碳罐是燃油蒸发控制系统(EVAP)极其重要的一部分，一般装在汽油箱和发动机之间[1]。随着环保标准的提高，作为汽车排放控制的重要部件，对碳罐提出更高的设计要求[2]。汽车碳罐主要由碳罐本体、活性炭滤芯、隔板、弹簧以及碳罐盖板组成。其中，碳罐盖板是最后的封装组件[3]，需要通过摩擦焊接与碳罐本体相接，由此焊接的可靠性直接影响碳罐总成的密封性能与爆破强度[4]。玻纤增强尼龙材料[5]具有比强度和模量较高、成型性能良好、高温稳定性优异等特点，较多地应用在电子电器壳体、发动机周边功能件。碳罐盖板通常为平板结构，主要采用玻纤增强尼龙进行注塑成型[6]。注塑成型过程往往会产生较大翘曲变形，导致碳罐盖板与本体之间难以焊接或产生较大的焊接内应力，而较大的内应力使碳罐总成在承受内压时容易发生破裂，甚至泄漏失效[7-8]。本实验以某玻纤增强尼龙的碳罐盖板为研究对象，采用计算机辅助技术对注塑成型过程进行模拟。基于推荐的工艺参数范围设计正交试验，分析各工艺参数对碳罐盖板最大翘曲变形量和质量的影响程度及规律，确定最优的注塑工艺参数组合，并通过仿真和实际试模验证可行性。1方案设计图1为某碳罐总成结构图。主要包括碳罐本体（绿色）、大气进口（红色）、大气出口（黄色）以及碳罐盖板（蓝色）。采用振动摩擦焊接方式，连接碳罐总成样品。振动摩擦焊接要求焊接面具有较好的平整度，否则会导致焊接困难或焊接内应力过大，发生泄漏或开裂，不利于碳罐稳定工作。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.017.F001图1碳罐总成结构Fig.1The structure of carbon canister assembly图2为碳罐盖板的厚度分布。盖板整体呈现平板结构，主要平面厚度均为2.0 mm，加强筋厚度为2.0 mm，安装孔厚度为5.0 mm。碳罐盖板整体厚度分布均匀，有利于注塑成型的均匀收缩，从而降低翘曲变形。考虑盖板与本体焊接良好，要求碳罐盖板的最大翘曲变形量不大于1.2 mm。并且为降低材料成本，要求碳罐盖板的质量不大于73.0 g。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.017.F002图2碳罐盖板厚度分布Fig.2Distribution of thickness of carbon canister2仿真分析2.1仿真模型采用Fusion双面网格类型对该碳罐盖板进行网格划分，图3为碳罐盖板网格模型。从图3可以看出，最大纵横比为2.5，平均纵横比为1.2，网格匹配率为91.3%，相互匹配率为92.1%，满足Moldflow软件对于Fusion双面网格类型的质量要求，可以正常进行模流分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.017.F003图3碳罐盖板网格模型Fig.3Mesh model of carbon canister cover该碳罐盖板采用30%玻纤填充的PA6材料注塑成型，推荐工艺参数顶出温度为162 ℃，模具温度范围为50~100 ℃，熔体温度范围为230~300 ℃，最大熔体温度为340 ℃，固体密度为1.38 g/cm3，熔体密度为117 g/cm3，沿玻纤取向的弹性模量为8 850 MPa，泊松比为0.41，垂直于玻纤取向的弹性模量为5 397 MPa，泊松比为0.45，剪切模量为2 299 MPa。推荐的默认工艺参数为：熔体温度为265 ℃，模具温度为75 ℃，保压压力为80%，保压时间为10 s，冷却时间为20 s。2.2浇口位置及浇注系统设计根据该碳罐盖板的尺寸及材料流动性，采用单点进胶。基于默认工艺参数，采用Moldflow浇口定位器算法分析浇口位置，图4为最佳浇口位置。从图4可以看出，靠近碳罐盖板的中部区域流动阻力较小，浇口匹配性较好，因此浇口位置为红色圆圈处。基于确定的浇口位置，建立热浇口截面尺寸为Φ2.5~Φ5 mm，圆形热流道截面尺寸为Φ5 mm，U型热流道尺寸为6 mm（宽）×4 mm（高），圆形热主流道截面尺寸为Φ3~Φ6 mm，图5为碳罐盖板的浇注系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.017.F004图4最佳浇口位置分析Fig.4Analysis of optimal gate location10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.017.F005图5碳罐盖板的浇注系统Fig.5Gating system of carbon canister cover2.3初始分析结果基于以上浇注系统设计，采用默认的初始工艺参数进行碳罐盖板的注塑成型仿真分析，图6为碳罐盖板的初始分析结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.017.F006图6碳罐盖板初始分析结果Fig.6Initial simulation results of carbon canister cover从图6a可以看出，碳罐盖板的最大翘曲变形量为1.763 mm，位于盖板两侧的中部区域，不满足设计指标要求的1.2 mm。从图6b可以看出，产品质量为75.57 g，大于设计指标要求的73.0 g。初始工艺参数分析得到的碳罐盖板最大翘曲变形量及质量均不满足设计要求，需要进行参数优化。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，影响注塑成型的主要工艺参数包含熔体温度(A)、模具温度(B)、保压压力(C)、保压时间(D)及冷却时间(E)。