工业自动化生产中，中央接线盒是电源分配及信号传输的核心[1]，通过与各类继电器、熔断器、二极管的连接与分配，使各元件安全运行，能够保护用电设备及电缆防止短路或过载[2]。中央接线盒主要由外壳、接线端子、二极管、连接线和连接器构成[3]。中央接线外壳一般采用玻纤增强塑料通过注塑加工而成，具有优异的抗老化、耐高温和耐紫外线等特点[4]。玻纤增强聚丙烯(PP)由于具有较好的力学性能、阻燃性和绝缘性能，且价格较低、易回收利用，在电子电器的外壳件中应用较广泛[5-6]。然而，对于外观和尺寸精度要求较高的产品，通常存在翘曲变形和形状尺寸不合格的问题[7]。通常利用Moldflow优化注塑件的翘曲变形和尺寸[8-9]。正交试验方法由于具有计算效率高、分析便捷的优点，在多参数优化中应用较广[10-11]。本实验以某中央接线盒为例，分析产品的结构，并通过Moldflow建立网格模型和流道系统。设计五因素四水平的正交试验，通过仿真计算分析工艺参数对最大翘曲变形量的影响，得出该中央接线盒最大翘曲变形量的最优工艺参数。1塑件分析1.1结构分析图1为某中央接线盒三维结构，从图1可以看出，接线盒长度为176 mm，宽度为160 mm，高度为24 mm，整体呈半封闭盒状结构，由周边多个卡扣进行固定。内部存在系列加强筋，以增强结构刚强度。中央接线盒主要对内部电器元件起保护作用，对其整体尺寸和形状要求较高，通常注塑成型的制件最大翘曲变形量不超过1.2 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.F001图1结构设计Fig.1Structure design图2为该中央接线盒厚度分布，从图2可以看出，其主要壁面厚度为1.8 mm，整个平面上厚度分布相同，利于料流稳定填充和收缩均匀一致。主要加强筋厚度为1.5 mm，相对平面厚度较低，有助于减轻缩痕。安装卡扣附件的厚度达到2.0 mm以上，增强卡扣连接区域的强度，防止安装时发生断裂。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.F002图2壁厚分布Fig.2Distribution of thickness1.2材料特性玻纤增强PP-GF20由于具有较好的刚强度、易成型、较好的阻燃性能，较低的价格以及易回收利用，常用于电子电器的外壳件，表1为PP-GF20注塑成型推荐工艺及力学性能。图3为该材料的PVT曲线和黏度曲线。PVT曲线是材料的本质属性，不会随成型条件而改变。材料在注塑成型过程中经历的熔胶-填充-保压-冷却-顶出等阶段都与PVT曲线密切相关，影响成品的质量。从图3可以看出，该材料在相同温度下的比容随压力的降低而增长，125 ℃以下，随着温度的增加比容几乎呈线性增长。黏度曲线表征材料在不同温度条件下剪切变稀特性，影响其在螺杆中的加热塑化以及模具中的快速填充过程。该材料在不同温度下的黏度随剪切速率的增加呈线性降低，表明剪切速率对该材料的黏度影响较大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.T001表1材料参数Tab.1Material parameters参数数值顶出温度/℃108模具温度/℃20~60模具表面温度/℃40熔体温度/℃200~245剪切速率最大值/s-138000剪切应力最大值/MPa0.23固体密度/（g·cm-3）1.06弹性模量E1/MPa3226弹性模量E2/MPa3451泊松比v120.37泊松比v230.34剪切模量E1/MPa1274图3PVT曲线及黏度曲线Fig.3PVT curves and viscosity curves10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.F3a1（a）PVT曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.F3a2（b）黏度曲线1.3网格模型根据产品结构特征，采用双层面网格类型进行网格划分。较小的纵横比和较高的匹配率有利于提升Moldflow分析计算精度，表2为经过质量修复后的网格质量指标，网格质量满足工程计算的要求。图4为中央接线盒的双面网格模型，网格无重叠、交叉单元、自由边等缺陷，可正常进行模流分析计算。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.T002表2网格质量Tab.2Mesh quality参数数值网格边长/mm1.2网格数目59712最大纵横比4.92最小纵横比1.16平均纵横比1.86匹配百分比/%93.2相互百分比/%92.110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.F004图4中央接线盒网格模型Fig.4Mesh model of central junction box1.4进胶系统设计根据产品大小和材料流动性，采用单点热流道系统进行填充。为保证填充过程平衡，将浇口位置放置于产品中部。图5为进胶系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.F005图5进胶系统Fig.5Injection system图6为冷却系统设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.F006图6冷却系统设计Fig.6Cooling system design产品正面采用三条水路，背面采用5条水路。在产品中部的热浇口附近设置圆形水路，以加强此区域的冷却。对于接线盒内部对尺寸要求较高的区域，水路与产品背面距离较小，以加强冷却效果。冷却水道为直径Φ=8 mm，采用常温水作为冷却介质，回路雷诺数默认为10 000。1.5初始模流分析采用“填充+保压+翘曲”分析序列对中央接线盒注塑成型过程进行模拟。初始分析采用默认的工艺参数，其中熔体温度选择推荐范围的平均值230 ℃，模具温度选择推荐范围的平均值40 ℃，保压压力设置为32 MPa，注射时间设置为1.1 s，V/P切换体积设置为99%。图7为中央接线盒所有效应的变形及Z方向的分量。从图7可以看出，所有效应下的最大翘曲变形量为1.627 mm，位于产品中部，且产品边缘翘曲变形也较大。Z方向最大翘曲变形量为1.164 mm，使产品整体呈拱形。Z方向最大翘曲变形量与所有效应的最大翘曲变形量接近，故产品主要以Z方向翘曲变形为主。所有效应的最大翘曲变形量大于设计指标要求的1.2 mm，需要进行优化。图7产品翘曲变形结果Fig.7Results of warpage deformation10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.F7a1（a）所有效应变形10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.F7a2（b）Z方向变形2正交试验设计翘曲变形与注塑成型过程中的工艺参数密切相关，根据文献[12]选择5个工艺参数作为研究的自变量，包括熔体温度、模具温度、注射时间、保压压力和v/p切换体积。在材料推荐参数范围内各取4个水平，表3为L16(45)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.