充电桩装饰盖的成型设计和多目标优化

摘 "要：针对交流装饰盖产品的开发，进行注塑成型仿真设计。首先，识别出装饰盖存在注塑压力和变形翘曲量过大的问题；其次，从结构、浇口位置、工艺参数多种方式，逐步对压力和变形翘曲实行多目标优化；最后，试模验证注塑优化方案的可行性。研究得到：由于主壁厚1.5mm，过薄，导致压力和翘曲变形问题，调整主壁厚到3mm，注塑压力可以成型，同时变形值变小；继续调整浇口位置，变形值进一步降低，最后优化工艺参数，得到总变形值为2.02mm，达到装配要求。本研究方法为交流充电桩注塑成型的优化提供了一定的指导。

关键词：充电桩；注塑成型；装饰盖；翘曲分析；多目标优化

中图分类号：TQ320.72 """""""文献标志码：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

为完成“碳达峰、碳中和”双碳战略，电动汽车已然成为当代汽车发展的主要方向。同时，国家提出了“新基建”政策，与电动汽车配套的充电桩需求也日益增多［1］。充电桩是为新能源汽车提供充电服务的设备，按照输出电流的类型分为交流与直流充电桩。交流桩具有体型小、布局便利等优势，是家庭充电的主要设备。目前各大主机厂推出的交流桩的功能差异不明显，主要为对外观质量的竞争。装饰盖作为交流桩的外观件，生产要求尤其严格［2］。

装饰盖主要为塑件材料，其生产工艺为注塑成型。注塑成型的质量受结构、模具、注塑工艺参数［3］等影响。如果模具设计不规范、结构设计不合理或注塑成型过程中工艺参数设置有问题，注塑件可能产生翘曲变形、成型压力不足和熔接痕等质量缺陷。为了提高模具开发效率，缩短开发周期，减少试模次数，提高产品合格率，在模具开发之前常使用注塑模流仿真，评估注塑件可能出现的质量问题，并加以预防和改进。

针对压力和变形等质量缺陷，目前大多采用改善方案，或者单目标工艺参数加以优化。陈如香等［4］对于变形问题只是更换刚性高的材料，没有分析变形的原因，并从根本上解决问题。就收缩不均而言，优化变形可以通过结构壁厚的调整，也可以通过增加结构强度，或者调整保压曲线，调整浇口位置等多种方式。刘金娥，马春文［5-6］等通过模流分析，得到一系列的结果，结果中明显存在局部流动前沿温度低，熔接线和变形多个问题，但仅对单目标工艺优化变形，没有从多目标优化的思路上解决其他缺陷，孙先明［7］等只分析了结果，也没有针对问题点进一步提出改善方案。本文分析了交流桩装饰盖成型压力大和变形翘曲量大等问题，多方式调整方案，并进行了多目标优化，试模验证方法的准确性，以解决实际注塑问题，从而提高了注塑件质量。

1 "充电桩及其装饰盖概述

图1为某主机厂交流桩，桩体中塑料部分包括外观件和结构件，主要为上装饰盖、下装饰盖、底壳、底盖、紧固件等，产品不能有明显的注塑缺陷，包括缩痕、应力痕、熔接线等问题；同时各装配件之间不能存在装配间隙问题；最后注塑成型时需满足注塑机的成型要求。

2 "装饰盖注塑仿真分析设置

2.1 "理论基础

在求解注塑成型温度与流动耦合问题时，流体遵循运动规律［8］。

流体流动时，流入液体的体积应等于流出液体的体积，表达式如下：

2.2 "网格划分

装饰盖三维模型如图2所示，外形尺寸为140mm×85mm×1.5mm，壁厚为1.5mm。采用双层面网格模型，进行有限元网格划分，全局网格边长2mm，创建装饰盖的CAD网格模型，总共有54570个网格单元，诊断并修网格模型，平均纵横比在10以下。

2.3 "浇口位置设置

浇口位置的设置需要考虑多个影响因素：熔体的流动、装饰盖的外观缺陷、产品的力学性能和模具的可行性等。就成型而言，浇口位置的设定直接关系到熔体在模具型腔内的流动方式，不同的方式造成制品的成型压力和取向结果不同，因此需要对浇口的位置进行进一步分析。

