电子连接器也被称为电路连接器，是将一个回路中两个导体桥接，使得电流或讯号可以从一个导体流向另一个导体[1]，起到连接或断开电流或信号的作用，广泛应用于各种电气线路[2]。由于三相电机向高性能、小型化方向发展，对电机连接器的轻量化、密封性、抗振性以及安装稳定性等提出更高的要求[3]。玻纤增强PBT材料具有优异的力学性能、尺寸稳定性、阻燃性能和绝缘性能[4-6]，在电机连接器中普遍使用。但翘曲变形对于电机连接器的安装、使用性能具有较大的影响，需要对产品结构、模具设计和注塑工艺参数等方面进行改善。本实验以玻纤增强PBT材料的三相电机连接器为研究对象，基于Moldflow软件分析获得最佳注塑浇口位置，对注塑成型的翘曲变形进行分析，得到影响翘曲变形的主要因素。利用正交试验设计探究影响翘曲变形的各工艺参数的程度以及影响规律，得到具有最小翘曲变形量的最优工艺组合，并通过模流分析及实际试模验证其应用于实际生产的可行性。1三相电机连接器设计1.1结构方案图1为三相电机连接器的设计方案，主要包括黄色塑料主体和紫色铜排，整体尺寸为141 mm×88 mm×48 mm。塑料主体部分由2个垂直相交的平板结构组成，背后布置大量加强筋，用于增强结构刚度和疲劳性能；3个铜排独立嵌入塑料主体内部，以连接外部电路、传递电信号。三相电机连接器长期工作于动态环境中，对铜排和塑料主体间的连接性要求较高，因此，在塑料主体上下端安插铜排的区域需要具有较高的尺寸精度，避免较大的翘曲变形。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F001图1结构设计Fig.1Structure design图2为产品壁厚分布。从图2可以看出，主体壁面厚度分布均匀，均为3.0 mm；加强筋厚度为2.5 mm。上部铜排插孔厚度为3.0 mm，下部铜排插孔厚度为2.5 mm，安装孔区域厚度约2.6 mm。产品各部位厚度变化不大，有利于产品填充稳定和收缩均匀。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F002图2壁厚分布Fig.2Distribution of thickness1.2材料参数电器部件通常需要具备良好的耐电击穿性能以及阻燃性能，此外，该产品长期承受来自电机的动态载荷，因此还需要具有较好的尺寸稳定性、刚强度以及疲劳特性。目前大多采用玻纤增强PBT材料进行注塑成型，根据具体性能指标选择一种30%短玻纤增强的PBT材料。表1为注塑成型推荐工艺参数，其中，熔体温度265 ℃、模具温度75 ℃、保压压力80%、保压时间10 s、冷却时间20 s。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T001表1推荐工艺参数Tab.1Recommended process parameters工艺参数数值顶出温度/℃162模具温度/℃50~100模具表面温度/℃75熔体温度/℃230~300剪切速率最大值/s-160000剪切应力最大值/MPa0.42固体密度/（g·m-3）1.38弹性模量E1/MPa8850弹性模量E2/MPa5397泊松比v120.41泊松比v230.45剪切模量E1/MPa2299图3为该材料与成型性能相关的PVT曲线和黏度曲线[7]。图3材料的PVT曲线及黏度曲线Fig.3PVT curves and viscosity curves of the material10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F3a1（a）PVT曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F3a2（b）黏度曲线从图3a可以看出，该材料在200 ℃以下，随着温度的增加体积比容几乎呈线性增加；200~225 ℃内，随着温度的上升，体积比容发生剧烈增大，说明温度的提高使材料发生明显的状态改变；温度高于225 ℃，随着温度的增加，体积比容又恢复线性增长趋势。从图3b可以看出，材料在不同温度条件下，随着剪切速率的增加黏度下降，这与熔体在模具中的填充过程密切相关。材料在较低的剪切速率下不同温度的黏度差异较大，且随剪切速率的增加，黏度几乎不发生变化；而当剪切速率达到1 000 s-1以上时，其黏度随剪切速率的增加近乎线性下降；当剪切速率达到10 000 s-1以上时，不同温度下的黏度差异较小。2注塑成型模拟2.1网格模型采用Fusion双面网格类型进行网格划分，可以提高网格处理和分析计算的效率。双层面网格模型的单元质量要求纵横比处于较低值、匹配率通常需达到85%以上，且不能存在交叉单元、重复单元以及不合理的自由边。图4为最终完成的该电机连接器的网格模型，网格尺寸分布较均匀，最大纵横比为5.7，最小纵横比为1.8，平均纵横比为2.2，匹配百分比为90.5%，相互百分比为91.2%，可以正常计算分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F004图4网格模型Fig.4Mesh model2.2最佳浇口位置分析图5为最佳浇口位置分析。根据该产品尺寸大小、厚度范围以及材料特性，推荐采用单浇口进行注塑成型。由于该产品结构较为立体且不规则，难以直观给出合适的浇口位置，故可采用Moldflow浇口区域定位器算法设置的浇口位置，以正确制造模具和成型、平衡填充、保证多浇口填充的阻力相等、有效保压零件、使注射压力及锁模力满足要求[8]。