止回阀是指启闭件为圆形阀瓣，并靠自身重量及介质压力产生动作，阻断介质倒流的一种阀门[1]。止回阀属于自动阀类，用于介质单向流动的管道[2]。止回阀通常应用在高层建筑给水管网、排污系统、水泵以及汽车动力系统[3-4]。随着止回阀轻量化、小型化、集成化的发展，多数止回阀以塑料为主体材料[5]。止回阀阀体、阀芯主要选用耐温性好、耐腐蚀性优、尺寸精度高的玻纤增强PA66材料[6-7]。玻纤增强材料主要通过注塑成型制造产品，产品设计自由度大且成型效率高[8]。但高分子材料存在结晶收缩，对产品尺寸精度的控制提出更高的要求[9]。本实验以50%玻纤增强PA66材料的止回阀阀体为研究对象，采用计算机辅助技术模拟注塑成型过程，通过正交试验探究影响三个关键区域圆柱度的工艺参数的程度以及规律，得到圆柱度最小的最优工艺参数组合，并通过模流分析和试模验证可行性。1塑件结构分析图1为止回阀结构图。从图1可以看出，止回阀主要由绿色部分的阀体、黄色部分的阀芯、紫色部分的阀瓣、红色部分的橡胶圈及蓝色部分的安装衬套组成。阀芯与阀体之间通过四个环型卡扣进行连接，止回阀总成通过阀体的一个螺栓安装孔固定。流体介质由阀体下端的入口流入，流过阀体中部的中心流路，由阀芯上端出口管路流出。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.018.F001图1止回阀结构Fig.1Structure of check valve图2为止回阀阀体结构。从图2可以看出，止回阀阀体结构主要包括与阀芯连接的卡扣区域、圆形螺栓安装孔、圆柱形中心流路。三个主要的形状尺寸为螺栓孔圆柱度、卡扣区域圆柱度及中心流路圆柱度，计算区域如高亮轮廓线所示。螺栓安装孔的圆柱度直接影响止回阀的安装固定，规定小于0.18 mm。卡扣区域圆柱度影响阀体与阀芯之间的连接稳定性，规定小于0.25 mm。中心流路圆柱度直接影响流体介质流通止回阀时的稳定状态及阻力，规定小于0.10 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.018.F002图2止回阀阀体结构Fig.2Structure of check valve body图3为止回阀阀体结构厚度设计。从图3可以看出，厚度范围在1.4~3.0 mm之间。卡扣区域厚度在1.5 mm左右，设置一定的拔模斜度。阀体主体部分厚度为2.0 mm，左侧功能部分与右侧安装部分之间的区域厚度为1.9 mm。中心流路区域壁面厚度在1.7 mm左右，周围存在厚度为1.5 mm的加强筋。螺栓安装孔壁面厚度较大，为3.0 mm，有利于增强安装区域强度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.018.F003图3止回阀阀体厚度设计Fig.3Thickness design of check valve body2初始模流分析2.1网格模型采用Fusion双面网格类型，主要控制单元的纵横比及匹配率，避免出现不合理的重叠单元、交叉单元和自由边。图4为经过网格质量修复的止回阀阀体网格模型，单元总数为32 455，最大纵横比为4.9，平均纵横比为1.8，匹配百分比为90.5%，相互匹配百分比为90.1%，满足模流分析的计算要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.018.F004图4止回阀阀体网格模型Fig.4Mesh model of check valve body2.2材料工艺参数依据该止回阀阀体具体工作状态，采用50%玻纤增强PA66材料进行注塑成型，表1为主要工艺参数。从表1可以看出，最大熔体温度不超过310 ℃，防止材料分解。转换温度为226 ℃，故熔体温度大于226 ℃，以保证材料处于可塑的熔融状态。由于材料含有较高比例的玻璃纤维，导致沿流动方向和垂直流动方向的弹性模量差别较大。初始工艺参数设置注射压力为75 MPa，保压压力为55 MPa，保压时间为6 s，熔体温度为275 ℃，模具温度为95 ℃。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.018.T001表1材料参数Tab.1Material parameters项目数值顶出温度/℃205模具温度范围/℃85~115模具表面温度/℃100熔体温度范围/℃265~295剪切速率最大值/s-161000剪切应力最大值/MPa0.51固体密度/（g·cm-3）1.51弹性模量E1/MPa13000弹性模量E2/MPa3816泊松比v120.37泊松比v230.56剪切模量E1/MPa15632.3流道系统设计根据止回阀阀体的尺寸及材料流动性，采用单点进胶方案。