充電樁裝飾蓋的成型設計和多目標優(yōu)化

摘 "要：針對交流裝飾蓋產品的開發(fā)，進行注塑成型仿真設計。首先，識別出裝飾蓋存在注塑壓力和變形翹曲量過大的問題；其次，從結構、澆口位置、工藝參數(shù)多種方式，逐步對壓力和變形翹曲實行多目標優(yōu)化；最后，試模驗證注塑優(yōu)化方案的可行性。研究得到：由于主壁厚1.5mm，過薄，導致壓力和翹曲變形問題，調整主壁厚到3mm，注塑壓力可以成型，同時變形值變??；繼續(xù)調整澆口位置，變形值進一步降低，最后優(yōu)化工藝參數(shù)，得到總變形值為2.02mm，達到裝配要求。本研究方法為交流充電樁注塑成型的優(yōu)化提供了一定的指導。

關鍵詞：充電樁；注塑成型；裝飾蓋；翹曲分析；多目標優(yōu)化

中圖分類號：TQ320.72 """""""文獻標志碼：A

Molding design and multiobjective optimization for charging pile decorative cover

JIANG Hong1， LIU Hao1， JIANG Qianwen1，2， HUANG Zefeng1， LIU Yanyun3

（1. National Innovation Center of Mobile Energy （Jiangsu） Limited Company， Changzhou 213166， Jiangsu， China;

2. School of Mechanical Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， Jiangsu， China;

3. School of Mechanical and Electrical Engineering， Changzhou Vocational Institute of Textile and Garment， Changzhou 213164， Jiangsu， China）

Abstract： "For the development of AC decorative cover products， the injection molding simulation design was canjed out. Firstly， the problems of excessive injection pressure and deformation warping of the decorative cover are identified. Secondly， multiobjective optimization of pressure and deformation warping is carried out step by step from the structure， gate location and process parameters. Finally， the feasibility of the injection molding optimization scheme is verified by the test model. The results show that the main wall thickness is too thin at 1.5mm， which leads to problems in pressure and warping deformation. When the main wall thickness is adjusted to 3mm， the injection pressure can be formed and the deformation value becomes smaller. Continue to adjust the gate position， the deformation value is further reduced， and finally optimize the process parameters， the total deformation value is 2.02mm， which meets the assembly requirements. The research method in this paper provides some guidance for the optimization of injection molding of AC charging pile.

Key word： charging pile; injection molding; decorative cover; warpage analysis; multiobjective optimization

0 "引 "言

為完成“碳達峰、碳中和”雙碳戰(zhàn)略，電動汽車已然成為當代汽車發(fā)展的主要方向。同時，國家提出了“新基建”政策，與電動汽車配套的充電樁需求也日益增多［1］。充電樁是為新能源汽車提供充電服務的設備，按照輸出電流的類型分為交流與直流充電樁。交流樁具有體型小、布局便利等優(yōu)勢，是家庭充電的主要設備。目前各大主機廠推出的交流樁的功能差異不明顯，主要為對外觀質量的競爭。裝飾蓋作為交流樁的外觀件，生產要求尤其嚴格［2］。

裝飾蓋主要為塑件材料，其生產工藝為注塑成型。注塑成型的質量受結構、模具、注塑工藝參數(shù)［3］等影響。如果模具設計不規(guī)范、結構設計不合理或注塑成型過程中工藝參數(shù)設置有問題，注塑件可能產生翹曲變形、成型壓力不足和熔接痕等質量缺陷。為了提高模具開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期，減少試模次數(shù)，提高產品合格率，在模具開發(fā)之前常使用注塑模流仿真，評估注塑件可能出現(xiàn)的質量問題，并加以預防和改進。

針對壓力和變形等質量缺陷，目前大多采用改善方案，或者單目標工藝參數(shù)加以優(yōu)化。陳如香等［4］對于變形問題只是更換剛性高的材料，沒有分析變形的原因，并從根本上解決問題。就收縮不均而言，優(yōu)化變形可以通過結構壁厚的調整，也可以通過增加結構強度，或者調整保壓曲線，調整澆口位置等多種方式。劉金娥，馬春文［5-6］等通過模流分析，得到一系列的結果，結果中明顯存在局部流動前沿溫度低，熔接線和變形多個問題，但僅對單目標工藝優(yōu)化變形，沒有從多目標優(yōu)化的思路上解決其他缺陷，孫先明［7］等只分析了結果，也沒有針對問題點進一步提出改善方案。本文分析了交流樁裝飾蓋成型壓力大和變形翹曲量大等問題，多方式調整方案，并進行了多目標優(yōu)化，試模驗證方法的準確性，以解決實際注塑問題，從而提高了注塑件質量。

