基于Moldflow的机箱下盖注射模优化设计

龙家钊， 郭雪媚， 李 嫣

（1.中山市技师学院， 广东 中山 528400；2.森柏网络科技有限公司， 广东 中山 528400）

0 引 言

在国家产业政策的支持和引导下，注射模行业得到迅速发展，大型、精密、气体辅助、耐用模具产业的比重越来越大。成型的制品结构越来越多样，工艺越来越复杂，仅靠工程师的设计经验设计模具已无法满足要求，模流分析技术已成为辅助注射模设计的利器。借助模流分析技术，能预测成型过程中可能出现的各类缺陷，有针对性地优化模具设计，减少模具设计变更，缩短制品研发周期，提高企业工作效率。

1 制品结构分析

机箱下盖结构如图1 所示，外形尺寸为159.05 mm×152.9 mm×36.94 mm，平均壁厚为2.5 mm，外形尺寸不大，但结构复杂。制品正面有较多的通风孔，孔径仅有φ1.5 mm，制品4个角有螺钉沉头孔，同时还有贴防滑橡胶的方形沉孔、贴制品标签的区域。制品背面有钣金件安装孔和定位柱以及一系列的加强筋，2 个侧面分别有安装触控按钮和缆线的通孔，需要设计抽芯结构。该制品是外观件，表面不能有浇口痕迹，导致其模具结构复杂、制造难度大、成本高。

2 模型网格划分

应用Moldflow 进行模型分析前，必须创建网格模型，基于机箱下盖结构，采用双层面网格类型。在网格划分时，网格的密度、网格单元的纵横比都会影响分析结果。对于双层面网格，必须考虑网格的匹配率，双层面网格模型的网格匹配率至少要到85%才可以进行流动+保压分析，对于翘曲分析，其匹配率要求更高。

建立新工程，导入stp 格式的机箱下盖模型，创建双层面网格，勾选匹配网格和计算双层面网格的厚度等选项，设定曲面上的全局边长为1.95 mm，划分网格后三角形数量为64 354 个，已连接的节点为31 875 个，共用边96 531 个，只有1 个连通区域，多重边、自由边、配向不正确的单元、不可见三角形、完全重叠单元和相交单元都为0，匹配率百分比达到93.4%，网格划分符合仿真要求，如图2所示。

图2 网格划分

3 浇口位置及数量分析

浇口是流道与待成型塑件的连接部分，使分流道的熔体在进入型腔时产生加速度，快速充满型腔，保压结束后及时封闭型腔，防止熔体倒流而形成缩孔。浇口设置应便于塑件和浇口凝料的分离，浇口的位置、形状和尺寸影响熔体的流动状态、充模情况、熔接痕的位置、最后填充位置以及翘曲变形等。

借助AMI 的分析能力，综合考虑流动阻力和流动平衡，分析1、2、3、4点浇口的最佳进浇位置，如图3 中箭头所指位置即为最佳进浇位置。合理地设计浇注系统和浇口位置可避免一些潜在问题的发生，减少试模次数，缩短制品的开发周期，降低开发成本，提高企业的市场竞争力。

图3 浇口位置分析

不同浇口数量的关键参数对比如表1 的所示，随着浇口数量的增加，填充时间越来越短，V/P切换压力和最大锁模力均越来越小，4 点浇口填充时间仅为1.254 s，V/P切换压力为11.96 MPa，最大锁模力为492 kN。此外，多点进料的流动前沿温度差在可接受范围，体积剪切速率小于ABS 材料允许极限为50 000 s-1。结合制品结构特点和模具结构要求，确定模具采用4点浇口方案。软件分析的浇口位置帮助用户找到理想情况下的最佳浇口位置，实际上其中2 个浇口位于侧抽芯位置，从模具结构考虑不合理，需进行适当优化，优化后的浇口位置如图4所示。从初步优化结果看，熔接痕避开了强度较弱的孔穴位置，保证了制品的强度，如图4（b）所示。

表1 不同浇口数量的关键参数对比

图4 优化后的浇口位置

制品的结构及品质要求决定了模具只能选用三板模点浇口或热流道的形式。点浇口的流道长，浇注系统凝料多，但结构相对简单，技术成熟，成本低；热流道模具结构复杂，模架成本高，且热流道价格昂贵，故障率高，维护成本高。因制品尺寸不大，普通流道足以填充，故选择点浇口形式。

