注塑成型具有成型周期短、节约材料和自动化较高等优点，广泛应用于航空航天、汽车电子和医疗器械等领域[1]。但注塑成型工艺存在部分缺陷需要优化处理，如收缩率不均、熔接痕以及翘曲变形等[2]。其中，收缩率不均是结构复杂类型制品最常见的缺陷之一，国内外学者针对结构复杂类型制品收缩率不均的影响因素进行大量研究。陈晓春[3]利用Moldflow模拟分析熔体温度、保压压力、保压时间、冷却时间等工艺参数对A柱内饰件模型收缩率不均的影响。张斌等[4]利用气体辅助注塑成型工艺分析不同工艺参数对提手GAIM收缩率不均的影响，优化后体积收缩率为原来的1/2。无线采集器外壳的结构复杂且壁薄，在注塑成型工艺中极易出现收缩现象。收缩影响产品外观，从而影响产品销售，因此产品的收缩控制至关重要[5]。本实验利用正交优化设计，基于注塑成型工艺参数，通过优化无线采集器的收缩缺陷，达到提高产品质量的目的。1无线采集器结构设计该无线采集器的长度为150 mm、宽度为60 mm、高度为30 mm，壁厚均为3 mm，存在倒圆角、螺纹孔、流体曲面等结构。考虑实际安装需要，体积收缩率不能够超过采集器壳体体积的10%，否则难以装配。无线采集器组件包括上盖和底座，图1为无线采集器外壳。外壳材料为聚苯硫醚(PPS)，PPS在熔融状态和固体状态时的密度分别为1.390 2 g/cm3和1.606 6 g/cm3，弹性模量为3 500 MPa，泊松比为0.4，剪切模量为1 250 MPa，是一种新型高性能热塑性树脂，具有较高的力学强度，耐高温、耐腐蚀性，较好的热稳定性、优良的电性能等优点，在电子、汽车、机械及化工等领域广泛应用[6-7]。表1为PPS的推荐工艺参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.018.F001图1无线采集器外壳Fig.1Shell of wireless collector10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.018.T001表1PPS的推荐工艺参数Tab.1Recommended process parameters of PPS工艺参数数值模具表面温度/℃114熔体温度/℃338模具温度/℃80~147顶出温度/℃160最大剪切力/MPa0.5最大剪切速率/s-1230002注塑成型模拟2.1网格模型为了保证良好的表面质量，需要控制制品收缩。注塑成型工艺参数的设置对收缩的影响较大，且控制较困难，因此对工艺参数进行优化十分重要[8-10]。对无线采集器划分网格，图2为划分结果。平均纵横比为1.59，网格的匹配性优化至92.8%，满足计算要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.018.F002图2网格划分结果Fig.2Meshing results2.2浇注系统设计浇注系统对制品质量影响较大。通过“浇口位置”的分析序列，得到单浇口的匹配性。图3为浇口位置分析。从图3可以看出，制品中蓝色区域表示浇口匹配性最好，适合作浇口位置；红色位置表示浇口匹配性较差，不适合作浇口位置。考虑制品成型模具结构特点，最佳浇口位置选在图中红圈所示区域。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.018.F003图3浇口位置匹配性Fig.3Gate location matching依据确定的浇口位置，进行浇注系统设计，图4为浇注系统。从图4可以看出，选用一模两腔结构，1个主流道，2个副流道，每个型腔采用单点浇口结构。顶部流道平面距零件表面50 mm，主流道为圆锥形，入口直径3 mm，长度55 mm，拔模角3°，流道直径6 mm；副流道也为圆锥形，底部直径6 mm，拔模角3°。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.018.F004图4浇注系统Fig.4Gating system2.3冷却系统设计不同的冷却系统对制品表面的温度分布不同，导致制品收缩不同。图5为冷却系统。从图5可以看出，采用X型冷却管路排列方式，水管与零件表面距离20 mm，冷却水管直径10 mm，管路数量4个，管路之间间距50 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.018.F005图5冷却系统Fig.5Cooling system2.4结果分析选择“填充+保压”分析序列，根据无线采集器外壳的结构特点以及PPS材料属性，确定初始成型工艺参数为系统推荐参数，即模具表面温度为114 ℃，熔体温度为338 ℃，冷却时间为20 s，保压时间为10 s，保压压力为56 MPa，注塑速率为75 cm3/s，进行初始模流分析。图6为初始工艺下无线采集器外壳体积收缩率。从图6可以看出，初始体积收缩率为13.37%，超过目标值(10%)，直接影响后期装配，因此需要进一步优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.018.F006图6无线采集器外壳的体积收缩率Fig.6Volume shrinkage rate of wireless collector shell3工艺参数优化体积收缩率会对制品的外观及性能造成直接影响，受工艺参数影响，工艺参数包含模具温度、熔体温度、注塑时间、注塑速度、保压时间、保压压力等。不同工艺参数组合下，制品的体积收缩率略有不同。结合无线采集器的结构特点，针对体积收缩率进行优化。设计L16(45)正交试验，以体积收缩率为优化目标，通过极差分析和方差分析[11-12]，探究冷却时间（A）、熔体温度(B)、注塑速率(C)、保压时间(D)和保压压力(E)等5个因素对体积收缩率的影响，参数水平在推荐参数范围内均匀选择。