基于Moldflow的围栏支撑座注塑模具设计

Design of Injection Mold for Fence Support Seat Based on Moldflow

摘要

利用Moldflow及UG软件对塑件进行模拟分析及模具设计。首先对围栏支撑座进行工艺性分析，针对塑件复杂结构分析，结合浇口匹配性分析两种浇口方案。然后进行“填充+保压+翘曲”三序列要素模拟分析，以塑件变形效应作为优化目标进行成型工艺性分析。基于UG软件对注塑模具的结构进行设计，型芯设计为组合式（主型芯+滑块）结构，设计二组“斜导柱+滑块”式侧向抽芯机构解决脱模问题。结果表明：浇口类型选择顶部点浇口。通过正交试验分析，确定最优工艺参数为熔体温度280 ℃、开模时间6 s、充填压力60%，优化后翘曲变形量为1.975 0 mm，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

Simulation analysis and mold design of the plastic part were carried out using Moldflow and UG software. First, the processability of the fence support base was analyzed. Based on the analysis of the complex structure of the plastic part, two gating schemes were evaluated in combination with gate matching analysis. Subsequently, a three-sequence simulation analysis of "filling+packing+warpage" was performed, with the deformation effect of the plastic part taken as the optimization objective for molding process analysis. The structure of the injection mold was designed based on UG software. The core was designed as a combined structure (main core+slider), and two sets of "angled lifter+slider" lateral core-pulling mechanisms were designed to address demolding issues. The results showed that the top pinpoint gate was selected as the gate type. Through orthogonal experimental analysis, the optimal process parameters were determined as a melt temperature of 280 ℃, a mold opening time of 6 s, and a filling pressure of 60%. The optimized warpage deformation was 1.975 0 mm, effectively avoiding molding defects. The overall layout of the mold structure was reasonable, and the surface quality and precision of the injection-molded parts produced using this mold met the design requirements.

Graphical abstract

关键词

支撑座 / Moldflow / UG / 模具设计 / 正交试验

Key words

Support seat / Moldflow / UG / Mold design / Qrthogonal test

注塑成型是塑料加工中应用最广泛的技术之一，其核心在于模具设计和成型过程的精确控制。通过Moldflow仿真软件可对注塑过程中的熔体流动、温度分布、应力应变等参数进行精确预测，从而避免传统模具设计中依赖经验的盲目性^[1-4]。在模具设计和注塑生产中，利用计算机辅助设计/计算机辅助工程(CAD/CAE)技术可有效提高设计效率，减少试模成本及产品缺陷，加速模具设计制造流程，降低试错成本^[5-10]。彭啸等^[11]以某泵壳零件为例，设计两种不同浇口方案进行对比，以填充时间、流动前沿温度、熔接线质量和翘曲变形量为分析参数，最终确定点浇口方案并设定初始注射工艺参数。同时，以降低泵壳翘曲变形为目标，选取熔体温度、保压时间、模具温度和保压压力4个试验条件，采用正交试验法对成型工艺参数进行仿真优化，结果显示翘曲变形量较优化前降低10.3%，表明正交试验可有效优化翘曲变形。余亮等^[12]在开展测温枪注射模具设计研究时利用Moldflow平台对塑件成型过程中的浇口位置、填充时间等关键工艺参数进行系统模拟与分析，重点考察表面质量缺陷成因及注射压力分布特性。基于仿真数据，研究团队对模具的浇注系统、冷却系统及脱模机构进行理论设计与数值验证，依托SolidWorks构建高精度三维模型，最终形成一套具备生产指导意义的规范化模具设计方案。王子佳等^[13]针对汽车接插件结构复杂、孔洞多的特点，利用Moldflow进行模流分析，确定模具浇注系统和冷却系统的设计方案。考虑到塑件表面精度要求高且结构复杂，模具采用镶拼式型腔结构，选用斜导柱抽芯机构，并设计了复位机构、导向机构及整体模具结构。尚雪梅等^[14]对一款手机壳自动化注塑成型模具进行深入研究，探究注射压力、时间和温度等因素对模具内流体行为的影响，提出一套优化后的加工参数组合，使产品翘曲变形量显著降低至0.405 6 mm。

研究以某公司围栏支撑座为对象，利用Moldflow软件对制件的浇口位置、翘曲变形等成型因素进行研究，采用正交试验法设计模拟方案进行仿真分析，从而制定合理的工艺方案。运用UG NX12.0的注塑模向导(Mold Wizard)模块，进行一套完整的注塑模具数字化设计，包括模架组建、浇注与冷却系统设计以及侧向抽芯机构设计在内的所有关键任务，确保模具结构的合理性与可靠性，成功解决生产瓶颈，显著提升产品质量与生产效率。