利用Moldflow高级浇口定位器优选浇口位置，图5为浇口位置分析。从图5可以看出，红色区域代表流动阻力较大、匹配性较差的浇口位置。蓝色区域代表流体阻力较小，浇口匹配性较好的浇口位置。故浇口位置选择在红色圆圈位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.018.F005图5浇口位置分析Fig.5Analysis of gate location根据确定的浇口位置，图6为冷流道进胶系统。从图6可以看出，流道系统包括圆形潜伏式冷浇口、圆形冷流道、U型冷流道及圆形冷主流道。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.018.F006图6进胶系统设计Fig.6Design of runner system2.4结果分析基于进胶系统采用初始工艺参数进行模流分析，图7为初始分析得到的翘曲变形量及顶出时体积收缩率。从图7可以看出，最大翘曲变形量为0.414 mm，位于安装孔区域边缘。安装孔区域及卡扣区域翘曲变形较大，可能导致较大的圆柱度误差。顶出时体积收缩率在5.089%~13.35%范围内，厚度较大区域体积收缩率较大。螺栓安装孔区域体积收缩率较大，导致翘曲变形较大。采用宏功能计算该止回阀阀体螺栓安装孔圆柱度、卡扣区域圆柱度及中心流路的圆柱度分别为0.152 3、0.273 0及0.107 4 mm。其中，螺栓安装孔圆柱度满足设计指标要求，卡扣区域圆柱度及中心流路圆柱度不满足设计指标要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.018.F007图7初始分析结果Fig.7Results of initial simulation3正交试验设计及成型工艺参数优化针对止回阀阀体螺栓安装孔圆柱度、卡扣区域圆柱度及中心流路圆柱度三个目标变量设计正交试验，探究工艺参数对圆柱度的影响规律。考虑注射压力(A)、保压压力(B)、保压时间(C)、熔体温度间(D)及模具温度(E)五个工艺参数，在材料可成型范围内各选择四个水平，表2为L16(45)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.018.T002表2L16（45）正交试验因素水平设计Tab.2Factor level design of L16（45） orthogonal test水平因素注射压力（A）/MPa保压压力（B）/MPa保压时间（C）/s熔体温度（D）/℃模具温度（E）/℃17050426585275556275953806082851054856510295115表3为L16(45)正交试验结果。从表3可以看出，螺栓安装孔圆柱度的变化范围为0.118~0.178 mm，变化幅度较大，说明工艺参数组合对圆柱度的影响较大。16种工艺参数组合的螺栓安装孔圆柱度的最大值小于0.18 mm，满足设计指标要求，故后续工艺优化中先不考虑此目标变量，只分析其他两个位置的圆柱度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.018.T003表3L16（45）正交试验结果Tab.3Results of L16（45） orthogonal test试验编号因素螺栓安装孔圆柱度/mm卡扣区域圆柱度/mm中心流路圆柱度/mmABCDE1144440.1720.3010.0932122220.1690.2880.0873111110.1440.2650.1154414230.1320.2150.1235212340.1420.2770.1436331240.1680.2870.1177133330.1180.2540.1438324310.1350.2130.1389313420.1690.2250.10810221430.1550.2690.09611342130.1340.2430.15712243210.1280.2590.15813234120.1680.2880.14614423140.1780.2740.13915432410.1430.2310.12516441320.1320.2490.113k10.2770.2460.2680.2680.242k20.2730.2610.2600.2620.263k30.2420.2650.2530.2480.245k40.2410.2630.2540.2570.285k1*0.1090.1220.1100.1390.134k2*0.1360.1150.1280.1210.114k3*0.1300.1330.1370.1340.130k4*0.1250.1300.1250.1050.123R0.03600.01950.01450.01930.0428R*0.02630.01780.02680.03380.0205注：*为中心流路圆柱度对应的k值和R值。