随着节能环保理念深入人心，对于水资源的保护和净化成为日益关注的课题[1]。污水包括工业污水和生活污水，由于水的用途不同，污水中的污染物成分也不相同。生活污水中通常含有较多的碳水化合物、有油脂、蛋白质等有机物[2]。处理生活污水过程中，需要对水质成分进行实时检测，此过程中采用各种传感器进行感知，主要包括油污传感器、pH值传感器、溶解氧传感器、电导率传感器等[3]。油污传感器是利用油引起传感器壳体和感应电极之间电容量的变化，并将此变化转变为电流变化而检测油浓度[4-5]。为了提高油污传感器的耐腐蚀性能、轻便性及设计集成度，目前逐渐采用塑料材料进行制造[6]。玻纤增强PA66材料具有较好的耐油污性、耐腐蚀性、尺寸稳定性和比强度，在油污传感器主体结构中应用较多。玻纤增强塑料注塑成型过程中产生的翘曲变形，会直接影响油污传感器的安装和工作稳定性。利用计算机辅助技术对注塑成型过程进行仿真模拟，以便在早期设计环节进行方案评估[7-8]。翘曲变形、产品尺寸及质量与注塑工艺参数直接相关，工艺优化分析中通常采用正交试验设计方法，以快速获得优化方案[9-10]。本试验针对一款玻纤增强PA66材料的油污传感器翘曲变形及质量不合格的问题，设计正交试验并采用Moldflow软件对不同工艺参数组合下注塑成型进行模拟。综合分析获得优化的工艺参数，并进行仿真与试模验证。1方案设计图1为某污水处理系统的油污传感器结构图，其主要由安装部分、电接头部分及本体部分构成。该油污传感器主体结构由塑料材料注塑成型制成，容易产生较大的翘曲变形。较大的翘曲变形量容易导致安装困难、接触不良并影响其工作稳定性。该油污传感器的最大翘曲变形量不大于0.35 mm。考虑成本及振动性能，要求产品质量不大于16.0 g，在保证产品尺寸外观合格的情况下越小越好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.020.F001图1油污传感器结构Fig.1Structure of oil pollution sensor图2为该油污传感器厚度分布。从图2可以看出，厚度范围为0.7~9 mm。电接口主体壁面厚度在1.4 mm左右，安装区域厚度为3.0 mm。中部圆柱区域厚度为8.0 mm，以抵抗较大的弯矩。主体部分主壁面厚度为1.2 mm，侧边卡扣壁厚为0.7 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.020.F002图2油污传感器厚度Fig.2Thickness of oil pollution sensor2仿真分析2.1网格模型采用Fusion双面网格类型对该油污传感器进行网格划分。主要控制单元的纵横比及匹配率，并避免出现重叠、交叉、自由边、零面积、质心过于接近及取向不正确的单元。图3为网格质量修复的油污传感器网格模型，其达到质量标准为：单元总数53 587，最大纵横比6.22，平均纵横比1.74，网格匹配百分比90.3%，相互网格匹配百分比90.5%，满足Moldflow软件对于Fusion双面网格的单元质量要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.020.F003图3油污传感器网格模型Fig.3Mesh model of oil pollution sensor2.2材料参数该油污传感器采用30%短玻纤填充的PA66材料注塑成型，物性表推荐该材料注塑成型的顶出温度为196 ℃，模具温度范围为55~105 ℃，熔体温度范围为275~295 ℃，最大熔体温度为305 ℃。固体密度为1.38 g/cm3，熔体密度为1.20 g/cm3，沿玻纤取向的弹性模量为8 539 MPa，泊松比为0.38，垂直于玻纤取向的弹性模量为3 333 MPa，泊松比为0.55，剪切模量为1 123 MPa。初始工艺参数设置为：熔体温度285 ℃，模具温度80 ℃，注射时间1.7 s，保压压力25 MPa，保压时间8 s，v/p切换体积98.5%。2.3进胶系统设计图4为基于Moldflow高级浇口定位器计算得到该油污传感器不同区域的浇口位置与流动阻力及匹配性的结果。从图4可以看出，油污传感器中部区域流动阻力较小、浇口匹配性较好。综合考虑流动阻力、浇口匹配性、填充平衡性，最终确定浇口位置如图中圆圈所示，基本位于该油污传感器动模面的几何中心。