数字高清投影仪具有技术成熟、成像清晰、色彩饱满、还原度高和使用寿命长等特点，被应用于课堂教学、办公开会、主体演讲、市场宣传和应急指挥等领域[1]。数字高清投影仪主要由光学系统、通风部件、PCB电路和外部塑料壳体构成。光学系统和PCB电路构成成像系统，通风部件为了保证投影仪工作温度处于合理区间，外部的塑料壳体能够起支撑内部的各种电子元器件和调节投影高度和角度的作用[2]。数字高清投影仪的外部塑料壳体通常通过注塑成型而成，为了提高成型的质量，减少加工缺陷，需要对注塑工艺参数进行优化设计。本实验以某型号数字高清投影仪为实例，基于计算机辅助技术，采用极差分析和方差分析对加工工艺参数进行优化。1产品结构分析及材料选择1.1结构分析图1为某型号数字高清投影仪的三维模型。下壳体的外形尺寸为268 mm×70 mm×190 mm，下壳体的尺寸较大，包含孔、凹槽和圆角等部件。考虑数字投影仪在使用时内部的电子器件会产生大量的热量，因此壳体需要具有一定的耐高温能力。为保证内部各个零件的安装，壳体在注塑成型时应保证尺寸在合理范围内[3]。从视觉和触觉角度衡量，成型壳体应保证表面光滑、无毛刺。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.015.F001图1数字投影仪及其下壳体模型Fig.1Digital projector and its lower shell model1.2材料选择注塑成型常用的材料为反复可熔的热塑性材料，主要包括聚丙烯(PP)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)和聚碳酸酯(PC)材料。根据数字高清投影仪的使用环境，选择注塑材料为Monsanto Kasei制造商的ABS塑料[4]。表1为ABS材料工艺参数。此材料的弹性模量为4 500 MPa，泊松比0.4，剪切模量1 607 MPa，具有较好的耐高温的能力，优良的力学性能，能够抵抗一定的冲击和拉压力，并且具有优良的耐磨性，良好的绝缘性能，较好的尺寸稳定性，较小的收缩率[5]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.015.T001表1ABS材料工艺参数Tab.1Process parameters of ABS material工艺参数数值工艺参数数值模具表面温度/℃50熔体温度最小值/℃200熔体温度/℃220绝对最大熔体温度/℃320模具温度最大值/℃80顶出温度/℃88模具温度最小值/℃25最大剪切应力/MPa0.28熔体温度最大值/℃280最大剪切速率/s-1120002初始分析2.1分析前处理网格划分是模流分析的基础。由于Moldflow不具备建模能力，因此，需要在三维建模软件Creo中将模型转化成“.stl”文件[6-7]，再导入Moldflow软件。选择双层面类型的网格，图2为网格划分结果。从图2可以看出，得到12 884个三角形单元，纵横比最大值为7.75、最小值为1.16和平均值为1.59，匹配百分比为94.4%，相互百分比为94.0%，适合双层面分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.015.F002图2网格划分结果Fig.2Meshing results2.2浇注系统设计浇注系统是将塑料熔体从注射机送至模具型腔的通道，影响塑件的质量和成型品质[8]。浇口位置是浇注系统的关键部分，在Moldflow中进行浇口位置分析，图3为浇口匹配性分析结果，浇口位置为图中所示的黄色圆形处。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.015.F003图3浇口匹配性及浇口位置Fig.3Gate matching and gate location由于浇口位置分析结果仅提供参考和建议，具体浇口位置需要根据实际情况判定。考虑塑件尺寸较大，保留图中最佳浇口位置前提下，为了保证填充的充足性，采用双浇口形式。根据选择的浇口位置，设计浇注系统。图4为最终的浇注系统。设定主流道的入口直径为3.5 mm，长度为80 mm，拔模角为3°。流道的直径设计为7 mm，竖直流道的底部直径为7 mm，拔模角为3°，顶部浇口的始端直径为7 mm，末端直径为1 mm，长度为1 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.015.F004图4注塑系统Fig.4Injection system2.3冷却系统设计完整的成型周期中，模具的冷却时间占一半以上。模具的冷却主要是为了保证模具各处的温度均匀，防止受热不均而导致塑件发生较大的翘曲变形和收缩率等缺陷[9-10]。图5为冷却系统设计。设定冷却水管直径为8 mm，水管与零件间隔25 mm，冷却管道数量为8个。采用沿塑件对称布置的方式，管道中心间的距离为30 mm，零件外间隔100 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.015.F005图5冷却系统Fig.5Cooling system2.4注塑分析设置初始工艺参数为：模具表面温度50 ℃，熔体温度220 ℃，充填压力80%，冷却时间20 s，选择分析序列为“冷却+填充+保压+翘曲”，图6为注塑分析结果。图6注塑分析结果Fig.6Injection molding analysis results10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.015.F6a1（a）填充时间10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.015.F6a2（b）速度/压力切换的压力10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.015.F6a3（c）缩痕指数10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.015.F6a4（d）熔接线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.015.F6a5（e）体积收缩率10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.015.F6a6（f）翘曲变形量从图6a可以看出，塑件的填充时间为7.565 s，填充表面无异常，未出现充填不足的现象，说明填充较为顺利。