接插件是实现信号传输和控制的重要元器件，广泛应用于军事以及民用工业等领域[1-2]。随着工业化、智能化的发展，对接插件的要求也越来越高，内部控制器与线束及线束与线束端子之间接触不良影响整个系统的工作，因此接插件的可靠性直接影响整个信号系统的可靠性[3]。电机中的接插件作为电信号传递的桥梁，对电机工作的稳定性以及信号传递的真实性起重要作用[4-5]。随着轻量化、智能化的发展，电机接插件塑料化也是必然趋势[6-7]。聚苯硫醚(PPS)具有较好的绝缘性、阻燃性和耐腐蚀性，添加一定比例的玻璃纤维也具有更好的强度、刚度和抗疲劳特性[8]。目前玻纤增强PPS在电子电器件中具有广泛应用，特别是在电机接插件领域。然而，高分子材料具有冷却收缩特性，导致其在注塑成型后必然产生明显的翘曲变形，从而影响零件的装配。电机接插件设计中重点是安装精度，不仅决定其是否能够正常安装，更直接影响其长期工作的稳定性和寿命。对于高分子材料注塑成型的翘曲变形问题，目前主要依靠仿真模拟的方法，即基于Moldflow软件的模流分析[9]。通过模流分析可以确定最佳的浇口位置、预测零件最终的翘曲变形量，并进一步获得平面度、轴线偏移量等结果[10]。由于影响注塑成型过程的工艺参数较多，通常也结合正交试验设计，得到工艺参数的影响规律及最佳工艺参数组合等[11-13]。本实验以一款玻纤增强PPS的电机接插件为研究对象，模拟其注塑成型过程，分析得到的翘曲变形及安装孔的轴线偏移结果。设计正交试验，探究了安装孔轴线偏移量最小的工艺参数组合。1电机接插件设计1.1结构方案图1为一款电机接插件的结构设计。从图1可以看出，蓝色部分为电机接插件的塑料主体，采用40%玻璃纤维填充的PPS材料注塑成型。红色为金属嵌件，通常采用不锈钢，主要用于保护安装孔区域的塑料材料以提高安装强度。电机插件装有三个凸起的接线座，用于连接金属导线、传递信号。电机接插件的安装精度影响信号传递的稳定性、长期工作的稳定性。对于注塑成型制造的塑料电机接插件，高分子材料固有的冷却收缩特性会导致产品发生翘曲变形，导致安装孔轴线发生偏移，从而影响安装精度，因此，此类产品在前期设计阶段会明确要求安装孔的平均轴线偏移量。根据实验测试得到，这款电机接插件对于安装孔的平均轴线偏移量的指标要求为不大于0.15 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.022.F001图1电机接插件结构设计Fig.1Structure design of motor connector图2为该电机接插件的壁厚分布。从图2可以看出，主壁面壁厚为2 mm，局部为1.4 mm，加强筋壁厚为2.0~2.2 mm。安装孔区域厚度约为2.5 mm，相对较大的厚度有利于提高安装强度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.022.F002图2电机接插件的壁厚分布Fig.2Thickness distribution of motor connector1.2材料参数电机接插件目前较多采用玻纤增强PPS材料进行注塑成型，本实验根据电机接插件的设计要求选择一款40%短玻纤增强的PPS材料，表1为注塑成型工艺参数及材料性能参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.022.T001表1注塑成型工艺参数及材料性能参数Tab.1Injection molding process parameters and material performance parameters参数数值参数数值顶出温度/℃200固体密度/（g‧cm-3）1.72模具温度/℃120~150弹性模量（E1）/MPa13000模具表面温度/℃130弹性模量（E2）/MPa9203熔体温度/℃290~330泊松比（v12）0.385剪切速率最大值/s-123000泊松比（v23）0.538剪切应力最大值/MPa0.49剪切模量/MPa4986图3为材料的PVT曲线和黏度曲线。从图3a可以看出，不同温度范围下的材料特性相差较大，200 ℃以下及300 ℃以上近似线性，250~300 ℃之间变化剧烈，意味着材料状态发生变化。从图3b可以看出，黏度曲线表征材料在不同温度条件下，随着剪切速率的增加黏度下降，与熔体在模具中填充过程密切相关。材料在10 s-1以下的剪切速率下黏度基本不变。当剪切速率达到100 s-1以上时，黏度随剪切速率的增加近乎线性下降。图3材料的PVT曲线及黏度曲线Fig.3PVT curves and viscosity curves of material10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.022.F3a1(a)PVT曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.022.F3a2(b)黏度曲线2注塑成型模拟2.1网格模型针对该电机接插件结构特点，兼顾计算精度与效率，采用Fusion双面网格类型进行注塑成型的模拟计算。