自动制氧机是利用分子筛技术，通过加压和减压吸附并排出空气中氮气，分离高纯度氧气的设备[1]。而制氧机叶轮作为空气加压和减压的关键部件[2]，对制氧机的性能起关键作用[3]。叶轮作为一种旋转部件，其动平衡性能通常决定其是否能够长期稳定工作以及噪声大小[4-5]。为了减轻制氧机质量并提高叶轮的设计灵活性，目前便携式制氧机的叶轮也逐渐采用高分子材料制造[6]。PEEK材料具备良好的耐热性、耐腐蚀性及尺寸稳定性[7]，加入一定比例的玻纤，其刚强度、阻燃性进一步提升[8]，较多地应用于电子电气、航空航天等精密零件。玻纤增强PEEK材料满足制氧机叶轮对于材料性能的要求[9]，但注塑成型制造该零件通常面临形状尺寸精度不合格的问题。对于注塑成型问题，目前较多地利用仿真模拟的手段进行预测和优化[10-11]。对于多工艺优化问题，正交试验方法普遍应用[12]。通过设计正交试验并进行仿真模拟，可以快速、准确地获取工艺参数对目标变量的影响规律，进行参数优化[13]。本实验针对一款15%玻纤增强PEEK材料注塑成型的制氧机叶轮，采用仿真模拟和正交试验的方法，探究工艺参数对安装面圆柱度和扇叶端面圆柱度的影响，通过极差与方差分析，获得优化的工艺参数组合。1制氧机叶轮设计与初始模流分析1.1制氧机叶轮设计图1为自动制氧机叶轮的三维模型。从图1可以看出，叶轮主要由扇叶、中心安装孔和底盘组成。其尺寸为50 mm×450 mm×16 mm，属于小型离心叶轮。中心安装孔壁面厚度最大，达到2.5 mm。底盘的壁面厚度最小，为0.35 mm。由于叶轮主要通过中心轴旋转带动氧气循环流动，通常需要具有较好的动平衡性能，这与安装面的圆柱度及扇叶端面的圆柱度密切相关。根据实验测试得出该叶轮的圆柱度设计指标为：安装面圆柱度不大于0.27 mm，扇叶端面圆柱度不大于0.36 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.015.F001图1制氧机叶轮三维构型Fig.1Three-dimensional configuration of oxygenerator impeller1.2网格模型通过Moldflow中Fusion模式进行双面网格划分，图2为制氧机叶轮的网格模型。从图2可以看出，修复后网格边长为0.7 mm，网格数目为65834，最大纵横比为2.76，最小纵横比为1.21，平均纵横比为1.43，匹配百分比为94.2%，相互百分比为92.7%，满足分析要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.015.F002图2网格模型Fig.2Mesh model1.3材料工艺参数由于制氧机叶轮对于刚强度、耐腐蚀性、耐高温性和尺寸精度方面的要求较高，选择Victrex USA公司的15%玻纤增强的PEEK材料进行注塑成型。表1为PEEK材料推荐工艺参数。初始工艺为：熔体温度385 ℃，模具温度190 ℃，注射压力105 MPa，保压压力84 MPa。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.015.T001表1推荐工艺参数Tab.1Recommended process parameters工艺参数数值顶出温度/℃282模具温度/℃175~205模具表面温度/℃190熔体温度/℃375~395剪切速率最大值/s-148000剪切应力最大值/MPa0.341.4浇口位置分析采用Moldflow高级浇口定位器，分析制氧机叶轮的最佳浇口位置，图3为分析结果。从图3可以看出，红色区域代表熔体填充受到的阻力较大、浇口匹配性较差，蓝色区域则代表较好的浇口位置。基于两个浇口填充方式确定的浇口位置如红色圈位置，对称分布中心位置。图3浇口位置分析Fig.3Analysis of gate location10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.015.F3a1（a）流动阻力10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.015.F3a2（b）浇口匹配性1.5浇注系统设计基于浇口位置结果，考虑产品外观以及模具设计等因素，浇注系统选择冷流道方式，图4为建立的浇注系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.015.F004图4浇注系统Fig.4Gating system从图4可以看出，圆形浇口始端直径为1.5 mm，末端直径为2.0 mm。垂直圆形冷流道始端直径为2.0 mm，末端直径为4.0 mm，水平圆形冷流道直径为4.0 mm，圆形冷主流道直径为2.5~4.0 mm。考虑仿真模拟研究得到效率问题，采用一模一腔的方式建立浇注系统。1.6初始模拟分析由于冷却系统设计固定、冷却过程计算耗时较长，本实验不考虑冷却过程。采用初始工艺对制氧机叶轮进行填充、保压和翘曲变形分析，图5为分析结果。从图5可以看出，所有效应下的最大翘曲变形量为0.564 0 mm，发生在制氧机叶轮的周边位置，中心区域翘曲变形量相对较小。