随着自动化、网联化、智能化的发展，在工业控制、交通出行、智能家居以及图书馆管理等方面需要进行信息共享和在线管理，采用高效的网络连接[1]。高效的信息共享要求网络传输速度足够高，促进了以太网的发展[2]。在图书馆管理中，以太网发挥了重要作用，通过现有网络结构构建局域的以太网，实现图书数据的高效管理[3]。而以太网的高效互联必须依赖于高质量的硬件设备，其中最关键的是网络连接器。网络连接器通常由接触件、绝缘体及屏蔽壳构成。绝缘体包括主体、基座或安装板，其作用是保证网络连接器接触件之间和接触件与外壳之间的绝缘性能，因此良好的绝缘性是选材的基本要求[4]。玻纤增强聚己二酰己二胺(PA66)材料不仅具有良好的电绝缘性，也具有高强度、高刚性、高耐磨、高耐久、高耐温、耐化学腐蚀、优异的注塑成型加工性能等[5-8]。对于以太网连接器，其主体外壳、绝缘体、连接端口等结构支撑部分均采用高分子材料[9]。绝缘体对于刚强度、疲劳耐久、尺寸稳定性及绝缘性有较高要求，目前主要采用玻纤增强PA66材料[10]。绝缘体与其他网络部件的稳定连接直接影响其工作稳定性及寿命，因此对于玻纤增强PA66材料注塑成型的绝缘体的变形及平面度有严格要求[11]。在产品设计及开模前期，通常利用仿真软件对注塑成型的可行性进行模拟分析，依据计算得到的压力曲线、熔接线分布、翘曲变形等结果，评估结构方案、流道系统及参数工艺设置的合理性[12]。通常结构方案及进胶系统的局限性较大，工艺参数的可调性及影响的复杂度更高，一般基于工艺参数进行优化分析[13]。当可调的工艺参数数量较多时，很难进行所有工艺参数组合。正交试验在多参数优化分析问题中得到较好应用，有效减少了试验的工作量，并高效和准确地获取变量的影响规律，从而得到最优解[14-16]。本实验以某玻纤增强PA66材料的以太网连接器绝缘体为研究对象，针对其平面度不达标的问题，采用仿真的手段进行注塑成型过程模拟，并结合正交试验法进行参数优化。1以太网连接器绝缘体结构设计图1为以太网连接器绝缘体结构。从图1可以看出，连接器绝缘体整体呈“L”型，主要由半包的线槽区及全包的针孔区构成。线槽的顶部设计为平面（图1b中红色面），方便与网络连接器其他附件连接。绝缘体的正确安装以及网络连接器工作的稳定性与寿命均与绝缘体的连接有直接关系，通常要求绝缘体此处平面具有较高的平面度。绝缘体的设计要求为：连接处平面度不大于0.5 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.022.F001图1以太网连接器绝缘体结构Fig.1Structure of ethernet connector insulator图2为以太网连接器绝缘体的厚度属性。从图2可以看出，由于绝缘体整体尺寸较小，整体厚度也较薄，厚度范围在0.6~1.24 mm之间。线槽区的主要壁面厚度为1.12 mm，针孔区的主要壁面厚度为0.6 mm，针孔区加强筋厚度为0.71 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.022.F002图2以太网连接器绝缘体厚度属性Fig.2Thickness property of ethernet connector insulator2初始模流分析2.1网格模型采用实体网格（四面体）进行建模，通常先生成Dual Domain（双层面）网格，并控制其单元质量在合适范围，一般要求：最大单元纵横比小于20，单元匹配率80%以上，无自由边、重叠单元等。通过质量修复，该绝缘体的双层面网格质量达到要求；设置四面体的最小层数为10，基于图层改进的生成器，创建四面体网格。对于四面体网格，为保证计算能够顺利收敛，不允许产生凹四面体，要求最大二面角不大于180°。图3为以太网连接器绝缘体网格模型。网格质量诊断结果为：四面体数量1 022 903，节点数量183 090，最大二面角169.4°，满足模流分析计算要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.022.F003图3以太网连接器绝缘体网格模型Fig.3Mesh model of ethernet connector insulator2.2材料工艺参数选用玻纤增强PA66材料制造以太网连接器绝缘体。表1为该材料主要参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.022.T001表1玻纤增强PA66材料参数Tab.1Parameters of glass fiber reinforced PA66 material参数数值顶出温度/℃263熔料温度范围/℃270~300推荐熔料温度/℃285模腔温度范围/℃55~115最大剪切速率/s-158000最大剪切应力/MPa0.46固体密度/（g‧cm-3）1.89垂向弹性模量/MPa11323横向弹性模量/MPa4204泊松比v120.43泊松比v230.68剪切模量/MPa1957根据材料特性，推荐的初始工艺参数：熔料温度为285 ℃、模腔温度为75 ℃、保压时间为10 s、保压压力为80%v/p切换时压力。