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.020.F004图4油污传感器最佳浇口位置Fig.4Optimal gate location of oil pollution sensor图5为基于上述浇口位置及油污传感器网格模型建立的单点冷流道进胶系统。该流道系统主要包括圆形冷浇口、垂直圆形冷流道、水平圆形冷流道及圆形冷主流道。圆形冷浇口截面尺寸为Φ1~Φ1.5，垂直圆形冷流道截面尺寸为Φ1.5~Φ3，水平圆形冷流道尺寸为Φ3，圆形冷主流道截面尺寸为Φ1.5~Φ3。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.020.F005图5油污传感器流道系统Fig.5Runner system of oil pollution sensor2.4初始分析结果图6为基于单浇口冷流道系统及初始工艺参数得到油污传感器的翘曲变形及质量结果。从图6可以看出，油污传感器顶部变形较大，最大翘曲变形量为0.449 3 mm，质量为17.68 g，均不满足设计指标要求，需要优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.020.F006图6油污传感器初始工艺参数结果Fig.6Results of initial process parameters of oil pollution sensor3正交试验设计与工艺参数优化3.1正交试验设计根据油污传感器类产品实际试模经验，选择对翘曲变形和产品质量影响较大的保压压力(A)、保压时间(B)、熔体温度(C)、注射时间(D)及模具温度(E)及v/p切换体积(F)作为正交试验自变量[11]，并均匀设置3个水平，表1为L18(36)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.020.T001表1L18（36）正交试验因素水平设计Tab.1Factor level design of L18（36） orthogonal test水平因素A/MPaB/sC/℃D/sE/℃F/%12062751.65598.022582851.78098.5330102951.810599.03.2正交试验结果表2为L18(36)正交试验结果。从表2可以看出，第8组的最大翘曲变形量最小，为0.25 mm；第17组的最大翘曲变形量最大，为0.47 mm。油污传感器最大翘曲变形量的最大值与最小值相差88%，说明工艺参数对油污传感器的最大翘曲变形量的影响较大。第8组的质量最小，为14.8 g；第14组的质量最大，为19.5 g。油污传感器质量的最大值与最小值相差31.8%，说明工艺参数对油污传感器的质量的影响也较大。正交试验中存在多组试验序列满足设计指标要求，说明正交试验设计合理。并对极差R进行分析，以反映各因素对目标变量的影响程度[12]。油污传感器的最大翘曲变形量的排序为：CADEFB。对于油污传感器的最大翘曲变形量，工艺参数的影响程度排序为：熔体温度保压压力注射时间模具温度v/p切换体积保压时间。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.020.T002表2L18（36）正交试验结果Tab.2Results of L18（36） orthogonal test试验编号因素最大翘曲变形量/mm质量/gABCDEF11111110.4118.221122330.3316.531213320.3616.841231230.2715.951323210.2818.661332120.3917.572113230.3617.182131320.2514.892222220.3615.3102233110.4315.4112312310.3916.6122321130.2618.7133123120.3617.8143132210.4419.5153212130.4516.8163221310.3215.7173311220.4716.6183333330.4117.3k10.3400.3580.4070.3300.3830.378k20.3420.3650.3180.3930.3630.365k30.4080.3670.3650.3670.3430.347k1*17.2517.3217.0216.6517.4017.33k2*16.3215.9817.1017.0317.1716.47k3*17.2817.5516.7317.1716.2817.05R0.0680.0080.0880.0630.0400.032R*0.9701.5700.3700.5201.1200.870注：*为质量对应的k值和R值。