随着数字化、智能化及电气化的发展，小型电动机的应用越来越广泛，对电动机的工作性能和轻量化提出更高的要求[1]。小型电机通常由定子和转子组成，而转子主要的部件是线圈及绕线圈的支架[2]。为了满足轻量化发展要求，目前小型电动机的线圈支架采用塑料化设计方案[3]。电机线圈支架主要供线圈缠绕并起支撑线圈组的作用，不仅需要具有良好的电性能及热性能，更需要具有较好的刚性、强度及尺寸稳定性[4]。玻纤增强聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)材料由于具有优异的力学性能、尺寸稳定性、阻燃性和绝缘性能[5]，在电机线圈支架中普遍应用。玻纤增强PBT材料[6]的电机线圈支架主要通过注塑成型进行制造，会产生翘曲变形[7]，产生一定的形位公差，尤其是绕线区域的圆柱度，直接影响线圈的缠绕及电机的动平衡性能。目前较多采用正交试验模拟方法[8-9]，分析工艺参数的影响程度和规律并确定最优的工艺参数组合[10]。本实验以某玻纤增强PBT材料的电机线圈支架为研究对象，基于Moldflow软件对其注塑成型过程进行模拟。利用正交试验设计的方法探究各工艺参数对绕线区域圆柱度的影响程度及规律，得到最小圆柱度的最优工艺组合。通过模流分析与实际试模验证其应用于实际生产的可行性。1电机线圈支架设计1.1结构方案图1为电机线圈支架的设计方案。从图1可以看出，电机线圈支架主要由安装卡扣、支撑底座和绕线圈的主体结构组成，整体尺寸为33 mm×33 mm×30 mm。缠绕线圈的主体结构由六块独立的扇形筒状结构组成，为了利于散热和注塑成型，整体设计空心结构且壁厚较薄。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.F001图1电机线圈支架结构设计Fig.1Structure design of motor coil bracket线圈支架的形状尺寸精度直接影响电机的稳定运行，尤其是缠绕线圈的主体结构的圆柱度，要求小于0.35 mm。主体结构的圆柱度主要与注塑成型过程中材料收缩导致的翘曲变形有关，故需要对产品注塑成型过程进行有效控制。图2为产品壁厚分布。从图2可以看出，安装卡扣区域的厚度为1.5 mm，支撑底座区域的厚度为1.6 mm，而缠绕线圈的主体区域包含厚度为0.3 mm的端部区域和厚度为0.65 mm的根部区域。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.F002图2壁厚分布Fig.2Distribution of thickness1.2材料参数电器部件通常需要具备良好的绝缘性能以及耐热性能，由于产品长期承受电机的动态载荷，还需要具备较好的刚强度以及疲劳特性。对于电机线圈支架，通常采用玻纤增强PBT材料进行注塑成型。选择15%短玻纤增强的PBT材料，表1为其注塑成型工艺范围及力学性能参数。依据材料实测UDB文件可知，推荐的默认工艺参数为：熔体温度为240 ℃，模具温度为75 ℃，保压压力为80 MPa，保压时间为8 s，冷却时间为20 s。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.T001表1材料参数Tab.1Material parameters工艺参数数值顶出温度/℃125模具温度/℃50~100模具表面温度/℃75熔体温度/℃235~255剪切速率最大值/s-140000剪切应力最大值/MPa0.41固体密度/（g‧cm-3）1.18弹性模量E1/MPa5343弹性模量E2/MPa3738泊松比v120.42泊松比v230.44剪切模量E1/MPa1480图3为成型性能相关的材料PVT曲线和黏度曲线。从图3a可以看出，该材料在225 ℃以下，随着温度的升高，体积比容几乎呈线性增加。225~250 ℃范围内，随着温度的升高，体积比容剧烈增大，说明温度的提高使材料发生明显的相变反应。黏度曲线反映材料剪切变稀的特性，与熔体的充模过程密切相关。从图3b可以看出，该材料在较低的剪切速率下，不同温度的黏度差异较大。随剪切速率的增加，材料在不同温度条件下呈现相似的下降趋势。图3PVT曲线及黏度曲线Fig.3PVT curves and viscosity curves10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.F3a1（a）体积比容10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.F3a2（b）黏度2注塑成型模拟2.1网格模型产品整体呈敦厚状，采用四面体网格类型进行网格划分。通过调整表面网格的质量控制实体网格的质量，主要保证纵横比和二面角两个参数处于较低水平，且不能够存在交叉单元、重复单元以及不合理的自由边。厚度方向分布十层网格，以提高熔体冲模过程的计算精度。表2为经过质量修复后网格质量指标情况。图4为电机线圈支架的网格模型。从图4可以看出，网格尺寸分布较均匀，可以正常计算分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.T002表2网格质量Tab.2Mesh quality项目数值基本边长/mm0.5单元总数1175428厚度方向层数10最大纵横比57.13最小纵横比1.13平均纵横比5.27最大二面角/（°）87.610.