由于国内外的电力使用环境不同，采用的电压标准也不同，导致民用电压的差异性，各国的家用电器额定电压不同，国内外常见的电压包括220 V和110 V[1]。随着世界一体化的加速，各国之间的经济交流越来越频繁，交流转换器成为人们出国购物、旅游的必需品，给人们的生活带来便利。电压转换器是一种变压器，利用电磁感应原理改变交流电压，主要由内部的集成电路和外部的塑料壳体构成。外部的壳体能够固定内部的电子元件，避免外界灰尘等异物进入[2-3]。响应面算法是采用二次回归方程拟合各因素与目标响应值之间的关系，通过回归方程分析多变量关系，并能够根据试验数据对目标值进行优化，得到最优解。Design-Expert是进行响应面分析常用的软件，能够方便和直观地显示各因素的变化关系。本实验以某型号电压转换器为实例，基于响应面算法，利用Design-Expert软件，以Moldflow软件为模拟仿真的载体，对影响电压转换器外壳翘曲变形的因素进行分析和优化，得到当前塑件的最优解，并对优化结果进行验证，为其他类似模具的分析与优化提供参考和指导。1零件结构与注塑模拟分析1.1结构材料图1为某型号电压转换器及端盖的三维模型。从图1可以看出，端盖上具有螺钉孔、台阶和旋钮孔等细节，同时为了提高模流分析的准确度，在建模时将端盖的圆角略去[4]。电压转换器端盖的外形结构尺寸为25 mm×80 mm×100 mm，壁厚最大为3 mm，最小为1.5 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.018.F001图1电压转换器及端盖的三维模型Fig.1Three-dimensional model of voltage converter and end cap由于电压转换器内部有电子元器件，在运行时会产生一定的热量，其外壳需要具有一定的耐热能力[5]。此外，因为端盖上需要用螺钉固定，其材料也需具有一定的强度。基于以上分析，选择注塑材料为Daicel Polymer Ltd的牌号为Novalloy S 1220的PC+ABS塑料。此材料具有良好的抗拉、抗压和耐高温性能，表1为该材料推荐工艺参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.018.T001表1推荐工艺参数Tab.1Recommended process parameters参数数值模具表面温度/℃75熔体温度/℃265模具温度/℃50~100顶出温度/℃117最大剪切力/MPa0.4最大剪切速率/s-1400001.2模拟分析1.2.1网格划分图2为网格划分结果。将模型导入Moldflow中，选择双层面网格划分，得到6 296个三角形网格单元，连接节点数目为3 138，纵横比最大为5.79，最小为2.35，平均3.68，匹配百分比97.4%，相互百分比99.7%，适合双层面分析，能够满足模流分析所需条件。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.018.F002图2网格划分结果Fig.2Mesh results1.2.2浇注系统图3为浇注系统建立。浇口位置是建立注塑系统的关键部分，影响注塑质量[6]。从图3a可以看出，蓝色部分表示最佳浇口位置，流动的阻力最小。基于浇口位置建立浇注系统。从图3b可以看出，主流道的入口直径为3 mm，长度为145 mm，拔模角为3°，流道的直径为6 mm，浇口的初始直径为6 mm，末端直径1 mm，长度为1 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.018.F003图3浇注系统建立Fig.3Establishing the gating system1.2.3冷却系统为了保证模具各处受热均匀，设置冷却管道沿电压转换器长度方向对称布置，冷却水管直径为10 mm，与零件的间距25 mm，管道数量为4，管道中心的距离为30 mm。图4为所得的冷却系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.018.F004图4冷却系统Fig.4Cooling system1.2.4注塑分析注塑材料为Novalloy S 1220的PC+ABS塑料，根据Moldflow中系统推荐的初始注塑工艺参数，即熔体温度为265 ℃、充填压力为80%和充填持续时间为10 s，图5为初始注塑分析结果。从图5a可以看出，电压转换器完成充填的时间为1.302 s，四角边缘充填最慢，塑件表面无充填不足、龟裂和缩坑等缺陷。从图5b可以看出，速度/压力切换时的最大压力为42.60 MPa，能够满足注塑所需压力需求。从图5c和图5d可以看出，电压转换器表面成型质量较好，熔接线几乎没有，少量气穴仅在边缘附近。