连接器(connector)是电子系统设备之间电流或光信号等传输与交换的电器元件[1]。按照传输的介质不同，连接器可以分为电连接器、微波连接器、光连接器和流体连接器四类[2]。电连接器须满足接触良好、工作可靠的要求。大功率电能传输时还要求电连接器的接触电阻低、载流高、温升低、电磁兼容性能高[3]。根据工作电压的不同，电连接器可进一步分为低压连接器和高压连接器。低压连接器工作电压一般为14 V，多用于传统燃油车的电池管理系统(BMS)、空调系统和车灯等[4]。高压连接器按照应用场景的不同，需要提供60~380 V甚至更高的电压等级传输，并提供10~30 A电流传输场景，多用于新能源汽车的电池、高压配电盒(PDU)、车载充电机(OBC)、空调、PTC加热、直/交流充电接口等[5]。低压连接器需要具有机械寿命长、抗振动冲击良好等特点[6]。低压连接器产品设计难点为接触电阻设计和材料选择[7]。针对低压连接器的关键性能要求，其主体结构材料一般要求具有较高的力学性能（包含弹性模量、强度、耐磨以及抗冲击、抗疲劳性能）以及较好的阻燃、绝缘及耐腐蚀性能[8]。PA6材料中加入一定比例玻纤后力学性能得到进一步提升，在低压连接器中应用较普遍[9-11]。低压连接器通常采用周边螺栓固定方式，对其安装孔的位置精度具有较高要求[12-13]。当主体结构采用玻纤增强材料注塑成型时，较大的翘曲变形易导致安装孔位置精度较差[14-16]。对于注塑成型方式，通常采用仿真模拟手段进行设计[17-18]。当需要优化的目标较多时，通常采用正交试验进行优化[19-20]。本实验以玻纤增强PA6的低压连接器为研究对象，利用仿真模拟及正交试验方法探究其最大轴向同心度的优化方案。1低压连接器初始模流分析1.1结构设计图1为低压连接器的结构设计。从图1可以看出，低压连接器主要由塑料本体、铜排、金属嵌件、密封橡胶组成。其中，绿色部分为塑料本体，材质为15%玻纤增强PA6，主要起结构支撑和安装固定作用。黄色部分为三片紫铜材质的金属片，用于传导电信号。红色部分为金属嵌件，用于安装孔区域的加强，降低扭矩作用下塑料本体安装孔开裂的风险。蓝色部分为密封垫，材质为橡胶，主要用于铜排和塑料本体间的密封，也能够有效降低二者之间的冲击，起结构保护作用。塑料本体采用螺栓固定，其安装精度直接影响整个低压连接器功能的稳定性，对于这5个安装孔具有较高的安装精度要求。对于注塑成型生产的塑料本体，主要对其安装孔的轴向同心度有较严格的要求，根据实际生产与安装经验，安装孔的最大轴向同心度不得超过0.6 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.018.F001图1低压连接器结构设计Fig.1Structure design of low voltage connector图2为低压连接器的厚度分布。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.018.F002图2厚度分布Fig.2Thickness distribution从图2可以看出，厚度值范围为2~4 mm。最大厚度分布于安装孔附近的主体壁面上，最小厚度分布于距离安装孔较远的加强筋上。主体壁面厚度为2.5 mm，铜排厚度为3 mm，安装孔区域圆柱面厚度在2.5~3.0 mm之间。1.2材料工艺参数低压连接器要求材料具有较好的绝缘性能、耐化学腐蚀性能、耐高温性能。选用15%玻纤增强PA6材料进行低压连接器的注塑成型生产。表1为材料参数。初始工艺采用推荐的参数值：料筒温度为280 ℃，模腔表面温度为75 ℃，注射时间为1.2 s，冷却时间为12.5 s，保压时间为10 s，保压压力为80%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.018.T001表1材料参数Tab.1Material parameters参数数值参数数值顶出温度/℃192密度/（g‧cm-3）1.26料筒温度范围/℃270~290弹性模量E1/MPa5400模腔表面温度范围/℃50~100弹性模量E2/MPa3013推荐料筒温度/℃280泊松比v10.39推荐模腔表面温度/℃75泊松比v20.51极限剪切率/s-157700剪切模量G/MPa11851.3网格模型基于双层面网格类型对该低压连接器进行网格划分，表2为单元质量诊断结果。从表2可以看出，通过单元修正达到指标要求：最大纵横比20、匹配百分比90%、相互百分比90%及网格总数100 000。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.018.T002表2单元质量诊断结果Tab.2Diagnosis results of element参数数值单元尺寸/mm1.3单元数量61384纵横比最大值7.58纵横比最小值1.26纵横比均值1.73匹配百分比/%91.4相互百分比/%90.7图3为低压连接器的双面网模型。