节温器是控制冷却液流动的自动调温装置，具有阀门的开关作用[1]，通常包含壳体、感应组件、加热器、开闭组件和密封组件等。节温器通过热胀或冷缩，开启、关掉空气、气体或液体的流动，从而控制温度[2-5]。由于节温器工作环境的温度较高，且长期承受动态载荷，零件的尺寸需要稳定。玻纤增强聚邻苯二甲酰胺(PPA)材料具有硬度大、强度高、耐化学性好、高温稳定性好、成型性优良等特点，较多地应用在电子电器的控制单元[6]。玻纤增强PPA材料主要通过注塑成型制造各类零件，而注塑成型过程中材料存在结晶和收缩会产生翘曲变形[7]。产品翘曲变形过大导致形状尺寸无法满足装配和使用要求。本实验以某玻纤增强PPA材料的节温器插头为研究对象，采用仿真技术模拟注塑成型过程，结合正交试验设计，探究降低其轴偏移量和质量的最佳工艺参数。通过正交试验的极差分析和方差分析，得到最优的工艺参数组合。采用仿真技术和实际试模验证该优化工艺参数组合的优化效果和应用合理性。1节温器插头结构设计图1为某节温器结构图。从图1可以看出，节温器主要包括壳体（紫色部分）、插头（绿色部分）、加热器（蓝色部分）、感应体（黄色部分）、弹簧（橙色部分）、金属支架（褐色部分）、密封圈（灰色部分）。圆柱形加热器插入节温器插头，要求节温器插头下端的圆柱孔的轴线与加热器的轴线尽量重合，保证正常安装和使用。根据产品设计指标，插头下端圆柱孔的轴线偏移量需要小于0.07 mm。为了降低材料成本及满足轻量化需求，节温器插头质量要求不超过10.5 g。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.F001图1节温器插头三维构型Fig.1Three-dimentional configuration of thermostat plug节温器插头整体尺寸为45 mm×20 mm×17 mm。图2为节温器插头各区域的厚度。从图2可以看出，上端插头部分厚度为1.087 mm左右，根部区域为2.100 mm。与壳体连接的挡板厚度为2.000 mm。中部区域主要承受加热器的载荷，厚度最大，局部厚度达到3.900 mm。下端与加热器相连的圆柱孔区域的厚度为3.200~3.400 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.F002图2节温器插头模型厚度设计Fig.2Thickness design of thermostat plug model2初始模流分析2.1网格模型采用Fusion双面网格类型，通过Molflow软件对该节温器插头进行网格划分，主要控制网格的纵横比及匹配率，避免出现不合理的重叠单元、交叉单元和自由边。图3为经过网格质量修复的节温器插头网格模型。从图3可以看出，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%，满足网格质量要求，可以正常计算。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.F003图3节温器插头网格模型Fig.3Mesh model of thermostat plug2.2材料工艺参数为了保证高温下具有较好的刚性和尺寸稳定性，该节温器壳体采用35%玻纤增强PPA材料注塑成型，表1为其主要工艺参数及性能参数。该材料推荐默认工艺参数：熔体温度为290 ℃，模具温度为95 ℃，保压压力为80%，保压时间为10 s，冷却时间为20 s。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.T001表1材料参数Tab.1Material parameters参数数值顶出温度/℃206模具温度范围/℃85~105模具表面温度/℃95熔体温度范围/℃280~300剪切速率最大值/s-148000剪切应力最大值/MPa0.48固体密度/（g·cm-3）1.37弹性模量E1/MPa9727弹性模量E2/MPa5547泊松比v120.35泊松比v230.37剪切模量E1/MPa22132.3流道系统设计根据该节温器插头的尺寸及材料流动性，采用单点进胶。利用Moldflow浇口定位器确定浇口位置，图4为计算得到流体阻力指示器及浇口匹配性结果。蓝色区域表示流动阻力较小、匹配性较好的浇口位置；红色区域代表流动阻力较大、匹配性较差的浇口位置。从图4可以看出，靠近产品圆柱孔的区域，浇口位置较好，但考虑模具制造的可行性及填充平衡，确定浇口位置为红色圆形位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.F004图4浇口位置分析Fig.4Analysis of gate location根据确定的浇口位置，基于一模两穴的方式，建立进胶系统，图5为冷流道进胶系统。从图5可以看出，流道系统主要包括圆形冷浇口、圆形冷流道、U型冷流道及圆形冷主流道。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.F005图5进胶系统设计Fig.5Design of runner system基于双面网格模型、默认工艺参数及流道系统进行初始模流分析，图6为节温器插头的翘曲变形结果。