基于CAE的自动切浇口注塑模设计

Design of Automatic Gate Injection Mold Based on CAE

摘要

浇口作为连接塑件及流道的重要通道，生产可采用模外人工切除和模内自动切除两种工艺。对短周期成型产品，人工逐件剪切存在后处理工时消耗大、切口质量不稳定等问题，因此模内自动切除被广泛接受。根据切除温度不同，可分为冷切及热切两类，需要根据产品实际选择。针对车窗开关总成所用戟形连杆进行工艺分析，确认其采用冷切技术在经济性上更加具有优势，但应准确设计进浇方式及浇口尺寸。模具采用大水口模架及“一模八腔”的成型方案。结合Moldflow分析及注塑经验，合理确定浇口位置及截面，确保塑料平稳通过浇口并均匀充填型腔。根据Ansys断裂应力仿真，准确设计流道镶块抽芯机构，配合先复位机构，实现塑件高效生产。实际生产表明，该方案改造成本小，成型质量良好，浇口残留符合要求，生产效率提升35%，可供同类型产品模具设计提供借鉴。

Abstract

The gate served as a critical channel connecting the plastic part to the runner. Two processing methods were adopted in production: Manual trimming outside the mold and automatic cutting inside the mold. For short-cycle molding products, manual piece-by-piece shearing presented problems such as excessive post-processing labor consumption and unstable cut quality. Therefore, in-mold automatic cutting was more widely accepted. Based on the cutting temperature, the methods were classified into cold cutting and hot cutting categories, and the appropriate approach was selected according to the actual product requirements. Process analysis was conducted on the spear-shaped connecting rod used in the window switch assembly, confirming that cold cutting technology offered greater economic advantages. However, the gate location and dimensions required accurate design. The mold adopted a large-sprue mold base with a "one mold with eight cavities" scheme. Combined with Moldflow analysis and injection molding experience, the gate location and cross-section were reasonably determined to ensure smooth plastic flow through the gate and uniform cavity filling. Based on Ansys fracture stress simulation, the runner channel insert core-pulling mechanism was accurately designed, cooperating with the pre-reset mechanism to achieve efficient production of the plastic parts. Actual production demonstrated that this solution featured low modification cost, good molding quality, gate residue meeting requirements, and a 35% improvement in production efficiency, providing a reference for mold design of similar products.

Graphical abstract

关键词

自动切浇口 / 模内冷切 / 戟形连杆 / 流道镶块 / 先复位机构

Key words

Automatic sprue-cutting / In-mold cold cutting / Spear-shaped connecting rod / Runner channel insert / Pre-reset mechanism

浇口是连接塑件与流道凝料的重要通道，在产品成型后必须予以去除。根据产品结构及成型工艺要求，实际生产可分为模外人工切除和模内自动切除两种方式。对于短周期成型的小型塑件，采用人工逐件修剪，单件耗时约5~10 s，后处理工时占比可达60%以上。此外，受技能差异、疲劳作业等因素影响，切口质量长期不稳定，毛边、残留偏差普遍大于0.5 mm，后续需要额外增加修整工序，进一步加大人工成本。上述现象在汽车电子产业等大批量生产场景中尤为显著。伴随工业4.0推进，注塑车间逐步向“黑灯工厂”转型，要求全工序实现无人化衔接，产线“断点”需要自动切浇口技术打通；根据切断瞬间熔料温度，可分为模内冷切和模内热切两种实现形式^[1-3]。

模内冷切技术的原理是利用模具动作时的部件机械驱动，在浇口完全凝固后实现切断。具体分为以下3种形式：(1)利用成型腔体冲切或旋切实现，分别适用于侧面或底部的扁平浇口；(2)利用流道移动实现浇口自然分离；(3)利用推出机构设置切刀，通过预推机构或二次推出机构实现浇口的模内切断^[4-6]。上述模内冷切技术具有成本低廉、结构稳定、开发周期短、工艺兼容性强等优点。相关研究在早期以单纯的模具结构创新居多，但鲜有结合CAE仿真或实际生产验证成型效果^[7-8]。冷切切口质量受浇口充填、流动、凝固状态及切断载荷影响，工艺实现缺乏实例研究数据支撑。

