基于Moldflow的機箱下蓋注射模優化設計

龍家釗， 郭雪媚， 李 嫣

（1.中山市技師學院， 廣東 中山 528400；2.森柏網絡科技有限公司， 廣東 中山 528400）

0 引 言

在國家產業政策的支持和引導下，注射模行業得到迅速發展，大型、精密、氣體輔助、耐用模具產業的比重越來越大。成型的制品結構越來越多樣，工藝越來越復雜，僅靠工程師的設計經驗設計模具已無法滿足要求，模流分析技術已成為輔助注射模設計的利器。借助模流分析技術，能預測成型過程中可能出現的各類缺陷，有針對性地優化模具設計，減少模具設計變更，縮短制品研發周期，提高企業工作效率。

1 制品結構分析

機箱下蓋結構如圖1 所示，外形尺寸為159.05 mm×152.9 mm×36.94 mm，平均壁厚為2.5 mm，外形尺寸不大，但結構復雜。制品正面有較多的通風孔，孔徑僅有φ1.5 mm，制品4個角有螺釘沉頭孔，同時還有貼防滑橡膠的方形沉孔、貼制品標簽的區域。制品背面有鈑金件安裝孔和定位柱以及一系列的加強筋，2 個側面分別有安裝觸控按鈕和纜線的通孔，需要設計抽芯結構。該制品是外觀件，表面不能有澆口痕跡，導致其模具結構復雜、制造難度大、成本高。

2 模型網格劃分

應用Moldflow 進行模型分析前，必須創建網格模型，基于機箱下蓋結構，采用雙層面網格類型。在網格劃分時，網格的密度、網格單元的縱橫比都會影響分析結果。對于雙層面網格，必須考慮網格的匹配率，雙層面網格模型的網格匹配率至少要到85%才可以進行流動+保壓分析，對于翹曲分析，其匹配率要求更高。

建立新工程，導入stp 格式的機箱下蓋模型，創建雙層面網格，勾選匹配網格和計算雙層面網格的厚度等選項，設定曲面上的全局邊長為1.95 mm，劃分網格后三角形數量為64 354 個，已連接的節點為31 875 個，共用邊96 531 個，只有1 個連通區域，多重邊、自由邊、配向不正確的單元、不可見三角形、完全重疊單元和相交單元都為0，匹配率百分比達到93.4%，網格劃分符合仿真要求，如圖2所示。

圖2 網格劃分

3 澆口位置及數量分析

澆口是流道與待成型塑件的連接部分，使分流道的熔體在進入型腔時產生加速度，快速充滿型腔，保壓結束后及時封閉型腔，防止熔體倒流而形成縮孔。澆口設置應便于塑件和澆口凝料的分離，澆口的位置、形狀和尺寸影響熔體的流動狀態、充模情況、熔接痕的位置、最后填充位置以及翹曲變形等。

借助AMI 的分析能力，綜合考慮流動阻力和流動平衡，分析1、2、3、4點澆口的最佳進澆位置，如圖3 中箭頭所指位置即為最佳進澆位置。合理地設計澆注系統和澆口位置可避免一些潛在問題的發生，減少試模次數，縮短制品的開發周期，降低開發成本，提高企業的市場競爭力。

圖3 澆口位置分析

不同澆口數量的關鍵參數對比如表1 的所示，隨著澆口數量的增加，填充時間越來越短，V/P切換壓力和最大鎖模力均越來越小，4 點澆口填充時間僅為1.254 s，V/P切換壓力為11.96 MPa，最大鎖模力為492 kN。此外，多點進料的流動前沿溫度差在可接受范圍，體積剪切速率小于ABS 材料允許極限為50 000 s-1。結合制品結構特點和模具結構要求，確定模具采用4點澆口方案。軟件分析的澆口位置幫助用戶找到理想情況下的最佳澆口位置，實際上其中2 個澆口位于側抽芯位置，從模具結構考慮不合理，需進行適當優化，優化后的澆口位置如圖4所示。從初步優化結果看，熔接痕避開了強度較弱的孔穴位置，保證了制品的強度，如圖4（b）所示。

表1 不同澆口數量的關鍵參數對比

圖4 優化后的澆口位置

制品的結構及品質要求決定了模具只能選用三板模點澆口或熱流道的形式。點澆口的流道長，澆注系統凝料多，但結構相對簡單，技術成熟，成本低；熱流道模具結構復雜，模架成本高，且熱流道價格昂貴，故障率高，維護成本高。因制品尺寸不大，普通流道足以填充，故選擇點澆口形式。

