加速度传感器是一种利用惯性力及牛顿第二定律测量加速度的装置[1-2]。在汽车行业的应用主要包括安全系统、轮胎磨损监测、惯性刹车灯、前灯水准测量、安全带伸缩、自动门锁和安全气囊等[3]。随着电气化、智能化和小型化的发展，要求设备高度集成、多功能和易设计，对加速度传感器的尺寸、质量和制造性能提出更高要求[4]。目前，加速度传感器的主体结构已逐渐塑料化，以满足轻量化及高设计自由度的要求[5]。玻纤增强聚苯硫醚(PPS)材料由于具备优良的耐热性、刚强度、阻燃性、耐腐蚀性、抗蠕变性、绝缘性及尺寸稳定性[6]，较多地应用于电子电器的骨架和壳体[7]。该材料基本采用注塑成型方式制造，面临的主要问题是材料收缩过程导致的产品形状尺寸的偏差和表面质量不良[8]，导致装配困难、使用性能下降及外观较差。对于产品注塑成型质量的评估目前多数采用仿真模拟手段[9-10]，不仅节约开模成本更缩减开发周期。仿真模拟结合方案设计及分析方法，如综合加权评分法[11]、正交试验设计[12]、遗传算法[13]等，可以更快速、有效获得优化方向。本实验以一玻纤增强PPS材料的加速度传感器端盖为研究对象，采用仿真技术模拟其注塑成型过程，并探究最大翘曲变形、缩痕估算及质量结果的优化方案。通过设计正交试验并结合综合加权评分法，分析工艺参数的影响程度和规律。得到优化的工艺参数组合，并通过仿真模拟与实际试模验证。1加速度传感器结构分析图1为某加速度传感器结构图，包括绿色的传感器骨架、蓝色的传感器端盖、红色的安装衬套，端盖内部装有硅胶、终端连接器、IC电路及电磁铁等。该加速度传感器骨架及端盖结构采用玻纤增强PPS材料注塑成型制造，包括一次成型及二次成型过程，保证不同部分的连接性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.019.F001图1加速度传感器总成设计Fig.1Assembly design of acceleration sensor图2为加速度传感器端盖结构，整体尺寸为21 mm×14 mm×12 mm，呈杯状结构。端盖内部矩形腔主要用于填充硅胶，沿轴线方向设置多根肋条，以增强和内部硅胶的黏结力。传感器直接接触外界，其外观状态要求不产生缩痕，特别是端盖的顶面区域。基于实际生产和模拟对标的经验，当Moldflow的缩痕估算值不大于0.030 mm，认为不会产生可见的缩痕。为了保证与传感器骨架间及内部其他部件的良好连接性，要求最大翘曲变形量不大于0.15 mm。考虑轻量化及成本，要求其最大产品质量不大于1.22 g。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.019.F002图2加速度传感器端盖结构Fig.2Structure of acceleration sensor cap图3为加速度传感器端盖的厚度分布。从图3可以看出，整体厚度为0.64~2.13 mm。主要壁面厚度为0.9 mm，端盖顶部区域侧壁厚度达到1.2 mm，顶部平面厚度达到1.34 mm，相比下部端口区域要厚，以保证在承受来自内部元器件压力时顶部区域的强度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.019.F003图3加速度传感器端盖厚度分布Fig.3Thickness distribution of acceleration sensor cap2初始模流分析2.1网格模型采用Fusion双面网格类型，在Molflow软件中对该传感器端盖进行网格划分。主要控制网格的纵横比及匹配率，避免出现不合理的重叠单元、交叉单元和自由边。图4为加速度传感器端盖的网格模型，单元总数为23 274，最大纵横比为3.3，平均纵横比为1.2，匹配百分比为91.5%，相互匹配百分比为92.1%，满足工程计算的网格质量要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.019.F004图4加速度传感器端盖网格模型Fig.4Mesh model of acceleration sensor cap2.2材料工艺参数表1为传感器端盖采用的40%玻纤增强PPS材料的主要工艺参数及性能参数。从表1可以看出，模具温度相对较高，需要保证120 ℃以上，可采用油作为流体介质。熔体温度及材料弹性模量较高，且由于含有较高比例的玻纤，建议采用耐磨和耐温性较好的螺杆。初始工艺采用如下组合：熔体温度305 ℃，模具温度130 ℃，注射速度45%最大速度，v/p切换体积99%，保压压力15 MPa。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.019.T001表1材料参数Tab.1Material parameters参数数值参数数值顶出温度/℃205固体密度/（g‧cm-3）1.72模具温度范围/℃120~150弹性模量E1/MPa13000模具表面温度/℃130弹性模量E2/MPa9203熔体温度范围/℃295~325泊松比v120.39剪切速率最大值/s-122500泊松比v230.54剪切应力最大值/MPa0.47剪切模量E1/MPa51052.3流道系统设计根据传感器端盖的尺寸，采用单点冷流道进胶方式控制填充。图5为基于一模两穴建立的冷流道进胶系统。流道系统主要包括圆形冷浇口、圆形冷流道、U型冷流道及圆形冷主流道。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.019.F005图5进胶系统设计Fig.5Design of runner system2.4综合加权评分法由于3个目标变量的量纲和单位不同，数量级差异较大，为了统一分析工艺参数对3个目标变量的影响规律和程度，将目标变量进行无量纲化处理，3个目标变量在取较小值时更优，即无量纲参数越大，结果越优。