防尘摄像机主要由摄像电子元器件、周围的密封垫圈和外部的塑料壳体构成，主要应用在制药厂、食品加工厂、电厂、化工厂等行业。防尘摄像机的壳体与密封圈能够阻断外部粉尘与内部接触，保证摄像机的正常工作，因此，塑料壳体至关重要[1-2]。但由于塑料壳体极易发生变形，严重影响防尘摄像机的寿命，因此，需对防尘摄像机的塑料壳体进行研究。本实验以某型号防尘摄像机为研究对象，基于CAE模流分析技术和正交试验分析方法，对塑件进行仿真成型分析，得到翘曲变形产生的原因，建立正交试验，结合极差分析和方差分析对其成型工艺参数进行优化，以实现降低塑件产品的翘曲变形，提高研发效率。1塑件分析1.1结构分析图1为防尘摄像机外壳的结构模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.017.F001图1防尘摄像机外形结构模型Fig.1Shape structure model of dustproof camera模型的外形尺寸为85.00 mm×70.00 mm×70.00 mm，并包含螺纹安装孔、支撑底座和台阶等结构。模型平均壁厚3.5 mm，厚度各处较为均匀分布。此塑件对成型后的表面质量和精度要求较高，需要对塑件的质量进行严格把控，以降低塑件的翘曲变形和避免气穴、熔接痕的产生[3-4]。1.2材料选择选用Generic Default制造商牌号为Generic PP的热塑性塑料[5]，表1为此材料的注塑成型工艺推荐值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.017.T001表1Generic PP推荐工艺参数Tab.1Recommended process parameters of Generic PP工艺参数数值顶出温度/℃124模具温度/℃20~80模具表面温度/℃50熔体温度/℃180~260剪切速率最大值/s-110000剪切应力最大值/MPa0.252初始模流分析2.1模流分析前处理网格类型选择双层面网格，选取网格修复命令，以提高网格划分质量，减小网格的最大纵横比，修复初次划分过程中的不合理网格[6-7]。表2为网格质量参数，适合双层面分析，能够满足分析的需求，图2为网格划分结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.017.T002表2网格质量参数Tab.2Mesh quality parameters项目数值网格边长/mm2.57网格数目14590最大纵横比7.33最小纵横比1.58平均纵横比1.82匹配百分比/%92.9相互百分比/%93.510.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.017.F002图2网格划分结果Fig.2Meshing results2.2浇口位置分析在Moldflow中对防尘摄像机外壳模型开展浇口位置序列分析，图3为得到的分析结果。从图3可以看出，红色表示推荐的浇口位置区域，蓝色表示不推荐的浇口位置区域，绿色部分表示适中的浇口位置区域[8]。考虑防尘摄像机外壳的尺寸偏大，为保证型腔内各处熔体流动性一致，选择双浇口的注射形式，一个浇口为推荐位置，另一个浇口为对称的一侧。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.017.F003图3浇口匹配性及浇口位置Fig.3Gate matching and gate location2.3浇注及冷却系统的建立注塑成型时常用潜伏式浇口，由点浇口演变，既可设在动模一侧也可设在定模一侧，既可安置在塑件的内表面又可安置在侧面隐蔽处，浇口位置灵活，不会影响塑件外观，成型时不会留下由于喷射产生的喷痕和气纹[9-10]。本实验选择潜伏式浇口的浇注系统，主流道的入口直径为3 mm，长度80 mm，拔模角为3°，流道直径设计为6 mm，竖直流道的直径为6 mm，拔模角也设计为3°，顶部浇口的初始端口直径为6 mm，末端直径为3 mm，长度为2 mm。冷却系统采用双管道沿塑件对称布置的形式，冷却管道直径为8 mm，水管与塑件的距离为25 mm，冷却管道间的距离为35 mm，冷却介质采用温度为25 ℃的纯水。图4为包含冷却系统及浇注系统的注塑系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.017.F004图4注塑系统Fig.4Injection system2.4模流分析结果模流分析选择“冷却+填充+保压+翘曲”分析序列，并选择分析翘曲原因，以确定对塑件翘曲变形影响较大的因素。注塑工艺参数：熔体温度220 ℃，开模时间5 s，“注射+保压+冷却”时间为30 s，填充压力为80 MPa的最大压力。图5为翘曲变形模流分析结果。从图5可以看出，塑件的翘曲变形量最大为0.955 7 mm，由冷却不均效应引起的翘曲变形为0.051 9 mm，说明冷却系统的设计能够满足要求；由收缩不均效应造成的翘曲变形为0.758 6 mm，由取向效应造成的翘曲变形为0.132 3 mm。因此，收缩不均效应是引起翘曲变形的主要原因。收缩不均一般是由于塑件厚度分布不均、浇口不合理和工艺参数不合理。