电连接器是将一个回路的两个导体桥接，使得电流或者讯号可以从一个导体流向另一个导体的导体设备[1]。一套完整的电路包括各项功能，比如传统的收音机电路包含变频、中频放大、检波、低频放大和功率放大等。这些电路之间是以不同特点进行连接，这些连接实际上是“耦合”[2]。随着电气化、智能化的发展，为了实现复杂信号的传递和转换，电流连接器之间组成集成度更高的耦合电流连接器，以便集成制造、整体安装，实现小型化[3]。而在此过程中，耦合电流连接器的主体结构采用高分子材料进行注塑成型，以降低制造周期和成本。PA6材料具有较好的耐磨、耐高温及耐腐蚀性能，加入一定比例的玻璃纤维，进一步增强其力学性能、尺寸稳定性和抗疲劳性能[4-5]。然而，PA6材料注塑成型会产生变形问题，容易导致形状、尺寸和公差不满足要求，影响产品的安装、连接、功能和寿命。针对此类问题，目前多数通过计算机辅助工程(CAE)技术模拟相关制造或测试过程，得到相应的物理量，通过分析评估可行性指导优化手段[6-8]。对于注塑成型仿真模拟，涉及变量较多，可以结合正交试验设计，提高优化分析的效率[9-10]。本实验基于CAE技术模拟耦合电流连接器的注塑成型过程，并设计正交试验探究工艺参数对卡扣限位面变形的影响，分析优化工艺参数组合，并进行模拟以及试模验证。1耦合电流连接器结构设计图1为某耦合电流连接器结构图。从图1可以看出，绿色为耦合电流连接器，灰色为相连接的接插件。接插件通过下端的卡扣与耦合电流连接器相连，耦合电流连接器下端有与之匹配的结构（限位面），如图1b中红圈。耦合电流连接器下端的限位面的位置状态直接影响接插件的安装和固定，通常对限位面的变形量进行限制。耦合电流连接器采用塑料材料进行注塑成型，通常产生较大变形。在该耦合电流连接器设计前期采用仿真模拟，评估最终的限位面变形量。对于该耦合电流连接器，为了保证接插件正确安装固定，要求限位面的变形量不大于0.1 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.018.F001图1耦合电流连接器结构Fig.1Structure of coupling current connector图2为耦合电流连接器的厚度。从图2可以看出，主体结构部分的厚度为1.100 mm，上端面厚度为1.500 mm，与接插件接触的面厚度为0.800 mm。侧面设置了一定的脱模斜度，厚度在1.100~1.200 mm之间变化，方便注塑成型的脱模。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.018.F002图2耦合电流连接器的厚度Fig.2Thicknes of coupling current connector2初始模流分析2.1网格模型采用Dual Domain方式进行网格模型构建。根据产品尺寸，基本单元尺寸设置为0.3 mm。通过单元质量修复，图3为耦合电流连接器网格模型。通过网格统计得到：三角形数量为52 068，已连接的节点数量为26 028，连通区域数量为1。自由边数量、多重边数量、取向不正确的单元数量、相交单元数量、完全重叠单元数量及不可见三角形数量均为0，满足计算基本要求。最大纵横比为12.72，匹配百分比为91.1%，相互百分比为91.4%，适合Dual Domain分析。快速填充试算分析结果显示为可正常计算，验证了本文网格模型的可用性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.018.F003图3耦合电流连接器网格模型Fig.3Mesh model of coupling current connector2.2材料工艺参数依据零件的实验要求确定该耦合电流连接器的材料为50%短玻璃纤维填充的聚酰胺6，即PA6-G50。表1为PA6-G50的注塑成型工艺参数。根据材料UDB文件推荐参数值及软件默认工艺参数值，确定初始工艺参数组合。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.018.T001表1PA6-G50的注塑成型工艺参数Tab.1Injection molding process parameters of PA6-G50参数数值模腔温度范围50~125模腔表面温度85料流温度范围260~275料流温度265绝对最大熔体温度300顶出温度142℃℃2.3流道系统设计该耦合电流连接器尺寸较小、材料流动性较好，可采用单点浇口。图4为最佳浇口位置分析结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.018.F004图4最佳浇口位置分析结果Fig.4Analysis results of optimal gate location从图4可以看出，综合流动阻力指示器及浇口匹配性结果，确定最佳的浇口位置为耦合电流连接器中间孔侧壁处，如图中圈出位置所示。