基于CAE技术的塑料支架注射模具设计

Injection Mold Design of Plastic Brackets Based on CAE Technology

摘要

为解决塑料支架注塑成型时变形大、排气难、脱模难等工艺问题，对塑料支架结构进行工艺分析，确定塑料支架注射模具设计的关键技术要点。基于此设计模具浇注系统、成型零件、抽芯机构、推出机构、温控系统等机构的结构，并利用Mloldex3D软件对浇注系统及温控系统进行数值模拟。仿真实验结果表明：塑料熔体流动状态平稳，填充状态完好，产品内部剪切应力小于0.3 MPa，内部残留应力较小，能够有效减小产品成型变形，预测产品困气位置并提出包封位置解决方案，同时发现在型腔上沿产品轮廓设计阶梯形U形冷却回路未出现明显的红色积热区，确保了产品成型质量。在实际生产中，塑料支架产品轮廓清晰，表面无明显注塑缺陷，产品翘曲变形小，尺寸精度相对较高，符合产品使用技术要求，验证了模具整体设计的合理性。

Abstract

In order to solve the process problems such as large deformation, difficult exhaust and difficult ejection during the injection molding of plastic brackets, the structure of the plastic brackets was analyzed for the process. The key technical points for the design of the injection mold for the plastic brackets were determined. Based on this, the structure sof the mold's gating system, forming parts, ejector mechanism, ejection mechanism, temperature control system, etc. were designed. The numerical simulation of the gating system and temperature control system was carried out using the Moldex3D software. The simulation experiment results showed that the plastic melt flow state was stable, the filling state was intact, the internal shear stress of the product was less than 0.3 MPa, the internal residual stress was small, and it could effectively reduce the deformation of the product during molding. The location of the trapped air in the product was predicted and the solution for the encapsulation position was proposed. At the same time, it was found that there was no obvious red hot spot in the red area along the product contour when designing the stepped U-shaped cooling circuit on the cavity, which ensured the molding quality of the product. In actual production, the outline of the plastic bracket product was clear, the surface had no obvious injection defects, the product warpage deformation was small, and the dimensional accuracy was relatively high, which met the technical requirements of the product use, and verified the rationality of the overall design of the mold.

Graphical abstract

关键词

塑料支架 / 模流分析 / 模具结构

Key words

Plastic brackets / Mold flow analysis / Mold structure

塑料支架主体结构通常为一平面或近似平面，内部设置多条加强筋，在主体结构上有一处高度相对较大的深腔，这类塑料制品在注塑成型中，模具型腔中部分气体往往无法及时有效排出，导致熔融塑料在填充过程中出现填充不足或者出现表面气孔等成型缺陷^[1]。另外，由于产品的深腔及多条加强筋的结构特征，注塑时一般需要较大的注射压力才能将产品填充完整，所以容易使塑料熔体冷却凝固后紧紧包裹在成型零件上，使产品无法脱模，或者即使能脱模，但产品表面出现顶白或顶穿等质量缺陷问题^[2]。后期产品也可能由于内部残留应力过大出现变形问题。本文依托UGNX及Mloldex3D的软件设计平台，以塑料支架为例，介绍该类型产品的模具结构设计，旨在为相关领域研究提供参考。

1 产品工艺分析

产品最大外形尺寸为215 mm×110 mm×105 mm，材质为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)。主体平板特征为矩形，内部有纵横排列的加强筋，外部有圆形深腔及加强筋，左右两边有伸出的卡位，主体壁厚为2.0 mm，加强筋壁厚为1.2 mm。产品外形特性相对复杂，深腔处孔位较多，属于典型的平板深腔塑件。图1为产品结构。通过对该产品的结构工艺分析，可以确定在对该产品进行模具设计时需要解决以下技术问题：(1)产品加强筋与孔位多，注塑时模具型腔内气体难以排出，塑料熔体填充阻力大，容易出现填充不平衡和填充不足的质量问题。(2)产品中间有圆形深腔，注塑成型时可能出现产品包裹在深腔型芯上，造成无法脱模或者出现顶出缺陷。(3)产品侧面有倒扣位，模具结构上需要设计侧向分型与抽芯结构。(4)产品外形尺寸相对较大，注塑时产品内部容易出现残留应力过大，导致产品后期变形大，影响产品使用性能。(5)ABS为非结晶型塑料，其黏度随温度的增加而增加，浇注系统需要尽可能降低塑料流动阻力，成型零件需要加强冷却。

