基于计算机辅助工程的PPE充电口盖成型分析

Analysis of Injection Molding of PPE Charging Port Cover Based on Computer Aided Engineering

摘要

文章基于计算机辅助工程技术模拟了充电口盖的注塑成型，并计算分析其充电孔轴心偏差。通过分析浇口匹配性和流动阻力确定了最佳的浇口位置和进胶方案。采用初始工艺分析得到大孔轴心偏差为2.315 5 mm，不满足设计要求。以工艺参数为自变量设计正交试验，模拟计算不同工艺参数组合下的轴心偏差，探究工艺参数的优化方案。结果表明：模具温度及注射时间的影响为极显著，速度压力切换体积的影响为显著，料筒温度的影响为不显著，优化工艺参数为A₁B₃C₁D₁。通过工艺优化，大孔轴心偏差降至0.854 9 mm，小孔轴心偏差降至0.692 9 mm，并达到设计要求。仿真模拟及实际试模也验证了该优化工艺应用于实际的可行性。

关键词

计算机辅助工程 / 充电口盖 / 轴心偏差 / 正交试验

Key words

Computer aided engineering / Charging port cover / Axial deviation / Orthogonal test

新能源汽车开启充电口盖后可进行充电，充电口盖具有保护充电插座以及装饰美观作用^[1-2]。充电口盖的设计包含充电口位置布置、线束改布、充电口盖安装结构和控制方式等方面^[3-4]。目前多数研究聚焦在充电口盖的结构设计上，包括布置方案、机构设计和系统开发^[5-6]。然而，充电口盖的设计开发必须考虑充电环境的复杂性^[7-8]。复杂环境下的使用状态也与选材有直接关系。充电口盖采用塑料进行制造，还需要考虑喷涂问题，为了保证较好的外观，在线喷涂是未来发展的主流趋势^[9-10]。

聚苯醚(PPE)材料具备耐高温、比强度高、电气性能优异及喷涂性能好等优点，在充电口盖的塑料化中成为主流材料^[11]。但是，PPE材料在注塑成型中易出现翘曲变形，导致产品无法安装或密封不良^[12]。因此，在产品设计开发前期，一般需要采用计算机辅助工程技术对结构设计、进胶方案以及工艺参数等进行评估分析^[13]。利用Moldflow软件建立有限元分析模型，通过对产品的填充时间、压力转换、注射位置压力、锁模力、熔前温度、翘曲变形量等进行分析，预测产品在注塑过程中可能存在的短射、困气、气穴、熔接线、翘曲变形及尺寸公差大等问题^[14]。成型后产品不满足要求时，可以对工艺参数组合进行优化。由于工艺参数变量较多，一般结合正交实验可以快速获得优化工艺，提高开发效率^[15]。

本实验针对某PPE充电口盖注塑成型中充电孔轴心偏差大的问题，采用计算机辅助工程和正交实验方法进行工艺参数的优选和验证。

1 充电口盖结构设计

图1为充电口盖结构。蓝色部分为聚苯醚(PPE)材料的本体，绿色部分为软胶，用于提高密封和减震^[16]。该充电口盖上有两个较大的圆孔，可对整体结构进行固定和连接，并与充电系统其他组件相互配合进行线路传输^[17]。这两个圆孔的尺寸公差十分关键，特别是轴心偏差，不仅影响充电口盖整体的密封性和抗震疲劳性，还会影响电流传输的稳定性。因此，在实际注塑成型生产中，对该充电口盖的充电孔的形位公差有明确的指标要求：轴心偏差不能大于1.0 mm。

图2为充电口盖厚度属性。主体壁面厚度为2.4 mm，主要加强筋厚度为0.86 mm。侧壁面厚度为3.0 mm，限位卡扣厚度为1.2 mm，螺栓孔厚度为2.6~2.7 mm。

2 初始模流分析

2.1 网格模型

采用Dual Domain网格类型对该充电口盖网格建模。图3为充电口盖网格模型，最大纵横比为5.24，匹配率达到91.5%，符合质量要求^[18]。

2.2 材料工艺参数

依据该充电口盖的对于材料的力学性能、耐热性能和电学性能要求，采用PPE材料进行注塑成型，表1为PPE材料参数^[19]。

2.3 流道系统设计

根据该充电口盖的尺寸及材料流动性，建议采用单点进胶。采用仿真模拟技术分析最佳浇口位置，图4为分析结果。从图4可以看出，圆圈内的蓝色区域的流动阻力及浇口匹配性较好，综合考虑模具成本及工艺，选择矩形内的区域作为最佳浇口位置^[20]。

2.4 初始工艺分析

图5为初始工艺结果。从图5可以看出，充电孔附近边缘的变形量较大，最大变形量为3.379 0 mm。利用Roundness得到两个孔的轴心偏差分别为2.072 9 mm（小孔）和2.315 5 mm（大孔），大于指标要求的1.0 mm，需要进行优化。

3 正交试验设计与分析

充电口盖的注塑成型试模发现，料筒温度、模具表面温度、注射时间和速度压力切换体积对变形和孔轴心偏差的影响较大，表2为L₉(3⁴)正交试验因素水平设计。

表3为L₉(3⁴)正交试验结果。

从表3可以看出，第6组实验的轴心偏差最小，为0.871 4 mm，第4组实验的轴心偏差最大，为2.387 6 mm。轴心偏差的最大值与最小值相差2~3倍，说明工艺参数组合对轴心偏差有较大影响。极差R的大小对应工艺参数对轴心偏差的影响程度，即B>C>D>A。随着料筒温度A的增大，轴心偏差先增后减，A₁时轴心偏差获得最小值。随着模具表面温度B的增大，轴心偏差逐渐减小，B₃时轴心偏差获得最小值。随着注射时间C的增大，轴心偏差逐渐增大，C₁时轴心偏差获得最小值。随着速度压力切换体积D的增大，轴心偏差先增大后减小，D₁时轴心偏差获得最小值。因此，得到最优组合为A₁B₃C₁D₁。

