随着塑料行业的迅速发展，人们对塑料制件的质量要求也越来越高。电子仪表作为一种精密仪器，其成型质量的好坏直接影响测量的精度，因此电子仪表的成型质量受到研究者的广泛关注。近几年，国内很多学者对电子仪表注塑成型工艺进行相应的研究。金敦水等[1]通过UG设计一套组合型注塑模具，提升了模具的设计效率和精度。赵安民[2]通过对录音机外壳进行模流分析，利用三因素三水平试验得出一组最佳的成型工艺参数。吴俊超[3]研究了大型汽车仪表板成型过程中的翘曲变形量，建立正交试验对其成型工艺参数进行优化。丁华锋等[4]通过正交试验，利用Moldflow对车灯后盖进行研究，得到了一组制件翘曲变形量最小的工艺参数组合。对于注塑制品其脱模过程也引起了一些学者的关注。罗光汉等[5]根据仪表前盖的几何结构特点，对仪表模具的前盖进行设计。费晓瑜等[6]设计出一套侧抽芯模具，解决了薄壁制件在顶出过程中容易出现顶痕以及变形等问题，为后续薄壁制件的脱模提供了指导。温煌英等[7]对汽车后大灯进行模具设计，解决了推杆和侧向滑块相碰撞的问题。洪耿松等[8]通过一次注塑，二次包胶的注塑成型工艺解决了普通模具难以成型的问题。本实验针对电子仪表，采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)作为成型材料，研究直通式水路以及循环式水路对制件翘曲变形的影响，通过建立响应面模型，以模具温度、熔体温度、保压压力以及冷却时间作为响应参数，以制件的翘曲变形量作为响应目标，得到最佳的成型工艺参数组合。通过模具设计减小翘曲变形，由于制件表面凹凸不平，与脱模方向不一致，采用侧抽芯结构进行脱模设计。1仿真部分1.1制件建模在塑料注塑成型过程中，遵循流体一般规律。图1为电子仪表外壳模型图。从图1可以看出，其中最大长度为121 mm，最大宽度为72 mm。所用材料为ABS，ABS材料冲击强度较好、耐磨性能优良、尺寸稳定。ABS材料是目前汽车、电子电器、建材及DIY制作应用广泛的材料[9]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.019.F001图1电子仪表外壳模型图Fig.1Model diagram of the electronic instrument shell1.2网格划分将UG 10.0建立的电子仪表外壳模型导入模流分析软件中，对其进行网格划分，本次网格总数量为24 809，单个网格长度为2 mm。网格最大纵横比为10.00，平均纵横比为1.81，一般最大纵横比小于20，平均纵横比小于3即满足要求，网格匹配率为95%，大于90%，满足要求。图2为网格划分。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.019.F002图2网格划分Fig.2Grid division1.3水路分析不同的水路分布方式对塑料制件的翘曲变形影响不同，一般分为直通式和循环式，针对不同的制件采用不同的水路方式。通过Moldflow软件对电子仪表制件进行初步模拟分析，在模具表面温度为40 ℃，熔体温度为240 ℃，保压压力为120 MPa，冷却时间为20 s时，分别对其直通式和循环式水路进行分析。图3为直通式水路和循环式水路下翘曲变形量。从图3a可以看出，直通式水路制件的翘曲变形量为0.567 3 mm。从图3b可以看出，循环式水路的制件翘曲变形量为0.470 0 mm。直通式水路制件翘曲变形量比循环式水路翘曲变形量大0.097 3 mm，因此对于电子仪表外壳，采用循环式水路效果更好。图3直通式水路和循环式水路下翘曲变形量Fig.3Warpage deformation of straight waterway and circulating waterway10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.019.F3a1(a)直通式水路10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.019.F3a2(b)循环式水路2响应面成型工艺参数优化2.1响应面试验设计及结果响应曲面法(RSM)是一种综合了优化设计和统计分析的用于优化过程的数学方法[10]。采用BBD响应面设计，以模具表面温度(A)、熔体温度(B)，保压压力(C)以及冷却时间(D)为响应参数，以制件的翘曲变形量为响应目标，建立四因素三水平的响应面模型。一般对于注塑壳体在实际应用中其翘曲变形量要小于0.3 mm，但是通过初步模拟可以看出，制件的整体翘曲变形量大于0.3 mm，需要对其相应工艺参数进行优化，使其翘曲变形量能够达到实际生产要求。表1为响应面试验设计因素与水平。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.019.T001表1响应面试验设计因素与水平Tab.1Factors and levels of response surface test design水平因素模具表面温度（A）/℃熔体温度（B）/℃保压压力（C）/MPa冷却时间（D）/s-130230110150402401202015025013025表2为响应面试验结果。