模流分析技術在轉向助力泵油杯注塑模設計中的應用

匡唐清，周慧蘭，鄧普梁

（1.華東交通大學載運工具與裝備省部共建教育部重點實驗室，江西 南 昌330013；2.東莞市新動力能源有限公司，廣東 東 莞523000）

模流分析技術在轉向助力泵油杯注塑模設計中的應用

匡唐清1，周慧蘭1，鄧普梁2

（1.華東交通大學載運工具與裝備省部共建教育部重點實驗室，江西 南 昌330013；2.東莞市新動力能源有限公司，廣東 東 莞523000）

借助模流分析技術，在轉向助力泵油杯的注塑模設計中進行了澆注系統、成型工藝參數及冷卻系統的優化，優化的澆口合理位置為其側邊偏向杯底處，優化的成型工藝參數為模溫85℃、料溫278℃、注射時間1s；結合制件特征分析及成型窗口分析，油杯采用側澆口、一模兩腔成型，建立澆注系統后預測了其成型注射壓力和鎖模力分別為113MPa和111t，為注塑機規格的選擇提供了依據；優化后的冷卻系統保證了較均勻的冷卻效果。

轉向助力泵油杯；注塑模；模流分析；成型工藝

0 前言

隨著技術的成熟及競爭的日益激烈，現代設計手段在模具設計中的應用越來越廣泛與深入。在注塑工藝中，借助模流分析技術，可實現制品結構、成型材料、模具結構（流道系統和冷卻系統）、工藝參數等方面的優化，由此降低模具和產品的開發成本、縮短其開發周期、提高其質量，從而提高企業的競爭力[1]。

本研究以轉向助力泵油壺為對象，應用模流分析技術對其模具的澆注系統、冷卻系統及成型工藝等方面進行優化。

1 塑件工藝分析

該轉向助力泵油杯如圖1所示，結構較復雜。主體部分高度約135mm，截面尺寸約64mm×45mm，有一定的錐度，主體壁厚2mm；蓋體裝配端尺寸約為98mm×72mm；底部進出管長約42mm，為套接皮管的可靠連接，進出油管端部有凸緣；底部還有一固定棘爪，其與基體的連接面相對基體大面內陷。

圖1 轉向助力泵油杯Fig.1 The oil cup of steering booster pump

轉向助力泵油杯對綜合力學性能要求很高，因而制件采用含25%（質量分數，下同）玻璃纖維的聚酰胺66（PA66）材料成型。

2 模流分析

2.1 網格處理與材料選擇

為得到高質量的網格，減少網格修復工作量，因此在CAD軟件或Moldflow CAD Doctor中將制件的小圓角特征刪除。在Moldflow MPI6.1中，對模型采用雙面（Fusion）網格類型進行網格劃分，經網格診斷、自動修復、手動修復后的網格如圖2所示，單元數19498個，節點數9745個。

圖2 網格模型Fig.2 Mesh model

材料為DuPont Engineering Polymers公司產的牌號為Minlon 73GM40的PA66材料，該材料含25%的玻璃纖維。材料推薦工藝參數范圍為：模溫70～100℃，料溫260～285℃。材料許用最大剪應力0.5MPa，許用最大剪切速率60000s－1。

2.2 澆口位置的確定及工藝參數優化

先對塑件進行最佳澆口位置分析，結果如圖3所示，分析結果表示制件的四個側面中心為較佳澆口位置，尤以圖中所示為最佳。由于在進行最佳澆口位置分析時僅考慮了制件的可成型性、更小的壓力需求、過保壓及有效的保壓補縮這幾個方面[2]，最終澆口位置的確定還需綜合考慮模具結構的合理性。

圖3 最佳澆口位置分析結果Fig.3 Best gate location result

轉向助力泵為非外觀件，對外觀要求不高。根據制件結構特點，權衡考慮后確定其主分型面與其大側面平行并通過粗管的軸線，腔體采用側抽成型，底部進出管間及管孔采用側抽成型，底部棘爪內孔采用側抽成型，底部棘爪外部采用階梯分型面與主分型面相接。結合最佳澆口位置分析結果，確定澆口位置在主分型面上，初選中間高度位置。

