电连接器是将两个电信号和电流连接的器件，能够在阻断或孤立的电路间通过触点连接，实现电流流通，起电路预定功能的作用，在工业自动化和武器装备中应用广泛。电连接器主要由塑料绝缘体、尾部的线缆保护套和内部的接触体组成。外部的塑料绝缘体一般通过注塑成型加工，主要保证内部的电芯不受损伤，同时具有定位槽和快速插拔装置，能够保证两个对插连接器的正确对接与分离，此外还能够具有一定的电磁屏蔽作用[1-2]。模流分析技术是注塑设计中常用的方法，能够通过仿真及时发现注塑中所存在的问题。正交试验优化方法是一种研究多因素多水平的常用方法，通过测试具有代表性的条件，再利用统计学方法对数据进行整理与优化，能够快速找出适合具体情况的最优组合。本实验以电连接器为实例，基于模流分析技术和正交试验优化方法，对电连接器的工艺参数进行优化，并通过模流分析和实际试模验证优化参数，为其他类似模具的设计优化提供参考。1产品结构分析图1为某型号电连接器的三维模型，其外壳材料为Monsanto Kasei公司的牌号为TFX-710-EB的ABS塑料，连接器外形尺寸为50 mm×41.6 mm×15 mm。连接器的外部存在较多不同类型的孔、槽和防滑纹路，内部装有导向槽、定位孔和插口，此细节特征对成型要求较高。注塑成型时应注意保证各处特征完好，表面光滑无成型缺陷。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.021.F001图1电连接器三维模型Fig.1Three-dimensional model of electrical connector2基于Moldflow的模流分析2.1网格划分本实验的连接器形状较规则，选择双层面网格对塑件进行网格划分[3]。图2为电连接器的网格划分结果，三角形单元一共10 058个，共连接节点数目5 015个，网格单元的表面积一共106.506 cm2，按三角形单元统计的体积为17.32 cm3，纵横比的最大、最小和平均值分别为6.80、3.52和4.98。匹配百分比和相互百分比分别为90.0%和94.2%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.021.F002图2网格划分结果Fig.2Meshing results2.2浇注系统设计根据电连接器的使用特点及外观要求，浇口形式选择潜入式[4]。在Moldflow中分析浇口位置，图3为浇口匹配性分析结果。从图3可以看出，综合考虑塑件的形状大小，最佳浇口位置为黄色圆圈。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.021.F003图3浇口匹配性Fig.3Gate matching为提高浇注的效率，指定主流道的位置为模具中心，设置主流道的参数为：入口直径3 mm，长度40 mm，拔模角3°；流道的直径5 mm，竖直流道的底部直径5 mm，拔模角3°；顶部浇口参数为：初始直径5 mm，末端直径1 mm，长度1.5 mm。图4为设计的浇注系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.021.F004图4浇注系统Fig.4Gating system2.3冷却系统设计冷却系统在一个完整的注塑过程中占据一半时间以上，能够使塑件在成型过程中各处受热均匀，降低由受热不均而造成的翘曲变形。为了使塑件各处均匀受热，设计管道为沿塑件的分型面对称布置[5]。冷却介质选择雷诺数为1 000，初始温度为25 ℃的纯水。冷却水管的直径设定为12 mm，水管与零件的距离为30 mm，管道数量和管道中心的距离分别为2 mm和35 mm，管道在零件外的距离设计为25 mm。图5为最终所得的冷却系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.021.F005图5冷却系统Fig.5Cooling system2.4充填分析充填时间能够反映充填的快慢，从塑件表面能够看出成型中是否出现短射和飞边问题[6]。TFX-710-EB塑料的系统推荐工艺参数为：熔体温度225 ℃，开模时间5 s，冷却介质的入口温度30 ℃，注射+保压+冷却时间30 s，充填压力设置95%。图6为所得的充填分析结果。从图6可以看出，距离浇口位置越近的地方成型时间越短，完成充填的时间为0.242 4 s。塑件表面各处成型完好，未出现因充填不均而造成的短射现象。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.021.F006图6充填时间Fig.6Filling time2.5翘曲变形分析基于推荐工艺参数，图7为连接器的翘曲变形量。从图7可以看出，所有效应下翘曲变形量为0.857 9 mm，由冷却不均效应造成的翘曲变形量为0.136 3 mm，由取向效应造成的翘曲变形量为0.095 mm，由收缩不均效应造成的翘曲变形量为0.759 7 mm。为保证塑件的顺利装配和使用，需要连接器的翘曲变形量不超过(0.6±0.05) mm，因此需要对塑件的翘曲变形量进行优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.021.F007图7翘曲变形分析结果Fig.7Warpage deformation analysis results3优化分析注塑成型的温度、压力和冷却效果对翘曲变形均有影响。温度影响塑料熔体的流动性能，流动性差导致充填不均造成翘曲变形；压力对塑件的收缩造成影响，避免压力过大使表面产生缺陷；冷却不均使塑件各处收缩不匀，从而使塑件产生翘曲变形量。本实验基于正交试验的原理，以电连接器的最大翘曲变形量为优化指标，选择熔体温度(A)、充填压力(B)和冷却介质入口温度(C)等工艺参数作为分析变量，在推荐范围内各均匀选择3个水平，表1为L9(33)正交试验因素水平设计。