4 成型工藝優化

翹曲變形是注射成型常見的缺陷之一，且難以解決。制品的結構形狀以及壁厚變化、所選用的樹脂材料不能隨意變更，因此改善制品的翹曲情況只能通過優化工藝條件和修改模具結構解決。在注射成型過程中，工藝條件的選擇和控制是保證制品成型順利和質量的關鍵因素之一。在成型過程中最重要的工藝條件是影響熔體流動和冷卻的壓力、溫度和相應的各作用時間，即成型工藝的三要素。

正交試驗法是用“正交表”分析多因素試驗的一種數理統計方法，優點是試驗次數少、效果好、方法簡單、使用方便且效率高。將熔體溫度A、模具溫度B、保壓壓力C、保壓時間D、冷卻時間E作為正交試驗的影響因素，根據正交試驗表L16（45）的因素水平數，取210、220、230、240 ℃作為熔體溫度的優選范圍，取40、50、60、70 ℃作為模具溫度的優選范圍，取60%、70%、80%、90%作為保壓壓力的優選范圍，取4、8、12、16 s 作為保壓時間的優選范圍，取10、15、20、25 s 作為冷卻時間的優選范圍，最終的優化數據如表2所示。

表2 正交試驗數據及計算結果

根據Moldflow 分析的翹曲變形結果，對正交表的16組數據進行數理統計分析，計算各因素在每個水平上的Ki值，極差R越大，表明所對應的因素越重要。優選方案根據試驗范圍各因素較優的水平組合制定，若指標越大越好，應選取使指標大的水平，若指標越小越好，應選取使指標小的水平。

極差計算：

從表2 試驗結果的極差可知，保壓壓力C對翹曲變形影響最大，其次是模具溫度B和保壓時間D，熔體溫度A和冷卻時間E對翹曲變形的影響最小。機箱下蓋翹曲變形越小越好，結合各因素各水平的Ki值，最優方案是A1B1C4D3E1，即在機箱下蓋的成型過程中，其熔體溫度和模具溫度在保證能順利填充的情況下，應選用偏低的溫度，這樣既可降低翹曲變形，又可節約能源，但要確保熔接痕處的強度符合要求，若對制品表面光澤要求較高，可適當提高溫度；保壓壓力應選用較大數值，在4 組水平中，90%壓力翹曲變形最小；保壓時間過短和過長都不合適，理想的保壓時間在12 s左右；冷卻時間的長短對翹曲變形的影響較小，為縮短成型周期，降低生產成本，應選用較短的冷卻時間。

5 模具設計

5.1 分型面設計

分型面設計首先要考慮成型制品品質和脫模要求，其次要考慮模具制造的工藝性和成型要求。機箱下蓋的主分型面設計成一個平面，其位置處于制品最大輪廓的R角切線處，這樣設計既不會影響制品的外觀，又便于模具的制造和裝配。側抽芯位置設計成臺階分型面，該位置的型芯和型腔板會有摩擦，同時高度比較高，因此設計了2°傾斜，避免合模時拉傷，保證模具開合模動作可靠，延長模具使用壽命，如圖5所示。

圖5 分型面設計

5.2 型腔布局

模具的型腔數量不僅會影響模具制造成本，同時還會影響制品生產成本，因此合理設計模具型腔數量至關重要。一般要從注射成本和模具設計制造難易程度方面考慮。隨著型腔的增加，不同型腔成型的制品尺寸、質量、外觀等會產生差異。

機箱下蓋需要在150 T 的注塑機上量產，總產量12 萬件，月產量8 000 件。150 T 注塑機成型加工費用約50元/h，成型周期約30 s，模具每增加一個型腔所需的費用大約是4萬元，按式（2）計算可得模具采用1模1腔結構。

其中，n為型腔數量，個；N為總產量，件；y為每小時注射成型加工費用，元/h；t為成型周期，min；C1為每個型腔所需的模具費用，元。

綜合考慮機箱下蓋的尺寸精度和制品外觀以及1 模1 腔布局，宜采用雙分型面模具結構（三板模），并采用點澆口，此類澆口在制品表面殘留痕跡小，澆口凝料能自動切除，且澆口位置可以按照模流分析的最佳位置結合模具結構靈活布置，模具結構如圖6所示。

