气缸罩盖又称缸盖罩或气门室罩盖[1]，其安装在发动机顶部，具有遮盖并密封气缸盖、集成油气分离器、集成曲轴箱通风系统并支撑其他零件的作用[2]。随着汽车行业的发展以及污染物排放标准的提高，气缸罩盖多采用塑料材料制造[3]。油气分离功能也逐渐集中至气缸罩盖，包括粗分离器与精分离器[4]。由于精分离器长期处于高温高压的油气环境，对其材料性能也提出较高要求。精分离器通常结构复杂，需要具备良好的成型性能[5]。玻纤增强PA10T材料由于具有较强的力学性能和高温稳定性，能够用作发动机中需要承受高温的小尺寸零件[6-8]。气缸罩盖精分离器主要通过注塑成型，此过程中不可避免地会出现翘曲变形，影响结构的尺寸精度和位置精度[9]。气缸罩盖精分离器主要依靠复杂的迷宫式结构，如凹槽和圆柱孔进行油气分离。这些特征结构的形位公差过大，明显降低油气分离的效率。针对注塑成型，通常利用Moldflow仿真模拟软件预测注塑成型可能产生的外观或尺寸缺陷[10]，从而指导产品的设计开发。针对注塑成型变量多且复杂的特点，结合目标变量的统计分析，获得精准的数据信息，正确指导优化改进方案[11-12]。本实验以玻纤增强PA10T材料的气缸罩盖精分离器为研究对象，采用仿真技术模拟其注塑成型过程，并设计正交试验，探究影响油气分离效率的局部平面度和轴倾斜角的因素。通过极差分析和方差分析，得到最优工艺参数组合。由仿真模拟和实际试模验证该优化工艺的合理性。1气缸罩盖精分离器结构设计图1为气缸罩盖结构及油气回路示意图。从图1可以看出，气缸罩盖主要包括本体、密封盖、粗分离器和精分离器。发动机挥发的汽油蒸气经窜气入口流入，先通过由系列立柱组成的迷宫式粗分离器进行粗分离，再由系列圆柱孔和凹槽构成的精分离器进行精分离，最后由窜气出口回到空滤后端。气缸罩盖精分离器起主要的油气分离作用，其产品结构较复杂，形状尺寸精度对气缸罩盖精分离效率具有关键影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.019.F001图1气缸罩盖结构Fig.1Structure of cylinder cover气缸罩盖精分离器整体尺寸为46 mm×44 mm×16 mm，产品尺寸较小，结构相对复杂。图2为气缸罩盖精分离器设计。从图2可以看出，产品主要由14个矩形长凹槽和15个圆柱形孔及中间隔板构成，矩形凹槽和圆柱形孔起主要的精分离作用。凹槽底面的平面度以及圆柱孔轴线相对隔板法线的倾斜角是最关键的两个形位公差，具体设计指标要求为平面度不大于0.1 mm，轴倾斜角不大于1°。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.019.F002图2气缸罩盖精分离器设计Fig.2Design of cylinder cover fine separator图3为该气缸罩盖精分离器的厚度分布。从图3可以看出，最大厚度为2.930 mm，位于两侧限位区域，有利于增大安装强度。中间隔板的厚度在1.28~2.00 mm，沿拔模方向逐渐变薄，有利于脱模。圆柱孔厚度在0.75~1.35 mm，沿轴线方向均匀变化。矩形槽底面厚度在1.75~2.23 mm，侧板厚度在1.30~1.50 mm，均沿脱模方向均匀变化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.019.F003图3气缸罩盖精分离器厚度属性Fig.3Thickness property of cylinder cover fine separator2初始Moldflow分析2.1网格模型采用Fusion双面网格类型，利用Moldflow前处理器对该气缸罩盖精分离器进行网格划分。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4为网格质量修复得到的网格模型。单元基本尺寸为0.6 mm，单元总数为54971，最大纵横比为3.8，平均纵横比为1.7，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Moldflow分析计算。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.019.F004图4气缸罩盖精分离器网格模型Fig.4Mesh model of cylinder cover fine separator2.2材料工艺参数为保证材料具有较好的高温刚性和尺寸稳定性，该气缸罩盖壳体采用30%玻纤增强PA10T材料注塑成型，表1为PA10T主要工艺参数及性能参数。该材料UDB文件推荐的默认工艺参数为：熔体温度为315 ℃，模具温度为120 ℃，v/p切换时的体积为99%，保压压力为45 MPa，注射时间为0.37 s。