基于计算机仿真技术的网络安全控制器平面度优化

Flatness Optimization of Network Security Controller Based on Computer Simulation Technology

摘要

采用计算机仿真技术对某网络安全控制器的注塑成型进行模拟，并对平面度进行优化分析。对比分析中心进胶、长边进胶和短边进胶3种进胶方案的注塑成型结果，确定最优进胶方案为短边进胶。以工艺参数为自变量，平面度为目标变量设计正交试验并进行数据分析。结果表明：保压时间对平面度的影响为极显著，熔体温度与模腔温度对平面度的影响为显著，注射时间对平面度的影响为不显著。最优工艺参数组合为A₃B₁C₃D₁。通过工艺优化，平面度降至1.070 7 mm，相比初始工艺下降28.2%，实际试模结果为合格，验证了此优化工艺的可行性。

关键词

网络安全控制器 / 正交试验 / 平面度 / 工艺优化

Key words

Network security controller / Orthogonal test / Flatness / Process optimization

网络安全控制器是一种用于保护网络安全的设备。目前，大部分控制器的壳体结构已进行塑料化，通过注塑成型可以减轻质量，降低成本^[1-2]。控制器注塑成型材料主要以玻纤增强聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)为主，该材料具有优异的电学、热学和力学性能，保障了控制器的主体功能^[3]。然而，该材料注塑成型存在由树脂收缩和玻纤取向导致的翘曲变形问题，使得产品的尺寸公差不合格^[4-5]。对于网络安全控制器，平面度是关键的公差，直接影响产品的安装性能、密封性能和散热性能^[6]。因此，网络安全控制器的前期设计阶段，往往利用计算机仿真技术模拟注塑成型，以评估产品结构、流道系统及工艺参数设计是否合理^[7-10]。翘曲变形导致的尺寸公差问题可以在仿真结果的基础上利用宏功能进一步计算分析^[11-12]。针对工艺参数的优化问题，由于变量较多，可以利用正交试验设计的方法，快速有效地获取优化的方向和工艺组合^[13-14]。本实验针对玻纤增强PBT的网络安全控制器，采用计算机仿真技术模拟其注塑成型过程，并优选平面度的进胶方案和工艺参数。

1 网络安全控制器设计与初始分析

1.1 网络安全控制器设计

图1为网络安全控制器结构设计。从图1可以看出，控制器总成为盒状，主要由上下两块壳体组成，上下壳体通过周边卡扣连接，下壳体两端布置安装孔用于控制器总成的固定^[15]。本文研究对象为周边带有卡扣的上壳体，其外部为一矩形大平面，两边各开一个U型槽为安装孔做避让。控制器内部放置相关控制器元件，采用螺钉进行固定。控制器主要通过边缘的卡扣进行安装固定，由于控制器对于密封性能的要求很高，故需要重点控制主平面的平面度^[16]。

图2为该网络安全控制器的壁厚。从图2可以看出，主平面厚度为2.5 mm，侧壁面厚度为2.4 mm，主要加强筋及螺栓圆柱面厚度为1.2 mm，周边安装卡扣的主要壁面厚度为1.5 mm。沿脱模方向的壁面设置一定的拔模斜度，便于脱模^[17]。

1.2 网格模型

根据该网络安全控制器结构特征，采用Dual Domain网格进行仿真计算^[18]。图3为最终获得的网格模型及质量诊断结果。从图3可以看出，匹配百分比均大于90%，且无不合格单元^[19]。

1.3 材料参数

该网络安全控制器的材料为30%玻纤填充的PBT材料，材料基本参数分别为：最大模具温度90 ℃，最小模具温度50 ℃，最大熔体温度290 ℃，最小熔体温度240 ℃，最大剪切应力0.4 MPa，顶出温度187 ℃。采用参数中间值设置初始工艺参数：熔体温度为265 ℃，模腔温度为70 ℃，注射时间为1.4 s，保压时间为12 s。

1.4 进胶方案设计

该控制器尺寸较小、结构较简单，故采用1~2个浇口即可填充完全。图4为建立的3种进胶方案，包括中心进胶、长边进胶和短边进胶。中心进胶方案的流道系统包含圆形冷浇口、圆形冷流道及圆形冷主流道。长边和短边进胶方案的流道系统主要包含矩形冷浇口、U型冷流道、圆形热浇口、圆形垂直热流道、圆形水平热流道及圆形热主流道。中心进胶系统设计：圆形冷浇口尺寸Φ2~8 mm，圆形垂直冷流道尺寸Φ8 mm，圆形水平冷流道尺寸Φ8 mm，圆形冷主流道尺寸Φ2~8 mm。长边/短边进胶系统设计：矩形冷浇口尺寸2.5 mm×12 mm~6 mm×6 mm，U型冷流道尺寸6 mm×6 mm，圆形热浇口尺寸Φ2~Φ8 mm，环型垂直热流道尺寸Φ5~8 mm，环型水平热流道尺寸Φ5~8 mm，圆形热主流道尺寸Φ2~8 mm。

