电源连接器是一种能够使电流流动的装置[1]，较多应用于有限空间，对其尺寸和质量要求较高[2]。该电元件的整体结构基本采用塑料材料注塑成型[3]，以提高产品的制造效率，使产品具有较高的集成度和复杂度，同时减轻产品质量，便于携带和安装[4]。典型的材料为短玻纤增强聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)，此类材料具有较好的力学性能、电化学性能、耐热性能和尺寸精度较稳定，应用较普遍[5]。然而，此类材料在注塑成型过程中的各部分收缩不一致，导致产品发生较大的翘曲变形，使某些形位公差较大，造成产品装配困难、工作稳定性下降[6]。塑料产品设计前期，通常利用仿真模拟技术评估设计的可靠性，包括产品结构、模具设计、材料选型、工艺参数等[7]。此过程中，正交试验设计具有独特的优势，既可以降低试验次数，同时获取数据规律十分便捷[8-9]。典型的应用包括翘曲变形优化、缩痕状态优化、产品质量优化等，其中翘曲变形直接影响产品局部的尺寸和形位公差，如平面度、圆柱度等[10-11]。本实验以某40%短玻纤增强PBT材料的电源连接器为研究对象，对其注塑成型过程进行模拟，通过Roundness宏功能计算得到其前后端的圆柱度。以料筒温度、模腔温度、充填时间和充填压力为研究变量，设计正交试验探究降低其前后端圆柱度的工艺参数优化方案。1方案设计图1为某电源连接器结构图，主要包括针孔插头、保护套、外壳、固定圈等。针孔插头外部的保护套（蓝色区域）对针孔插头具有保护和支撑作用。保护套具有较好的尺寸精度，特别是前端的圆柱度。保护套后端与主体外壳连接，以固定保护套。为了保证保护套正常安装固定，要求保护套后端圆柱度具有较高的精度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.022.F001图1电源连接器总成Fig.1Assembly of power connector图2为该电源连接器的插头保护套结构模型，主要由前后端圆柱体和外部矩形锯齿组成。前后端圆柱体与针孔插头及保护套连接，为了保证正常安装及工作稳定性，保护套的设计指标：前端圆柱面（如左图线框部分）及后端圆柱面（如右图线框部分）的圆柱度均不超过0.3 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.022.F002图2电源连接器插头保护套结构模型Fig.2Power connector plug protective sleeve structure model图3为电源连接器保护套的厚度属性，其厚度范围在0.75~2.5 mm之间。前端圆柱壁厚为2.325 mm，后端圆柱壁厚为1.6 mm，中间连接圆柱面厚度为2.4 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.022.F003图3电源连接器设计及厚度Fig.3Design and thickness of power connector2仿真分析2.1仿真模型基于双层面对该电源连接器保护套进行网格创建，单元基本尺寸设置为2 mm。图4为经过单元质量修复得到的网格模型及网格质量统计结果。单元总数为52 578，单元节点总数为26 289，最大纵横比为7.29，平均纵横比为1.57，最小纵横比为1.16，自由边及多重边的数量为0，匹配百分比为90.6%，相互百分比为92.1%，满足单元质量要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.022.F004图4电源连接器网格模型Fig.4Mesh model of power connector该电源连接器采用40%短玻纤增强PBT材料进行注塑成型，表1为该材料物性表中推荐的注塑成型工艺参数及力学性能参数。推荐初始工艺参数为：料筒温度240 ℃，模腔温度70 ℃，充填压力40 MPa，充填时间0.4 s。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.022.T001表1材料参数Tab.1Material parameters工艺参数数值工艺参数数值顶出温度/℃175固体密度/（g·cm-3）1.54模腔温度范围/℃55~85弹性模量E1/MPa9148.1推荐模腔温度/℃70弹性模量E2/MPa5335.1料筒温度范围/℃235~250泊松比v120.42剪切速率最大值/s-148500泊松比v230.47剪切应力最大值/MPa0.42剪切模量E1/MPa2294.22.2进胶系统设计该电源连接器保护套整体尺寸较小、厚度较厚且材料流动性较好，故采用一模两穴、单点冷流道进胶方案。图5为计算得到产品不同区域作为浇口时流动阻力及匹配性。从图5可以看出，电源连接器保护套中部区域（前、后端圆柱体相连接的圆环）的流动阻力较低且浇口匹配性较好，故此区域为浇口，具体位置如红圈所示。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.022.F005图5电源连接器最佳浇口位置Fig.5Optimal gate location of power connector基于最佳浇口位置，图6为建立的冷流道进胶系统。从图6可以看出，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Φ1.5~Φ2.0 mm，垂直圆形冷流道截面尺寸为Φ2.0~Φ4.0 mm，水平圆形冷流道尺寸为Φ4.0 mm，圆形冷主流道截面尺寸为Φ4.0~Φ2.0 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.022.F006图6电源连接器流道系统Fig.6Runner system of power connector2.3初始分析结果基于40%短玻纤增强PBT推荐的初始工艺参数，进行填充+保压+翘曲模式的模流分析。图7为电源连接器保护套初始翘曲变形量。