2.3流道系统设计图4为进胶系统设计。从图4a可以看出，为了保证较好的外观状态并考虑浇口去除的便捷性，该以太网连接器绝缘体采用单点冷流道侧边进胶方案，考虑产品的尺寸较小，采用一模四穴方式进行模具设计。从图4b可以看出，该进胶方案的流道系统设计，包含（1）矩形冷浇口(1.5 mm×1.0 mm~2.0 mm×2.0 mm)、（2）圆形冷流道(Φ3.0 mm)、（3）圆形冷流道(Φ3.0 mm)、（4）圆形冷主流道(Φ1.5~3.0 mm)四个主体部分。图4进胶系统设计Fig.4Design of runner system10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.022.F4a1(a)进胶方案设计10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.022.F4a2(b)流道和浇口尺寸2.4结果分析图5为初始工艺下翘曲变形结果。从图5可以看出，以太网连接器绝缘体在线槽区靠近浇口位置的最大变形量最大，为0.872 8 mm。计算得到平面度为0.573 7 mm，大于0.5 mm，故不满足要求，需要进行工艺优化分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.022.F005图5初始分析结果Fig.5Initial simulation results3正交试验设计与分析在以太网连接器绝缘体类型产品的注塑成型试模中发现，影响其翘曲变形及平面度的主要成型工艺参数包括熔料温度、模腔温度、保压时间、保压压力，以此四个工艺参数作为自变量，每个工艺参数在材料推荐参数范围内各设置四个因素水平。表2为L16(44)正交试验因素水平设计。表3为L16(44)正交试验结果。从表3可以看出，第1组试验的平面度最大，为0.626 9 mm，第14组试验的平面度最小，为0.447 8 mm，二者相差28.6%，说明工艺参数组合对平面度具有较大的影响。第4、6、7、10、12、14及16组工艺参数组合的平面度均满足设计指标要求，验证了正交试验设计的合理性。四个工艺参数的极差R排序为：RBRDRCRA，故对于以太网连接器绝缘体的平面度，模腔温度影响最大，保压压力及保压时间其次，熔料温度影响最小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.022.T002表2L16（44）正交试验因素水平设计Tab.2L16（44） orthogonal test factor level design水平因素熔料温度（A）/℃模腔温度（B）/℃保压时间（C）/s保压压力（D）/MPa1270558702280751080329095129043001151410010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.022.T003表3L16（44）正交试验结果Tab.3Results of L16（44） orthogonal test序号因素平面度/mmABCD111110.6269212220.5174313330.5075414440.4776521230.6070622140.4577723410.4677824320.5473931340.58711032430.48761133120.53731234210.45771341420.59701442310.44781543240.53731644130.4776k10.53230.60450.52490.5000k20.51990.47760.52980.5497k30.51740.51240.52240.5199k40.51490.49000.50750.5149R0.01740.12690.02240.0498图6为以太网连接器绝缘体的平面度随工艺水平变化曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.022.F006图6平面度与因素水平关系曲线Fig.6Flatness vs factor level从图6可以看出，随熔料温度A的增大，以太网连接器绝缘体的平面度逐渐减小，当熔料温度为A4时，平面度最小。随模腔温度B的增大，以太网连接器绝缘体的平面度先减小后增大再减小，当模腔温度为B2时，平面度最小。随保压时间C的增大，以太网连接器绝缘体的平面度先增大后减小，当保压时间为C4时，平面度最小。