基于田口试验的盒盖薄壁件注塑工艺优化与模具设计

摘 要：扑克盒盖塑件较薄，在采用一模两腔的注塑工艺时，填充过程中容易出现翘曲变形的质量问题。通过理论分析、实验设计与有限元仿真相结合的方法，解决了扑克盒盖注塑成型的模具设计的难题。首先，通过Moldflow模拟仿真分析，选择合适的浇口位置，建立浇注系统及冷却系统；然后，将Moldflow与Minitab软件结合，建立了三水平四因素实验方案并进行仿真，以翘曲变形为响应目标，确定最佳的注塑成型工艺参数；最终，完成注塑模具三维图的设计，实现模具结构设计及注塑工艺参数合理化，保证了扑克盒盖一模两腔的批量生产。

关键词：扑克盒盖；模流分析；田口实验；一模两腔

中图分类号：TQ320.66fz

文献标志码：A

Optimization design of injection mold for poker box cover based on Taguchi method

HAN Minggang， DANG Shihong

（Xianyang Vocational and Technical College College of Mechanical and

Electrical Engineering， Xi’ an 712000， Shaanxi， China）

Abstract： This topic mainly aimed at poker lifted the lid with thin plastic， with one module and two cavities injection molding process， prone to be of poor quality problems in the process of filling， such as the deformation after injection forming， misrun and other problems to be solved. Therefore， the difficult problem of the plastic mold design of the poker box cover will be solved by combining theoretical analysis， experimental design and finite element simulation. First， the select the appropriate gate position， establish the gating system， and complete the optimization analysis through Moldflow simulation. Second， three-level and four-factor Taguchi experiments are established， and the best injection molding process parameters through the response objectiveof warping deformation are obtained. Thirdly， the three-dimensional design and two-dimensional drawing design of the overall mold structure are completed to ensure the batch production of one mold and two cavities.

Key words： poker box cover; moldflow; taguchi experiment; one mold two cavities

0 引 言

模具是现代工业的重要组成部分，很多新产品的研发都离不开模具［1-5］，尤其是在电子、汽车、电器、仪器、仪表等领域，其中60%～80%的零件都是依靠模具来生产的［6-7］。

扑克牌盒的盒壁较薄，在采用一模两腔的注塑工艺时，填充过程中容易出现，如变形、熔接痕、浇不足（填充不满）等问题［8-9］。本文将Moldflow［10-12］注塑模流分析技术与优化算法相结合，开展扑克盒盖注塑模具浇注系统、冷却系统及注塑工艺参数的优化分析，最终利用三维软件UG［13］完成盒盖塑件的设计。

1 盒盖塑料产品分析

作为人们日常娱乐扑克牌的保护壳，盒盖塑料产品的材料为Trinseo NA-LA的GALIBRE IM 401-11聚丙烯，推荐参数为：模具温度20～80℃，熔体温度200～280℃，注射压力80～140MPa。采用UG软件对盒盖建模，具体尺寸及三维结构如图1所示。产品的外形尺寸为99.2mm×68.8mm×22.8mm，壁厚为1.5mm，由于产品后续需要配合底盖使用，拔模斜度设为1°。盒盖两侧有一个卡口结构（34mm×1.5mm）的方孔，需要设计带有向外侧抽的侧向分型与抽芯机构的注塑模具。

由于盒盖塑件较薄，在采用一模两腔的注塑工艺时，填充过程中容易出现翘曲变形。因此，将通过有限元与算法相结合的方法开展注塑参数优化，从而降低盒盖的变形量。

2 仿真初步分析

由于产品结构相对简单，因此在进行成型仿真分析前无需对塑件产品模型进行前处理。利用Moldflow仿真软件完成该塑料制品的网格划分，在Moldflow2018软件中创建包含20118个单元的有限元模型，如图2（a）所示。进一步进行最佳浇口位置分析，确定如图2（b）中的浇口位置1。一般采用点浇口进行注塑，但是考虑到产品对外观质量要求较高，在上表面进行浇注，在开模后产品上表面存在浇口而影响外观，因此对塑件表面进行浇口约束，确定图中浇口2作为产品的注塑浇口。

由于产品为小型塑件，并为侧抽芯结构，结合浇口位置分析结果，采用一模两腔的布局设计，如图3所示。计算得浇口高度h为0.98mm，向上取整为1mm；计算得浇口宽度b为1.83mm，向上取整为2mm；长度l的范围是0.8～2.0mm，取1.2mm。