顶出时的体积收缩率范围为2.038%~13.61%，中心安装孔和周边区域收缩率相对较大。选择安装面及扇叶端面区域的单元节点，播放Roundness宏功能，计算得到安装面圆柱度为0.324 mm，扇叶端面圆柱度为0.421 mm，均大于对应的设计指标要求，需要进行参数优化。图5初始模拟结果Fig.5Results of initial simulation10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.015.F5a1（a）所有效应10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.015.F5a2（b）体积收缩率2正交试验设计及成型工艺参数优化由于玻纤取向分布基本不变，故产品翘曲变形和圆柱度主要取决于材料收缩不均。考虑影响注塑成型过程材料收缩的主要工艺参数，选择熔体温度(A)、模具温度(B)、注射压力(C)、保压压力(D)四个参数，在推荐范围内各均匀选择三个水平设计正交试验方案。表2为L9(34)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.015.T002表2L9（34）正交试验因素水平设计Tab.2Factor level design of L9（34） orthogonal test因素水平123熔体温度（A）/℃375385395模具温度（B）/℃175190205注射压力（C）/MPa85105125保压压力（D）/MPa6884100表3为L9(34)正交试验结果。从表3可以看出，安装面圆柱度在0.245~0.371 mm范围内变化，扇叶端面圆柱度在0.289~0.457 mm范围内变化。存在满足安装面圆柱度和扇叶端面圆柱度要求的试验序列，正交试验设计合理。对于安装面圆柱度，极差大小排序为RARBRDRC，工艺参数对其影响程度排序为熔体温度模具温度保压压力注射压力。对于扇叶端面圆柱度，极差排序为RCRD RARB，工艺参数对其影响程度排序为：注射压力保压压力熔体温度模具温度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.015.T003表3L9（34）正交试验结果Tab.3Results of L9（34） orthogonal test试验序号因素安装面圆柱度/mm扇叶端面圆柱度/mmABCD111110.3070.326212320.3360.337313230.2450.397421330.3320.443522210.3710.457623120.2690.289731220.2660.363832130.2540.341933310.2990.428k10.2960.3020.2770.326k20.3240.3200.2940.290k30.2730.2710.3220.277k1*0.3530.3770.3190.404k2*0.3960.3780.4060.330k3*0.3770.3710.4030.394R0.05100.04930.04570.0487R*0.0430.0070.0870.074注：*为扇叶端面圆柱度对应的k值和R值。图6为安装面圆柱度与各因素水平的关系曲线。从图6可以看出，安装面圆柱度随着熔体温度的升高先增大后减小，熔体温度为A3时获得最小值。当模具温度增大，安装面圆柱度先增大后减小，模具温度为B3时获得最小值。当注射压力增大，安装面圆柱度逐渐增大，注射压力为C1时获得最小值。随着保压压力的增加，安装面圆柱度逐渐降低，保压压力为D3时获得最小值。综上所述，只考虑安装面圆柱度，优化工艺参数组合为A3B3C1D3。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.015.F006图6安装面圆柱度与因素水平关系曲线Fig.6Relationship curves between cylindricity of the installation surface and factor level图7为扇叶端面圆柱度与各因素水平的关系曲线。从图7可以看出，扇叶端面圆柱度随着熔体温度的升高先增大后减小，熔体温度为A1时获得最小值。当模具温度增大，扇叶端面圆柱度先增大后减小，模具温度为B3时获得最小值。当注射压力增大，扇叶端面圆柱度先增大后减小，注射压力为C1时获得最小值。随着保压压力的增加，扇叶端面圆柱度先减小后增大，保压压力为D2时获得最小值。综上所述，只考虑扇叶端面圆柱度，优化工艺参数组合为A1B3C1D2。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.015.F007图7扇叶端面圆柱度与因素水平关系曲线Fig.7Relationship curves between cylindricity of the fan blade terminal face and factor level为了排除误差对实验结果的影响，进行1次重复实验和方差分析。