2 模具设计

2.1 浇注系统设计

该产品在浇注系统设计时，首先保障熔融塑料能够顺利充填整个模具型腔，同时要求熔融塑料流经其中时压力损失尽可能小。在设计实践中，可选用普通流道浇注系统或者热流道浇注系统。一般而言，当产品体积大、生产批量大、外观质量要求高时，首选热流道浇注系统，这样能够有效提升产品的注塑成型质量，但其缺点为热流道系统价格昂贵，生产使用成本高，因此在满足产品成型质量要求的前提下，一般优先选择普通流道的浇注系统^[3-4]。根据该产品的结构工艺特征及技术要求，从生产批量及成型质量等因素考虑，该产品成型模具的浇注系统设计为普通流道浇注系统。另外，由于ABS的表观黏度对剪切速率的依赖性强，且产品的加强筋数量多，在结构上呈现平板深腔，所以该产品的浇注点设计为点浇口的形式，以便灵活方便调整进浇点位置，保证塑料熔体平衡均匀地填充整个模具型腔。图2为浇注系统。

以图2浇注系统模型为数值计算域，塑料熔体在三维薄壁型腔内的流动可采用广义的Hele-Shaw流动模型来描述^[5]。

\frac{\partial p}{\partial x}-\frac{\partial }{\partial z}\left(\eta \frac{\partial u}{\partial z}\right)=\mathrm{0}(1)

\frac{\partial p}{\partial y}-\frac{\partial }{\partial z}\left(\eta \frac{\partial v}{\partial z}\right)=\mathrm{0}(2)

\rho C_{\mathrm{p}}[\frac{\partial T}{\partial x}+u\frac{\partial T}{\partial x}+\upsilon \left(\eta \frac{\partial T}{\partial y}\right)]=K\frac{{\partial }^{\mathrm{2}}T}{\partial z^{\mathrm{2}}}+\eta {\dot{\gamma }}^{\mathrm{2}}(3)

考虑到塑料熔体剪切变稀行为，黏度模型可采用与温度相关的Gross模型^[6]。

\eta \left(\dot{\gamma },T\right)={\eta }_{\mathrm{0}}\left(T\right)/{\left(\mathrm{1}+\frac{{\eta }_{\mathrm{0}}\dot{\gamma }}{{\tau }^{\mathrm{*}}}\right)}^{\mathrm{1}-n}(4)

式(4)中：{\eta }_{\mathrm{0}}\left(T\right)可以用Arrhenius方程来描述^[7]。

{\eta }_{\mathrm{0}}\left(T\right)=B\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(\frac{T_{\mathrm{b}}}{T}\right)(5)

式(1)~(5)中：p为压力，N/m²；T为温度，K；\rho为密度，kg/m³；C_{\mathrm{p}}为比热容，J/(kg·K)；\eta为剪切黏度，kg/(m·s)；\dot{\gamma }为剪切速率，s^-1；u、v分别是x、y方向的速度分量，m/s；K为热传导系数，W/(m·K)；{\eta }_{\mathrm{0}}为零剪切黏度，Pa·s；{\tau }^{*}为描述零剪应变区域与黏度曲线的power-law区域间的转换区域之参数；n为幂律指数，表述由牛顿黏度过渡到幂律黏度时的剪切应力水平；B、T_{\mathrm{b}}为材料常数。

压力边界条件可以认为在熔体入口处为给定的注射压，熔体前沿压力为零，模壁处压力满足无渗透边界条件。温度边界条件可以认为在模型处等于模壁温度，并沿型腔中面对称。通过对式(1)、(2)积分并利用相应的边界条件可得到压力场求解的控制方程。

