電表端蓋成型工藝分析及模具設(shè)計(jì)

劉 昊，姜 宏，江倩雯，2，劉艷云，潘 琦

（1.國(guó)創(chuàng)移動(dòng)能源創(chuàng)新中心（江蘇）有限公司，江蘇 常州 213166；2.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122；3.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 引言

在當(dāng)前“低碳經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展理念下，電動(dòng)汽車(chē)逐漸成為一種主流的交通工具，直流充電樁作為電動(dòng)汽車(chē)的基礎(chǔ)設(shè)施正在被迅速推廣[1]。直流電表作為直流充電樁的重要組成部分，負(fù)責(zé)計(jì)量充電傳輸?shù)碾娔?，為客?hù)提供充電收費(fèi)信息[2-3]。在電表開(kāi)發(fā)過(guò)程中，不僅需關(guān)注電表的使用功能要求，在外觀方面還需保證加工質(zhì)量。作為塑件，電表端蓋采用注射成型，其注射工藝決定了成型質(zhì)量，設(shè)計(jì)不合理時(shí)將導(dǎo)致外觀收縮變形等缺陷，造成各部件裝配困難。

為解決塑件外觀缺陷等問(wèn)題，引入CAD/CAE 技術(shù)，方便注射模的開(kāi)發(fā)過(guò)程，提高塑件的成型質(zhì)量。胡開(kāi)元等[4]采用UG 對(duì)汽車(chē)手套箱外蓋進(jìn)行建模，同時(shí)結(jié)合Moldex 3D 分析結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)了模具混合冷卻系統(tǒng)、液壓斜滑塊抽芯機(jī)構(gòu)；楊小勇等[5]利用Moldflow 模擬四旋翼無(wú)人機(jī)上殼注射流程，對(duì)比不同澆注方式對(duì)塑件成型工藝的影響，并對(duì)無(wú)人機(jī)上殼注射過(guò)程中充填及翹曲進(jìn)行優(yōu)化分析；劉祥建等[6]針對(duì)塑料按鈕帶有環(huán)形側(cè)凹且壁厚不均的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)了1副帶斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的1模2腔模具，并運(yùn)用Moldflow 確定澆口位置和冷卻系統(tǒng)，保證了塑件的成型質(zhì)量。

上述文獻(xiàn)通過(guò)前期對(duì)塑件的仿真優(yōu)化，提升了塑件成型質(zhì)量，但各項(xiàng)研究?jī)H針對(duì)單一目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，未考慮多方面影響因素。以下以直流電表端蓋為研究對(duì)象進(jìn)行成型工藝仿真，從塑件結(jié)構(gòu)以及成型工藝參數(shù)等多方面進(jìn)行優(yōu)化，加快塑件開(kāi)發(fā)進(jìn)程，得到外觀質(zhì)量滿(mǎn)足要求的電表端蓋。

1 塑件結(jié)構(gòu)

電表端蓋如圖1所示，整體呈薄壁結(jié)構(gòu)，一側(cè)開(kāi)設(shè)密集氣孔，便于下方器件散熱并起到裝飾作用。塑件外觀尺寸為110 mm×115 mm×55 mm，平均壁厚為2.2 mm，氣孔處壁厚為3.2 mm。端蓋材料為PC+10%玻纖，密度約1.19 g/cm3，收縮率為0.376%，材料加工工藝參數(shù)如表1 所示。該材料為增強(qiáng)型塑料，熱變形溫度高達(dá)120 ℃以上，具有較高的力學(xué)性能及優(yōu)異的抗紫外線(xiàn)性能，適用于戶(hù)外器件外表面。根據(jù)三維模型，測(cè)量得到塑件體積約43.4 cm3，質(zhì)量約51.7 g。

表1 材料成型工藝參數(shù)

圖1 端蓋結(jié)構(gòu)

根據(jù)塑件要求，塑件的變形應(yīng)低于塑件各向長(zhǎng)度×材料收縮率，且其表面不應(yīng)有明顯熔接痕、收縮痕等外觀缺陷。由于電表端蓋與主體通過(guò)卡扣固定，需要一定的配合精度，對(duì)端蓋強(qiáng)度和翹曲變形有較高要求。為保證塑件脫模順利，端蓋設(shè)計(jì)有2°的拔模斜度[7]。