1.5 仿真结果分析

基于初始工艺对该控制器3种进胶方案下的注塑成型进行仿真计算，图5为得到充填时间等值线结果。从图5可以看出，3种进胶方案均未产生填充不完全、明显滞留问题，且短边进胶方案的充填等值线相对更均匀，故3种进胶方案均可用于正常填充。

图6为3种进胶方案的熔接线结果。从图6可以看出，3种进胶方案的熔接线都只分布于控制器两端，主要外观面上无熔接线，外观均满足要求。

图7为3种进胶方案的Z向翘曲变形结果。定义控制器主平面的平面度为Z向翘曲变形量的极差，即Z向翘曲变形量的最大值与最小值的绝对值之和。从图7可以看出，3种进胶方案的Z向翘曲变形特征都呈现中间下凹、四周上翘的特性，最大翘曲变形量位于四角。中心进胶的平面度为1.721 4 mm，长边进胶的平面度为3.643 0 mm，短边进胶的平面度为1.491 5 mm，故短边进胶方案的翘曲变形量最优。

图8为3种进胶方案的缩痕估算结果。从图8可以看出，3种进胶方案的缩痕估算结果分布类似，缩痕估算较大区域均位于边缘，且加强筋背面较明显。最大缩痕估算分别为0.256 6、0.215 8、0.222 3 mm，长边和短边进胶方案的差异不大，且优于中心进胶方案。

注射位置处压力通常要求不超过80 MPa，否则长期生产会对注射机性能有影响。图9为3种进胶方案的注射位置处压力曲线。从图9可以看出，3种进胶方案的最大注射位置处压力均在注射阶段产生，中心进胶、长边进胶和短边进胶对应最大值分别为55.40、92.71、76.91 MPa。中心进胶及短边进胶方案的最大注射位置处压力满足要求，长边进胶方案不满足要求。

1.6 进胶方案优选

表1为3种进胶方案在初始工艺下的仿真计算结果。从表1可以看出，长边进胶方案的最大注射位置处压力不合格，平面度较大，故认为最差。短边进胶的平面度最小，缩痕估算也比中心进胶方案小，虽然最大注射位置处压力相对较大，但也满足注射机要求，故综合3种进胶方案的仿真计算结果，认为短边进胶方案最优，故选择此方案。

2 正交试验设计及优化验证

2.1 正交试验设计与分析

基于优选的进胶方案，再进行平面度的工艺参数优化分析。根据材料推荐参数范围以等差方式设定因素水平。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，平面度在1.124 3~1.564 7 mm范围内变化，平面度最小值发生在第7组试验，平面度最大值发生在第3组试验。平面度的最大值和最小值相差39.2%，说明工艺参数组合对网络安全控制器平面度的影响较大，正交试验设计合理^[20-23]。

各工艺参数对于平面度影响的R值分别为R _D>R _A>R _B>R _C。平面度随A增大先增大后减小，A₃时最小。平面度随B增大逐渐增大，B₁时最小。平面度随C增大逐渐减小，C₃时最小。平面度随D增大逐渐增大，D₁时最小。工艺参数组合A₃B₁C₃D₁为平面度最小时的最优解。

表4为平面度的方差分析结果。从表4可以看出，误差的偏差平方和相对较小，故误差影响较小，正交试验可信度高。保压时间的F值>F _0.01，故保压时间对平面度有极显著影响。对于熔体温度和模腔温度，F _0.05<F值<F _0.01，故熔体温度和模腔温度对平面度有显著影响。注射时间的F值<F _0.05，故注射时间对平面度没有显著影响。

2.2 优化工艺验证

对优化工艺A₃B₁C₃D₁进行仿真分析验证，图10为得到的Z向翘曲变形结果。从图10可以看出，最大Z向翘曲变形量为0.661 6 mm，计算得到平面度为1.070 7 mm，小于正交表中所有结果。优化工艺的平面度相比初始工艺下降了28.2%，优化效果明显，说明本文正交试验分析设计合理。采用优化工艺进行实际试模验证，图11为得到的样品。从图11可以看出，样品外观良好、平面度满足要求，本文优化工艺具备可行性。

