注塑成型具有成型周期短、节约材料和较高自动化等优点，广泛应用于航空航天、汽车电子和医疗器械等领域[1]。与传统金属加工行业一样，产品注塑成型过程存在一定缺陷[2]。翘曲变形不仅影响产品的尺寸，而且对零件的装配影响较大[3]。针对制品翘曲变形的研究较多。孙显骏等[4]通过修正Chaboche黏塑性模型并将其应用于高分子复合材料，可以有效预测制品翘曲变形趋势。傅夏龙等[5]利用基于CCD的响应面法，利用遗传算法优化，降低遮阳板的翘曲变形量。Kitayama等[6]利用径向函数网络优化保压压力曲线，从而优化制品翘曲变形量。Wang等[7]利用田口实验方法优化注塑成型工艺参数，从而优化制动助力器的翘曲变形量。上述研究仅适用于限定环境下优化制品翘曲变形量，并未结合急停按钮基座的结构特点，对于改善急停按钮基座的翘曲变形量效果较差。本实验通过设计正交试验，考虑急停按钮基座应用环境及成本，采用仿真软件对急停按钮基座的翘曲变形缺陷优化分析，提高产品的品质。1三维结构初始分析1.1制品分析图1为急停按钮基座外壳三维结构。急停按钮总体尺寸为长度为100 mm，宽度为100 mm，高度为50 mm；壁厚均为2 mm，同时存在倒圆角、螺纹孔、加强筋等结构。按钮基座组件包括上盖和底座。保证急停按钮基座外壳整体结构均匀，有利于在注塑成型过程中均匀收缩，从而减少制品的翘曲变形，考虑急停按钮基座结构复杂性，要求急停按钮基座结构整体翘曲变形量不大于0.6 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.019.F001图1急停按钮基座外壳Fig.1Emergency stop button base shell为了保证装配良好，必须较好地控制制品的翘曲变形量。注塑成型工艺参数的设置对翘曲变形量的影响较大，且不容易控制，因此需要优化工艺参数[8]。对急停按钮基座三维模型进行网格划分，图2为网格划分结果。具体参数为：平均纵横比1.75，采用修复向导将网格的匹配性优化至93.8%，满足下一步分析要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.019.F002图2网格划分结果Fig.2Meshing results1.2浇注冷却系统设计1.2.1浇口位置分析综合分析急停按钮基座的结构特性，急停按钮基座分为两部分，且结构较规整，结合模流分析得到最优浇口位置。通过软件Moldflow分析浇口位置的匹配性，得到浇口的最佳位置，图3为分析结果。从图3可以看出，蓝色区域代表浇口的最佳位置。本次实验选用一模两腔结构进料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.019.F003图3急停按钮基座的浇口位置匹配性Fig.3Gate position matching of emergency stop button base1.2.2浇注系统设计浇注和冷却系统对制品质量影响较大。采用“填充+保压+翘曲”的分析序列，图4为得到优化浇口和流道系统。从图4可以看出，采用一个主流道，两个副流道，每个型腔采用两个点浇口结构。顶部流道平面距零件表面145 mm，主流道为圆锥形，入口直径7 mm，长度170 mm，拔模角0°，流道直径7 mm，竖直流道为圆锥形，底部直径7 mm，拔模角0°。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.019.F004图4急停按钮基座的浇注系统Fig. 4Gating system of emergency stop button base1.2.3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，导致收缩不均情况不同，产生不同程度的翘曲变形量。通过分析流动前沿温度，图5为优化的冷却系统。从图5可以看出，采用Y型冷却管路排列方式，水管与零件表面距离25 mm，冷却水管直径10 mm，管路为3个，管路间距70 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.019.F005图5浇注冷却系统Fig.5Pouring cooling system急停按钮基座外壳通常需要良好的阻燃性能，同时承受来自外界的动态载荷，因此需要具有良好的尺寸稳定性及刚强度。考虑成本，目前多数采用聚丙烯(PP)注塑成型。根据具体性能指标选择制造商Targor生产的PP。表1为该PP材料注塑成型推荐工艺参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.019.T001表1推荐工艺参数Tab.1Recommended process parameters工艺参数数值工艺参数数值模具表面温度/℃50固体密度/（g·cm-3）0.92889熔体温度/℃230弹性模量（E1）/MPa1340模具温度/℃20~80弹性模量（E2）/MPa1340熔体温度范围/℃200~280泊松比（v12）0.392顶出温度/℃93泊松比（v23）0.392最大剪切应力/MPa0.26剪切模量（G12）/MPa481.3最大剪切速率/s-124000图6为该PP材料成型的PVT曲线及黏度曲线[9]。从图6a可以看出，该材料在175 ℃以下，随着温度的增加体积比容呈线性增加；150~200 ℃之间，随着温度的上升，体积比容迅速增大，说明温度的提高使材料状态明显改变；温度高于200 ℃，随着温度的增加，体积比容又恢复线性增长趋势。从图6b可以看出，材料在不同温度条件下，随着剪切速率的增加黏度下降，这与熔体在模具中的填充过程密切相关。材料在较低的剪切速率下不同温度的黏度差异较大，且随剪切速率的增加，黏度几乎不发生变化；而当剪切速率达到102 s-1以上，其黏度随剪切速率的增加近似线性下降；当剪切速率达到104 s-1以上，不同温度下材料黏度差异较小。因此选用急停按钮基座成型温度需要高于200 ℃。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.019.F006图6材料的PVT曲线及黏度曲线Fig.6PVT curves and viscosity curves of the material目前急停按钮外壳成型缺陷主要为翘曲变形量大，依据急停按钮外壳结构及所选材料，初步选择系统默认参数，即模具表面温度50 ℃，熔体温度220 ℃，注射时间3 s，保压时间10 s，保压压力80%，进行初始模流分析。图7为优化前急停按钮基座翘曲变形量。