供水管路在城市供水系统、化工生产配料系统、发电站、航空及汽车的冷却系统中具有广泛的应用。能够输送生活及生产所需的水、溶液等原料，还能够作为热量交换的媒介进行有效冷却，以保障生产制造、运动做功的稳定性[1]。供水管路的密封性是其功能稳定性的重要保障，也是前期设计需重点考虑的问题[2]。供水管路的密封性存在问题，会导致污染性流体介质泄漏，引发严重污染和人员伤害，甚至可能引发连锁反应，导致爆炸。错综复杂的管路系统需要数量庞大的管路接头进行组合连接，以实现变向和换位[3]。管路接头的设计也成为供水管路系统密封性的重要影响因素，特别是接头的同轴度[4]。目前，考虑到经济性、轻量化以及安装便捷性等，管路接头多数采用塑料材料[5-6]。玻纤增强聚己二酰己二胺(PA66)材料具有优异的高温稳定性、耐腐蚀性、成型制造性能，在电子电器外壳、功能件骨架及连接件上的应用十分广泛[7]。PA66材料主要采用注塑及挤出方式生产制造，对于结构十分复杂的元件，通常采用注塑成型方式。注塑成型是高分子材料在加热熔融状态下填充模具型腔后冷却固化，此过程不可避免的收缩通常导致产品产生较大的变形，使得形状和尺寸不合格[8]。对于这种情况，可以通过计算机辅助工程对注塑成型过程进行仿真模拟，获得系列参数供分析和参考，例如翘曲变形、熔接线、注射压力、缩痕估算等[9]。影响注塑成型的因素包括结构设计、流道系统设计、工艺参数等。结构和流道系统由于涉及模具的重新加工，难度及成本均较大，通常针对工艺参数进行探究[10-11]。注塑成型的工艺参数较多，一般采用正交试验设计进行优化分析[12-13]。本实验针对供水管路连接器同轴度过大的问题，采用计算机辅助工程技术模拟其注塑成型过程并计算同轴度。以料筒温度、模具表面温度等为自变量设计正交试验，探究同轴度的优化方案。1供水管路接头结构设计图1为供水管路接头结构设计。采用玻纤增强的PA66材料进行注塑成型。供水管路接头主要用于连接不同样式和直径的管路，由大端和小端两个圆柱孔构成。其中大端采用多个卡槽与管路连接，小端通过螺纹与管路连接。小端内部圆柱面与连接管路的对中状态直接影响其功能稳定性，故一般要求其小段内部圆柱面（如图红色面）的同轴度较高。根据注塑成型模拟与实际注塑样品测试的对比结果得到该管路接头的设计要求：该管路接头小端的圆柱面的同轴度不大于0.3 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.019.F001图1供水管路接头结构设计Fig.1Structure design of water-supply pipeline connector图2为供水管路接头的厚度属性。从图2可以看出，最小厚度为1.207 mm，位于大端外部卡槽内凹区域；最大厚度为3.625 mm，位于产品中部的大端与小端的连接区域，以便更好地承受两端的连接力载荷。大端主要壁面的厚度为3.4 mm，限位凸耳的厚度为2 mm。小端主要壁面厚度在3.5 mm左右，厚度相比大端要大，以保证安装强度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.019.F002图2供水管路接头厚度属性Fig.2Thickness property of water-supply pipeline connector2初始模流分析2.1网格模型采用Dual domain类型对该供水管路接头进行模流分析网格模型构建。图3为供水管路接头网格模型。采用Fusion双面网格模型，最大纵横比为3.37，匹配率达到90.2%，符合质量要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.019.F003图3供水管路接头网格模型Fig.3Mesh model of water-supply pipeline connector2.2材料工艺参数采用15%玻纤增强PA66材料进行注塑。表1为材料主要成型参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.019.T001表115%玻纤增强PA66材料主要成型参数Tab.1Main forming parameters of 15% glass fiber reinforced PA66 material参数数值顶出温度218绝对最大料筒温度350料筒温度范围280~300推荐料筒温度290模具表面温度范围55~95推荐模具表面温度75℃℃2.3进胶方案分析采用仿真模拟技术进行单点最佳浇口位置分析，图4为最佳浇口位置结果。从图4可以看出，从产品中部到产品边缘流动阻力逐渐增大，浇口匹配性也逐渐较低。在靠近供水管路接头的中部区域流动阻力及浇口匹配性均处于较高水平，故将浇口位置放置于图示红色圆圈位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.019.F004图4最佳浇口位置分析Fig.4Analysis of optimal gate location基于确定的浇口位置设计流道系统。图5为进胶系统设计。从图5可以看出，冷浇口截面尺寸为Φ1.5~4.0 mm，圆形冷流道截面尺寸为Φ4.0 mm，圆形冷主流道截面尺寸为Φ1.0~4.0 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.019.F005图5进胶系统设计Fig.5Design of runner system2.4结果分析初始工艺基于材料推荐参数及默认工艺：料筒温度为290 ℃，模具表面温度为75 ℃，注射时间为0.22 s，速度/压力切换体积比为98%。图6为所有效应下翘曲变形及同轴度初始分析结果。从图6a可以看出，供水管路接头的变形较大区域主要分布在两端管口，特别是小端管口。最大所有效应变形量位于小端管口顶部区域，最大变形量值为0.306 4 mm。从图6b和6c可以看出，收缩不均导致的翘曲变形与所有效应翘曲变形分布趋势接近，最大同轴度相比取向效应明显较大。该供水管路接头的翘曲变形主要由收缩不均导致。计算得到该供水管路接头的同轴度为0.322 6 mm，大于0.30 mm，故工艺参数需要进行优化。由于管路接头的同轴度主要与翘曲变形有关，而收缩不均是翘曲变形的主要因素，收缩过程主要与注塑成型的工艺参数相关，可以通过工艺参数的优化降低翘曲变形以及同轴度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.019.F006图6所有效应下翘曲变形及同轴度初始分析结果Fig.6Initial simulation results of warping deformation and coaxiality under all effects10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.019.F0073正交试验设计与分析基于该供水管路接头的注塑成型试模经验，影响该供水管路接头同轴度的主要变量为料筒温度(A)、模具表面温度(B)、注射时间(C)、速度/压力切换体积(D)，将其作为自变量，在材料推荐取值范围各取三个水平，表2为L9(34)正交试验因素水平设计。