从图3可以看出，整体网格尺寸分布较均匀，可正常进行计算分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.018.F003图3低压连接器的双面网格模型Fig.3Double-sided mesh model of low-voltage connector1.4进胶方案设计该低压连接器可采用单点进胶方案，图4为进行浇口位置分析得到的结果。从图4可以看出，低压连接器的中部平面区域的流动阻力较小且浇口匹配性较好，故确定最佳的浇口位置如图中圆圈所示。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.018.F004图4最佳浇口位置分析Fig.4Analysis of optimal gate location图5为低压连接器的进胶系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.018.F005图5低压连接器进胶系统Fig.5Design of injection system of low-voltage connector从图5可以看出，（1）圆形热浇口截面尺寸为Φ1.5~5.0 mm；（2）环形热流道截面尺寸为Φ3.0~5.0 mm；（3）圆形热流道截面尺寸为Φ5.0 mm；（4）圆形热主流道截面尺寸为Φ2.0~5.0 mm。1.5初始工艺分析图6为初始工艺分析结果。从图6可以看出，产品中部区域所有效应翘曲变形量较小，产品边缘，特别是安装孔区域的所有效应翘曲变形量较大。最大所有效应的变形量为0.461 7 mm，位于安装孔区域附近。采用软件中的Roundness宏功能计算得到安装孔最大轴向同心度为0.727 1 mm0.6 mm，需要进一步优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.018.F006图6初始工艺分析结果Fig.6Initial simulation results2正交试验设计与分析根据低压连接器现场注塑经验，其安装孔最大轴向同心度主要与注射时间(A)、料筒温度(B)、模腔表面温度(C)、冷却时间(D)、保压时间(E)及保压压力(F)相关，每个工艺参数取三个水平。表3为L18(36)正交试验因素水平设计。表4为L18(36)正交试验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.018.T003表3L18（36）正交试验因素水平设计Tab.3L18（36） orthogonal test factor level design因素水平123注射时间（A）/s1.11.21.3料筒温度（B）/℃270280290模腔表面温度（C）/℃5075100冷却时间（D）/s10.012.515.0保压时间（E）/s81012保压压力（F）/%70809010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.018.T004表4L18（36）正交试验结果Tab.4Results of L18（36） orthogonal experiment试验编号ABCDEF最大轴向同心度/mm11111110.608321122330.655431213320.596841231230.552351323210.665461332120.532472113230.574682131320.673292222220.7156102233110.5857112312310.7379122321130.6263133123120.5227143132210.5429153212130.4956163221310.6236173311220.5178183333330.6324k10.60180.59620.58850.60030.56180.6273k20.65220.59490.63480.61330.59480.5931k30.55580.61870.58650.59630.65320.5894R0.09640.02380.04840.01700.09140.0379从表4可以看出，该低压连接器的安装孔最大轴向同心度在0.495 6~0.737 9 mm之间，极值相差48.9%，说明工艺参数组合对其影响较大。共9组试验的安装孔最大轴向同心度满足要求，剩余9组试验的安装孔最大轴向同心度不满足要求，本文正交试验设计合理。分析对比各工艺参数的极差R，从大到小排序为：RARERCRFRBRD。因此，注射时间对安装孔最大轴向同心度的影响最大，冷却时间对安装孔最大轴向同心度的影响最小。图7为安装孔最大轴向同心度随因素水平变化曲线。从图7可以看出，注射时间A逐渐增大时，安装孔最大轴向同心度先增大后减小，注射时间为A3时获得最小值。