图5为进胶系统设计。从图5可以看出，冷流道进胶系统基于一模两穴方式建立，浇口采用潜伏式的点浇口，便于后处理。位置1处圆形冷浇口尺寸为Φ1~3 mm；位置2处圆形冷流道尺寸为Φ3 mm；位置3处圆形冷流道尺寸为Φ3 mm；位置4处冷主流道尺寸为Φ1.5~3.0 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.018.F005图5进胶系统设计Fig.5Design of runner system2.4结果分析采用初始工艺参数组合进行耦合电流连接器的注塑成型仿真模拟，计算其充填、保压及翘曲变形过程。图6为初始工艺分析结果。从图6可以看出，耦合电流连接器所有效应变形量最大值为0.165 1 mm，位于产品下端的接插件的卡扣限位区域。卡扣限位面处所有效应变形量为0.112 2 mm，大于设计指标要求的0.1 mm，故需要进行优化分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.018.F006图6初始工艺分析结果Fig.6Results of initial process analysis3正交试验分析耦合电流连接器类型产品实际试模经验发现，料流温度、模腔温度、冷却时间及充填时间对其整体变形量及卡口限位面处的变形量影响相对较大，以此四个工艺参数作为正交试验设计的自变量，在材料UDB推荐的工艺参数范围均匀设置四个水平，表2为L16(44)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.018.T002表2L16（44）正交试验因素水平设计Tab.2L16（44） orthogonal test factor level design水平因素料流温度（A）/℃模腔温度（B）/℃冷却时间（C）/s充填时间（D）/s126050150.22226575170.253270100190.284275125210.31采用L16(44)标准正交试验表设计正交试验，并进行16组不同工艺参数组合的试验分析，得到耦合电流连接器的卡扣限位面的变形统计数据，并计算得到不同水平下的均值ki和极差R。表3为L16(44)正交试验结果。从表3可以看出，卡扣限位面变形范围为0.085 7~0.126 4 mm，最小值发生在第9组试验，最大值发生在第7组试验。其中，第3、4、5、9、10、12和15组试验的卡扣限位面变形均满足要求，剩余试验均不满足要求，说明正交试验设计较为合理，可以进行数据的极差与方差分析。基于各变量的极差大小，对于该耦合电流连接器卡扣限位面变形，影响程度排序为充填时间模腔温度料流温度冷却时间。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.018.T003表3L16（44）正交试验结果Tab.3Results of L16（44） orthogonal test试验序号因素卡扣限位面变形/mmABCD111110.1054212220.1223313330.0985414440.0954521230.0892622140.1078723410.1264824320.1179931340.08571032430.09621133120.11361234210.08621341420.10981442310.11541543240.08651644130.1054k10.10540.09750.08170.1084k20.11030.11040.09610.1159k30.09540.10630.10440.0710k40.07790.07490.10700.0939R0.03240.03550.02530.0449图7为卡扣限位面变形与工艺参数因素水平的关系曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.018.F007图7卡扣限位面变形与工艺参数因素水平的关系曲线Fig.7Relationship curves between the deformation of buckle limit surface and factor level of process parameters从图7可以看出，该耦合电流连接器的卡扣限位面变形随料流温度(A)的增大先增大后减小，当料流温度为A4时获得最小值。该耦合电流连接器的卡扣限位面变形随模腔温度(B)的增大先增大后减小，当模腔温度为B4时获得最小值。该耦合电流连接器的卡扣限位面变形随冷却时间(C)的增大逐渐增大，当冷却时间为C1时获得最小值。