测绘仪在测绘作业设计制造中进行数据采集、处理、输出等[1]。目前测绘仪器主要向高精度、智能化和轻量化方向发展。为了便于测绘人员携带，测绘仪器的轻量化十分重要[2]。目前，测绘仪的较多部件均已采用塑料材料，如连接器、传感器支架等[3]。连接器作为测绘仪中传递和转换信号的重要部件，主要以玻纤增强PA66材料为主[4]。玻纤增强PA66具备较好的刚强度、电化学性能和尺寸稳定性和成型性能，在电子电器、连接器等部件中应用广泛[5]。基于该材料注塑成型测绘仪连接器，不仅能降低产品的质量，也利于设计形状更复杂、集成度更高的产品[6]。为了达到产品注塑成型对于外观、尺寸等要求，需要优化设计注塑成型。对于注塑成型的优化探究，通常利用计算机辅助技术模拟分析充填、保压和翘曲过程，以高效、快速评估方案[7]。通过模拟分析及实际试模，注塑成型工艺对产品的尺寸、变形量、质量和外观具有较大影响，且影响规律较复杂[8]。利用正交试验设计的方法，有效解决注塑成型工艺优化中自变量和因变量较多的问题，通过数据分析快速、准确得出最优工艺参数组合，目前已有较多成功案例[9-10]。本实验针对某玻纤增强PA66的测绘仪连接器，注塑成型中翘曲变形量及质量不合格的问题，设计正交试验探究料筒温度、模腔温度、保压压力及注射时间的优化组合，并通过模流分析和实际试模验证优化工艺的合理性。1测绘仪连接器结构设计图1为某测绘仪连接器结构示意图。产品整体尺寸为79 mm×21 mm×24 mm。产品主要包含15个针孔用于连接和传递电信号，两个直流电源端口用于供电。中间矩形平板作为主要支撑结构，两端共4个安装点位。为了保证该产品的正常安装固定及使用过程中性能稳定，对于两侧结构的变形量要求较高。为了满足变形量要求，限制该测绘仪连接器的最大翘曲变形量不超过0.5 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F001图1测绘仪连接器结构Fig.1Structure of mapper connector图2为该测绘仪连接器的厚度分布。从图2可以看出，主要厚度变化范围在0.5~2.0 mm之间，电源接入区域厚度相对较大，有利于提高供电稳定性。主体功能区域的厚度为2.0 mm，侧面厚度相对较小，为0.5 mm左右，具备一定的拔模斜度。安装平面区域的厚度为0.9~1.0 mm，保证一定刚强度且成型性较好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F002图2测绘仪连接器厚度属性Fig.2Thickness property of mapper connector2注塑成型建模与初始分析2.1注塑成型的网格模型采用Moldflow软件的Fusion双层面网格类型，对该测绘仪连接器进行网格划分。经过单元质量修复，控制网格模型的单元质量参数。基本边长为1.2 mm，网格总数为109 812，纵横比最大值为4.08，纵横比最小值为1.16，纵横比平均值为1.82，单元纵横比控制在较低水平。单元匹配百分比及相互百分比，均在90%以上，满足模流分析计算的要求。图3为测绘仪连接器双面网格模型，模流分析可正常运行，证明网格模型可用。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F003图3测绘仪连接器网格模型Fig.3Mesh model of mapper connector2.2材料性能参数根据测绘仪连接器需要具备刚强度、阻燃、电化学性能及形状与尺寸稳定性等要求，该测绘仪连接器外壳选用35%玻纤增强PA66作为注塑成型材料。表1为35%玻纤增强PA66材料的工艺参数及力学性能参数。模腔表面温度要求较高，采用油作为介质。基于常规试模工艺及快速充填计算确定初始工艺参数组合为：注射时间0.3 s、保压压力24 MPa、料筒温度300 ℃、模腔温度70 ℃。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.T001表135%玻纤增强PA66材料参数Tab.1Parameters of 35% glass fiber PA66 material工艺参数数值工艺参数数值顶出温度/℃196固体密度/（g·cm-3）1.40模腔温度范围/℃50~95流动方向弹性模量/MPa8800模腔温度/℃70垂直流动方向弹性模量/MPa3154料筒温度范围/℃285~315纵向泊松比0.38剪切速率最大值/s-158800横向泊松比0.55剪切应力最大值/MPa0.49剪切模量/MPa14552.3流道系统设计图4为基于Moldflow高级浇口定位器的最佳浇口位置。从图4可以看出，产品中部区域设置浇口的流动阻力均较小，在两侧边缘区域设置浇口的流动阻力较大。故选择产品中心作为最佳浇口位置，如图4中圈出位置所示。图4测绘仪连接器最佳浇口位置Fig.4Optimal gate location of mapper connector10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F4a1（a）流动阻力10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F4a2（b）浇口匹配性根据选定的最佳浇口位置采用冷流道方式，图5为设计的流道系统。按照熔体流动顺序依次为圆形冷浇口、垂直圆形冷流道、水平圆形冷流道、圆形冷主流道，对应的截面尺寸分别为：Φ1.5~Φ2.0 mm、Φ2.0~Φ3.0 mm、Φ3.0 mm及Φ3.0~Φ2.0 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F005图5测绘仪连接器进胶系统设计Fig.5Design of runner system of mapper connector2.4初始结果分析基于该测绘仪连接器初始工艺参数下的“填充+保压+翘曲”模流分析，图6为所有效应下翘曲变形量及质量结果。从图6可以看出，该测绘仪连接器的最大翘曲变形量位于边缘区域，为0.534 3 mm，大于设计指标要求(0.5 mm)。考虑材料成本，产品质量的设计指标要求不大于3.5 g。