基于MOLDFLOW分析的手套箱注塑模具设计

刘 会，陈泽中，张梦梦

（1.上海理工大学机械工程学院，上海200093；2.上海理工大学材料学院，上海200093）

0 前言

随着计算机技术和设备的普及，塑料模具计算机辅助设计（CAD）/计算机辅助工程（CAE）技术得到了越来越广泛的应用。利用模具CAD/CAE技术可以对塑料产品的成型过程进行模拟，对模具结构进行详细设计和检测，提前发现在生产中可能出现的问题，省却了实际试模的时间和成本，提高生产效率，降低成本[1]。本文利用CAE软件Moldflow对汽车手套箱进行了模流分析，确定了成型工艺参数，利用CAD软件UG进行了模具详细结构设计。

1 塑件结构与工艺分析

该塑件尺寸为长285.8 mm，宽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），在保证PP材料基本性能的前提下，大幅度提高了抗冲击性能。塑件结构如图1所示，手套箱内部空腔为外观面，要求表面光洁，不得有渗化线、缩孔、裂纹以及其他类似的缺陷，可采用一个液压抽芯机构成型，左右两侧的小孔和后部筋位需要采用斜导柱滑块成型。为保证塑件精度和生产效率，采用1模1腔，热流道注塑。

图1 塑件三维模型Fig.1 Three-dimensional model of the workpiece

2 基于Moldflow的模流分析

2.1 网格划分

网格划分是Moldflow分析最基础的一步，选取合适的长宽比和网格匹配比，对于保证分析结果准确性，得到更加接近于实际生产的模拟数据来说，都具有重要的意义[2]。针对手套箱塑件，先使用Moldflow CAD Doctor 2012导入使用UG创建的三维模型，去除对分析结果没有影响的小的圆角、倒角、台阶等结构，有利于提高后续网格划分的品质和效率。然后将修复完成后的塑件模型导入Moldflow 2012中，采用双层面网格划分，网格边长取5 mm，划分后的网格匹配百分比和相互百分比达到92.7%和91.4%，品质较好。最后再修复自由边、相交单元、纵横比等缺陷，完成对塑件模型的网格划分。

2.2 浇口位置的选择

根据塑件结构和实际经验，预设了2浇口和4浇口2种不同的浇口位置方案，如图2所示。

图2 浇口布置方案Fig.2 Design plans of gate location

通过对2种方案不添加浇注系统和冷却系统的填充分析，得到如表1所示的结果。可以看出，无论是充填时间、达到顶出温度时间、注射压力和锁模力，方案二的结果都优于方案一，因此本文选择方案二的浇口布置方式进行下一步的深入模拟分析。

为进一步模拟分析，为方案二添加浇注系统和冷却系统。参考实际生产情况，确定采用点浇口热流道注塑，点浇口直径为0.8 mm，分流道直径尺寸为5 mm，主流道顶端直径为3 mm，角度为1.5°，冷却管道直径为10 mm，如图3所示。在Moldflow中选择分析类型为冷却—填充—保压—翘曲分析，工艺参数设置为：模具温度40℃，注射温度220℃，其他参数按照默认。

表1 2种方案参数分析结果比较Tab.1results comparison of the two plans

图3 添加浇注系统和冷却系统的方案二Fig.3 The second plan with gating system and cooling system

2.3 充填时间

方案二的充填时间如图4所示，充填时间为2.014 s，浇口附近最先填充完成，塑件两侧充填均衡，填充迅速，没有短射现象。

图4 充填时间Fig.4 Filling time

2.4 熔接线与气穴分析

由于采用了多个浇口，不可避免地产生了熔接线，如图5（a）所示。但参考流动前沿温度参数，流动前沿温度在注射温度（220℃）左右，使熔接线的强度较好，而且熔接线的产生位置位于塑件的非外观面，对塑件的表面品质影响较小。气穴分析如图5（b）所示，气穴多产生于料流交汇处，特别应注意与熔接线重合处产生的气穴，如有必要，可以开设排气槽，以免因气穴产生填充不满或烧伤塑件的情况。

