打印机纸盒延长板注塑模拟及模具设计

Injection Molding Simulation and Mould Design of Printer Carton Extension Plate

摘要

对打印机纸盒延长板进行工艺性分析，利用Moldfow及UG软件对塑件进行模拟分析及模具设计，针对塑件复杂薄壁结构，结合浇口匹配性设计两种浇口方案并进行“填充+保压+翘曲”三序列要素模拟分析，联系生产实际设计两种冷却方案进行成型工艺性分析，基于UG完成注塑模结构设计。结果表明：浇口类型选择单侧点浇口，冷却系统选择X型冷却水路，制件填充效果良好，有效避免成型缺陷。模具结构整体布局合理，利用该模具生产的注塑制件表面质量及精度均满足设计要求。

Abstract

A process analysis was conducted for the printer carto extension plate. Moldflow and UG software were employed to perform simulation analysis and mould design for the plastic part. Considering the complex thin-wall structure of the part, two gating schemes were designed based on gate compatibility, and a "filling + packing + warpage" three-sequence simulation analysis was carried out. Two cooling schemes were designed in conjunction with actual production conditions for molding process analysis. The injection mold structure design was completed based on UG. The results showed that the single-sided pinpoint gate was selected as the gate type, and the X-shaped cooling channel was selected for the cooling system. The filling effect of the part was good, effectively avoiding molding defects. The overall layout of the mould structure was reasonable, and the surface quality and precision of the injection-molded parts produced by this mold met the design requirements.

Graphical abstract

关键词

打印机纸盒延长板 / Moldflow / UG / 模具设计

Key words

Printer carton extension plate / Moldflow / UG / Mould design

注塑模具是工业体系中工艺配置的重要环节。塑件通过模具成型具有质量好、产量高、节约成本等特点，现已在汽车、化工、轻工业产品等领域得到广泛应用^[1-3]。注塑成型可一次性成型具有复杂外形和结构的塑料制品，同时产品尺寸精度高，具有成型周期短、大批量生产时易于实现自动化和半自动化、生产成本低等优点^[4-6]。

打印机纸盒作为办公设备中的关键功能部件，其结构轻量化、精度要求日益提高。延长板作为纸盒的核心组件，必须满足高强度、高尺寸稳定性及低成本批量生产的需求^[7-9]。利用计算机辅助设计/计算机辅助工程(CAD/CAE)技术进行模具设计和注塑生产，可帮助工程师减少试模时间，降低产品翘曲，加速模具设计制造流程，降低试错成本^[10-12]。马小尾等^[13]根据某款新能源汽车进气风箱面盖的结构特点和技术要求，设计一副复杂侧向抽芯机构注塑模具，成型周期缩短12%。吴颖等^[14]结合Moldflow及Ansys软件对塑料按键进行残余应力的研究，使最大残余应力降低为26.75 MPa。谢海深等^[15]运用Moldflow对注射成型过程进行了CAE分析，确定塑件的最佳浇口位置和冷却方式，通过对注射成型过程的流动模拟，预测塑料熔体注射成型的熔接痕等，得到合理的注射成型工艺参数。郭禹伦^[16]以UG NX为二次开发平台，采用可视化界面思想和知识融合语言，设计一套基于UG NX的三牙轮钻头计算机辅助设计与分析系统。

本文以某打印机纸盒延长板为研究对象，利用Moldflow软件对制件的浇口位置、冷却系统、翘曲变形等成型因素进行模拟分析，制定合理的工艺方案，并运用UG NX的注塑模向导模块完成注塑模具设计，解决实际生产中的问题。

