光伏移动电源电池仓上盖热流道倒装注塑模设计

Design of Inverted Injection Mold for Hot Runner of Upper Cover of Photovoltaic Portable Power Source Battery Compartment

摘要

根据光伏移动电源电池仓上盖的结构特点，设计一套单点热流道注塑模具。模具采用动模成型外表面，定模成型内表面的倒推模结构，保证电池仓上盖的外观质量。模具采用三面拨块式侧向抽芯机构，解决抽芯面积大、抽芯力大的脱模难题。模具采用“直通水路+隔水板水路”的温度控制系统，水路布置均匀，模具冷却均衡充分，注射周期缩短约15%，成型塑件尺寸精度达到ISO 20457：2018要求的TG2级标准。

Abstract

Based on the structural characteristics of the upper cover of photovoltaic portable power source battery compartment, a single-point hot runner injection mold was designed. The mold adopted a reverse ejection structure, where the moving half formed the outer surface and the fixed half formed the inner surface, ensuring the surface quality of the battery compartment cover. A three-sided lifter-type side core-pulling mechanism was employed to solve the demolding challenges caused by the large core-pulling area and high core-pulling force. The mold adopted a temperature control system featuring "direct-flow water channels + water-diverting baffle channels", with evenly distributed water circuits to ensure balanced and thorough cooling of the mold. The injection cycle was shortened by approximately 15%, and the dimensional accuracy of the molded parts reached the TG2 standard required by ISO 20457:2018.

Graphical abstract

关键词

光伏 / 移动电源 / 上盖 / 热流道 / 倒装注塑模 / 隔水板

Key words

Photovoltaics / Portable power source / Upper cover / Hot runner / Inverted injection mold / Baffle

近年来，光伏移动电源市场需求旺盛，但其电池仓上盖塑件结构日趋复杂，给注塑工艺带来了高精度、短周期与复杂成型的多重挑战。为应对这些挑战，倒装热流道注塑模凭借其卓越性能被广泛采用。然而，复杂塑件的外观控制、需要大抽芯力的抽芯结构设计、倒装模平稳顶出及均匀冷却等问题仍是制约效率和精度的关键因素。研究人员围绕倒装热流道注塑模展开深入研究。郝加杰等^[1]设计具有隧道抽芯机构的倒装双色注塑模。梅益等^[2]设计在动、定模上的液压、斜滑块侧抽芯机构。任长春等^[3]采用五点热流道直浇口从塑件内部进料，并采用斜顶及斜导柱侧向抽芯成型倒扣。这些研究有效解决复杂塑件成型质量问题和倒扣区域小、所需抽芯力小的侧抽芯问题。对于需要大抽芯力(尤其三面抽芯)的问题，传统方案(如斜导柱、液压抽芯等)存在明显不足^[4]，如设计制造复杂、成本高、易磨损卡滞、维护困难等^[5]。液压抽芯虽能提供大的抽芯力，但有泄漏污染风险，对油品和温度控制要求苛刻^[6]。气动抽芯则面临压力波动和抽芯力不足的问题。

针对光伏电池仓上盖的三面抽芯和高精度要求，现有方案难以兼顾质量与效率。本文采用倒装模结构、双油缸顶出系统、结构简单且抽芯力大的拨块式抽芯机构以及冷却均衡的温控系统，旨在解决复杂塑件成型难题，为同类产品提供高效精密模具设计参考。

1 塑件结构分析

1.1 研究对象

本文主要研究电池仓上盖的模具设计。图1为电池仓上盖的基本尺寸和设计要求。

1.2 塑件结构特点

塑件的结构特点为：(1)电池仓上盖的最大外形尺寸为482 mm×235 mm×82 mm，塑件尺寸较大，壁厚均匀，平均壁厚为2.5 mm，产量为5万件/年，批量不大。(2)电池仓上盖是一个盒盖类零件，塑件中间不是中空结构。该塑料件为外观件，表面要求较高，外表面不能有凹痕、熔接不良、银丝、色泽不匀、太阳纹等缺陷。(3)塑件结构复杂，有多个外侧孔和倒扣，抽芯面积大，抽芯力大。此外，塑件还有较多的加强筋特征，脱模较为困难。