1 塑件工艺可行性研究

图1为围栏支撑座结构。从图1可以看出，塑件为薄壁类零件，需设计侧抽芯机构。样品最大外形尺寸为120 mm(长)×35 mm(宽)×71 mm(高)，面积为266.49 cm²，体积为59.21 cm³，塑件对称位置有长轴22 mm、短轴12 mm的椭圆形孔。该塑件外观要求光洁无瑕，表面无明显翘曲变形，同时兼具良好的综合性能，包括较高的强度、优异的耐磨性与韧性以及可靠的耐腐蚀性。尺寸精度应满足MT5级或以上标准。为满足实际工作环境需要，要求所用材质无毒无害，可长期使用，要求塑件具备较高的强度及较长的使用寿命。塑件材料为聚酰胺树脂[尼龙6(PA6)]，该材料具有机械强度高、冲击能力强、耐油能力强、尺寸稳定等优点^[15]。结合零件参数及企业实际生产条件，所选注射压力机型号为G54-S200/400型，注射量为200~400 cm³，锁模力为2 540 kN，最大开合模行程为260 mm。

2 注塑模流分析

2.1 网格划分

先用UG NX12.0软件进行三维建模，然后通过CAD doctor软件对塑件结构进行简化处理，最后将模型导入Moldflow软件进行分析^[16-18]。鉴于该配件壁厚分布不均且尺寸较小的特点，采用Dual Domain双层面网格划分技术，设置6 mm的全局边长参数。通过软件自动划分及后续的网格修复处理后，所获得的网格特征如下：最大纵横比为7.97，最小纵横比达到1.16，平均值则为1.88，总计生成5 228个网格单元。图2为网格划分。通过进行模流仿真分析，该模型能够有效验证与优化设计方案，确保结果准确无误。

2.2 浇注系统仿真分析

浇口的位置对塑件成型影响较大，最佳浇口位置分析可作为确定浇口最优位置的重要参考，结合产品的外观质量要求合理地选择浇口位置能够使填充过程更加均匀，有效避免空洞、填充不均匀以及熔接线等问题的发生，优化成型周期和产品质量^[19-21]。图3为浇口匹配性。模拟结果通过颜色梯度进行可视化，匹配性最差的区域标示为红色，而匹配性最优的区域显示为蓝色。从图3可以看出，蓝色标识区域是设立浇口的最佳选择，其流动性显著优于其他位置，在工艺设计中应优先考虑，最佳位置位于零件中心区域。

图4为流动阻力分布。其中，蓝色区域表示流动阻力最小，而红色区域则代表流动阻力最大。

该零件有装配孔，为优化塑件成型质量，保证成型模拟结果准确性，选用侧浇口和顶部点浇口两种方案对比分析，以得到最佳浇注方案。图5为所选浇口位置方案。

由于该零件在水平和垂直方向上均存在尺寸不一的孔，在模具设计过程中需要考虑到侧向抽芯机构，在不影响其他系统正常运作的情况下，采用侧抽芯结构的塑件在设计时应确保较大面积的孔位于模具的垂直方向上。基于上述原因，将浇注系统设计为顶部点浇口形式。本实验浇注系统中主流道的大端直径为5.0 mm，小端直径为3.5 mm，长度为71.0 mm，倾斜角为2°；分流道截面为圆形，当量半径为2.4 mm。浇口的始端和末端直径分别5.4 mm和1.3 mm。

2.3 冷却系统仿真分析

冷却系统的设计决定塑件能否快速而均匀地固化成型。冷却时间约占整个生产加工周期的一半以上，合理的冷却系统设计既可以提高产品的生产率，同时还能保证产品质量，避免出现表面缩痕、内应力，翘曲变形等缺陷形成^[22-23]。支撑底座为板类零件，普通冷却水道便可以对该制件进行充分冷却。图6为冷却水路。

图7为冷却模流分析。

通过Moldflow分析回路冷却温度、回路管壁温度和回路雷诺数。通常情况下，冷却液从进口流至出口过程中，其温度上升幅度应控制在2~3 ℃以内，若实际温升超出此范围，则可能暗示着模具表面存在较大的温度波动，这会对最终产品的质量造成负面影响。从图7a可以看出，红色标记区域代表最高的回路冷却温度，即26.76 ℃；而蓝色标记区域则指示最低的回路冷却温度为25.04 ℃。两者之间的最大温差仅为1.72 ℃。从图7b可以看出，红色区域为最高回路管壁温度34.16 ℃，蓝色为最低回路管壁温度28.28 ℃，回路管壁的温度不应超出冷却介质入口温度8 ℃以上。从图7c可以看出，冷却回路的理想雷诺数为10 000，雷诺数高于10 000时，所获得的热传导增益并不足以弥补由此所带来的泵送损失，这表明当前的设计满足冷却回路的标准要求。