4 成型工艺优化

翘曲变形是注射成型常见的缺陷之一，且难以解决。制品的结构形状以及壁厚变化、所选用的树脂材料不能随意变更，因此改善制品的翘曲情况只能通过优化工艺条件和修改模具结构解决。在注射成型过程中，工艺条件的选择和控制是保证制品成型顺利和质量的关键因素之一。在成型过程中最重要的工艺条件是影响熔体流动和冷却的压力、温度和相应的各作用时间，即成型工艺的三要素。

正交试验法是用“正交表”分析多因素试验的一种数理统计方法，优点是试验次数少、效果好、方法简单、使用方便且效率高。将熔体温度A、模具温度B、保压压力C、保压时间D、冷却时间E作为正交试验的影响因素，根据正交试验表L16（45）的因素水平数，取210、220、230、240 ℃作为熔体温度的优选范围，取40、50、60、70 ℃作为模具温度的优选范围，取60%、70%、80%、90%作为保压压力的优选范围，取4、8、12、16 s 作为保压时间的优选范围，取10、15、20、25 s 作为冷却时间的优选范围，最终的优化数据如表2所示。

表2 正交试验数据及计算结果

根据Moldflow 分析的翘曲变形结果，对正交表的16组数据进行数理统计分析，计算各因素在每个水平上的Ki值，极差R越大，表明所对应的因素越重要。优选方案根据试验范围各因素较优的水平组合制定，若指标越大越好，应选取使指标大的水平，若指标越小越好，应选取使指标小的水平。

极差计算：

从表2 试验结果的极差可知，保压压力C对翘曲变形影响最大，其次是模具温度B和保压时间D，熔体温度A和冷却时间E对翘曲变形的影响最小。机箱下盖翘曲变形越小越好，结合各因素各水平的Ki值，最优方案是A1B1C4D3E1，即在机箱下盖的成型过程中，其熔体温度和模具温度在保证能顺利填充的情况下，应选用偏低的温度，这样既可降低翘曲变形，又可节约能源，但要确保熔接痕处的强度符合要求，若对制品表面光泽要求较高，可适当提高温度；保压压力应选用较大数值，在4 组水平中，90%压力翘曲变形最小；保压时间过短和过长都不合适，理想的保压时间在12 s左右；冷却时间的长短对翘曲变形的影响较小，为缩短成型周期，降低生产成本，应选用较短的冷却时间。

5 模具设计

5.1 分型面设计

分型面设计首先要考虑成型制品品质和脱模要求，其次要考虑模具制造的工艺性和成型要求。机箱下盖的主分型面设计成一个平面，其位置处于制品最大轮廓的R角切线处，这样设计既不会影响制品的外观，又便于模具的制造和装配。侧抽芯位置设计成台阶分型面，该位置的型芯和型腔板会有摩擦，同时高度比较高，因此设计了2°倾斜，避免合模时拉伤，保证模具开合模动作可靠，延长模具使用寿命，如图5所示。

图5 分型面设计

5.2 型腔布局

模具的型腔数量不仅会影响模具制造成本，同时还会影响制品生产成本，因此合理设计模具型腔数量至关重要。一般要从注射成本和模具设计制造难易程度方面考虑。随着型腔的增加，不同型腔成型的制品尺寸、质量、外观等会产生差异。

机箱下盖需要在150 T 的注塑机上量产，总产量12 万件，月产量8 000 件。150 T 注塑机成型加工费用约50元/h，成型周期约30 s，模具每增加一个型腔所需的费用大约是4万元，按式（2）计算可得模具采用1模1腔结构。

其中，n为型腔数量，个；N为总产量，件；y为每小时注射成型加工费用，元/h；t为成型周期，min；C1为每个型腔所需的模具费用，元。

综合考虑机箱下盖的尺寸精度和制品外观以及1 模1 腔布局，宜采用双分型面模具结构（三板模），并采用点浇口，此类浇口在制品表面残留痕迹小，浇口凝料能自动切除，且浇口位置可以按照模流分析的最佳位置结合模具结构灵活布置，模具结构如图6所示。

