充電樁殼體模具進膠方案研究

成 瀚 桂 林 劉兵仁

（公牛集團股份有限公司 慈溪 315315）

引言

自2021年起，新能源汽車全面進入市場驅動階段。新能源汽車市場的快速發(fā)展，也極大地促進了充電設施行業(yè)的繁榮。目前小功率的交流充電樁迅速成為了家庭家用慢充充電樁的熱門選擇。

目前交流樁設備外殼主要還是塑膠模具外殼，外殼體積較大，壁厚膠厚，采用的材料主要是PC+ASA的耐候性，阻燃等級高的材料。對模具的方案設計有很大的技術考驗。針對此類體積大且結構復雜的產品，設計人員無法快速的確定模具開模設計方案，運用CAE模流分析軟件對產品進行全面的模流分析，并對比各種模具方案，確定最優(yōu)的模具設計方案，從而提高模具設計效率和提升產品模具開發(fā)成功率和縮短模具開發(fā)周期，減少后期的模具修模問題和產品問題改善。

本文采用的分析軟件Moldflow是一款專業(yè)的注塑成型仿真工具，目前在模具設計和注塑成型行業(yè)已經大范圍在使用。它能夠幫助產品和模具設計師在設計階段快速的驗證和優(yōu)化塑料零件，從而確定注塑模具成型結構和注塑成型關鍵流程和參數。該軟件能夠為設計人員、模具制作人員、工程師提供指導，通過模擬仿真的結果來確定設計的產品的壁厚均勻問題、澆口位置以及澆口數量、材料流動性、注塑壓力，成型外觀缺陷等不良。

本文的研究對象是一款7 kW充電樁的外殼的下殼體（圖1和圖2），殼體尺寸340 * 190 * 80 mm,材質是V0等級的PC+ASA材質，殼體總重量有565 g。產品結構復雜，平均壁厚3.0 mm。需要運用Moldflow模流分析軟件對模具進膠方案進行分析，得出最優(yōu)的進膠口數量和位置方案。

圖1 殼體正面

圖2 殼體背面

1 產品技術要求介紹

本產品是一款7 kW充電樁的外殼的下殼體（圖1和圖2），殼體尺寸340 * 190 * 80 mm，材質是V0等級的PC+ASA材質，殼體總重量有565 g。產品結構復雜，平均壁厚3.0 mm。產品外側均為外觀皮紋面，皮紋牌號為GN-PW04中。產品皮紋面拔模4 °。

PC+ASA材質收縮率（0.5～0.7）%，熔融溫度（240～270）℃，成型模溫（60 ～ 80）℃，射出成型壓力（60～150） Mpa。材料的阻燃性能UL94V0（1.5 mm），材料的流動性能比較差。且成型溫度下對水分敏感，水分容易引起水解，導致塑殼的變色、起泡和開裂等不良，所以該材料在成型前必須要前置干燥機里面干燥處理。塑料粒子層厚度要保證在3 cm以下，干燥機內溫度設定在90 ℃，干燥時間為（5～8）h。成型前預熱料斗，以保證粒子保溫在（80～90）℃，避免粒子受潮。

2 成型方案設計和仿真模擬分析

2.1 成型方案設計

根據產品特點和設計經驗，選定產品模具按照熱流道方案設計，針對熱流道進膠方案，初步設計有4個方案，如圖3～6。

圖3 單點進膠方案

圖4 2點進膠方案1

圖5 2點進膠方案2

圖6 4點進膠方案

2.2 仿真模擬分析

按照以上設計的4中進膠方案，運用Moldflow軟件對產品的進膠方案進行模流分析。并從注塑壓力、體積收縮、填充效果以及熔接線分布等方面進行系統(tǒng)分析。

2.2.1 注塑壓力分析

注塑壓力是指注塑時作用于螺桿頭部的熔體壓強。用于克服塑料流經噴嘴、流道、澆口及模腔內的流動阻力，最終填滿模具型腔。注塑壓力的大小與注塑材料的特性、塑料件的復雜程度、塑料件的壁厚、進膠口的形式、進膠口的位置和數量等因素有關。

以上4種方案的壓力分布圖如圖7～10。

圖7 單點方案壓力圖

圖8 2點方案1壓力圖

圖9 2點方案2壓力圖

圖10 4點方案壓力圖

分析4種方案的注塑壓力分布圖，可以發(fā)現以上4種方案的注塑成型壓力均不大，單點的成型壓力稍微偏大,達到78 MPa，一般的PC+ASA材料的注射壓力控制在120 MPa之內都是在正常范圍內。