1 "充電樁及其裝飾蓋概述

圖1為某主機廠交流樁，樁體中塑料部分包括外觀件和結構件，主要為上裝飾蓋、下裝飾蓋、底殼、底蓋、緊固件等，產品不能有明顯的注塑缺陷，包括縮痕、應力痕、熔接線等問題；同時各裝配件之間不能存在裝配間隙問題；最后注塑成型時需滿足注塑機的成型要求。

2 "裝飾蓋注塑仿真分析設置

2.1 "理論基礎

在求解注塑成型溫度與流動耦合問題時，流體遵循運動規(guī)律［8］。

流體流動時，流入液體的體積應等于流出液體的體積，表達式如下：

2.2 "網(wǎng)格劃分

裝飾蓋三維模型如圖2所示，外形尺寸為140mm×85mm×1.5mm，壁厚為1.5mm。采用雙層面網(wǎng)格模型，進行有限元網(wǎng)格劃分，全局網(wǎng)格邊長2mm，創(chuàng)建裝飾蓋的CAD網(wǎng)格模型，總共有54570個網(wǎng)格單元，診斷并修網(wǎng)格模型，平均縱橫比在10以下。

2.3 "澆口位置設置

澆口位置的設置需要考慮多個影響因素：熔體的流動、裝飾蓋的外觀缺陷、產品的力學性能和模具的可行性等。就成型而言，澆口位置的設定直接關系到熔體在模具型腔內的流動方式，不同的方式造成制品的成型壓力和取向結果不同，因此需要對澆口的位置進行進一步分析。

在模具設計前期，可以借助注塑仿真分析初步的最佳澆口位置，軟件澆口的設定主要考慮產品的流動平衡及流動阻力。

首先，選擇“澆口位置”分析序列，裝飾蓋選擇充電樁常用的塑料材料PC+ASA，制造商為Kinfa，牌號為JH960-6010。

澆口位置分析結果如圖3所示。包括澆口匹配性和流動阻力指示器，由圖3可知，裝飾蓋的底部中心位置是最佳澆口位置。

2.4 "分析序列及成型工藝設置

分析序列的內容包括填充、填充+保壓、冷卻、冷卻+填充+保壓+翹曲、成型窗口、澆口位置、雙色注塑、氣輔成型、壓縮成型等分析類型。

裝飾蓋模流分析類型選擇冷卻+填充+保壓+翹曲，可以分析出產品在模具成型中由熔體射出到冷卻的風險。

本文注塑成型工藝設置：注塑時間和保壓時間，v/p切換，冷卻時間選擇自動，模具表面溫度、熔體溫度選擇材料物性表中間值等。

2.5 "冷卻系統(tǒng)設計

冷卻系統(tǒng)在模具設計中對產品的成型起著重要的作用，可以最大限度地提高零件質量，縮短設計周期。同時，均勻的冷卻，可以降低翹曲變形。為了使塑件各處均勻受熱且循環(huán)周期短，動定模盡量由多條水路控制，同時沿著產品排布；冷卻介質雷諾數(shù)選擇為10000，初始溫度為25℃的冷水；冷卻水管的直徑設定為10mm，水管與零件的距離為25mm，管道與管道中心的距離25mm，管道在零件外的距離設計為25mm；考慮模具材料的熱傳導率對冷卻的影響，設置模具鑲塊，并賦予實際模具的屬性，選擇P20模具鋼材，如圖4所示。

裝飾蓋模型前處理及澆口最佳位置選擇、分析參數(shù)設置、水路設置已完成，開始進行分析計算。

3 "裝飾蓋注塑仿真分析結果

3.1 "分析結果

裝飾蓋分析結果如圖5所示。裝飾蓋的填充時間是2.209s；注塑的熔接線位于最后填充位置，在裝飾蓋的邊緣，不會對注塑件的質量和外觀產生不利的影響；翹曲變形量太大，達到10.74mm，產品裝配要求變形量2mm以下；注塑成型壓力為141.7Mpa，超過注塑機可提供的最大值126ＭPa（180×0.7），對產品的成型造成困難，會導致產品多處有短射的風險。

3.2 "問題分析

引起產品翹曲變形的因素主要有冷卻不均、收縮不均、取向不均、角效應4個方面［9］。由圖6可以看出，由冷卻不均造成的翹曲變形量為0.2691mm，由取向效應造成的翹曲變形量為0.3187mm，由收縮不均效應造成的翹曲變形量為11.17mm，由角效應造成的翹曲變形量為0.3726mm。從數(shù)據(jù)中可以看出，收縮不均是變形的主要原因。故本次優(yōu)化不考慮冷卻不均可能引起的變形，默認產品的水路排布設計合理，不考慮角效應和取向效應。

