电机外壳对电机起保护作用，材质包括塑料、碳纤维复合材料等。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)材料具有易加工成型、耐腐蚀性好、抗冲击性好等特点，已经被广泛应用于汽车、电子电器、建材及航空航天等领域[1-3]。电机外壳成型工艺参数与许多因素有关，例如：模具温度、熔体温度、保压压力以及冷却时间等[4-5]。罗明全等[6]研究工艺参数对电机控制器外壳注塑成型翘曲变形的影响。结果发现：熔体温度对翘曲变形影响最大，保压压力对翘曲变形影响最小。钱秋波等[7]研究了冷却不均、收缩不均以及分子取向对电机外壳注塑成型翘曲变形的影响，发现制件收缩不均是导致制件变形的主要因素。黄蓓[8]通过模流分析软件对手动电钻外壳的注塑成型工艺进行优化，有效提升了制件成型质量。丁文敏等[9]研究电器连接器注塑成型，设计了合理的浇注系统以及冷却系统，改善了塑件翘曲变形量。李嘉成等[10]通过响应面结合有限元分析，改善了制件的成型质量。邬斌扬等[11]利用响应面法与模拟退火算法进行自主寻优，有效提高了制件的成型质量。刘之源等[12]对电机端盖进行研究，通过正交试验得到了一组最佳的成型工艺参数组合，提升了制件的成型质量。邓然等[13]通过正交试验对三相电机外壳的工艺参数进行优化，分析了翘曲变形问题，改善了制件成型质量。本实验以电机外壳为研究对象，采用ABS为材料，以模具温度、熔体温度、保压压力以及冷却时间为响应参数，以翘曲变形量为响应目标建立响应面模型，探究最佳的成型工艺参数组合，从而有效改善制件的成型质量。1模拟仿真1.1模型建立本实验通过UG 10.0建立电机外壳模型。电机外壳整体长为145 mm，宽为70 mm。图1为电机外壳的三维模型及尺寸设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.016.F001图1电机外壳的三维模型及尺寸设计Fig.1Three dimensional model and size design of motor shell1.2网格划分本实验主要研究电机上壳，将模型导入模流分析软件中，对其进行网格划分。图2为网格划分。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.016.F002图2网格划分Fig.2Grid division本次网格总数量为80 538，单个网格长度为3 mm。网格最大纵横比为12.00，平均纵横比为2.12，一般最大纵横比小于20，平均纵横比小于3即满足要求[14]，网格匹配率为93%，满足模流分析要求。1.3初步模流分析在实际生产过程中，根据经验可知，模具温度、熔体温度、保压压力以及冷却时间均有一个阈值。当模具温度过高时，可能发生黏模现象，从而导致成型失败；模具温度过低则导致模具填充不足，影响制件成型质量[15]。熔体温度升高有助于制件成型，因为温度越高，熔体的流动性越好，制件成型效果较好，但是熔体温度不能过高，因为一般的注塑材料在一定温度下发生热分解[16]。对于保压压力，压力过高可能导致炸模，压力过低可能导致填充不足[17]。对于冷却时间，冷却时间过短导致制件的体积收缩率增大，从而增大翘曲变形量[18]。本文所用材料为ABS，表1为ABS的工艺参数范围[19]。当模具温度为60 ℃，熔体温度为230 ℃、保压压力为100 MPa，冷却时间为20 s时，进行初始模流分析，图3为分析结果。从图3可以看出，初始工艺条件下，制件最大翘曲变形量为4.118 3 mm，一般的工艺生产条件下需要制件的翘曲变形量小于3 mm，需要对制件的翘曲变形进行优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.016.T001表1ABS的工艺参数范围Tab.1The range of ABS process parameters参数数值模具温度/℃50~70注射压力/MPa70~90保压压力/MPa100~140保压时间/s15~30冷却时间/s15~30熔体温度/℃220~25010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.016.F003图3初始模流分析结果Fig.3Preliminary analysis of simulation diagram2响应面成型工艺参数优化2.1因素水平设计和响应面试验结果以模具温度、熔体温度、保压压力以及冷却时间为响应变量，以制件的翘曲变形量为响应目标建立响应面模型，表2为响应面试验因素水平设计。本文采用CCD响应面模型，一共模拟30组试验，表3为响应面试验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.016.T002表2响应面试验因素水平设计Tab.2Factor level design of response surface test水平因素模具温度（A）/℃熔体温度（B）/℃保压压力（C）/MPa冷却时间（D）/s下限5022010015中间6023011020上限702401202510.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.016.T003表3响应面试验结果Tab.3Result of response surface test试验号因素翘曲变形量R/mmABCD170220100254.114270220100153.329350240120253.162460230100204.598560240110203.355650220120254.365750220100153.342870240100153.434960230110203.4771070220120152.5931150240100152.7551240230110203.4371370220120253.2951460230110204.3411560230110203.4031660220110203.2951770230110203.3281850240120153.4151950220100254.3182060230110254.3352160230110153.4122270240120253.3952370240100254.8212460230110204.3952560230120203.5362650220120153.4122760230110204.3122850240100252.9292960230110204.3163070240120152.7062.2响应面拟合根据响应面结果，可以得到响应面模型的回归方程，回归方程为：R=4.04-0.010A-0.085B-0.20C+0.30D+0.26AB-0.29AC+0.11AD+0.011BC-0.089BD-0.077CD-0.20A2-0.21B2-0.027C2-0.075D2 （1）根据线性回归方程可以判断出各因素交互作用对制件翘曲变形量的影响。