图7为油污传感器的最大翘曲变形量随不同工艺参数水平变化的曲线。从图7可以看出，油污传感器的最大翘曲变形量随保压压力A的增大，呈现逐渐增大的趋势，当保压压力为A1，最大翘曲变形量获得最小值。油污传感器的最大翘曲变形量随保压时间B的增大，呈现逐渐增大的趋势，当保压时间为B1，最大翘曲变形量获得最小值。油污传感器的最大翘曲变形量随熔体温度C的增大，呈现先减小后增大的趋势，当熔体温度为C2，最大翘曲变形量获得最小值。油污传感器的最大翘曲变形量随注射时间D的增大，呈现先增大后减小的趋势，当注射时间为D1，最大翘曲变形量获得最小值。油污传感器最大翘曲变形量随模具温度E的增大，呈现逐渐减小的趋势，当模具温度为E3，最大翘曲变形量获得最小值。油污传感器最大翘曲变形量随v/p切换体积的增大，呈现逐渐减小趋势，当v/p切换体积为F3，最大翘曲变形量获得最小值。综上所述，对于油污传感器的最大翘曲变形量，当工艺参数组合为A1B1C2D1E3F3，其获得最小值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.020.F007图7最大翘曲变形量与因素水平变化Fig.7Maximum warpage deformation vs factor level为了确定各工艺参数对油污传感器最大翘曲变形量的影响程度，进行一次重复试验和方差分析。表3为最大翘曲变形量方差分析结果。从表3可以看出，熔体温度、保压压力及注射时间的F值大于F0.01，故熔体温度、保压压力及注射时间对于油污传感器的最大翘曲变形量具有极显著影响。模具温度的F值小于F0.01而大于F0.05，故模具温度对油污传感器的最大翘曲变形量具有显著影响。v/p切换体积和保压时间的F值均小于F0.05，故v/p切换体积和保压时间对于最大翘曲变形量无显著影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.020.T003表3最大翘曲变形量方差分析Tab.3Variance analysis of maximum warpage deformation离差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和F值F临界值A0.27520.1386.03F0.01（2，23）=5.66F0.05（2，23）=3.42B0.14620.0733.20C0.29820.1496.53D0.26420.1325.79E0.19520.0984.28F0.15420.0773.38误差0.525230.023总和1.87135油污传感器质量的极差R排序为：BEAFDC，故对于油污传感器的质量，工艺参数的影响程度排序为：保压时间模具温度保压压力v/p切换体积注射时间熔体温度。图8为油污传感器的质量随不同工艺参数水平变化的曲线。从图8可以看出，油污传感器的质量随保压压力A的增大，呈先减小后增大的趋势，当保压压力为A2时，质量获得最小值。油污传感器的质量随保压时间B的增大，呈现先减小后增大的趋势，当保压时间为B2，质量获得最小值。油污传感器的质量随熔体温度C的增大，呈现先增大后减小的趋势，当熔体温度为C3，质量获得最小值。油污传感器的质量随注射时间D的增大，呈现逐渐增大的趋势，当注射时间为D1，质量获得最小值。油污传感器质量随模具温度E的增大，呈现逐渐减小的趋势，当模具温度为E3，质量获得最小值。油污传感器质量随v/p 切换体积的增大，呈现先减小后增大的趋势，当v/p切换体积为F2，质量获得最小值。综上所述，对于油污传感器的质量，当工艺参数组合为A2B2C3D1E3F2，其获得最小值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.020.F008图8质量与因素水平曲线Fig.8Curves of mass and factor level表4为质量的方差分析结果。从表4可以看出，保压时间的F值大于F0.01，故保压时间对油污传感器的质量具有极显著影响。模具温度、保压压力及v/p切换体积的F值均小于F0.01而大于F0.05，故模具温度、保压压力及v/p切换体积对油污传感器的质量具有显著影响。