高压配电盒注塑成型优化分析

Optimization Analysis of Injection Molding for High-Voltage Distribution Box

摘要

高压配电盒设计开发中，安装面的平面度直接影响安装精度、抗疲劳性能以及密封性能。针对某高压配电盒在初始工艺下安装面平面度不合格的问题，采用计算机辅助工程技术对其注塑成型过程进行模拟，并设计正交试验探究平面度的工艺优化方案。结果表明：保压时间对平面度的影响程度为极显著，料筒温度和模具表面温度对平面度的影响程度为显著，注射时间对平面度的影响程度为不显著。最优工艺参数组合为A₂B₃C₁D₃。优化工艺模拟验证结果显示：平面度由初始工艺的2.756 9 mm下降为1.532 9 mm，优化率达到44.4%，满足设计要求。充填过程、缩痕、熔接线及注射压力结果也均满足要求。采用优化工艺进行试模，样品外观及平面度合格，验证了此优化工艺的可行性。

关键词

高压配电盒 / 平面度 / 正交试验 / 优化分析

Key words

High-voltage distribution box / Flatness / Orthogonal test / Optimization analysis

新能源汽车高压配电盒是纯电动汽车、插电式混合动力汽车的高压电大电流分配单元^[1]。高压配电盒可以集成在电池包内，包含继电器、主熔断器或MSD、预充电阻、电流传感器等元器件，采用塑料壳体作为结构支撑，采用铜排作为大电流的通载媒介，采用电缆或PCB作为小电流和通信控制信号的通载媒介^[2]。随着新能源汽车的发展，对高压配电盒的设计集成度及尺寸精度的要求越来越高。聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)材料具有优异的绝缘、阻燃、高强度等特性，使其在电器盒、连接器、传感器等电子电气件中的应用较广泛^[3]。为了进一步提高PBT材料的长期使用性能，往往加入一定比例的玻璃纤维，但这也会进一步放大注塑成型后的产品变形，导致尺寸公差不合格^[4]。针对注塑成型变形问题，在产品设计前期预测和评估设计方案的可行性，可以显著提高开发效率^[5]。目前，计算机模拟技术在塑料注塑成型领域有广泛应用，可以预测产品的外观特征和翘曲变形^[6-7]。对于工艺参数优化问题，利用正交试验设计等方法可以减小计算机模拟计算的次数，提高优化分析的效率^[8-10]。本实验以某款玻纤增强PBT材料的高压配电盒为研究对象，设计正交试验，分析工艺参数对其安装面平面度的影响，并进行工艺参数的优选和验证。

1 高压配电盒结构设计

图1为某高压配电盒结构。从图1可以看出，整体尺寸为246 mm×180 mm×72 mm。内部4个螺丝柱用于固定电器元件，螺丝柱周边布置4根加强筋，用于提高螺丝柱的刚强度。侧壁面有系列矩形孔，用于提高散热效果。外观面上布置了6根较高的加强筋，用于降低结构变形。周边共有6个圆柱孔，用于整体结构的安装固定。配电盒的安装精度、抗疲劳性能以及密封性能均与安装面的法向变形或平面度直接相关。该注塑成型的高压配电盒要求安装面的平面度不超过2.0 mm。

图2为高压配电盒的厚度属性。从图2可以看出，主体壁面及侧壁面的厚度均为2.012 mm，有利于均匀收缩。安装区域壁面厚度较大，达到4.527 mm，安装孔圆柱面厚度为3.2 mm左右，保证了安装区域的强度。内部螺丝柱厚度为1.831~1.860 mm，沿脱模方向变化的厚度利于脱模。外部加强筋厚度仅为1 mm。靠近螺丝柱的内部加强筋厚度较大，厚度与主壁面相同；远离螺丝柱的内部加强筋厚度较小，约为1.4 mm。