1 塑件工艺性分析

图1为打印机纸盒延长板。塑件为薄壁类板状零件，最大外形尺寸为129.10 mm×56.00 mm×7.00 mm，最小壁厚为0.40 mm，平均壁厚为1.26 mm，面积为245.5 cm²，体积为20.8 cm³。制件两侧为滑轨结构，以便于调整其在打印机的位置。为确保延长板在定位和使用过程中的稳定性，其上表面分布较多工艺定位槽。依据零件外形特征和使用需求，塑件应保证外观质量，成型均匀。制件材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)。该材料是一种具有良好强度、良好韧性和易于加工成型的新型热塑料聚合物，具有机械强度高、冲击能力强、耐油能力强、尺寸稳定等优点^[17]。结合零件参数及实际生产需求，所选注射压力机为XS-Z-60型塑料注射成型机，注射量为60 cm³，锁模力500 kN。

2 塑件CAE分析

2.1 网格划分

利用UG NX软件进行三维建模，在模型导入Moldflow软件分析之前需要通过Caddoctor软件对制件结构进行简化处理^[18-20]。打印机纸盒延长板属于薄壁类零件，表面设有大面积定位槽，不适用于双层面网格分析，因此选用3D网格划分。取全局边长为2.26 mm。图2为延长板的网格划分模型。四面体数量为343 028个，按单元类型统计的体积(不包括模具镶块和冷却管道)为20.61 cm³，最大纵横比为26.47，最小纵横比为1.08，最大二面角为173.7。该模型可以通过模流仿真得到准确分析结果。

2.2 浇口位置分析

最佳浇口位置分析可以确定浇口的理想位置，以确保熔体均匀填充型腔，减少气穴、熔接痕等缺陷，并优化成型周期和产品质量^[21-23]。图3为浇口匹配性模拟结果。其中，红色区域为浇口匹配性最差的位置，蓝色区域为浇口匹配性最优位置。从图3可以看出，最佳浇口位置位于零件中心区域。

该零件的长宽比较大，有较多工艺装配孔。为了优化塑件成型质量，保证成型模拟结果准确性，选用单浇口和双浇口两种方案对比分析，以得到最佳浇口方案。图4为浇口方案。

对基于Moldflow得到的两种方案结果进行分析对比。图5为填充时间。从图5可以看出，单浇口方案填充时间为1.074 0 s，双浇口方案充填时间为0.486 4 s，较单浇口低0.587 6 s。图6为熔接线。从图6可以看出，单浇口方案中熔接线主要集中在塑件工艺孔两侧，双浇口熔接线与单浇口方案相比在熔体汇聚处明显增多。图7为锁模力。从图7可以看出，在相同的时间内，单浇口方案的锁模力明显低于双浇口方案，更有利于减少设备能耗和模具磨损，增加模具使用寿命。综上所述，单浇口方案结构更简单，模具易加工，成本更低，熔接痕产生更少，收缩与取向更易控制，故选择单浇口方案。

通过Moldflow验证该浇口位置合理性，图8为成型效果。从图8a可以看出，流动前沿温度，温差为12.6 ℃，满足最大温差不宜超过20 ℃原则^[24]。从图8b可以看出，填充末端压力为36.67 MPa，常规制品压力建议控制在120 MPa以下^[25]，满足要求。从图8c和图8d可以看出，制件成型均匀，收缩率小，压力分布合理。

3 冷却系统设计

3.1 冷却方案

根据塑件在型腔内部的分布，构建合理的冷却水道能够提高系统总换热率，确保塑件成型质量，提高生产效率^[26-28]。打印机纸盒延长板为板状零件，普通冷却水道便可以对该制件进行充分冷却。图9为冷却方案。从图9可以看出，两种水路均能够贴近制件表面进行冷却，对两种方案进行填充+保压+翘曲分析序列进行模拟，以得出最优冷却方案。

3.2 冷却系统分析

通过对比回路冷却液温度、回路管壁温度以及零件温度来确定模具的冷却系统方案。图10~图12分别为回路冷却液温度、回路管壁温度和零件温度。从图10~图12可以看出，X型冷却水路的回路冷却液温度高于Y型冷却水路0.02 ℃，回路管壁温度和零件温度分别低于Y型水路0.62 ℃和0.93 ℃。