2 成型分析

2.1 網(wǎng)格劃分

建立端蓋模流仿真模型并進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，如圖2 所示，共107 萬(wàn)個(gè)四面體單元。當(dāng)網(wǎng)格存在缺陷時(shí)會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生不良影響，甚至無(wú)法計(jì)算，因此需要先對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行診斷[8]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，整體網(wǎng)格劃分質(zhì)量好，最大縱橫比為89.2，最小縱橫比為1.08，平均縱橫比為8.61，網(wǎng)格無(wú)匹配不正確單元、無(wú)相關(guān)單元、無(wú)重疊單元，可進(jìn)行模流分析。

圖2 網(wǎng)格模型

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

合理可靠的澆注系統(tǒng)可以保證塑料熔體以最佳流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入型腔，提升塑件的品質(zhì)和成型速度。澆口位置、形式及數(shù)量的設(shè)計(jì)對(duì)塑件整體成型質(zhì)量影響較大。澆口設(shè)置不合理，容易出現(xiàn)充填不足或噴射現(xiàn)象，同時(shí)易產(chǎn)生收縮孔、翹曲、表面熔接痕等影響外觀質(zhì)量的缺陷，因此需要對(duì)澆口形式、數(shù)量及位置進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

利用Moldflow 對(duì)塑件進(jìn)行澆口位置分析，結(jié)果如圖3 所示，推薦的最佳澆口位置位于端蓋中部網(wǎng)孔區(qū)域位置1處，考慮塑件氣孔流動(dòng)阻力的影響，若將澆口設(shè)置此處，將增加注射壓力，局部區(qū)域易發(fā)生充填不足現(xiàn)象，不利于待成型塑件充填完整。

圖3 澆口位置仿真結(jié)果

根據(jù)實(shí)際情況，將澆口布置于位置2，選用單點(diǎn)進(jìn)料澆口，能保證待成型塑件充填完整，外觀區(qū)域無(wú)明顯缺陷；將澆口設(shè)置在側(cè)面更方便修剪，減少塑件后期修剪痕跡工作，保證外觀質(zhì)量。

2.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電表端蓋厚度小，如果模具冷卻不均，易造成塑件翹曲變形、應(yīng)力不均等缺陷，影響塑件成型質(zhì)量。同時(shí)注射模的溫度變化影響塑件的生產(chǎn)效率。為減少塑件各部分溫差，冷卻系統(tǒng)采用傳統(tǒng)水路+隔水板混合冷卻方式，將冷卻水路設(shè)置為上、下兩部分，以環(huán)繞塑件四周的形式排布，端蓋底部由于結(jié)構(gòu)內(nèi)凹，采用隔水板進(jìn)行強(qiáng)制散熱，冷卻水管直徑為φ10 mm，冷卻系統(tǒng)布局如圖4所示。

圖4 冷卻管道布局

2.4 模流分析結(jié)果

根據(jù)上述澆注系統(tǒng)及冷卻方案，對(duì)端蓋成型過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，研究塑件的成型工藝參數(shù)，包括充填時(shí)間、壓力、熔接痕、收縮痕、翹曲變形等。在分析過(guò)程中，設(shè)置熔體溫度300 ℃，模具溫度95 ℃，保壓時(shí)間10 s。端蓋模流分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 端蓋模流分析結(jié)果