无量纲化处理公式为：tm*z=max(tmz)-tmz[max(tmz)-min(tmz)] （1）式（1）中：tm*z为目标变量无量纲化参数，无量纲化处理的新生数据序列；tmz为目标变量的试验数据，m为列号，代表不同的目标变量，z为行号，代表不同的试验组合；max(tmz)为第m列试验数据的最大值；min(tmz)为第m列试验数据的最小值。综合加权评分是根据所有考虑的目标变量在整个质量考核中所占的相对重要性，其计算公式为：t=∑k=1nφktk （2）式（2）中：t为综合加权评分值，φk为目标变量的权重，tk为考察的自变量数据结果。2.5结果分析图6为初始工艺参数下加速器传感器端盖的翘曲变形、缩痕估算及质量结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.019.F006图6初始分析结果Fig.6Initial simulation results从图6可以看出，最大翘曲变形量为0.171 1 mm，缩痕估算最大值为0.031 3 mm，位于端盖顶面边缘，产品质量为1.315 g，表明初始工艺参数下产品翘曲变形、缩痕估算及质量均不满足设计指标要求，需要进行优化。3正交试验设计及成型工艺参数优化3.1正交试验设计根据实际注塑成型生产经验，影响产品翘曲变形、缩痕和质量的主要工艺参数为注射速度(A)、v/p切换体积(B)、熔体温度(C)、模具温度(D)和保压压力(E)。故选择这五个注塑成型工艺参数作为自变量，以最大翘曲变形量，缩痕估算及质量三个指标作为目标变量。基于材料推荐的工艺参数范围，各工艺参数均设置四个等差变化的因素水平，表2为L16(45)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.019.T002表2L16（45）正交试验因素水平设计Tab.2Design of L16（45） orthogonal test factor and level因素水平1234注射速度（A）/%40455055v/p切换体积（B）/%9898.59999.5熔体温度（C）/℃295305315325模具温度（D）/℃120130140150保压压力（E）/MPa121518213.2正交试验结果表3为L16(45)正交试验表。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.019.T003表3L16（45）正交试验设计Tab.3Design of L16（45） orthogonal test试验编号因素ABCDE11111121222231333341444452123462214372341282432193134210324311133124123421313414231442314154324116441324数据处理与分析基于正交试验进行仿真模拟计算得到不同工艺参数组合下的最大翘曲变形量，缩痕估算及质量，进行无量纲化处理并计算综合加权评分。4.1试验结果处理根据传感器端盖的注塑成型经验，目标变量的相对重要性程度排序为翘曲变形量缩痕估算质量，参考文献[13]中判别矩阵，取质量、缩痕估算及最大翘曲变形在综合加权评分中的权重分别为0.088 2、0.243 1及0.668 7。表4为综合加权评分数据。从表4可以看出，最大翘曲变形量为0.230~0.144 mm，缩痕估算为0.043~0.022 mm，质量为1.564~1.218 g。初始工艺参数下综合加权评分值为0.654，目标综合加权评分值为0.837。对于综合加权评分，第6组的综合加权评分最大，为0.938；第12组的综合加权评分最小，为0.171。第6组、7组和16组的综合加权评分达到目标值，说明正交试验设计合理。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.019.T004表4L16（45）正交试验结果Tab.4Results of L16（45） orthogonal test试验编号目标变量试验值目标变量无量纲化综合加权评分最大翘曲变形/mm缩痕估算/mm质量/g最大翘曲变形/mm缩痕估算/mm质量/g10.1730.0431.3280.6590.0000.6820.50120.2160.0401.4270.1600.1440.3960.17730.2270.0291.5140.0380.6980.1450.20840.1880.0271.3390.4800.7870.6500.56950.1770.0401.2180.6180.1491.0000.53760.1460.0251.2830.9710.8910.8120.93870.1540.0231.2780.8750.9700.8270.89480.1870.0401.5640.4970.1240.0000.36290.2040.0391.3380.3000.1930.6530.305100.2000.0271.2870.3500.7570.8010.489110.2230.0221.3560.0791.0000.6010.349120.2300.0291.5310.0000.6680.0950.171130.2140.0371.4690.1830.2670.2750.212140.1830.0321.3880.5410.5500.5090.540150.1650.0351.4210.7470.3960.4130.633160.1440.0311.2871.0000.5740.8010.8794.2极差分析依据正交试验的综合加权评分结果，计算各因素在不同水平下的综合加权评分的平均值k及极差R，表5为极差分析结果。