图13为翘曲变形效应。从图13可以看出，X型水路翘曲变形为0.411 2 mm，Y型水路翘曲变形为0.415 0 mm。综合对比，X型冷却水路的翘曲变形较Y型水路的翘曲变形小且回路温度低，因此选择X型水路。

4 基于UG的模具结构设计

4.1 分型面和型芯型腔设计

合理地选择分型面直接影响塑件成型质量，决定模具结构的复杂程度和注塑工艺操作难度^[29]。图14为本研究设计的分型面。从图14可以看出，分型面为塑件断面轮廓最大截面处。为提高生产效率，降低生产成本，模具设计为一模两腔，更加容易控制充填平衡。图15为基于UG注塑模向导构建的型芯型腔结构。

4.2 模具总装图

基于CAE分析结果，结合实际生产需求，设计模具总装图。图16为模具二维及三维装配结构。

模具的工作过程为：开模时，动模部分向开模方向运动，型腔固定板首先与水口板分离，在拉料杆的作用下，凝料在浇口位置拉断，从型腔固定板中拉出。随着开模运动的继续，当卸料螺钉与型芯固定板接触时，水口板与定模座板分离，主流道凝料浇口套中拉出，凝料与制件分离并脱落。接着动模部分继续开模运动，型腔固定板停止运动，型腔与型芯分型。开模工作完成后，推出机构推动推板以及推杆沿着导柱向合模方向运动，将制件从模具中推出。制件推出后，在弹簧作用下推出机构向开模方向移动，复位杆先触碰到定模座板停止运动，推出系统各零件复位。在导柱和导套的导向和定位作用下，注射机的合模系统带动动模部分向合模方向移动，动模部分与定模板接触后，动模部分与定模板继续运动，直至定模座板与水口板接触后完成合模工作。

注塑模具中各零部件利用传统加工方法成型^[30]。图17为利用模具实际加工的产品。从图17可以看出，塑件整体结构、质量及精度均满足设计要求。

5 结论

利用Moldflow对打印机纸盒延长板进行模拟分析，综合制件结构及浇口匹配性分析结果，将浇口位置设置为单浇口与双浇口两种方案，通过对比分析选定单浇口方案，模具冷却方式通过对比选择X型水路，塑件成型模拟效果良好。基于UG注塑模向导模块设计一模两腔注塑模具，采取两次分型，一次推出的三板模结构，利用该模具结构生产的塑件符合设计要求。利用CAD/CAE分析技术在模具设计和注塑生产中可以帮助工程师减少试模时间，降低试错成本。塑件精度及表面质量均满足设计及使用要求。

参考文献

[1] 孔凡超, 陈佳春, 林诗济, 等. 电源外壳注塑成型模具设计[J]. 现代制造技术与装备, 2024, 60(9): 14-17.

[2] 郭雷平, 任义磊. 机顶壳塑料模具设计[J]. 中国机械, 2024(28): 31-35.

[3] 聂五四, 刘淑梅, 汪东亮, 等. 医用接插件模具设计及工艺优化[J]. 塑料科技, 2025, 53(3): 145-151.

[4] 杨春福. 圆弧抽芯注塑模具设计研究[J]. 造纸装备及材料, 2024, 53(11): 21-23.

[5] 吕新雨, 李成坤, 王浩, 等. 饮水机机嘴注塑成型模具设计及数值模拟[J]. 山东化工, 2024, 53(23): 223-226.

[6] 黄振颖, 王文星. 基于CAE技术的减速器箱体注塑成型优化分析[J]. 塑料科技, 2025, 53(2): 151-156.

[7] 李超. PFA衬里阀门注塑成型工艺研究与应用[J]. 阀门, 2024(12): 1486-1489.

