电控机械式自动变速器(AMT)不仅保留了原齿轮变速器效率高、低成本的优点，而且还具有液力自动变速器自动变速的优点[1]。驾驶员通过加速踏板和操纵杆向电子控制单元(ECU)传递控制信号，ECU采集发动机转速传感器、车速传感器、档位传感器、位移传感器等传感器信号，时刻掌握车辆的行驶状态[2]。ECU根据这些信号按存储的最佳换挡规律、离合器模糊控制规律、发动机供油自适应调节规律等，对发动机供油、离合器的分离与结合、变速器换挡三者的动作与时序实现最佳匹配[3]。AMT中各类传感器对其功能运行及操控感受起重要作用。这类AMT传感器从最早的机械控制、液压控制方式逐渐扩展到电流控制、电磁控制方式，且相关算法也得到逐步改进[4]。而AMT传感器的尺寸、质量、集成度的要求逐渐提高[5]。目前，传感器中核心的信号接收、传输、分析、控制相关部件采用金属材料，主体骨架、支撑结构都逐渐塑料化[6]。玻纤增强PA66材料具有较好的物化性能及尺寸稳定性，在电子电器产品的塑料外壳、基体结构及支撑结构中得到良好应用[7-8]。玻纤增强PA66材料的应用使得不同类型的传感器变得轻巧、易安装、集成及设计自由度更高，促进了传感器的发展[9]。但玻纤增强材料注塑成型后翘曲变形比较大，可能导致产品安装、焊接困难，产生一系列密封或耐久性问题[10]。玻纤增强材料注塑成型可通过相关模拟软件进行虚拟评价，结合修正的模内残余应力(CRIMS)模型可以准确预测翘曲变形[11]。对于多种工艺参数的优化问题，利用正交试验设计，可以快速准确获得参数优化方案[12-13]。仿真模拟及正交试验设计相结合可以很好地提升塑料产品设计及开模效率，在产品应用开发中起关键性作用[14-15]。本实验针对某玻纤增强PA66材料的AMT传感器在注塑成型过程中焊接定位柱平面度不合格问题，利用仿真模拟及正交试验探究其工艺参数优化方法，通过极差与方差分析获得优化工艺参数组合，并利用仿真模拟和实际试模进行验证。1AMT传感器初始模流分析1.1结构设计图1为AMT传感器的结构设计。整体尺寸为88 mm×82 mm×31 mm。AMT传感器底部有电信号接口，上部为保护盖。周边采用四个螺栓孔进行固定。上盖与本体之间通过摩擦焊接进行连接和密封，本体设置四个焊接定位柱以提升焊接性能。四个焊接定位柱上端尽可能在同一平面上，焊接性能更好。当四个焊接定位柱的平面度过大，导致焊接困难或密封性能差。对于AMT传感器，四个焊接定位柱上端平面度的设计要求不大于0.05 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.017.F001图1AMT传感器的结构设计Fig.1Structure design of AMT sensor图2为AMT传感器的厚度设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.017.F002图2厚度分布Fig.2Thickness distribution从图2可以看出，厚度范围为0.3~4.4 mm。最小厚度在安装孔区域的加强筋上，该加强筋与此处的金属嵌件进行配合，厚度要求不能太大。最大厚度在安装孔附近的主壁面上，用于保证安装强度。主要加强筋厚度为0.9 mm，兼顾增强效果与成型性。1.2材料工艺参数基于材料流动性，选择35%玻纤增强PA66材料作为该ATM传感器的原材料。表1为材料典型的工艺参数。结合该材料的实际注塑成型经验，仿真模拟计算时采用UDB推荐值及软件默认值作为初始工艺参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.017.T001表1材料参数Tab.1Material parameters参数数值参数数值顶出温度/℃200密度/（g‧cm-3）1.41料温/℃285~305弹性模量E1/MPa8995模温/℃50~100弹性模量E2/MPa4555推荐料温/℃295泊松比v10.26推荐模温/℃75泊松比v20.39极限剪切率/s-159860剪切模量G/MPa22251.3网格模型基于双层面网格类型对该AMT传感器进行网格划分。表2为经过单元质量修正后达到的网格模型诊断情况，满足软件计算要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.017.T002表2网格质量指标Tab.2Mesh quality index项目数值单元尺寸/mm1.5单元数量74432纵横比最大值8.18纵横比最小值1.15纵横比均值2.14匹配百分比/%90.2相互百分比/%90.1图3为最终完成的AMT传感器的双面网模型。从图3可以看出，整体网格尺寸分布较均匀，电信号接口及焊接定位柱区域的网格进行了加密。