圖4（a）和4（b）分別為快速充填分析的充填時間及熔接痕結果。由圖4（a）可知，所選澆口位置能使制件兩端幾乎同時充滿，充填平衡狀況很好；由圖4（b）可知，在與所選澆口位置相對的棱角位置會形成條較長的熔接痕，且熔合角度才20°左右。熔合角度過小，該處的分子取向與料流方向垂直，導致該處容易變形甚至開裂，對制件質量有嚴重的影響；圖4（c）和4（d）分別為成型窗口分析的質量曲線及區域結果。由圖4（c）可知，制件質量最高值約為0.78，且此時的料溫為283℃，模溫為93℃，趨于材料推薦工藝參數范圍的邊緣；由圖4（d）可知，首選的成型窗口區域很小。綜合這些分析結果，可知澆口設在中間高度位置處不太理想，必須進行調整。

圖4 初設澆口位置的分析結果Fig.4 Analysis result for the initial gate location

將澆口位置向油杯底部調整。圖5（a）和5（b）分別為快速充填分析的充填時間及熔接痕結果。從圖5（a）可以看出，所設澆口位置也能使制件兩端幾乎同時充滿，充填平衡狀況較原澆口位置結果略微差些；從圖5（b）可以看出，在與所選澆口位置相對的棱角位置形成的熔接痕較原澆口位置結果要短，且熔合角度也要大得多，大大地改善了其熔接強度；圖5（c）和5（d）分別為成型窗口分析的質量曲線及區域結果。從圖5（c）可以看出，制件質量最高值約為0.83g，且此時的料溫為278℃，模溫為83℃，處于材料推薦工藝參數范圍的合理區域；從圖5（d）可以看出，首選的成型窗口區域較原澆口位置結果要大得多。綜合比較，可知澆口設在偏向底部位置處比中間位置處要好得多。

圖5 澆口位置調整后的分析結果Fig.5 Analysis result for the adjusted gate location

依據澆口位置調整后的成型窗口分析，確定工藝參數為：模溫85℃，料溫278℃，注射時間1s。查看其他結果，發現此時對應的最大壓力降為45MPa，最低流前溫度276℃，最長冷卻時間8.4s，均較合理；最大剪切速率2388s－1，最大剪應力0.4MPa，均在材料許可最大值之內。

2.3 流動分析

依照上述分析所確定的澆口位置，確定制件采用側澆口成型，型腔布局為一模兩腔。結合流道設計經驗尺寸，建立制件的澆注系統。為了提高分析效率，考慮對稱性，只對半邊做分析，設置分流道、澆口及制件（型腔）的出現次數為2，這樣的分析與整體分析就等效了。成型工藝參數依上述成型窗口分析結果來定，只是充填控制改為流率控制，為保證型腔充填時間為1s，經計算流率設為150cm3，在充填體積達到98%時進行速度/壓力切換。

圖6為充填時間分布，由圖可知制件末端均在1s到1.172s間充填，流動基本均衡。由注射位置處壓力xy圖（圖7）及鎖模力xy圖（圖8）分別可知：最大注射壓力為113MPa，最大注射壓力為111t。查看氣穴分布（圖9），可知氣穴不多，主要分布在充填末端，可利用側型芯、滑塊的間隙排氣解決。

圖6 充填時間分布Fig.6 Filling time result

圖7 注射壓力曲線Fig.7 Curve for injection pressure

圖8 鎖模力xy圖Fig.8 Curve for clamp force

圖9 氣穴分布Fig.9 Air traps result

2.4 冷卻分析

考慮模具結構，建立模具冷卻系統，幾經比較，優化后的冷卻系統布局如圖10所示。在大側型芯內采用隔水板以對制件內壁進行充分的冷卻。優化后的入水溫度為70℃，IPC時間（即注射＋保壓＋冷卻的總時間）為35s，模溫、料溫如前成型窗口分析所確定的分別為85℃和278℃。從分析日志中可知：8條水路的出口溫度與入口溫度的溫差在0.3～0.8℃，低于2℃；型腔表面溫度平均值85.1℃，與目標模溫極為接近。模具表面溫度如圖11所示：可見型腔表面主體溫度均在85℃左右，分布較均勻；最高溫度出現在底部的進出管內壁（即其型芯表面），為此這兩型芯可采用高導熱材質（如鈹銅）制作。

