基于Moldflow的洗衣機平衡環疊層注塑模設計及工藝優化

馬一恒， 王小新*， 劉 琴

(1.青島科技大學高分子科學與工程學院，山東 青島 266042；2.青島海信模具有限公司，山東 青島 266114)

0 前言

疊層模具是一種高效、快捷、節能的新型注塑模具，與常規模具不同的是，疊層模具的型腔分布在兩個或多個層面上，呈重疊式排列，即相當于是將多副模具疊放在一起，使一臺注塑機可一次成型2個或多個產品，成倍提高生產效率[1]。其適用于成型大批量扁平、淺腔、大小相近互相裝配的塑件。洗衣機平衡環是由上、下2個平衡環蓋及其間的加強筋連接固定的一體化結構，腔體內封裝有一定量的液態鹽水，在衣物脫水期間，用于保持高速旋轉的洗滌 - 脫水桶的平衡。洗衣機平衡環蓋為環狀淺腔類的大中型塑件，所需鎖模力和注射量較小，同系列多款型號的洗衣機可通用，產量較大，且上、下平衡環為一對一組合裝配。因此，洗衣機平衡環非常適合于疊層模具來成型。本文主要介紹基于Moldflow的洗衣機平衡環疊層注塑模結構和流動平衡的優化設計，以及保壓和翹曲的模擬分析。

1 產品結構分析

洗衣機平衡環由上、下部分平衡環拼裝組合而成，如圖1所示為全自動波輪洗衣機平衡環結構，其中上平衡環的高度為17.5 mm，下平衡環為64.5 mm，上下內、外徑尺寸均為Φ440 mm和Φ345 mm，壁厚為2.8 mm，加強筋處1.2 mm，傳統采用兩臺500 t的注塑機分別注塑，再用熱熔敷的方式組合在一起。塑件采用聚丙烯(PP)材料成型，環內表面設有多個徑向加強筋，增加了產品的強度、剛度和抗沖擊性，滿足了產品的使用性能。

(a)上平衡環 (b)下平衡環圖1 洗衣機平衡環結構Fig.1 Balance ring structure of washing machine

2 模具結構設計

2.1 模具總體設計

本模具采用雙層單腔疊式結構，模具總體結構設計如圖2所示。將上、下部分平衡環同軸縱向重疊排列，分別在Ⅰ、Ⅱ兩個分型面成型。從上至下以分型面Ⅰ、Ⅱ為界將模具分為定模A、中間模B和動模C 3部分，動、定模板分別安裝在注塑機的移動模板和固定模板上，中間模B除用導柱導向機構與動、定模部分進行導向和定位，還設計置有滑動小車2的托臂承載導向機構1，用于托舉中間模B進行開合模運動，保證開合模的穩定性。為保證分型面同時開模，采用兩組對稱布置的齒輪齒條聯動機構，工作時靠注塑機移動模板的開合帶動齒輪、齒條裝置實現2個分型面的同步運動。開模后，由注塑機頂出桿和油缸4同時分別將上、下塑件雙向頂出。

1—托臂 2—滑動小車 3—齒輪齒條 4—油缸圖2 疊層注塑模具結構Fig.2 Structure of stack injection mould

2.2 澆注系統設計

該疊層模具澆注系統采用冷、熱流道相結合的形式，如圖3所示。熱流道系統由主噴嘴1，熱流道體3、4，熱流道板2、5，熱噴嘴6、7組成。其中，熱流道體3、4采用針閥式結構，合模狀態下針閥打開，形成熔體通道；開模時針閥關閉，防止開模后熔體外溢。噴嘴6、7為針閥式熱噴嘴，用于控制上下型腔的進料，調整保壓時間。當模具閉合鎖緊后，熱流道體3、4的針閥打開，塑料熔體從主噴嘴1經熱流道板2、熱流道體3和4，再經熱流道板5，分別流向上、下熱噴嘴6和7。經熱噴嘴出來的熔體通過上下兩個產品的冷分流道，經潛伏式的扁平澆口進入型腔內開設的工藝凸耳，最終完成上、下平衡環的注射成型。

1—主噴嘴 2—上熱流道板 3—上熱流道體 4—下熱流道體 5—下熱流道板 6—下熱噴嘴 7—上熱噴嘴圖3 產品排列及澆注系統模型Fig.3 Products arrangement and gating system model

3 計算機輔助工程(CAE)分析優化

3.1 網格劃分及工藝參數設置

將產品模型導入Moldflow軟件，根據設計、生產經驗，確定澆口位置，建立澆注系統，得到分析模型。綜合考慮分析精度和計算機硬件水平， 采用雙層面網格對模型進行網格劃分，并進行必要的網格優化[2]。劃分得到的三角形單元為117 509個，網格匹配率88.7 %。本文采用海天HT900T型號注塑機，設置注射成型參數：模具溫度為60 ℃、熔體溫度為230 ℃、注射時間為3 s、保壓時間為32 s，通過對注射量、注射壓力、鎖模力、開模行程等進行計算校核，確保能夠滿足疊層注塑成型的工藝要求。

3.2 優化充模分析

熔體在模腔內各條路徑上的流動應均衡，以保證在相同的壓力條件下同時到達各模腔末端[3]。根據產品大小，初始方案設計上、下平衡環均為3個澆口，冷流道直徑分別為7.5 mm和10 mm，由圖4(a)的充填時間結果顯示，上平衡環在3.169 s時已填充完成，下平衡環的最后填充時間為3.395 s，兩者相差0.226 s，流動不平衡。根據上述結果，對初始方案進行優化，將下平衡環改為4個澆口，冷流道直徑改為9 mm，上平衡環澆口數量和流道直徑不變。由圖4(b)的充填時間結果顯示，上平衡環的充模時間為3.335 s，下平衡環為3.373 s，上下填充的時間差僅為0.038 s，基本達到流動平衡。

