺参数组合的平面度值相比初始工艺参数组合的平面度值降低44.0%，证实工艺优化显著降低平面度。因此，最优的工艺参数条件为：熔体温度270 ℃、模具温度75 ℃、保压压力40 MPa、保压时间5 s、冷却时间25 s。理论最优的工艺参数组合的最小平面度得到验证后，仍需对该产品注塑成型的合理性进行验证。图10为模流分析得到的各关键结果。从图10可以看出，最优工艺参数组合下产品的最大总翘曲变形量为2.058 mm，相比初始关于下降34.9%。充填过程顺畅，无缺胶及明显的滞留现象。最大流动前沿温度与最小流动前沿温度相差2 ℃，由于安装电路板区域的限位板顶端厚度较薄，导致较小的前沿温度，较小的温度变化认为浇口数量及位置较合理。纤维取向张量在产品加强筋等特征结构末端较大，而在平整区域分布较均匀。玻纤在电路板安装区域没有明显的取向性，一定程度降低翘曲变形。综上所述，该优化工艺参数下产品注塑成型的填充过程及翘曲变形均满足实际注塑成型生产的要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.F010图10最优工艺参数下的模拟结果Fig.10Simulation results under optimal process parameters图11为连续打样至状态稳定后的实际试模样品，注塑样品无缺胶、银丝、气痕等外观缺陷，且电路板可以正常安装，符合生产要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.019.F011图11试模样品Fig.11Sample of molding test5结论（1）基于默认的初始工艺参数，得到产生翘曲变形的主要原因为收缩不均。正交试验结果表明：各工艺参数对平面度的影响程度的排序由大到小为保压时间冷却时间模具温度熔体温度保压压力，得到理论上平面度最小的工艺参数组合为A2B1C1D1E3。（2）最优工艺参数组合下的平面度为0.038 26 mm，相比初始工艺参数下的平面度降低44.0%，平面度优化效果显著并达到设计指标要求。（3）优化工艺参数组合下，模流分析结果显示成型过程较为合理，故可采用该优化工艺进行实际注塑成型。