该耦合电流连接器的卡扣限位面变形随充填时间(D)的增大先增大后减小再增大，当充填时间为D3时获得最小值。耦合电流连接器的卡扣限位面变形在自变量组合为A4B4C1D3可以获得最小值，即确定了优化的工艺组合。表4为卡扣限位面变形的方差分析。从表4可以看出，误差的平均偏差平方和相对较小，正交试验的结果具有较高可信度。根据F值的大小排序，对于耦合电流连接器的卡扣限位面变形，影响程度排序为：充填时间模腔温度料流温度冷却时间。对于充填时间，F值F0.01，故其对于该耦合电流连接器的卡扣限位面变形的影响为极显著。对于模腔温度，F值F0.01，故其对于该耦合电流连接器的卡扣限位面变形的影响为极显著。对于料流温度，F0.05F值F0.01之间，故其对该耦合电流连接器的卡扣限位面变形的影响为显著。对于冷却时间，F值F0.05，故其对于该耦合电流连接器的卡扣限位面变形的影响为不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.018.T004表4卡扣限位面变形的方差分析Tab.4Variance analysis of deformation of hook limit surface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A1.23034.1004.138F0.01（3，19）=5.01F0.05（3，19）= 3.13B1.51035.0305.086C0.77732.5902.616D2.35037.8207.900误差1.880190.990总和7.740314综合分析与验证对优化工艺效果进行仿真模拟验证，图8为优化工艺分析结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.018.F008图8优化工艺分析结果Fig.8Simulation results of optimized parameters从图8可以看出，所有效应变形量最大值由原来的0.165 1mm降至0.122 9 mm，下降幅度较大。卡扣限位面的变形由原来的0.112 2 mm降至0.083 3 mm，验证了优化工艺的效果。图9为优化工艺仿真模拟结果。图9优化工艺仿真模拟结果Fig.9Simulation results of optimized process parameters10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.018.F9a1(a)充填时间等值线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.018.F9a2(b)流动前沿温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.018.F9a3(c)缩痕估算10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.018.F9a4(d)锁模力从图9a可以看出，等值线填满该耦合电流连接器所有部位，不存在欠注的情况，且等值线分布基本均匀、无密集区域，出现滞留的可能性较小。从图9b可以看出，料流前锋的温度变化为2.8 ℃(6 ℃)，较小的熔体温度变化保证了填充的稳定性及收缩的均衡性，利于减小翘曲变形量。从图9c可以看出，缩痕估算最大值为0.053 5 mm(0.5 mm)，意味着出现缩印的可能性较小。从图9d可以看出，注塑过程的最大锁模力值为5.324 t，可选择吨位较小的注射机。采用优化工艺进行该耦合电流连接器的实际试模打样，图10为耦合电流连接器注塑成型样品。从图10可以看出，产品无欠注、烧焦、明显缩印等问题，尺寸测量实验通过，验证了优化方案的正确性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.018.F010图10耦合电流连接器注塑成型样品Fig.10Sample of coupling current connector by injection molding5结论针对某耦合电流连接器的限位面变形过大的问题，利用仿真模拟与正交试验分析进行工艺参数优化。通过浇口定位器算法分析得到最佳的单点浇口位置，并以此构建了流道系统。以料流温度、模腔温度、冷却时间、充填时间四个工艺参数为自变量设计了正交试验，并通过仿真模拟获得限位面变形值。工艺参数对目标变量的影响程度排序为：充填时间模腔温度料流温度冷却时间，优化的工艺参数组合为A4B4C1D3。此优化工艺分析结果显示卡扣限位面的变形降至0.083 3 mm，下降了25.8%，小于设计指标要求的0.1 mm，优化效果较好。仿真模拟及试模打样的结果均展示了良好的外观及符合要求的变形量，验证了优化方案及结果。