图6 模具结构

5.3 抽芯结构设计

使用UG 软件分析菜单下的测量工具，测量机箱下盖侧面最大的抽芯距离为29 mm。在侧向分型与抽芯机构中，斜导柱设在定模，滑块设在动模的形式应用广泛。这种抽芯机构的结构简单，通过注塑机的开合模动作，在斜导柱拨动下实现滑块的开合。斜导柱的倾斜角α≤25°，倾斜角越大，斜导柱受力越大，倾斜角越小，斜导柱越长，易导致斜导柱刚性不足，因此斜导柱的倾斜角要合适。综合以上因素，确定斜导柱倾斜角α为20°，如图7所示。

图7 抽芯距离

其中，L4为斜导柱的有效长度，mm；S抽为抽芯距离，mm；F为斜导柱所受的弯曲力，MPa；[σ]为许可弯曲应力，MPa。

结合模具的结构和抽芯的尺寸进行计算，斜导柱所受的弯曲力F大约为1 155 N，L4为95 mm，碳钢的许可弯曲应力[σ]为137.2 MPa，最后计算可得斜导柱的直径大约是φ20 mm，如图8所示。

图8 抽芯机构

5.4 镶件设计

图9 所示为Moldflow 填充分析的气穴和熔接痕结果，气穴主要分布在机箱下盖的加强筋末端和下盖的四周边缘，熔接痕主要分布在各孔穴的边缘和4 个浇口所注射的熔体交汇处，浇口的熔接痕成因是料流前端温度过低。

图9 填充分析

对于机箱下盖四周边缘的气穴，可以在分型面增加排气槽，并调整注射速度解决；熔接痕可通过调整模具温度和熔体温度来优化。而对于加强筋末端气穴和孔穴边缘的熔接痕，应设计相应的排气镶件，如图10所示。这些镶件与型芯之间存在小于0.03 mm 的间隙，利于型腔内气体的排出，同时也便于模具的制造与维护。

图10 镶件设计

5.5 模具结构及工作过程

模具的模架采用直身式点浇口系统，浇口套与定位圈设计成整体式，如图11 所示，可有效缩短主流道的长度，减少注射压力损失，节约流道凝料。型芯和型腔板采用镶嵌结构，以斜压板加以固定，既方便了安装和拆卸，又能保证其装配基准一致。推出系统设置了推板导柱，保证其动作顺畅可靠。模具采用圆推杆，对小于φ3 mm 的推杆，采用阶梯圆推杆，既节约标准件的成本，又降低推杆孔的加工难度。冷却系统采用多组并联的形式，以模温机控制冷却介质的温度，保证模具温度的稳定平衡。

图11 模具二维结构

制品冷却定型后，注塑机将模具打开，动模侧随着注塑机模板运动，定模板受拉模扣的摩擦力与动模板柔性连接，随动模侧一起运动，此时定模板与流道板打开，浇口凝料自动切除；动模侧继续打开，在拉板的作用下流道板被打开，主流道凝料和分流道凝料脱出；最后定模板被拉板拉住不再运动，定模板和动模板间的主分型面打开，滑块在斜导柱的作用下同步打开，完成开模过程；制品在脱模机构作用下，完成脱模动作；模具再次合模，完成一个工作循环。

6 结束语

经Moldflow 分析并优化了模具点浇口，注射压力适中，避免了压力过大而导致制品产生飞边以及内应力过大而导致其变形。浇口尺寸合理，保压时浇口补缩效果良好，保压结束后浇口及时冷凝，避免了料流倒流。采用正交试验法优化了成型工艺，熔体温度、模具温度、保压压力、保压时间和冷却时间等参数的组合更加合理，成型制品尺寸稳定，翘曲变形较小。模具采用1 模1 腔的双分型面结构，对Moldflow 分析结果中有气穴和熔接痕的位置设计了排气镶件，加强了排气效果，可以用更快的注射速度填充；此外提升了料筒温度和模具温度，提升了注射时前端料流的温度，改善了熔接痕。以滑块设计在动模侧的斜导柱抽芯结构，既兼顾了模具的制造成本，又保证了制品的成型品质。经实际生产验证，模具结构合理，动作可靠，成型的制品尺寸合格且性能良好。