2.4 翘曲分析与优化

对围栏支撑座塑件，选取“充填+保压+翘曲”分析序列进行成型过程仿真，通过研究翘曲成因，评估各因素对总翘曲变形量的影响程度。图8为塑件总翘曲变形量。其中红色标记的部分代表了最大的变形区域。从图8可以看出，最大总翘曲变形量为2.222 0 mm。

采用正交试验设计方法对注塑成型工艺参数进行多因素耦合优化研究。选取熔体温度(A)、充填压力(B)和开模时间(C) 3个关键变量作为影响因素，在材料推荐参数范围内分别设置3个水平，构建试验方案。表1为正交试验因素水平设计。

表2为正交试验结果。该试验共设计27组不同工艺参数组合，各组对应的总翘曲变形量如表2所示。从表2可以看出，在第21组工艺参数条件下，塑件总翘曲变形量最小，为1.975 0 mm。而在第7组条件下，总翘曲变形量最大，达2.222 0 mm。通过极差分析比较得出3个工艺参数对塑件总翘曲变形量的影响程度。采用极差分析法得到的塑件总翘曲变形量的结果。根据极差R衡量各工艺参数对塑件总体变形的影响程度，R越大，表明该因素的影响越显著^[24-25]。从表2可以看出，在所选3个因素中，熔体温度对塑件总体变形的影响最为显著，而充填压力的影响最小。通过正交试验设计与分析，确定本工艺的最佳参数组合为A₃B₁C₃，即熔体温度280 ℃、充填压力60%、开模时间6 s，在此工艺条件下塑件总翘曲变形量最小。

图9为优化结果。从图9可以看出，最大总翘曲变形量为1.975 0 mm，最小总翘曲变形量为0.184 4 mm。同优化前结果对比分析得出，最大总翘曲变形量和最小总翘曲变形量均有所减小，最大总翘曲变形量优化约11%，最大总翘曲变形量与最小总翘曲变形量之差减小0.114 4 mm。

3 基于UG的模具设计

3.1 分型面和型芯型腔设计

合理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^[26]。图10为分型面。从图10可以看出，设计的分型面为塑件断面轮廓最大截面处，为了提高生产效率，降低生产成本，模具型腔布局设计为一模两腔，更加容易控制充填平衡。

型腔、型芯结构一般分为整体式和组合式，整体式制作难度大，成本高；本塑件在侧壁位置设有两个腰圆孔结构，该特征阻碍直接脱模，需要设置侧向抽芯机构以实现成型后的顺利脱模。基于该结构特点及脱模要求，成型部分不宜采用整体式型腔，以避免加工困难、排气不畅和维护复杂等问题。因此，模具采用组合式型腔结构，具体将成型零件设计为内模镶件，并通过螺钉将其分别固定于标准模架的动模板和定模板上。该设计不仅便于腰圆孔区域加工与抛光，还可简化排气通道布置，同时在磨损或损坏时便于快速更换，有效提高模具使用寿命和维护效率。图11为型腔和型芯结构。选取3Cr2Mo钢作为生产材料，热处理洛氏C硬度要求为50~52；对型腔型芯用于成型的部位进行抛光处理，与模板配合为过渡配合，配合公差为H7/m6。