圖6 模具結構

5.3 抽芯結構設計

使用UG 軟件分析菜單下的測量工具，測量機箱下蓋側面最大的抽芯距離為29 mm。在側向分型與抽芯機構中，斜導柱設在定模，滑塊設在動模的形式應用廣泛。這種抽芯機構的結構簡單，通過注塑機的開合模動作，在斜導柱撥動下實現滑塊的開合。斜導柱的傾斜角α≤25°，傾斜角越大，斜導柱受力越大，傾斜角越小，斜導柱越長，易導致斜導柱剛性不足，因此斜導柱的傾斜角要合適。綜合以上因素，確定斜導柱傾斜角α為20°，如圖7所示。

圖7 抽芯距離

其中，L4為斜導柱的有效長度，mm；S抽為抽芯距離，mm；F為斜導柱所受的彎曲力，MPa；[σ]為許可彎曲應力，MPa。

結合模具的結構和抽芯的尺寸進行計算，斜導柱所受的彎曲力F大約為1 155 N，L4為95 mm，碳鋼的許可彎曲應力[σ]為137.2 MPa，最后計算可得斜導柱的直徑大約是φ20 mm，如圖8所示。

圖8 抽芯機構

5.4 鑲件設計

圖9 所示為Moldflow 填充分析的氣穴和熔接痕結果，氣穴主要分布在機箱下蓋的加強筋末端和下蓋的四周邊緣，熔接痕主要分布在各孔穴的邊緣和4 個澆口所注射的熔體交匯處，澆口的熔接痕成因是料流前端溫度過低。

圖9 填充分析

對于機箱下蓋四周邊緣的氣穴，可以在分型面增加排氣槽，并調整注射速度解決；熔接痕可通過調整模具溫度和熔體溫度來優化。而對于加強筋末端氣穴和孔穴邊緣的熔接痕，應設計相應的排氣鑲件，如圖10所示。這些鑲件與型芯之間存在小于0.03 mm 的間隙，利于型腔內氣體的排出，同時也便于模具的制造與維護。

圖10 鑲件設計

5.5 模具結構及工作過程

模具的模架采用直身式點澆口系統，澆口套與定位圈設計成整體式，如圖11 所示，可有效縮短主流道的長度，減少注射壓力損失，節約流道凝料。型芯和型腔板采用鑲嵌結構，以斜壓板加以固定，既方便了安裝和拆卸，又能保證其裝配基準一致。推出系統設置了推板導柱，保證其動作順暢可靠。模具采用圓推桿，對小于φ3 mm 的推桿，采用階梯圓推桿，既節約標準件的成本，又降低推桿孔的加工難度。冷卻系統采用多組并聯的形式，以模溫機控制冷卻介質的溫度，保證模具溫度的穩定平衡。

圖11 模具二維結構

制品冷卻定型后，注塑機將模具打開，動模側隨著注塑機模板運動，定模板受拉模扣的摩擦力與動模板柔性連接，隨動模側一起運動，此時定模板與流道板打開，澆口凝料自動切除；動模側繼續打開，在拉板的作用下流道板被打開，主流道凝料和分流道凝料脫出；最后定模板被拉板拉住不再運動，定模板和動模板間的主分型面打開，滑塊在斜導柱的作用下同步打開，完成開模過程；制品在脫模機構作用下，完成脫模動作；模具再次合模，完成一個工作循環。

6 結束語

經Moldflow 分析并優化了模具點澆口，注射壓力適中，避免了壓力過大而導致制品產生飛邊以及內應力過大而導致其變形。澆口尺寸合理，保壓時澆口補縮效果良好，保壓結束后澆口及時冷凝，避免了料流倒流。采用正交試驗法優化了成型工藝，熔體溫度、模具溫度、保壓壓力、保壓時間和冷卻時間等參數的組合更加合理，成型制品尺寸穩定，翹曲變形較小。模具采用1 模1 腔的雙分型面結構，對Moldflow 分析結果中有氣穴和熔接痕的位置設計了排氣鑲件，加強了排氣效果，可以用更快的注射速度填充；此外提升了料筒溫度和模具溫度，提升了注射時前端料流的溫度，改善了熔接痕。以滑塊設計在動模側的斜導柱抽芯結構，既兼顧了模具的制造成本，又保證了制品的成型品質。經實際生產驗證，模具結構合理，動作可靠，成型的制品尺寸合格且性能良好。