注射时间和熔体温度的F值均小于F0.05，故注射时间和熔体温度对油污传感器的质量的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.020.T004表4质量的方差分析Tab.4Variance analysis of mass离差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和F值F临界值A29.688214.8444.982F0.01（2，23）=5.66F0.05（2，23）=3.42B35.870217.9356.019C18.64729.3243.129D20.157210.0793.382E32.865216.4335.515F27.613213.8074.633误差68.535232.980总和203.687353.3参数优选与验证对于油污传感器的实际注塑成型过程，需要兼顾最大翘曲变形量及质量，以保证使用性能和成本。但对于两个目标变量在最优条件下的工艺参数的取值不相同，需要对各工艺参数进行综合分析。对于保压压力A，由于其对油污传感器的最大翘曲变形量具有极显著影响，而对油污传感器的质量的影响程度显著，故选择使油污传感器的最大翘曲变形量为最优时的A1。对于保压时间B，由于其对油污传感器的质量的影响为极显著，而对油污传感器最大翘曲变形量的影响为不显著，故选择使油污传感器的质量为最优时的B2。对于熔体温度C，由于对油污传感器的最大翘曲变形量的影响为极显著，而对油污传感器的质量的影响不显著，故选择使油污传感器的最大翘曲变形量为最优时的C2。对于注射时间D，由于对油污传感器的最大翘曲变形量的影响为极显著，而对油污传感器的质量的影响不显著，故选择使油污传感器的最大翘曲变形量为最优时的D1。对于模具温度E，由于油污传感器的最大翘曲变形量及质量均在E3时获得最优值，故选择E3。对于v/p切换体积F，由于其对油污传感器的质量的影响为显著，而对油污传感器的最大翘曲变形量的影响为不显著，故选择使油污传感器的质量为最优时的F2。综上所述，综合考虑油污传感器的最大翘曲变形量和质量，依据各工艺参数对其的影响程度和最优值，综合分析得到的最优工艺参数组合为A1B2C2D1E3F2，即保压压力为20 MPa，保压时间为8 s，熔体温度为285 ℃，注射时间为1.6 s、模具温度为105 ℃,及v/p切换体积为98.5%。利用Moldflow模流分析软件对该优化工艺组合A1B2C2D1E3F2进行注塑成型模拟，图9为得到翘曲变形及质量结果。从图9可以看出，翘曲变形量同样在油污传感器的右侧顶端较大，最大翘曲变形值为0.284 6 mm，相比初始工艺结果降低36.7%。油污传感器的质量为14.96 g，相比初始工艺降低15.4%。油污传感器的最大翘曲变形量及质量的优化效果明显，且满足设计指标要求，验证正交试验分析及优化工艺参数的合理性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.020.F009图9油污传感器优化工艺参数结果Fig.9Results of optimized process parameters of oil pollution sensor采用此优化工艺参数组合进行油污传感器的实际注塑成型试模，图10为得到的实际样品。从图10可以看出，油污传感器试模样品表面未出现缺胶、气痕等明显外观问题，且其最大翘曲变形量及质量测试结果均为合格，验证优化工艺的有效性及实用性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.020.F010图10油污传感器实际试模样品Fig.10Mold trial sample of oil pollution sensor4结论针对某30%短玻纤增强PA66材料的油污传感器，利用Moldflow对其注塑成型进行仿真模拟。基于高级浇口定位器计算得到该油污传感器在单点进胶方案下不同位置的流动阻力、浇口匹配性，确定最佳的浇口位置为产品中部。初始工艺的计算结果显示，最大翘曲变形量及产品质量均超标。设计正交试验并分析得到，各工艺参数对其最大翘曲变形量及质量的影响程度排序。通过综合分析得到优化工艺参数组合为A1B2C2D1E3F2。基于优化工艺的仿真结果显示，油污传感器的最大翘曲变形量及质量分别降低36.7%、15.4%，优化效果显著，且均满足设计指标要求。采用优化工艺进行试模打样，外观状态及尺寸质量均满足要求，验证优化工艺的可行性。