图6翘曲变形结果Fig.6Warpage deformation results10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.F6a1（a）所有效应10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.F6a2（b）收缩不均10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.F6a3（c）取向效应10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.F6a4（d）角效应从图6可以看出，所有效应下圆柱孔区域的最大翘曲变形量较大，为0.270 4 mm。其中，收缩不均效应产生的翘曲变形量明显大于取向效应和角效应，且产生最大翘曲变形的位置和所有效应相同，说明节温器插头圆柱孔区域产生较大的翘曲变形主要源于收缩不均效应。圆柱孔区域较大的翘曲变形使其轴线发生明显的偏移，计算得到轴偏移量为0.074 8 mm，不满足设计指标要求，且对应产品质量为11.392 g，大于目标质量10.5 g，需要进行质量优化。3正交试验设计针对节温器插头的质量以及圆柱孔区域的轴偏移量，设计L9(34)正交试验，探究工艺参数对插头质量和轴偏移量的影响。影响节温器插头注塑成型的主要工艺参数为熔体温度(A)、模具温度(B)、保压压力(C)、保压时间(D)，基于材料工艺参数范围各设置三个因素水平，表2为L9(34)正交试验因素水平设计。表3为L9(34)正交试验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.T002表2L9（34）正交试验因素水平设计Tab.2Factor level design of L9（34） 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）/s12808570822909580103300105901210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.T003表3L9（34）正交试验结果Tab.3Results of L9（34） orthogonal test试验序号因素质量/g轴偏移量/mmABCD1111111.0850.07332123210.5640.07053132310.7800.07274213310.5540.07525222111.3980.07206231211.0030.07197312210.9900.07848321310.4500.07619333110.8260.0736k110.81010.87610.84611.103k210.98510.80411.05610.852k310.75510.87010.64810.595k1*0.07220.07560.07380.0730k2*0.07300.07290.07440.0736k3*0.07600.07270.07310.0747R0.2300.0720.4080.508R*0.00390.00290.00130.0017注：*为优化目标为轴偏移量时对应k和R值。从表3可以看出，每组试验得到的质量和轴偏移量均不相同，说明工艺参数对产品质量和轴偏移量具有一定影响。产品质量方面，第8组试验的质量最小，为10.450 g；第5组试验的质量最大，为11.398 g。轴偏移量方面，第2组的轴偏移量最小，为0.070 5 mm；第7组的轴偏移量最大，为0.078 4 mm。针于质量，各因素在不同水平下极差大小排序为RDRCRARB。四种因素的影响程度排序为：保压时间保压压力熔体温度模具温度。针对轴偏移量各因素在不同水平下极差大小排序为：RARBRDRC。四种因素的影响程度排序为：熔体温度模具温度保压时间保压压力。为了直观观察各个因素水平对目标函数的影响规律，图7为节温器插头的质量随不同因素水平变化的曲线。从图7可以看出，产品质量随熔体温度增大，呈现先增大后减小的趋势，熔体温度为A3时，产品质量最小。产品质量随模具温度增大，呈现先降低后增大的趋势，模具温度为B2时，产品质量最小。产品质量随保压压力增大，呈现先增大后减小的趋势，保压压力为C3时，产品质量最小。产品质量随保压时间增大，呈现逐渐下降趋势，保压时间为D3时，产品质量最小。综上所述，工艺参数组合为A3B2C3D3时，产品质量理论值最小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.F007图7质量与因素水平关系曲线Fig.7Relationship curves between mass and factor level为了确定误差对试验结果的影响，确定试验数据的可信度，对正交试验进行一次重复试验和方差分析。表4为质量的方差分析结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.T004表4质量的方差分析Tab.4Variance analysis of mass离差来源偏差平方和/10-5自由度平均偏差平方和/10-5F值F临界值A8.12224.0613.246F0.01（2，9）=8.02F0.05（2，9）=4.26B4.79422.3971.916C12.91226.4565.161D18.93829.4697.569误差11.25991.251总和56.02517从表4可以看出，各工艺参数对质量的影响程度排序为保压时间D保压压力C熔体温度A模具温度B。