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.F004图4网格模型Fig.4Mesh model2.2进胶系统设计图5为设计的进胶系统，使产品各部位填充平衡。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.F005图5进胶系统Fig.5Injection system从图5可以看出，该流道系统由6个呈中心对称的潜伏式点胶口填充，既填充平衡又便于水口脱离。整个流道系统包括圆形冷浇口、圆形冷流道、U型冷流道及圆形冷主流道。实际仿真计算中，出现次数为4，考虑一模四穴的填充状态。2.3结果分析基于Moldflow软件并采用默认的工艺参数对该电机线圈支架的注塑成型过程进行模拟。图6为计算得到不同效应下产品翘曲变形结果。从图6可以看出，所有效应下的最大翘曲变形为0.659 4 mm，在绕线区域的端部；收缩不均导致的最大翘曲变形为0.596 8 mm，发生位置和所有效应相同；其他效应导致的翘曲变形相对较小，故产品主要的翘曲变形主要来自收缩不均效应。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.F006图6翘曲变形结果Fig.6Warpage deformation results线圈支架绕线区域较大的翘曲变形直接影响圆柱度，而该区域较大的圆柱度将导致电机工作过程中的动平衡状态不稳定，直接影响产品的使用性能。图7为圆柱度计算区域。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.F007图7圆柱度计算区域Fig.7Cylindricity calculation area基于翘曲变形结果，采用Moldflow软件的Roundness宏功能，得到初始工艺参数组合下该区域的圆柱度为0.592 8 mm，不满足设计指标要求的0.35 mm。为了降低线圈支架绕线区域的圆柱度，需要对其注塑成型过程中收缩过程进行合理控制。3工艺参数优化3.1正交试验设计针对收缩不均效应，可以通过优化熔体温度、模具温度、保压时间、保压压力和冷却时间等注塑成型工艺参数进行有效控制。本实验采用L16(45)正交试验，针对熔体温度(A)、模具温度(B)、保压压力(C)、保压时间(D)、冷却时间(E)等工艺参数，在材料UDB推荐取值范围内各设置四个水平，表3为L16(45)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.T003表3L16（45）正交试验因素水平设计Tab.3Factor level design of L16（45） orthogonal test因素水平1234熔体温度（A）/℃235240245250模具温度（B）/℃65758595保压压力（C）/MPa60708090保压时间（D）/s46810冷却时间（E）/s152025303.2正交试验结果分析表4为L16(45)正交试验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.T004表4L16（45）正交试验结果Tab.4Results of L16（45） orthogonal test试验编号因素圆柱度/mmABCDE1144440.46822122220.51713111110.41234414230.42415212340.35286331240.34267133330.41108324310.53359313420.360110221430.440811342130.348112243210.419913234120.387314423140.494715432410.374616441320.5764k10.45220.38730.44300.41120.4602k20.40020.49650.39820.40060.4351k30.39610.37890.42140.42590.4146k40.46750.45320.45130.46840.4060R0.07140.11770.05310.06780.0542从表4可以看出，第16组的圆柱度最大，为0.576 4 mm，第6组的圆柱度最小，为0.342 6 mm。正交试验表中各参数组合下的圆柱度相差较大，说明工艺参数对圆柱度的影响较大，故通过工艺参数优化降低圆柱度具有可行性。各因素对圆柱度的影响程度排序为：BADEC。图8为圆柱度与各因素水平的关系曲线。从8a可以看出，圆柱度随熔体温度A的变化呈现先降低后增大的趋势，圆柱度在熔体温度为A3时最小。从8b可以看出，圆柱度随模具温度B呈现先增加后降低再增加的趋势，模具温度为B3时圆柱度最小。从8c可以看出，圆柱度随保压压力C呈现先降低后增加的趋势，保压压力为C2时圆柱度最小。从8d可以看出，圆柱度随保压时间D呈现先降低再增加的趋势，保压时间为D2时圆柱度最小。从8e可以看出，圆柱度随冷却时间E呈现逐渐降低的趋势，冷却时间为E4时圆柱度最小。通过分析各因素对圆柱度影响趋势，可以得到圆柱度最小时理论工艺参数组合为A3B3C2D2E4，即熔体温度为245 ℃、模具温度为85 ℃、保压压力为70 MPa、保压时间6 s、冷却时间30 s。