2.5 注射压力和锁模力分析

塑件的注射压力和锁模力分别如图6（a）、（b）所示。最大注射压力为43.97 MPa，最大锁模力为446.7 t，据此可以选择800 t的注塑机进行实际生产。

2.6 翘曲分析

塑件的总体翘曲情况如图7所示，最大翘曲量为4.624 mm，进一步分离翘曲原因，可以得知，收缩不均达到3.52 mm，是导致翘曲的主要因素。引起收缩的主要原因是保压压力过低，因此可对保压压力的设置进行优化[3]。

图5 熔接线与气穴分析Fig.5 Analysis of weld bond and cavitation

图6 注射压力和锁模力分析Fig.6 Analysis ofinjection pressure and clamping force

图7 翘曲分析Fig.7 Analysis of warping

3 模具结构分析与设计

根据塑件结构和Moldflow的模流分析结果，利用UG设计出模具的详细三维结构，整体尺寸为长×宽×高＝1000 mm×800 mm×911 mm。模具的结构和开模图如图8所示。

图8 模具三维模型Fig.8 Three-dimensional model of mold

3.1 浇注系统的设计

浇注系统的设计合理与否，将对塑件的性能、尺寸、内外部品质、模具的结构和塑料的利用率等都有较大的影响[4]。由于塑件结构原因，进浇处无外观要求，所以浇注系统采用热流道点浇口4点进浇，浇口位置、流道尺寸和浇口尺寸同模流分析的相同。带热流道板的浇注系统如图9所示，熔料在进入主流道后，在热流道板中继续加热保温，然后通过热流道到达4个浇口，进行注塑。

图9 浇注系统结构Fig.9 The structure of gating system

3.2 冷却系统结构

为缩短注塑工艺成型周期，必须设计模具冷却系统。因塑件高度较大，为保证冷却液流速均匀，传热迅速，分别在上下模采用一组串联的冷却水井，以达到良好的冷却效果，其中冷却水路的直径为10 mm，冷却水井的直径为20 mm，如图10所示。

图10 冷却系统结构Fig.10 The structure of cooling system

3.3 滑块机构

该模具应用了3个斜导柱抽芯机构，1个液压抽芯机构，分别用斜导柱、锁紧块固定在定模上。塑件中间空腔部分，因滑块行程较大，若采用斜导柱抽芯，因斜导柱受力状况较差，容易损坏，且使模具体积增大，成本增加，因此采用液压抽芯机构代替，不仅简化了模具结构，降低了成本，也改善了受力状况，确保抽芯动作平稳实现。

3.4 工作原理

模具结构如图11所示（冷却水路未画出），模具合模后，熔融的塑料经过喷嘴注入模具型腔，注射成型完毕，保压冷却后，注塑机带动塑件、动模板5以下部位向下移动。随着动模板5往下移动，由斜导柱驱动的侧滑块30侧向抽芯。油缸7工作，将滑块9抽出至固定位置。动模移动至足够产品顺利脱落的位置，注塑机和动模停止向下运动，注塑机中的推杆推动推板25向上运动，使顶杆27向上运动，将产品从动模中顶出。产品取出后，模具合模，推杆复位，在复位杆和复位弹簧的作用下推板复位，滑块通过斜导柱复位，油缸复位，合模完成，开始下一个注射成型周期。

图11 模具装配图Fig.11 Assembly drawing of the mold

4 结论

（1）确定了汽车手套箱详细的成型工艺，包括浇口的数量为4个，形式为点浇口热流道注塑，位置位于手套箱的后侧，注射时间为2.014 s，最大注射压力为43.97 MPa、锁模力为446.7 t；

（2）使用UG软件设计出手套箱的整个注塑模具的详细结构，包括4个点浇口形式的热流道浇注系统，管道直径为10 mm并包含冷却水井的冷却系统，分别由斜导柱和液压驱动的4个抽芯机构等。

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