从图7可以看出，初始翘曲变形量为0.774 1 mm，而且最大翘曲变形位置位于螺栓孔安装位置，直接影响后期装配，因此需要优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.019.F007图7优化前急停按钮基座的翘曲变形量Fig.7Warpage deformation of the emergency stop button base before optimization2工艺参数优化以翘曲变形量(W)为试验指标，选取模具温度(A)、熔体温度(B)、注射时间(C)、保压时间(D)和保压压力(E)等因素为自变量，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。从表3可以看出，极差排序为RARDRERBRC，这5个因素的影响程度排序为：模具温度保压时间保压压力熔体温度注射时间。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.019.T002表2L16（45）正交试验因素水平设计Tab.2L16（45） orthogonal test factor level design水平因素模具温度（A）/℃熔体温度（B）/℃注射时间（C）/s保压时间（D）/s保压压力（E）/%120210286024023031070360250412804802705149010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.019.T003表3L16（45）正交试验结果Tab.3Results of L16（45） orthogonal test试验序号因素翘曲变形量/mmABCDE1111110.76612122220.68803133330.62424144440.57255212340.69366221430.71277234120.73448243210.73349313420.822310324310.821411331240.757812342130.825313414230.894714423140.913315432410.883316441320.8309k10.66270.79420.76690.80980.8011k20.71850.78390.77260.76850.7689k30.80670.74990.77330.74250.7642k40.88060.74050.75580.74770.7343R0.21790.05370.01760.06730.0668图8为急停按钮基座的翘曲变形量与因素水平的关系。从图8可以看出，翘曲变形量随着模具温度的升高而增大，模具温度为A1时，翘曲变形量最小；随着熔体温度的升高，翘曲变形量呈现减小趋势，熔体温度为B4时，翘曲变形量为最小值；随着注射时间的延长，翘曲变形量呈现先增大后降低的趋势，当注射时间为C4，翘曲变形量为最小值；随着保压时间的延长，翘曲变形量呈现先减小后上升趋势，当保压时间为D3，翘曲变形量最小；当保压压力逐渐增大，翘曲变形量呈现下降趋势，当保压压力为E4，制品的翘曲变形量最小。综上所述，最优参数组合为A1B4C4D3E4，即模具温度20 ℃、熔体温度270 ℃、注射时间5 s、保压时间12 s以及保压压力90%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.019.F008图8翘曲变形量与因素水平关系Fig.8Relationship between warpage deformation and factor level方差分析可以较好地分析工艺参数对试验指标的影响程度，为了对变量影响强度分析，进行一次重复试验及相应的方差分析，表4为翘曲变形量方差分析结果。从表4可以看出，工艺参数的F值排序为ADEBC，同样验证极差结果。针对模具温度A和保压时间D，F值均F0.01，模具温度A和保压时间D对于翘曲变形量具有极显著影响。针对熔体温度B和保压压力E，F0.05F值F0.01，说明熔体温度B和保压压力E对于翘曲变形量具有显著影响，而注射时间C的F值F0.05，说明注射时间C对于翘曲变形量影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.019.T004表4翘曲变形量方差分析Tab.4Variance analysis of warpage deformation离差来源离差平方和（SS）自由度（df）均方（MS）F值F临界值A0.20630.06911.5F0.013,16=5.29F0.053,16=3.24B0.05830.0203.33C0.03330.0111.83D0.09930.0335.5E0.08030.0274.5误差0.101160.006总和0.57731利用Moldflow软件基于最优参数组合A1B4C4D3E4进行注塑成型模拟，图9为优化后翘曲变形量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.019.F009图9优化后翘曲变形量Fig.9Warpage deformation after optimization从图9可以看出，优化后急停按钮基座翘曲变形量为0.500 9 mm，与优化前相比降低35.29%，翘曲变形量分布更均匀，正交试验优化可被应用。综上所述，最佳工艺参数为：模具温度20 ℃、熔体温度270 ℃、注射时间5 s、保压时间12 s以及保压压力90%。3实物验证基于最优成型工艺参数进行实践生产，图10为急停按钮基座实物。从图10可以看出，进行大批量生产，急停按钮基座翘曲变形量与有限元仿真结果基本相同，且其外观质量较好，无明显翘曲变形缺陷，可指导实际生产。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.019.F010图10急停按钮基座试模样品Fig.10Mold trial sample of the emergency stop button base4结论针对急停按钮基座塑件，采用仿真模拟技术研究其注塑成型过程的翘曲变形量，分析影响产品翘曲变形的主要因素，并分析单点进胶方案下的流动阻力、浇口匹配性，确定最佳的浇口位置。设计正交试验方案，得到最优工艺参数组合为模具温度20 ℃、熔体温度270 ℃、注射时间5 s、保压时间12 s以及保压压力90%，优化后急停按钮基座的翘曲变形量为0.500 9 mm，与优化前相比降低35.29%。将最优的成型工艺参数用于实践生产，可以得到较好外观质量的急停按钮基座。