PLC控制器注塑成型方案及工艺设计

Injection Molding Scheme and Process Design of PLC Controller

摘要

PLC控制器塑料化设计开发中，重点是控制平面度和安装孔轴线偏离。采用仿真模拟技术计算PLC控制器注塑成型后的平面度和轴线偏离，设计正交试验，探究工艺参数的影响及优化方案。正交试验结果表明：不同工艺参数组合下的PLC控制器平面度和轴线偏离的极大值是极小值的2.5倍和1.8倍，说明工艺参数的影响较大。综合考虑平面度及轴线偏离，最优的工艺参数为A₂B₂C₃D₁。优化工艺的仿真模拟结果表明：主要外观面上的缩痕估算、气穴满足要求，注射压力及锁模力也在正常范围，验证了优化工艺的可行性。

关键词

PLC控制器 / 短玻纤增强聚丙烯 / 仿真 / 正交试验 / 工艺优化

Key words

PLC controller / Short glass fiber reinforced polypropylene / Simulation / Orthogonal test / Process optimization

近年来，PLC技术快速发展，在工业控制领域得到广泛应用，已经成为工业自动化、高效生产的关键设备^[1-2]。广义的PLC控制器不仅包含CPU、电源、储存器和输入输出接口电路等电子元器件，还包含起保护、支撑、装饰作用的外壳。随着智能化、轻量化的发展，PLC控制器的外壳对其功能性、寿命、成本以及开发效率都有着直接影响^[3]。关于PLC控制器外壳的研究，目前主要集中在结构方案的设计上，且仍以金属材质为主。然而，塑料材质具有比强度高、绝缘、易成型和低成本等特性，具备应用于PLC控制器外壳制造的前提^[4]。但控制器外壳类产品一般都对尺寸、变形和形位公差有着较高的要求，这也使设计开发过程具备挑战性^[5]。目前，也有学者在进行PLC控制器壳体塑料化方案的研究。左大利等^[6]利用Mold flow软件对PLC控制器的外壳进行注塑成型的模拟，并针对流动平衡问题进行流道系统的优化设计，但并未对关键的变形问题进行探究。颜志勇^[7]利用最优拉丁超立方试验方法对PLC控制器的变形进行工艺参数的优化探究，并利用粒子群算法给出最优工艺组合，但并未对工艺参数的影响进行深入分析，而且并未分析计算具体的形位公差，比如平面度、轴线偏离等。

短玻纤增强聚丙烯(PP)具有较好的综合性能和较低的成本，在一些电器外壳件及汽车结构件中的应用较广^[8]。玻纤在注塑成型过程中随熔体流动导致的随机排布特性，使零件的翘曲变形更大。材料配方设计中对变形的控制效果十分有限，产品结构、流道系统及工艺参数的影响往往更大^[9-10]。因此，针对产品变形导致的形位公差不合格的问题，可以在产品开发前期利用仿真模拟的手段进行评估和优化^[11-12]。特别地，针对工艺参数的优化分析可以利用正交试验设计、遗传算法、机器学习等数学方法提升精度和效率^[13-14]。

本文仿真计算PLC控制器注塑成型后的变形以及导致的平面度和轴线偏离。利用正交试验方法，探究工艺参数的影响性和优化的工艺参数。

1 PLC控制器结构设计

图1为PLC控制器设计。从图1可以看出，PLC控制器内部布置多个螺丝柱，用于安装固定电子元器件。上部两个矩形孔，用于通过线束。凸起部分保证了此处的大尺寸元器件的安装空间。周边四个椭圆形孔，用于整体结构的安装固定。塑料材质的控制器壳体容易产生较大的变形，会直接影响控制器的平面度和安装孔的位置精度，进而影响其安装、密封及散热性能，故通常希望控制器的平面度和安装孔的轴线偏离越小越好。

图2为PLC控制器各区域的厚度。从图2可以看出，主要平面及加强筋厚度均为2.0 mm，内部螺丝柱厚度为2.5 mm。安装孔圆柱面厚度为2.3 mm，其周边加强筋厚度为1.6~1.7 mm。

2 初始模流分析

2.1 网格模型

采用Dual Domain类型进行网格建模，图3为最终得到的网格模型，网格质量满足计算要求。

2.2 材料工艺参数

采用20%短玻纤增强PP材料进行注塑成型，表1为主要材料参数。

2.3 流道系统设计

PLC控制器尺寸为29 mm×26 mm×7 mm，故可采用单点浇口进胶。为了使填充过程尽可能平衡，将浇口位置放置在产品中心。图4为建立的热流道进胶系统。从图4可以看出，包含圆形热浇口、环形热流道、圆形热流道及圆形热主流道4个部分，对应直径分别为：Φ1.5 mm~Φ5.0 mm、Φ3.0 mm~Φ5.0 mm、Φ5.0 mm及Φ2.0 mm~Φ5.0 mm。

