薄壁电视机遥控器外壳的注塑模具设计与Moldflow仿真分析

Injection Mold Design and Moldflow Simulation Analysis of Thin-walled TV Remote Control Shell

摘要

根据薄壁电视机遥控器的结构工艺性分析，设计一款冷流道注塑模具，旨在研究特定外壳的脱模困难、薄壁注塑时出现欠注短射等缺陷问题。为满足高强度、耐磨性、绝缘性及大批量生产等需求，明确遥控器外壳的外形尺寸精度要求为MT5级，表面无划痕，确定脱模斜度为0.5°，材料选用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）塑料。模具采用一模两腔竖排布局，采用冷浇道浇注系统。内浇口选定为潜伏式，置于不易充型的多薄壁和卡扣处，选用圆形截面的分流道及Z型圆柱拉料杆。为了使4对对称卡扣顺利脱模，采用斜顶侧抽芯脱模机构以及循环式水道冷却。确定主要注塑工艺参数，通过Moldflow仿真分析结果可知，内浇口设置位置合理，充填时间小于5 s，流体前沿温度、整体变形以及收缩率结果均满足要求，避免欠注短射等缺陷的出现。

Abstract

Based on the structural processability analysis of the thin-wall TV remote control, a cold runner injection mold was designed to investigate the demolding difficulties of the specific shell and defects such as short shots during thin-wall injection molding. To meet the requirements for high strength, wear resistance, insulation, and mass production, the dimensional accuracy requirement of the remote control shell was specified as MT5 grade, with a scratch-free surface, and the draft angle was determined to be 0.5°. Acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) plastic was selected as the material. The mold adopted a one-mold two-cavity vertical layout with a cold runner gating system. The sub-gate was designated as a submarine type, positioned at the multi-thin-wall and snap-fit locations that were difficult to fill. A circular-section runner and a Z-type cylindrical sprue puller were selected. To ensure smooth demolding of the four pairs of symmetrical snap-fits, an angled lifter side core-pulling demolding mechanism and a cyclic water cooling system were employed. The main injection molding process parameters were determined. According to the Moldflow simulation analysis results, the sub-gate location was rational, the filling time was less than 5 s, and the results for melt front temperature, overall deformation, and shrinkage all met the requirements, avoiding defects such as short shots.

Graphical abstract

关键词

电视机遥控器外壳 / 注塑模具 / ABS材料 / Moldflow仿真分析

Key words

TV remote control shell / Injection mold / ABS material / Moldflow simulation analysis

塑料材料广泛应用于建筑、工业及日用品等领域^[1]。例如，兼具轻质、耐腐蚀及良好绝缘性的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)塑料常被用作电视机遥控器外壳的成型材料。电视机遥控器外壳主要采用注塑成型工艺，因此注塑模具技术被广泛研究^[2]。由于电视机遥控器外壳具有壁薄、孔多、带阶梯面等复杂结构特点，易出现脱模困难、欠注短射、产品质量不稳定等缺陷，增加传统注塑模具的开发难度，需要经验丰富的加工人员反复调试模具结构及注塑工艺，导致模具交付周期长、开模成本高。为克服上述困难，研究人员致力于CAD/CAE一体化集成技术的研究，显著缩短模具开发周期，降低开模及试错成本^[3-6]。周俊杰等^[3]采用Moldflow模流分析，与UG三维建模技术相融合，模拟排水泵过滤网的注塑成型过程，以最大翘曲变形量为评价指标，对浇注温度等工艺参数进行优化，改善成型效果并缩短模具研发周期。

本文以壁薄、孔多、带阶梯面的遥控器外壳为研究对象，注塑要求为未注公差的外形尺寸精度达MT5级，表面无明显划痕，脱模斜度一般取0.5°，探究基于SolidWorks软件建模与Moldflow模流分析辅助的薄壁电视机遥控器外壳模具结构设计，并对注塑成型过程及结果进行评估，以确定内浇口设置的合理性，验证遥控器外壳的注塑模具结构设计以及工艺参数选择的可行性。