進一步分析頂出時的體積收縮率（圖7），發(fā)現(xiàn)收縮不均的主要原因在于體積收縮率變化很大，流動末端位置收縮率達到8.49%，結合壓力圖的數(shù)值，原因為填充流長較長以及壁厚較薄，熔料收縮補償不足，導致末端收縮率較大，翹曲變形嚴重，壓力比較大。因此要優(yōu)化裝飾蓋的質量，必須從減小體積收縮率變化值的角度出發(fā)，控制各個方向的體積收縮率，即可減小注塑件的翹曲變形量及壓力過大的問題。故主壁加厚，增加熔料的流動性，壓力隨之降低，充填末端體積收縮率得到補償，可以同時解決上面的兩個問題。

4 "裝飾蓋結構和成型工藝優(yōu)化

4.1 "結構優(yōu)化

產品主壁厚由1.5mm增加至2.5mm，優(yōu)化方案的結果如圖8所示。收縮不均的翹曲變形量從11.17mm減小到5.144mm，頂出時的體積收縮變化量從10.21%降低到6.208%，壓力從139.8MPa，降低到84.37MPa，壓力達到成型要求，變形優(yōu)化的效果還是比較明顯的，但未滿足裝配要求，需進一步優(yōu)化。

產品主壁厚調整為3mm，收縮不均的翹曲變形量從5.144mm減小到2.851mm，頂出時的體積收縮變化量從6.208%降低到5.939%，壓力從84.37MPa降低到68.78MPa，壓力達到成型要求，變形翹曲進一步優(yōu)化。對比結果見表 1。

4.2 "澆口優(yōu)化

產品結構優(yōu)化，壓力可以滿足成型要求，但是由收縮不均引起的翹曲變形仍有2.851mm，并且總變形量還達不到裝配要求，根據(jù)頂出時體積收縮率的分布（圖9）可知，充填末端收縮率比中間位置的高出許多，改變澆口位置至收縮率最大位置處，使收縮率最高處的收縮足夠補償，有利于調整變形量?？紤]調整澆口位置，由軟件推薦的中心位置，調整到產品的邊緣處，由點澆口調整為邊澆口，具體位置如圖9所示。收縮不均的翹曲變形量從2.851mm減小到1.808mm，總變形量為2.37mm，滿足壓力要求，變形量還需要進一步優(yōu)化。

4.3 "工藝參數(shù)優(yōu)化

注塑過程中，注塑時間決定充填速度，速度慢，塑料溫度下降，材料的黏度增大，壓力增大；速度快，剪切力大，壓力增大。受塑料的PVT曲線與黏度曲線影響，模具溫度和料溫的高低直接影響產品的收縮與流動性［10-11］。在未進行工藝參數(shù)優(yōu)化前，模具溫度是40℃，料溫是260℃，注射時間是2.81s，選擇軟件“工藝參數(shù)優(yōu)化”版塊，以裝飾蓋的最小化翹曲變形量及低于注塑機的成型壓力為優(yōu)化指標，選擇模具溫度 （A）、料溫（B）和注射時間（C）工藝參數(shù)作為分析變量，子變量數(shù)為3，具體數(shù)值如表2所示。在軟件中隨機調整變量組合，組合值如表3。并進一步得出優(yōu)化參數(shù)結果的響應面圖，如圖11所示。

從響應面圖中找出最小總變形量為2.02mm，對應的各參數(shù)分別為：模具溫度80℃，熔料溫度240℃，注射時間為2.8s，壓力為81.89MPa。模具溫度由升高了40℃，料溫降低了20℃，注射時間變化較小，壓力可以成型，總變形量可以裝配。圖中，X軸和Y軸指的是熔溫和模溫，Z軸分別指的是變形值和壓力值。

5 "仿真分析和試模驗證

5.1 "仿真分析驗證

將產品結構優(yōu)化的結果，主壁厚3mm，DOE優(yōu)化的工藝參數(shù)，模具溫度80℃，熔料溫度233℃，注射時間2.81s，側邊進膠的澆口方式，帶入常規(guī)注塑分析，驗證結果表明：總變形量為2.058mm，收縮不均產生變形量為1.786mm，壓力可以滿足實際要求。如圖11所示，與DOE的優(yōu)化方案結果保持一致。

5.2 "試模注塑驗證

基于主壁厚、澆口位置、工藝參數(shù)的優(yōu)化，實際驗證產品問題點，圖12為充電樁的產品試模圖和裝配圖。由圖可知，注塑件可以成型并且沒有裝配問題，能夠滿足實際生產要求。

