基于Moldex3D的电路板接线盒的注塑优化

Injection Optimization of Circuit Board Junction Box Based on Moldex3D

摘要

以电路板接线盒为例，进行注塑工艺模拟及优化设计。首先使用Moldex3D模流分析软件对3种不同的进胶方案进行仿真，最终确定塑件侧端面中间处侧进胶为最佳方案。之后采用正交试验法探究最佳注塑成型工艺。结果表明：影响电路板接线盒翘曲变形量的因素顺序为熔体温度>冷却时间>保压压力>保压时间，影响体积收缩率的因素顺序为保压时间>熔体温度>保压压力>冷却时间，最佳注塑工艺参数为保压压力70 MPa、保压时间7 s、熔体温度320 ℃、冷却时间12 s。最后进行水路优化，采用回形加隔板式水路设计。经过模拟验证，最大翘曲变形量为0.816 mm，相比初始工艺参数优化了13.74%；最大体积收缩率为3.121%，相比初始工艺参数优化了16.13%；优化水路后定位孔的平均曲率半径为3 199.79 mm，相比直通式水路优化了21.63%。

Abstract

Taking the circuit board junction box as an example, the injection molding process simulation and optimization design were carried out. Firstly, the Moldex3D simulation software was employed to simulate three different gate designs. The results indicated that the side gate located at the middle of the side end face of the plastic part is the optimal solution. Then, the orthogonal test method was adopted to explore the best injection molding process. The results show that the factors affecting the warpage deformation of the circuit board junction box are in the order of melt temperature>cooling time>holding pressure>holding time, and the factors affecting the volumetric shrinkage rate are in the order of holding time>melt temperature>holding pressure>cooling time. The optimal injection molding process parameters are holding pressure of 70 MPa, holding time of 7 s, melt temperature of 320 ℃, and cooling time of 12 s. Finally, the cooling channel was optimized, and a water channel design with a baffle in the shape of a racetrack was adopted. After simulation verification, the maximum warpage deformation is 0.816 mm, which is optimized by 13.74% compared with the initial process parameters. The maximum volumetric shrinkage rate is 3.121%, which is optimized by 16.13% compared with the initial process parameters. After the cooling channel optimization, the average radius of curvature of the locating hole is 3 199.79 mm, which is optimized by 21.63% compared with the straight-through water channel.

Graphical abstract

关键词

电路板接线盒 / Moldex3D / 正交试验 / 翘曲变形 / 最大体积收缩率

Key words

Circuit board junction box / Moldex3D / Orthogonal test / Warping and deformation / Maximum volume shrinkage rate

塑料作为现代工业中不可或缺的材料之一，在消费品制造、电子产品外壳、医疗设备零件以及汽车工业和建筑等领域发挥不可替代的作用。随着塑料工业的不断发展和工业要求的提高，人们对塑料制品提出更高的要求^[1]。传统注塑成型工艺中，模具设计主要依赖设计人员长期积累的丰富经验。在实际工况下，需反复进行试模与修模，不断优化方案，整个过程用时较长、成本巨大，而且仍难以获得最优的设计方案，这大大限制了注塑成型工艺的发展^[2]。随着计算机技术的高速发展，CAE技术已成为现代模具设计不可或缺的重要工具，该技术为提高模具设计水平、制造高质量的塑料制品提供了重要保障，并且在未来的模具设计中会发挥越来越突出的作用^[3-4]。利用CAE软件进行模流分析，可以预测并减少气泡、缩痕、翘曲和变形等缺陷，确保产品质量的一致性，减少试模和调整的次数，显著缩短产品开发周期和降低成本。

本文以电路板接线盒为研究对象，基于Moldex3D软件设计3种进胶方案，最终选择出最佳进胶方案。之后以电路板接线盒塑件产品的翘曲变形和最大体积收缩率为质量指标，采用正交试验，探究最优注塑成型工艺参数并进行模拟分析，最后优化水路设计，使产品翘曲变形和最大体积收缩率得到进一步改善。

1 产品分析

1.1 结构分析

在结构设计与模具设计中，借助智能化的软件，可以实现各种复杂实体及装配图的建构。电路板接线盒是保护电子元件和电路板的壳体，使用UG三维制图软件对其进行建模，模型的尺寸为95.0 mm×65.0 mm×15.0 mm，平均壁厚为2.5 mm^[5-7]。图1为电子外壳制件的3D模型。该制件为小型薄壁外壳件，容易产生较大的翘曲变形和体积收缩，为保证装配和安全，生产过程中应尽量减少其缺陷。