1 外壳的工艺性分析

图1为薄壁遥控器外壳整体结构。外形尺寸为140 mm×45 mm×7 mm，平均厚度为2 mm，体积为11.75 cm³。从图1可以看出，该遥控器外壳主体由倒角方壳和多个按钮孔构成，薄壁和多孔特征较为显著，有阶梯面结构。该结构为注塑模具的设计提出新难度，可通过优化模具结构和调整注塑工艺参数避免产生脱模困难、欠注短射等缺陷。由图1b和图1c可以看出，该遥控器外壳的内部有4对对称卡扣结构。为了便于脱模，本文采用斜顶侧抽芯脱模机构^[7-8]。

该遥控器的外壳为ABS塑料，尺寸精度要求为MT5，塑件外表面要求无划痕，脱模斜度一般取0.5°。需要严格满足耐磨性、高强度、成本效益以及绝缘性等性能指标，大批量生产。表1为ABS塑料说明^[8]。

2 注塑模具设计

2.1 分型面设计

分型面的布局直接关系模具设计的复杂性以及产品脱模过程的顺畅与否^[9-11]。鉴于此，合理规划分型面并确定其位置至关重要。本着遵循分型面置于产品最大轮廓处、易于推出模型等原则^[9-11]，外壳外轮廓为规则阶梯面。故为了便于拔模，设计分型面布局，如图2所示。

2.2 型腔数目确定与排列

型腔数量的选择取决于多种因素，需要与选定注塑机的产能及一定的生产要求相匹配，满足成型效果要求和批次要求等。一般来说，形状结构复杂、体积较大的零件通常采用单型腔模具^[12-13]，以利于简化模具结构；而对于遥控器外壳这种结构较为简单、长宽比为3∶1标准矩形的产品，为提高生产效率，则采用一模两腔模具。图3为型腔排布方案。从图3可以看出，若按照方案1的横排方式，流道与型腔、型芯的尺寸增大，排布不合理；综合考虑到浇口位置需要与型腔、型芯尺寸相协调，按照图中方案2中的竖排排列更为合理。图4为型腔与浇注系统的排布。为满足一次注射量以及锁模力要求，初选海天HTF86J/TJ卧式注塑机。

2.3 浇注系统设计

浇注系统作为熔料从注塑机喷嘴到内浇口的输送通道，直接决定成品质量，其主要结构组成包括主流道、分流道、浇口以及冷料穴^[14]。本研究采用冷流道浇注系统。

2.3.1 主流道的设计

为使注塑机与浇口套高度过渡对接，浇口套选用Sprue Bush A(SBA)类型、对接口处设计Φ16 mm的球面结构，使熔料顺利喷射进入主流道。由于浇口套易损，采用紧固螺钉锁定方式，提高生产流程的顺畅和效率^[15]。而主流道作为浇注系统的“咽喉”，直接影响熔体的流动效率、压力传递、成型质量及生产稳定性。为了便于浇注以及增压处理，采用圆锥结构。图5为浇口套结构形状及尺寸。

2.3.2 分流道的设计

熔体经过主浇道后，将在分流道的指引下进一步流至型腔，这就使分流道储存大量热量，若分流道结构设计不合理，将会造成一定的压力损失和热损失，同时会使分流道产生热应力而开裂^[16]。为了减少热损失、降低流动阻力，分流道的截面形状采用比表面积相对小的圆形。根据注塑机喷射能力以及考虑浇注系统整体结构，分流道采用Φ6 mm的圆截面。图6为分流道结构。

2.3.3 内浇口的设计

内浇口除了将熔体送至型腔外，还能起到“阀门”作用，即迅速冷却并隔离型腔与浇注系统以防熔体倒流。由于潜伏式浇口位置隐蔽可保护外壳外表面，且脱模时自动拉断，因此能够满足有较高的外观质量要求、整体结构为薄壁件的遥控器外壳。图7为潜伏式浇口结构。其中，由于薄壁结构和卡扣的成型区域塑料熔体的流动性较差，阻力较大，可能会出现欠注短射缺陷^[16]。因此为避免该缺陷，将内浇口位置设置在多薄壁处且在一卡扣处(副闸门)，即图7c位置。

2.3.4 冷料穴

主流道末端设置冷料井及Z型圆柱状拉料杆，便于主浇道与浇口套脱出。针对电视机遥控器外壳，采用Z型圆柱状冷料穴即可，容易加工又可以满足生产需求。图8为Z型圆柱拉料杆结构。

