噪声通常包含机械噪声和气动噪声[1]。针对气动噪声，目前主要从噪声源及传播路径方面进行控制[2]。对于传播路径的控制，可以利用谐振腔进行消声[3-4]。谐振腔是利用声学的共振原理设计的一种消声装置，在工业管道、发动机进排气系统中广泛应用[5-6]。共振消声的效果主要与谐振腔的结构设计及形状尺寸精度有关[7]。目前，采用塑料材料进行注塑成型的谐振腔越来越普遍[8]，成型效率及设计自由度明显提升，但注塑成型产生较多的制造缺陷。注塑成型谐振腔的尺寸、形状精度的误差直接影响谐振腔的焊接、安装及消声效果[9]。近年来，采用模拟技术注塑成型控制产品质量的研究基本成熟[10]。通过设计正交试验，可以高效获得优化工艺组合[11-12]。本实验以某35%短玻纤增强的聚丙烯材料的声学谐振腔为研究对象，采用Moldflow软件对其注塑成型过程进行模拟并获得翘曲变形结果，通过Flatness和Roundness宏功能计算得到焊接面的平面度及进出口的同轴度。通过L16(45)正交试验，得到优化工艺参数组合。实际仿真计算与实际试模验证该优化工艺参数组合可行性。1方案设计图1为某汽车进气系统结构图，主要由黄色的进气管总成、绿色的空气滤清器及红的出气管组成。空气滤清器包含上下壳体和内部的声学谐振腔，能够过滤空气中的杂质并具有消音功能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.017.F001图1进气系统结构Fig.1Structure of intake system图2为空气滤清器内部声学谐振腔结构及厚度分布，包括圆形进气孔、圆形出气孔及矩形腔体。当气流及声波传到矩形腔体，通过压缩空气形成的弹性振子发生赫姆霍兹效应，基于共振原理消耗大量声发射的能量，降低噪声。出口气流与入口气流需要方向一致，能够保证谐振腔较好的消声功能，需要圆形进气孔和出气孔的轴线尽可能重合，即同轴度较低。该产品设计指标要求同轴度不大于0.17 mm，平面度不大于0.13 mm。进出口圆孔厚度均为2.5 mm，矩形腔体侧壁厚度为2.3 mm，底部焊接筋厚度为2.5 mm，整体厚度差异较小，利于填充平衡和均匀收缩。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.017.F002图2声学谐振腔设计及厚度Fig.2Design and thickness of acoustic resonant cavity2仿真分析2.1仿真模型采用Fusion双面网格类型对该声学谐振腔进行网格划分。图3为经过网格质量修复得到声学谐振腔网格模型。单元总数为110 277，最大纵横比为5.37，平均纵横比为1.69，最小纵横比为1.14，网格匹配百分比为93.7%，相互网格匹配百分比为94.1%，满足Moldflow软件对于Fusion双面网格的单元质量要求，实际计算可以正常进行。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.017.F003图3声学谐振腔网格模型Fig.3Mesh model of acoustic resonant cavity该声学谐振腔采用35%短玻纤填充的聚丙烯(PP)材料进行注塑成型，材料物性表中推荐的该材料注塑成型的顶出温度为114 ℃，模具温度范围为35~65 ℃，熔体温度范围为225~255 ℃，最大熔体温度为260 ℃。其固体密度为1.13 g/cm3，熔体密度为0.94 g/cm3，沿玻纤取向方向的弹性模量为6 108 MPa，泊松比为0.42，垂直玻纤取向的弹性模量为4 337 MPa，泊松比为0.49，剪切模量为1 352 MPa。初始工艺参数设置为：熔体温度235 ℃，模具温度45 ℃，注射时间1.7 s，保压压力25 MPa，保压时间8 s。2.2进胶系统设计根据该声学谐振腔的尺寸及材料流动性，采用一模两穴及单点进胶方案。图4为基于Moldflow高级浇口定位器得到的浇口位置与流动阻力及匹配性结果。从图4可以看出，谐振腔矩形腔顶部平面的浇口位置较佳，进出口及底部焊接区域浇口位置较差。综合分析确定浇口位置如图中圆圈所示，基本位于顶部平面的中心。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.017.F004图4声学谐振腔最佳浇口位置Fig.4Optimal gate location of acoustic resonant cavity图5为基于最佳浇口位置及网格模型建立的冷流道进胶系统。