模流分析试算结果显示为正常运行，验证了该网格模型的可用性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.017.F003图3网格模型Fig.3Mesh model1.4流道系统设计基于AMT传感器尺寸及材料流动性，采用单点热流道进胶，图4为进胶方案设计。从图4可以看出，单点热流道进胶系统由四部分组成：位置1处Φ1.5~6 mm圆形热浇口、位置2处Φ6 mm圆形热流道、位置3处Φ6 mm圆形热流道和位置4处Φ2~6 mm热主流道。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.017.F004图4进胶方案设计Fig.4Design of injection system1.5初始工艺分析基于初始工艺分析该AMT传感器注塑成型的填充、保压及翘曲，图5为所有效应的翘曲变形结果。从图5可以看出，所有效应下最大翘曲变形量为0.363 6 mm，位于安装孔区域附近。四个焊接定位柱上端的所有效应翘曲变形量分别为0.112 6、0.090 2、0.102 3及0.116 1 mm。计算得到四个焊接定位柱上端平面度为0.072 9 mm。初始工艺下四个焊接定位柱上端平面度结果大于设计指标要求的0.05 mm，需要进行优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.017.F005图5所有效应的翘曲变形结果Fig.5Warpage deformation results of all effects2正交试验设计根据AMT传感器实际注塑成型经验，其翘曲变形量及四个焊接定位柱上端平面度主要与料温(A)、模温(B)、保压压力(C)、保压时间(D)、v/p切换体积百分比(E)及冷却时间(F)相关。以六个工艺参数作为自变量设计标准正交试验，在材料推荐工艺范围内各取三个水平，表3为L18(36)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.017.T003表3L18（36）正交试验因素水平设计Tab.3L18（36） orthogonal test factor level design水平因素料温（A）/℃模温（B）/℃保压压力（C）/MPa保压时间（D）/sv/p切换体积百分比（E）/%冷却时间（F）/s12855040898.015229575501098.5203305100601299.025采用不同试验编号对应的工艺参数值进行模流分析并计算得到四个焊接定位柱平面度，并计算对应的均值和极差，表4为L18(36)正交试验结果。从表4可以看出，四个焊接定位柱平面度的最大值发生在第2组工艺参数组合下，值为0.103 8 mm。四个焊接定位柱平面度的最小值发生在第16组工艺参数组合下，值为0.043 7 mm。四个焊接定位柱平面度的最大值与最小值相差58%，说明工艺参数组合对其影响较大，侧面验证了通过工艺参数优化目标的可行性。正交试验所有试验中，第4、5、7、10、11、12、15和16组试验四个焊接定位柱平面度满足设计指标要求，验证了正交试验的合理性，可进行极差与方差分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.017.T004表4L18（36）正交试验结果Tab.4Results of L18（36） orthogonal test试验编号因素定位柱平面度/mmABCDEF11111110.076521122330.103831213320.083441231230.048651323210.047361332120.095272113230.049182131320.087992222220.0964102233110.0487112312310.0476122321130.0455133123120.0763143132210.0984153212130.0453163221310.0437173311220.0654183333330.0709k10.07580.08200.06120.06130.06460.0604k20.06250.06100.06880.08110.06750.0841k30.06670.06200.07500.06260.07290.0605R0.01330.02100.01370.01990.00830.0237各工艺参数极差R排序为：RFRBRDRCRARE。冷却时间对四个焊接定位柱平面度的影响最大，v/p切换体积百分比对四个焊接定位柱平面度的影响最小。各工艺参数对四个焊接定位柱平面度的影响程度依次为：冷却时间模温保压时间保压压力料温v/p切换体积百分比。