汽车线束分布于汽车各个模块系统，类似于血管和神经[1]，起传递各类电信号的作用，包括感应信号、控制信号等[2]。线束的固定对汽车各个系统的稳定运行具有较大的影响[3]。常用的线束固定方式包括扎带、卡扣及支架等，其中支架固定方式的抗振动疲劳性及安装稳定性较好，在要求较高的系统模块中应用较多。目前，线束支架也逐渐采用玻纤增强材料[4]，塑料材料易制造复杂的零件，使线束支架设计的自由度更高。玻纤增强PA66材料具备较好的刚强度、绝缘性、耐腐蚀性及热稳定性等[5]，在汽车线束支架中普遍应用。塑料注塑成型过程中易产生较大的翘曲变形，导致产品尺寸和形状不合格[6]。因此，在塑料产品开模前期，通常利用Moldflow分析注塑成型过程，进行工艺优化[7-8]。而工艺优化通常涉及多个自变量和因变量，增大Moldflow分析的难度。通过正交试验可以明显降低试验次数、提升优化探究的效率[9]，与Moldflow共同应用较广泛[10]。本实验以某玻纤增强PA66材料的线束支架为研究对象，采用Moldflow与正交试验探究注射速度、熔体温度、模具温度、保压压力及v/p切换体积等工艺参数对两个安装孔轴偏移量的影响，并得出最优工艺参数。1线束支架结构与材料1.1线束支架结构设计图1为某线束支架结构设计图。整体尺寸为152 mm×112 mm×93 mm，呈半封闭型凹槽结构，内部凹槽供线电子线束通过，依靠两个螺栓孔进行安装固定。为了能够正常安装固定，同时避免较大的安装应力产生，对两个安装孔的轴线的位置精度要求较高。当Moldflow分析得到的两个螺栓安装孔的轴线偏移量不大于1.2 mm，线束支架可以正常安装。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.016.F001图1线束支架结构Fig.1Structure of wire bracket1.2线束支架材料工艺参数线束支架需要具备较好的刚强度、抗振动疲劳性和高温稳定性，采用玻纤增强PA66材料进行注塑成型，表1为材料的主要工艺参数及性能参数。该材料UDB文件中所推荐的默认工艺参数为：熔体温度265 ℃，模具表面65 ℃，v/p切换时的体积99%，保压压力60 MPa，注射速度75%最大速度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.016.T001表1玻纤增强PA66材料的工艺参数Tab.1Material parameters of glass fiber PA66参数数值参数数值顶出温度/℃158固体密度/（g·cm-3）1.44模具表面温度/℃40~90弹性模量E1/MPa9924模具表面温度/℃65弹性模量E2/MPa5631熔体温度范围/℃250~280泊松比v120.41剪切速率最大值/s-148500泊松比v230.46剪切应力最大值/MPa0.48剪切模量E1/MPa20382仿真分析2.1仿真模型采用Fusion双面网格类型，利用Molflow软件对该线束支架进行网格划分。主要控制网格的纵横比及匹配率，并避免出现不合理的重叠单元、交叉单元和自由边。图2为经过网格质量修复得到的网格模型。单元基本尺寸为0.5 mm，单元总数为54 971，最大纵横比为2.8，平均纵横比为1.52，匹配百分比为90.2%，相互匹配百分比为90.1%，圆柱孔区域进行局部细化，满足网格质量要求，可以正常进行模流分析计算。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.016.F002图2线束支架网格模型Fig.2Mesh model of wire bracket图3为该线束支架网格的厚度分布。其中，最大厚度为6.5 mm，位于安装孔附近，有利于增加安装强度。主要壁面厚度分布均匀，均为2.0 mm，利于填充稳定和均匀收缩，安装孔支撑筋厚度约为2.5 mm，设有一定的拔模斜度利于脱模。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.016.F003图3线束支架厚度分布Fig.3Thickness distribution of wire bracket2.2浇口位置及浇注系统设计该线束支架整体尺寸较小，且材料流动性较好，采用单点进胶方案。图4为浇口位置分析。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，产品边缘区域流道阻力较高、匹配性较差，产品中部区域流动阻力较小、匹配性较好，最佳浇口位置位于图中红色虚线圈。