从图7可以看出，翘曲变形量在0.067 1~0.234 6 mm之间。电源连接器保护套的两侧管口边缘的翘曲变形量较大，中部区域的翘曲变形量较小。最大翘曲变形量在入口管边缘，为0.234 6 mm。利用cylindricity宏功能计算得到前端圆柱度为0.381 7 mm，后端圆柱度为0.336 1 mm，均大于设计指标要求的0.30 mm，不满足设计要求，需要进行工艺参数优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.022.F007图7电源连接器翘曲变形结果Fig.7Warpage deformation of power connector3正交试验设计3.1工艺参数水平选择电源连接器保护套产品实际试模中发现，工艺参数的设置对其翘曲变形量及前后端圆柱度的影响较大，且料筒温度(A)、模腔温度(B)、充填压力(C)及充填时间(D)的影响相对明显。正交试验设计中，以此4个工艺参数为探究变量，在40%短玻纤增强PBT材料的工艺参数推荐范围内各均匀设置4个水平。表2为L16(44)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.022.T002表2L16（44）正交试验因素水平设计Tab.2L16（44） orthogonal test factor level design因素水平1234料筒温度（A）/℃235240245250模腔温度（B）/℃55657585充填压力（C）/MPa35404550充填时间（D）/s0.20.30.40.53.2正交试验结果表3为L16(44)正交试验结果。从表3可以看出，第4组工艺参数组合下电源连接器的前端圆柱度最小，为0.194 mm；第6组工艺参数组合下前端圆柱度最大，为0.396 mm。第10组工艺参数组合下的电源连接器的后端圆柱度最小，为0.175 mm；第6组工艺参数组合下后端圆柱度最大，为0.356 mm。电源连接器的前端及后端圆柱度的最大值比最小值大一倍以上，说明注塑成型工艺参数对电源连接器的前端及后端圆柱度的影响较大。第1、3、4、5、11、12、13、15及16组试验满足设计指标要求，说明正交试验设计合理。对于前端圆柱度极差排序为：RBRARCRD，影响程度排序为：模腔温度料筒温度充填压力充填时间。对于后端圆柱度极差排序为：RD*RB*RA*RC*，影响程度排序为：充填时间模腔温度料筒温度充填压力。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.022.T003表3L16（44）正交试验结果Tab.3Results of L16（44） orthogonal test试验编号因素前端圆柱度/mm后端圆柱度/mmABCD111110.2950.298212220.3250.267313330.2880.188414440.1940.193521230.2360.274622140.3960.356723410.2460.328824320.3120.196931340.3300.2861032430.3830.1751133120.2560.2221234210.2370.2651341420.1990.2531442310.2440.3061543240.2160.2121644130.2980.184k10.27550.26500.31130.2555k20.29750.33700.25350.2730k30.30150.25150.29350.3013k40.23930.26030.25550.2840k1*0.23650.27780.26500.2993k2*0.28850.27600.25450.2345k3*0.23700.23750.24400.2053k4*0.23880.20950.23730.2618R0.06230.08550.05780.0458R*0.05200.06830.02780.0940注：*为目标变量为后端圆柱度的k值和R值。图8为电源连接器的前端圆柱度与因素水平的变化曲线。从图8可以看出，前端圆柱度随料筒温度A的增大，呈现先增大后减小的趋势。当料筒温度为A4，前端圆柱度最小。前端圆柱度随模腔温度B的增大，呈现先增大后减小再增大的趋势。当模腔温度为B3，前端圆柱度最小。前端圆柱度随充填压力C的增大，呈现先减小后增大再减小的趋势。当充填压力为C2，前端圆柱最小。前端圆柱度随充填时间D的增大，呈现先增大后减小的趋势。当充填时间为D1，前端圆柱最小。综合以上分析可以得到，当工艺参数组合为A4B3C2D1，前端圆柱度获得最小值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.022.F008图8前端圆柱度与因素水平曲线Fig.8Cylindricity of front end vs factor level curves图9为电源连接器的后端圆柱度与因素水平的变化曲线。从图9可以看出，后端圆柱度随料筒温度A的增大，呈现先增大后减小再增大的趋势。当料筒温度为A1，后端圆柱度最小。后端圆柱度随模腔温度B的增大，呈现逐渐下降的趋势。当模腔温度为B4，后端圆柱度最小。后端圆柱度随充填压力C的增大，呈现逐渐下降的趋势。当充填压力为C4，后端圆柱度最小。后端圆柱度随充填时间D的增大，呈现先减小后增大的趋势。当充填时间为D3，后端圆柱度最小。综合以上结论可以得到，当工艺参数组合为A1B4C4D3，后端圆柱度获得最小值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.022.F009图9后端圆柱度与因素水平曲线Fig.9Cylindricity of rear end vs factor level curves通过一次重复试验和方差分析，分析误差的相对影响程度及各工艺参数对电源连接器前端和后端圆柱度的影响程度。表4为前端圆柱度的方差分析结果。从表4可以看出，各工艺参数F值排序为：BACD。