圖10 冷卻系統布置Fig.10 Layout of the cooling system

圖11 模具型腔表面溫度Fig.11 Temperature of the cavity surface

制品平均溫度如圖12所示，可見制件主體的平均溫度在85～100℃之間，分布較均勻；最低出現在與蓋體裝配的凸緣處，因為該處肉厚很薄，僅為0.5mm，最高出現在棘爪處，因為該處肉厚較厚。制品厚度方向溫度曲線如圖13所示，在制件的3個側面、口部及管口各選一點，發現制件主體內外兩側的溫差均在5℃之內，說明制件主體內外冷卻均衡。而管口處內外溫差近20℃，這是由于管內部冷卻較差所致，可通過采用高導熱材質型芯予以解決。

圖12 制品平均溫度Fig.12 Average temperature of the part

圖13 制品厚度方向溫度曲線Fig.13 Temperature profile in the thickness direction of the part

3 模具結構

該助力泵油杯模具的總體結構主要視圖如圖14所示。一模兩腔，澆口設在模流分析結果確定的澆口位置上，水路也按模流分析優化的結果布置。油杯主型芯因抽芯距較長，為此采用液壓側抽，并且按模流分析結論在其中設置了冷卻水路，如圖14（a）、（b）及（d）的C－C截面圖所示；進出油管孔較深，且進出油管端部有凸緣，為此進出油管孔及兩管間的成型塊采用二級順序液壓側抽，先抽出管孔中的型芯，待有變形空間后再抽出管間的成型塊，如圖14（b）、（d）的E－E、G－G截面圖所示；棘爪孔深較淺、其與基體連接處的內陷也較淺，因此采用斜導柱滑塊結構側抽，如圖14（b）、（d）的D－D、F－F截面圖所示。

4 結論

（1）針對轉向助力泵油杯，進行澆口位置分析，結合制件結構特征的分析及成型窗口分析分析，優化的澆口合理位置為其側邊偏向杯底處，優化的成型工藝參數為：模溫85℃、料溫278℃、注射時間1s；

（2）根據設定的澆口位置，確定油杯采用側澆口、一模兩腔成型，建立澆注系統后預測了其成型注射壓力和鎖模力分別為113MPa和111t，為注塑機規格的選擇提供了依據；

（3）通過冷卻分析優化了轉向助力泵油杯注塑模的冷卻系統布局、冷卻水溫及冷卻時間，冷卻效果較為理想；借助模流分析技術設計的轉向助力泵油杯注塑模具結構合理、動作可靠，產品品質較好。

圖14 模具結構圖Fig.14 Structure of the mold

[1] 付 偉，陳碧龍.注塑模具設計原則、要點及實例解析[M].北京：機械工業出版社，2010：335.

[2] Jay Shoemaker，Moldflow Design Guide：A Resource for Plastics Engineers[M].New York：Hanser Verlag，2006：123－125.

Application of Flow Analysis Technology in Design of Injection Molds for an Oil Cup of Steering Booster Pump

KUANG Tangqing1，ZHOU Huilan1，DENG Puliang2
（1.Key Laboratory of Conveyance and Equipment，Ministry of Education，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China；2.Dongguan New Power Energy Co，Ltd，Dongguan 523000，China）

During the design of the injection mold for an oil cup of steering booster pump，flow analysis technology was adopted to optimize its runner system，processing parameters，and cooling system.The optimized gate location was determined based on the process window analysis and the characterization of the cup structure.The optimized process parameters were obtained：the mold temperature was 85℃，the material temperature was 278℃，and the injection time was 1s.Side gate and two－cavity mold were used to mold the oil cup.The injection molding pressure and clamping force were 113MPa and 111t.Runner system was built to predict the injection pressure and clamp force，which provided the reference data to select molding machine.The optimized cooling system ensured the uniform cooling effect.Finally，the structure of the oil cup injection mold was introduced in detail.

oil cup of steering booster pump；injection mold；flow analysis；processing parameter

TQ320.66＋2

B

1001－9278（2012）08－0101－06

2012－02－07

江西省自然科學基金項目（2010GQC0029）

聯系人，kuangtq＠yahoo.cn