从图5e可以看出，流动前沿最高温度分布在底座表面为266.2 ℃，最低温度分布在边角处为263.2 ℃，温差3 ℃，能够满足温差小于10 ℃，避免因温差过大而导致较大的翘曲变形。从图5f可以看出，所得的翘曲分析结果为1.710 mm。翘曲变形是注塑成型过程中经常出现的缺陷，会影响塑件的外观、尺寸精度和成型质量[7]。由于电压转换器存在外观和装配的需求，塑件的变形应该达到(1.5±0.05) mm，故此翘曲变形较大，需要优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.018.F005图5初始分析结果Fig.5Results of initial analysis2基于响应面法的优化模型建立响应面模型分析法是分析多因素、多水平对目标特征的影响常用的方法[8]。其既能够研究无交互作用的各个因素，又能够研究具有交叉相互作用的各个因素，利用回归方程可以极大地缩小分析时间，具有速度快、周期短和精度高的特点。2.1设计变量和响应指标熔体温度会影响塑料熔体的流动性能，流动性不佳会导致充填不顺利和翘曲变形的产生，充填时的压力和时间会影响塑件的收缩情况，压力过大和时间过长会对塑件表面质量和变形产生影响[9]，因此本实验选取熔体温度(A)、充填压力(B)和充填持续时间(C)作为因素变量，将塑件的最大翘曲变形量(S)作为响应指标值。以系统推荐的初始参数为基准，根据经验选择熔体温度为245~285 ℃，充填压力为64%~96%，充填时间为8~12 s。表2为响应面试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.018.T002表2响应面试验因素水平设计Tab.2Response surface test factor level design水平因素熔体温度（A）/℃充填压力（B）/%充填持续时间（C）/s-124564802658010128596122.2建立响应面方案按照BBD试验方法进行参数编码，将参数方案输入Design Expert软件中并进行试验模拟，表3为BBD试验方案和响应结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.018.T003表3BBD试验结果Tab.3BBD test results方案编号因素翘曲变形量（S）/mmABC11011.7792-1011.67830001.70840-1-11.81851101.709610-11.78071-101.85880111.607901-11.607100001.710110001.707120001.71013-1-101.81914-10-11.678150-111.818160001.71517-1101.5453试验结果分析3.1回归方程拟合在进行响应面分析与优化时，常用Design-Expert来建立分析模型[10]。在Design Expert中建立基于多元二次回归方程的代理模型，采用二阶方程拟合最大翘曲变形量(S)，与熔体温度(A)，充填压力(B)和充填持续时间(C)的回归模型。将表3中的试验结果输入Design Expert中开展回归计算，得到的响应面模型方程为：S=1.71+0.050 8A-0.105 6B-0.000 1C+0.031 2AB-0.000 3AC+0.019 5A2+0.003 2 B2-0.000 7C2 （1）Design-Expert能够通过回归方程预测最大翘曲变形量的响应值，图6为电压转换器预测值和实际模拟值的对比图。从图6可以看出，预测值和实际模拟值基本重合，说明得到的响应面模型能够达到较高的准确度，能够准确预测电压转换器的翘曲变形量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.018.F006图6预测值与实际值对比Fig.6Comparison of predicted value and actual value3.2方差与响应面分析为了验证二阶响应面模型是否能够正确反映各个变化因素与目标值的关系，需要进行方差分析[11]。表4为方差分析结果。从表4可以看出，A、B、AB、A2和B2为显著项，其他为非显著项。塑件翘曲变形量的F值为2 347.44，P值小于0.000 1，并且失拟项的P值为0.998 7，说明建立的响应面模型是显著的和可靠的，能够较真实地表示最佳工艺参数与塑件翘曲变形量的关系。