一般来说，交互因素的系数越大，表明影响程度越大[20-21]。从式（1）可以看出，AB、AD、BC与制件翘曲变形量呈正相关，AC、BD、CD与制件翘曲变形量呈负相关。根据系数大小可以得出交互作用显著程度为：ACABADBDCDBC。通过回归方程得到各交互因素对制件的影响，并且得到残差以及拟合曲线。图4为残差及拟合曲线。从图4可以看出，残差和拟合图中各散点基本分布在直线的两侧，呈现动态分布[20]。表明该模型效果较好，结果较准确，可以用于预测响应面模型。图4正态分布及拟合曲线Fig.4Normal distribution and fitting curve10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.016.F4a1（a）正态分布10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.016.F4a2（b）拟合曲线2.3方差分析表4为响应面试验方差分析。根据方差分析，可以得到各个因素对翘曲变形的显著性影响大小。从表4可以看出，该响应面模型的P值远小于0.05，表明该模型项显著，失拟项的P值为0.843 7，大于0.05表明其不显著，满足响应面模型的基本要求[22]。其中C、D、AB、AC、A2、B2的P值均小于0.05，表现为显著。根据F值的大小可以得出各因素对制件翘曲变形量的影响程度，F值越大，表明影响程度越大[23]。各因素对制件翘曲变形量的影响大小依次为：冷却时间(D)保压压力(C)熔体温度(B)模具温度(A)。其中相关系数R2为0.915 6，校正系数R2Adj为0.908 3，都大于0.9，表明该模型拟合效果较好，模型信噪比r为8.089，一般模型信噪比大于4，表明模型分辨能力较好，可以用于预测结果[24]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.016.T004表4响应面试验方差分析Tab.4Variance analysis of response surface test因素偏差平方和自由度方差F值P值显著性模型8.300140.5904.1300.0049显著A0.00210.0020.0150.9034B0.17010.1701.2000.2910C0.97010.9706.7500.0201显著D2.20012.20015.3000.0014显著AB1.10011.1007.6900.0142显著AC1.39011.3909.7000.0071显著AD0.18010.1801.2800.2760BC0.00210.0020.0140.9086BD0.13010.1300.8800.3639CD0.09510.0950.6600.4293A21.07011.0707.4900.0153显著B21.24011.2408.6200.0102显著C20.02010.0200.1400.7159D20.16010.1601.0800.3150残差2.150150.140失拟项1.060100.1100.4900.8437不显著纯误差1.09050.220总回归10.45029相关系数R2=0.9156校正系数R2Adj=0.9083模型信噪比r=8.0892.4响应面交互作用分析根据响应面等高线能够直观看到各个因素对制件翘曲变形量的影响，根据图像的陡峭程度判断显著性[25-26]。图5为响应面试验等高线。图5响应面试验等高线Fig.5Contour line of response surface test10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.016.F5a1（a）熔体温度与模具温度交互作用10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.016.F5a2（b）模具温度与保压压力交互作用从图5a可以看出，当熔体温度一定时，随着模具温度的增大，制件的翘曲变形量不断减小；当模具温度一定时，随着熔体温度的增大，制件的翘曲变形量也不断减小。从图5b可以看出，当模具温度与保压压力同时增大，制件的翘曲变形量先增大后减小，并且减小过程图形的陡峭程度不断增大，表明影响效果显著。2.5最优工艺条件确定及模拟验证优化后最佳工艺参数组合为模具温度70 ℃、熔体温度220 ℃、保压压力120 MPa、冷却时间15 s。按照最佳工艺参数组合进行模流分析，图6为优化后制件翘曲变形量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.016.F006图6优化后制件的翘曲变形量Fig.6Warpage deformation diagram of the optimized parts从图6可以看出，优化后制件的最大翘曲变形量为2.386 0 mm，通过响应面预测的结果为2.413 mm，两者之间的相对误差为1.12%，小于3%，结果较为准确。优化后制件的最大翘曲变形量较未优化前降低了1.732 3 mm，整体成型质量提升了42.06%，改善了制件的成型质量。3生产验证根据优化后的工艺参数得到的实际电机制件成品。图7为电机实物。从图7可以看出，制件整体成型效果较好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.016.F007图7电机实物Fig. 7Motor physical4结论（1）通过建立响应面模型，对制件注塑成型的工艺参数进行优化分析，有效改善了制件的成型质量，为外壳类制件提供一定参考。（2）响应面模型方差分析得到4个变量的影响因素大小分别为：冷却时间保压压力熔体温度模具温度。（3）当模具温度为70 ℃，熔体温度为220 ℃，保压压力为120 MPa，冷却时间为15 s时，制件的最大翘曲变形量为2.386 0 mm，与响应面预测结果相比误差为1.12%，结果较为准确。优化后制件的最大翘曲变形量较未优化前降低了1.732 3 mm，试验得到的优化参数改善了制件的成型质量。