电表端盖成型工艺分析及模具设计

刘 昊，姜 宏，江倩雯，2，刘艳云，潘 琦

（1.国创移动能源创新中心（江苏）有限公司，江苏 常州 213166；2.江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122；3.常州纺织服装职业技术学院 机电学院，江苏 常州 213164）

0 引言

在当前“低碳经济”的发展理念下，电动汽车逐渐成为一种主流的交通工具，直流充电桩作为电动汽车的基础设施正在被迅速推广[1]。直流电表作为直流充电桩的重要组成部分，负责计量充电传输的电能，为客户提供充电收费信息[2-3]。在电表开发过程中，不仅需关注电表的使用功能要求，在外观方面还需保证加工质量。作为塑件，电表端盖采用注射成型，其注射工艺决定了成型质量，设计不合理时将导致外观收缩变形等缺陷，造成各部件装配困难。

为解决塑件外观缺陷等问题，引入CAD/CAE 技术，方便注射模的开发过程，提高塑件的成型质量。胡开元等[4]采用UG 对汽车手套箱外盖进行建模，同时结合Moldex 3D 分析结果，优化设计了模具混合冷却系统、液压斜滑块抽芯机构；杨小勇等[5]利用Moldflow 模拟四旋翼无人机上壳注射流程，对比不同浇注方式对塑件成型工艺的影响，并对无人机上壳注射过程中充填及翘曲进行优化分析；刘祥建等[6]针对塑料按钮带有环形侧凹且壁厚不均的结构特征，设计了1副带斜导柱侧抽芯机构的1模2腔模具，并运用Moldflow 确定浇口位置和冷却系统，保证了塑件的成型质量。

上述文献通过前期对塑件的仿真优化，提升了塑件成型质量，但各项研究仅针对单一目标进行优化，未考虑多方面影响因素。以下以直流电表端盖为研究对象进行成型工艺仿真，从塑件结构以及成型工艺参数等多方面进行优化，加快塑件开发进程，得到外观质量满足要求的电表端盖。

1 塑件结构

电表端盖如图1所示，整体呈薄壁结构，一侧开设密集气孔，便于下方器件散热并起到装饰作用。塑件外观尺寸为110 mm×115 mm×55 mm，平均壁厚为2.2 mm，气孔处壁厚为3.2 mm。端盖材料为PC+10%玻纤，密度约1.19 g/cm3，收缩率为0.376%，材料加工工艺参数如表1 所示。该材料为增强型塑料，热变形温度高达120 ℃以上，具有较高的力学性能及优异的抗紫外线性能，适用于户外器件外表面。根据三维模型，测量得到塑件体积约43.4 cm3，质量约51.7 g。

表1 材料成型工艺参数

图1 端盖结构

根据塑件要求，塑件的变形应低于塑件各向长度×材料收缩率，且其表面不应有明显熔接痕、收缩痕等外观缺陷。由于电表端盖与主体通过卡扣固定，需要一定的配合精度，对端盖强度和翘曲变形有较高要求。为保证塑件脱模顺利，端盖设计有2°的拔模斜度[7]。

2 成型分析

2.1 网格划分

建立端盖模流仿真模型并进行实体网格划分，如图2 所示，共107 万个四面体单元。当网格存在缺陷时会对分析结果产生不良影响，甚至无法计算，因此需要先对网格模型进行诊断[8]。根据统计结果可知，整体网格划分质量好，最大纵横比为89.2，最小纵横比为1.08，平均纵横比为8.61，网格无匹配不正确单元、无相关单元、无重叠单元，可进行模流分析。

图2 网格模型

2.2 浇注系统设计

合理可靠的浇注系统可以保证塑料熔体以最佳流动状态进入型腔，提升塑件的品质和成型速度。浇口位置、形式及数量的设计对塑件整体成型质量影响较大。浇口设置不合理，容易出现充填不足或喷射现象，同时易产生收缩孔、翘曲、表面熔接痕等影响外观质量的缺陷，因此需要对浇口形式、数量及位置进行合理设计。

利用Moldflow 对塑件进行浇口位置分析，结果如图3 所示，推荐的最佳浇口位置位于端盖中部网孔区域位置1处，考虑塑件气孔流动阻力的影响，若将浇口设置此处，将增加注射压力，局部区域易发生充填不足现象，不利于待成型塑件充填完整。