该测绘仪连接器注塑成型后质量为3.669 0 g，不满足要求。综上所述，该测绘仪连接器在初始工艺参数下的翘曲变形量及质量均不满足设计指标要求，工艺参数需要进行优化。图6初始分析结果Fig.6Initial simulation results10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F6a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F6a23正交试验设计与分析注塑成型工艺参数优化可采用正交试验，基于较少的试验次数获得较准确的优化结果。测绘仪连接器类产品实际注塑成型中发现，影响该测绘仪连接器最大翘曲变形量及质量的主要变量为料筒温度(A)、模腔温度(B)、保压压力(C)及注射时间(D)等参数，故选择此4个变量为因素，并在材料推荐参数范围内设置4个水平，表2为L16(45)正交试验因素水平设计。表3为L16(45)正交试验结果。从表3可以看出，对于最大翘曲变形量，第13组试验的最大翘曲变形量最小，为0.336 mm，第1组试验的最大翘曲变形量最大，为0.575 mm。对于质量，第9组试验的质量最小，为3.284 g；第1组试验的质量最大，为3.809 g。第5、8、9、10、13、14、15及16组试验均满足设计指标，验证正交试验设计合理性。测绘仪连接器的最大翘曲变形量极差(R)排序为：RBRCRDRA，影响程度排序为：模腔温度保压压力注射时间料筒温度。测绘仪连接器的质量极差排序为：RA*RD*RB*RC*，影响程度排序为：料筒温度注射时间模腔温度保压压力。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.T002表2L16（45）正交试验因素水平设计Tab.2L16（45） orthogonal test factor level design水平因素料筒温度（A）/℃模腔温度（B）/℃保压压力（C）/MPa注射时间（D）/s128550200.27229565240.30330580280.33431595320.3610.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.T003表3L16（45）正交试验结果Tab.3Results of L16（45） orthogonal test试验编号因素最大翘曲变形量/mm质量/gABCD111110.5753.809212220.3873.608313330.5283.349414440.4643.758521230.3883.298622140.5673.624723410.5013.498824320.3793.465931340.4703.2841032430.4953.3891133120.5433.3671234210.4163.7211341420.3363.3231442310.4483.4311543240.4953.3461644130.3973.356k10.4880.4420.5200.485k20.4590.4740.4210.411k30.4810.5170.4560.452k40.4190.4140.4490.499k1*3.63093.42843.53893.6147k2*3.47133.51303.49333.4408k3*3.44033.39003.38233.3480k4*3.36403.57503.49203.5030R0.0700.1020.0990.088R*0.26690.18500.15600.2667注：*为目标变量为质量的k值和R值。图7为测绘仪连接器的最大翘曲变形量与因素水平的变化曲线。从图7可以看出，随料筒温度A的增大，测绘仪连接器的最大翘曲变形量先减小后增大再减小，当料筒温度为A4，最大翘曲变形量最小。随模腔温度B的增大，最大翘曲变形量先增大后减小，当模腔温度为B4，最大翘曲变形量最小。随保压压力C的增大，最大翘曲变形量先减小后增大再减小，当保压压力为C2，最大翘曲变形量最小。随注射时间D的增大，最大翘曲变形量先减小后增大，当注射时间为D2，最大翘曲变形量最小。当工艺参数组合为A4B4C2D2，最大翘曲变形量获得最小值。图7最大翘曲变形量与因素水平关系曲线Fig.7The relationship curves between maximum warpage deformation and factor level10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F7a1（a）料筒温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F7a2（b）模腔温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F7a3（c）保压压力10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F7a4（d）注射时间图8为测绘仪连接器的质量与因素水平的变化曲线。从图8可以看出，随料筒温度A的增大，测绘仪连接器的质量逐渐减小，当料筒温度为A4，质量最小。随模腔温度B的增大，质量先增大后减小再增大，当模腔温度B3，质量最小。随保压压力C的增大，质量先减小后增大，当保压压力为C3，质量最小。随注射时间D的增大，质量先减小后增大，当注射时间为D3，质量最小。当工艺参数组合为A4B3C3D3，测绘仪连接器的质量可获得最小值。图8质量与因素水平关系曲线Fig.8The relationship curves between mass and factor level10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F8a1（a）料筒温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F8a2（b）模腔温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F8a3（c）保压压力10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F8a4（d）注射时间由最大翘曲变形量及质量的极差分析可知，最大翘曲变形量及质量分别在不同的工艺参数组合下获得最优解，故需要对各工艺参数的影响进行显著分析。