叶轮机械通过叶轮或叶片在一定扭矩作用下，将能量转化为气流动能和压力能[1]。鼓风机是一种出口压力在0.015~0.2 MPa之间的叶轮机械[2]。叶轮是鼓风机最重要的组成部分[3]，其结构方案、材料性能、成型缺陷、装配精度及磨损等可能导致旋转过程出现偏心和不平衡[4-5]，产生振动和噪声，使工作性能下降，存在安全隐患[6]。聚丙烯材料[7]具有价格低、易成型、可回收等特点，加入短玻璃纤维，使聚丙烯的刚强度、冲击性能、耐热性能等明显提高[8-9]。目前，鼓风机叶轮多数采用短玻纤增强聚丙烯材料注塑成型[10]。注塑成型的收缩过程产生尺寸误差，当叶轮中叶片之间尺寸差异较大，会降低风机的动平衡性能。由于叶轮结构的特殊性，注塑成型会产生熔接线，导致承受极限离心载荷及转速下降。叶轮设计前期，引入计算机模拟技术能够快速评估缺陷状态和风险，结合正交试验设计能够提升优化探究的效率[11-13]。本实验以短玻纤增强聚丙烯的鼓风机叶轮为研究对象，采用计算机模拟注塑过程。设计正交试验得到工艺参数对叶轮圆柱度和熔接线状态的影响程度和规律，综合分析得到最优的工艺参数组合，并通过模拟和试模验证可行性。1方案设计图1为某鼓风机叶轮结构，从图1可以看出，叶轮由13根肋条及47片扇叶组成。通过中部安装孔施加一定大小的扭矩，带动叶片周期性旋转，形成周向的离心气流。动平衡性能是叶轮等旋转机械设计需要重点考虑的指标，其与叶轮各叶片的质量差异和圆柱度相关。实际注塑成型过程中，材料收缩不均会使叶片的填充状态不一致，导致叶片存在一定的圆柱度，降低叶轮的动平衡性能，进而影响其工作性能。因此，需要有效控制叶轮各叶片的圆柱度，主要考察图中红色面区域的圆柱度，设计指标要求该区域的圆柱度小于0.35 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.F001图1叶轮结构Fig.1Impeller structure高温熔接线状态作为叶轮关键的实验指标，决定其使用场合和环境。图2为叶轮熔接线状态实验，从图2可以看出，90 ℃下，将叶轮安装在电机上，施加一定的扭矩载荷，测量叶轮能够达到的最大转速。转速过大时，叶轮将发生失效状态，叶片的局部出现断裂。由于叶轮结构特性，注塑成型过程容易产生熔接线，削弱叶轮的强度，降低叶轮的熔接线状态。基于工艺参数对注塑成型过程进行控制，分析其对熔接线状态的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.F002图2叶轮熔接线状态实验Fig.2Welding line status test of impeller2仿真分析2.1仿真模型采用实体网格类型对该鼓风机叶轮进行网格划分。控制单元的纵横比及二面角，避免出现不合理的重叠单元、交叉单元和自由边。图3为叶轮的网格模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.F003图3叶轮的网格模型Fig.3Mesh model of impeller从图3可以看出，单元总数为753 349，最大纵横比为11.8，平均纵横比为2.43，最大二面角为118.5°，网格层数为10，满足模流分析对实体网格单元质量要求，可以正常进行模拟计算。该鼓风机叶轮采用30%短玻纤填充的聚丙烯材料进行注塑成型，推荐注塑成型的顶出温度为114 ℃，模具温度范围为30~60 ℃，熔体温度范围为220~245 ℃，最大熔体温度为260 ℃。其固体密度为1.13 g/cm3，熔体密度为0.94 g/cm3，沿玻纤取向方向的弹性模量为6 100 MPa，泊松比为0.40，垂直于玻纤取向方向的弹性模量为4 337 MPa，泊松比为0.49，剪切模量为1 350 MPa。初始工艺参数：熔体温度为230 ℃，模具温度为40 ℃，保压压力为45 MPa，保压时间为9 s，冷却时间为14 s。2.2进胶系统设计根据该鼓风机叶轮的尺寸及材料流动性，采用一模两穴及单点进胶方案，浇口位于产品中部安装孔附近。图4为叶轮浇注系统。从图4可以看出，该流道系统包括圆形冷浇口、垂直圆形冷流道、水平圆形冷流道及圆形冷主流道。圆形冷浇口截面尺寸为Φ2.5~Φ5，垂直圆形冷流道截面尺寸为Φ5，水平圆形冷流道尺寸为Φ5，圆形冷主流道截面尺寸为Φ3~Φ6。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.F004图4叶轮的浇注系统Fig.4Gating system of impeller2.3熔接线状态表征熔接线状态影响叶轮强度，将熔接线汇合角、长度、流动前沿温度及流动波前压力等作为衡量熔接线状态的主要因素。熔接线汇合角越大，熔接线状态越好，叶轮强度越高。通常认为熔接线汇合角大于135°，熔接线不可见，熔接线性能良好[14]。熔接线长度越长，对叶轮结构强度的削弱越明显，熔接线状态越差；融合的两种料流的温差越小，熔接线状态越好。