3.2 侧抽芯机构设计

考虑到塑件有两个腰圆孔特征，需要设计侧向抽芯机构辅助脱模。抽芯机构根据抽芯方向分为内抽与外抽两种形式，具体分类如下：内抽结构，采用斜顶机构，该机构通过在顶出过程中斜顶杆沿角度方向运动，同时完成顶出和侧向抽芯动作，适用于内部倒扣或侧凹特征的脱模；外抽结构，采用“斜导柱+滑块”组合机构，开模过程中，斜导柱驱动滑块沿导滑槽侧向运动，先行完成抽芯动作，随后产品被顶出，该结构适用于外部侧凸或孔穴特征的脱模^[20]。本塑件采用后者。图12为侧向分型与抽芯机构。通常斜导的倾斜角设计一般在15°~25°之间选取，过大和过小均影响模具的使用寿命。从力学理论角度分析，斜导柱倾角的设定需要在几何关系与受力状态之间寻求最优解。若倾角过大，斜导柱所承受的弯曲应力将显著增加，易引发疲劳断裂，从而大幅降低模具的服役寿命；若倾角过小，则为满足抽芯行程需求，必须显著增加导柱长度，这不仅违背紧凑化设计原则，还会因滑动距离加长而导致摩擦损耗加剧，影响运动副的可靠性与耐久性，因此需选取合适的倾斜角。从图12可以看出，本设计为18°，侧面腰圆孔深度为8 mm，脱模距离为11 mm，经计算抽芯距离为25 mm，斜导柱通过压块压紧，计算得出斜导柱长度为75 mm；铲机在合模时锁定模具滑块，用来压紧定位滑块位置的结构，防止注塑时滑块因受到注塑的压力而产生后退位移，进而影响到注塑件的尺寸，弹簧保证在侧向抽芯过程中受力均匀，便于侧抽芯。

3.3 推出机构设计

常见的脱模机构推出元件包括推杆、推管、推板及其组合形式等，在实际应用中，需要综合考虑塑件几何形状、模具结构特点以及塑件可承受的推出位置等因素，以选择合适的推出方式，如内部有肋、柱等结构时，推杆可针对局部强化顶出，推板则整体推动^[27]。顶出塑件所需的脱模力(F)可由式(1)求得。

F=pA(u\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha )(1)

式(1)中：p为包紧力，其取值参照8~12 MPa的中值，定为10 MPa；A为塑件在型芯的侧表面积，mm²；u为摩擦系数，取0.5；\alpha为脱模斜度，取1。

由UG软件测量得A=3 855.04 mm²，代入式(1)计算得出所需F为5 108 N。考虑到所需脱模力较小，结合塑件的结构特性及模具制造成本，本方案选用圆推杆作为推出元件，其直径确定为5 mm。为保障推出过程平稳可靠并实现受力均匀分布，在单侧共布置11根圆推杆。图13为推出机构。

3.4 模具整体结构和塑件

图14为模具整体结构。从图14可以看出，模具总体结构为三板模结构形式。模具工作过程如下，开模过程中，注塑机驱动动模部分向后移动，模具首先实现第一次分型，定模板12和水口板13分离，水口板13在弹簧作用下与定模座板14保持静止状态，在勾料针24的作用下，凝料在浇口位置拉断，从定模板中拉出，随着开模运动的继续，弹簧释放，水口板13与定模座板14在定距拉杆15的作用下分离，主流道凝料从浇口套中拉出脱落。接着动模部分继续开模运动，型腔10和型芯7分型，此时滑块33在斜导柱30的驱动下产生侧向运动，协助完成开模动作。开模结束后，脱模机构启动，推杆板3被推动，使固定的推杆18沿导柱导套方向朝合模侧运动，从而将塑件从模具中推出并脱落。塑件完全推出后，推出机构在弹簧23的作用下向开模方向退回，复位杆22在接触定模板12后停止运动，推动系统各部件随之复位。最后，在导柱8和导套9的导向和定位下，注射机的合模系统带动动模部分向合模方向移动，整个动模部分与定模板12接触后，继续运动，直至定模座板14与水口板13完全贴合后完成整个合模工作。

图15为实际加工合格的塑件。从图15可以看出，塑件结构、质量及精度均满足设计要求，装配质量达到要求。

4 结论

结合支撑板底座零件结构与浇口匹配性要求，顶部是设置浇口的最佳位置，故择定在该处开设点浇口。利用填充+保压+翘曲分析序列发现产品成型后有较大的翘曲变形，最大总翘曲变形量为2.222 0 mm。将熔体温度(A)、充填压力(B)以及开模时间(C)作为3个主要变量因素，设计一套正交试验方案，结果表明组合A₃B₁C₃为最优解，即熔体温度280 ℃、充填压力60%、开模时间6 s。在此条件下进行仿真，最大总翘曲变形量为1.975 0 mm，实现约11%的性能提升。这说明择定恰当的工艺参数是改善注塑模具成型质量的关键手段。借助UG NX12.0软件完成塑件三板式注塑模具的整体结构设计，包括成型零件、浇注与冷却系统、侧向抽芯、定距分型、脱模及排气机构。实际生产表明，该模具所成型的塑件完全达到设计标准。综合运用UG NX12.0与Moldflow软件进行注塑模具设计可有效提升塑件成型质量，降低开发成本，缩短研发周期。

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基金资助

山东省科技型中小企业创新能力提升工程项目(2024TSGC0733)