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.019.T001表130%玻纤增强PA10T材料参数Tab.1Parameters of 30% glass fiber reinforced PA10T material参数数值参数数值顶出温度/℃220固体密度/（g·cm-3）1.68模具温度范围/℃110~140弹性模量E1/MPa8500模具表面温度/℃120弹性模E2/MPa6449熔体温度范围/℃300~340泊松比v120.37剪切速率最大值/s-160000泊松比v230.47剪切应力最大值/MPa0.50剪切模量E1/MPa37402.3浇口位置和流道系统设计根据该气缸罩盖精分离器的尺寸及材料的流动性，采用单点进胶。利用Moldflow高级浇口定位器确定单点浇口位置，图5为流动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5可以看出，转角区域浇口位置较佳，但考虑模具制造的可行性及去浇口的难易度，故将浇口位置放置于图示矩形框位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.019.F005图5浇口位置分析Fig.5Analysis of gate location根据确定的浇口位置，基于一模一穴方式建立冷流道侧边进胶系统。图6为进胶系统设计。从图6可以看出，沿熔体流动路径，分别为w4×h1~w2×h2的矩形冷浇口、w2.5×h2的U型冷流道、Φ2~Φ2.5的垂直圆形冷流道、Φ3~Φ4的垂直圆形冷流道、Φ4的水平圆形冷流道及Φ3~Φ4的圆形冷主流道。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.019.F006图6进胶系统设计Fig.6Design of runner system2.4结果分析基于此气缸罩盖精分离器的双面网格模型、默认工艺参数及流道系统进行初始Moldflow分析，图7为所有效应下翘曲变形结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.019.F007图7初始翘曲变形结果Fig.7Results of initial warpage deformation从图7可以看出，圆柱孔区域变形相对较大，矩形槽区域变形相对较小，最大翘曲变形量为0.263 0 mm，发生在精分离器中部圆柱孔区域。圆柱孔区域较大的翘曲变形来自中部隔板的内凹，使圆柱孔的轴线发生明显的偏移，计算得到圆柱孔轴线的倾斜角最大为1.218°，大于设计指标要求(1°)。矩形槽底面同样发生一定的内凹，产生的平面度为0.164 6 mm，大于设计指标要求(0.1 mm)。综上所述，初始工艺参数下，该气缸罩盖精分离器的矩形槽的平面度及圆柱孔的轴倾斜角均不满足设计指标要求，需要进行优化。3正交试验设计与分析该气缸罩盖精分离器的平面度以及圆柱孔区域的轴倾斜角，均与注塑成型过程直接相关。通过控制注塑成型的工艺参数优化产品轴倾斜角和平面度，以达到提升产品尺寸精度及油气分离效率的目的。注塑成型工艺参数优化通常采用正交试验的方法，以大幅度降低试验工作量并得到准确的数据信息。影响该气缸罩盖精分离器注塑成型的主要工艺参数为注射时间（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），5个工艺参数各设置4个因素水平，表2为L16(45)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.019.T002表2L16（45）正交试验因素水平设计Tab.2Design of L16（45） orthogonal test factor and level因素水平1234注射时间（A）/s0.340.370.400.43熔体温度（B）/℃305315325335模具温度（C）/℃110120130140保压压力（D）/MPa40455055v/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，进行16组不同工艺参数组合下的仿真模拟实验，利用Molflow播放宏功能计算和统计气缸罩盖精分离器矩形槽的平面度和圆柱孔区域的最大轴倾斜角两个目标变量。对于平面度来说，第4组试验的平面度最小，为0.116 mm；第13组试验的平面度最大，为0.204 mm。对于轴倾斜角来说，第14组的轴倾斜角最小，为0.981°；第10组的轴倾斜角最大，为1.418°。