随保压压力D的增大，以太网连接器绝缘体的平面度先增大后减小，当保压压力为D1时，平面度最小。当工艺参数组合为A4B2C4D1，以太网连接器绝缘体的平面度获得最优值，此时熔料温度为300 ℃、模腔温度为75 ℃、保压时间为14 s、保压压力为70% v/p切换时的压力。对正交试验进行一次重复试验并进行方差分析，以了解误差对实验结果的相对影响，获得工艺参数对目标变量的影响的显著性水平[17]。表4为平面度的方差分析。从表4可以看出，误差的平均偏差平方明显小于四个工艺参数，故本试验正交试验结果可信。各工艺参数F值大小排序为：FBFDFCFA，故对于以太网连接器绝缘体的平面度，这四个因素的影响程度排序为：模腔温度保压压力保压时间熔料温度。对于模腔温度，F值F0.01，故模腔温度对于连接器绝缘体的平面度具有极显著影响。对于保压压力和保压时间，F0.01F值F0.05，故保压压力和保压时间对连接器绝缘体的平面度具有显著影响。对于熔料温度，F值F0.05，故熔料温度对于以太网连接器绝缘体的平面度的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.022.T004表4平面度的方差分析Tab.4Variance analysis of flatness离差来源偏差平方和/×10-2自由度平均偏差平方和/×10-3F值FaA0.76032.5302.760F0.01（3，19）=5.01F0.05（3，19）=3.13B1.95036.5107.089C0.97233.2403.530D1.11033.6904.024误差1.740190.918总和6.530314综合分析与验证利用Moldflow模流分析软件对工艺优化参数组合进行模拟计算，图7为优化工艺下所有效应的翘曲变形量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.022.F007图7优化工艺下所有效应的翘曲变形量Fig.7Warpage deformation of all effects under optimized process从图7可以看出，优化工艺条件下翘曲变形趋势与初始工艺下变化一致，线槽区靠近浇口处变形量最大，最大翘曲变形量为0.582 5 mm，相比初始工艺降低33.3%。根据所有效应变形结果计算得到平面度为0.435 9 mm，相比初始工艺结果相对降低了24.0%，平面度的优化效果较为显著，并且达到了设计指标的要求，验证了该优化工艺在降低平面度方面的可行性。基于Moldflow对优化工艺下的以太网连接器绝缘体的注塑成型过程进行模拟计算，图8为优化工艺下仿真模拟结果。从图8可以看出，充填过程等值线由侧边浇口逐步向针孔区末端扩散，整体上间距均匀，无明显密集区域，说明采用玻纤增强PA66材料及优化工艺在模腔的填充过程中较为顺畅，未产生填充不全和明显的迟滞效应。料流充填过程的前沿温度变化范围在300.4~303.2 ℃之间，最大温度差为2.8 ℃，温度下降幅度较小，保证了熔体的物性的稳定性，由温度变化引起明显光泽差异的可能性较小。熔接线主要分布于侧边非外观区域，主要外观区域无熔接线，保证了良好的外观状态。因此，填充过程产品状态均满足要求，仿真分析结果初步验证了优化工艺的合理性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.022.F008图8优化工艺下仿真模拟结果Fig.8Simulation results of optimized process parameters基于优化工艺进行注塑成型试模，图9为得到的注塑成型样品。从图9可以看出，样品外观状态良好，无缺胶、烧焦、气痕、温差线等明显外观问题，实测平面度也满足设计指标要求，实际试模状态验证了优化工艺的合理性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.022.F009图9以太网连接器绝缘体注塑成型样品Fig.9Injection molding sample of ethernet connector insulator5结论基于Moldflow软件对玻纤增强PA66材料的以太网连接器绝缘体的注塑成型过程进行模拟，以熔料温度、模腔温度、保压时间及保压压力为自变量，设计正交试验探究其线槽区顶面平面度的优化方案。通过优化分析得到，模腔温度对于平面度的影响为极显著程度；保压压力和保压时间的影响为显著程度；熔料温度的影响为不显著程度；优化的工艺参数组合为A4B2C4D1。优化工艺的模流分析显示：平面度由初始的0.573 7 mm降低到0.435 9 mm，相比初始工艺结果相对下降24.0%，达到设计要求，且充填过程较稳定、熔料前沿温度下降幅度较小、外观区域无熔接线，成型质量较好，得到了实际注塑成型试模的验证。