其中，保压时间和保压压力对于质量具有显著影响；熔体温度和模具温度对质量的影响不显著。图8为节温器插头的轴偏移量随不同因素水平变化的曲线。从图8可以看出，轴偏移量随熔体温度增大，呈现逐渐增大的趋势，熔体温度为A1时，轴偏移量最小。轴偏移量随模具温度增大，呈现逐渐降低的趋势，模具温度为B3时，轴偏移量最小。轴偏移量随保压压力增大，呈现先增大后减小的趋势，保压压力为C3时，轴偏移量最小。轴偏移量随保压时间增大，呈现逐渐增大的趋势，保压时间为D1时，轴偏移量最小。综上所述，工艺参数组合为A1B3C3D1时，轴偏移量理论值最小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.F008图8轴偏移量与因素水平关系曲线Fig.8Relationship curves between axial offset and factor level表5为轴偏移量的方差分析结果。从表5可以看出，各工艺参数对轴偏移量的影响程度排序为熔体温度A模具温度B保压时间D保压压力C。其中，熔体温度对于轴偏移量具有极显著的影响；熔体模具温度对于轴偏移量具有显著影响；保压时间和保压压力对于轴偏移量的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.T005表5轴偏移量的方差分析Tab.5Variance analysis of axial offset离差来源偏差平方和/10-5自由度平均偏差平方和/10-5F值F临界值A5.23522.61811.057F0.01（2，9）=8.02F0.05（2，9）=4.26B3.04121.5216.423C1.20420.60222.544D1.62120.81073.425误差2.13190.2367总和13.23174参数优选与验证保压压力为C3时，可以同时保证质量及轴偏移量最优，其他参数并不统一。因此，需要对熔体温度A、模具温度B和保压时间D等三个工艺参数进行优选分析。熔体温度A对质量的影响不显著，而对轴偏移量的影响极显著。因此，选用轴偏移量为最小值的A1，即熔体温度为280 ℃。模具温度B对质量的影响不显著，而对轴偏移量的影响显著。因此，选用轴偏移量为最小值的B3，即模具温度为105 ℃。保压时间D对于质量的影响显著，而对轴偏移量的影响不显著。因此，选用质量为最小值的D3，即保压时间为12 s。综合考虑质量和轴偏移量两个目标函数，最终得到最优工艺参数组合为A1B3C3D3，即熔体温度为280 ℃、模具温度为105 ℃、保压压力为90%及保压时间为12 s。图9为基于最终的优化组合为A1B3C3D3，利用Moldflow软件基于该工艺优化参数组合进行模拟计算结果。从图9可以看出，所有效应下的最大翘曲变形为0.215 3 mm，相比初始工艺降低20.4%；收缩不均导致的最大翘曲变形为0.155 0 mm，相比初始工艺降低24.9%。计算得到优化工艺条件下的圆柱孔区域的轴偏移量为0.068 8 mm，小于正交试验的最小轴偏移量，相比初始工艺降低8%，满足设计指标的要求。优化工艺参数下得到的产品质量为10.363 g，小于正交试验的最小质量，相比初始工艺降低9%。图9优化工艺的翘曲变形Fig.9Warpage deformation of optimized parameters10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.F9a1（a）所有效应10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.F9a2（b）收缩不均10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.F9a3（c）取向效应10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.F9a4（d）角效应图10为采用优化工艺参数组合得到的实际注塑成型样品。从图10可以看出，样品外观良好，实测的轴偏移量小于0.07 mm，与加热器能够正常装配。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.014.F010图10节温器插头实际试模样品Fig.10Mold trial sample of thermostat plug5结论（1）正交试验的极差分析结果表明：达到质量最小的理论最优工艺参数组合为A3B2C3D3；达到轴偏移量最小的理论最优工艺参数组合为A1B3C3D1。综合考虑质量及轴偏移量得到理论最优工艺参数组合为A1B3C3D3，即熔体温度为280 ℃、模具温度为105 ℃、保压压力为90%及保压时间为12 s。（2）优化工艺的模流分析结果显示：轴偏移量相比初始工艺降低8%，质量相比初始工艺降低9%。实际试模结果显示，产品质量和轴偏移量的优化效果显著，试模样品状态良好，满足设计指标要求，可用于实际生产。