三相铜牌主要应用于发动机、控制器等方面，可以进行直流电流与三相交流电流的转换[1-2]。随着轻量化的发展，三相铜牌的主体结构采用玻纤增强热塑性材料[3]。玻纤增强聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)材料具有较好的阻燃性、绝缘性、尺寸稳定性及成型性等特点[4]，较多地应用于三相铜牌、控制器等电子电器[5]。玻纤增强PBT材料主要采用注塑方式成型，而成型过程中由于材料结晶和冷却收缩会产生较大翘曲变形[6]。较大的翘曲变形会导致零件形状尺寸精度较差，影响连接、装配和产品使用性能[7]。产品设计前期，借助模流分析技术，对产品结构、模具流道系统和工艺参数进行评估和优化[8]。注塑成型的工艺参数复杂多变，采用正交试验可以有效降低实验的工作量[9]。但正交试验方法只能够得到离散的工艺参数组合，对工艺参数的优化程度有限[10]。基于仿生学的BP神经网络模型[11]可以根据有限的实验数据进行自动训练和学习，具备准确预测实验结果和优化工艺参数的能力。本实验以某40%玻纤增强PBT材料的三相铜牌为研究对象，采用Moldflow注塑成型，通过正交试验获得不同工艺参数组合的铜片嵌入面平面度结果，并以此训练BP神经网络模型，获得优化的工艺参数组合，并通过仿真和试模验证优化效果和可行性。1三相铜牌结构设计图1为某三相铜牌结构。从图1可以看出，三相铜牌主要由塑料本体（绿色部分）、三块铜片（紫色部分）和螺栓安装衬套（红色部分）构成。塑料本体起主要的结构支撑和固定铜片作用。铜片可以传导电信号，铜片与塑料本体需要具备良好的贴合性，以防止铜牌在长期承受振动载荷后产生缝隙甚至发生分离，要求注塑成型的塑料本体的三个位置具备良好的平面度（图1标注）。根据实际生产经验，得到该位置平面度的设计指标要求不大于1.6 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.016.F001图1三相铜牌设计Fig.1Design of three-phase copper connector图2为三相铜牌厚度分布。从图2可以看出，主要平面厚度均为2.0 mm，主要加强筋厚度也为2.0 mm，加强筋厚度与主壁面相同，有利于收缩均匀和减小缩痕。安装孔区域承受较大的载荷，其厚度较大，为3.0 mm和4.0 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.016.F002图2三相铜牌壁厚分布Fig.2Distribution of thickness of the three-phase copper connector2初始模流分析2.1网格模型采用双面网格类型对该三相铜牌进行网格划分。图3为三相铜牌网格模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.016.F003图3三相铜牌网格模型Fig.3Mesh model of three-phase copper connector安装孔附近节点数大于8，保证计算精度。网格模型单元基本尺寸为2.0 mm，单元总数为63 896，最大纵横比为2.7，平均纵横比为1.4，网格匹配率为91.2%，相互匹配率为90.8%，满足双面网格类型的质量要求，模流分析可正常运行。2.2材料工艺参数该三相铜牌采用40%玻纤增强PBT材料注塑成型，该材料推荐的注塑成型的顶出温度为215 ℃，模具温度范围为55~85 ℃，熔体温度范围为255~285 ℃。其固体密度为1.44 g/cm3，熔体密度为1.22 g/cm3，沿玻纤取向方向的弹性模量为8 807 MPa，泊松比为0.42，垂直于玻纤取向方向的弹性模量为5 249 MPa，泊松比为0.46，剪切模量为2 238 MPa。推荐工艺参数为：熔体温度270 ℃，模具温度70 ℃，保压压力80 MPa，保压时间10 s，冷却时间20 s。2.3流道系统设计三相铜牌的整体尺寸为186 mm×82 mm×91 mm，根据材料流动性采用单点进胶。图4为产品不同位置流体阻力及浇口匹配性分布情况。从图4可以看出，三相铜牌转角区域的安装孔附近的流动阻力较小，且浇口匹配性较好，将浇口位置置于该区域（红色圆圈位置）。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.016.F004图4浇口位置分析Fig.4Analysis of location of gate图5为冷流道进胶系统。从图5可以看出，注射点位于产品中心的正上方。流道系统包括圆形冷浇口、圆形垂直冷流道、圆形水平冷流道及圆形冷主流道。对应流道截面尺寸分别为：Ф2~Ф3 mm、Ф3~Ф5 mm、Ф5 mm和Ф5~ Ф2.5 mm。对应的流道系统长度为：10、100、60和15 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.016.F005图5流道进胶系统Fig.5Runner injection system2.4结果分析基于三相铜排的网格模型、材料推荐工艺参数及流道系统进行初始模流分析，图6为三相铜牌的翘曲变形结果。从图6可以看出，所有效应下的最大翘曲变形量为0.992 7 mm，位于三相铜牌的第三个铜片嵌入区域。采用Moldflow计算得到三个嵌入面的平面度分别为1.878、1.923及2.156 mm，均大于设计指标要求(1.6 mm)，需要进行工艺优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.016.F006图6翘曲变形分布Fig.6Distribution of warpage deformation3正交试验分析3.1正交试验设计本实验采用五因素四水平的正交试验。