6 "結 "論

本文應用注塑成型仿真技術，針對充電樁裝飾蓋進行設計，預測產品結構可能存在的質量問題，并進行優(yōu)化。

采用整合調整結構、調整澆口位置，再多目標優(yōu)化工藝參數(shù)的解決模具問題的方法。使得注塑件的收縮不均翹曲變形量由11.170mm減小到1.786mm，頂出時的體積收縮率9.4%降低到5.4%，壓力值由139.8MPa降低到滿足成型條件，體積收縮率的值降低到最小，壓力和變形均達到要求。

本文思路為注塑件及其模具開發(fā)提供參考，減少模具反復試模修模而增加的開發(fā)成本和開發(fā)周期，同時可明顯改善產品成型質量。

參考文獻：

［1］王琪，劉志強，伍慶.電動汽車充電樁抽樣檢測及結果判定［J］.中國科技信息，2023（10）：51-53.

WANG Q， LIU Z Q， WU Q. Sampling test and result judgment of electric vehicle charging pile ［J］.China Science and Technology Information， 2023（10）：51-53.

［2］徐達成，謝鑫，朱涵，等.各國電動汽車交流充電樁應用標準解讀及技術發(fā)展趨勢［J］.汽車與新動力，2023，6（2）：5-10.

XU D C， XIE X， ZHU H， et al. Interpretation of application standards and technology development trends of electric vehicle AC charging piles in various countries［J］.Cars and New Power， 2023，6（2）：5-10.

［3］周奎.基于RBF神經網(wǎng)絡塑料成型生產線溫度控制系統(tǒng)研究［J］.塑料科技，2021，49（3）：92-94.

ZHOU K. Temperature control system of plastic molding production line based on RBF neural network［J］. Plastics Science and Technology， 2021，49（3）：92-94.

［4］陳如香，劉改霞，戴坤添，等.基于Moldflow的注塑件模流分析與優(yōu)化［J］.科技創(chuàng)新與應用，2022，12（29）：80-83.

CHEN R X， LIU G X， DAI K T， et al. Moldflow analysis and optimization of injection parts based on Moldflow［J］.Technology Innovation and Application，2022，12（29）：80-83.

［5］劉金娥，劉婉慈.自動化傳感器外殼注塑成型工藝優(yōu)化研究［J］.塑料科技，2023，51（5）：95-99.

LIU J E， LIU W C. Study on optimization of injection molding process of automatic sensor shel［J］. Plastics Science and Technology，2023，51（5）：95-99.

［6］馬春文.基于DOE實驗的汽車塑件CAE優(yōu)化與注塑模具設計［J］.塑料科技，2020，48（2）：112-119.

MA C W. CAE optimization and injection mold design of automobile plastic parts based on DOE experiment ［J］. Plastics Science and Technology，2020，48（2）：112-119.

［7］孫先明，魏雷，鄒煥.基于Moldflow的汽車車燈面罩模具設計與開發(fā)［J］.塑料科技，2014，42（12）：98-101.

SUN X M， WEI L， ZOU H. Design and development of automobile light lens mold based on Moldflow［J］. Plastics Science and Technology， 2014，42（12）：98-101.

［8］朱曉東.CAD/CAE技術在汽車方向盤上蓋注射模設計中的應用［J］.模具制造，2022，22（2）：59-62.

ZHU X D. Application of CAD/CAE technology in injection mold design of automobile steering wheel cover［J］.Mold Manufacturing，2022，22（2）：59-62.

［9］尚雪梅，門靜，韓海燕，等.手機殼注塑成型模流分析及工藝優(yōu)化［J］.工程塑料應用，2023，51（5）：75-80.

SHANG X M， MEN J， HAN H Y， et al . Moldflow analysis and process optimization of mobile phone case injection molding ［J］.Engineering Plastics Appliation， 2023，51（5）：75-80.

［10］MIRKO J，RAIMUND W. Bubbly mold flow in continuous casting： comparison of numerical flow simulations with water model measurements［J］. steel research international，2020，91（12）：92-98.

［11］YIH J L， PU P S，HSIANG C H， et al. Recognition and simplification of holes in CAD models of an injection mold for mold flow analysis［J］. ComputerAided Design and Applications，2019，17（1）：104-107.

基金項目：江蘇省重大共性技術研發(fā)-大功率自動充電系統(tǒng)（編號：GC04C200001）；常州市第十五批科技計劃（編號：CZ20210009）。

作者簡介：姜宏，工程師，主要從事模具設計和仿真工程方面的研究。

（1.國創(chuàng)移動能源創(chuàng)新中心（江蘇）有限公司，江蘇 "常州 "213166；

2. 江南大學機械工程學院，江蘇 "無錫 "214122；

3. 常州紡織服裝職業(yè)技術學院機電學院，江蘇 "常州 "213164）