2.3.5 顶出系统及导向机构

为保证遥控器外壳表面质量，选择推杆排布，既能降低模具制造成本，也可以实现遥控器外壳塑件的顺利脱模^[17-18]。图9为顶出系统及导向机构。遥控器外壳双侧边共有8个斜边卡扣。为了顺利脱模，特意设计8个斜推杆，即斜顶侧抽芯脱模机构(图9中红色箭头所指)。为了防止塑件推出时，模具定向出现偏差，并结合遥控器外壳结构特点，需要导向机构配合，本设计采用导柱导套最佳，图9b中蓝色箭头所指为导向机构具体布置。

2.3.6 冷却系统

模具的冷却系统设计直接影响塑件成型效果。综合遥控器外壳为ABS材料以及外壳结构特点，本模具采用的是循环式冷却水道^[19]。通过循环水道冷却，除了实现高效的冷却效果外，还使模具温度可控制在40~60 ℃的合适范围内^[20]。通过对所注塑的电视机遥控器外壳尺寸及型腔结构进行分析，采用Φ10 mm的冷却水管，并对其布局进行细致的规划。图10为冷却水道布局。

3 Moldflow模流仿真分析

通过对参考文献[21-24]中的注塑工艺参数以及不同结构ABS制件的外形、结构以及尺寸多维度分析，结合本文研究的遥控器外壳平均壁厚小、多孔特征显著、有卡扣结构的特点，确定最终注塑工艺参数，如表2所示。借助Moldflow软件对塑件的浇注过程进行充填+保压+翘曲分析，研究熔胶温度、模具温度和注射压力对充填时间、流体前沿温度以及翘曲量的影响，避免出现欠注短射等缺陷。

由于遥控器外壳主要特点为薄壁，所以在Moldflow分析时网格类型选定双层面网格，统计得34 034个节点，网格无重叠、自由边等问题，网格类型选择合理。

图11为充填可靠度和填充时间分析。从图11a可以看出，充填可靠度结果为简单，由此可知将内浇口设置在图11a中红圈位置是合理的，塑件整体结构设计合理。从图11b可以看出，整体填充时间在合理范围内，其中最大充填时间为4.818 7 s。由于中心圆按钮孔附近为多孔结构积聚处，阻流力较大，故充填时间过长^[24-25]。

图12为流体前沿温度分布。从图12可以看出，远离浇口且在圆按钮孔附近流体前沿温度较高(最高达253.193 2 ℃)，为ABS最佳融胶温度。除了多孔结构附近外，远离浇口位置的流体前沿温度在239.927 0~253.193 2 ℃，与熔体温度相差10 ℃以内，该温度区间可完全避免欠注短射等缺陷的出现。而外壳材质ABS的熔体温度范围为200~280 ℃^[22-23]，所以也印证了内浇口设置在其附近为合理方案。

图13为变形模流分析。从图13a可以看出，总变形数据的最大变形量为0.535 8 mm，且变形量均满足要求。在外壳两端变形量最大，中间部分变形量较小。从图13b和图13c可以看出，变形主要由收缩不均导致，而不均匀冷却影响极小^[26-28]，可通过优化冷却系统减小变形量，但由于变形量完全满足要求，可不作处理。图14为保压结束时的体积收缩率。从图14可以看出，最大收缩率为6.494 9%，整体变形及收缩率满足使用要求。

4 结论

利用Solidworks三维建模软件进行模具设计以及Moldflow软件分析模塑流动效应。结果表明：由于该遥控器外壳的平均壁厚为2.00 mm，结构相对简单，所以采用冷浇道系统，内浇口采用潜伏式，置于外壳多薄壁结构处以及一卡扣处。冷却系统采用循环式冷却水道，使模具温度可控制在40~60 ℃的合适范围内。为了使8个卡扣顺利脱模，设计斜顶侧抽芯脱模机构。通过Moldflow软件分析知，填充时间小于5 s，完全满足充填要求，在中心圆按钮孔附近的填充时间较长。外壳主体结构的流体前沿温度在239.927 0~253.193 2 ℃，温差小于10 ℃，可完全避免欠注短射缺陷的出现。充填可靠度为简单充型，总变形满足使用性能，最大变形主要由收缩不均所致。

参考文献

[1] 苏畅, 朱彤, 张波. 工程塑料的性能研究及应用[J]. 天津化工, 2025, 39(5): 141-145.