从表5可以看出，极差排序为：RARDRCRERB，故对于综合加权评分来说，工艺参数的影响程度排序为：注射速度模具温度熔体温度保压压力v/p切换体积。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.019.T005表5综合加权评分的极差结果Tab.5Range analysis of synthetically weighted mark value编号ABCDEk10.4450.3890.6670.5270.496k20.6830.5360.3790.2750.564k30.3280.5210.3540.5280.382k40.5660.4950.5410.6110.499R0.3540.1470.3130.3360.182图7为综合加权评分与不同工艺参数水平变化曲线。从图7可以看出，综合加权评分随注射速度A的增大，呈现先增大后减小再增大的趋势，当注射速度为A2，综合加权评分最大。综合加权评分随v/p切换体积B的增大，呈现先增大后减小的趋势，当v/p切换体积为B2，综合加权评分最大。综合加权评分随熔体温度C的增大，呈现先降低后增大的趋势，当熔体温度为C1，综合加权评分最大。综合加权评分随模具温度D的增大，呈现先减小后增大的趋势，当模具温度为D4，综合加权评分最大。综合加权评分随保压压力E的增大，呈现先增大后减小再增大的趋势，当保压压力为E2，综合加权评分最大。综上所述，当工艺参数组合为A2B2C1D4E2，综合加权评分为理论最大值，工艺参数为：注射速度45%最大速度，v/p切换体积98.5%，熔体温度295 ℃，模具温度150 ℃，保压压力15 MPa。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.019.F007图7综合加权评分与因素水平关系Fig.7Relationship of comprehensive weighted score and factor level4.3方差分析为了确定误差对实验结果的相对影响，并了解各工艺参数对综合加权评分的影响程度，进行一次重复试验和方差分析。表6为加速度传感器端盖的方差分析结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.019.T006表6综合加权评分的方差分析Tab. 6Variance analysis of synthetically weighted mark value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A0.79730.2664.875F0.01（3，16）=5.29F0.05（3，16）=3.24B0.17230.0571.052C0.55930.1863.419D0.73130.2444.471E0.23630.0791.443误差0.872160.055总和3.367310.109从表6可以看出，注射速度、模具温度及熔体温度的F值大于F0.05而小于F0.01，故注射速度、模具温度及熔体温度对传感器端盖的综合加权评分具有显著影响。保压压力及v/p切换体积的F值均小于F0.05，故保压压力及v/p切换体积对于传感器端盖的综合加权评分的影响不显著。4.4验证分析图8为基于优化工艺组合A2B2C1D4E2，模拟计算得到的结果。从图8a可以看出，所有效应下的最大翘曲变形为0.148 mm，位于侧耳处，小于设计指标要求，比初始工艺降低13.5%。从图8b可以看出，最大缩痕估算为0.016 3 mm，位于端盖顶面边缘，小于设计指标要求，比初始工艺降低47.9%。从图8c可以看出，产品质量为1.205 g，小于设计指标要求，比初始工艺降低8.4%。综合加权评分值为1.042，大于正交试验最大值，满足设计指标要求。综上所述，优化工艺参数组合对最大翘曲变形量、缩痕估算、质量及综合加权评分，均具有较明显的优化效果，且满足设计指标要求。从图8d可以看出，充填等值线较均匀，产品填充过程平稳，无缺胶及明显滞留效应。从图8e可以看出，流动前沿温度范围为295.7~300 ℃，最大温差小于5 ℃，表明填充过程熔体前沿的温度差异较小，产生温差线的可能性较小。从图8f可以看出，熔接线主要集中顶面边缘和侧耳处，外观面无熔接线，外观状态良好。采用该优化工艺参数组合注塑成型该传感器端盖，产品外观状态良好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.019.F008图8优化工艺仿真结果Fig.8Simulation results of optimized parameters图9为得到的加速器传感器端盖样品和装配得到的传感器。从图9可以看出，试模样品外观状态良好，实测产品的翘曲变形、缩痕状态及产品质量均满足要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.019.F009图9实际试模样品Fig.9Mold trial sample5结论基于Moldflow软件对传感器端盖的注塑成型进行模拟，设计正交试验探究注射速度、v/p切换体积、熔体温度、模具温度及保压压力对最大翘曲变形量、缩痕估算及质量的综合加权评分的影响。各工艺参数影响程度排序为：注射速度模具温度熔体温度保压压力v/p切换体积。最优工艺参数为：注射速度45%最大速度，v/p切换体积98.5%，熔体温度295 ℃，模具温度150 ℃，保压压力15 MPa。优化工艺下，最大翘曲变形量为0.148 mm，缩痕估算为0.016 3mm，产品质量为1.205 g，综合加权评分为1.042，满足设计指标。优化工艺下，试模产品填充顺畅、外观状态良好，翘曲变形、缩痕状态及产品质量均满足生产要求。