两种料流的温差大于10 ℃时，导致叶轮的力学性能明显下降，熔接线强度较差。熔体的前沿温度小于熔体的凝固温度时，熔接线会提前凝固，不利于熔体的融合，导致熔接线性能较差。流动波前压力指熔体融合时的压力，流动波前压力越大，越有利于熔体融合，提升熔接部位的强度。采用综合分析法[15]，评估熔接线状态。2.4初始结果分析图5为初始工艺参数下模拟计算得到熔接线状态结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.F005图5熔接线状态初始仿真结果Fig.5Initial simulation results of welding line status从图5可以看出，叶轮顶部的圆框产生较明显的熔接线，且长度较长、汇合角较小，最大流动前沿温度约242.6 ℃，最大填充末端压力约48.17 MPa，熔接线状态整体较差，综合评分为5.0分，不满足熔接线状态的目标（7分）。叶轮最大翘曲变形量为0.900 9 mm，发生在叶轮顶端，每片扇叶的翘曲变形具有一定差异，导致扇叶存在一定的圆柱度。通过Moldflow计算得到指定区域的圆柱度为0.482 7 mm，不满足设计指标。综合叶轮圆柱度及熔接线状态的结果，初始工艺参数无法满足设计指标，需要进行工艺参数优化。3正交试验设计鼓风机叶轮的圆柱度及熔接线状态与注塑成型过程密切相关，尝试通过工艺参数的优化来满足鼓风机叶轮的圆柱度及熔接线状态的设计指标的要求。3.1工艺参数水平设置本实验选用五因素四水平正交试验。因素包括熔体温度（A）、模具温度（B）、保压压力（C）、保压时间（D）及冷却时间（E）等工艺参数，在五个工艺参数内各均匀选择四个水平，表1为L16(45)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.T001表1L16（45）正交试验因素水平设计Tab.1Factor level design of L16（45） orthogonal test因素水平1234熔体温度（A）/℃225230235240模具温度（B）/℃30405060保压压力（C）/MPa35455565保压时间（D）/s791113冷却时间（E）/s71421283.2正交试验结果表2为L16(45)正交试验结果。对于鼓风机叶轮的圆柱度，第12组工艺参数组合下的鼓风机叶轮的圆柱度最小，为0.315 8 mm；第15组工艺参数组合下叶轮的圆柱度最大，为0.512 4 mm。说明注塑成型的工艺参数组合，对鼓风机叶轮的圆柱度影响较大。对于鼓风机叶轮的熔接线状态，第14组工艺参数组合下的鼓风机叶轮的熔接线评分最高，为7.3分；第10组工艺参数组合下叶轮的熔接线状态评分最低，为4.9分。说明注塑成型的工艺参数组合对鼓风机叶轮的熔接线状态的影响也较大。综上所述，为了使鼓风机叶轮具备良好的圆柱度及熔接线状态，可通过工艺参数的优化实现。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.T002表2L16（45）正交试验结果Tab.2Results of L16（45） orthogonal test试验编号因素圆柱度/mm熔接线状态评分ABCDE1144440.40286.22122220.38975.73111110.33245.84414230.36256.65212340.38947.26331240.39666.67133330.42986.38324310.44835.89313420.50245.510221430.49784.911342130.47656.312243210.31585.513234120.37615.414423140.44257.315432410.51246.916441320.45635.1k10.3890.3970.4210.4070.402k20.3950.4450.4420.3660.431k30.4560.4290.4230.4310.442k40.4430.4130.3970.4790.408k1*6.036.275.616.236.01k2*5.745.946.546.115.44k3*6.046.326.156.086.04k4*6.505.796.005.896.83R0.0670.0480.0390.1130.041R*0.760.530.930.351.39注：*为优化目标为熔接线状态评分时，对应的k值及R值。依据正交试验表中叶轮的圆柱度，计算各工艺参数在不同水平下的圆柱度的平均值ki及极差R。极差大小排序为：DABEC，故这五个注塑成型工艺参数对鼓风机叶轮的圆柱度的影响程度从大到小为：保压时间D、熔体温度A、模具温度B、冷却时间E及保压压力C。图6为叶轮的圆柱度与因素水平的关系。