调整工艺参数是减小收缩不均造成的翘曲变形的最快捷、最方便、成本最低的方法[11-12]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.017.F005图5翘曲变形分析结果Fig.5Warpage deformation analysis results3正交试验优化分析3.1正交试验设计采用L9(33)正交试验，根据试验情况，选取对塑件成型过程中影响较大的三个参数，熔体温度(A)、模具表面温度(B)和充填压力(C)进行正交试验，表3为L9(33)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.017.T003表3L9（33）正交试验因素水平设计Tab.3L9（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）/MPa1200306422205080324070963.2正交试验结果分析在Moldflow中对不同方案的工艺参数进行模拟分析，表4为L9(33)正交试验结果。从表4可以看出，影响防尘摄像机注塑成型的翘曲变形因素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.issn1005-3360.2021.08.017.T004表4L9（33）正交试验结果Tab.4Results of L9（33） orthogonal test方案编号因素翘曲变形量/mmABC空白列111110.87810212220.85170313330.83250421230.93990522310.92430623120.97080731321.04400832131.08100933211.09300K12.5623002.8620002.929900K22.8350002.8570002.884600K33.2180002.8963002.800800k10.8541000.9540000.976633k20.9450000.9523330.961533k31.0726670.9654330.933600R0.2185670.0131000.043033图6为翘曲变形量随各因素水平变化的折线图。从图6可以看出，塑件的翘曲变形随着熔体温度的升高而增大，当熔体温度为200 ℃(A1)时，翘曲变形量最小；随着模具表面温度的升高，塑件的翘曲变形量呈现先减小后增大的趋势，当模具温度为50 ℃(B2)，翘曲变形量最小；随着填充填压力的增大，塑件的翘曲变形量逐渐减小，当填充压力为96 MPa(C3)，翘曲变形量最小。结合均值分析，最终的最优工艺组合为A1B2C3。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.017.F006图6极差分析折线图Fig.6Range analysis line chart由于极差分析不能避免误差影响，为了更加准确地确定各个因素对塑件翘曲变形的影响程度，需要对数据进行方差分析。表5为方差分析结果。从表5可以看出，熔体温度(A)对塑件的翘曲变形影响显著，模具表面温度(B)和充填压力(C)均不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.017.T005表5方差分析Tab.5Variance analysis因素离差平方和自由度均方值F值F0.05临界值A0.07233320.03617234.94733719.08B0.00030520.000150.991035C0.00286020.001439.290152误差0.00030820.000154由于因素B对实验的影响较小，因此，Moldflow中将A1B1C3、A1B2C3的组合分别进行模流分析，得到翘曲变形分析结果分别为0.881 2 mm和0.855 2 mm。结合正交试验中第9组试验数据，最终选择表4中翘曲变形最小的组合A1B3C3作为最优组合。根据优组合A1B2C3，在Moldflow中进行模流仿真分析，图7为所得的分析结果。从图7可以看出，所有效应下最大翘曲变形为0.832 5 mm，由冷却效应造成的变形为0.040 9 mm，由收缩不均造成的变形为0.640 8 mm，由取向效应造成的变形为0.114 9 mm。与初始工艺参数下的总翘曲变形量、冷却效应造成的翘曲变形量、收缩不均造成的翘曲变形量和取向效应造成的翘曲变形相比，分别降低12.89%、21.19%、15.53%、和13.15%。塑件翘曲变形量明显降低，有利于产品表面质量的提升。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.017.F007图7优化后的翘曲分析结果Fig.7The optimized warpage deformation analysis results根据上述分析结果，将优化后工艺参数进行试模验证，图8为所得的试模样品。通过试模样品的生产，验证了优化后的注塑加工工艺参数的合理性，并且能够在生产中应用。通过模流分析和试模生产，能够缩短注塑过程中的生产周期，降低研发成本，优化后的工艺参数能够在实际生产中应用，可以满足成型的要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.017.F008图8试模样品Fig.8Trial samples4结论（1）在初始工艺参数的条件下，模拟分析得到的塑件最大翘曲变形量为0.955 7 mm，主要是由收缩不均造成。（2）利用正交试验，结合极差分析法和方差分析法，对塑件加工的成型工艺参数进行优化分析，得到影响塑件注塑成型时的翘曲变形的因素从小到大依次为模具表面温度、充填压力和熔体温度；选择最优组合为A1B2C3，即熔体温度200 ℃，模具表面温度50 ℃，充填压力96 MPa。（3）将优化后的工艺参数进行模拟分析，与初始工艺参数下的总翘曲变形量、冷却效应造成的翘曲变形量、收缩不均造成的翘曲变形量和取向效应造成的翘曲变形相比，分别降低12.89%、21.19%、15.53%、和13.15%。塑件翘曲变形量明显降低，有利于产品表面质量的提升。