表1为L16(45)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.017.T001表1L16(45)正交试验因素水平设计Tab.1Factor level design of L16(45) orthogonal test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)/s125065608102265757010153280858012204295959014253.2正交试验结果表2为L16(45)正交试验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.017.T002表2L16(45)正交试验结果Tab.2Results of L16(45) orthogonal test试验编号因素最大翘曲变形量/mm质量/gABCDE1144441.36576.232122221.41975.363111111.54172.294414231.35574.025212341.13678.366331241.29275.597133331.70674.438324311.50275.129313421.57079.9610221431.68575.3111342131.30678.8412243211.48175.3813234121.20172.2714423141.97276.3515432411.11174.5516441321.57376.77k11.5071.4001.5221.5051.409k21.3751.6441.2431.3861.441k31.4171.3271.6821.4791.513k41.5031.4311.3561.4331.441k1*75.3376.1674.9973.9474.34k2*74.5875.5476.7875.0975.49k3*77.3874.2176.5376.1775.65k4*75.4276.8174.4177.5176.63R0.1320.3170.4390.1180.104R*2.802.592.373.582.30注：*为优化目标为质量时，对应的k值及R值。从表2可以看出，依据碳罐盖板的最大翘曲变形量，计算各工艺参数在不同水平下的最大翘曲变形的平均值k及极差R。极差排序为：CBADE，这五个因素的影响程度从大到小排序为：保压压力模具温度熔体温度保压时间冷却时间。图7为碳罐盖板的最大翘曲变形随不同工艺参数水平变化的曲线。从图7a可以看出，碳罐盖板的最大翘曲变形随熔体温度A的增大，呈先减小后增大的趋势。熔体温度为A2时，碳罐盖板的最大翘曲变形量为最小值。从图7b可以看出，碳罐盖板的最大翘曲变形随模具温度B的增大，呈先增大后减小再增大的趋势。模具温度为B3时，碳罐盖板的最大翘曲变形量最小。从图7c可以看出，碳罐盖板的最大翘曲变形量随保压压力C的增大，呈先减小后增大再减小的趋势。当保压压力为C2，碳罐盖板的最大翘曲变形量获得最小值。从图7d可以看出，碳罐盖板的最大翘曲变形量随保压时间D的增大，呈先减小后增大再减小的趋势。当保压时间为D2，碳罐盖板的最大翘曲变形量是最小值。从图7e可以看出，碳罐盖板最大翘曲变形随冷却时间E的增大，呈先增大后减小的趋势。冷却时间为E1时，碳罐盖板的最大翘曲变形量获得最小值。综上所述，工艺参数组合为A2B3C2D2E1时，碳罐盖板的最大翘曲变形量为最小值，对应熔体温度为265 ℃、模具温度为85 ℃、保压压力为70%及保压时间为10 s，冷却时间为10 s。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.017.F007图7最大翘曲变形与因素水平关系Fig.7Relationship between the maximum warpage deformation and factor level为确定误差对实验结果的影响，以及各工艺参数对碳罐盖板翘曲变形量的影响程度，表3为最大翘曲变形量的方差分析结果。从表3可以看出，各工艺参数F值大小排序为：CBADE，由此得出的结论和极差分析结果一致。保压压力C和模具温度B的F值均大于F0.01，故保压压力C和模具温度B对于碳罐盖板的最大翘曲变形量具有极显著影响。熔体温度A的F值小于F0.01而大于F0.05，故熔体温度对碳罐盖板的最大翘曲变形量的具有显著影响。保压时间D和冷却时间E的F值均小于F0.05，保压时间D和冷却时间E对于碳罐盖板的最大翘曲变形量的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.017.T003表3最大翘曲变形量的方差分析Tab.3variance analysis of the maximum warpage deformation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A0.09130.0304.714F0.01(3，16)=5.29F0.05(3，16)=3.24B0.44530.14823.033C0.88730.29645.867D0.06130.0203.173E0.04630.0152.403误差0.103160.006总和1.63531依据正交试验表中的碳罐盖板的质量数据，计算各工艺参数在不同水平下的质量的平均值ki*及极差R*。从表3可以看出，极差大小排序为：DABCE，故这五个注塑工艺参数对碳罐盖板的质量的影响程度从大到小排序为：保压时间熔体温度模具温度保压压力冷却时间。图8为碳罐盖板的质量随不同工艺参数水平变化的曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.017.F008图8质量与因素水平关系Fig.8Relationship between mass and factor level从图8a可以看出，碳罐盖板的质量随熔体温度A的增大，呈先减小后增大再减小的趋势。