1.3 模具结构确定分析

在模具设计前，进行浇口数量、位置分析以及成型窗口分析。单个塑件可以采用一个浇口或多个浇口，考虑到塑件体积不大和模具成本(客户倾向于采用热流道，浇口越多成本越高)，初定一个浇口进行浇口分析和成型窗口分析。图2为网格划分和浇口分析结果。从图2a可以看出，经过网格划分、网格诊断和网格修复，网格的各参数满足模流分析计算要求^[7]。然后设定分析参数并运行分析。图2b的浇口位置分析结果表明，浇口应该位于塑件的中间位置，考虑到塑件有较为严格的外观面要求(不允许有点浇口的痕迹，进胶点不能设置在外表面)，进胶点只能设置在塑件的内表面。进胶点在塑件中间，又在塑件的内表面，塑件中间还没有孔用来做侧浇口，同时还不允许用点浇口，就只能采用潜伏式浇口或者倒装模。如果采用潜伏式浇口，本例潜进胶在XY面上的投影距离至少为118 mm(塑件长或宽最小尺寸的一半)，这样潜伏式浇口的长度过大，生产困难。最终决定采用单点热嘴，倒装模结构。

图3为成型窗口分析结果。从图3a可以看出，成型窗口推荐工艺参数为：模具温度85 ℃、熔体温度280 ℃^[8]、注射时间2.671 4 s(取整为2.7 s)。当模具温度为85 ℃时，首选区域、可行区域的成型工艺范围足够宽(注射时间可选1.5~8.0 s；熔体温度，即料温可选220~280 ℃)，完全能够满足生产需求。从图3b可以看出，最大压力降成型窗口工艺参数无论取首选区域还是可行区域，注塑电池仓上盖所需的最大压力均不超过82.45 MPa。国产的大多数注塑机都能够满足这个压力需求，也印证了只设置一个浇口完全能够满足电池仓上盖塑件的注塑需求。实际生产中单浇口方案较双浇口可减少17%(实测数据)的能耗。如果一个浇口能够满足电池仓上盖塑件的注塑需求，从节约成本与低碳制造角度考量，不宜采用双浇口或多浇口设计方案^[9]。

1.4 塑件材料选择

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)是一种适用于电器外壳的高分子聚合物^[10]，由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯共聚物3种单体聚合而成，成本较低，可回收利用。其拉伸强度为30~50 MPa，弯曲强度为50~70 MPa^[11]，有良好的耐磨性和尺寸稳定性和抗冲击性，绝缘性好，其强度、韧性、刚性性能均衡，易加工，表面可精致处理^[12]。

结合材料的流变特性(如剪切变稀)、压力-体积-温度(PVT)曲线和收缩率数据，产品选用的材料为英国INEOS集团旗下子公司INEOS Styrolution生产的牌号为Lustran ABS 1146的高性能ABS。推荐的熔体温度为260 ℃，模具温度60~85 ℃，顶出温度为85 ℃，材料的流变温度为100 ℃^[13]。图4为ABS树脂的材料特性。

2 模具结构设计

2.1 倒装模模具结构设计

图5为倒装模模具结构。设计并购买标准模架LKM_SG系列的工字模CI 4070。替换顶针底板为图5所示的形状和尺寸。因为是倒装模，需要将标准模架的下模座板当成定模板用。在标准模架的下模板(图5中的定模板)、顶针底板、顶针面板上设计合适的尺寸，以便安装热流道保护套，在热流道保护套的内部安装单点热流道。在标准模架的下模板、顶针底板上设计并加工出合理的结构，用于安装油缸A和油缸B。开模时，顶针底板、顶针面板以及顶针等顶出组件在油缸A和油缸B的作用下缓慢离开标准模架的下模板，在顶针的作用下顶出组件将电池仓上盖从型芯上顶出来。

图6为分型面和型芯型腔结构。从图6可以看出，3个有倒扣的侧面均需要做滑块结构。考虑到型芯上有一些宽1.8 mm的加强筋，为降低加工难度、节约成本、利于排气、提升局部散热效果，将型芯部分拆成一个大的型芯镶件和4个铍铜小镶件。

