基于MOLDFLOW分析的手套箱注塑模具設計

劉 會，陳澤中，張夢夢

（1.上海理工大學機械工程學院，上海200093；2.上海理工大學材料學院，上海200093）

0 前言

隨著計算機技術和設備的普及，塑料模具計算機輔助設計（CAD）/計算機輔助工程（CAE）技術得到了越來越廣泛的應用。利用模具CAD/CAE技術可以對塑料產品的成型過程進行模擬，對模具結構進行詳細設計和檢測，提前發現在生產中可能出現的問題，省卻了實際試模的時間和成本，提高生產效率，降低成本[1]。本文利用CAE軟件Moldflow對汽車手套箱進行了模流分析，確定了成型工藝參數，利用CAD軟件UG進行了模具詳細結構設計。

1 塑件結構與工藝分析

該塑件尺寸為長285.8 mm，寬464.7 mm，高249.5 mm，主壁厚2.5 mm，最小壁厚0.5 mm。材料采用聚丙烯（PP）/（聚乙烯＋16%滑石粉），在保證PP材料基本性能的前提下，大幅度提高了抗沖擊性能。塑件結構如圖1所示，手套箱內部空腔為外觀面，要求表面光潔，不得有滲化線、縮孔、裂紋以及其他類似的缺陷，可采用一個液壓抽芯機構成型，左右兩側的小孔和后部筋位需要采用斜導柱滑塊成型。為保證塑件精度和生產效率，采用1模1腔，熱流道注塑。

圖1 塑件三維模型Fig.1 Three-dimensional model of the workpiece

2 基于Moldflow的模流分析

2.1 網格劃分

網格劃分是Moldflow分析最基礎的一步，選取合適的長寬比和網格匹配比，對于保證分析結果準確性，得到更加接近于實際生產的模擬數據來說，都具有重要的意義[2]。針對手套箱塑件，先使用Moldflow CAD Doctor 2012導入使用UG創建的三維模型，去除對分析結果沒有影響的小的圓角、倒角、臺階等結構，有利于提高后續網格劃分的品質和效率。然后將修復完成后的塑件模型導入Moldflow 2012中，采用雙層面網格劃分，網格邊長取5 mm，劃分后的網格匹配百分比和相互百分比達到92.7%和91.4%，品質較好。最后再修復自由邊、相交單元、縱橫比等缺陷，完成對塑件模型的網格劃分。

2.2 澆口位置的選擇

根據塑件結構和實際經驗，預設了2澆口和4澆口2種不同的澆口位置方案，如圖2所示。

圖2 澆口布置方案Fig.2 Design plans of gate location

通過對2種方案不添加澆注系統和冷卻系統的填充分析，得到如表1所示的結果。可以看出，無論是充填時間、達到頂出溫度時間、注射壓力和鎖模力，方案二的結果都優于方案一，因此本文選擇方案二的澆口布置方式進行下一步的深入模擬分析。

為進一步模擬分析，為方案二添加澆注系統和冷卻系統。參考實際生產情況，確定采用點澆口熱流道注塑，點澆口直徑為0.8 mm，分流道直徑尺寸為5 mm，主流道頂端直徑為3 mm，角度為1.5°，冷卻管道直徑為10 mm，如圖3所示。在Moldflow中選擇分析類型為冷卻—填充—保壓—翹曲分析，工藝參數設置為：模具溫度40℃，注射溫度220℃，其他參數按照默認。

表1 2種方案參數分析結果比較Tab.1results comparison of the two plans

圖3 添加澆注系統和冷卻系統的方案二Fig.3 The second plan with gating system and cooling system

2.3 充填時間

方案二的充填時間如圖4所示，充填時間為2.014 s，澆口附近最先填充完成，塑件兩側充填均衡，填充迅速，沒有短射現象。

圖4 充填時間Fig.4 Filling time

2.4 熔接線與氣穴分析

由于采用了多個澆口，不可避免地產生了熔接線，如圖5（a）所示。但參考流動前沿溫度參數，流動前沿溫度在注射溫度（220℃）左右，使熔接線的強度較好，而且熔接線的產生位置位于塑件的非外觀面，對塑件的表面品質影響較小。氣穴分析如圖5（b）所示，氣穴多產生于料流交匯處，特別應注意與熔接線重合處產生的氣穴，如有必要，可以開設排氣槽，以免因氣穴產生填充不滿或燒傷塑件的情況。