该流道系统包括圆形冷浇口、垂直圆形冷流道、水平圆形冷流道及圆形冷主流道。圆形冷浇口截面尺寸为Φ2~Φ2.5，垂直圆形冷流道截面尺寸为Φ3~Φ5，水平圆形冷流道尺寸为Φ5，圆形冷主流道截面尺寸为Φ2.5~Φ5。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.017.F005图5声学谐振腔流道系统Fig.5Runner system of acoustic resonant cavity2.3初始分析结果图6为基于初始工艺参数计算得到声学谐振腔的翘曲变形量。从图6可以看出，谐振腔进口区域及矩形腔顶部的变形较大，最大翘曲变形量达到0.766 4 mm。利用Flatness宏功能计算得到焊接面的平面度为0.173 mm，超过设计指标值33.1%，不满足设计要求。利用Roundness宏功能计算得到进出口圆孔的同轴度为0.204 mm，超过设计指标值20%，不满足设计要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.017.F006图6声学谐振腔翘曲变形量Fig.6Warpage deformation of acoustic resonant cavity3正交试验设计3.1工艺参数水平选择选择保压压力(A)、保压时间(B)、熔体温度(C)、注射时间(D)及模具温度(E)作为自变量，在推荐范围内均匀选择4个水平，表1为L16(45)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.017.T001表1L16（45）正交试验因素水平设计Tab.1L16（45） orthogonal test factor level design因素水平1234保压压力（A）/MPa20253035保压时间（B）/s681012熔体温度（C）/℃225235245255注射时间（D）/s1.61.71.81.9模具温度（E）/℃354555653.2正交试验结果表2为L16(45)正交试验结果。从表2可以看出，第6组工艺参数组合下声学谐振腔的平面度最小，为0.121 mm；第12组工艺参数组合下声学谐振腔的平面度最大，为0.197 mm。声学谐振腔的平面度的最大值与最小值相差达到62.8%，表明注塑成型的工艺参数组合对声学谐振腔的平面度影响较大。第7组工艺参数组合下声学谐振腔的同轴度最小，为0.166 mm；第8组工艺参数组合下声学谐振腔的同轴度最大，为0.265 mm。声学谐振腔的同轴度的最大值与最小值相差59.6%，说明注塑成型工艺参数组合对声学谐振腔的同轴度影响也较大。综上所述，通过工艺参数组合的优选可以降低该声学谐振腔的平面度和同轴度。对于声学谐振腔的平面度极差排序为：RARCRBRERD，影响程度排序为：保压压力熔体温度保压时间模具温度注射时间。对于声学谐振腔的同轴度极差排序为：RB*RD*RE*RC*RA*，影响程度排序为：保压时间注射时间模具温度熔体温度保压压力。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.017.T002表2L16（45）正交试验结果Tab.2Results of L16（45） orthogonal test试验编号因素平面度/mm同轴度/mmABCDE1144440.1440.1922122220.1340.2543111110.1370.2214414230.1750.2445212340.1400.1886331240.1210.1767133330.1430.1668324310.1570.2659313420.1430.20310221430.1570.21111342130.1250.24612243210.1970.23413234120.1470.22114423140.1770.25515432410.1640.23516441320.1860.178k10.1390.1490.1500.1460.164k20.1600.1560.1410.1560.152k30.1360.1440.1650.1550.150k40.1750.1630.1550.1520.145k1*0.2080.2140.1970.2360.239k2*0.2140.2460.2310.2270.214k3*0.2230.2000.2140.1990.217k4*0.2280.2130.2310.2110.203R0.03910.01920.02450.01030.0185R*0.01950.04660.03420.03670.0361注：*为目标变量为同轴度的k值和R值。