2 初始模流分析

2.1 网格划分

采用Dual Domain网格进行离散建模^[11]，图3为得到的网格模型。最大纵横比为2.18<10，匹配率为94.2%>85%，符合计算要求^[12]。

2.2 材料工艺参数

该高压配电盒采用25%玻纤填充的PBT材料进行注塑成型，表1为材料的主要成型参数^[4]。

2.3 流道系统设计

图4为最佳浇口位置设计。从图4可以看出，本文采用单点浇口，中部蓝色区域的流动阻力及浇口匹配性均最好，故选择图中红圈区域为最佳浇口位置^[13]。

基于最佳浇口位置，图5为建立的热流道进胶系统^[14]。

该流道系统由三部分构成，截面尺寸分别为：（1）圆形热浇口φ2~6 mm，（2）圆形热流道φ6 mm，（3）圆形热主流道φ2~6 mm。

2.4 初始工艺结果分析

图6为初始工艺下所有效应Z向变形量及安装面的平面度。从图6a可以看出，变形较大区域主要分布在安装面附近，特别是边角区域。Z向变形在1.709~-2.051 mm之间，计算得到安装面的平面度为2.756 9 mm>2.0 mm，不满足要求。

3 正交试验设计与优化验证

3.1 正交试验设计与分析

通过正交试验优化工艺参数，可以快速准确得到工艺优化结果，减少试模次数，节约产品制造的周期和成本。基于高压配电盒试模经验，以料筒温度(A)、模具表面温度(B)、注射时间(C)和保压时间(D)为工艺参数，每个工艺参数取3个水平，进行模拟试验，分析其对高压配电盒安装面平面度的影响。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，四组试验结果合格、五组试验结果不合格，正交试验设计合理。根据极差大小R _D>R _A>R _B>R _C，得到对平面度影响程度排序为：保压时间>料筒温度>模具表面温度>注射时间。随A的增大，平面度先减小后增大，在A₂时最小。随B的增大，平面度先增大后减小，在B₃时最小。随C的增大，平面度逐渐增大，在C₁时最小。随D的增大，平面度逐渐减小，在D₃时最小。因此，高压配电盒的安装面的平面度最优时的参数组合为A₂B₃C₁D₃。

表4为方差分析结果。从表4可以看出，误差的平均偏差平方和较小，正交试验可信度高^[15-17]。保压时间的F值＞F _0.01，故有极显著影响。料筒温度和模具表面温度的F值在F _0.05与F _0.01之间，故有显著影响。注射时间的F值＜F _0.05，故影响不显著。

3.2 综合分析与验证

图7为优化工艺下Z向变形量及平面度。从图7可以看出，优化工艺下的Z向变形状态与初始工艺基本一致，Z向变形在1.276~-1.291 mm之间，相比初始工艺明显缩小。计算得到安装面的平面度为1.532 9 mm，优化率为44.4%，效果显著，且满足设计要求。

图8为优化工艺下充填等值线、缩痕估算、熔接线和注射位置处压力。从图8a可以看出，充填时间等值线间距均匀、无明显密集，无缺胶和迟滞。从图8b可以看出，缩痕主要分布于周边非外观面区域，主要外观面上的最大缩痕估算为0.046<0.06，产生缩痕的可能性较小^[18-22]。从图8c可以看出，熔接线只分布于边缘，外观面上无熔接线。从图8d可以看出，成型过程的注射压力变化稳定，最大压力值为65.08 MPa，压力适中，说明流道系统及工艺设置合理。

图9为优化工艺试模得到样品。从图9可以看出，样品外观状态良好，平面度及安装测试也满足要求，验证了优化工艺的合理性。

4 结论

本实验对玻纤增强PBT材料的高压配电盒进行注塑成型模拟，以工艺参数为自变量设计正交试验，探究其安装面的平面度的优化方案。结果显示，保压时间的影响为极显著，料筒温度及模具表面温度的影响为显著，注射时间的影响为不显著，优化的工艺组合为A₂B₃C₁D₃。优化后，平面度由2.756 9 mm减小到1.532 9 mm，下降44.4%，并达到设计要求。缩痕、熔接线等外观状态良好，实际试模样品的测试结果也达到要求。

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