排水系统冲水面板模流分析及模具设计

摘 要：本文阐述冲水面板塑料件的模具设计过程，对冲水面板产品结构进行了说明.重点通过CAE软件模拟分析优化了最佳浇口位置、注塑工艺参数，同时对斜顶抽芯结构进行详细的设计计算与合理布局。该模具利用比较合理的结构，降低加工制造成本，适合大批量生产，已在生产中得到了良好的应用。通过该设计过程介绍了冲水面板类零件注塑模具设计的基本知识。

关键词：面板本体；模具设计；CAE；斜顶组件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.105

为了适应市场竞争对塑料模具的交期短、質量好、价格低的要求，模具制造业须以最短的周期、最低的成本、最优的质量设计制造出塑料模具来。本文通过冲水面板的形状结构以及材料分析，设计出低成本、高质量、高效率的模具结构。

1 产品分析

产品为排水系统冲水面板，即图1-1、图1-2所示，产品材料是ABS，其收缩率0.4%～0.6%。产品有外观要求，需电镀，塑料电镀件相比金属件来说，重量更轻，也有极佳的金属质感，还可以有效的美化塑料制品的外观和装饰。该产品为壳类零件，如下图1-1所示，长度为445mm，宽度为150mm，壁厚为3mm。外表面光滑，内表面结构较为复杂，需要多组斜顶抽芯结构。

2 产品CAE分析

通过Moldfolw软件对产品模流分析，对比出最佳浇口位置，优化注塑工艺参数，对于有熔接痕或是变形较大位置设计预留加热棒或排气等等。极大的节省模具成本、降低生产周期并提高生产效率。

（1）最佳浇口示意图2-1。

根据上面模拟分析结果，并用Moldflow中的“快速填充”进行分析，判断，筛选出最好的浇口位置。分析结果如下图：

图2-2充填时间2.0S，图2-3充填时间2.5S，选择方案一充填时间较短，对产品性能较好，可缩短成型周期。

（2）注射位置处的压力示意图。

图2-4为产品在注射过程中的每个注塑位置压力示意图，保压阶段和填充阶段过程中每个的时间点注射压力可以从图中读取。该图表明，在注射成型过程中，此产品的浇口位置处压力正常。

（3）流动前沿温度。此分析过程可以让工程师清晰了解在注射过程中熔融状态下的塑料原材最前沿的温度，最前沿的温度体现了该模具是否可以注塑生产，如果温度波动范围大，产品注塑过程问题会很多。从2-5图中我们可以观察出在面板的温度分布，此图的相邻的最前沿温度相差不到5度，所以体现了该注塑过程中，流动性好，也就体现了流道的设计的合理性。

（4）密度图。从图2-6中我们可以看出在注塑过程后，每个位置的密度基本差不多，就体现了此产品的保压压力合理且比较均匀，浇口位置合理、注塑工艺合理、流道设计合理、产品壁厚均匀，注塑填充效果好。

（5）收缩估算。

产品在注塑生产中，都会有一定收缩，尤其是在产品冷却的时间段内，如果冷却不合理，或者工艺安排不恰当就会导致产品收缩不均匀，产品会发生翘曲变形，而不同的塑料产品的收缩率都有所不同，所以由图2-7可以看出在注射过程中，收缩比较均匀且收缩很小，验证了我们的注射工艺，浇注系统的设计和模具的设计都是比较合理。

（6）水路设计。模具的水路也叫温度调节系统，在注射成型生产中有着非常重要的地位，通过控制模具温度，使注塑模具有良好的产品质量和较高的生产力[1]。本设计采用的是循环水冷却水路。

此图是分析在注塑过程中，零件的温度示意图，此图的水路都是随形水路，上下的水路各两层，总4层水路，非常充分的进行对产品零件的冷却。从图2-10我们可以看出，此产品的温度非常均匀，且温度较低，所以验证了水路的合理性和分布位置的设计合理。

由图2-11图可看出模具的温度基本上相差不大，通过随形水路分析有效的解决了注塑成型中最难控制的因素；冷却和翘曲，同时也验证了水路的设计合理性。在注射生产中，产品的温度和模具的温度都很均匀，塑料产品的质量都很高。

图2-12变形示意图是通过两个方案进行对比结果分析，左图是加了水路分析出的变形，而右图是没有加水路的变形。通过上图的结果我们可以看出没有加水路的变形问题很大，且分布不均匀，而左图在变形过程中比较合理，分布较均匀。

3 成型零件的设计

3.1 分型面的选择

依据产品形状特点选用一模一腔的单型腔模具结构，主分型面选在产品的最大轮廓面。而该产品外表面的要求高且需要电镀，又因为产品下的结构多较复杂，如果选取上表面为分型面就会导致产品难以推出，且很容易使产品留在前模上，不利于分模，所以优先考虑分型面在面板的下表面为分型面。