图7为声学谐振腔的平面度与因素水平变化曲线。从图7可以看出，声学谐振腔的平面度随保压压力A的增大，呈现先增大后减小再增大的趋势，当保压压力为A3，声学谐振腔的平面度获得最小值。声学谐振腔的平面度随保压时间B的增大，呈现先增大后减小再增大的趋势，当保压时间为B3，声学谐振腔的平面度获得最小值。声学谐振腔的平面度随熔体温度C的增大，呈现先减小后增大再减小的趋势，当熔体温度为C2，声学谐振腔的平面度获得最小值。声学谐振腔的平面度随注射时间D的增大，呈现先增大后减小的趋势，当注射时间为D1，声学谐振腔的平面度获得最小值。声学谐振腔平面度随模具温度E的增大，呈现逐渐减小的趋势，当模具温度为E4，声学谐振腔的平面度获得最小值。综上所述，当工艺参数组合为A3B3C2D1E4，声学谐振腔的平面度获得最小值，对应工艺参数值为：保压压力30 MPa，保压时间10 s，熔体温度235 ℃，注射时间1.6 s及模具温度65 ℃。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.017.F007图7平面度与因素水平关系曲线Fig.7Relationship curves between flatness and factor level图8为声学谐振腔的同轴度与因素水平的变化曲线。从图8可以看出，声学谐振腔的同轴度随保压压力A的增大，呈现逐渐增大的趋势，当保压压力为A1，声学谐振腔的同轴度获得最小值。声学谐振腔的同轴度随保压时间B的增大，呈现先增大后减小再增大的趋势，当保压时间为B3，声学谐振腔的同轴度获得最小值。声学谐振腔的同轴度随熔体温度C的增大，呈现先增大后减小再增大的趋势，当熔体温度为C1，声学谐振腔的同轴度获得最小值。声学谐振腔的同轴度随注射时间D的增大，呈现先减小后增大的趋势，当注射时间为D3，声学谐振腔的同轴度获得最小值。声学谐振腔平面度随模具温度E的增大，呈现先减小后增大再减小的趋势，当模具温度为E4，声学谐振腔的同轴度获得最小值。综上所述，当工艺参数组合为A1B3C1D3E4，声学谐振腔的同轴度获得最小值，工艺参数值为：保压压力20 MPa，保压时间10 s，熔体温度225 ℃，注射时间1.8 s及模具温度65 ℃。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.017.F008图8同轴度与因素水平曲线Fig.8Relationship curves between roundness and factor level为了确定各工艺参数对声学谐振腔平面度的影响程度，进行一次重复试验和方差分析。表3为平面度方差分析结果。从表3可以看出，各工艺参数F值排序为：ACBED，各工艺参数的影响程度排序为：保压压力熔体温度保压时间模具温度注射时间，与极差分析结果一致。保压压力的F值大于F0.01，故保压压力对于声学谐振腔的平面度具有极显著影响。熔体温度的F值小于F0.01而大于F0.05，故熔体温度对声学谐振腔的平面度具有显著影响。保压时间、模具温度及注射时间的F值均小于F0.05，故保压时间、模具温度及注射时间对于声学谐振腔的平面度影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.017.T003表3平面度方差分析Tab.3Variance analysis of flatness离差来源偏差平方和/10-3自由度平均偏差平方和/10-4F值F临界值A20.3367.612.29F0.01（3，16）=5.29F0.05（3，16）=3.24B4.24314.12.57C6.28320.93.80D1.4134.690.85E1.9136.361.16误差8.80165.50总和42.931表4为同轴度的方差分析结果。