[8] 翟昊泽. 基于服务设计理念的家用桌面级塑料3D打印机设计研究[D]. 青岛: 青岛大学, 2025.

[9] 江丽珍, 杨建荣, 黄凌森, 等. 基于CAE的座椅托板注塑模具设计及成型工艺优化[J]. 合成树脂及塑料, 2025, 42(1): 59-63.

[10] 张晓光, 孟枭, 李欣, 等. 无人机相机镜头盖模流分析及注塑模具设计[J]. 塑料科技, 2024, 52(12): 114-118.

[11] 王浩, 陈杰, 王泽森, 等. 车内杯座注塑成型模具设计及数值模拟[J]. 山东工业技术, 2025(1): 48-53.

[12] 茅胜天. 基于SLM的光学模具随形水路优化设计研究[D]. 镇江: 江苏科技大学, 2025.

[13] 马小伟, 张维合. 新能源汽车进气风箱面盖注塑模具的创新设计[J]. 塑料工业, 2024, 52(6): 97-101.

[14] 吴颖, 郭开波, 沈桓羽, 等. 基于Moldflow和ANSYS Workbench的塑料按键注塑成型优化分析[J]. 塑料科技, 2022, 50(9): 89-93.

[15] 谢海深, 陆玉宝, 李睿, 等. 喇叭盖的成型工艺分析与注射模具设计[J]. 塑料, 2025, 54(2): 166-172, 182.

[16] 郭禹伦. 基于UG的牙轮钻头参数化设计与仿真钻进系统的研究[D]. 西安: 西安石油大学, 2022.

[17] 梅笑源, 罗刚, 胡晓兵, 等. 瓶盖注塑模具冷却水道冷却效能分析与结构优化[J]. 四川大学学报(自然科学版), 2024, 61(5): 147-155.

[18] 唐继兵, 田少波, 陶国安, 等. 基于模流分析的动车组轴箱轴承工程塑料保持架注塑模具浇口数量方案分析[J]. 高速铁路新材料, 2024, 3(4): 33-39.

[19] 黄华辉, 戚春晓, 王灿宇, 等. 基于Moldflow的投影仪上盖倒装热流道注塑模设计[J]. 轻工科技, 2024, 40(3): 183-186.

[20] 高宏欣. 基于计算机辅助工程的PPE充电口盖成型分析[J]. 塑料科技, 2024, 52(1): 98-101.

[21] 宋芳. 基于UG的拖拉机大灯注塑模具设计[J]. 农机化研究, 2024, 46(8): 264-268.

[22] 杨程. 自行车中轴轴碗注塑模具设计优化及其疲劳失效分析[D]. 盐城: 盐城工学院, 2025.

[23] 张彬. 精密注塑模具顶针孔内表面磨损测量方法研究和系统开发[D]. 厦门: 集美大学, 2024.

[24] 王媛, 杨晶, 孙然. 基于CAD/CAE技术的复杂面板注塑模具设计研究[J]. 科技资讯, 2023, 21(21): 100-104.

[25] 李祥伟. 基于UG软件技术设计注塑模具的研究[J]. 中国设备工程, 2023(15): 126-128.

[26] 袁邦剑. 精密注塑模具冷却系统优化及轻量化研究[D]. 上海: 上海应用技术大学, 2023.

[27] 黄增辽, 林祖正. 基于UG某喇叭外壳注塑模具设计[J]. 轻工科技, 2024, 40(1): 52-55.

[28] 王春国. 注塑模具的优化设计与数值模拟[J]. 自动化应用, 2023, 64(4): 34-37.

[29] 郭旭, 邢飞, 王慧儒, 等. 基于Moldflow的分离罐浇口位置方案分析[J]. 塑料科技, 2023, 51(12): 70-75.

[30] 张荣清. 模具制造工艺[M]. 2版. 北京: 高等教育出版社, 2016.

基金资助

山东省科技型中小企业创新能力提升工程项目(2023TSGC0667)