ABS电子继电器注塑成型优化分析

Optimization Analysis of ABS Electronic Relay Injection Molding

摘要

电子继电器塑料方案设计中，注塑成型后的最大变形量是重点需要控制的参数。针对某丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS）电子继电器外壳的注塑成型及变形进行了模拟研究。通过流动阻力及浇口匹配性分析得到最佳的浇口位置并以此建立热流道系统。正交试验分析得到：对于变形量，保压时间的影响为极显著，料筒温度和模腔温度的影响为显著，注射时间的影响为不显著。通过观察最大变形量随工艺水平变化的曲线得到优化的工艺参数组合为A₂B₃C₁D₃（模腔温度45 ℃、料筒温度250 ℃、保压时间14 s、注射时间0.9 s）。优化工艺的模拟验证发现：最大变形量从0.341 0 mm降低至0.212 8 mm，优化率达到37.6%，且充填状态、外观、注射压力等均符合要求。

关键词

电子继电器 / 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 / 仿真模拟 / 正交试验 / 工艺优化

Key words

Electronic relay / ABS / Simulation / Orthogonal test / Process optimization

随着电气化、智能化的发展，电子继电器在自动化控制系统、高智能化家居家电、计算机、测试仪器、通信设备等领域的应用越来越广^[1]。电子继电器功能模块设计相关的研究已逐渐成熟^[2]。而随着智能化及轻量化的发展，外壳或盒体结构的作用和功能日益凸显^[3]。壳体结构的设计不仅关系到电子继电器的外观、质量和成本，更直接影响其绝缘性、密封性、功能稳定性以及寿命。由于塑料材料本身具有较高的比强度、较好的绝缘性、较低的成本及较短的成型周期，在电子继电器外壳上的应用也是趋势^[4-5]。塑料注塑成型中，变形是最难控制的^[6-7]。利用计算机辅助工程技术可对注塑成型过程进行模拟，有效提升产品的合格率^[8-9]。工艺参数对变形的影响是明显的，故也是重要的优化方向^[10-11]。变形与材料在模内收缩导致的残余应力直接相关，目前主要采用CRIMS模型来提高变形预测的精确度^[12]。影响变形的工艺变量较多，结合正交试验可以缩短优化周期^[13-14]。正交试验配合基因遗传等科学算法，可以进一步提高优化效率和精度^[15]。塑料继电器外壳变形控制相关的研究较多，但仍有不足之处^[16]。聂建辉^[17]针对继电器外壳中的飞边及内凹问题对注塑模具进行了流道系统的优化分析，但并未考虑工艺参数的影响。肖世龙等^[18]采用Moldflow软件对继电器外壳的综合质量进行浇口及工艺参数的探究，但并未单独对变形进行研究。陈振^[19]采用正交试验方法对继电器外壳的变形进行工艺参数优化，但并未给出定量化的影响，且未分析工艺优化后的充填状态、熔接线、注射压力及锁模力。本实验利用计算机辅助工程技术及正交试验方法对某电子继电器外壳的变形问题进行工艺参数的优化探究，并验证优化工艺的可行性。

1 电子继电器结构设计

图1为某电子继电器外壳设计，结构尺寸为78 mm×56 mm×16 mm。结构表面有一定数量的孔洞，用于放置针脚和安装导线。结构内部布置了复杂的纵向结构，包括加强筋、安装卡扣等，用于增加结构刚强度、电子元件安装及整体结构的固定^[20]。主要壁面厚度为1.0 mm，加强筋厚度为0.8 mm或1.0 mm，相对差异较小的壁厚分布利于注塑成型过程的均匀收缩^[21]。由于电子继电器的尺寸和变形对于其拆装便捷性、结构密封性和功能稳定性有重要影响，故通常会要求其成型后的变形尽可能小^[22]。

2 初始模流分析

2.1 网格模型

该电子继电器外壳主要结构为薄板，故采用双层面网格进行建模^[23]。通过单元质量修复，图2为得到的网格模型，单元匹配率为91.2%，满足仿真计算的要求^[24]。