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.016.F004图4浇口位置分析Fig.4Analysis of location of gate根据确定的浇口位置，基于一模一穴方式建立冷流道进胶系统。图5为进胶系统。圆形冷浇口长度为10 mm、直径为Φ2~Φ2.5 mm；垂直圆形冷流道长度为100 mm、直径为Φ2.5~Φ4 mm；水平圆形冷流道长度为15 mm、直径为Φ4 mm；圆形冷主流道长度为20 mm、直径为Φ4~Φ2.5 mm，进胶位置为产品几何中心的正上方130 mm处。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.016.F005图5进胶系统设计Fig.5Design of injection system2.3初始分析结果基于此线束支架的初始工艺参数及浇注系统进行模流分析，图6为线束支架初始分析结果。从图6可以看出，产品边缘区域变形相对较大，中部区域变形相对较小，安装孔区域也存在变形。最大翘曲变形量为0.419 5 mm，位于产品短弧边缘。利用Moldflow的Roundness宏计算得到两个安装孔的轴线偏移量为1.356 mm和1.473 mm，均大于设计指标要求的1.2 mm，需要进行优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.016.F006图6线束支架初始分析结果Fig.6Initial simulation results of wire bracket3正交试验设计及成型工艺参数优化结合实际试模经验，影响该线束支架注塑成型过程的主要工艺参数为注射速度（A）、熔体温度（B）、模具温度（C）、保压压力（D）及v/p切换时的体积（E），选择这五个工艺参数作为研究的自变量，在材料推荐参数范围内各均匀设置四个水平，表2为L16(45)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.016.T002表2L16（45）正交试验因素水平设计Tab.2Factor level design of L16（45） orthogonal test因素水平1234注射速度（A）/%70758085熔体温度（B）/℃250260270280模具温度（C）/℃45607590保压压力（D）/MPa55606570v/p切换时的体积（E）/%9898.59999.5表3为L16(45)正交试验结果。从表3可以看出，轴偏移量I在0.968~1.457 mm之间变化，轴偏移量II在0.859~1.567 mm之间变化，最大值与最小值相差较大，说明工艺参数组合对轴偏移量的影响较大。正交表中存在满足设计指标要求的试验序列，证明正交试验设计合理。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.016.T003表3L16（45）正交试验结果Tab.3Results of L16（45） orthogonal test试验编号因素轴偏移量I/mm轴偏移量II/mmABCDE1111111.1170.9072122221.2851.0333133331.2511.1984144441.2151.2395212340.9931.5676221431.0461.0967234121.0501.1968243211.3821.2159313421.4571.14610324311.1730.85911331241.0861.30612342131.0371.28913414231.0751.05014423141.1921.02415432410.9681.15416441321.2551.080k11.2171.1601.1261.0991.160k21.1181.1741.0711.2071.262k31.1881.0891.3211.1681.102k41.1231.2221.1281.1711.122k1*1.0941.1681.0971.1041.034k2*1.2691.0031.2611.1511.114k3*1.1501.2141.1461.1761.158k4*1.0771.2061.0861.1591.284R0.0990.1330.2500.1080.159R*0.1920.2110.1750.0720.250注：*为目标变量为轴偏移量II的k值和R值。对于轴偏移量I，五种因素极差排序为RCRERBRDRA，影响程度排序为模具温度v/p切换时的体积熔体温度保压压力注射速度。对于轴偏移量II，这五个因素的极差排序为RERBRARCRD，影响程度排序为v/p切换时的体积熔体温度注射速度模具温度保压压力。