圖5為速度/壓力切換時的壓力分布結果，由圖可知，初始方案速度/壓力切換發生在壓力為52.12 MPa時，速度/壓力切換時上、下平衡環型腔壓力相差較大，最大達27.14 MPa，熔體流動不平衡，影響產品質量。優化后速度/壓力切換時的壓力為46.17 MPa，明顯小于初始方案，同時上、下型腔壓力較為一致，相比初始方案有了顯著改善。

(a)初始方案 (b)優化方案圖4 充填時間比較Fig.4 Comparison for filling time

(a)初始方案 (b)優化方案圖5 速度/壓力切換時的壓力分布比較Fig.5 Comparison for distribution diagram of pressure in speed and pressure conversion

表1為澆注系統初始和優化后的設計參數及充模分析結果對比，顯然，優化后的澆口數量和流道尺寸設計更為合理，實現了熔體的流動平衡，縮短了流道的冷卻時間。

表1 澆注系統設計參數及充填結果分析比較Tab.1 Comparison for design parameters of gating system and filling results

3.3 保壓及翹曲優化分析

保壓階段是在充模結束后對型腔進行繼續補料以減少體積收縮的過程，該期間的體積收縮是影響制件尺寸收縮和翹曲變形的關鍵因素[4]。因為上、下平衡環需要組合裝配，因此配合尺寸應盡可能一致，同時翹曲變形應盡可能小。本文以x、y方向變形量的差值來衡量上、下平衡環的尺寸一致性，以z方向的變形量來衡量翹曲變形的大小。

(a)方案1，上平衡環x方向收縮 (b)方案1，下平衡環x方向收縮 (c)方案1，上平衡環y方向收縮(d)方案1，下平衡環y方向收縮 (e)方案2，上平衡環x方向收縮 (f)方案2，下平衡環x方向收縮(g)方案2，上平衡環y方向收縮 (h)方案2，下平衡環y方向收縮 (i)方案3，上平衡環x方向收縮(j)方案3，下平衡環x方向收縮 (k)方案3，上平衡環y方向收縮 (l)方案3，下平衡環y方向收縮圖7 各方案x、y方向尺寸收縮結果Fig.7 Dimension shrinkage in x and y direction of each scheme

本文采用恒壓保壓和線性降壓相結合的方法，如圖6的保壓曲線所示，首先設定60 MPa的恒定壓力保壓20 s，之后線性降壓保壓到32 s。在保壓過程中，通過控制針閥式熱噴嘴6、7的開閉，調節上、下平衡環的保壓和補縮時間，使上、下平衡環的尺寸收縮趨于一致。

圖6 保壓曲線Fig.6 Packing curve

本文分別采用3種不同的保壓控制方法，進行模擬分析。其中方案1噴嘴6、7均不關閉，上、下平衡環保壓時間均為32 s；方案2、3噴嘴7分別提前在保壓15 s和10 s時關閉，噴嘴6不關閉，下平衡環保壓時間仍均為32 s。

圖7為分析得到的各方案x、y方向尺寸收縮結果，表2為各方案的結果對比。由圖7和表2可知，在同一方向，方案1上平衡環的收縮遠遠小于下平衡環，兩者最大相差3.005 mm，配合尺寸不一致，影響裝配質量。這是由于上、下平衡環腔體深淺不一至、體積不同，當保壓時間相同時，淺腔、體積小的上平衡環收縮必然小，從而導致上、下制件收縮不一至。為實現上、下平衡環尺寸趨于一致，方案2、3采用提前關閉噴嘴6閥針的方法，抑制上平衡環的保壓補縮，使其與下平衡環的尺寸收縮盡可能接近。相較于1，方案2、3的尺寸收縮結果明顯得到改善，其中方案3上、下平衡環在同一方向的尺寸收縮基本一致，上、下相差小于0.5 mm，尺寸差異值完全可以接受。可見，通過提前關閉針閥控制保壓時間，可以很好地實現上、下平衡環尺寸趨于一致，滿足裝配要求。

表2 各方案x、y方向尺寸收縮結果Tab.2 Dimension shrinkage in x and y direction of each scheme

圖8為方案3在z方向的翹曲變形結果，其中上平衡環的翹曲量為1.144 0 mm，下平衡為1.763 3 mm，均在2 mm內，不影響裝配和使用。圖9為方案3的縮痕估算結果，由圖可知，縮痕最大為0.154 6 mm，因平衡環為非外觀件，該縮痕不影響產品質量。綜上，采用方案3的保壓控制方法，即當上平衡環保壓10 s，下平衡環保壓32 s時，可很好地滿足產品質量和裝配要求。

(a)上平衡環翹曲變形 (b)下平衡環翹曲變形圖8 方案3在z方向的翹曲變形Fig.8 Warping deformation in z direction of scheme 3

圖9 縮痕估算結果Fig.9 Shrink mark estimation

4 結論

(1)進行了洗衣機平衡環疊層注塑模具結構和澆注系統設計，通過模擬熔體充填過程，優化了澆口數量和流道尺寸，達到了流動平衡；

(2)通過采用控制針閥式澆口開閉的方法，抑制上平衡環的保壓補縮，確保了上、下平衡環的尺寸一致；

(3)該疊層模具結構合理，動作可靠，成型的平衡環各項指標均可滿足使用和裝配要求，充分地發揮了注塑機的能力，提高了生產效率。