各工艺参数的影响程度排序为：模腔温度料筒温度充填压力充填时间。模腔温度的F值F0.01，故模腔温度对前端圆柱度具有极显著影响。对于料筒温度及充填压力，F0.05F值F0.01，故料筒温度及充填压力对前端圆柱度的具有显著影响。充填时间的F值F0.05，故充填时间对前端圆柱度影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.022.T004表4前端圆柱度方差分析Tab.4Variance analysis of cylindricity of front end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A0.004930.00163.36B0.009330.00316.43F0.01（3，19）=5.01C0.004730.00163.24F0.05（3，19）=3.13D0.004230.00142.90误差0.0092190.0005总和0.032331表5为后端圆柱度的方差分析结果。从表5可以看出，各工艺参数F值排序为：DBAC。各工艺参数的影响程度排序为：充填时间模腔温度料筒温度充填压力。充填时间的F值F0.01，故充填时间对后端圆柱度具有极显著影响。对于模腔温度，F0.05F值F0.01，故模腔温度对于后端圆柱度具有显著影响。料筒温度和充填压力的F值均F0.05，故料筒温度和充填压力对于后端圆柱度的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.022.T005表5后端圆柱度的方差分析Tab.5Variance analysis of cylindricity of rear end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A0.003930.00132.53B0.006530.00224.18F0.01（3，19）=5.01C0.000930.00030.57F0.05（3，19）=3.13D0.009630.00326.20误差0.0098190.0005总和0.0307314参数优选与验证对于该电源连接器，实际注塑成型过程需要兼顾前端及后端圆柱度，但最优解对应的工艺参数取值不同，需要对各工艺参数对前后端圆柱度的影响程度进行综合分析，得出最优工艺参数组合。料筒温度A对前端圆柱度具有显著影响，而对后端圆柱度的影响不显著，故选择使前端圆柱度最小时的A4。模腔温度B对前端圆柱度具有极显著影响，而对后端圆柱度的影响程度显著，故选择使前端圆柱度最小时的B3。充填压力C对前端圆柱度间具有显著影响，而对后端圆柱度的影响不显著，故选用使前端圆柱度最小时的C2。充填时间D对后端圆柱度具有极显著影响，而对前端圆柱度的影响不显著，故选用使后端圆柱度最小时的D3。综合考虑前端和后端圆柱度，得到优化工艺参数组合为A4B3C2D3，对应的工艺参数为：料筒温度为250 ℃，模腔温度为75 ℃，充填压力为40 MPa，充填时间为0.4 s。基于Moldflow软件对优化工艺组合A4B3C2D3进行可行性验证。图10为所得翘曲变形量。从图10可以看出，优化工艺参数下的电源连接器保护套的翘曲变形趋势与初始工艺一致，最大翘曲变形量在前端圆柱面边缘，为0.113 8 mm，相比初始工艺结果降低51.5%。基于cylindricity宏功能计算得到前端圆柱度为0.207 1 mm，相比初始工艺降低45.7%；后端圆柱度为0.179 6 mm，相比初始工艺降低46.6%。经过工艺参数优化，电源连接器保护套的前端和后端圆柱度均显著降低，且满足设计指标要求，验证工艺参数优化的效果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.022.F010图10优化工艺下电源连接器翘曲变形量Fig.10Warpage deformation of power connector with optimized process图11为Moldflow软件模流分析得到的其他充填结果。从图11可以看出，产品各区域的等值线分布较均匀，无十分密集区域，说明料流充填过程较稳定，无充填不全和明显滞留现象。料流前沿温度范围在249.3~252.6 ℃之间，最大温度差为3.3 ℃，小于5 ℃，温度变化引起温差线、颜色不均的可能性较小。主要外观面上无气穴和熔接线分布，满足外观要求。综合以上分析结果，采用优化工艺进行注塑成型，产品外观满足要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.022.F011图11优化工艺的电源连接器模流分析结果Fig.11Moldflow results of power connector with optimized process采用此优化工艺参数组合进行电源连接器保护套的注塑成型试模，图12为得到的试模样品及装配。从图12可以看出，产品未出现缺胶、温差线、气痕等明显的外观问题，满足外观要求。前端、后端圆柱度测试结果合格，并且可以正常装配，验证该优化工艺可以应用于实际注塑成型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.022.F012图12电源连接器实际试模样品Fig.12Mold trial sample of power connector5结论针对某40%短玻纤增强PBT材料的电源连接器，利用Moldflow对其注塑成型仿真模拟，并采用cylindricity宏功能计算得到其前端和后端圆柱度。正交试验分析得到，各工艺参数对电源连接器前端圆柱度的影响程度排序为：模腔温度料筒温度充填压力充填时间，对后端圆柱度的影响程度排序为：充填时间模腔温度料筒温度充填压力。综合分析最终优化工艺参数组合为A4B3C2D3。优化工艺下前端及后端圆柱度分别为0.207 1 mm、0.179 6 mm，相对初始工艺分别降低45.7%、46.6%，且满足设计指标要求。其他充填过程结果及试模样品实测状态验证优化工艺的合理性。