图8圆柱度与因素水平Fig.8Relationship between cylindricity and factor level10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.F8a1（a）溶体温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.F8a2（b）模具温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.F8a3（c）保压压力10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.F8a4（d）保压时间10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.F8a5（e）冷却时间根据极差分析得到的理论最优工艺参数组合不在正交试验表中，故需要进行重复实验，以分析误差带来的影响以及各个因素对圆柱度影响的显著性特征[11]。表5为方差分析结果。从表5可以看出，误差的平均偏差平方和均小于各因素的平均偏差平方和，说明误差的影响相对较小，实验结果具有可信度。各因素对于圆柱度的影响程度排序为：模具温度熔体温度保压时间冷却时间保压压力，验证极差分析的结果。模具温度及熔体温度对圆柱度具有极显著的影响；保压时间及冷却时间对圆柱度具有显著影响；保压压力对圆柱度的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.T005表5方差分析Tab.5Variance analysis离差来源偏差平方和/10-2自由度平均偏差平方和/10-3F值F临界值A1.79835.9935.732F0.01（3，16）=5.29F0.05（3，16）=3.24B3.165310.5510.090C0.918933.0632.929D1.19633.9873.813E1.14933.8303.663误差1.673161.046总和9.900314验证分析通过正交试验得到A3B3C2D2E4为理论上达到最小圆柱度的工艺参数组合，但需对圆柱度做计算验证。利用Moldflow软件，并采用对应的注塑工艺参数计算，图9为电机线圈支架的翘曲变形结果。从图9可以看出，所有效应下的最大翘曲变形量为0.388 7 mm，相比初始分析降低41.1%；缩不均效应产生的最大翘曲变形量为0.329 4 mm，相比初始分析降低44.8%，工艺参数优化对于翘曲变形量的优化具有显著效果。采用宏功能计算得到优化工艺参数组合的圆柱度为0.3347 mm，小于0.35 mm，满足设计指标要求，验证A3B3C2D2E4为最优工艺参数组合的正确性。该工艺参数组合下的圆柱度相比初始默认工艺参数的结果降低43.5%，翘曲变形量的优化效果显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.F009图9翘曲变形结果Fig.9Warpage deformation results优化工艺参数组合是否能够应用在实际注塑成型需要进行验证，主要考虑产品是否出现欠注、明显滞留、料流温差过大以及不合理的熔接线、气穴等。图10为基于最优工艺参数组合的模拟结果。从10a可以看出，整体上充填等值线较均匀，无明显密集区域，说明充填过程顺畅，无缺胶及明显的滞留现象。绕线区域的端部壁厚较小，填充阻力较大，填充等值线较稀疏，由于填充总时间较小，故对于实际成型没有较大影响。从10b可以看出，最大流动前沿温度与最小流动前沿温度差距在5 ℃以内，说明产生因料流温度差异过大导致的温差线或光泽不均现象的可能性较小。从10c可以看出，气穴主要集中在安装卡扣区域的端部，在主要外观面上无气穴，需要加强卡扣区域的排气。从10d可以看出，熔接线主要集中在非绕线区域，重要的绕线区域几乎没有熔接线分布，因此绕线区域的强度并不会衰减。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.F010图10最优工艺参数组合下的模拟结果Fig.10Simulation results under optimal combination of process parameters图11为实际试模样品。从图11可以看出，产品无缺胶、温差线等外观问题。综上所述，该优化工艺参数组合可以满足产品实际注塑成型生产的要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.017.F011图11试模样品Fig.11Sample of molding test5结论（1）基于材料默认的初始工艺参数得到影响产品绕线区域翘曲变形及圆柱度的主要因素为收缩不均。绕线区域的圆柱度主要与收缩不均导致的翘曲变形相关，可通过控制产品注塑成型的工艺参数优化圆柱度。（2）通过极差及方差分析得到各工艺参数对圆柱度的影响程度的排序为：模具温度熔体温度保压时间冷却时间保压压力，得到最小圆柱度对应的理论工艺参数组合为A3B3C2D2E4。（3）基于Moldflow仿真分析得到最优工艺参数组合下的圆柱度为0.334 7 mm，相比初始工艺参数组合降低43.5%，工艺优化的效果显著。（4）通过该优化工艺参数组合下的填充等值线、流动前沿温度、气穴和熔接线结果，结合实际试模情况，验证其应用于实际生产的合理性。