1.2 材料选择

聚苯硫醚(PPS，HFT-62)具有较高的熔点、稳定的分子结构、电绝缘性能、耐热性以及热稳定性，可代替金属、热固化性树脂等，被广泛应用于各个领域^[8-9]。对于电路板接线盒来说，PPS是一种非常适合的材料，能够保证产品在高温环境下稳定运行。

图2为PPS的黏度曲线。从图2可以看出，随着剪切率和温度的升高，材料的黏度下降。图3为PPS的PVT曲线。从图3可以看出，当压力一定时，随着温度的升高，材料的比容升高；当温度一定时，随压力的增大，材料的比容下降。

2 模流分析前处理

2.1 流道系统设计

进胶方案的选定对产品的成型质量与生产效率起着至关重要的作用。浇口应置于塑件壁厚较厚的区域，同时要保证其处于能实现模腔均匀填充的合适位置，以确保材料在收缩阶段能够获得充分的补缩。对于同一产品，进浇口越多，熔体流长比越小^[10-11]。

点浇口一般应用于小型塑件的注塑成型，其进胶点尺寸微小，几乎不影响塑件外观，经过此浇口的塑料熔体拥有较大的剪切速率，使得熔体能更好地填充整个型腔^[12]；侧浇口则主要适用于薄壁制品的注塑成型，能够实现模腔的快速填充，有效避免熔体因冷却过快而影响成型效果。侧浇口还适合小型零件的生产，可满足这类零件对成型效率和质量的高要求。图4为进胶方案设计。从图4可以看出，分别设计3种进胶方案。方案一：顶面点进胶。选取在塑件上表面的几何中心点进胶能够保证充填均匀，保证熔体能够同时到达塑件的边缘，同时冷却，浇口小端设置为2.0 mm，大端为4.0 mm，分流道及冷料井直径、高度均设置为5.0 mm。方案二：侧端面侧进胶。可保证塑件上表面质量光滑，选在中间位置能保证两侧同时到达型腔，减少应力集中，浇口小端截面设置为0.5 mm×3.0 mm，大端截面为1.5 mm×3.0 mm，分流道及冷料井直径、高度均设置为5.0 mm。方案三：后端面侧进胶。设置对照试验，塑件开口部分远离浇口，先到达型腔进行冷却，冷却时间较长，有利于减少前端翘曲，浇口小端截面设为0.5 mm×3.0 mm，大端截面为1.5 mm×3.0 mm，分流道及冷料井直径、高度均设置为5.0 mm。

2.2 网格划分

模流分析中的网格划分是指将产品的三维模型分割成许多小的单元，以便对注塑过程中的材料充填、保压、冷却、翘曲等进行精确的数值模拟。三角形网格常用于薄壁产品，使用Moldex3D中的网格生成工具对塑件进行撒点处理，划分网格。实体网格元素数量为255 618，其中塑件元素为194 242，表面网格元素数量为40 396。之后，进行网格检查以确保网格的质量，避免出现T连接边和自由边等缺陷，最终检查以确保网格修复后无问题^[13-15]。图5为网格划分及检查。从图5可以看出，网格划分质量良好。

2.3 冷却系统设计

高效的冷却系统可显著缩短成型周期，提高生产效率，并改善塑件质量，减少翘曲变形和内应力。该产品为简单薄壁外壳件，冷却通道初步设计为直通式水路，沿着塑件的平行方向布置，水路之间的间距与塑件表面的距离需设置合理。动定模侧分别设置6根冷却水管道，水路与塑件的距离为15.0 mm，每根水路之间距离为25.0 mm，管道直径为6.0 mm。图6为3种进胶方案的冷却系统水路设计。