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.018.T004表4方差分析结果Tab.4ANOVA results类型偏差平方和自由度均方值F值P值显著性模型0.115490.01282347.440.0001显著A-A0.020610.02063770.760.0001显著B-B0.089310.089316333.910.0001显著C-C1.25×10-711.25×10-70.02290.9381AB0.003910.0039714.870.0001显著AC2.5×10-712.5×10-70.04580.8367BC0.000010.00000.00001.0000A²0.001610.00162930.0001显著B²0.000010.00008.140.0246显著C²2.368×10-612.368×10-60.43440.5314残差0.000175.46×10-6失拟项2.5×10-738.3×10-80.00880.9987不显著纯误差0.000149.5×10-6总和0.115516为了直观显示各因素之间的相互作用情况，图7为在Design Expert中作出3个因素交互作用的3D响应面图[12]。图7响应面3D图Fig.73D diagrams of response surface10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.018.F7a1（a）熔体温度(A)和充填压力(B)的交互作用10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.018.F7a2（b）熔体温度(A)和充填持续时间(C)的交互作用10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.018.F7a3（c）充填压力(B)和充填持续时间(C)的交互作用从图7a可以看出，当熔体温度较小和充填压力较大，塑件的最大翘曲变形量较小。从图7b可以看出，塑件的最大翘曲变形量随着熔体温度的增大而增大，充填持续时间对塑件的最大翘曲变形量基本无影响。从图7c可以看出，塑件的最大翘曲变形量随着充填压力的增大而减小，充填持续时间对塑件的最大翘曲变形量基本无影响。因此，可以采取降低熔体温度和增大充填压力的方式降低塑件的最大翘曲变形量。4试验结果验证在建立的响应面模型中以塑件的翘曲变形量达到(1.5±0.05) mm为目标，设定各个因素变量的取值范围，利用响应面模型进行优化[13]。为了验证响应面模型优化的可靠程度，在Moldflow中进行模拟验证。表5为响应预测值结果与Moldflow的验证结果，图8为优化后模流分析验证结果。从表5可以看出，在熔体温度为245 ℃，充填压力为96%，充填持续时间为9.64 s时塑件的翘曲变形量最小，并且响应面优化的最小值为1.527 mm，在Moldflow中进行模流分析验证的翘曲变形量为1.545 mm，仅相差1.17%，说明响应面优化模型具有较高的准确率和可靠性，可用于实际分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.018.T005表5响应预测值及验证值对比Tab.5Comparison of predicted and verified response values类型熔体温度（A）/℃充填压力（B）/%充填持续时间（C）/s翘曲变形量（S）/mm优化预测值245969.641.527模流分析验证值245969.641.545初始工艺参数值26580101.71010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.018.F008图8优化后的翘曲变形量Fig.8Warpage deformation after optimization优化后的工艺参数（熔体温度245℃，充填压力96%，充填持续时间9.64 s）与系统推荐的初始工艺参数（即熔体温度265℃，充填压力80%，充填持续时间为10 s）相比，翘曲变形量降低9.6%，降低电压转换器外壳的翘曲变形量，改善成型的质量。将上述优化的工艺参数进行试模验证，图9为得到的试模样品。从图9可以看出，电压转换器试模样品外观较为光滑，质量较高，达到注塑要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.018.F009图9试样产品Fig. 9Sample products5结论本实验以某型号电压转换器为实例，对零件的结构、材料进行分析，以塑件的翘曲变形量为目标，设计响应面试验，构建响应面模型，并进行方差分析和响应面优化。优化后的工艺参数为：熔体温度245 ℃，充填压力96%，充填持续时间为9.64 s。优化结果表明：优化后塑件的翘曲变形量为1.545 mm，相比优化前降低9.6%，达到目标要求。并且优化模型的误差率仅为1.17%，说明响应面优化模型具有较高的准确率和可靠性。试模验证结果表明，优化后的工艺参数使试模样品外观较为光滑，质量较高，达到注塑要求。