影响注塑成型收缩过程的主要工艺参数为熔体温度(A)、模具温度(B)、保压压力(C)、保压时间(D)及冷却时间(E)，以此五个工艺参数作为自变量，并在材料推荐工艺范围内各选择四个水平，表1为L16(45)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.016.T001表1L16（45）正交试验因素水平设计Tab.1Factor level design of L16（45） orthogonal test因素水平1234熔体温度（A）/℃255265275285模具温度（B）/℃55657585保压压力（C）/MPa60708090保压时间（D）/s8101214冷却时间（E）/s101520253.2正交试验结果表2为L16(45)正交试验结果。从表2可以看出，平面度I、平面度II和平面度III均存在小于指标要求的试验组合，正交试验设计合理。五个因素的极差大小排序为：RCRDRBRERA。对于三相铜牌的平均平面度的影响程度排序为：保压压力保压时间模具温度冷却时间熔体温度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.016.T002表2L16（45）正交试验结果Tab.2Results of L16（45） orthogonal test试验编号因素平面度/mmABCDEIIIIII平均值1111111.9071.9642.0881.9862122222.0812.2892.1332.1683133331.7961.7062.1101.8714144441.5191.5641.6631.5825212341.9331.8952.2142.0146221431.7171.7691.8811.7897234121.6551.7051.8121.7248243211.9161.9742.0981.9969313421.5631.6101.7111.62810324311.4841.5731.5811.54611331241.8861.9432.0661.96512342131.7721.8251.9411.84613414231.6941.7451.8551.76514423141.4361.5451.5071.49615432412.0712.1542.2472.15716441321.8081.8441.9971.883k11.9021.8481.9061.7631.921k21.8811.7502.0461.9741.851k31.7461.9291.7481.8291.818k41.8251.8271.6541.7891.764R0.1560.1800.3920.2110.157为更加直观地观察各个工艺参数水平对三相铜牌平均平面度的影响规律，图7为三相铜牌的平均平面度随不同工艺参数水平变化的曲线。从图7a可以看出，平均平面度随熔体温度A的增大，呈先减小后增大的趋势，当熔体温度为A3，平均平面度最小。从图7b可以看出，平均平面度随模具温度B的增大，呈先减小后增大再减小的趋势，当模具温度为B2，平均平面度最小。图7平均平面度与因素水平关系Fig.7Relationship between average flatness and factor level10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.016.F7a1（a）熔体温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.016.F7a2（b）模具温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.016.F7a3（c）保压压力10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.016.F7a4（d）保压时间10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.016.F7a5（e）冷却时间从图7c可以看出，平均平面度随保压压力C的增大，呈先增大后减小的趋势，当保压压力为C4，平均平面度获得最小值。从图7d可以看出，平均平面度随保压时间D的增大呈现先增大后减小的趋势，当保压时间为D1，平均平面度获得最小值。从图7e可以看出，平均平面度随冷却时间E的增大，逐渐减小，当冷却时间为E4，平均平面度获得最小值。综上所述，最优工艺参数组合为A3B2C4D1E4，对应熔体温度为275 ℃、模具温度为65 ℃、保压压力为90 MPa及保压时间为8 s，冷却时间为25 s。为了确定误差对实验结果的影响，以及各工艺参数对三相铜牌平均平面度量的影响程度，进行一次重复试验和方差分析。表3为平均平面度的方差分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.016.T003表3方差分析Tab.3Variance analysis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A1.28930.4303.176F0.01（3，16）=5.29F0.05（3，16）=3.24B1.63530.5454.027C3.98731.3299.822D2.64830.8836.523E1.44730.4823.565误差2.165160.135总和12.92531从表3可以看出，各工艺参数对三相铜牌的平均平面度的影响程度排序为保压压力保压时间模具温度冷却时间熔体温度，验证极差分析的结果。