表2为修复后网格质量指标。从表2可以看出，匹配百分比和相互百分比均达到90%以上，满足工程计算的要求。图4为该电机连接器的网格模型。从图4可以看出，网格尺寸分布较均匀，网格诊断结果显示无自由边、交叉和重叠单元，可以计算分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.022.T002表2网格质量指标Tab.2Mesh quality index参数数值基本尺寸/mm1.3三角形数量74932最大长宽比6.4最小长宽比1.2平均长宽比2.3匹配百分比/%90.7相互百分比/%90.310.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.022.F004图4网格模型Fig.4Mesh model2.2最佳浇口位置分析根据该产品尺寸、厚度分布以及材料流动性，采用一个浇口进行注塑成型。浇口位置的设置对零件注塑成型的填充平衡、压力传递、收缩均匀性及翘曲变形均有一定影响。图5为利用Moldflow浇口定位器得到与浇口位置相关的浇口匹配性及流动阻力指示器结果。从图5可以看出，颜色偏蓝的区域表示较合理的位置，颜色偏红的区域代表较差的位置，产品中部圈出区域为理论上最佳的浇口位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.022.F005图5浇口匹配性及流动阻力指示器结果Fig.5Gate matching and flow resistance indicator results2.3进胶系统设计基于最佳浇口位置建立热流道进胶系统。整个流道系统包括圆形热浇口、圆形热流道及圆形热主流道，图6为热流道进胶系统。从图6可以看出，1号圆形热浇口截面尺寸为Φ2 mm~Φ6 mm，2号和3号处圆形热流道的截面尺寸为Φ6 mm，4号处热主流道的截面尺寸为Φ2 mm~Φ6 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.022.F006图6进胶系统Fig.6Injection system2.4结果分析基于推荐的初始工艺对该电机接插件进行注塑成型的填充、保压和翘曲模拟。图7为初始工艺参数下翘曲变形结果。从图7可以看出，所有效应下翘曲变形量为0.521 3 mm，基于此翘曲变形结果，利用Flatness宏功能得到三个安装孔的轴线偏移量分别为0.172 5、0.243 3及0.161 5 mm，得到平均轴线偏移量为0.192 4 mm，大于该电机接插件设计指标要求的0.15 mm，不满足要求，故需要进行工艺参数优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.022.F007图7初始工艺参数下翘曲变形结果Fig.7Warpage deformation results under initial process parameters3工艺参数优化根据实际试模结果，熔体温度(A)、模具温度(B)、保压压力(C)、保压时间(D)是影响该电机接插件翘曲变形及安装孔轴线偏移量的主要的四个工艺参数。表3为L9(34)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.022.T003表3L9（34）正交试验因素水平设计Tab.3L9（34） orthogonal test factor level design水平因素熔体温度（A）/℃模具温度（B）/℃保压压力（C）/MPa保压时间（D）/s12901203082310135401033301505012表4为L9(34)正交试验结果。从表4可以看出，第5组参数组合的安装孔平均轴线偏移量最大，为0.214 0 mm，大于0.15 mm，不满足电机接插件的设计指标要求；第2组参数组合的安装孔平均轴线偏移量最小，为0.120 2 mm，小于0.15 mm，满足电机接插件的设计指标要求。正交试验中的最大和最小安装孔平均轴线偏移量相差43.8%，反映了工艺参数对安装孔平均轴线偏移量确实存在较大的影响，也验证了通过优化工艺参数降低安装孔平均轴线偏移量的可行性。四个工艺参数的极差大小排序为：RCRDRARB，即四个工艺参数对该电机接插件的安装孔平均轴线偏移量的影响程度大小排序为：保压压力保压时间熔体温度模具温度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.022.T004表4L9（34）正交试验结果Tab.4Results of L9（34） orthogonal test试验编号因素安装孔平均轴线偏移/mmABCD111110.1825212320.1202313230.1965421330.1463522210.2140623120.1751731220.1224832130.1693933310.1337k10.16640.15040.17560.1767k20.17850.16780.17760.1392k30.14180.16840.13340.1707R0.03670.01800.04420.0375图8为该电机接插件的安装孔平均轴线偏移量与四个工艺参数的关系。