图3 浇口位置仿真结果

根据实际情况，将浇口布置于位置2，选用单点进料浇口，能保证待成型塑件充填完整，外观区域无明显缺陷；将浇口设置在侧面更方便修剪，减少塑件后期修剪痕迹工作，保证外观质量。

2.3 冷却系统设计

电表端盖厚度小，如果模具冷却不均，易造成塑件翘曲变形、应力不均等缺陷，影响塑件成型质量。同时注射模的温度变化影响塑件的生产效率。为减少塑件各部分温差，冷却系统采用传统水路+隔水板混合冷却方式，将冷却水路设置为上、下两部分，以环绕塑件四周的形式排布，端盖底部由于结构内凹，采用隔水板进行强制散热，冷却水管直径为φ10 mm，冷却系统布局如图4所示。

图4 冷却管道布局

2.4 模流分析结果

根据上述浇注系统及冷却方案，对端盖成型过程进行模拟仿真，研究塑件的成型工艺参数，包括充填时间、压力、熔接痕、收缩痕、翘曲变形等。在分析过程中，设置熔体温度300 ℃，模具温度95 ℃，保压时间10 s。端盖模流分析结果如图5所示。

图5 端盖模流分析结果

由图5（a）可知，塑料熔体充满型腔所需时间约1.94 s。在充填过程中，型腔未出现充填不足的情况，但由于浇口偏于一方，无法实现充填平衡，熔体到达型腔的时间差较大，导致冷却时长不同，容易产生翘曲变形。图5（b）显示速度-压力切换时，最大充填压力达180 MPa，压力值偏大。当熔体充填另一侧时需流经气孔区域，较大的流动阻力对熔体产生压降作用，导致所需压力增加。在充填过程中，当两股料流汇集到一起时，容易产生熔接痕[9]。由图5（c）显示的端盖熔接痕分布结果可知，熔接痕主要集中在气孔区域，影响表面质量。图5（d）所示熔体流动前沿温度在290～332 ℃，高温区域与低温区域皆位于远离浇口的一边，温差超过一般允许值20 ℃，容易造成熔体滞留现象。图5（e）中的模具温度显示塑件同侧温差接近15 ℃，温差较大，端盖四周内部角落模具温度达55 ℃，需加强冷却系统的冷却能力。图5（f）显示端盖所有效应引起总体变形约1.065 mm，位于端盖侧面，呈向内部收缩趋势，变形量较大，后期需对其进行翘曲优化。

根据分析结果可知，初始方案存在一定问题，影响塑件成型质量，主要集中在：①熔体流动不平衡，无法同时到达型腔末端，需重新设计浇注系统；②端盖侧边收缩变形，需调整结构，增加筋位以提高端盖刚强度；③模具温差较大，为改善冷却效果，重新设计冷却系统，细化完善冷却管道，增加侧向冷却水路。

3 成型优化

3.1 充填优化

原方案中浇口偏于一侧，导致塑件成型过程充填不平衡，熔体无法同时流到型腔末端，使端盖两侧压力与冷却速率不同。

为尽可能使型腔充填平衡，仍需将浇口设置于端盖中部，结合浇口位置仿真结果，优化方案中浇口位置如图6 所示[10]，设计为搭接扇形浇口，主流道A直径为φ12 mm，浇口B尺寸为12 mm×1.2 mm。

图6 端盖浇口布置

在完成网格划分和连通性诊断后，进行端盖充填分析，结果如图7所示，优化后的模型充填时间约为2.4 s，充填速度/压力切换时的压力从优化前的180 MPa 降低至86.77 MPa，优化效果明显，可选用更小保压压力的注塑机；优化后的熔接痕数量在散热孔区域明显减少，能够保证塑件表面成型质量；熔体前沿低温区域面积减少，表面温度均在300 ℃以上，较优化前的熔体流动性能更佳。

图7 优化后的充填模拟结果

3.2 冷却优化

在原方案中，冷却水路仅分布在端盖部分区域，导致端盖内部及侧边冷却不均。优化后的水路在两侧增加了冷却水路，同时增加隔水板数量，对端盖四周及内部进行有效降温，如图8 所示。通过优化冷却水路，缩小端盖各部分温差值，塑件同侧温差控制在5 ℃以内，较原方案有明显改善。回路冷却液最高温度为25.75 ℃，最低温度为25 ℃，温度升高不超过3 ℃，满足使用要求，如图9所示。