表2为L9(33)正交试验结果。从表2可以看出，3个因素的极差排序为RARCRB，影响程度排序为：熔体温度冷却介质的入口温度充填压力，即熔体温度对连接器的翘曲变形量影响最大，充填压力对连接器的翘曲变形量影响最小。图8为翘曲变形量与因素水平关系。从图8可以看出，连接器的翘曲变形量随着熔体温度、充填压力的升高而降低，随冷却介质入口温度的升高呈先升高再降低的趋势。最优水平组合为A3B3C3，即熔体温度为245 ℃、充填压力为115%、冷却介质的入口温度为35 ℃。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.021.T001表1L9（33）正交试验因素水平设计Tab.1L9（33） orthogonal test factor level design因素水平123熔体温度（A）/℃205225245充填压力（B）/%7795115冷却介质入口温度（C）/℃25303510.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.021.T002表2L9（33）正交试验结果Tab.2Results of L9（33） orthogonal test试验编号因素翘曲变形量/mmABC空白列111111.0040212220.9422313330.6781421230.8825522310.6423623120.7548731320.6452832130.6642933210.6981K12.6243002.5317002.423000K22.2796002.2487002.522800K32.0075002.1310001.965600k10.8747670.8439000.807667k20.7598670.7495670.840933k30.6691670.7103330.655200R0.2056000.1335670.18573310.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.021.F008图8翘曲变形量与因素水平关系Fig.8Relationship between warpage deformation and factor level考虑极差分析无法估计试验误差，为了提高分析的准确度，排除误差对实验结果的影响，进行方差分析[7-8]。表3为方差分析结果。从表3可以看出，误差的均方值相对各因素的均方值较小，因此具有较高的可信度。熔体温度(A)的F值F0.05，说明熔体温度(A)对连接器翘曲变形量具有显著影响，充填压力(B)和冷却介质的入口温度(C)的F值F0.05，说明充填压力(B)和冷却介质的入口温度(C)对连接器的影响均不显著，通过F值判断各因素对连接器翘曲变形量影响的顺序为ACB，与极差结果基本一致。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.021.T003表3方差分析结果Tab.3ANOVA results离差来源离差平方和（SS）自由度（df）均方值（MS）F值F临界值显著性A0.1274002.0000000.0637020.408075F0.05（2，2）=19.00显著B0.0565562.0000000.028289.059695C0.1176992.0000000.0588518.854164误差0.0062432.0000000.003121图9为在此参数下的翘曲分析结果。从图9可以看出，所有效应造成的翘曲变形为0.645 2 mm，由冷却不均效应造成的翘曲变形为0.128 3 mm，由取向效应造成的翘曲变形为0.090 6 mm，由收缩不均效应造成的翘曲变形为0.300 9 mm，相比初始工艺参数分别降低24.79%、5.87%、4.63%和60.39%，表明连接器翘曲变形量得到明显改善。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.021.F009图9优化后的翘曲变形分析结果Fig.9The optimized warpage deformation analysis results图10为优化后充填分析。从图10可以看出，完成充填的时间为0.240 2 s。塑件成型过程中未出现因充填不均而造成的短射现象，说明优化后的参数效果良好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.021.F010图10优化后的充填分析结果Fig.10Optimized filling analysis results基于优化工艺参数进行验证，图11为电连接器试模样品。从图11可以看出，塑件表面光滑无毛刺，成型效果较好，能够满足实际生产要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.021.F011图11电连接器试模样品Fig.11Trial sample of electrical connector4结论基于某型号电连接器，分析产品的结构特点，利用Moldflow软件建立浇注系统和冷却系统，并对塑件的翘曲变形量和充填情况进行分析。根据模流分析结果，通过正交试验，得出熔体温度对塑件翘曲变形量的影响最显著。最优工艺参数为：熔体温度245 ℃、充填压力115%、冷却介质的入口温度为35 ℃，优化后的工艺参数使塑件的总的翘曲变形量为0.645 2 mm，与初始工艺相比降低24.79%。由冷却不均效应、取向效应和收缩效应造成的翘曲变形量分别为0.128 3、0.090 6和0.300 9 mm，相比优化前降低5.87%、4.63%和60.39%，使连接器的翘曲变形量得到明显改善，为其他类似模具设计优化提供指导。