3 结论

采用仿真技术模拟了网络安全控制器的注塑成型过程。针对中心进胶、长边进胶和短边进胶进行仿真计算并对比结果。短边进胶方案的平面度最小，且填充状态、熔接线、缩痕估算即注射位置处压力综合最优，故选择此进胶方案。构建标准正交试验并进行平面度的工艺优化分析。通过极差与方差分析得到：保压时间对平面度的影响最大，为极显著；熔体温度与模腔温度的影响为显著；注射时间的影响为不显著。根据平面度随工艺水平的变化曲线分析得到优化的工艺参数为A₃B₁C₃D₁。优化工艺的平面度相比初始工艺下降28.2%，优化效果明显，且得到实际试模的验证。本文正交试验设计合理，优化工艺可用于生产。

参考文献

[1] 王丰.电器控制器面板注塑模设计[J].模具技术,2013(3):17-20.

[2] 张琳.基于计算机辅助工程的信号控制器成型工艺优化[J].塑料科技,2021,49(12):73-77.

[3] 邓克俭,夏姗姗,刘滨.PBT玻纤复合材料电子连接器弯曲变形分析[J].合成材料老化与应用,2020,49(5):40-41, 172.

[4] 胡志刚,张作宁,郭海涛,硫酸钙晶须对PBT玻纤增强材料的翘曲改善研究[J].合成材料老化与应用,2022,51(1):22-23, 63.

[5] 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.

[6] 胡沛玮,齐洪方,王健伟.基于注塑成型工艺参数优化的电气控制盒低平面度设计[J].塑料科技,2021,49(7):85-90.

[7] 谢雪莲.计算机仿真技术优化注塑成型设计工艺[J].塑料助剂,2021(6):60-62.

[8] 余晓永,张海洋.计算机仿真技术在注塑成型中的应用及关键技术探讨[J].塑料工业,2019,47(12):58-61.

[9] 孟小林,张继祥,李又兵,汽车B柱外饰板双色注塑翘曲变形分析及工艺优化[J].工程塑料应用,2023,51(2):54-59.

[10] 孙宝林,陈誉,张艳芹,汽车电控单元保护壳翘曲变形特性及成型优化[J].工程塑料应用,2023,51(10):69-75, 84.

[11] 李晓霞.玻纤增强PA66以太网连接器绝缘体平面度优化[J].塑料科技,2023,51(5):104-108.

[12] 袁小江.支架塑件平面度误差研究与模具设计[J].塑料科技,2017,45(6):73-75.

[13] 丁华锋,金先志,谷雨原,基于正交试验的车灯后盖壳体注塑成型工艺优化[J].合成树脂及塑料,2022,39(3):55-59.

[14] 朱爱臣,史建华,张宪科,基于正交试验法的聚乙醇酸精密注塑工艺研究[J].化学研究,2021,32(5):452-457.

[15] 柳永灿.一种便于安装的计算机网络安全控制器保护外壳:CN201821922483.0[P].2019-09-10.

[16] 袁小江.支架塑件平面度误差研究与模具设计[J].制造技术与机床,2017(5):50-53.

[17] 李玉龙.设计公差和拔模角对UG注塑模设计的影响[J].电加工与模具,2003(6):51-52.

[18] CAO W, WANG R, SHEN C Y. A dual domain method for 3D flow simulation[J]. Polymer-Plastics Technology and Engineering, 2004, 43(5): 1471-1486.

[19] 陈爱霞,吴俊超.Moldflow MPI模块的模型建构要求及单元修正方法[J].现代制造工程,2008(5):56-58.

[20] 汪海涛.基于正交试验法的注塑成型参数优化[J].上海塑料,2019(2):58-62.

[21] 庞龙凤,张朝山,董虹星,座椅支撑板注塑成型过程模拟及翘曲变形优化[J].塑料科技,2022,50(3):95-99.

[22] 代元祥.玻纤增强PA66气门室盖注塑工艺及力学性能优化研究[D].昆明:昆明理工大学,2023.

[23] 卢逸飞.基于Moldex3D的高精度空心杯电机电枢注塑封装工艺仿真优化研究[D].南京:南京邮电大学,2022.

基金资助

2022年度内蒙古自治区高等学校科学技术研究项目“基于专业教育的高职学生创新创业教育研究”(NJSY22422)