3 模流分析

根据生产经验，设置初始工艺参数为：保压压力50 MPa、保压时间6 s、熔体温度340 ℃、冷却时间8 s。

3.1 充填分析

充填时间是指在注塑成型工艺中，塑料熔体填充模具型腔所耗费的时长。对充填时间进行深入分析，能够精准判断填充流动过程是否平稳均匀，还能有效识别是否存在短射等不良现象。合理优化充填时间不仅有利于保障生产过程的高质量与高效率，更能显著降低材料浪费和能源消耗，降低生产成本。图7为3种进胶方案的充填时间。从图7可以看出，方案一、方案二和方案三的充填时间分别为1.494、1.490、1.490 s，方案二和方案三较优。

3.2 流动波前温度分析

材料流动波前的温度差过大会导致冷却速率不同，使材料在冷却过程中收缩不均匀，不仅会引发产品翘曲变形，进而影响其尺寸精度与外观质量，还会造成应力分布不均衡，内部应力可能导致产品在使用过程中出现裂纹、断裂或强度下降等问题。图8为3种进胶方案的流动波前温度。从图8可以看出，方案一、方案二和方案三的流动波前温度差分别为23.392、15.008、9.641 ℃，方案二较优。

3.3 缺陷分析

翘曲变形是指在冷却和固化过程中，由于内部应力的不均匀释放而产生的弯曲或扭曲变形。这是因为浇口位置不当、冷却系统设计不合理以及保压时间等参数设置不当，导致材料流动和冷却不均匀，产生了内应力。图9为3种进胶方案的翘曲变形量。从图9可以看出，方案一、方案二和方案三的翘曲变形量分别为0.948、0.946、0.991 mm，方案二较优。

体积收缩率是指在冷却固化过程中，产品从熔融状态冷却至室温状态，体积收缩或膨胀的百分比。在实际生产中，针对不均匀的体积收缩问题，可通过精细调控工艺参数来进行优化。当材料填充程度越高时，其分子排列则更为紧密，冷却后收缩率相对较小。图10为3种进胶方案的最大体积收缩率。从图10可以看出，方案一、方案二和方案三的最大体积收缩率分别为4.086%、3.721%、3.721%，方案二、三较优。

3.4 应力分析

残余应力计算模拟已成为研究和预测注射成型产品残余应力的重要手段^[16]。材料在流动与固化过程中会生成残余应力。在保压阶段，材料处于高黏性状态，流动性较差，容易产生保压残余应力，并且随着材料逐渐固化，固化速率存在差异，会致使保压残余应力不断累积。图11为3种进胶方案的保压残余应力。从图11可以看出，方案一、方案二和方案三的保压残余应力分别为134.512、78.203、97.873 MPa，方案二较优。

在冷却过程中，由于塑件表面和内部的冷却速率不同，导致不同区域的热收缩不均匀，从而产生冷却残余应力。冷却残余应力与温度梯度密切相关，温度梯度越大，冷却残余应力越显著。残余应力会使产品在脱模后出现翘曲或变形，进而影响产品的尺寸精度和外观质量。图12为3种进胶方案的冷却残余应力。从图12可以看出，方案一、方案二和方案三的冷却残余应力分别为124.272、73.066、92.160 MPa，方案二较优。

退火处理能够有效去除因成型时温度变化不均匀而产生的热残余应力，从而提高塑件的机械性能和尺寸精度稳定性^[17]。在去应力退火过程中，材料内部的残余应力释放会引起微观结构的变化，导致材料尺寸或形状发生变化，应力总位移量显著降低。图13为3种进胶方案的应力总位移。从图13可以看出，方案一、方案二和方案三的应力总位移分别为0.564、0.536、0.557 mm，方案二较优。

3.5 分析总结

将以上数据进行汇总，得到表1。表1为3种进胶方案的模流分析。从表1可以看出，方案二的综合表现最好，因此选择方案二作为最终的进胶方案。

4 工艺参数优化

4.1 因素水平设置

正交试验是一种高效的多因素试验设计方法，能够合理验证多因素对注射质量的影响且效率高，选择合适的因素和水平，能够显著减少试验次数，节省时间和成本，分析试验结果，进而得出显著影响因素以及最优工艺参数^[18-19]。采用4因素4水平进行探究，设计L₁₆(4⁵)正交试验，选取保压压力(A)、保压时间(B)、熔体温度(C)、冷却时间(D)作为优化变量，以翘曲变形量和最大体积收缩率作为质量指标，表2为正交试验因素水平设计，表3为正交试验结果。