表3为L9(34)正交试验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.019.T002表2L9（34）正交试验因素水平设计Tab.2L9（34） orthogonal test factor level design水平因素料筒温度（A）/℃模具表面温度（B）/℃注射时间（C）/s速度/压力切换体积（D）/%1280550.20972290750.22983300950.249910.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.019.T003表3L9（34）正交试验结果Tab.3Results of L9（34） orthogonal test序号因素同轴度/mmABCD111110.3124212320.2875313230.2981421330.2673522210.3432623120.2964731220.3069832130.3357933310.2880k10.29930.29550.31480.3145k20.30230.32210.31610.2969k30.31020.29420.28090.3004R0.01090.02800.03510.0176从表3可以看出，管路接头的同轴度极值相差28.4%，意味着工艺参数组合对同轴度有较大的影响。第2、3、4、6及9组工艺参数组合的同轴度均满足设计指标要求，而剩余试验组的同轴度不满足设计指标要求，说明正交试验设计合理。根据极差R得到对该供水管路接头的同轴度的影响大小排序为：RCRBRDRA。故注射时间的影响最大，其次是模具表面温度和速度/压力切换体积，料筒温度的影响最小。图7为同轴度与因素水平关系曲线。从图7可以看出，随料筒温度A的增大，同轴度逐渐增大，A1时最小。随模具表面温度B的增大，同轴度先增大后减小，B3时最小。随注射时间C的增大，同轴度先增大后减小，C3时最小。随速度/压力切换体积的增大，同轴度先减小后增大，D2时最小。因此，该供水管路接头的同轴度最优时，参数组合为A1B3C3D2。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.019.F008图7同轴度与因素水平关系曲线Fig.7Relationship curves between concentricity and factor level表4为供水管路接头的同轴度的方差分析结果。从表4可以看出，根据F值大小得到影响程度排序为：CBDA。对于注射时间和模具表面温度，F值F0.01，故注射时间和模具表面温度对同轴度具有极显著影响。对于速度/压力切换体积，F0.05F值F0.01，故速度/压力切换体积对同轴度具有显著影响。对于料筒温度，F值F0.05，料筒温度对同轴度影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.019.T004表4同轴度方差分析Tab.4Variance analysis of concentricity离差来源偏差平方和/×10-3自由度平均偏差平方和/×10-3F值FaA0.94620.4731.570F0.01（2.9）=8.02F0.05（2.9）=4.26B7.46023.73012.372C11.90025.96019.784D2.61021.3104.332误差2.71090.3014综合分析与验证基于计算机辅助工程对优化工艺进行模拟计算，图8为翘曲变形及同轴度优化结果。图8翘曲变形及同轴度优化结果Fig.8Optimized results of warpage deformation and concentricity10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.019.F9a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.019.F9a2从图8可以看出，优化工艺下所有效应翘曲变形同样在小端顶部区域较大，最大所有效应变形为0.188 7 mm，相比初始工艺降低38.4%。收缩不均效应导致的变形同样与所有效应变形趋势类似，是主要因素。最大收缩不均效应变形为0.169 0 mm，相比初始工艺下降33.4%。取向效应导致的最大变形仅为0.076 0 mm，相比收缩不均效应的影响较小。计算得到管路接头的同轴度为0.265 4 mm，优化率达17.7%，且达到要求。基于计算机辅助工程技术对优化工艺下的供水管路接头的注塑成型过程进行模拟计算，图9为仿真优化结果。从图9可以看出，充填等值线充满供水管路接头各部位且均匀，说明无缺胶及明显滞留。流动前沿温度在279.7~280.5 ℃之间，极差仅为0.8 ℃，保证了熔体填充过程中物性的稳定性，保证了较均衡的填充压力和收缩均匀性，也保证了光泽上的一致性。缩痕主要分布于台阶面处，主要外观面上无明显缩痕，保证了良好的外观状态。锁模力变化较为平顺、最大锁模力为11.53 t，选用相应的小吨位的注射机台即可。仿真结果显示：基于优化工艺进行该供水管路接头的注塑成型具有合理性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.019.F010图9仿真优化结果Fig.9Simulation results of optimization图10供水管路接头实际样品Fig.10Actual sample of water-supply pipeline connector10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.019.F11a1图10为供水管路接头实际样品。从图10可以看出，产品外观良好，同轴度结果合格，验证了优化工艺的可行性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.019.F11a25结论基于计算机辅助工程技术与正交试验设计探究供水管路同轴度的优化方案。针对初始工艺参数下的同轴度不满足设计指标要求的问题，设计四因素三水平的标准正交试验，并统计得到不同工艺参数组合下的同轴度。分析得到优化的工艺参数组合为A1B3C3D2。优化工艺的仿真结果显示：同轴度由初始的0.322 6 mm降至0.265 4 mm，优化率达17.7%，满足要求。优化方案也通过了仿真模拟及样品测试的验证。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.019.F012