2.2 浇注系统的设计

塑件尺寸较大但批量不大，考虑到模具成本和搬运等具体情况，模具采用一模一件的设计方案。塑件中间没有中空结构，模具的浇注系统无法穿过产品，因此无法采用大水口两板模。另外该塑件为外观件，表面质量要求较高，外表面不能有凹痕、熔接不良、银丝、色泽不均、太阳纹等缺陷，因而也不能设计点浇口三板模。综合以上分析，为保证电池仓上盖的外观质量，用于生产电池仓上盖的模具采用动模成型外表面，定模成型内表面的倒推模结构是可行的设计方案。因为塑件尺寸较大，每次注塑浇注系统的残料也会比较多，为了节约成本，实现绿色生产，决定采用“热流道”单点进胶的进胶方式。图7为模具浇注系统。

2.3 侧向抽芯机构的设计

该套模具需要做三面抽芯，抽芯区域有3个特点：(1)抽芯区域较大，最大抽芯区域为102.02 mm×345.00 mm。(2)抽芯距离较小，3个滑块的抽芯距离分别为4.44、7.98、4.44 mm。(3)抽芯力较大，最大的滑块质量为10.22 kg，脱模相对困难。

根据抽芯区域的特点，抽芯结构采用拨块式滑块抽芯机构。该侧向抽芯机构不需要外部动力，结构简单成本低，可以做强度足够的拨块，可靠性高。图8为滑块结构。从图8可以看出，每个拨块仅需要两个M10的内六角螺丝锁紧在型腔板上即可。开模时，拨块和型腔板一起缓慢离开塑件，通过拨块的斜面转换，驱动滑块做侧向抽芯运动。合模时，拨块斜面引导滑块复位。

2.4 冷却系统的设计

为了最大限度地减小塑件翘曲变形，应保证模具冷却均匀性，将冷却水路进、出口温差严格控制在±10 ℃以内，确保型芯型腔冷却均匀。图9为冷却系统结构。从图9a可以看出，型腔侧采用“单水管+隔水板”的水路结构。冷却水分别从两根直径为12 mm的单水管流入，分别流经5根直径为22 mm的隔水板水路，最后分别从两根直径为20 mm的单水管中流出。鉴于模具结构的影响，左侧有条隔水板水路直径调整为18 mm。从图9b可以看出，型芯侧采用“直通水路+回型水路+隔水板”的水路结构。两条直通水路的直径均为8 mm，回形水路的直径为10 mm，在回形水路上增加3条直径16 mm的隔水板水路。为了方便钻孔，型芯侧水路增加7个铜堵头和6个O型密封圈。从结构上看，水路布置均匀，水路位置合理。

2.5 顶出机构的设计

图10为顶出系统。从图10可以看出，该套倒装注塑模选用4支Φ4 mm、4支Φ6 mm、13支Φ10 mm、15支Φ5 mm共36支顶针，尽量均匀地分布在塑件包紧力大的区域，顶针穿过顶针面板，并利用顶针面板将顶针的杯头紧紧压在顶针底板上。顶出系统的动力源选用两个规格型号完全一样的液压油缸。考虑到模具顶出系统的自重有113.78 kg，需要的顶出力较大，所以选择HOB-重型液压油缸。该油缸缸径为63 mm，油缸行程为50 mm，选用油缸的安装方式采用“前法兰型”，活塞杆前端形状采用“外螺纹型”。经过顶出力核算，该油缸能够满足顶出要求。油缸A和油缸B分别通过四颗M12的螺丝锁紧在顶针底板上。在定模板上开出“凸”字形槽，有“凹”字形圆槽的油缸连接件，中间做出通孔后，用铣螺纹的方式铣出M30的粗牙螺纹，用来连接活塞杆前端的外螺纹。油缸在液压油的作用下就可以将顶出系统从定模板上推开，将产品顶出，同样在液压油的作用下也能够实现顶出系统复位。选用的“接触型”行程开关(型号为V-15-1A5-T)能够确保顶出系统完全复位。