从图5可以看出，颜色偏蓝的区域表示较合理的位置，颜色偏红的区域代表较差的位置。产品中部圈出区域为理论上较好的浇口位置，但实际上，该区域放置浇口不利于外观和浇口清理，实际生产过程，要求浇口位置位于侧边，综合分析得到合理的浇口位置为图中红色箭头所指位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F005图5最佳浇口位置分析Fig.5Analysis of optimal gate location2.3进胶系统设计参考最佳浇口位置，并考虑实际生产的要求，采用宽大矩形侧浇口，以降低玻璃纤维流经浇口位置受到的剪切力导致的折损，尽可能提高玻纤保留长度。整个流道系统包括矩型冷浇口、U型冷流道、圆型热浇口、圆型热流道及圆型热主流道，图6为最终建立的进胶系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F006图6进胶系统Fig.6Injection system2.4结果分析图7为计算得到产品所有效应及不同因素下的变形。采用“填充+保压+翘曲”分析序列对该三相电机连接器的注塑成型过程进行模拟。启用“分离翘曲原因”获得不同影响因素条件下的翘曲变形量，以分析影响翘曲变形的主要因素。从图7可以看出，所有效应下的最大翘曲变形量为0.693 4 mm，收缩不均导致的最大翘曲变形量为0.786 8 mm，冷却不均导致的最大翘曲变形量为0.087 2 mm，取向效应导致的最大翘曲变形量为0.418 6 mm。其中，收缩不均导致的最大翘曲变形量明显大于其他效应导致的最大翘曲变形量，甚至大于所有效应导致的最大翘曲变形量，这说明产品最大翘曲变形主要来自收缩不均效应。最大翘曲变形位置位于螺栓安装孔位置，直接影响到产品的装配，需要进行优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F007图7翘曲变形结果Fig.7Warpage deformation results3工艺参数优化3.1正交试验设计表2为L16(45)正交试验因素水平设计。收缩效应作为引起三相电机连接器翘曲变形的最主要因素，取决于注塑成型过程中的工艺参数选择，主要包含熔体温度、模具温度、保压时间、保压压力和冷却时间等。不同工艺参数组合下，产品的收缩过程有较大差异并导致不同的翘曲变形量。采用L16(45)正交试验法研究熔体温度(A)、模具温度(B)、保压压力(C)、保压时间(D)、冷却时间(E)对三相电机连接器翘曲变形的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T002表2L16（45）正交试验因素水平设计Tab.2L16（45） orthogonal test factor and level design水平因素熔体温度（A）/℃模具温度（B）/℃保压压力（C）/%保压时间（D）/s冷却时间（E）/s125065608152265757010203280858012254295959014303.2正交试验结果分析表3为L16(45)正交试验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T003表3L16（45）正交试验结果Tab.3L16（45） orthogonal test results试验编号因素最大翘曲变形量/mmABCDE1144440.6752122220.5893111110.6144414230.5515212340.5486331240.6377133330.6638324310.5379313420.48610221430.67111342130.57212243210.59413234120.63714423140.46615432410.54016441320.587k10.63530.54980.62730.57230.5713k20.61250.56580.56230.59280.5748k30.55800.61930.55230.58380.6143k40.53600.60700.60000.59300.5815R0.09930.06950.07500.02070.0430从表3可以看出，第1组参数组合的最大翘曲变形量最大，为0.675 mm；第14组参数组合的最大翘曲变形量最小，为0.466 mm，正交试验中的最小翘曲变形量与最大翘曲变形量相差31%，因此，工艺参数对翘曲变形量具有较大的影响。各因素的极差大小排序为：RARCRBRERD，故各因素对最大翘曲变形量的影响程度由大到小依次为：熔体温度保压压力模具温度冷却时间保压时间。图8为不同工艺下最大翘曲变形量与水平的关系。从8a可以看出，最大翘曲变形量随熔体温度的增加逐渐减低，最大翘曲变形量在熔体温度为A4时最小。从8b可以看出，最大翘曲变形量随模具温度呈先增加后降低的趋势，在模具温度为B1时最大翘曲变形量最小。从8c可以看出，最大翘曲变形量随保压压力呈先降低后增加的趋势，在保压压力为C3时最大翘曲变形量最小。从8d可以看出，最大翘曲变形量随保压时间呈先增加后降低再增加的趋势，在保压时间为D1时最大翘曲变形量最小。从8e可以看出，最大翘曲变形量随冷却时间呈现先增加后降低的趋势，在冷却时间为E1时最大翘曲变形量最小。