基于正交試驗的空氣濾芯蓋模具設計及成型工藝優化

傅建鋼

（紹興職業技術學院，浙江 紹興 312000）

注塑模具是實現塑件自動化生產的重要設備，其工作過程是將熔融塑料注入模具型腔，待熔融塑料冷卻、定型和脫模后即完成一個塑件的生產。傳統的注塑模具設計通常憑借設計者的經驗進行，然后根據模具試模結果不斷進行模具修模。有些問題只有在試模時才能發現，而這些問題的出現意味著模具需報廢再重新加工。隨著計算機技術的不斷發展，模具設計人員可以借助計算機進行輔助設計與輔助分析，將生產中可能出現的問題提前予以解決，極大地減輕了設計者的工作量，提高了模具的設計效率和產品的成型精度。陳顯冰等［1］針對監控器底座的特點，利用Moldflow軟件進行成型過程分析，完成了模具結構的設計。楊雙華等［2］以后視鏡外卡框為例，運用Moldflow軟件對產品澆口位置進行模擬分析，完成了一次注塑成型配對外卡框塑件的模具設計。Hassan等［3］研究了注塑成型過程中冷卻系統對塑件體積收縮率的影響，發現冷卻系統的位置對塑件體積收縮率有較大影響。周浩文等［4］研究了工藝參數對空調電路板的翹曲變形量和體積收縮率的影響，獲得了較為理想的工藝參數組合。傅建鋼等［5-6］運用Moldflow分析技術就工藝參數對塑件體積收縮率的影響程度進行了研究，有效地降低了塑件的體積收縮率。李桂金等［7］對塑件注塑模具設計進行了研究，發現設計的冷卻系統在改善冷卻效果、提高冷卻效率等方面具有較好的表現。

上述研究所涉及的產品結構或者模具結構都較為簡單，Moldflow軟件的優勢無法得到充分展現。此外，部分研究者僅從成型工藝層面研究了成型工藝的優化，并未將Moldflow軟件分析成果運用到模具結構設計中。本工作以結構較為復雜且對產品質量要求較高的車用空氣濾芯蓋為對象，使用Moldflow分析技術，對塑件進行成型工藝分析，優化得到較為合理的澆注系統和冷卻系統，利用UG NX11.0軟件進行包含內外抽芯機構的注塑模具結構設計。

1 塑件結構分析

某車用空氣濾芯蓋塑件結構見圖1，其材質為聚碳酸酯（PC），具有優異的耐熱性、剛性、抗沖擊性以及較好的加工流動性。塑件的外形尺寸為269 mm×279 mm×120 mm，壁厚約為2 mm，為一款中等尺寸的塑件。為了增加塑件強度以及減小塑件變形，在塑件內外壁上均設計了加強筋。在塑件外壁上，幾個側面分別設置了5～8個不等的加強筋，兩個側面設置了數量較多的側筋槽。加強筋的厚度為2 mm，加強筋間距為25 mm。塑件外壁上設計了多個用于空氣濾芯蓋與汽車車體緊固連接的圓孔，圓孔四周設計了增加強度和保證安裝可靠性的加強筋。為了防止塑件頂部發生變形，在塑件內壁上設計了密集的側筋槽。由塑件三維結構可知，加強筋的存在對塑料填充和塑件脫模會產生較大影響。其影響主要來源于筋位較多且薄，槽位薄且交叉。這些結構將對塑料熔體填充帶來較大的困難，容易出現短射；而筋位和槽位的包緊力則增加了脫模難度。

圖1 塑件結構示意Fig.1 Structural diagram of plastic parts

2 模具結構設計

2.1 分型設計

運用注塑模具設計軟件UG NX11.0的模具分型功能開展塑件產品分型設計，根據塑件結構特點，采用一模一腔形式進行布局。某車用空氣濾芯蓋塑件的主分型面在塑件底部最大輪廓處，塑件分型面處盡可能做成平面，不僅便于成型零件的加工，而且便于裝配時分型面的修配。塑件分型面及成型零件設計見圖2。