表4为安装面圆柱度方差分析结果。从表4可以看出，误差的平均偏差平方和明显小于各工艺参数，实验误差影响较小。各工艺参数对安装面圆柱度的影响程度排序为：熔体温度模具温度保压压力注射压力。其中，熔体温度和模具温度对安装面圆柱度具有显著影响。注射压力和保压压力对安装面圆柱度无显著影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.015.T004表4安装面圆柱度方差分析Tab.4Variance analysis of cylindricity of the installation surface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A1.37020.6855.834F0.01（2，9）=8.02F0.05（2，9）=4.26B1.10320.5524.697C0.73320.3673.121D0.84220.4213.585误差1.05790.117表5为扇叶端面圆柱度的方差分析结果。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，实验误差影响较小。各工艺参数对扇叶端面圆柱度的影响程度排序为：注射压力保压压力熔体温度模具温度。其中，注射压力和保压压力对扇叶端面圆柱度有显著影响。熔体温度和模具温度对扇叶端面圆柱度无显著影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.015.T005表5扇叶端面圆柱度方差分析Tab.5Analysis of variance of cylindricity of fan blade terminal face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A0.77620.3882.521F0.01（2，9）=8.02F0.05（2，9）=4.26B0.26520.1330.863C1.88820.9446.134D1.65520.8275.378误差1.38590.154实验最终目的是同时优化制氧机叶轮的安装面圆柱度和扇叶端面圆柱度以满足设计指标要求。因此需要根据各个因素对这两个目标变量的影响程度进行综合分析。对于熔体温度A，其对安装面圆柱度的影响程度显著，而对扇叶端面圆柱度的影响不显著，因此选择使安装面圆柱度为最小值的A3。对于模具温度B，安装面圆柱度及扇叶端面圆柱度均在B3时获得最小值，因此选择B3。对于注射压力C，安装面圆柱度及扇叶端面圆柱度均在C1时获得最小值，因此选择C1。对于保压压力D，其对安装面圆柱度的影响程度不显著，而对扇叶端面圆柱度的影响程度显著，因此选择使扇叶端面圆柱度为最小值的D2。综合分析得到的最优工艺参数组合为A3B3C1D2。对应参数取值为：熔体温度395 ℃，模具温度205 ℃，注射压力85 MPa，保压压力84 MPa。3工艺优化与验证采用Moldflow对工艺优化参数组合A3B3C1D2进行仿真验证，图8为模拟结果。图8优化工艺组合下模拟结果Fig.8Simulation results under optimized process combination10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.015.F8a1（a）所有效应10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.015.F8a2（b）体积收缩率从图8可以看出，优化工艺的最大翘曲变形量为0.386 4 mm，相比优化前降低31.5%。最大顶出的体积收缩率为11.86%，相比优化前降低12.9%。Roundness宏功能计算得到安装面圆柱度为0.238 mm，相比优化前降低26.5%，满足设计指标要求。扇叶端面圆柱度为0.265 mm，相比优化前降低37.1%，满足设计指标要求。图9为采用玻纤增强PEEK材料注塑成型的试模样品。从图9可以看出，外观无缺胶、烧焦等明显问题，且实际测量得到安装面圆柱度及扇叶端面圆柱度均合格，验证优化工艺的可行性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.015.F009图9实际生产的制氧机叶轮Fig.9The actual produced oxygenerator impeller4结论（1）基于Moldflow浇口定位器得到叶轮中部区域浇口阻力及匹配性较好，叶轮边缘区域浇口阻力及匹配性较差。确定最佳的浇口位置，并完成浇注系统创建。（2）正交试验得到最优工艺参数组合为A3B3C1D2，即熔体温度395 ℃，模具温度205 ℃，注射压力85 MPa，保压压力84 MPa。对该优化工艺进行模拟计算得到：安装面圆柱度为0.238 mm，相比优化前降低26.5%；扇叶端面圆柱度为0.265 mm，相比优化前降低37.1%，满足设计指标要求。试模样品外观状态及实测圆柱度结果合格，验证工艺优化效果。