在模具设计前期，可以借助注塑仿真分析初步的最佳浇口位置，软件浇口的设定主要考虑产品的流动平衡及流动阻力。

首先，选择“浇口位置”分析序列，装饰盖选择充电桩常用的塑料材料PC+ASA，制造商为Kinfa，牌号为JH960-6010。

浇口位置分析结果如图3所示。包括浇口匹配性和流动阻力指示器，由图3可知，装饰盖的底部中心位置是最佳浇口位置。

2.4 "分析序列及成型工艺设置

分析序列的内容包括填充、填充+保压、冷却、冷却+填充+保压+翘曲、成型窗口、浇口位置、双色注塑、气辅成型、压缩成型等分析类型。

装饰盖模流分析类型选择冷却+填充+保压+翘曲，可以分析出产品在模具成型中由熔体射出到冷却的风险。

本文注塑成型工艺设置：注塑时间和保压时间，v/p切换，冷却时间选择自动，模具表面温度、熔体温度选择材料物性表中间值等。

2.5 "冷却系统设计

冷却系统在模具设计中对产品的成型起着重要的作用，可以最大限度地提高零件质量，缩短设计周期。同时，均匀的冷却，可以降低翘曲变形。为了使塑件各处均匀受热且循环周期短，动定模尽量由多条水路控制，同时沿着产品排布；冷却介质雷诺数选择为10000，初始温度为25℃的冷水；冷却水管的直径设定为10mm，水管与零件的距离为25mm，管道与管道中心的距离25mm，管道在零件外的距离设计为25mm；考虑模具材料的热传导率对冷却的影响，设置模具镶块，并赋予实际模具的属性，选择P20模具钢材，如图4所示。

装饰盖模型前处理及浇口最佳位置选择、分析参数设置、水路设置已完成，开始进行分析计算。

3 "装饰盖注塑仿真分析结果

3.1 "分析结果

装饰盖分析结果如图5所示。装饰盖的填充时间是2.209s；注塑的熔接线位于最后填充位置，在装饰盖的边缘，不会对注塑件的质量和外观产生不利的影响；翘曲变形量太大，达到10.74mm，产品装配要求变形量2mm以下；注塑成型压力为141.7Mpa，超过注塑机可提供的最大值126ＭPa（180×0.7），对产品的成型造成困难，会导致产品多处有短射的风险。

3.2 "问题分析

引起产品翘曲变形的因素主要有冷却不均、收缩不均、取向不均、角效应4个方面［9］。由图6可以看出，由冷却不均造成的翘曲变形量为0.2691mm，由取向效应造成的翘曲变形量为0.3187mm，由收缩不均效应造成的翘曲变形量为11.17mm，由角效应造成的翘曲变形量为0.3726mm。从数据中可以看出，收缩不均是变形的主要原因。故本次优化不考虑冷却不均可能引起的变形，默认产品的水路排布设计合理，不考虑角效应和取向效应。

进一步分析顶出时的体积收缩率（图7），发现收缩不均的主要原因在于体积收缩率变化很大，流动末端位置收缩率达到8.49%，结合压力图的数值，原因为填充流长较长以及壁厚较薄，熔料收缩补偿不足，导致末端收缩率较大，翘曲变形严重，压力比较大。因此要优化装饰盖的质量，必须从减小体积收缩率变化值的角度出发，控制各个方向的体积收缩率，即可减小注塑件的翘曲变形量及压力过大的问题。故主壁加厚，增加熔料的流动性，压力随之降低，充填末端体积收缩率得到补偿，可以同时解决上面的两个问题。

4 "装饰盖结构和成型工艺优化

4.1 "结构优化

产品主壁厚由1.5mm增加至2.5mm，优化方案的结果如图8所示。收缩不均的翘曲变形量从11.17mm减小到5.144mm，顶出时的体积收缩变化量从10.21%降低到6.208%，压力从139.8MPa，降低到84.37MPa，压力达到成型要求，变形优化的效果还是比较明显的，但未满足装配要求，需进一步优化。