圖2 模具分型Fig.2 Mold parting

由于塑件斜圓柱面存在倒扣情況，因此，需要對該面進行拆分，分別由兩個滑塊和型芯型腔共同完成圓柱面表面成型。通過分析塑件內壁，塑件內側圓孔根部存在倒扣結構，為便于脫模，需要設置斜頂結構進行塑件內側抽芯。根據Moldflow軟件的填充分析中氣穴的結果，在產品表面各氣穴集中處設計鑲件，便于排氣，保證塑件的質量。滑塊、斜頂及鑲件的結構示意見圖3。

圖3 滑塊、斜頂及鑲件的結構示意Fig.3 Structural diagram of sliding block，inclined top and insert

2.2 澆注系統設計

由于塑件較大，且為一模一腔設置，為了保證主流道位于整套模具的中心位置，采用點澆口的形式進行流道設計。澆口位置直接影響塑件的外觀質量，利用Moldflow軟件最佳澆口位置分析功能，找到較為合適的澆口位置，此塑件的澆口可設置于塑件側壁。分流道上設置了拉料針，保證分流道凝料能夠自動脫出。動模側也設置了拉料針，保證開模時澆注系統凝料從分流道中自動拉出。

根據塑件與模具結構的需要設計了澆注系統，由Moldflow軟件實施充填分析。在給定的熔體溫度、模具溫度和注射時間等成型工藝條件下，從圖4可以看出：PC熔體能夠在2.963 0 s內順利充滿整個型腔，可有效保證塑件整體質量。

塑料填充末端會出現許多氣穴，可通過設計排氣槽或者鑲件等措施進行排氣；而對于部分位于塑件內側且不影響塑件使用的氣穴可不予處理。塑料填充中出現的氣穴見圖5。

圖5 氣穴Fig.5 Cavitation

2.3 冷卻系統設計

根據塑件結構設計了合理的冷卻系統，以保證產品冷卻的均勻性。本塑件模具在動、定模上分別設計了四條水路，每條水路通過添加隔水板實現水路的串聯。由于塑件表面為斜面，因此，為了保證塑件表面冷卻的均勻性，型腔和型芯中的水路深度依據塑件表面高度進行設計，使其各表面盡可能均勻冷卻，冷卻水路設計結果見圖6。

圖6 冷卻水路Fig.6 Cooling water circuit

2.4 側抽芯機構設計

該塑件側孔為斜孔，為便于斜孔抽芯，設計了與斜孔軸線方向一致的滑塊滑行平臺，平臺上設置了兩根壓條，保證滑塊沿指定方向滑動。由于該塑件斜孔側向抽芯距離較大，故由固定在滑行平臺右端的液壓缸進行側向抽芯，抽芯機構設計結果見圖7。為便于滑塊零件加工和降低生產成本，斜孔成型部分采用鑲件形式進行設計，滑塊內的鑲件材料采用模具鋼2344，具有較高的耐磨性和韌性，使用前通過熱處理使其硬度到洛氏硬度（HRC）52～55。

圖7 抽芯機構Fig.7 Core pulling mechanism

3 成型工藝優化及模流分析

3.1 正交試驗優化

冷卻水路直徑、保壓時間和保壓壓力等是決定塑件質量的關鍵因素。傳統的生產過程通常依靠經驗來確定這些因素，而經驗的局限性使其對塑件的質量影響很大。如果使用Moldflow軟件對每組參數進行分析，因參數眾多導致分析工作量巨大。在模具基本結構確定后，為了明確冷卻水路直徑、保壓時間和保壓壓力等對塑件的影響，以三個因素作為試驗因素，分別為每個因素設計三個水平，設計了L9（33）的正交試驗，各因素與水平設置見表1。

表1 正交試驗因素與水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

翹曲變形量是表征塑件成型后變形情況的一個重要指標，正交試驗得到的最大翹曲變形量分別為2.13，2.01，1.94，1.78，1.85，2.27，1.89，2.09，2.54 mm。從表2可以看出：保壓壓力對塑件最大翹曲變形量影響最大，保壓時間次之，冷卻水路直徑最小。以最大翹曲變形量為指標優化得到的最佳工藝組合為A2B3C3，即冷卻水路直徑為10 mm，保壓壓力為注射壓力的120%，保壓時間為25 s時，該塑件具有較小的翹曲變形量。