另外，需要考察误差的相对影响，故进行一次重复试验和方差分析。表4为最大翘曲变形量的方差分析结果。从表4可以看出，各个工艺参数的F值均大于1，故误差的相对影响较小，正交试验的结果具有较高可信度。各工艺参数的F值排序为：BCDA，各工艺参数的影响程度排序为：模腔温度保压压力注射时间料筒温度。模腔温度和保压压力的F0.05F值F0.01，故模腔温度和保压压力对最大翘曲变形量的影响为显著。注射时间和料筒温度的F值F0.05，故注射时间和料筒温度对最大翘曲变形量的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.T004表4最大翘曲变形量的方差分析Tab.4Variance analysis of maximum warpage deformation离差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和F值F临界值A0.00630.00201.965F0.01（3，19）=5.01F0.05（3，19）=3.13B0.01230.00393.890C0.01130.00353.531D0.00930.00303.064误差0.019190.0010总和0.05631表5为质量的方差分析结果。从表5可以看出，各工艺参数的F值均大于1，正交试验的结果具有可信度。各工艺参数的F值排序为：ADBC，影响程度排序为：料筒温度注射时间模腔温度保压压力。料筒温度和注射时间的F值F0.01，故料筒温度和注射时间对质量有极显著影响。模腔温度和保压压力的F值F0.05，故模腔温度和保压压力对质量无显著影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.T005表5质量的方差分析Tab.5Variance analysis of mass离差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和F值F临界值A0.075730.02525.449F0.01（3，19）=5.01F0.05（3，19）=3.13B0.041630.01392.994C0.026630.00891.913D0.075330.02515.418误差0.0880190.0046总和0.3073314综合分析与验证考虑工艺参数对最大翘曲变形量及质量的影响程度，综合分析优化的工艺参数组合。对于料筒温度A，最大翘曲变形量和质量均在A4时获得最优值，故只需对模腔温度B、保压压力C和注射时间D进行优选。对于模腔温度B，其对质量无显著影响，而对最大翘曲变形量具有显著影响，故选择使最大翘曲变形量最优时的B4。对于保压压力C，其对质量无显著影响，而对最大翘曲变形量具有显著影响，故选用最大翘曲变形量最优时的C2。对于注射时间D，其对质量的影响极显著，而对最大翘曲变形量无显著影响，故选用质量最优时的D3。综合考虑最大翘曲变形量和质量，得到最优工艺参数组合为A4B4C2D3，对应工艺参数为：料筒温度315 ℃，模腔温度95 ℃、保压压力24 MPa及注射时间0.33 s。利用Moldflow对优化工艺参数下测绘仪连接器注塑成型过程进行模流分析，图9为所得翘曲变形量及质量结果。从图9可以看出，最大翘曲变形量为0.294 6 mm，发生在边缘区域，相比初始工艺降低44.9%，且达到设计指标要求。优化后产品质量为3.326 g，同样达到设计指标要求。图9优化工艺分析结果Fig.9Simulation results of optimized parameters10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F9a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F9a2基于优化工艺参数组合进行注塑成型模拟，图10为系列充填过程结果。从图10可以看出，充填过程等值线整体分布均匀，无空白、明显密集区域，说明料流填充过程较稳定，未产生缺胶和滞留线。最低流动前沿温度为294.3 ℃，最大流动前沿温度为296.3 ℃，温度极差为2 ℃，充填过程中较小的料流温度变化避免由温差导致的色泽差异。注射过程中压力变化稳定，最大注射压力为30 MPa，保压压力为24 MPa，小于注射机80%最大注射压力。注射过程中的最大锁模力为3.0 t，采用小型注射机即可满足锁模力要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F010图10优化工艺充填结果Fig.10Filling results of optimized parameters基于构建的流道系统和优化的工艺参数进行实际注塑成型试模。图11为测绘仪连接器实际试模产品。从图11可以看出，样品外观状态良好，无缺胶、温差线、气痕等外观缺陷，缩痕状态合格，实测产品尺寸、公差均满足要求，产品可正常安装，验证优化工艺在实际注塑成型生产中的可行性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F011图11测绘仪连接器实际试模样品Fig.11Mold trial sample of mapper connector5结论针对某35%玻纤增强PA66材料的测绘仪连接器在初始工艺条件下的最大翘曲变形量和质量不满足设计指标要求的问题，设计正交试验探究工艺参数的优化方案。综合考虑翘曲变形量与产品质量，得到最优工艺参数组合为A4B4C2D3。优化工艺的模流分析结果显示，最大翘曲变形量为0.294 6 mm，相比初始工艺降低44.9%，产品质量为3.326 g，均达到设计指标要求。充填过程结果及实际试模样品状态验证该优化工艺参数应用于实际生产的可行性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.023.F012