\frac{\partial }{\partial x}\left(S\frac{\partial P}{\partial x}\right)+\frac{\partial }{\partial y}\left(S\frac{\partial P}{\partial y}\right)=\mathrm{0}(6)

式(6)中：S={\int }_{\mathrm{0}}^b\frac{z^{\mathrm{2}}}{\eta }\mathrm{d}z为流动率，kg/(m²·s)；b为型腔半厚度，mm。

对式(3)和式(6)离散化处理，即可求得流动的速度场、压力场和温度场。

根据上述模型计算，依托Moldex3D模流分析软件对塑料的流程状态进行仿真。其中，为防止在实际生产注塑中出现工艺缺陷问题，在模拟仿真过程中，结合模具的成型方案、塑料材料特性等综合因素，设置初始成型工艺参数^[8-9]。表1为初始成型工艺参数。

图3为浇注系统的CAE仿真模拟分析。从图3可以看出，塑料熔体流动状态平稳，填充状态完好，在模具型腔填充的末端，塑料熔体基本在同一时刻同时填充模具型腔，实现塑料熔体的平衡填充，使注射压力均匀地传递至模具型腔，有效降低产品的翘曲变形。

一般而言，当产品的剪切应力小于0.5 MPa时，产品在成型过程中及后续的翘曲变形相对较小^[10]，为了有效降低产品的翘曲变形，有必要对产品成型过程中的剪切应力进行分析。图4为剪切应力分析。从图4可以看出，产品经过保压后，产品内部的剪切应力小于0.3 MPa，说明采用该浇注系统注塑成型时产品内部残留应力较小，因此产品的后续变形相对较小，可以保障产品的使用性能。

为避免产品在注塑过程内部残留有气孔等质量缺陷，需要进一步对产品填充过程中的包封位置进行分析。图5为包封位置分析。从图5可以看出，可能产生困气的位置主要集中在底部平板与深腔处，在模具结构中，底部平板区的包封可以通过模具分型面进行排除，深腔处的包封可通过成型零件结构设计进行解决^[11]。

2.2 成型零件设计

成型零件是对成型产品内、外轮廓的零件的统称，其结构一般可设计为整体式或组合式。一般而言，成型零件结构设计的原则是^[12]：当产品形状简单，外形尺寸不大时，一般设计为整体式，这样不仅方便加工，而且还可以有效降低装配难度，提升模具的强度与刚度，而当产品形状复杂、外形尺寸较大时，一般设计为组合式，这样有利于加工工艺的优化，降低注塑填充阻力，同时还能够有效节约模具贵重材料。

由于该产品结构上有较多的加强筋位以及中间的圆形深腔位，故在成型零件结构设计时，需要重点考虑成型零件的加工难易程度、产品注塑时模具型腔的排气等问题^[13]。依据产品的结构工艺设计原则，综合分析，塑料机壳塑件的成型零件宜采用组合镶拼式的结构。图6为成型零件结构。从图6可以看出，产品分型面上侧的成型零件由上型芯板、圆形镶件和长形镶件组合而成，产品分型面下侧的成型零件由型腔、方形镶件和4个小镶件组合而成，各镶件间通过沉头与螺钉的形式固定。这样，不仅可以简化成型零件的生产制造，还能够利用镶件的组合间隙进行注塑排气，提升产品质量。