2.5 注射壓力和鎖模力分析

塑件的注射壓力和鎖模力分別如圖6（a）、（b）所示。最大注射壓力為43.97 MPa，最大鎖模力為446.7 t，據此可以選擇800 t的注塑機進行實際生產。

2.6 翹曲分析

塑件的總體翹曲情況如圖7所示，最大翹曲量為4.624 mm，進一步分離翹曲原因，可以得知，收縮不均達到3.52 mm，是導致翹曲的主要因素。引起收縮的主要原因是保壓壓力過低，因此可對保壓壓力的設置進行優化[3]。

圖5 熔接線與氣穴分析Fig.5 Analysis of weld bond and cavitation

圖6 注射壓力和鎖模力分析Fig.6 Analysis ofinjection pressure and clamping force

圖7 翹曲分析Fig.7 Analysis of warping

3 模具結構分析與設計

根據塑件結構和Moldflow的模流分析結果，利用UG設計出模具的詳細三維結構，整體尺寸為長×寬×高＝1000 mm×800 mm×911 mm。模具的結構和開模圖如圖8所示。

圖8 模具三維模型Fig.8 Three-dimensional model of mold

3.1 澆注系統的設計

澆注系統的設計合理與否，將對塑件的性能、尺寸、內外部品質、模具的結構和塑料的利用率等都有較大的影響[4]。由于塑件結構原因，進澆處無外觀要求，所以澆注系統采用熱流道點澆口4點進澆，澆口位置、流道尺寸和澆口尺寸同模流分析的相同。帶熱流道板的澆注系統如圖9所示，熔料在進入主流道后，在熱流道板中繼續加熱保溫，然后通過熱流道到達4個澆口，進行注塑。

圖9 澆注系統結構Fig.9 The structure of gating system

3.2 冷卻系統結構

為縮短注塑工藝成型周期，必須設計模具冷卻系統。因塑件高度較大，為保證冷卻液流速均勻，傳熱迅速，分別在上下模采用一組串聯的冷卻水井，以達到良好的冷卻效果，其中冷卻水路的直徑為10 mm，冷卻水井的直徑為20 mm，如圖10所示。

圖10 冷卻系統結構Fig.10 The structure of cooling system

3.3 滑塊機構

該模具應用了3個斜導柱抽芯機構，1個液壓抽芯機構，分別用斜導柱、鎖緊塊固定在定模上。塑件中間空腔部分，因滑塊行程較大，若采用斜導柱抽芯，因斜導柱受力狀況較差，容易損壞，且使模具體積增大，成本增加，因此采用液壓抽芯機構代替，不僅簡化了模具結構，降低了成本，也改善了受力狀況，確保抽芯動作平穩實現。

3.4 工作原理

模具結構如圖11所示（冷卻水路未畫出），模具合模后，熔融的塑料經過噴嘴注入模具型腔，注射成型完畢，保壓冷卻后，注塑機帶動塑件、動模板5以下部位向下移動。隨著動模板5往下移動，由斜導柱驅動的側滑塊30側向抽芯。油缸7工作，將滑塊9抽出至固定位置。動模移動至足夠產品順利脫落的位置，注塑機和動模停止向下運動，注塑機中的推桿推動推板25向上運動，使頂桿27向上運動，將產品從動模中頂出。產品取出后，模具合模，推桿復位，在復位桿和復位彈簧的作用下推板復位，滑塊通過斜導柱復位，油缸復位，合模完成，開始下一個注射成型周期。

圖11 模具裝配圖Fig.11 Assembly drawing of the mold

4 結論

（1）確定了汽車手套箱詳細的成型工藝，包括澆口的數量為4個，形式為點澆口熱流道注塑，位置位于手套箱的后側，注射時間為2.014 s，最大注射壓力為43.97 MPa、鎖模力為446.7 t；

（2）使用UG軟件設計出手套箱的整個注塑模具的詳細結構，包括4個點澆口形式的熱流道澆注系統，管道直徑為10 mm并包含冷卻水井的冷卻系統，分別由斜導柱和液壓驅動的4個抽芯機構等。

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