2.6 模具工作原理

图11为热流道倒装注塑模装配。整体尺寸为450 mm×900 mm×481 mm，该注塑模具采用一模一腔的两板式倒装结构，通过单点热流道进胶系统有效减少注塑压力损失。模具的工作原理为：(1)安装与预热阶段。使用定位圈确保模具在注塑机上的精确定位。随后连接热流道系统的电源接口，依次完成冷却水路和液压油路的对接。待热流道温度升至预设值后，注塑机螺杆将熔融塑料注入模具型腔完成成型过程^[14]。(2)开模与抽芯阶段。经过保压和冷却，待塑件达到顶出条件后，注塑机带动模向后移动，3个滑块在拨块的带动下向外侧滑动完成抽芯动作。塑件因冷却收缩产生包紧力，该包紧力致使塑件滞留在型芯表面。(3)顶出脱模阶段。待模具完全打开，液压油缸A和油缸B同时启动，在液压力的作用下活塞杆缓慢伸出，通过油缸连接件推开定模板上的顶出系统，最终实现电池仓上盖塑件从型芯上的脱离。(4)复位阶段。待塑件取出后，模具开始进行复位，油缸A和油缸B在液压力的驱动下，通过复位杆及中托司(推板导柱导套)推动顶出机构复位，待行程开关检测到完全复位后，模具闭合完成，开始下一次循环注塑。

3 基于Moldflow的模流分析

在模具设计前，模流分析主要用于确定模具结构和确定工艺参数可行性范围，具体包括浇口位置/数量分析、成型窗口分析(界定模具温度、熔体温度、注塑时间、注射压力的工艺边界)，同时结合材料的流变特性和收缩率数据，辅助塑件原材料的选取。模具设计完成后，模流分析则聚焦于模具结构验证(充填时间是否合理、充填平衡性、注塑压力大小是否合理、冷却效率是否合理、冷却是否均匀等)和塑件缺陷预测^[15](熔接线的数量、长度、位置和强度风险、气穴多少、位置和体积、翘曲变形和体积收缩率是否超出生产许可等)，并基于仿真结果优化注塑工艺参数(注射时间、注射压力、保压压力、保压时间、冷却时间、注塑成型周期等)，从而减少试模次数，提升良品率，降低开发成本^[16]。

3.1 验证浇注系统设计的合理性

图12为充填时间、压力、流动前沿温度的CAE分析结果。从图12a可以看出，电池仓上盖塑件的充填时间约为5.6 s，充填时间适中，充填平衡(充填末端共有两处，充填时间差小于0.1 s)。从图12b可以看出，充填过程中最大压力不超过111.40 MPa，充填压力合理。从图12c可以看出，流动前沿温度为254.4~261.4 ℃(模拟时采用的熔体温度为260 ℃)，远高于材料的流变转换温度(材料的流变转换温度是122 ℃)，符合企业生产标准(流动前沿温度最多可以比料温上升2 ℃，流动前沿温度下降得越少越好，10 ℃以内塑件质量会比较好，流动前沿温度最多下降20 ℃)。从图12的各项指标上看，浇注系统设计合理。

3.2 验证冷却系统设计的合理性

CAE分析采用和设计一模一样的水路，冷却介质采用纯水，设定冷却介质的雷诺数为10 000(雷诺数低于4 000为平流，除热效率差，雷诺数高于4 000为紊流，除热效率高)，冷却介质入口温度设定为60 ℃(成型窗口分析的推荐模温为85 ℃，企业生产标准为入水口温度比推荐模温低10~30 ℃)。

图13为冷却系统相关分析结果。从图13a可以看出，冷却介质出入水口温差的最大值为62.15-59.88=2.27 ℃，符合企业生产要求(企业标准：出入水口温差不大于2~3 ℃)。从图13b可以看出，回路管壁温度和冷却液入口温差为+4.57 ℃和-3.55 ℃，处于生产标准要求±5 ℃范围内，说明模具不存在热点。从图13c可以看出，模具最大温差为(83.16-64.58)/2=9.29 ℃，小于企业生产要求的“前模最大温差或后模最大温差不大于±10 ℃”的要求。模具生产周期主要取决于塑件的冷却时间，一般情况下，塑件达到顶出要求所需的时间越短，模具的生产周期越短。从图13d可以看出，达到顶出要求所需要的时间为78.94 s。这个时间说明设计的水路除热效率高，冷却时间较短，模具生产周期应该不超过90 s，该设计能为企业节约生产成本。从图13的各项指标上看，冷却系统水路分布合理，水路直径设计合理，模具冷却时间较短，整个水路的冷却效率较高。