2.3 抽芯机构设计

根据产品的结构工艺特征可知，该产品的两个孔位分布在产品的左右两侧，理论上应该在相应的孔位特征处分别设计抽芯机构^[14]，否则，影响产品的正常脱模。

此外，该产品每个孔位的旁边均有卡槽特征，如果将这些卡槽特征的成型结构设计在型腔上整体成型，不仅会增加模具的制造难度，同时也会增加产品的脱模难度，加上产品结构上的深腔特征，进一步使产品在后续的推出过程中出现卡模或者顶出变形的成型缺陷。因此，为降低模具生产制造难度，减少注塑生产时产品的脱模难度，在实际设计中，采用整体式大滑块的结构^[15]，将产品的整个孔位侧面及下端卡槽整体成型。图7为抽芯机构。从图7可以看出，抽芯机构由斜导柱、滑块、锁紧块、导向块、定位螺钉组成。当滑块完成抽芯任务后，产品整个孔位侧面及下端卡槽位与滑块成型面完全分离，使产品侧面没有任何脱模阻力。采用整体式大滑块的结构成型塑件整体侧面轮廓容易导致滑块抽芯力较大。为确保滑块的可靠运行，通过对滑块成型部位抽芯力的估算，同时考虑滑块自身的重量等因素，因此在实际中设计两支直径为Φ20 mm的斜导柱进行滑块驱动。为减少滑块的外形尺寸，将其导滑部分设计为内置的T型槽结构，采用两支T型导向块进行滑块导向。该抽芯机构的工作原理是：开模时，滑块随动模板沿开模方向运行，锁紧块与滑块迅速脱离，在斜导柱的驱动下，滑块沿导向块方向进行抽芯，当斜导柱与滑块完全分离时，抽芯动作结束，同时滑块在定位螺钉的作用下定位。合模时，滑块在斜导柱的作用下沿T型导向块复位，同时锁紧块紧锁滑块。

2.4 顶出机构设计

模具推出机构在推出产品的过程中，需要避免产品顶白或顶穿的顶出缺陷^[16]。因此，在模具推出机构设计时，首先需要选择合适的推出机构类型。一般而言，模具的推出机构类型包括推杆推出机构、推管推出机构、推块推出机构、推板推出机构及液压推出机构等五大类型^[17]。在实际设计中，需要结合产品的结构工艺特征与产品质量要求等综合确定，一般优化选择推杆推出机构或与其他推出机构的组合^[18]。由产品的结构特征可知，该产品的推出机构适合采用推杆推出机构较为合适，推杆推出机构由推杆、推板固定板、推板、复位杆、复位弹簧等零件组成。图8为顶出机构。

在注塑过程中，产品在成型零件上成型，因此产品在型腔、小镶件、方形镶件等处有较大的脱模阻力，需要在这些位置针对性地设计一定数量的推杆。具体方案是：在型腔上沿靠近产品轮廓处对称均布直径为Φ8 mm的推杆；在方形镶件上沿圆形轮廓均布直径为Φ8 mm推杆；在小镶件上设计直径Φ8 mm的推杆，保障产品在推出过程中推出受力尽量均衡。推杆位置的布排形式如图8所示。由于小镶件上有直径较小的推杆，为避免其在推出过程中发生弯曲变形，在模具的推出机构中，需要设计推出导向装置，确保推杆在推出过程中的平稳可靠^[19]。

2.5 温度控制系统设计

在注塑生产周期中，熔融塑料在模具型腔中的冷却凝固耗时最长，合理的温度控制系统能够有效提升模具的注塑生产效率^[16]。模具相当于一台热交换器，以模腔为热量的交换中心输入的是处于熔融状态熔料所带来的热量，输出的是自然散热及模体热传导。但其输出的主体应当是冷却水所带走的热量。这两者在一个成型周期内，只有热交换效果最佳的模具才有可能进行快速冷却成型。冷却阶段模腔内熔体压力和温度变化历程可由如下方程进行描述。

模腔内熔体沿厚度方向的温度变化控制方程为^[20]：

\frac{\partial T}{\partial t}=\alpha \left(\frac{{\partial }^{\mathrm{2}}}{\partial y^{\mathrm{2}}}\right)(7)

初始条件：t=\mathrm{0}，T=T_{\mathrm{0}}(T_{\mathrm{0}}为初始温度)。

边界条件：y=\pm b，T=T_{\mathrm{w}}(模温)，y=\mathrm{0}，\frac{\partial T}{\partial y}=\mathrm{0}。