图7为线束支架轴偏移量I与因素水平变化的曲线。从图7可以看出，轴偏移量I随注射速度A的增大，呈现先减小后增大再减小的趋势，当注射速度为A2，轴偏移量I最小。轴偏移量I随熔体温度B的增大，呈现先增大后减小再增大的趋势，当熔体温度为B3，轴偏移量I最小。轴偏移量I随模具温度C的增大，呈现先减小后增大再减小的趋势，当模具温度为C2，轴偏移量I最小。轴偏移量I随保压压力D的增大，呈现先增大后减小再增大的趋势，当保压压力为D1，轴偏移量I最小。轴偏移量I随v/p切换时的体积E的增大，呈现先增大后减小再增大的趋势，当v/p切换时的体积为E3，轴偏移量I最小。综上所述，当工艺参数组合为A2B3C2D1E3，线束支架的轴偏移量I为理论上的最小值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.016.F007图7轴偏移量I与因素水平关系曲线Fig.7Relationship curves between axial offset I and factor level图8为线束支架轴偏移量II与因素水平变化曲线。从图8可以看出，轴偏移量II随注射速度A的增大，呈现先增大后减小的趋势，当注射速度为A4，轴偏移量II最小。轴偏移量II随熔体温度B的增大，呈现先减小后增大再减小的趋势，当熔体温度为B2，轴偏移量II最小。轴偏移量II随模具温度C的增大，呈现先增大后减小的趋势，当模具温度为C4，轴偏移量II最小。轴偏移量II随保压压力D的增大，呈现先增大后减小的趋势，当保压压力为D1，轴偏移量II最小。轴偏移量II随v/p切换时的体积E的增大，逐渐增大，当v/p切换时的体积为E1，轴偏移量II最小。综上所述，当工艺参数组合为A4B2C4D1E1，线束支架的轴偏移量II为理论上的最小值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.016.F008图8轴偏移量II与因素水平关系曲线Fig.8Relationship curves between axial offset II and factor level轴偏移量I和轴偏移量II最优工艺参数并不相同，故需要综合分析得到最优工艺参数组合。为了确定误差的影响程度，故对正交试验进行一次重复试验，并进行方差分析。表4为轴偏移量I的方差分析结果。从表4可以看出，对轴偏移量I的影响程度排序为：模具温度v/p切换时的体积熔体温度保压压力注射速度。模具温度、v/p切换时的体积和熔体温度的F值均大于F0.05，模具温度、v/p切换时的体积和熔体温度对于轴偏移量I具有显著影响。而注射速度和保压压力的F值均小于F0.05，故注射速度和保压压力对于轴偏移量I的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.016.T004表4轴偏移量I的方差分析Tab.4Variance analysis of axial offset I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A1.53130.5101.676F0.01（3，16）=5.29F0.05（3，16）=3.24B3.04431.0153.332C4.60131.5345.037D1.92730.6422.110E3.47531.1583.804误差4.872160.304总和1.53131表5为轴偏移量II的方差分析结果。从表5可以看出，对轴偏移量II的影响程度排序为：v/p切换时的体积熔体温度注射速度模具温度保压压力。v/p切换时的体积、熔体温度和注射速度的F值大于F0.05而小于F0.01，v/p切换时的体积、熔体温度和注射速度对轴偏移量II具有显著影响。模具温度和保压压力的F值均小于F0.05，故模具温度和保压压力对轴偏移量II的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.016.T005表5轴偏移量II的方差分析Tab.5Variance analysis of axial offset II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A2.45630.8193.383F0.01（3，16）=5.29F0.05（3，16）=3.24B2.79430.9313.848C1.93430.6452.664D0.47230.1570.650E3.14531.0484.332误差3.872160.242总和14.67231依据极差分析结果，轴偏移量I的理论最优工艺参数组合为A2B3C2D1E3，而只考虑轴偏移量II的理论最优工艺参数组合为A4B2C4D1E1。