2.2 材料工艺参数

电子继电器外壳的选材主要考虑材料的耐热性、绝缘性、刚强度，故一般采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)材料^[25]。表1为ABS材料的典型参数。根据表1将初始工艺设置为：模腔温度45 ℃、料筒温度235 ℃、保压时间12 s、注射时间0.7 s。

2.3 流道系统设计

图3为流动阻力和浇口匹配性结果。从图3可以看出，中部转角区域的流动阻力较小且浇口匹配性较好，故将浇口位置选在此区域。综合考虑抽芯机构及浇口放置的可行性，故将浇口位置选在圈出位置^[26]。

图4为根据选定的浇口位置建立的热流道进胶系统^[27]。从图4可以看出，流道系统主要包含四部分，包括热浇口、纵向热流道、横向热流道、热主流道。对应的截面尺寸分别为：Φ1.5~Φ3.0 mm、Φ3.0 mm、Φ3.0 mm、Φ3.0~Φ2.0 mm。

2.4 初始工艺分析

基于初始工艺进行注塑成型分析，图5为所有效应变形。从图5可以看出，变形在两端边角位置较大，中部转角区域变形较小，最大变形量为0.341 0 mm。

3 正交试验设计与数据分析

3.1 正交试验设计与分析

根据注塑成型试模结果，选择模腔温度(A)、料筒温度(B)、保压时间(C)、注射时间(D)四个变量设计正交试验^[28]，并基于材料参数范围等差设置三个因素水平。表2为L ₉(3⁴)正交试验因素水平设计。表3为L ₉(3⁴)正交试验结果。

从表3可以看出，最大变形量的最大值为0.349 3 mm，最小值为0.218 7 mm，分别发生在第2组和第6组试验中，二者相差59.7%，说明工艺参数的影响较大，通过工艺优化来降低变形具备可探究性^[29]。各因素对最大变形量的影响性排序为：R _C>R _B>R _A>R _D。

图6为电子继电器外壳最大变形量与因素水平的关系曲线。从图6可以看出，最大变形量随模腔温度(A)的增加先减小后增大，当模腔温度为A₂时，最大变形量最小；最大变形量随料筒温度(B)的增加逐渐减小，当料筒温度为B₃时，最大变形量最小；最大变形量随保压时间(C)的增加逐渐增大，当保压时间为C₁时，最大变形量最小；最大变形量随注射时间(D)的增加先增大后减小，当注射时间为D₃时，最大变形量最小。综合分析，最佳优化工艺参数组合为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，实验具有可信度^[30]。F值大小即影响程度排序为：C>B>A>D。保压时间的影响极显著；料筒温度和模腔温度的影响显著；注射时间的影响不显著^[31]。

3.2 验证分析

图7为优化工艺变形计算结果。从图7可以看出，分布趋势变化不大，最大变形量降低至0.212 8 mm，优化率达到37.6%，优化效果得到验证。

图8为优化工艺模拟结果。从图8a可以看出，产品底部为最晚填充区域，且产品整体填充完全，无短射问题。充填时间为0.901 2 s，与优化工艺的注射时间一致。从图8b可以看出，熔接线主要分布于孔附近区域，在主要外观面（侧面）无明显熔接线，满足外观质量要求。从图8c可以看出，注射位置处压力曲线变化稳定，最大注射位置处压力为56.75 MPa，压力值不超过注射机最大压力的80%，较合理。从图8d可以看出，锁模力曲线变化平稳，且最大锁模力为3.719 MPa，推荐采用小型注射机。综上所述，采用优化工艺进行电子继电器外壳的注塑成型具备理论可行性。

采用优化工艺进行试模发现，产品外观状态良好，满足要求。变形量测试结果也满足客户要求，可以正常装配。

4 结论

采用仿真模拟与正交试验方法对电子继电器外壳的注塑成型进行优化探究。通过流动阻力及浇口匹配性分析得到最佳的浇口位置为产品中部转角区域，并以此建立热流道系统。通过正交试验分析得到最大变形量的影响程度排序及优化工艺。优化工艺的最大变形量降至0.212 8 mm，优化率达到37.6%，充填状态、外观、注射压力等均满足要求。

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