表2为L16(45)正交试验因素水平设计，表3为L16(45)正交试验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.018.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冷却时间（A）/s10152025熔体温度（B）/℃320330340350注塑速率（C）/（cm3·s-1）60708090保压时间（D）/s8101214保压压力（E）/MPa4550556010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.018.T003表3L16（45）正交试验结果Tab.3Results of L16（45） orthogonal test试验编号因素体积收缩率/%ABCDE11111112.5121222212.9631333311.4241444413.705212349.5562214312.9472341213.4282432111.709313428.8310324319.95113312413.38123421313.8713414239.58144231412.9215432419.93164413213.88k112.6510.1213.1813.1811.02k211.9012.1911.5811.9012.27k311.5112.0411.2211.2011.95k411.5813.2911.6611.3512.39R1.143.171.961.981.37为了直观地反映各因素对体积收缩率的影响，利用极差分析结果做折线图，图7为体积收缩率与因素水平关系。从图7可以看出，体积收缩率随冷却时间A的增大，呈现先减小后略微上升的趋势，冷却时间为A3时，体积收缩率最小。体积收缩率随熔体温度B的增大，呈现先增大后减小再增大的趋势，熔体温度为B1时，体积收缩率最小。体积收缩率随注塑速率C的增大，呈现先降低后增加的趋势，注塑速率为C3时，体积收缩率最小。体积收缩率随保压时间D的增大，呈现先降低后增加的趋势，保压时间为D3，体积收缩率最小，这是因为保压时间越大，制品越紧致，内应力越低，使收缩降低。随着保压压力E的增加，体积收缩率呈现先增加后降低再增加的趋势，保压压力为E1时，体积收缩率最小。综上所述，最优工艺参数组合是A3B1C3D3E1，即冷却时间20 s、熔体温度320 ℃、注塑速率80 cm2/s、保压时间12 s以及保压压力45 MPa。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.018.F007图7体积收缩率与因素水平的关系Fig.7Relationship between volume shrinkage rate and factor level由于极差分析无法排除随机误差的影响，为了准确确定影响无线采集器外壳体积收缩率的关键因素，进行一次重复试验及方差分析。表4为方差分析结果。从表4可以看出，各个工艺参数的F值排序为BDCEA，可以验证极差结论。熔体温度B和保压时间D的F值均大于F0.01，故熔体温度B和保压时间D对于无线采集器的体积收缩率具有极显著影响。而注塑速率C的F值大于F0.05小于F0.01，表明注塑速率C对无线采集器的影响显著。而冷却时间A和保压压力E的F值均小于F0.05，表明冷却时间A和保压压力E对无线采集器的体积收缩率影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.018.T004表4方差分析Tab.4Variance analysis因素离差平方和自由度均方值F值F临界值A2.59830.8662.123F0.013,16=5.29F0.053,16=3.24B17.51935.84014.313C4.81531.6053.934D7.67332.5586.269E2.84430.9482.324误差6.523160.408总和41.972314验证分析图8为最优工艺参数组合下的模拟结果。从图8可以看出，优化后无线采集器体积收缩率为8.628%，与优化前(13.37%)相比降低35.47%。并且无线采集器体积收缩分布更均匀，经过验证此优化结果可以被应用。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.018.F008图8最优工艺参数下体积收缩率Fig.8Volume shrinkage rate under optimal process parameters在生产实践中，基于正交试验所得最优工艺参数进行实践生产，图9为无线采集器样品。从图9可以看出，无线采集器体积收缩率与有限元仿真结果基本相同，其外观质量较好，无明显收缩变形缺陷，可以指导实际生产。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.018.F009图9无线采集器样品Fig.9Sample of the wireless collector5结论针对无线采集器收缩不均的缺陷，通过Moldflow对制品进行初始分析。以冷却时间、熔体温度、注塑速率、保压时间和保压压力为试验变量，无线采集器的体积收缩率为质量评价指标，设计正交试验。结果表明：（1）基于Moldflow分析无线采集器的浇口区域，计算无线采集器的单点浇口在不同位置下的流动阻力、浇口匹配性，确定最佳的浇口位置。（2）通过正交试验得到最优工艺参数为：冷却时间20 s、熔体温度320 ℃、注塑速率80 cm3/s、保压时间12 s以及保压压力45 MPa。优化后无线采集器体积收缩率为8.628%，与优化前相比降低35.47%。（3）将最优的成型工艺参数应用于实践生产，可以得到外观质量较好的无线采集器。