依据创建的分型面，拆除凸凹模零件如图3-1、3-2所示。模具中最重要的两个部分就是型芯和型腔，也叫凸模和凹模。这两部分直接决定了生产出的产品质量的好坏。在本次设计中，型芯（凸模）设计了镶件嵌入式，这样有利于于产品的质量，也有利于在后面的维护和修改模具，定模仁（型腔）设计的尺寸为299.5*209.5*48单位都是mm，动模仁（型芯）的尺寸为299.5*209.5*56.633。由于产品要求高，外观面还需要电镀，所以这两部分的模具钢材料选择进口S136（HRC48?-52?），S136具有优良的高抛光性，耐磨耐腐蚀[1]。

3.2 浇注系统的设计

浇注系统是由主流道、分流道、浇口和冷料穴4部分组成[2]。本设计的浇注系统如图3-3所示。

（1）主流道设计。为便于流道凝料从主流道衬套中拔出，主流道设计成圆锥形，锥角=5°，内部粗糙度小于0.8。主流道长度应尽可能短，否则会使凝料增多，压力损失加大，溶料冷却时太多影响注塑成型。主流道形式有整体主流道、组合主流道、衬套主流道[2]。本次选用衬套式主流道，便于制造、更换和后期处理。

（2）分流道及浇口的设计。一般分流道剖面形态有圆形、U形、梯形、方形等[2]。在选择截面形状时，根据热量散失、流通阻力、加工难以程度等。在此采用平衡式半圆形分流道，分流道剖面越小。热损失越小，流动阻力越大。

（3）浇口是浇注系统的关键部分，通过分析产品结构，结合CAE模流分析结果，故选择搭接浇口做为该模具的浇口。图3-3

（4）冷料穴位于主流道下端，是讓先行的料存储位置，防止冷料进入型腔[2]。分型时，在拉料杆的作用下，拉住凝料，使之留在动模一侧，在用顶针顶出。同时在分流道上制作冷料穴，进一步减少冷料进入型腔的可能性。

4 推出抽芯机构的设计

产品脱模是注塑成型过程中最后一个环节，脱模质量好坏影响产品的质量。本设计采用顶针和斜顶共同作用顶出产品。在这里侧重介绍关于斜顶的设计。

由于产品内有倒扣需要斜顶顶出，斜顶在注射模具中运通非常广泛，很多产品都需要斜顶作为顶出方式，尤其是在产品结构中有倒扣的时候，基本都是运用斜顶。该产品需要内抽部件较多，内抽部件为组合式，其缺点是刚度和强度不好，但是对于抽芯部件可单独进行热处理等加工强化[3]。抽芯距离应在抽出产品外，加2～3mm安全距离，确保不干涉产品的脱模。

斜顶公式为：

tanα=脱模行程S/定出行程L

α为斜顶角度；

脱模行程S为产品的倒扣在开模时所需要顶出的最短距离；

顶出行程L为整个产品在顶出时所需要的最短距离。

如图4-1所示：

一般斜顶的角度取5～8°最合适，先取6°计算：

tanα=脱模行程S/定出行程L

tan6°=6.726/L

L=6.953/tan6°

L=63.9962

所以斜顶行程最低需要预留64mm位置。

有上图4-2可知顶出高度有70.5满足斜顶顶出行程要求。斜顶胶位设计过程也得考虑斜顶的强度以及零件加工工艺。

5 排气系统的设计

生产过程中，型腔内的气体或者塑料在成型过程中产生的低分子挥发气体如果不能被排除干净，产品就会形成气泡、凹陷、表面轮廓不清晰等缺陷，因此设计模具时必须考虑型腔的排气问题[2]。在本设计中，顶杆排布的很均匀，数量也很多，并且设置了排气槽，因此采用配合间隙排气及排气槽就可以完成排气，使产品能顺利生产出来。

6 整体模具设计

模具的型腔和型芯都做成整体式，其中型芯深腔筋条处可以设计嵌入式镶拼，如若损坏，小镶件后续修改及更换较便利，大大节省成本。设计20个内抽芯斜顶结构保证产品的卡扣可以顺利脱模。添加浇注系统、冷却系统和成型标准件以后整个模具的二维装配设计如图6-1所示。

7 结论

本文讨论了冲水面板本体的形状，分析了该产品的工艺结构，采用CAE技术，模拟确定最佳进浇口的数量和位置，模具首次试模所涉及的斜顶组件顶出顺畅无卡涩，产品可机械手取出。产品外观在模流分析优选浇口后无困气包胶缩水等不良现象。且在模流分析显示的熔接线处直接设计加热棒去除产品外观熔接痕。试模完成只对产品外形尺寸加胶，减少试模次数，缩短开模周期。设计效率和效果都有了相应的提高。

参考文献：

[1]许红斌，文琍.模具制造技术[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2]刘昌棋.塑料模具设计手册[M].北京：机械工业出版社，1999.

[3]洪慎章.精密注塑成型与模具设计的因素[J].模具技术，2005.

[4]尹红灵.基于CAE技术的汽车前面板注塑成型工艺优化[J].模具技术，2015.

作者简介：张远怀（1976-），男，工程硕士，工程师，副总经理，主要研究方向：注射模具设计及制造、阻尼器设计及制造。