产品主壁厚调整为3mm，收缩不均的翘曲变形量从5.144mm减小到2.851mm，顶出时的体积收缩变化量从6.208%降低到5.939%，压力从84.37MPa降低到68.78MPa，压力达到成型要求，变形翘曲进一步优化。对比结果见表 1。

4.2 "浇口优化

产品结构优化，压力可以满足成型要求，但是由收缩不均引起的翘曲变形仍有2.851mm，并且总变形量还达不到装配要求，根据顶出时体积收缩率的分布（图9）可知，充填末端收缩率比中间位置的高出许多，改变浇口位置至收缩率最大位置处，使收缩率最高处的收缩足够补偿，有利于调整变形量。考虑调整浇口位置，由软件推荐的中心位置，调整到产品的边缘处，由点浇口调整为边浇口，具体位置如图9所示。收缩不均的翘曲变形量从2.851mm减小到1.808mm，总变形量为2.37mm，满足压力要求，变形量还需要进一步优化。

4.3 "工艺参数优化

注塑过程中，注塑时间决定充填速度，速度慢，塑料温度下降，材料的黏度增大，压力增大；速度快，剪切力大，压力增大。受塑料的PVT曲线与黏度曲线影响，模具温度和料温的高低直接影响产品的收缩与流动性［10-11］。在未进行工艺参数优化前，模具温度是40℃，料温是260℃，注射时间是2.81s，选择软件“工艺参数优化”版块，以装饰盖的最小化翘曲变形量及低于注塑机的成型压力为优化指标，选择模具温度 （A）、料温（B）和注射时间（C）工艺参数作为分析变量，子变量数为3，具体数值如表2所示。在软件中随机调整变量组合，组合值如表3。并进一步得出优化参数结果的响应面图，如图11所示。

从响应面图中找出最小总变形量为2.02mm，对应的各参数分别为：模具温度80℃，熔料温度240℃，注射时间为2.8s，压力为81.89MPa。模具温度由升高了40℃，料温降低了20℃，注射时间变化较小，压力可以成型，总变形量可以装配。图中，X轴和Y轴指的是熔温和模温，Z轴分别指的是变形值和压力值。

5 "仿真分析和试模验证

5.1 "仿真分析验证

将产品结构优化的结果，主壁厚3mm，DOE优化的工艺参数，模具温度80℃，熔料温度233℃，注射时间2.81s，侧边进胶的浇口方式，带入常规注塑分析，验证结果表明：总变形量为2.058mm，收缩不均产生变形量为1.786mm，压力可以满足实际要求。如图11所示，与DOE的优化方案结果保持一致。

5.2 "试模注塑验证

基于主壁厚、浇口位置、工艺参数的优化，实际验证产品问题点，图12为充电桩的产品试模图和装配图。由图可知，注塑件可以成型并且没有装配问题，能够满足实际生产要求。

6 "结 "论

本文应用注塑成型仿真技术，针对充电桩装饰盖进行设计，预测产品结构可能存在的质量问题，并进行优化。

采用整合调整结构、调整浇口位置，再多目标优化工艺参数的解决模具问题的方法。使得注塑件的收缩不均翘曲变形量由11.170mm减小到1.786mm，顶出时的体积收缩率9.4%降低到5.4%，压力值由139.8MPa降低到满足成型条件，体积收缩率的值降低到最小，压力和变形均达到要求。

本文思路为注塑件及其模具开发提供参考，减少模具反复试模修模而增加的开发成本和开发周期，同时可明显改善产品成型质量。

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基金项目：江苏省重大共性技术研发-大功率自动充电系统（编号：GC04C200001）；常州市第十五批科技计划（编号：CZ20210009）。

作者简介：姜宏，工程师，主要从事模具设计和仿真工程方面的研究。

（1.国创移动能源创新中心（江苏）有限公司，江苏 "常州 "213166；

2. 江南大学机械工程学院，江苏 "无锡 "214122；

3. 常州纺织服装职业技术学院机电学院，江苏 "常州 "213164）