模内热切技术则依赖在模具内集成的微型驱动组件和切刀，通过时序控制，在浇口处于半凝固状态时主动切断，利用熔体变形实现平滑切口。俞荣标^[9]利用热切技术实现了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)镜面外壳侧浇口的主动去除，切口外观质量符合要求。郑子军等^[10]、刘少华等^[11]、董嫔等^[12]分别设计微型油缸驱动的模内热切结构，用于车门内饰板、拉钩底座盖的注塑生产。谢祖通等^[13]设计基于时序控制的三点针阀式热流道模具，在定模侧设置模内热切机构，实现溢料与产品的分离。相比冷切技术，热切机构切口质量更优，切断时机动态可调，可显著减少产品隐性缺陷；但微型驱动组件集成使技改成本高昂，工艺调试及维护难度大，一般更适合复杂浇口与精密件生产^[14-16]。

综上所述，模内冷切技术成本低、量产稳定，模内热切精度高但调试维护复杂，在实际生产实践中应根据产品特性、生产规模与成本预算进行综合决策。本文以电动车窗开关总成中的戟形连杆为例，依托Moldflow及Ansys的CAE仿真平台，介绍该类型产品的冷切模具结构设计及生产实效验证，旨在为相关设计提供参考。

1 产品工艺分析

1.1 结构工艺性

作为智能座舱的重要组成，电动车窗开关总成是控制汽车车窗升降的核心部件，一般包含车窗升降及隔离控制等开关按钮，其操作便捷性与驾乘交互体验与行车安全息息相关^[17-19]。图1为电动车窗开关总成结构。其中，车窗隔离控制开关仅设置于驾驶位，通过功能开启可防止后排乘客对开窗升降按钮的误触操作，是安全驾乘的重要保障。从图1可以看出，驾驶员在按下隔离控制按钮P1时，压力通过弹簧P2及戟形连杆P3挤压导电橡胶P5，使其与下部线路板基座P6接触，从而激活启动相应功能。

戟形连杆是隔离按钮传递动力的关键部件，图2为戟形连杆结构。从图2可以看出，塑件长为14.0 mm，头部直径4.0 mm，杆体直径2.0 mm，中段分布有一个梯形导向筋及两个矩形卡扣。结合图1可知，梯形导向筋与按钮外壳内部导向槽配合，对连杆的运动起止转及导向作用；矩形卡扣对称设置，负责平稳传递按钮及弹簧压力。总体成型精度一般，未注公差按MT5级控制。材料选用聚碳酸酯(PC) 2805(550115)，年产量105万件，要求成型表面光洁，不允许有缩孔、气泡、飞边等缺陷，切口残留小于0.1 mm。

由于塑件尺寸小，结构简单，生产批量大，模具应采用一模多腔设计，重点关注生产效率及切口残留。针对多腔模具，模内热切需要同步配备与型腔数量相一致的切刀及机构，相应模具改造及配件成本高昂，不具备技术经济性，应考虑通过模具结构创新实现模内冷切工艺。根据产品结构，应选图示杆体轴向截面作为分型面，梯形导向筋成型于动模侧。

1.2 浇口分析

浇口位置受塑件结构、材料特性和模具设计等方面的影响，是决定熔体流动平衡、保压效果和冷却均匀性的重要因素，进一步影响产品外观、精度及使用性能。Moldflow基于流动阻力最小化及流动平衡原理，针对塑件的浇口匹配程度进行定量分析，结合零件成型工艺要求，有助于确定最佳浇口位置^[20-22]。

图3为Moldflow塑件浇口分析结果。从图3可以看出，塑件中端充填流动阻力最小，属最佳进浇位。结合选定的分型面，整个周圈上以C1处点浇口进浇最为合适，配套采用细水口模架，在二次分型基础上实现浇口自动分离。但值得注意的是，该进浇方式是在杆体圆柱面上设置点浇口，因此存在以下两个主要问题：一是出于规避浇口残留考虑，模具需要减胶避空设计，从而降低产品精度及结构强度；二是细水口设计使流道截面急剧收缩，PC熔体在浇口处受到较大挤压，并随后沿径向冲击型腔，成型后存在残余应力作用，在浇口与杆体连接区域形成应力集中区，产品在实际工程应用中在此处发生断裂的现象常有发生^[23]。因此，Moldflow推荐最佳浇口位对于实际产品并非最佳选择。

与以上方案不同的是，C2和C3分别自塑件头、尾部端面以侧浇口进浇，熔体沿杆体轴向充填型腔，应力集中风险低，在大水口模架基础上设计流道镶块及配套抽芯机构，即可实现浇口与塑件自动分离。以上方案属于模内冷切工艺，凝料切除后会有浇口残留，破坏浇口所在平面的平整性。其中，C2浇口所在位置为塑件按压导电橡胶的工作表面，为确保隔离控制功能正常作用，不可留有浇口残留。因此，综合考虑应选择尾部C3处进浇最佳。