第8组工艺参数组合的卡扣区域圆柱度最小，为0.213 mm，满足设计指标要求。第1组工艺参数组合的卡扣区域圆柱度最大，为0.301 mm，不满足设计指标要求。第2组工艺参数组合的中心流路圆柱度最小，为0.087 mm，满足设计指标要求。第12组工艺参数组合的中心流路圆柱度最大，为0.158 mm，不满足设计指标要求。卡扣区域以及中心流路的圆柱度受工艺参数变化的影响较大，工艺优化具备可行性。图8为卡扣区域圆柱度随各因素水平变化的曲线。从图8可以看出，卡扣区域圆柱度随注射压力增大而降低。注射压力为A4时，卡扣区域圆柱度数值最小为0.241 mm。卡扣区域圆柱度随保压压力增大先增加后减低。保压压力为B1时，卡扣区域圆柱度数值最小为0.246 mm。卡扣区域圆柱度随保压时间增大先降低后增加。保压时间为C3时，卡扣区域圆柱度数值最小为0.253 mm。卡扣区域圆柱度随熔体温度增大先降低再增加。熔体温度为D3时，卡扣区域圆柱度数值最小为0.248 mm。卡扣区域圆柱度随模具温度增大先增加后降低再显著增大。模具温度为E1时，卡扣区域圆柱度数值最小为0.242 mm。以卡扣区域圆柱度为单一目标变量，得到的最优参数组合为A4B1C3D3E1，即注射压力为85 MPa、保压压力为50 MPa、保压时间为8 s、熔体温度间为285 ℃、模具温度为85 ℃。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.018.F008图8卡扣区域圆柱度与因素水平关系曲线Fig.8Relationship curve between the cylindricity of snap-fit area and factor level图9为中心流路圆柱度随各因素水平变化的曲线。从图9可以看出，注射压力增加时，中心流路圆柱度先增加后降低。当注塑压力为A1时，中心流路圆柱度数值最小为0.109 mm。中心流路圆柱度随保压压力增大先降低后增加再减低。当保压压力为B2时，中心流路圆柱度数值最小为0.115 mm。中心流路圆柱度随保压时间增大先增加后降低。当保压时间为C1时，中心流路圆柱度数值最小为0.110 mm。中心流路圆柱度随熔体温度增大先降低后增加再降低。当熔体温度为D4时，中心流路圆柱度数值最小为0.105 mm。中心流路圆柱度随模具温度增大先降低后增加再降低。当模具温度为E2时，中心流路圆柱度数值最小为0.114 mm。以中心流路圆柱度为单一目标变量，获得最优参数组合为A1B2C1D4E2，即注射压力为70 MPa、保压压力为55 MPa、保压时间为4 s、熔体温度间为295 ℃及模具温度为95 ℃。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.018.F009图9中心流路圆柱度与因素水平关系曲线Fig.9Relationship curve between the cylindricity of central flow channel and factor level方差分析能够准确获得因素的影响程度，同时了解误差对实验结果的相对影响。表4为卡扣区域圆柱度的方差分析结果。从表4可以看出，各工艺参数对卡扣区域圆柱度的影响程度排序为，模具温度E注射压力A保压压力B熔体温度D保压时间C。其中，模具温度E和注射压力A对于卡口区域圆柱度具有极显著影响。保压压力B对于卡口区域圆柱度具有显著影响。熔体温度D和保压时间C对卡扣区域圆柱度的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.018.T004表4卡扣区域圆柱度的方差分析Tab.4Variance analysis of cylindricity in snap-fit area离差来源偏差平方和/10-1自由度平均偏差平方和/10-2F值F临界值A2.1937.315.31F0.01（3，16）=5.29F0.05（3，16）=3.24B1.3734.583.33C0.26230.8720.63D1.3134.363.17E2.5138.356.06误差2.20161.38总和0.98531表5为中心流路圆柱度的方差分析结果。