可见，工艺参数对平面度P及轴倾斜角Z有较大的影响，证实采用工艺参数优化来达到设计指标要求的可行性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.019.T003表3L16（45）正交试验结果Tab.3Results of L16（45） orthogonal test试验编号因素平面度/mm轴倾斜角/（°）ABCDE1144440.1851.3452122220.1761.2683111110.1331.1174414230.1161.2645212340.1571.4136331240.1651.1787133330.1321.2558324310.1411.3419313420.1751.36710221430.1841.41811342130.1361.33912243210.1711.27813234120.2041.05114423140.1980.98115432410.1861.15416441320.1531.392k10.1560.1450.1590.1680.158k20.1790.1750.1640.1570.177k30.1540.1720.1690.1460.142k40.1630.1610.1610.1820.176k1*1.2461.2901.2761.1221.223k2*1.2901.2521.2941.2471.270k3*1.3061.1601.2201.3501.319k4*1.1981.3391.2501.3211.229R0.0250.0300.0100.0360.035R*0.1080.1790.0740.2280.096注：*为目标变量为轴倾斜角的k值和R值。对于气缸罩盖精分离器的平面度，5个工艺参数的极差排序为DEBAC，故这5个因素的影响程度排序为保压压力v/p切换时的体积熔体温度注射时间模具温度。图8为气缸罩盖精分离器的平面度随不同工艺参数水平变化的曲线。从图8可以看出，平面度随注射时间A的增大，呈现先增大后减小再增大的趋势，当注射时间为A3，平面度最小。平面度随熔体温度B的增大，呈现先增大后降低的趋势，当熔体温度为B1，平面度最小。平面度随模具温度C的增大，呈现先增大后减小的趋势，当模具温度为C1，平面度最小。平面度随保压压力D的增大，呈现先减小后增大的趋势，当保压压力为D3，平面度最小。平面度随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，平面度最小。综上所述，当工艺参数组合为A3B1C1D3E3，气缸罩盖精分离器的平面度为理论上的最小值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.019.F008图8平面度与因素水平关系曲线Fig.8Relationship curves between flatness and factor level对于气缸罩盖精分离器的轴倾斜角，5个因素的极差排序为DBAEC，故这5个因素的影响程度排序为保压压力熔体温度注射时间v/p切换时的体积模具温度。图9为气缸罩盖精分离器的轴倾斜角Z随不同工艺参数水平变化的曲线。从图9可以看出，轴倾斜角随注射时间A的增大，呈先增大后减小的趋势，当注射时间为A4时，轴倾斜角最小。轴倾斜角随熔体温度B的增大，呈先减小后增大的趋势，当熔体温度为B3时，轴倾斜角最小。轴倾斜角随模具温度C的增大，呈先增大后减小再增大的趋势，当模具温度为C3时，轴倾斜角最小。轴倾斜角随保压压力D的增大，呈先增大后减小的趋势，当保压压力为D1时，轴倾斜角最小。轴倾斜角随v/p切换时的体积E的增大，呈先增大后减小的趋势，当v/p切换时的体积为E1时，轴倾斜角最小。综上所述，当工艺参数组合为A4B3C3D1E1时，轴倾斜角为理论上的最小值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.019.F009图9轴倾斜角与因素水平关系曲线Fig.9Relationship curves between axial inclination angle and factor level经过平面度及轴倾斜角的极差分析可知，达到平面度及轴倾斜角最优时工艺参数的取值不相同，因此，需要进行综合分析，为了确定误差对实验结果的相对影响及正交试验数据的可信度，对正交试验进行一次重复试验，并进行方差分析。表4为平面度的方差分析结果。从表4可以看出，各工艺参数F值排序为DEBAC，故5个因素对气缸罩盖精分离器的平面度的影响程度排序为保压压力v/p切换时的体积熔体温度注射时间模具温度。保压压力和v/p切换时的体积的F值均大于F0.01，故保压压力和v/p切换时的体积对气缸罩盖精分离器的平面度具有极显著影响。熔体温度的F值大于F0.05而小于F0.01，故熔体温度对平面度具有显著影响；注射时间和模具温度的F值均小于F0.05，故注射时间和模具温度对于平面度的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.019.T004表4平面度的方差分析Tab.4Variance analysis of flatness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A0.75032.5002.81F0.01（3，16）=5.29F0.05（3，16）=3.24B1.09033.6404.10C0.31831.0601.19D1.68035.6106.32E1.47034.9005.52误差1.420160.888总和6.74031表5为轴倾斜角的方差分析结果。