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）/℃200215230245模具温度（B）/℃25354555保压压力（C）/MPa27323742注射时间（D）/s1.01.11.21.3v/p切换体积（E）/%9898.59999.5表4为正交试验结果。从表4可以看出，第14组参数组合的最大翘曲变形量值最大，为1.869 mm，第15组参数组合的最大翘曲变形量值最小，为1.165 mm。正交试验中不同工艺参数下最大翘曲变形量差异较大，说明工艺参数组合对最大翘曲变形量影响较大。正交试验中存在满足设计指标要求的试验序列，故正交试验设计合理。通过极差得到各工艺参数对最大翘曲变形量的影响程度依次为：保压压力模具温度注射时间熔体温度v/p切换体积。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.T004表4L16（45）正交试验结果Tab.4Results of L16（45） orthogonal test试验编号因素最大翘曲变形量/mmABCDE1111111.5572122221.4153133331.7234144441.3765212341.1746221431.7047234121.1738243211.4589313421.62310324311.58111331241.22912342131.33613414231.38814423141.86915432411.16516441321.654k11.5181.4361.5361.4841.440k21.3771.6421.2721.3721.466k31.4421.3231.6681.5331.538k41.5191.4561.3801.4671.412R0.1420.3200.3960.1610.126图8为最大翘曲变形随不同工艺参数水平变化的曲线。从图8可以看出，当工艺参数组合为A2B3C2D2E4，中央接线盒的最大翘曲变形量最小。最优工艺参数组合为A2B3C2D2E4，对应各工艺参数取值分别为：熔体温度215 ℃、模具温度45 ℃、保压压力32 MPa、注射时间1.1 s及v/p切换体积99.5%。图8因素水平与最大翘曲变形量关系曲线Fig.8Relationship curves between factor level and maximum warpage deformation10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.F8a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.F8a210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.F8a3各组工艺参数组合下又进行一次重复试验，并进行误差及方差分析，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明显小于各工艺参数的平均偏差平方和，说明误差的影响相对较小，试验结果具有可信度。各工艺参数对中央接线盒最大翘曲变形量的影响程为：保压压力模具温度注射时间熔体温度v/p切换体积，验证极差分析的结论。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.T005表5方差分析Tab.5Variance analysis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A3.57431.1913.501F0.01（3，16）=5.29F0.05（3，16）=3.24B7.23032.4107.083C8.41832.8068.247D4.23531.4124.149E2.64430.8812.590误差5.444160.340总和31.54531保压压力C和模具温度B的F值大于F0.01，说明保压压力和模具温度对中央接线盒的最大翘曲变形量具有极显著影响。注射时间D和熔体温度A的F值小于F0.01而大于F0.05，说明注射时间和熔体温度对中央接线盒的最大翘曲变形量具有显著影响。v/p切换体积E的F值小于F0.05，说明v/p切换体积对中央接线盒的最大翘曲变形量的影响不显著。3参数优选与模拟验证基于最优工艺参数进行中央接线盒的Moldflow分析，计算得到翘曲变形分布结果。图9为优化工艺下翘曲变形量结果。从图9可以看出，所有效应下的最大翘曲变形量为0.992 7 mm，与初始工艺参数下的最大翘曲变形量相比降低39.0%，并且小于正交试验表的最小值，验证优化工艺参数对于最大翘曲变形量的优化效果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.F009图9优化工艺翘曲变形分析结果Fig.9Warpage analysis results of optimized process parameters图10为优化工艺下的模拟结果。从图10可以看出，充填过程顺畅，无缺胶及明显的滞留现象。填充过程中料流动前沿温度在215.6~218.4 ℃之间，最大温度与最小温度相差小于3 ℃，产生温差线和色差的可能性较小。主要外观区域不存在明显熔接线，气穴主要分布于加强筋末端，外观较好。填充过程注射压力变化稳定，最大注射压力为40.41 MPa，保压压力为32.33 MPa，压力较小有利于降低产品内应力。产品最大缩痕估算为0.062 7 mm，位于产品边缘，主要外观面缩痕估算小于0.01 mm，产生缩痕的可能性较低，外观可以接受。图10优化工艺下的模拟结果Fig.10Simulation results under optimized process parameters10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.F10a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.F10a210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.F10a3图11为产品状态稳定后的实际试模样品，从图11可以看出，注塑样品无缺胶、银丝、气痕等外观缺陷，尺寸测试合格，可以正常安装，符合生产要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.017.F011图11试模样品Fig.11Sample of molding test4结论针对某20%玻纤增强PP材料的中央接线盒，通过Moldflow分析得到最大翘曲变形量的优化方案。极差及方差分析得到各工艺参数对最大翘曲变形量的影响程度为：保压压力C模具温度B注射时间D熔体温度Av/p切换体积E。最优工艺参数组合为A2B3C2D2E4。优化工艺下最大翘曲变形量为0.992 7 mm，相比初始工艺降低39.0%，满足设计指标要求。优化工艺的填充过程结果表明填充过程稳定、无欠注和明显滞留。主要外观面无气穴和熔接线，且缩痕估算值小于0.01 mm，外观状态良好。注射过程压力较小且变化稳定，产品内应力较小。试模样品的外观状态良好，尺寸满足要求，验证模流分析结果。