表2 最大翹曲變形量極差分析Tab.2 Range analysis of maximum warpage deformation

3.2 冷卻系統分析

冷卻系統主要用于塑件冷卻，冷卻效果的好壞直接影響塑件生產效率和質量。通過將冷卻水注入循環回路中，使其帶走模板內的熱量，降低熔體溫度，從而縮短塑件冷卻時間。根據正交試驗分析，確定了冷卻水路直徑為10 mm，冷卻水溫度為室溫25 ℃。塑件精度要求越高，則對冷卻水路進出口的溫差要求越高。為了減小因冷卻不均而引起的塑件缺陷，要求冷卻水進出口溫差控制在5 ℃以內。從圖8可以看出：動模側四條水路和定模側四條水路的進出口溫差均在2 ℃以內，表明該冷卻水路具有較好的冷卻效果，能夠滿足塑件的冷卻要求。

圖8 冷卻系統分析Fig.8 Cooling system analysis

3.3 翹曲分析

注塑成型得到的塑件產生翹曲變形是不可避免的，一般可通過合理布置冷卻水路和調整成型工藝參數等方式將塑件翹曲變形量控制在合理范圍。從圖9可以看出：該塑件的最大翹曲變形量為1.600 0 mm，出現在塑件邊角部位。該最大翹曲變形量遠小于正交試驗所得到的最大翹曲變形量，達到了優化目的。這表明，澆注系統和冷卻水路設計符合生產要求，故該方案可用于模具結構設計及其塑件的注塑成型。

圖9 翹曲變形量Fig.9 Warpage deformation

4 模具工作過程及生產驗證

本模具選用龍記三板模架。模具工作過程：（1）閉模。注塑模安裝到注塑機上，塑料原料由注塑機料斗加入，在注塑機內加熱塑化后經由主流道、分流道及澆口進入模具型腔。為防止塑料倒流以及補充塑件的收縮，需由注塑機提供保壓壓力進入保壓階段。澆口凝固后，冷卻系統里注入冷卻水進行冷卻。（2）開模。首先，塑件冷卻定型后，模具在注塑機帶動下，動模部分開始沿著開模方向運動，此時動模部分和定模部分在產品分型面處分離。塑件此時緊緊包裹在型芯上，同時在側滑塊的作用下，塑件隨著動模一起沿開模方向運動，初步完成模具開模動作。然后，兩個側型芯滑塊在液壓缸的作用下，開始側向抽芯動作，完成側孔和側表面的脫模。最后，注塑機頂桿碰到頂針板，在頂桿推動下，頂針固定板向前運動，進而帶動頂針和斜頂等頂出機構開始運動，由斜頂完成塑件內側抽芯，由頂針將塑件從型芯上推離出來。（3）復位。模具開始合模，動模部分向右移動，頂針板逐漸離開頂桿，頂出機構在復位彈簧的作用下開始復位，當復位桿碰到定模板時，在復位彈簧和復位桿共同作用下完成頂針和斜頂等頂出機構的復位。距離完成合模還有一定距離時，兩個側向機構也開始閉合，直至分型面完全閉合。經生產表明：模具結構設計合理，生產的汽車空氣濾芯蓋滿足使用要求，可為同類塑件的模具設計提供參考。

5 結論

a）運用Moldflow軟件建立澆注系統和冷卻系統，對充填、冷卻和翹曲變形等成型過程進行了分析，設計了一模一腔的車用空氣濾芯蓋塑件模具。

b）根據塑件側孔長抽芯結構的特點及脫模的要求，采用液壓缸用于側型芯的脫模。為完成塑件內部圓弧區域的脫模，采用了斜頂結構進行內部抽芯。

c）采用正交試驗法，得到了較佳的冷卻水路尺寸、保壓壓力和保壓時間等工藝參數，優化了模具結構和成型工藝。

d）經生產表明，模具結構設計合理，生產的車用空氣濾芯蓋滿足使用要求，可為同類塑件的模具設計提供參考。