图6圆柱度与因素水平关系Fig.6Relationship between cylindricity and factor level10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.F6a1（a）熔体温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.F6a2（b）模具温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.F6a3（c）保压压力10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.F6a4（d）保压时间10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.F6a5（e）冷却时间从图6a可以看出，鼓风机叶轮的圆柱度随熔体温度A的增大，呈现先增大后减小的趋势，熔体温度为A1时，圆柱度最小。从图6b可以看出，圆柱度随模具温度B的增大，呈现先增大后减小的趋势，模具温度为B1时，圆柱度最小。从图6c可以看出，圆柱度随保压压力C的增大，呈现先增大后减小的趋势，保压压力为C4时，圆柱度最小。从图6d可以看出，圆柱度随保压时间D的增大，呈现先减小后增大的趋势，保压时间为D2时，圆柱度最小。从图6e可以看出，圆柱度随冷却时间E的增大，呈现先增大后减小的趋势，冷却时间为E1时，圆柱度最小。综上所述，最优工艺参数组合为A1B1C4D2E1。对应的工艺参数：熔体温度为225 ℃、模具温度为30 ℃、保压压力为65 MPa、保压时间为9 s，冷却时间为7 s。为了确定误差对实验结果的影响，以及各工艺参数对鼓风机叶轮圆柱度的影响程度，进行1次重复试验并进行方差分析。表3为圆柱度方差分析。从表3可以看出，各工艺参数对圆柱度影响的显著性程度从大到小排序为保压时间D熔体温度A模具温度B冷却时间E保压压力C。保压时间D和熔体温度A的F值均大于F0.01，表明保压时间D和熔体温度A对圆柱度具有极显著影响。模具温度B的F值小于F0.01而大于F0.05，说明模具温度B对圆柱度具有显著影响。冷却时间E和保压压力C的F值均小于F0.05，说明冷却时间E和保压压力C对圆柱度的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.T003表3圆柱度方差分析Tab.3Variance analysis of cylindricity离差来源偏差平方和/10-3自由度平均偏差平方和/10-4F值F临界值A6.78322.68.107F0.01（3，16）=5.29F0.05（3，16）=3.24B2.8039.333.346C1.7335.782.073D12.6342.015.065E2.3137.702.762误差4.46162.79总和30.731依据正交试验表中的鼓风机叶轮的熔接线状态评分数据，得出极差大小排序为ECABD，表明工艺参数对熔接线状态的影响程度从大到小依次为冷却时间E、保压压力C、熔体温度A、模具温度B及保压时间D。图7为叶轮熔接线状态评分与因素水平的关系。图7熔接线状态评分与因素水平关系Fig.7Score of weldline status vs process parameters level10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.F7a1（a）熔体温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.F7a2（b）模具温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.F7a3（c）保压压力10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.F7a4（d）保压时间10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.F7a5（e）冷却时间从图7a可以看出，鼓风机叶轮的熔接线状态评分随熔体温度A的增大，呈现先减小后增大的趋势，熔体温度为A4时，熔接线状态评分最大，熔接线状态最优。从图7b可以看出，熔接线状态评分随模具温度B的增大，呈现先减小后增大再减小的趋势，模具温度为B3时，熔接线状态评分最大。从图7c可以看出，熔接线状态评分随保压压力C的增大，呈现先增大后减小的趋势，保压压力为C2时，熔接线状态评分最大。从图7d可以看出，熔接线状态评分随保压时间D的增大，呈现逐渐减小的趋势，保压时间为D1时，熔接线状态评分最大。从图7e可以看出，熔接线状态评分随冷却时间E的增大，呈现先减小后增大的趋势，冷却时间为E4时，熔接线状态评分最大。综上所述，工艺参数组合为A4B3C2D1E4时，鼓风机叶轮的熔接线状态评分最大，即熔接线状态为最优。