从表5可以看出，各工艺参数对中心流路圆柱度的影响程度排序为，熔体温度D保压时间C注射压力A模具温度E保压压力B。熔体温度D对于中心流路圆柱度具有极显著影响。保压时间C对于中心流路圆柱度具有显著影响。注射压力A、模具温度E及保压压力B对中心流路圆柱度的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.018.T005表5中心流路圆柱度的方差分析Tab.5Variance analysis of cylindricity in central flow channel离差来源偏差平方和/10-2自由度平均偏差平方和/10-2F值F临界值A7.6532.553.19F0.01（3，16）=5.29F0.05（3，16）=3.24B4.8931.632.04C8.4132.803.50D13.734.575.71E5.1031.702.12误差12.8160.80总和0.525314工艺优化与验证通过正交试验分析得出使卡扣区域圆柱度最小的最优工艺组合是A4B1C3D3E1，而使中心流路圆柱度最小的最优工艺参数组是A1B2C1D4E2。两个目标变量对应的最优参数组合不相同，需要对工艺参数进行综合分析，得到综合最优的工艺参数组合。注射压力A对卡扣区域圆柱度的影响显著，对中心流路圆柱度的影响不显著，故选用使卡扣区域圆柱度最小的A4，即注射压力为85 MPa。保压压力B对卡扣区域圆柱度的影响显著，而对中心流路圆柱度的影响不显著，故选用使卡扣区域圆柱度最小的B1，即保压压力为50 MPa。保压时间C对中心流路圆柱度的影响显著，而对卡扣区域圆柱度的影响不显著，故选用使中心流路圆柱度最小的C1，即保压时间为4 s。熔体温度D对中心流路圆柱度的影响显著，而对卡扣区域圆柱度的影响不显著，故选用使中心流路圆柱度最小的D4，即熔体温度为295 ℃。模具温度E对卡扣区域圆柱度的影响显著，而对中心流路圆柱度的影响不显著，故选用使卡扣区域圆柱度最小的E1，即模具温度为85 ℃。综合分析得到优化工艺参数组合为A4B1C1D4E1，即注射压力为85 MPa、保压压力为50 MPa、保压时间为4 s、熔体温度为295 ℃及模具温度为85 ℃。针对该优化工艺，利用Moldflow分析软件进行模拟计算，图10为所有效应下的翘曲变形量、顶出时的体积收缩率、充填等值线及流动前沿温度结果。从图10a可以看出，所有效应下的最大翘变形量为0.217 9 mm，相比初始工艺降低47.4%。从图10b可以看出，顶出时的体积收缩率最大值为8.891%，相比初始工艺降低33.4%。采用Roundness宏功能计算得到优化工艺下的卡扣区域圆柱度为0.218 mm，相比初始工艺降低20.1%，满足设计指标要求。优化工艺的中心流路圆柱度为0.094 mm，相比初始工艺降低12.5%，满足设计指标要求。优化工艺的螺栓孔圆柱度为0.123 mm，相比初始工艺降低19.2%，满足设计指标要求。从图10c可以看出，该产品填充过程速度均匀，无缺胶和明显滞留效应。从图10d可以看出，流动前沿温度范围在294.6~299.2 ℃之间，温度差异在5℃以内，流长比合理，出现温差线的可能性较低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.018.F010图10优化工艺仿真结果Fig.10Simulation results of optimized parameters采用此优化工艺参数组合进行实际注塑成型试模，图11为实际试模样品。从图11可以看出，样品外观状态良好，满足设计要求。实测螺栓安装孔圆柱度、卡扣区域圆柱度及中心流路圆柱度满足设计指标要求，可以正常安装。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.018.F011图11止回阀阀体试模样品Fig.11Mold trial sample of check valve body5结论（1）初始工艺参数模流分析结果显示：螺栓孔圆柱度满足设计指标要求。卡扣区域圆柱度为0.273 0 mm，中心流路圆柱度为0.107 4 mm，均不满足设计指标要求。（2）综合考虑卡扣区域及中心流路圆柱度两个目标变量，得到优化工艺参数组合为A4B1C1D4E1，即注射压力为85 MPa、保压压力为50 MPa、保压时间为4 s、熔体温度为295 ℃及模具温度为85 ℃。（3）优化工艺下仿真结果显示：卡扣区域圆柱度为0.218 mm，中心流路圆柱度为0.094 mm，螺栓孔圆柱度为0.123 mm，均满足设计指标要求，优化工艺应用于实际生产的可行性也得到实际试模验证。