根据表2所得试验结果，通过Design Expert软件建立线性回归方程，将模具表面温度(A)、熔体温度(B)、保压压力(C)以及冷却时间(D)与响应目标翘曲变形量W建立相应的线性回归方程，根据所得的线性方程对响应面模型进行拟合，图4为拟合曲线及残差正态分布。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.019.T002表2响应面试验结果Tab.2Response surface test results试验号因素翘曲变形量W/mmABCD100000.374420-10-10.501330-1-100.380240-1010.3432511000.59116-10-100.3466700000.39288-1-1000.3989901100.6145101-1000.50291100110.489712-10100.369213-100-10.36461401010.41291500-110.67651610010.69321700000.34091800-1-10.401219001-10.554820100-10.4521210-1100.658922-11000.30122310-100.55242410100.763125010-10.39052600000.434327-10010.40552801-100.53892900000.338910.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.019.F004图4拟合曲线及残差正态分布Fig.4Fitting curve and residual normal distributionW=0.38+0.11A-0.005B+0.046C+0.03D+0.046AB+0.047AC+0.05AD-0.051BC+0.045BD-0.085CD+ （1）0.042A2+0.029B2+0.12C2+0.035D2从式（1）可以看出：BC、CD交互作用制件翘曲变形量呈现负相关，其余交互作用均呈现正相关。一般根据交互作用系数大小可以判断影响大小。交互作用影响大小为：CDBCADACABBD。从图4可以看出，所有的散点基本分布在直线的两边，呈现动态分布，表明本次响应面模型拟合效果较好，结果较准确，可以用于响应面预测。2.2方差分析表3为回归模型方差分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.019.T003表3回归模型方差分析Tab.3Regression model analysis of variance方差来源偏差平方和自由度方差F值P值显著性模型0.3600140.02604.900.0027显著A0.160010.160029.720.0001显著B0.000310.00030.0640.8034C0.026010.02604.880.0444显著D0.011010.01102.020.1775AB0.009010.00901.640.2205AC0.009010.00901.680.2154AD0.010010.01001.910.1889BC0.028010.02804.920.0430显著BD0.008010.00801.550.2335CD0.029010.02905.510.0341显著A20.011010.01102.160.1637B20.005010.00501.010.3329C20.090010.090017.040.0010显著D20.007010.00701.510.2401残差0.0740140.0740失拟项0.0670100.00604.280.0870不显著纯误差0.006040.0020总回归0.430028R2=0.9217RAdj2=0.9145模型信噪比r=8.661从表3可以看出，模型的F值为4.90，P值小于0.05，说明制件翘曲变形量和各自变量之间所建立的回归方程高度显著，本次模拟中，模型项显著，失拟项不显著，表明该模型可以用于分析，这也是响应面模型的前提条件。其中BC、CD的P值都小于0.05，表明这几项交互作用影响显著，其他项大于0.05表明影响不显著。通过比较F值的大小确定各因素对制件翘曲变形量的影响，F值越大，表明影响也越显著。对制件翘曲变形量影响依次为：模具表面温度A保压压力C冷却时间D熔体温度B。通过计算得到相关系数R2为0.9217，大于0.9，表明该模型拟合效果较好，模型信噪比r为8.661，一般模型信噪比大于4，表明模型分辨能力较好，可以用于结果预测。2.3交互作用分析图5为交互作用等高线图。从图5a可以看出，当熔体温度一定时，随着保压压力的不断增大，制件的翘曲变形量先减小后增大；当保压压力一定时，随着熔体温度的不断增大，制件的翘曲变形量变化不大，表明熔体温度影响作用小于保压压力，但是整个图形倾斜程度较大，由此可以得出熔体温度与保压压力的交互作用较明显，与表3所示结果一致。