保压压力和保压时间对三相铜牌的平均平面度具有极显著影响；模具温度和冷却时间对于三相铜牌的平均平面度的影响显著；熔体温度对于三相铜牌的平均平面度的影响不显著。4BP神经网络模型优化分析4.1BP神经网络模型构建图8为BP神经网络模型的典型结构。从图8可以看出，网络模型主要包括接受输入信号的输入层、不直接与输入层和输出层发生联系的隐含层或中间层以及输出信号的输出层。从输入层到隐含层是固定的非线性转换，输入信息被直接映射到新的空间，而隐含层到输出层之间为线性的，输出层在新的线性空间中完成加权组合线性计算，权是可调参数[12]。对于注塑成型过程，输入层需要控制注塑成型过程的工艺参数。本实验主要考虑模具温度、熔体温度、冷却时间、保压压力和保压时间；而输出层需要考虑目标变量，本实验主要考虑平均平面度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.016.F008图8BP神经网络模型Fig.8Model of neural network4.2BP神经网络模型训练BP神经网络模型的基本结构确定后，利用输入及输出数据进行自我训练，以确定输入变量和输出变量之间的映射关系。图9为训练过程的误差曲线。从图9可以看出，经过约8 000次的训练，误差降至2.0%以下，满足工程计算的精度要求，可用于注塑成型过程预测。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.016.F009图9训练误差曲线Fig.9Error curve of training基于正交试验对于三相铜牌注塑成型工艺参数的优化结果，进行L9(34)细化正交试验以及BP神经网络模型预测，表4为各工艺参数组合的三相铜牌的平均平面度结果对比。从表4可以看出，BP神经网络的预测值与模流分析计算值的相对误差在0.32%~2.06%之间，误差较小，验证训练后的BP神经网络模型的精度，可用于三相铜牌的平均平面度的预测。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.016.T004表4BP神经网络测试数据与误差Tab.4Test results and error of BP neural network试验编号因素CAE计算值/mmBP网络预测值/mm相对误差/%B/℃C/MPaD/sE/s160857221.4841.6991.01265958221.5891.6020.82370909221.6551.6610.36460959251.5651.5750.64565907251.3891.6121.66670858251.8651.8710.32760908281.6711.6830.72865859281.9461.5162.06970957281.7281.7541.504.3参数优化与验证以优化工艺的每个参数为中心点，每一个参数按梯度进一步缩小水平区间，缩小水平区间后参数组合运用BP神经网络进行预测，最终优化工艺参数为熔体温度278.6 ℃， 模具温度63.2 ℃，保压压力85.6 MPa，保压时间6.8 s，冷却时间为25.4 s。基于优化工艺参数组合，利用Moldflow注塑成型仿真模拟，对三相铜牌的平均平面度进行计算，图10为所得结果。从图10a可以看出，所有效应下的最大翘曲变形量为0.593 8 mm，相比初始工艺降低40.2%。三个铜片嵌入面的平面度I、II和III分别为1.402、1.488、1.571 mm，相比初始工艺分别降低25.3%、22.6%和27.1%，优化效果明显，且均满足设计指标要求。从图10b可以看出，等值线分布较均匀，优化工艺的填充过程较稳定，不存在缺胶和明显滞留情况。从图10c可以看出，流动前沿温度整体变化范围为278.8~281.3 ℃，温度变化范围较小，产生温差线和潜流效应的可能性较小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.016.F010图10优化工艺的三相铜牌平均平面度Fig.10Average flatness of the optimized parameters of three-phase copper connector采用此优化工艺参数组合进行实际的注塑成型试模，图11为三相铜牌样品图片。从图11可以看出，样品整体外观良好，三个嵌入面的平面度满足要求。塑料本体可以与三块铜片正常装配，嵌入面贴合性较好。样品各方面状态均满足设计要求，验证优化工艺的可用性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.016.F011图11三相铜牌实际试模样品Fig.11Mold trial sample of three-phase copper connector5结论针对某玻纤增强PBT材料的三相铜牌，通过正交试验得到各工艺参数对平均平面度的影响程度。通过BP神经网络，基于正交试验数据自主训练，约8 000次训练误差降到2.0%以下，得到精度较高的预测模型。基于该BP神经网络模型得到的优化工艺参数，利用Moldflow计算得到三个铜片嵌入面的平面度分别为1.402、1.488、1.571 mm，相比初始工艺分别降低25.3%、22.6%和27.1%，优化效果明显，满足设计指标要求。实际试模样品外观良好、平面度测试合格，验证预测模型的可行性。