式(7)中：t为时间，s；T为温度，K；b为型腔半壁厚，mm；\alpha为聚合物材料的导热系数，m/s²。

该产品的材质为ABS，是一种非结晶型热塑性塑料，成型模具的温度控制系统一般以循环冷却方式为主^[17,21]。图9为温度控制系统。由于产品上表面特征以平板及内部的加强筋为主，中间特征以圆形深腔为主，所以在上型芯板上沿产品轮廓设计U形循环冷却回路，在圆形镶件上设计环形隔板喷式的冷却回路(图9a)；而产品下表面特征以深腔和深度较大的加强筋为主，因此在型腔上沿产品轮廓设计阶梯形U形冷却回路，在方形镶件上设计U形冷却回路(图9b)。用于成型产品下表面左右侧的深度较大的加强筋的小型芯，由于宽度尺寸相对较小，同时伴有推杆机构，此处无法直接进行冷却回路设计，注塑生产中可通过适当延长冷却回路循环时间，通过热传递进行冷却^[13,22]。

图10为温度控制系统仿真云图。从图10可以看出，产品上表面区域通过循环冷却后，没有出现明显的红色积热区，冷却后产品表面温度在80~90 ℃之间，而产品下表面区域通过循环冷却后，同样未出现明显的红色积热区，冷却后产品表面温度在80~90 ℃之间，产品上下区域温差相差不明显，说明冷却系统设计方案可行。

3 模具整体结构及工作过程

在完成模具浇注系统、成形零件、侧抽芯机构、推出系统、冷却系统等关键系统设计的基础上，进一步完善设计模具的定距分型结构、定位结构、支撑系统等其他的相关结构。图11为模具装配图。模具工作过程如下：

(1) 注塑充填。

熔融塑料在注塑机螺杆的作用下，经浇口套1上的主流道、定模板4上的梯形分流道、圆形分流道、上型芯板20上的圆形分流道及浇口后注入模具型腔，经过注塑机保压压力进行保压，在模具冷却系统的作用下，熔融塑料在模具型腔中冷却、定形凝固。

(2) 开模及滑块抽芯。

在注塑机开合机构的作用下，模具首先在水口板3、定模板4之间开始第一次分型，实现点浇口与产品分离，直到小拉杆17下端沉头碰到定模板4时，在定模座板2、水口板3之间开始第二次分型，实现主流道从浇口套1中分离，当拉杆螺钉22的与定板座板2相碰后，在定模板4、动模板8之间开始第三次分型，此时滑块27在斜导柱25驱动力下，完成侧向抽芯动作。

(3) 塑件推出。

开模完成后，在注塑机推杆的作用下，推动模具的推板14，推板固定板11、推杆30将产品从模具型腔中推出模外。

(4) 推出机构复位。

当产品推出模外后，注塑机推杆在液压系统作用下复位，模具的推出系统在复位杆9、复位弹簧10的作用下，使推板固定板11、推杆30、推板14等零件完成复位动作。

(5) 合模及抽芯机构复位。

在注塑机开合模机构带动下，模具动定模座板使模具的3个分型面依次合模，同时滑块27在斜导柱25的作用下复位，通过锁紧块26锁紧，完成一个注塑周期。

4 生产验证

基于上述CAE工艺分析参数及模具结构进行生产实践。图12为支架实物照片。从图12可以看出，产品轮廓清晰，表面无明显注塑缺陷，产品翘曲变形小，尺寸精度相对较高，满足产品使用技术要求。

5 结论

针对塑料支架注塑成型时变形大、排气难、脱模难等工艺问题，对模具浇注系统、成型零件、抽芯机构、推出机构、温控系统等机构的结构进行设计。通过数值模拟分析，发现塑料熔体流动状态平稳，填充状态完好，产品内部剪切应力小于0.3 MPa，内部残留应力较小，能够有效减小产品成型变形，预测了产品困气位置并提出了包封位置解决方案，发现在型腔上沿产品轮廓设计阶梯形U形冷却回路没有出现明显的红色积热区，确保产品成型质量。数值模拟结果与模具整体设计目的保持较好的一致性，验证了模具整体设计的合理性。在实际生产中，塑料支架产品轮廓清晰，表面无明显注塑缺陷，产品翘曲变形小，尺寸精度相对较高，符合产品使用技术要求，可为类似产品的模具设计提供借鉴。

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基金资助

2024年度广东省学习型社会建设（继续教育）质量提升工程项目(JXJYGC2024E273)