2.4 结果分析

采用默认的工艺参数进行注塑成型分析，图5为分析结果。从图5可以看出，变形在4个安装孔区域较大，中部平面区域变形较小，最大变形为5.331 mm。进一步计算得到平面度为1.309 4 mm，轴线偏离为0.490 8 mm。

3 正交试验设计与分析

3.1 正交试验设计

根据实际试模结果发现，熔体温度、模具温度、保压压力、保压时间4个工艺参数对变形的影响较大，故以此设计正交试验，分析其对注塑件平面度和轴线偏离的影响。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，平面度在0.569~1.424 mm范围内，极大值是极小值的2.5倍，证明工艺参数对平面度的影响较大。轴线偏离在0.289~0.514 mm范围内，极大值是极小值的1.8倍，同样说明工艺参数对轴线偏离的影响也较大。综上所述，通过工艺参数优化来降低平面度和轴线偏离具备可行性。

从表3还可以看出，各因素对于平面度影响的R值排序为：R _D＞R _A＞R _B＞R _C，D的影响最大，其次为A、B，C的影响最小。各因素对于轴线偏离影响的R值排序别为：R _B＞R _C＞R _D＞R _A，B的影响最大，其次为C、D，A的影响最小。

图6为平面度随因素水平的变化曲线。从图6可以看出，平面度随A先减小后增大，随B先增大后减小，随C逐渐增大，随D也逐渐增大，故A₂B₃C₁D₁为最优工艺组合。

图7为轴线偏离随因素水平变化曲线。从图7可以看出，轴线偏离随A逐渐增大，随B先减小后增大，随C逐渐减小，随D先增大后减小，故A₁B₂C₃D₁为最优工艺组合。

3.2 方差分析

表4为平面度方差分析。从表4可以看出，对于平面度，通过F值判断影响程度，排序为：D＞A＞B＞C。F _D＞F _0.01，故D的影响为极显著。F _0.05<F _A、F _B＜F _0.01，故A和B的影响为显著。F _C＜F _0.05，故C的影响为不显著。

表5为轴线偏离的方差分析结果。从表5可以看出，对于轴线偏离，通过F值判断影响程度，排序为：B＞C＞D＞A。F _B＞F _0.01，故B的影响为极显著。F _0.05<F _C、F _D＜F _0.01，故C和D的影响为显著。F _A＜F _0.05，故A的影响为不显著。

考虑平面度和轴线偏离，对4个参数取值进行综合优选。A对平面度的影响为显著，对轴线偏离的影响为不显著，故选择A₂。B对平面度的影响为显著，而对轴线偏离的影响为极显著，故选择B₂。C对于平面度的影响为不显著，而对轴线偏离的影响为显著，故选择C₃。D₁时平面度和轴线偏离均为最优，故选择D₁。

综上所述，最优工艺参数组合为A₂B₂C₃D₁。

4 验证分析

对优化工艺进行模拟评估验证，图8为所得结果。从图8可以看出，最大变形为2.241 mm，降低了58.0%。平面度为0.466 9 mm，降低了64.3%。轴线偏离为0.262 7 mm，降低了46.5%。综上所述，工艺优化对控制器的最大变形、平面度及轴线偏离均有明显的优化效果。

对优化工艺的产品状态进行验证，图9为得到的模拟结果。从图9可以看出，缩痕估算在产品边角区域较大，最大值为0.303 7 mm。在产品主要外观面(平面区域)的缩痕估算较小，满足外观要求。气穴也主要分布于产品边缘的孔附近，主要外观面上也基本无气穴。最大注射压力为76.0 MPa，注射压力在注射机的正常使用范围。锁模力变化稳定，且最大锁模力为270 t，选用常规的中小型注射机即可。

采用优化工艺进行实际试模验证，图10为得到的试模样品。从图10可以看出，样品无欠注、明显熔接线、缩痕等外观问题。实测平面度和孔轴线偏离也合格，验证了优化工艺的可行性。

5 结论

本文针对PLC控制器的平面度和轴线偏离利用仿真模拟技术进行工艺参数的优化探究，得出以下结论：

第一，对于平面度，工艺参数的影响程度排序为：保压时间>熔体温度>模具温度>保压压力。

第二，对于轴线偏离，工艺参数的影响程度排序为：模具温度>保压压力>保压时间>熔体温度。

第三，综合考虑平面度及轴线偏离，最优的工艺参数为A₂B₂C₃D₁，即熔体温度215 ℃、模具温度40 ℃、保压压力60 MPa、保压时间10 s。

第四，基于优化工艺A₂B₂C₃D₁的仿真模拟结果显示：主要外观面上的缩痕估算、气穴满足要求，注射压力及锁模力也在正常范围。

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基金资助

珠海科技学院博士人才提升计划项目（校发〔2021〕133号第六批）