从图8可以看出，安装孔平均轴线偏移量随熔体温度的增大先增大后减小，在熔体温度为A3时最小。安装孔平均轴线偏移量随模具温度的增大逐渐增大，在模具温度为B1时最小。安装孔平均轴线偏移量随保压压力的增大先增大后减小，在保压压力为C3时最小。安装孔平均轴线偏移量随保压时间的增大呈先减小后增加的趋势，在保压时间为D2时最小。综合分析，使该电机接插件的安装孔平均轴线偏移量最小的最优工艺参数组合为A3B1C3D2。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.022.F008图8因素水平与安装孔平均轴线偏移量的关系Fig.8Relationship between factor level and average axis offset of mounting hole采用重复实验并进行方差分析，以分析误差带来的影响，并评估各工艺参数对该电机接插件的安装孔平均轴线偏移量的影响。表5为方差分析。从表5可以看出，各因素对于安装孔平均轴线偏移的影响程度排序为：CDAB，即保压压力保压时间熔体温度模具温度，验证了极差分析结果。保压压力的F值F0.01，保压压力对电机接插件的安装孔平均轴线偏移量具有极显著影响。保压时间的F值F0.01，保压时间对电机接插件的安装孔平均轴线偏移量具有极显著影响。对于熔体温度，F0.05F值F0.01，熔体温度对电机接插件的安装孔平均轴线偏移量有显著影响。模具温度的F值F0.05，故模具温度对电机接插件的安装孔平均轴线偏移量无显著影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.022.T005表5方差分析Tab.5Variance analysis离差来源偏差平方和/10-3自由度平均偏差平方和/10-4F值F临界值A1.0525.247.023F0.01（2，9）=8.02F0.05（2，9）=4.26B0.31521.572.110C1.8729.3612.550D1.2226.088.155误差0.67190.746总和5.12174验证分析利用Moldflow软件验证最佳工艺参数组合A3B1C3D2的实际优化效果。图9为计算得到电机接插件的翘曲变形结果。从图9可以看出，优化工艺的最大翘曲变形量为0.397 4 mm，相比初始工艺的翘曲变形量下降了23.8%。进一步计算得到优化工艺参数组合下的安装孔平均轴线偏移量为0.108 9 mm，相比初始工艺参数的结果降低了43.4%，优化效果显著。同时，满足电机接插件的设计指标要求，验证了优化工艺的效果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.022.F009图9优化工艺参数下翘曲变形结果Fig.9Warpage deformation results under optimal process parameters采用模流分析评估该优化工艺参数组合的可行性，图10为最优工艺参数下的模拟结果。从图10a可以看出，填充时间合理，充填等值线较为均匀，不存在局部密集区域，说明充填顺畅，无滞留现象。从图10b可以看出，流动前沿温度的差值为3.6 ℃，小于5 ℃，说明熔体温度分布均匀，各区域状态较为一致，不易产生较大的外观差异，利于均衡收缩。从图10c和图10d可以看出，气穴和熔接线主要集中在接线座等填充末端，且熔接线均较为短小，对主体结构强度影响不大，加强排气即可。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.022.F010图10最优工艺参数下的模拟结果Fig.10Simulation results under optimal process parameters图11为基于优化工艺参数进行该电机接插件注塑成型试模得到的产品实物。从图11可以看出，产品无缺胶，金属元件能够较好地安装，零件安装测试结果为合格。本实验优化方案的合理性及优化工艺的可用性得到验证。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.022.F011图11试模样品Fig.11Molding test sample5结论针对某玻纤增强PPS材料的电机接插件，基于Moldflow软件模拟分析了注塑成型过程并得到翘曲变形和安装孔轴线偏移量结果。初始工艺参数仿真模拟得到的电机接插件的安装孔平均轴线偏移为0.192 4 mm，超出设计指标要求的0.15 mm，需要进行优化分析。通过L9(34)正交试验的极差和方差分析，保压压力和保压时间的影响为极显著，熔体温度的影响为显著，模具温度的影响为不显著，获得优化的工艺参数组合为A3B1C3D2。利用仿真分析得到最优工艺参数组合下的电机接插件的安装孔平均轴线偏移量为0.108 9 mm，优化幅度达43.4%，且达到设计指标要求。优化工艺应用于实际注塑成型的可行性得到仿真模拟和实际试模的验证。