熔体温度为A2时，碳罐盖板的质量获得最小值。从图8b可以看出，碳罐盖板的质量随模具温度B的增大，呈先减小后增大的趋势。模具温度为B3时，碳罐盖板的质量获得最小值。从图8c可以看出，碳罐盖板的质量随保压压力C的增大，呈先增大后减小的趋势。保压压力为C4时，碳罐盖板的质量获得最小值。从图8d可以看出，碳罐盖板的质量随保压时间D的增大，呈逐渐增大的趋势。保压时间为D1时，碳罐盖板的质量获得最小值。从图8e可以看出，碳罐盖板质量随冷却时间E的增大，呈逐渐增大的趋势。冷却时间为E1时，碳罐盖板的质量获得最小值。综上所述，当工艺参数组合为A2B3C4D1E1，碳罐盖板的质量为最小值，对应熔体温度为265 ℃、模具温度为85 ℃、保压压力为90%及保压时间为8 s，冷却时间为10 s。为了确定误差对实验结果的影响，以及各工艺参数对碳罐盖板质量的影响程度，表4为质量的方差分析结果。从表4可以看出，各工艺参数F值大小排序为：DABCE，同样验证极差分析的结论。保压时间的F值大于F0.01，故保压时间对于碳罐盖板的质量具有极显著影响。熔体温度和模具温度的F值小于F0.01而大于F0.05，故熔体温度和模具温度对于碳罐盖板质量的影响显著。保压压力和冷却时间的F值均小于F0.05，故保压压力和冷却时间对于碳罐盖板质量的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.017.T004表4质量的方差分析Tab.4Variance analysis of mass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A56.52318.844.766F0.01（3，16）=5.29F0.05（3，16）=3.24B51.81317.274.368C37.35312.453.149D71.54323.846.032E35.94311.983.030误差63.254163.953总和274.75314参数优选与验证实际注塑成型过程中，考虑碳罐的焊接性能和材料成本，需要尽可能达到较低的最大翘曲变形量和质量。然而，各工艺参数对于碳罐盖板的最大翘曲变形量和质量的影响程度及达到较小值时的取值不相同，故需要对各工艺参数进行综合分析。对于熔体温度、模具温度和冷却时间，分别取A2、B3和E1时可使最大翘曲变形量和质量均最小，故只需分析保压压力和保压时间。对于保压压力，由于对碳罐盖板的最大翘曲变形量的影响程度最大，而对碳罐盖板的质量的影响程度偏小，故选择使碳罐盖板的最大翘曲变形量为最小值的C2。对于保压时间，由于对碳罐盖板的质量的影响最大，而对碳罐盖板的最大翘曲变形量的影响相对较小，故选用使碳罐盖板的质量为最小值的D1。综合考虑碳罐盖板的最大翘曲变形量和质量，最终得到最优工艺参数组合为A2B3C2D1E1，对应的工艺参数为：熔体温度取265 ℃、模具温度取85 ℃、保压压力取70%、保压时间取8 s以及冷却时间取10 s。基于优化工艺组合A2B3C2D1E1，图9为利用Moldflow注塑成型模拟软件计算的结果。图10为采用此优化工艺参数进行碳罐盖板注塑得到的实际样品。图9优化工艺的碳罐盖板分析结果Fig.9Simulation results of optimized parameters of carbon canister cover10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.017.F9a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.017.F9a210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.017.F9a310.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.017.F010图10碳罐盖板实际试模样品Fig.10Mold trial sample of carbon canister cover从图9a可以看出，碳罐盖板所有效应下的最大翘曲变形为0.673 2 mm，小于正交试验的最小值，相比初始工艺降低61.8%，满足设计指标要求。从图9b可以看出，碳罐盖板的质量为67.82 g，小于正交表中的最小质量，相比初始工艺降低10.3%。优化工艺参数对碳罐盖板最大翘曲变形量及质量均有较显著的优化效果，验证本实验优化分析方法的可行性。从图9c可以看出，充填过程较为均匀，无缺胶和明显的滞留效应。从9d可以看出，最大流动前沿温度与最小流动前沿温度相差4.1 ℃，小于5 ℃，说明产生明显温差线的可能性较小。从图9e和图9f可以看出，碳罐盖板的主要外观面无明显的气穴和熔接线，出现排气问题和强度降低的可能性较小。从图10可以看出，样品无填充不良和明显外观问题，可以正常与碳罐本体进行振动摩擦焊接。5结论（1）采用Moldflow浇口定位器求解器，计算分析碳罐盖板单点浇口在不同位置下的流动阻力、浇口匹配性，确定最佳的浇口位置。（2）通过极差与方差分析影响碳罐盖板的最大翘曲变形量的显著性程度为：保压压力模具温度熔体温度保压时间冷却时间，最优工艺参数组合为A2B3C2D2E1；影响碳罐盖板的质量的显著性程度为：保压时间熔体温度模具温度保压压力冷却时间，最优工艺参数组合为A2B3C4D1E1。（3）依据碳罐盖板的最大翘曲变形量与质量，综合分析得到最终的优化工艺参数组合为A2B3C2D1E1。仿真模拟结果显示：工艺优化使碳罐盖板的最大翘曲变形量及质量分别降低61.8%、10.3%，优化效果显著。实际试模结果显示：试模样品外观良好，满足振动摩擦焊接要求，该优化工艺参数组合可用于实际生产。