对应工艺参数：熔体温度为240 ℃、模具温度为50 ℃、保压压力为45 MPa、保压时间为7 s，冷却时间为28 s。表4为熔接线状态评分的方差分析。从表4可以看出，各工艺参数F值大小排序为ECABD，得出工艺参数对熔接线状态影响显著性程度从大到小为冷却时间E、保压压力C、熔体温度A、模具温度B及保压时间D。冷却时间E的F值大于F0.01，说明冷却时间E对熔接线状态具有极显著影响。保压压力C的F值小于F0.01而大于F0.05，说明保压压力C对熔接线状态具有显著影响。熔体温度A、模具温度B和保压时间D的F值均小于F0.05，表明熔体温度A、模具温度B和保压时间D对熔接线状态的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.T004表4熔接线状态评分的方差分析Tab.4Variance analysis of score of weld ing line status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A2.10430.7012.072F0.01（3，16）=5.29F0.05（3，16）=3.24B1.52130.5071.499C3.35231.1173.302D1.02230.1701.006E6.81532.2726.714误差5.414160.338总和19.716314参数优选与验证鼓风机叶轮注塑成型过程需要兼顾工作的稳定性和极限输出能力，对叶轮的动平衡性能和熔接线强度提出较高要求，需要综合考虑叶轮的圆柱度和熔接线状态。由于各工艺参数对于叶轮的圆柱度和熔接线状态的影响程度不同，最优工艺参数也不同，需要进行综合分析。针对熔体温度A，由于对叶轮圆柱度的影响极显著，而对熔接线状态的影响不显著，故选择使鼓风机叶轮的圆柱度最小为A1。针对模具温度B，由于对叶轮的圆柱度的影响显著，而对熔接线状态影响不显著，故选择使鼓风机叶轮的圆柱度最小为B1。针对保压压力C，由于对叶轮的圆柱度的影响不显著，而对熔接线状态具有显著影响，故选择使鼓风机叶轮的熔接线状态评分最高为C2。针对保压时间D，由于对叶轮的圆柱度的影响极显著，而对熔接线状态影响不显著，故选择使鼓风机叶轮的圆柱度最小为D2。针对冷却时间E，由于对叶轮的圆柱度的影响不显著，而对熔接线状态影响极显著，故选择使鼓风机叶轮熔接线状态评分最高为E4。综上所述，综合考虑鼓风机叶轮的圆柱度和熔接线状态，最优工艺参数组合为A1B1C2D2E4，即熔体温度为225 ℃、模具温度为30 ℃、保压压力为45 MPa、保压时间为9 s，冷却时间为28 s。基于上述优化工艺组合A1B1C2D2E4，利用计算机模拟软件Moldflow进行模拟计算。图8为优化工艺的鼓风机叶轮仿真结果。从图8可以看出，流动前沿温度差异减小、填充末端压力略微增大，熔接线状态评分为8.0分，满足设计指标要求。相比初始工艺参数组合的熔接线状态评分5.0，增大60.0%，熔接线状态的优化效果显著。鼓风机叶轮的最大翘曲变形量为0.779 0 mm，相比初始工艺下降13.5%，计算圆柱度为0.307 9 mm，相比初始工艺降低36.2%，满足设计要求。优化工艺参数组合A1B1C2D2E4，明显改善鼓风机叶轮圆柱度及熔接线状态，证实优化工艺的效果。采用此优化工艺参数组合，进行鼓风机叶轮的实际注塑成型试模，图9为鼓风机叶轮实际试模样品，样品无填充不良和明显外观问题，动平衡性能测试及极限转速测试的结果均合格。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.F008图8优化工艺的鼓风机叶轮仿真结果Fig.8Simulation results of optimized parameters of blower impeller10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.018.F009图9鼓风机叶轮实际试模样品Fig.9Mold trial sample of blower impeller5结论（1）利用计算机辅助技术模拟叶轮注塑成型过程，通过正交试验得出注塑成型工艺参数对鼓风机叶轮圆柱度影响的显著性为保压时间D熔体温度A模具温度B冷却时间E保压压力C，最优工艺参数组合为A1B1C4D2E1。工艺参数对熔接线状态影响的显著性为冷却时间E保压压力C熔体温度A模具温度B保压时间D，最优工艺参数组合为A4B3C2D1E4。（2）综合圆柱度与熔接线状态的影响分析，最优工艺参数组合为A1B1C2D2E4。优化工艺组合的仿真模拟结果显示：鼓风机叶轮的圆柱度及熔接线状态的优化幅度达到60.0%和36.2%，优化效果显著。实际试模样品外观良好，圆柱度及熔接线强度满足要求，验证优化工艺应用于实际生产的合理性。