料筒温度B逐渐增大时，安装孔最大轴向同心度先减小后增大，料筒温度为B2时获得最小值。模腔表面温度C逐渐增大时，安装孔最大轴向同心度先增大后减小，模腔表面温度为C3时获得最小值。冷却时间D逐渐增大时，安装孔最大轴向同心度先增大后减小，冷却时间为D3时获得最小值。保压时间E逐渐增大时，安装孔最大轴向同心度逐渐增大，保压时间为E1时获得最小值。保压压力F逐渐增大时，安装孔最大轴向同心度逐渐减小，保压压力为F3时获得最小值。当工艺参数组合为A3B2C3D3E1F3时，该低压连接器的安装孔最大轴向同心度取得最小值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.018.F007图7最大轴向同心度随因素水平变化曲线Fig.7Maximum axial concentricity vs factor level对正交试验进行一次重复实验并进行方差分析。表5为方差分析结果。从表5可以看出，误差的平均偏差平方相对较小，说明本试验正交试验的误差较小，可以进行方差分析。对于注射时间及保压时间，F值F0.01，说明注射时间及保压时间对安装孔最大轴向同心度的影响为极显著；对于模腔表面温度和保压压力，F0.05F值F0.01，说明模腔表面温度和保压压力对安装孔最大轴向同心度的影响为显著；对于料筒温度和冷却时间，F值F0.05，说明料筒温度和冷却时间对安装孔最大轴向同心度的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.018.T005表5方差分析Tab.5Variance analysis离差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和F值FaA0.025620.01287.71F0.01（2，23）=5.66F0.05（2，23）=3.42B0.006520.00331.97C0.013620.00684.11D0.004720.00231.41E0.021420.01076.45F0.012720.00633.82误差0.0382230.0017总和0.1227353工艺优化与验证采用Moldflow计算该低压连接器在优化工艺A3B2C3D3E1F3下的注塑成型的填充、保压及翘曲过程，图8为得到对应结果。从图8a和图8b可以看出，所有效应翘曲变形仍然周边安装孔区域较大，最大所有效应翘曲变形值为0.241 3 mm，相比初始工艺下降了47.7%，翘曲变形量下降幅度较大。进一步计算得到安装孔最大轴向同心度为0.471 4 mm0.6 mm，满足设计指标要求。优化后的最大轴向同心度相比初始工艺减小35.2%，优化效果明显。图8优化工艺下模拟仿真结果Fig.8Simulation results under optimized process10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.018.F8a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.018.F8a210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.018.F8a3从图8c可以看出，充填等值线填充满所有区域且分布均匀，说明不存在欠注及滞留问题。从图8d可以看出，流动前沿温度在279.8~284.4 ℃之间，最大温度差为4.6 ℃，保证了熔体性能的均一性，利于收缩的均匀性。从图8e可以看出，熔接线主要分布于布有加强筋的区域，主要外观面（图8e圈出部分）无熔接线，故外观满足要求。从图8f可以看出，最大锁模力为152.3 t，故选择合适吨位的中小型机台即可。综合分析优化工艺的注塑成型仿真模拟结果，采用A3B2C3D3E1F3优化工艺进行该低压连接器的注塑成型具备可行性。采用优化工艺成型得到低压连接器试模样品。图9为实际样品。从图9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，安装孔轴向同心度测试结果为合格。结合仿真模拟结果，故该优化工艺参数可应用于该低压连接器的注塑成型生产。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.07.018.F009图9试制样品Fig.9Trail sample4结论针对某15%长玻纤增强PA6材料的低压连接器在注塑成型中安装孔最大轴向同心度超标的问题，设计了正交试验探究工艺参数优化方案。对于安装孔最大轴向同心度，注射时间影响最大，冷却时间影响最小。最优工艺为A3B2C3D3E1F3。通过优化，安装孔最大轴向同心度降低至0.471 4 mm，优化率达35.2%，且达到指标要求，通过模拟分析及试样验证也验证了方案可行性。