2.2.2 體積收縮分析

塑膠材料一般都有自己的常規(guī)的收縮比，這是材料特性決定的。所以一般的模具設計都會提前考慮到材料的收縮比，將材料的收縮尺寸彌補到模具尺寸上。但是注塑成型工藝也會影響到產品最終的收縮情況。保壓時間的長短、進膠口的大小、產品結構的壁厚不均等問題均會導致產品注塑成型過程中的局部收縮不均，從而導致產品尺寸不穩(wěn)定，外觀縮水等注塑不良。

以上4種方案的體積收縮模流分析結構如圖11～14。

圖11 單點方案收縮分析圖

圖12 2點方案1收縮分析圖

圖13 2點方案2收縮分析圖

圖14 4點方案收縮分析圖

分析4種方案的體積收縮圖，單點方案（圖11）的體積收縮最大到3.5 % ；2點方案1（圖12）的體積收縮最大3.5 %；2點方案2（圖13）的體積收縮最大3.6 %；4點方案（圖14）的體積收縮最大5.7 % 。4點方案的體積收縮比較大，其他三種方案的體積收縮比接近，且在正常范圍內。

2.2.3 填充效果分析

分析產品注塑的填充效果是決定產品進膠方案的關鍵分析，也是產品注塑外觀缺陷的最好仿真分析。通過模擬填充流動過程，觀察流膠過程，可以發(fā)現流痕、包膠、困氣等充膠不良引起的產品外觀缺陷。

以上4種方案的填充效果模流分析結構如圖15～18。

圖15 單點方案填充效果圖

圖16 2點方案1填充效果圖

分析以上方案的填充效果圖，出現了很大的差異性：單點方案（圖15）和2點方案1（圖16）在產品外表面均會有流痕產生，而且無法消除；2點方案2（圖17）填充最順暢，產品外表面沒有缺陷產生；4點方案（圖18）在填充末端的外表面有熔接線產生，且無法消除。從填充效果來看，2點方案2（圖17）的填充效果最好。

2.3.4 熔接線分布分析

熔接線，行業(yè)內又叫熔接痕、結合線等，它是由于流體在模具型腔里的流速、行程等的不同導致有些位置會有來自不同方向的被冷卻的熔融樹脂匯合，在結合處由于流體溫度過低而不能完全融合，產生一道或者多道結合痕跡，即熔接線。熔接線通常出現在兩股膠匯合處，或者一股膠繞過產品上某些結構特征（例如孔、槽）后重新匯聚的地方。熔接線主要帶來兩方面的問題，第一是結構問題，零件在熔接線處破裂或變形的可能性更大，尤其在熔接線質量很低的時候。在零件承受應力的區(qū)域，此弱點是更為嚴重的問題。第二是外觀可見瑕疵，熔接線可能導致零件表面出現線條、凹槽或顏色變化。

以上4種方案的熔接線分布如圖19～22。

圖19 單點方案熔接線分布圖

圖20 2點方案1熔接線分布圖

圖21 2點方案2熔接線分布圖

圖12 4點方案熔接線分布圖

分析以上4種方案的熔接線分布，單點方案（圖19）的熔接線不明顯，沒有明顯的熔接線；2點方案1（圖20）的熔接線不明顯，在進線端孔位處有輕微的熔接線產生；2點方案2（圖21）在出線端孔位處會產生輕微熔接線；4點方案（圖22）在末端孔位處會產生明顯的熔接線。

2.3 結論

根據以上的模流分析，從壓力分布來看，4種方案的壓力都可以接受；從體積收縮的分析來看，只有方案4的體積收縮較大；從填充效果來看2點方案2（圖17）的填充效果最好，外觀沒有明顯的流痕，熔接線，應力痕等注塑缺陷；從熔接線分布來看，2點方案2（圖21）的孔位會產生輕微的熔接線，在注塑模溫控制和外觀皮紋的效果下基本不會顯現。綜合分析建議采用2點方案2（圖5）的進膠方案。

3 經驗總結

根據后面的實際開模驗證，按照本模流分析的技術方案開模后，實際注塑的成型效果基本和分析的結果一致，達到了完美的預期效果，模具開發(fā)一次性成功。從本次研究來看，CAE模流分析是一款有效的模具開發(fā)前期的模具方案以及成型工藝的優(yōu)化設計仿真工具，通過模流分析軟件的模擬分析，可以很容易看到困氣問題、注塑壓力問題、縮水問題、熔接線等外觀問題，然后根據以上改善方法擬定初步改善方案，然后用moldflow進行模擬驗證，得出模流分析結果，然后對其進行分析比較，得出最優(yōu)的模具設計方案和注塑成型工藝要求。這樣就能充分利用moldflow的模擬仿真，大大節(jié)省試模成本、設計風險，同時可以快速有效的尋找產品注塑缺陷和改善方案。