考虑到产品结构比较简单，尺寸较小，因此采用一水路在两个型腔的结构设计，扑克盒盖塑件的平均壁厚是1.5mm，小于2mm，模架大小为400mm×400mm，故选择了横截面直径为10mm的冷却水路，进出水管相距44mm，沿垂直于侧抽方向的模板单侧进出水。根据Moldflow模拟仿真创建如图4所示的冷却系统仿真模型，采用该材料推荐的默认注塑参数，熔体温度是230℃（参考推荐值），开模时间为5s，模具表面温度为50℃，注射时间为1s，注射压力为120MPa，保压压力是50MPa（一般选择为注射压力的30%～60%）。冷却水道进出口一般设计在非工人操作面，考虑到模具结构两侧沿X方向存在侧抽芯机构，沿X方向设计水路与侧抽芯滑块存在干涉，若采用4进出口的X方向水路设计会出现其中的两条水路进出口在操作面上，因此水路的设计方向为沿着Y方向，采用简单的整体式立体回形的设计结构。冷却水路温差分析结果如图5所示，冷却水路出入水温差1.56℃，小于2℃，满足水路温差范围的设计要求。

初始方案的仿真结果如图4（a）所示，可知最大翘曲变形量为0.98mm且出现在工件的4个尖角位置，由于该位置是与盒底盖进行装配，翘曲变形的尺寸要求越小越好。此外，由图4（b）可知，缩痕指数为0.6967%，一般要求在2%以下，因此塑件出现缩痕和缩孔等缺陷的可能性相对较小。

3 注塑参数优化分析

影响翘曲变形的主要因素包括：熔体温度（A）、模具温度（B）、保压压力（C）和保压时间（D），通过Minitab分析软件创建田口实验（表1），以翘曲变形（W）为目标对注塑成型工艺参数进行优化。利用田口实验法对表1中的四因素三水平设计9组实验方案，并进行仿真分析，结果如表2所示。采用望小特征函数对目标响应结果进行计算［14-15］：

η=－10lg1N∑Ni=1X2i

（1）

式中：η表示信噪比；Xi表示第i次试验的目标量；N表示试验重复次数，取1。

根据望小特征原理，计算出不同水平条件下各工艺参数的平均信噪比，如表3所示。其中，保压压力对翘曲变形影响最大，其次分别为模具温度、溶体温度和保压时间。对应的信噪比折线图，如图6所示，由于采用望小特征方法，则信噪比均值越大，则产品的翘曲变形越小。因此，确定最终方案为熔体温度270℃，模具温度30℃，保压压力70MPa，保压时间20s时（表2中的第7组试验方案），翘曲变形最小，为0.2556mm，最佳方案的仿真结果如图7所示，对比初始方案时翘曲变形的最大值为0.9823mm，降低了73.5%；缩痕指数只有0.0675%，相比于初始方案缩痕指数为0.6967%，虽然均是小于2%，但是进一步降低了塑件出现缩痕和缩孔等缺陷的可能性。

4 注塑模具设计及工作原理

图8为注塑模具装配的二维三视图和三维图，模具的整体长宽高为400mm×400mm×310mm。该注塑模具的工作原理如下：首先，通过导柱导套配合，实现定模与动模的精准导向，使得型芯与型腔配合紧密，满足产品成型需求；其次，通过料筒将PP熔融后，以一定压力和速度通过浇注系统填入型腔，进而由冷却系统使熔融的塑件冷却直至固态；然后，注塑模具开模，开模方式为侧抽芯抽出后由38根推杆将塑件推出，同时，拉料杆将凝料从分流道中推出，并取出工件；最后，通过导柱导套进行合模，利用弹簧复位机构使推杆复位，重复下一个循环过程。

5 结束语

扑克牌盒盖产品对翘曲变形控制严格，不允许出现飞边、毛刺等质量问题。设计注塑模具时，采用一模两腔的结构布局，浇口位于侧边，冷却水道为立体回形，四周环绕分布。

（1） 运用Moldflow软件对浇口位置、冷却系统及注塑工艺参数进行了仿真分析。确定了最佳浇口位置为侧浇口；由冷却系统仿真结果，确定了冷却水路温度为1.56℃，小于2℃，冷却均匀，设计合理；

（2） 方案为熔体温度270℃，模具温度30℃，保压压力70MPa，保压时间20s时，总翘曲变形最小，为0.2556mm，对比初始方案降低了73.5%；缩痕指数值只有0.0675%，低了塑件出现缩痕和缩孔等缺陷的可能性。

（3） 采用UG软件设计带侧向抽芯机构注塑模具的三维建模，设计了圆形与矩形扁推杆共计38根，保证了顶出力平衡，防止盒盖产品的损坏。

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