图8 优化后冷却水路

图9 优化后的塑件冷却结果

3.3 翘曲优化

由初始翘曲分析可知，端盖变形呈两侧向内收缩，原因在于端盖为薄壁塑件，当局部强度不足时，收缩内应力将导致端盖侧边发生翘曲变形。为防止端盖产生较大变形，增加端盖强度，在端盖内部增加加强筋，如图10所示。

图10 优化后的端盖模型

翘曲优化后，所有效应引起的变形分析如图11所示，最大变形量由原方案中的1.065 mm 减少至0.645 mm。由此可见，通过修改塑件结构优化翘曲变形有一定效果。

图11 所有效应引起的总体变形

4 模具结构设计

4.1 分型面设计

合理的分型面能够简化模具结构，使塑件顺利脱模，保证塑件具有良好的成型质量[11-12]。综合设计原则及端盖结构特征，分型面选择在端盖外表面，保证塑件表面质量。由于塑件具有收缩包紧力，开模时将塑件留在动模一侧。

4.2 成型零件设计

成型零件包含型腔板镶件和型芯两部分，在保证塑件质量的前提下，成型零件的设计应便于后期加工、装配、使用和维护[13]。由于端盖尺寸较小，型腔板采用组合式镶件结构可节省材料，控制成本，且便于加工和后期更换，减少热变形对后期成型精度的影响。型芯也采用组合式结构，型腔板镶件和型芯如图12所示。

图12 型腔板和型芯结构设计

4.3 侧抽芯机构设计

端盖侧面存在卡扣盲孔凹槽，其分型与开模方向不一致，在开模时会阻碍塑件推出，无法直接脱模，故在设计过程中需增加侧向分型及抽芯机构[14]。由于端盖两侧凹槽较浅，抽芯距较短，可采用斜导柱抽芯机构，如图13所示，将斜导柱固定在定模上，侧型芯滑块安装在动模上，当动模与定模分开时，侧型芯滑块与斜导柱之间发生相对位移，侧型芯滑块在斜导柱的作用下上、下移动，与塑件分离，方便推出机构将塑件从型芯中推出[15]。

图13 侧抽芯结构

4.4 模具整体结构

根据塑件的结构特征，端盖的注射模整体结构如图14 所示，采用非标准件的设计和标准件的选配[16]，模具外形尺寸为560 mm×400 mm×450 mm。

图14 模具结构

5 生产验证

端盖生产过程中，材料采用Kingfa JH720-R0G10，内部含10%玻璃纤维，能够增加塑件表面强度，且具有良好的电气绝缘性，塑件表面皮纹处理。设置注塑机工艺参数如表2 所示。经生产验证，端盖模具设计合理，能稳定可靠地进行开合模动作，成型的塑件表面质量优良，生产尺寸与设计尺寸一致，如图15所示，表面无浮纤、收缩痕、熔接痕、变形等缺陷，满足外观要求。

表2 端盖成型工艺参数

图15 电表端盖实物

6 结束语

通过对电表端盖进行充填、流动及翘曲分析，根据分析结果对端盖结构及成型工艺参数进行优化，并完成塑件注射模的结构设计。

（1）根据电表端盖的结构特点，在塑件不同位置设置浇口，利用Moldflow 软件模拟评估充填性能，对端盖注射时间、注射压力等进行仿真，分析成型过程中模具冷却效果、塑件翘曲变形等，为后期工艺优化及模具结构设计提供依据。

（2）根据初始模流分析结果，针对充填过程、冷却水路、结构变形进行优化，优化后塑件充填时间为2.43 s，注射压力为86.77 MPa，变形量减少至0.645 mm，优化效果明显。

（3）端盖注射模采用1 模1 腔结构形式，结合塑件结构特点，将端盖外表面设计为分型面，通过控制定模精度，能保证端盖表面粗糙度；模具型腔板和型芯设计为组合式结构，便于后期加工及装配；采用斜导柱侧抽芯机构，实现塑件两侧卡扣凹槽的成型与脱模。

通过上述仿真设计，解决了端盖浇口位置及尺寸、冷却系统及工艺参数难以确定的问题，通过仿真方法优化注射工艺流程，指导成型模具的设计，使塑件外观及性能得到显著提高。