表4为方差分析结果。根据F值得到影响程度排序为：B>C>D>A。对于模具表面温度和注射时间，F值>F _0.01，表示有极显著影响。对于速度压力切换体积，F _0.05 F值 F _0.01，表示有显著影响。对于料筒温度，F值 F _0.05，表示影响不显著。

4 优化工艺分析与验证

对优化工艺进行仿真验证，图6为优化工艺结果。从图6可以看出，所有效应翘曲变形在充电孔附近边缘区域较大，最大值为1.286 0 mm，相比初始工艺显著下降。对应两个充电孔的轴心偏差分别为0.692 9 mm（小孔）和0.854 9 mm（大孔），达到设计要求。

对优化工艺下注塑成型过程进行仿真评估，图7为分析结果。从图7a可以看出，充填过程等值线充满整个制件，无明显密集区域，说明无缺胶和直流问题^[21]。从图7b可以看出，主要外观面（圈出区域）无熔接线，外观状态满足要求。从图7c可以看出，最大注射压力为85.43 MPa，小于一般注塑机的最大压力限制。从图7d可以看出，最大锁模力为159.9 t，锁模力较小，可选用中小型注塑机台。

优化工艺下进行注塑成型试模，图8为充电口盖注塑成型样品。从图8可以看出，样品外观良好。轴心偏差的测试结果也合格，产品可正常安装，密封性达标。

5 结论

基于计算机辅助工程模拟了PPE材料充电口盖的注塑成型，设计正交试验对其充电孔轴心偏差进行工艺优化分析。模具表面温度和注射时间的影响极显著，速度压力切换体积的影响显著，料筒温度的影响不显著。工艺优化后，大孔轴心偏差由2.315 5 mm降低到0.854 9 mm，小孔轴心偏差由2.072 9 mm降低到0.692 9 mm，优化效果显著，并满足设计要求。仿真模拟及试模样品结果显示外观及轴心偏差均满足要求，验证了文章优化方案的合理性。

参考文献

[1] 赖仕祯,周磊,何传欣.一种新能源车充电口盖设计[J].汽车科技,2021(3):121-124.

[2] 何肖奎,孙平.电动车格栅上充电口盖设计开发[J].内燃机与配件,2019(15):20-23.

[3] 李欢迎.加油口盖总成结构及发展方向[J].模具制造,2018,18(4):34-36.

[4] 王艺璇,马驰,陈宇辰,汽车加油(充电)口盖选型趋势研究[J].汽车科技,2020(5):53-58.

[5] 张建国,张志云,周王军.插电式混动汽车格栅上隐藏式充电口布置[J].汽车实用技术,2019(9):32-34.

[6] 魏立,宋志尧,沈鑫兵.电动车快慢充电口盖机构设计[J].农业装备与车辆工程,2021,59(1):134-138, 152.

[7] 唐伟,吕章娥,周子豪,浅谈电动汽车塑料充电口盖在复杂气候环境下的性能与验证[J].中国化工贸易,2020(32):253-254.

[8] 范明华,李妙,汤飞,电动汽车充电口盖系统的设计开发[J].汽车实用技术,2018(20):1-2, 6.

[9] 张亮,李海龙,何家志,充电(加油)口盖塑料基材性能及表面喷涂工艺对比分析[J].汽车零部件,2023(1):18-24.

[10] 冉明浩,武京斌,许瑆琥,塑料加油口盖厂内喷涂工艺规划研究[J].汽车实用技术,2021,46(2):152-155.

[11] 刘际泽.改性PPE的开发与应用[J].塑料,2011(5):117.

[12] 林权.基于正交试验法PPE＋PA6注塑件收缩变形研究[J].陇东学院学报,2011,22(6):48-51.

[13] 夏建生,窦沙沙.CAD/CAE/CAM技术在塑料产品注射模中的应用[J].模具制造,2008,8(11):17-20.

[14] 易志斌,吴林倩,温慧,基于Moldflow的汽车操纵杆注塑成型质量分析与优化[J].塑料科技,2019,47(6):72-77.

[15] 罗龚,李书弘,袁原,基于MOLDFLOW的薄壁塑件注塑收缩正交实验研究[J].广东石油化工学院学报,2022,32(3):73-77.

[16] 安徽江淮汽车股份有限公司.电动车充电口盖:CN103754273B[P].2016-03-02.

[17] 尹春艳,韩忠冠,魏平,基于Moldflow快充充电口盖主体注射成型工艺分析[J].桂林航天工业学院学报,2022,27(3):335-340.

[18] 刘玲,马铭.网格划分技术在电话座机模流分析中的应用[J].模具制造,2012(4):11-14.

[19] 白红霞,毛兴燕,董勇.车用高强度改性聚苯醚工程塑料的制备和性能研究[J].塑料科技,2021,49(7):47-51.

[20] 赵春元.基于Moldflow的烟丝水分仪注塑模具浇口位置优化分析[J].塑料科技,2021,49(4):75-78.

[21] 邓然,胡嘉晨,钱佳豪,基于正交试验法的三相电机连接器注塑成型翘曲变形优化[J].塑料科技,2021,49(7):66-71.