3.3 有可能存在的塑件缺陷

图14为熔接线、总体温度、气穴、翘曲变形量的分析结果。从图14可以看出，充填时间、冷却时间、翘曲变形量等分析结果均能够满足生产要求，但存在较多的熔接线，有些区域的熔接线较长(图14a，其中4处最长的熔接线分别约为58.65、46.21、39.51、38.23 mm，在生产中超过10 mm的熔接线需要通过调节注塑工艺参数进行改进)。该产品的孔位和筋位较多，分析结果中出现多个熔接线为正常现象。

Moldflow软件只能预测有可能出现熔接线的地方，实际生产中是否一定会在预测位置出现熔接线还和现场的工艺有关。通过查看Moldflow的总体温度分析结果，在充填结束的时候，Moldflow软件预测会出现较长熔接线的4个区域，熔融塑料的温度都在250 ℃以上(图14b)。查看ABS材料的推荐工艺可知(图4a)，材料的成型温度范围为220~280 ℃，推荐成型温度为260 ℃^[17]，在充填结束时，熔融塑料的温度仍然在材料的推荐成型温度260 ℃附近，如果后期采用合理的保压压力和保压时间，塑件表面应该不会出现熔接线。

从图14c可以看出，塑件的气穴较多，但大部分分布在分型线周围、BOSS柱附近以及侧抽芯所在区域，这可以通过大分型面、司筒顶针缝隙以及滑块和型腔的缝隙进行排气。由于电池仓上盖模具设计的顶针和司筒较多，还有3个较大的滑块，存在困气，产品上形成气穴的可能性不大。如果在试模中电池仓上盖塑件存在气穴或者模具存在排气不良的情况，也可以对模具开设排气槽。

从图14d可以看出，电池仓上盖的最大翘曲变形量仅为1.860 0mm，该翘曲变形量不会影响电池仓上盖的装配。

4 实际生产验证

根据前文设计的光伏移动电源电池仓上盖倒装注塑模进行加工制造，图15为实际试模结果。从图15可以看出，在试模过程中试模工人结合经验并参考模流分析得到的工艺参数，生产出合格电池仓上盖塑件。

经过一段时间的生产和质量检验，光伏移动电源电池仓上盖外观质量稳定，表面光洁，无熔接线、缩痕等问题，完全满足装配要求，尺寸精度和表面粗糙度得到肯定。通过实际生产验证，本研究开发的倒装式注塑模具结构设计经过优化，运动性能稳定可靠，通过模流分析获得了准确性较高的成型工艺参数，完全符合光伏移动电源电池仓上盖产品的生产要求。

5 结论

根据光伏移动电源电池仓上盖的结构特点和用户的使用要求，设计“一模一腔”，单点热流道倒装注塑模，选用两个顶出油缸作为顶出系统的动力源，顶出稳定可靠，价格低廉。模具设计前后分别采用模流分析技术确定设计方案并对设计的浇注系统合理性、冷却系统的合理性进行验证，确定注射时间、熔体温度、模具温度等重要的工艺参数，通过模流分析结果对注塑成型有可能产生的缺陷进行预测。

针对塑件三面倒扣和使用性能要求较高的问题，在动模上巧妙地设计三面侧向抽芯的拨块式滑块；拨块式侧向抽芯机构不需要外部动力，结构简单，成本低，刚性好，可靠性高，有效地解决抽芯面积大、抽芯力大的脱模难题，降低模具的加工难度与制造成本。

经过实际试模验证，该模具结构设计科学合理，运行稳定可靠，无异常情况发生，所成型的塑件在尺寸精度和外观品质方面均满足企业实际生产需求。通过集成机械手系统，成功实现光伏移动电源电池仓上盖的自动化生产，不仅显著提升产能效率，同时也为倒装注塑模具的设计与制造积累宝贵的实践经验。

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基金资助

江西省教育厅科技课题(GJJ2204813)