2 模具设计

根据上述分析，本文塑件总体采用流道镶块抽芯实现自动切浇口的技术方案。选择大水口模架，并采用“一模八腔”方案，可在低成本改造方案下实现高效生产。

2.1 浇注系统

由于塑件尺寸较小，综合考虑成型质量及材料利用率。图4为浇注系统设计。从图4可以看出，塑料熔体经主流道5进入模具。主流道及其配件偏离模具中心设置，以便于抽芯机构设置及冷切工艺实现。设计采用内径为70 mm的定位圈1，并在定模座板2及定模板3上加工出相同直径的直孔。浇口套4安装于定模仁6上，大幅缩短主流道长度至24 mm。模具8个型腔排位分为2行4列，通过H形分流道7相连。分流道截面为圆形，热量及压力损失较小，分别在定模仁及动模侧流道镶块上开设。根据直径大小，分流道分为三级结构。一级分流道分为左右两股，底部镶块设有3个冷料穴以储存前锋冷料。冷却后形成冷料柱8，底部设有锥度方便脱模。主流道下方的冷料柱略有差异，近分流道侧带有一段3°反锥斜度，开模时将流道凝料留在动模一侧。二、三级分流道对称设置，流道长度尽可能短，将熔体分成8股后，经侧浇口充填进入型腔。为便于后续冷切，设置扁平矩形状小截面侧浇口，尺寸为1.00 mm×0.35 mm，面积约0.35 mm²。

基于上述分析及模内冷切的工艺需要，C3处应采用小截面进浇，型腔充填阻力较大，须进行充填平衡分析。设定注射温度为300 ℃，最大注射压力为50 MPa。图5为塑件充填仿真分析。从图5可以看出，塑件分别经浇口平衡充填8个型腔，充填迹线均匀分布，无迟滞、困气、跑道效应等问题。熔体在1.277 0 s充满型腔，并在约2.800 0 s后射出，质量逐渐趋于稳定。此时，浇口开始固化，随后通过速度/压力(v/p)切换转入保压补缩阶段^[24-25]。保压压力设定为25 MPa，截至冷却开模，整个成型工艺周期为30 s。

2.2 自动切浇口机构

塑件注塑成型后，浇注凝料包含主流道、分流道、浇口及冷料柱4个部分，冷料柱留在动模侧流道镶块上。随后，镶块在抽芯机构的作用下向模具一侧移动，完成自动切浇口动作。模内冷切时应在浇口完全固化之后，具体分为两个阶段。图6为自动切浇口动作原理。

(1)主流道定模分离阶段：主流道与定模的分离进程始于开模瞬间，直至开模行程达到主流道长度(H_主)结束。与此同时，模具采用斜导柱机构作为冷切浇口的动力装置，同样由开模动作驱动。为避免主流道在随后镶块抽芯过程与定模发生干涉，抽芯机构应设置延时装置。如图6a所示，斜导柱9倾斜角(α)为15°，并与滑块12上斜导孔间设计较大间隙(δ)为8 mm。此时，延时抽芯的开模距离(H₁)满足如下关系：

H_{\mathrm{1}}=\frac{\delta }{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha }\approx \mathrm{30.91}\mathrm{m}\mathrm{m}(1)

H_{\mathrm{1}}>H_{\mathrm{主}}=\mathrm{24}\mathrm{m}\mathrm{m}(2)

可见，当模具开模至图6b状态时，斜导柱与滑块接触，主流道已完全脱离定模浇口套，抽芯方才开始。

(2)流道镶块抽芯阶段：模具继续开模，斜导柱带动滑块后退，抽芯距(s)为7 mm，并同时剪断浇口。图7为断裂瞬间的承载应力状态。

以上浇口冷切结构等效为简单载荷下的剪切模型，所需抽芯力(F_抽)近似遵循以下公式：

F_{\mathrm{抽}}=n[\tau ]A\approx \mathrm{185.4}\mathrm{N}(3)

式(3)中：n为型腔数量；[\tau ]为剪切应力，根据断裂等效应力显示，最大应力达65.8 MPa；A为单个浇口截面积，0.35 mm²。

以上抽芯力较小，设计斜导柱直径为12 mm，足以在开模时提供足够剪切力切断浇口。斜导柱脱离滑块瞬间(如图6c)，滑块底部的限位柱16顺势滑入安装于动模板上的弹力卡14卡槽内，滑块后退立即停止，完成抽芯动作。此时，3个冷料柱对齐动模仁上开设的推杆孔，在推出机构作用下，顺利顶出完整浇注凝料。抽芯段开模距离(H₂)及对应完整开模距离(H)满足下式：