图6为定位柱平面度随自变量水平变化的曲线。从图6可以看出，自变量A增大时，四个焊接定位柱平面度先减小后增大，A2时获得最小值。自变量B增大时，四个焊接定位柱平面度先减小后增大，B2时获得最小值。自变量C增大时，四个焊接定位柱平面度逐渐增大，C1时获得最小值。自变量D增大时，四个焊接定位柱平面度先增大后减小，D1时获得最小值。自变量E增大时，四个焊接定位柱平面度逐渐增大，E1时获得最小值。自变量F增大时，四个焊接定位柱平面度先增大后减小，F1时获得最小值。因此，但工艺参数组合为A2B2C1D1E1F1时，该AMT传感器的四个焊接定位柱平面度可取得最小值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.017.F006图6定位柱平面度随因素水平变化曲线Fig.6Factor level variation curves of positioning column flatness10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.017.T005表5方差分析Tab.5Variance analysis离差来源偏差平方和/10-4自由度平均偏差平方和/10-4F值F临界值A2.7721.384.50F0.05（2.23）=3.42F0.01（2.23）=5.66B8.4224.2113.71C2.8421.424.63D7.3823.6912.02E1.0620.5311.73F10.725.3517.42误差7.06230.307总和40.235对正交试验进行一次重复试验并进行方差分析。误差的平均偏差平方和相比各工艺参数的平均偏差平方和较小，说明正交试验的误差较小，可以进行方差分析。对于冷却时间、模温及保压时间，F值F0.01，说明冷却时间、模温及保压时间对AMT传感器的四个焊接定位柱平面度影响程度为极显著；对于保压压力和料温，F0.05F值F0.01保压压力和料温对四个焊接定位柱平面度的影响程度为显著；对于v/p切换体积百分比，F值F0.05，说明v/p切换体积百分比对四个焊接定位柱平面度的影响程度为不显著。3工艺优化与验证图7优化工艺模流分析结果。采用Moldflow计算AMT传感器在A2B2C1D1E1F1组合下填充、保压及翘曲过程。从图7a可以看出，四个焊接定位柱上端所有效应翘曲变形量分别为0.091 9、0.062 7、0.071 2、0.066 1 mm。计算得到四个焊接定位柱平面度为0.042 1 mm0.05 mm，满足设计指标要求，相比原始工艺结果减小0.030 8 mm，下降幅度为42.2%。从图7b可以看出，充填等值线填充满该AMT传感器的各个部位且分布均匀，说明不存在欠注及滞留问题。由于该产品为隐藏的功能件，对外观状态没有特殊要求，故不再分析熔接线、缩痕等模拟结果，具体以实际注塑成型样品作为判断。从图7c可以看出，根据锁模力曲线得到注射过程的最大锁模力约为18 t，故选择合适吨位的小型机台。图7优化工艺模流分析结果Fig.7Moldflow results of optimal processing parameters10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.017.F7a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.017.F7a210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.017.F008图8为实际注塑成型样品。从图8可以看出，样品完整、无烧焦、银丝和气痕等严重外观不良问题。四个焊接定位柱的平面度测试结果为合格。故该优化工艺参数可应用于该AMT传感器的注塑成型生产，本文优化方案及工艺参数得到合理性验证。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.017.F009图8实际注塑成型样品Fig.8Sample of injection molding4结论针对某35%长玻纤增强PA66材料的AMT传感器在注塑成型中四个焊接定位柱平面度超标的问题设计正交试验，探究对四个焊接定位柱平面度的影响规律并进行工艺参数组合的优化。通过数据分析最终得到优化的工艺参数组合为A2B2C1D1E1F1。基于优化工艺分析得到：四个焊接定位柱平面度为0.042 1 mm0.05 mm，满足设计指标要求，相比初始工艺降低了0.030 8 mm，优化率为42.2%。本文工艺优化的效果显著，并得到模拟分析及注塑成型试模的验证。