[2] 齐艳红, 田海波. 电液控制系统无线遥控器的设计与应用[J]. 中国新技术新产品, 2025(5): 68-70.

[3] 周俊杰, 陈秋凡, 冯文, 等. 基于Moldflow的排水泵过滤网注塑工艺优化与模具设计[J]. 工程塑料应用, 2024, 52(1): 109-115.

[4] 冯琳杰. 基于仿真设计自动化的CAD-CAE融合前处理技术研究[D]. 成都: 电子科技大学, 2024.

[5] 杨宏. 基于非结构网格的汽车结构CAE分析算法及应用研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2024.

[6] 胡祖明. CAD＆CAE二次开发技术在按摩椅设计领域的应用[D]. 福州: 福州大学, 2023.

[7] 褚大营. SiC陶瓷管脱模和模芯清洗的数值仿真及装置结构设计[D]. 济南: 济南大学, 2025.

[8] 查翔. 空气净化器超薄壁外壳注塑模具设计及工艺参数优化[D]. 大庆: 东北石油大学, 2024.

[9] 李森浩. 视觉引导机械臂对汽车转向节分型面飞边打磨研究[D]. 秦皇岛: 燕山大学, 2025.

[10] 李春玲. 基于有限元的注塑模具结构设计及工艺参数优化研究[J]. 装备制造技术, 2025(7): 51-54.

[11] 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.

[12] 易长虹. 深腔薄壁注塑模具防偏心结构探究[J]. 聚酯工业, 2023, 36(5): 45-48.

[13] 许春龙, 李耀辉. 注塑模具侧抽芯机构创新设计[J]. 机械工程与自动化, 2025, 54(3): 142-143.

[14] 宋金亚. 手持控制器塑料滑扣的注塑模具设计[J]. 塑料科技, 2025, 53(2): 146-150.

[15] 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.

[16] LIU D Y, YANG Z Y, WU Z P, et al. Optimization of conformal cooling channels in injection molds and investigation of SLM molding quality under flow rate gradients[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2025, 140(5): 2619-2635.

[17] 韩若冰. 基于3D打印的纸浆模塑模具制造关键技术研究[D]. 西安: 西安理工大学, 2023.

[18] DE SOUZA MARCONI P G C, BEAL V E, JUNIOR A S R, et al. Development of aluminum injection mold for large-scale production of plastic parts[J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2025, 47(9): 412.

[19] CHEN H M, MIAO C W, LIN G Y, et al. Design and optimization of the injection mold for rubber stators in oil production single-screw pumps[J]. Polymers, 2025, 17(4): 503.

[20] 任天娟. 电动剃须刀外壳注塑模的设计[J]. 模具技术, 2025(2): 7-12.

[21] 丘宏岳, 江丽珍, 韩伟, 等. 汽车风扇罩注塑模具的设计及结构优化[J]. 塑料, 2025, 54(4): 140-144.

[22] 姜旭, 毕凤阳, 刘长喜, 等. 基于田口法的汽车大灯灯罩双色注塑工艺参数多目标优化[J]. 塑料, 2025, 54(5): 129-134.

[23] 费然, 李海军, 张江城. 基于CAE技术的ABS矿用检测仪外壳成型质量研究[J]. 塑料工业, 2025, 53(4): 97-105.

[24] 牛景丽, 刘进钱, 明平美. 机械冷却系统对ABS薄板制件翘曲变形的影响[J]. 合成树脂及塑料, 2025, 42(2): 56-59.

[25] 刘祥建, 周佳睿, 姜劲. 基于Moldflow的按钮开关帽注塑模具设计[J]. 工程塑料应用, 2023, 51(6): 97-102.

[26] 张维合, 邓成林, 闫丽静, 等. 汽车后大灯镜壳大型薄壁精密注塑模设计[J]. 塑料, 2024, 53(1): 178-182.

[27] 吴俊超, 陈爱霞, 夏志平. 光伏移动电源电池仓上盖热流道倒装注塑模设计[J/OL]. 塑料科技, 1-11[2025-11-03].

[28] 汤小东. 汽车门把手装饰圈热流道注塑模设计[J]. 塑料科技, 2019, 47(11): 116-121.

基金资助

河南省高等学校重点科研项目(26B130002)

2025年度河南省本科高校精品课程建设项目(教高〔2025〕230号)