从表4可以看出，各工艺参数F值排序为：BDECA，各工艺参数的影响程度排序为：保压时间注射时间模具温度熔体温度保压压力，验证极差分析的结论。保压时间、注射时间及模具温度的F值均小于F0.01而大于F0.05，故保压时间、注射时间及注射压力对于声学谐振腔的同轴度具有显著影响。熔体温度和保压压力的F值均小于F0.05，故熔体温度和保压压力对于声学谐振腔的同轴度的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.017.T004表4同轴度的方差分析Tab.4Variance analysis of roundness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A0.46631.550.99F0.01（3，16）=5.29F0.05（3，16）=3.24B2.3637.865.01C1.3734.572.91D1.6135.383.43E1.5935.303.38误差2.51161.57总和9.91314参数优选与验证对于该声学谐振腔，实际注塑成型过程需要兼顾平面度及同轴度，但各工艺参数的影响程度及最优取值不相同，需要对各工艺参数进行综合分析，得出最优工艺参数组合。对于保压时间B，保压时间为B3时，声学谐振腔的平面度和同轴度均为最优值，故选择B3；对于模具温度E，模具温度E4时，声学谐振腔的平面度和同轴度均为最优值，故选择E4。由于保压压力A对声学谐振腔的平面度具有极显著影响，而对同轴度的影响程度不显著，故选择使声学谐振腔的平面度为最小值的A3。熔体温度C对声学谐振腔的平面度具有显著影响，而对同轴度的影响不显著，故选用使声学谐振腔的平面度为最小值的C2。注射时间D对声学谐振腔的同轴度具有显著影响，而对平面度的影响不显著，故选用使声学谐振腔的同轴度为最小值的D3。综上所述，综合考虑声学谐振腔的平面度和同轴度，最优工艺参数组合为A3B3C2D3E4，即保压压力为30 MPa，保压时间为10 s，熔体温度为235 ℃，注射时间为1.8 s及模具温度为65 ℃。基于优化工艺组合A3B3C2D3E4注塑成型模拟，图9为得到的翘曲变形量。从图9可以看出，在进气管边缘及矩形腔顶部平面区域的最大翘曲变形量较大，为0.454 8 mm，相比初始工艺结果降低40.7%，翘曲变形下降明显。基于Flatness宏功能计算得到声学谐振腔底部焊接面的平面度为0.124 mm，相比初始工艺降低28.3%，优化效果明显，且满足设计指标要求。基于Roundness宏功能计算得到声学谐振腔进出口圆管轴线的同轴度为0.152 mm，相比初始工艺降低25.5%，优化效果明显，且满足设计指标要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.017.F009图9优化工艺的声学谐振腔翘曲变形Fig.9Warpage deformation of acoustic resonator cavity under optimized parameters采用此优化工艺参数组合进行声学谐振腔的实际注塑成型试模，图10为得到的实际样品。从图10可以看出，样品未出现缺胶、温差线、气痕等外观问题，焊接面平面度及进出口圆管的同轴度测试结果均合格，验证该优化工艺应用于实际注塑成型的可行性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.017.F010图10声学谐振腔实际试模样品Fig.10Mold trial sample of acoustic resonator cavity5结论（1）基于高级浇口定位器，计算分析该声学谐振腔在单点进胶方案下不同位置的流动阻力、浇口匹配性，确定最佳的浇口位置为矩形腔顶面中心。（2）通过正交试验分析得到，各工艺参数对声学谐振腔平面度的影响程度排序为：保压压力熔体温度保压时间模具温度注射时间；对同轴度的影响程度排序为：保压时间注射时间模具温度熔体温度保压压力。综合分析平面度与同轴度，最优化工艺参数组合为A3B3C2D3E4，即保压压力为30 MPa，保压时间为10 s，熔体温度为235 ℃，注射时间为1.8 s及模具温度为65 ℃。（3）优化工艺的仿真结果显示，声学谐振腔的平面度及同轴度分别降低28.3%、25.5%，优化效果显著，并满足设计指标要求。实际试模样品的外观及尺寸公差满足要求，验证优化工艺的合理性。