H_{\mathrm{2}}=\frac{s}{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\alpha }\approx \mathrm{26.12}\mathrm{m}\mathrm{m}(4)

H=H_{\mathrm{1}}+H_{\mathrm{2}}\approx \mathrm{57.03}\mathrm{m}\mathrm{m} (5)

2.3 先复位顶出机构

在上述设计中，推出机构与抽芯机构均位于动模侧，作用于冷料柱的顶杆需穿过流道镶块导向孔。在合模时，如顶出结构的复位仅依赖复位杆，将必然发生流道镶块与顶杆碰撞的干涉现象。因此，为确保模具工作顺利进行，须设置可靠的先复位机构。图8为先复位机构动作原理。

(1)开模：先复位杆17在开模时随定模沿导向块19和29方向移动，与摆杆21已完成分离。此时，切浇口动作已完成，冷料柱下方顶杆与流道镶块导向块轴线呈对齐状态，顶出动作准备就绪。

(2)顶出：模具在注射机控制下启动顶出动作。推板带动顶杆推出塑件及浇注系统凝料，并由机械手取出，实现自动化生产。安装于推板上的导向块29带动摆杆21顺时针旋转。顶出到位后，先复位杆与摆杆仍处于分离状态，但已在垂直方向上存在投影重叠。

(3)合模：顶出力在合模时去除，推板在弹簧复位杆23作用下先行复位。随后，先复位杆17与摆杆21重新接触，压迫其逆时针旋转并带动推板复位。由图8c可知，先复位机构在斜导柱进入滑块前，已完成顶出机构复位，避免顶出机构与自动切浇口机构干涉。

2.4 冷却系统设计

该塑件结构简单，尺寸较小，动、定模独立设置一条循环水路即可满足需要。图9为冷却系统设计。从图9a可以看出，动、定模仁需在装配承压面设置密封圈31，以防冷却水路穿越模仁时发生漏水。循环水路在分型面投影包围所有型腔，同时负责塑件及浇注系统的冷却。多型腔模具的温控系统应通过控制循环的出入水温差以保证各型腔温度分布均匀。设定进水温度为25 ℃，对回路冷却液温度仿真如图9b所示，进、出水温差仅为0.12 ℃，即模温分布得到准确控制。

3 模具工作过程

图10为模具整体结构，工作过程如下：(1)合模射胶、保压补缩、冷却成型。(2)开模抽芯。斜导柱9带动滑块12及流道镶块抽芯，完成模内冷切工序(详细过程见2.2)。(3)塑件顶出。推板25在注射机控制下，带动推杆27、28分别顶出已分离的塑件及浇注系统。顶出行程应大于冷料柱高度，通过限位柱32控制行程设为18 mm。(4)合模复位。依靠先复位机构及弹簧复位杆的作用，推出机构及抽芯机构在合模前完成复位，进入下一个成型周期，循环动作实施塑件生产任务。

4 塑件成型质量

上述模具经生产验证，动作灵活、可靠、无卡滞。由于模具在成型零件方面并无结构变化，其生产塑件外观及表面质量经检验显然满足要求，重点应关注塑浇口残留情况。图11为塑件生产实物及冷切断口显微照片。浇口冷切断面受剪切作用，PC分子链被迫拉伸，产生大量银纹，呈现“发白+弧形纹理”韧性断口特征^[26-27]。断口表面平直使用三坐标测量浇口断面与成型端面落差，浇口残留高度小于0.1 mm，符合质量要求。相比注塑后人工剪切浇口的制造工艺，该塑件一次循环生产成型8个塑件，生产节拍仅为30 s，在保证生产质量同时，生产效率提升近35%。以上模具设计的改造成本较小，技术改善的经济效益显著。

5 结论

针对塑件大批量、低成本的生产需求，模具设计基于大水口模架，并制定“一模八腔”的型腔布局方案。结合Moldflow仿真及注塑设计经验，合理确定浇口位置及截面。仿真数值显示，塑料熔体能平稳通过设计的小浇口截面，并均匀填充模具所有型腔。采用流道镶块抽芯机构实现冷切工艺，通过断裂仿真数据准确控制剪切力。配套设置先复位机构，实现塑件高效生产。实际生产塑件成型质量良好，浇口呈韧性断裂，断口平整，残留高度符合要求。对比人工剪切工艺，以上模具改造费用小，生产全流程效率明显提升，技术方案经济效益显著，可为同类似产品的模具设计提供可靠借鉴。

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基金资助

浙江工贸职业技术学院先进模具CAX创新团队(CX202102)

浙江省教育厅访问工程师校企合作项目(FG2024278)