D1时两个目标变量均最优，需要对其他工艺参数的选择进行综合分析。注射速度A对轴偏移量II的影响为显著，而对轴偏移量I的影响为不显著，故选择使轴偏移量II为最优时的A4。模具温度C对轴偏移量I的影响为显著，而对轴偏移量II的影响为不显著，故选择使轴偏移量I为最优时的C2。熔体温度B对轴偏移量I和轴偏移量II的影响均为显著，故需要在B3和B2之间选择。v/p切换体积E对轴偏移量I和轴偏移量II的影响均显著，故需要在E3和E1之间选择。基于A4C2D1探究熔体温度B和v/p切换体积E的优组合，表6为目标变量结果。从表6可以看出，B2E1的轴偏移量I大于指标要求(1.2 mm)，而B3E3的轴偏移量II大于指标要求(1.2 mm)。B2E3及B3E1的轴偏移量I和轴偏移量II均满足设计指标要求，且相差不大，考虑料桶加热成本，选择熔体温度较低的B2E3作为最优工艺参数组合。故最终的优化工艺参数组合为A4B2C2D1E3，对应具体参数取值为注射速度为85%，熔体温度为260 ℃，模具温度为60 ℃，保压压力为55 MPa，v/p切换体积为99%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.016.T006表6熔体温度和v/p切换体积组合下目标变量Tab.6Target variable under combination of melt temperature and v/p switching volume目标变量工艺组合B2E1B2E3B3E1B3E3轴偏移量I/mm1.2570.9970.9820.979轴偏移量II/mm0.8820.8910.8941.3284优化工艺验证与基于A4B2C2D1E3进行Moldflow分析，图9为线束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为0.290 5 mm，相比初始工艺降低30.8%。轴偏移量I相比初始工艺降低26.5%，轴偏移量II相比初始工艺降低39.5%，优化效果明显，且均满足设计指标要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.016.F009图9优化工艺下线束支架的翘曲变形量Fig.9Warpage deformation of wire bracket under optimized process图10为优化工艺下充填过程。从图10可以看出，充填等值线分布较均匀，故料流填充过程顺畅，无欠注和明显滞留现象。流动前沿温度变化范围为260.9~265.2 ℃，温度变化较小，料流流经产品各部分的状态基本一致，利于均匀收缩、避免产生较大的内应力。产品主要外观面上均无熔接线和气穴产生，熔接线和气穴主要分布在产品末端及安装孔面的边缘，整体外观较好。图10优化工艺下线束支架的充填过程Fig.10Filling process of wire bracket under optimized process10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.016.F10a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.016.F10a2采用优化的工艺参数进行实际试模，连续打样至产品状态稳定，取件评估外观状态和测量尺寸。图11为线束支架试模样品。从图11可以看出，样品无缺胶、滞留线、温差线、银丝及明显的熔接线等问题，外观状态良好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.016.F011图11线束支架实际试模样品Fig.11Practical mold trial sample of wire bracket5结论对玻纤增强PA66材料的线束支架的注塑成型过程进行模拟，通过设计正交试验探究其两个安装孔轴偏移量的工艺参数的优化方案。基于Moldflow浇口定位器，获得较低流动阻力、较好浇口匹配性的浇口位置为产品中部，并建立单点冷流道系统。优化的工艺参数为：注射速度85%，熔体温度260 ℃，模具温度60 ℃，保压压力55 MPa，v/p切换体积99%。优化工艺的最大翘曲变形为0.290 5 mm，相比初始工艺降低30.8%，轴偏移量I为0.997 mm，相比初始工艺降低26.5%，轴偏移量II为0.891 mm，相比初始工艺降低39.5%，优化效果明显，且均满足设计指标要求。优化工艺的模流分析及试模结果显示，产品外观状态良好，安装孔轴偏移量满足要求，产品可正常安装，验证优化工艺的合理性。