4.2 极差分析

极差分析是一种用于正交试验数据分析的简单且有效的方法，通过计算每个因素在不同水平下的极差，来评估各因素对试验结果的影响程度，从而确定最优的水平组合。同一因素的平均值中，其最大值和最小值之差为极差^[20]。图14为极差趋势曲线。从表3和图14可以看出，极差分析中，对于该制件的翘曲变形，C影响最大，D次之，其后是A、B影响较小；对于该制件的最大体积收缩率，B影响最大，C次之，其后是A、D影响较小。

4.3 方差分析

为了验证极差分析的结果，利用方差分析来进一步验证试验结果是否准确。表4为翘曲变形量方差分析，表5为最大体积收缩率方差分析。

方差分析中4个因素对翘曲值均为显著影响因素，B、C对最大体积收缩率是显著影响因素。从表4和表5可以看出，影响翘曲变形因素水平顺序为C＞D＞A＞B，影响体积收缩率因素水平顺序为B＞C＞A＞D，与极差分析结果一致，正交试验有效。

4.4 参数选择

结合极差分析和方差分析，得出最优注塑工艺参数组合为：保压压力70 MPa，保压时间7 s，熔体温度320 ℃，冷却时间12 s。采用最佳注塑工艺参数进行模流分析，图15为最佳注塑工艺参数组合的缺陷。从图15可以看出，最大翘曲变形量为0.890 mm，相比初始工艺参数方案优化5.92%；最大体积收缩率为3.335%，相比初始工艺参数方案优化10.37%。

5 水路优化设计

直通式水路通常直接贯穿模具，无复杂的曲折和分支，但冷却效率和均匀性较低，导致模具局部过热或冷却不均。电路板接线盒塑件的翘曲和收缩，提升冷却效果，采用隔板式冷却系统进行优化^[21]，塑件顶部和中部均采用回形水路设计，管道直径为6.0 mm；底部采用回形加隔板式水路设计，管道直径为8.0 mm，高度为15.0 mm。优化后的水路设计可以最大化地接触塑件表面，均匀分布于模具各部分，使模具型腔温度大致均衡，便于控制模具内部温度，避免局部过热或冷却不均，从而提高冷却效率，缩短生产周期，提高产品质量^[22]。图16为优化水路设计。

采用上述最佳工艺参数进行模流分析，图17为优化水路后的缺陷分析。从图17可以看出，最大翘曲变形量为0.816 mm，相比最佳工艺参数组合下直通式水路优化8.31%，相比初始工艺参数方案优化13.74%；最大体积收缩率为3.121%，相比最佳工艺参数组合下直通式水路优化6.42%，相比初始工艺参数方案优化16.13%。

曲率半径越大，曲率越小，形状越接近于直线。形状愈发趋近于直线。为满足装配定位的要求，电路板接线盒四个定位孔的质量必须得到充分保障，图18和图19分别为直通式水路、回形加隔板式水路的曲率半径。从图18和图19可以看出，直通式水路的曲率半径平均值为4 082.68 mm，回形加隔板式水路的曲率半径平均值为3 199.79 mm，优化后的水路比直通式水路优化21.63%，优化效果显著。

6 结论

以电路板接线盒为例，使用UG三维建模软件建模，设计3种不同的进胶方案，并利用Moldex3D软件进行分析，确定方案二的侧端面侧进胶为最佳进胶方案。以塑件的翘曲和体积收缩率为质量指标，进行注塑工艺参数优化。正交试验、极差分析和方差分析的结果表明：影响翘曲变形量的顺序为：熔体温度＞冷却时间＞保压压力＞保压时间；影响最大体积收缩率顺序为：保压时间＞熔体温度＞保压压力＞冷却时间，最佳注塑工艺参数组合为保压压力70 MPa、保压时间7 s、熔体温度320 ℃、冷却时间12 s。最后，进行优化水路设计并进行模流分析，最大翘曲变形量为0.816 mm，比初始工艺参数方案优化13.74%；最大体积收缩率为3.121%，比初始工艺参数方案优化16.13%；回形加隔板式水路定位孔曲率半径比直通式水路定位孔曲率半径优化21.63%。

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基金资助

国家自然科学基金项目(52203034)

教育部产学合作协同育人项目(230802002015529)

福建理工大学研究生教育教学改革研究项目(YJG23009)

福建工程学院科研启动基金(GY-Z19048)