综合分析，可以得到最大翘曲变形量最小时的理论工艺参数组合为A4B1C3D1E1，即熔体温度为295 ℃、模具温度为65 ℃、保压压力为80%、保压时间8 s、冷却时间15 s。图8不同工艺下最大翘曲变形量与水平的关系Fig.8The relationship between the maximum warpage deformation and the level under different processes10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F8a1（a）熔体温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F8a2（b）模具温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F8a3（c）保压压力10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F8a4（d）保压时间10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F8a5（e）冷却时间表4为正交试验方差分析结果。从表4可以看出，各因素对于最大翘曲变形量的影响程度排序为：ACBED，即熔体温度保压压力模具温度冷却时间保压时间，同时，熔体温度、保压压力及模具温度对最大翘曲变形量具有极显著影响；冷却时间及保压时间对最大翘曲变形量具有显著影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T004表4方差分析结果Tab.4Variance analysis results方差来源偏差平方和/10-3自由度平均偏差平方和/10-4F值F临界值A51.103170.352.242F0.01（3，16）=5.29F0.05（3，16）=3.24B26.16387.2026.746C28.95396.5129.603D2.29637.6542.348E4.247314.164.343误差5.216163.260总和118.0314验证分析图9为将优化后的工艺参数组合A4B1C3D1E1代入Moldflow软件得到的三相电机连接器的翘曲变形结果。从图9可以看出，所有效应下的最大翘曲变形量为0.435 4 mm，小于正交试验表中第14组参数组合下的最大翘曲变形量0.466 mm，验证了A4B1C3D1E1为能够达到产品最小翘曲变形量的最优工艺参数组合的正确性。该工艺参数组合下的最大翘曲变形量相比初始默认工艺参数的结果降低了37.0%，翘曲变形量的优化效果显著。收缩不均引起的最大翘曲变形量为0.496 9 mm，与初始工艺参数的结果相比降低了36.7%，说明工艺参数优化有效降低了收缩不均效应导致的翘曲变形。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F009图9翘曲变形结果Fig.9Warpage deformation results图10为基于模流分析进行仿真评估得到的主要参考结果。从图10a可以看出，充填等值线较为均匀，无明显密集区域，说明充填过程顺畅，无缺胶及明显的滞留现象。从图10b可以看出，最大流动前沿温度与最小流动前沿温度差距在5 ℃以内，说明不太可能产生因料流温度差异过大导致的温差线或光泽不均。从图10c和图10d可以看出，在主要外观面上无气穴和熔接线，气穴和熔接线主要集中在两侧安装孔附近，不影响整体美观。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F010图10最优工艺参数下的模拟结果Fig.10Simulation results under optimal process parameters图11为采用优化工艺参数组合进行实际试模得到的试模样品。产品无缺胶、温差线等外观问题，翘曲变形量测试结果为合格，产品可以正常安装。优化工艺参数下产品注塑成型满足实际生产的要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F011图11试模样品Fig.11Sample of molding test5结论（1）在默认的初始工艺参数下进行“填充+保压+翘曲”分析，得到产品所有效应下的最大翘曲变形量为0.693 4 mm，收缩不均导致的最大翘曲变形量为0.786 8 mm，产生翘曲变形的主要因素为收缩不均。（2）针对单点进胶方式，采用Moldflow软件浇口区域定位器算法，基于流阻、填充平衡条件分析得到较合理的浇口位置，结合实际成型可行性确定了最佳的注射浇口位置。（3）针对收缩不均因素，设计正交试验分析各工艺参数对最大翘曲变形量的影响规律。通过极差及方差分析得到各工艺参数对最大翘曲变形量的影响程度的排序由大到小为：熔体温度＞保压压力＞模具温度＞冷却时间＞保压时间。（4）分析各工艺参数下最大翘曲变形量随水平的变化规律，得到最小翘曲变形量对应的理论工艺参数最优组合为A4B1C3D1E1。（5）基于Moldflow仿真分析得到最优工艺参数组合下的最大翘曲变形量为0.435 4 mm，小于正交表中的最小值，相比初始工艺参数组合降低了37.0%，验证了工艺优化的效果。（6）分析了该优化工艺参数组合下的填充等值线、流动前沿温度、气穴和熔接线结果，结合实际试模情况，验证了其应用于实际生产的合理性。