图5交互作用等高线图Fig.5Interaction contour plot10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.019.F5a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.019.F5a2从图5b可以看出，当保压压力一定时，随着冷却时间的不断增大，制件的翘曲变形量不断增大；当冷却时间一定时，随着保压压力的不断增大，制件的翘曲变形量不断增大，整个图形倾斜程度相对较大，交互作用对制件的翘曲变形量影响也显著。2.4优化模拟验证根据获得的响应面结果，对其进行优化分析，表4为优化参数水平。表5为优化后最佳参数组合。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.019.T004表4优化参数水平表Tab.4Optimize parameter level table项目目标下限上限下权重上权重重要性因素A/℃范围内3050113B/℃范围内230250113C/MPa范围内110130113D/s范围内1525113目标变量翘曲变形量最小0.29840.763111310.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.019.T005表 5参数优化后的实验结果Tab.5Experimental results after parameter optimization参数优化后数值A/℃30.2970B/℃246.1680C/MPa121.1910D/s19.9620R10.2984期望值1.0000对优化后的工艺参数进行模流分析查看翘曲变形量，模拟的翘曲变形量与优化后的翘曲变形量误差不能超过3%，图6为具体的模拟结果。从图6可以看出，优化后的制件模拟结果翘曲变形量最大为0.293 1 mm，预测值为0.298 4 mm整体误差为1.78%，小于3%。由于考虑实际情况变量只能取整，因此当模具表面温度为30 ℃，熔体温度为246 ℃，保压压力为121 MPa，冷却时间为20 s时制件的翘曲变形量最小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.019.F006图6优化后制件翘曲变形量Fig.6Warpage deformation of the optimized parts3模具设计通过对成型工艺参数优化，能够有效的降低制件的翘曲变形量，但是通过工艺参数的优化对制件翘曲变形量的优化是有限的，还需要通过对模具进行设计，从而进一步降低制件的翘曲变形量。因为塑料制件存在一定的收缩率，当制件的收缩率较大时，在进行脱模时就有可能会导致制件脱模困难，从而降低制件的成型质量。一般的模具设计包括浇注系统、导出机构、顶出机构，有些制件表面存在凹凸形状，从而导致其与脱模方向不一致，需要一些辅助装置，比如通过安装滑块侧抽芯实现制件脱模等[11]。对于注塑件，其浇口方式很多，常见的是点浇口、侧浇口等。由于电子仪表制件比较简单，本实验采用一模两腔的成型方式，直接采用点浇口方式，将浇口设计在制件的中间，可以有效减小流动的距离，从而减小填充阻力，图7为浇口位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.019.F007图7浇口位置Fig.7Gate location制件的型腔及型芯直接采用嵌入式的方式，型芯型腔即模具的凸模和凹模，图8为型芯和型腔设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.019.F008图8型芯和型腔设计Fig.8Type core and type cavity design导向机构由导柱、导套以及定位锥面组成，顶出机构由推杆结合滑块实现，由于制件表面存在凹凸，与模具开模方向不一致，因此采用侧抽芯结构实现脱模，图9为模具整体结构。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.019.F009图9模具整体结构Fig.9The overall structure of the mold4结论（1）通过设计响应面模型，可以获得一组较佳的成型工艺参数组合，该参数组合下所得到的制件翘曲变形量最小，因此可以通过响应面方法来对塑料制件成型工艺参数进行优化。（2）通过Moldflow模流分析软件，可以对塑料制件的翘曲变形量做出模拟分析，从而能够针对引起翘曲变形的因素进行调整。（3）最佳的成型工艺参数组合为模具表面温度为30 ℃，熔体温度为246 ℃，保压压力为121 MPa，冷却时间为20 s，模拟结果翘曲变形量最大为0.293 1 mm，预测值为0.298 4 mm，整体误差为1.78%，小于3%，制件的整体翘曲变形量得到一定的改善。