从表5可以看出，工艺参数F值大小排序为DBAEC，故5个因素对气缸罩盖精分离器的轴倾斜角的影响程度排序为保压压力熔体温度注射时间v/p切换时的体积模具温度。保压压力和熔体温度的F值大于F0.01，故保压压力和熔体温度对轴倾斜角具有极显著的影响。注射时间的F值大于F0.05而小于F0.01，故注射时间对轴倾斜角具有显著影响。模具温度和v/p切换时的体积的F值均小于F0.05，故模具温度和v/p切换时的体积对轴倾斜角的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.019.T005表5轴倾斜角的方差分析Tab.5Variance analysis of axial inclination angle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A1.68730.5623.95F0.01（3，16）=5.29F0.05（3，16）=3.24B2.32430.7755.44C1.14330.3812.68D2.57030.8576.02E1.33230.4443.12误差2.078160.142总和9.681314综合分析与验证由于气缸罩盖精分离器的平面度和轴倾斜角获得最优值时工艺参数取值不同，故针对各工艺参数对目标变量的影响程度进行综合分析。对于注射时间A，其对轴倾斜角具有显著影响，而对平面度的影响不显著，故选择轴倾斜角最优的A4。对于熔体温度B，其对轴倾斜角的影响极显著，而对平面度的影响显著，故选用轴倾斜角最优的B3。对于模具温度C，其对轴倾斜角及平面度的影响均不显著，考虑成本因素，故选用模具温度较低的C1。对于保压压力D，其对平面度和轴倾斜角均具有极显著影响，平面度在D3时最优，而轴倾斜角在D1时最优。为了兼顾平面度与轴倾斜角，选择中间值D2。对于v/p切换时的体积E，其对平面度具有极显著影响，而对轴倾斜角的影响不显著，故选用平面度最优的E3。综上所述，综合考虑平面度和轴倾斜角两个目标变量，得到最优工艺参数组合为A4B3C1D2E3，即注射时间为0.43 s、熔体温度为325 ℃、模具温度为110 ℃、保压压力为45 MPa及v/p切换时的体积为99%。利用Moldflow模流分析软件对优化参数组合A4B3C1D2E3进行模拟计算，图10为计算结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.019.F010图10优化工艺翘曲变形结果Fig.10Warpage deformation results of optimized parameters从图10可以看出，所有效应下的最大翘曲变形为0.127 4 mm，相比初始工艺降低51.6%，采用Moldflow宏功能计算得到平面度为0.087 3 mm，相比初始工艺降低47.0%。计算得到轴倾斜角为0.783°，相比初始工艺降低35.7%。综上所述，工艺参数优化对气缸罩盖精分离器的平面度及轴倾斜角的改善效果显著，满足设计指标要求。图11为基于此优化工艺参数组合得到填充等值线及流动前沿温度结果。从图11可以看出，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1.4 ℃，温度差异较小，温度均匀性较好。图11优化工艺分析结果Fig.11Analysis results of optimized parameters10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.019.F11a1（a）填充等值线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.019.F11a2（b）流动前沿温度图12为气缸罩盖精分离器注塑成型试模样品。从图12可以看出，样品外观良好，实测平面度及轴倾斜角满足要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.019.F012图12气缸罩盖精分离器实际试模样品Fig.12Mold trial sample of fine separator of cylinder cover5结论（1）基于Moldflow高级浇口定位器，获得流动阻力、浇口匹配性结果，考虑模具制造性及去浇口的难易度，确定最佳的浇口位置。（2）工艺参数对平面度影响程度排序为：保压压力v/p切换时的体积熔体温度注射时间模具温度；对轴倾斜角影响程度排序为：保压压力熔体温度注射时间v/p切换时的体积模具温度。（3）综合考虑平面度和轴倾斜角两个目标变量，得到最优工艺参数组合为A4B3C1D2E3，即注射时间为0.43 s、熔体温度为325 ℃、模具温度为110 ℃、保压压力为45 MPa及v/p切换时的体积为99%。（4）优化工艺下所有效应的最大翘曲变形相比初始工艺降低51.6%，平面度相比初始工艺降低47.0%，轴倾斜角相比初始工艺降低35.7%，实际试模状态验证该优化工艺参数的可行性。