从图6b可以看出，速度/压力切换时的压力最大值为27.25 MPa，压力充足能够为塑料熔体提供充足的压力。从图6c可以看出，缩痕指数最大为1.521%，表明塑件表面出现缩痕的可能性非常小，说明成型质量良好。从图6d可以看出，塑件表面的熔接线较少，出现缺陷的可能性较低。从图6e可以看出，塑件的体积收缩率最大为3.18%，此数值较小，对塑件成型后的尺寸影响较小。从图6f可以看出，塑件的翘曲变形量最大为4.457 mm，此数值较大，可能对塑件的质量造成影响，需要对其进行优化。3优化分析从注塑分析情况可知，塑件的翘曲变形较大，可能对塑件的尺寸造成影响，因此，需要对翘曲变形进行优化。影响翘曲变形的参数较多，本实验采用L9(33)正交试验，分析熔体温度(A)、模具表面温度(B)和充填压力(C)对数字高清投影仪外壳的翘曲变形的影响。表2为L9(33)正交试验因素水平设计。表3为L9(33)正交试验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.015.T002表2L9（33）正交试验因素水平设计Tab.2L9（33） orthogonal test factor and level design水平因素熔体温度（A）/℃模具表面温度（B）/℃充填压力（C）/MPa12003064222050803240709610.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.015.T003表3L9（33）正交试验结果Tab.3Results of L9（33） orthogonal test方案编号因素翘曲变形量/mmABC空白列111114.41300212224.39400313334.38800421234.16800522314.15800623124.21200731323.95100832133.99500933213.98600K113.19500012.53200012.62000012.557000K212.53800012.54700012.54800012.557000K311.93200012.58600012.49700012.551000k14.3983334.1773334.2066674.185667k24.1793334.1823334.1826674.185667k33.9773334.1953334.1656674.183667R0.4210000.0180000.0410000.002000从表3可以看出，熔体温度(A)对塑件的翘曲变形影响最大，充填压力(C)次之，模具表面温度(B)影响最小。为了能够显示塑件的翘曲变形与各个因素水平的变化关系，图7为按照极差分析结果所做的折线图。从图7可以看出，塑件翘曲变形量随着熔体温度(A)的升高而降低，当熔体温度为240 ℃(A3)，翘曲变形量最小；塑件翘曲变形量随着模具表面温度(B)的升高而增大，当模具表面温度为30 ℃(B1)，翘曲变形量最小；塑件翘曲变形量随着充填压力(C)的增大而降低，当充填压力为96 MPa(C3)，翘曲变形量最小。通过极差分析，塑件的最优工艺参数组合为A3B1C3。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.015.F007图7极差分析折线图Fig.7Range analysis line chart由于极差分析不能规避试验误差的影响，为得到更加准确的结论，需要对数据进行方差分析[11-12]，表4为方差分析结果。从表4可以看出，在α=0.05时，三个因素均对塑件的翘曲变形影响显著，影响程度按照从大到小依次为熔体温度(A)、充填压力(C)和模具表面温度(B)。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.015.T004表4方差分析结果Tab.4Aariance analysis results因素离差平方和自由度均方值F值F0.05临界值A0.26600620.1330033250.7519.08B0.00051820.0002664.75C0.00254620.00127318.25误差0.00000820.000004按照极差分析和方差分析结果选择的最优组合，在Moldflow中进行模流分析，图8为优化后的翘曲分析结果。从图8可以看出，塑件的翘曲变形为3.951 mm，相比初始参数下的翘曲变形量4.457 mm，降低11.35%，改善效果显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.015.F008图8优化后的翘曲变形分析结果Fig.8The optimized warpage deformation analysis results按上述优化的工艺参数进行试模验证，图9为试模样品。从图9可以看出，塑件表面质量良好，光滑无毛刺，能够满足实际需要。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.015.F009图9试模样品Fig.9Trial samples4结论以某型号数字高清投影仪为实例分析其外形结构特征，设计合理的浇注系统及冷却系统，并进行模流分析。利用正交试验法，对塑件的翘曲变形进行优化，得到最优组合为A3B1C3。优化后的参数组合使翘曲变形量减小11.35%，改善效果显著，并进行试模验证。为其他类似模具的设计及优化提供参考和指导。