由圖5（a）可知，塑料熔體充滿(mǎn)型腔所需時(shí)間約1.94 s。在充填過(guò)程中，型腔未出現(xiàn)充填不足的情況，但由于澆口偏于一方，無(wú)法實(shí)現(xiàn)充填平衡，熔體到達(dá)型腔的時(shí)間差較大，導(dǎo)致冷卻時(shí)長(zhǎng)不同，容易產(chǎn)生翹曲變形。圖5（b）顯示速度-壓力切換時(shí)，最大充填壓力達(dá)180 MPa，壓力值偏大。當(dāng)熔體充填另一側(cè)時(shí)需流經(jīng)氣孔區(qū)域，較大的流動(dòng)阻力對(duì)熔體產(chǎn)生壓降作用，導(dǎo)致所需壓力增加。在充填過(guò)程中，當(dāng)兩股料流匯集到一起時(shí)，容易產(chǎn)生熔接痕[9]。由圖5（c）顯示的端蓋熔接痕分布結(jié)果可知，熔接痕主要集中在氣孔區(qū)域，影響表面質(zhì)量。圖5（d）所示熔體流動(dòng)前沿溫度在290～332 ℃，高溫區(qū)域與低溫區(qū)域皆位于遠(yuǎn)離澆口的一邊，溫差超過(guò)一般允許值20 ℃，容易造成熔體滯留現(xiàn)象。圖5（e）中的模具溫度顯示塑件同側(cè)溫差接近15 ℃，溫差較大，端蓋四周內(nèi)部角落模具溫度達(dá)55 ℃，需加強(qiáng)冷卻系統(tǒng)的冷卻能力。圖5（f）顯示端蓋所有效應(yīng)引起總體變形約1.065 mm，位于端蓋側(cè)面，呈向內(nèi)部收縮趨勢(shì)，變形量較大，后期需對(duì)其進(jìn)行翹曲優(yōu)化。

根據(jù)分析結(jié)果可知，初始方案存在一定問(wèn)題，影響塑件成型質(zhì)量，主要集中在：①熔體流動(dòng)不平衡，無(wú)法同時(shí)到達(dá)型腔末端，需重新設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)；②端蓋側(cè)邊收縮變形，需調(diào)整結(jié)構(gòu)，增加筋位以提高端蓋剛強(qiáng)度；③模具溫差較大，為改善冷卻效果，重新設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)，細(xì)化完善冷卻管道，增加側(cè)向冷卻水路。

3 成型優(yōu)化

3.1 充填優(yōu)化

原方案中澆口偏于一側(cè)，導(dǎo)致塑件成型過(guò)程充填不平衡，熔體無(wú)法同時(shí)流到型腔末端，使端蓋兩側(cè)壓力與冷卻速率不同。

為盡可能使型腔充填平衡，仍需將澆口設(shè)置于端蓋中部，結(jié)合澆口位置仿真結(jié)果，優(yōu)化方案中澆口位置如圖6 所示[10]，設(shè)計(jì)為搭接扇形澆口，主流道A直徑為φ12 mm，澆口B尺寸為12 mm×1.2 mm。

圖6 端蓋澆口布置

在完成網(wǎng)格劃分和連通性診斷后，進(jìn)行端蓋充填分析，結(jié)果如圖7所示，優(yōu)化后的模型充填時(shí)間約為2.4 s，充填速度/壓力切換時(shí)的壓力從優(yōu)化前的180 MPa 降低至86.77 MPa，優(yōu)化效果明顯，可選用更小保壓壓力的注塑機(jī)；優(yōu)化后的熔接痕數(shù)量在散熱孔區(qū)域明顯減少，能夠保證塑件表面成型質(zhì)量；熔體前沿低溫區(qū)域面積減少，表面溫度均在300 ℃以上，較優(yōu)化前的熔體流動(dòng)性能更佳。

圖7 優(yōu)化后的充填模擬結(jié)果

3.2 冷卻優(yōu)化

在原方案中，冷卻水路僅分布在端蓋部分區(qū)域，導(dǎo)致端蓋內(nèi)部及側(cè)邊冷卻不均。優(yōu)化后的水路在兩側(cè)增加了冷卻水路，同時(shí)增加隔水板數(shù)量，對(duì)端蓋四周及內(nèi)部進(jìn)行有效降溫，如圖8 所示。通過(guò)優(yōu)化冷卻水路，縮小端蓋各部分溫差值，塑件同側(cè)溫差控制在5 ℃以?xún)?nèi)，較原方案有明顯改善。回路冷卻液最高溫度為25.75 ℃，最低溫度為25 ℃，溫度升高不超過(guò)3 ℃，滿(mǎn)足使用要求，如圖9所示。

圖8 優(yōu)化后冷卻水路

圖9 優(yōu)化后的塑件冷卻結(jié)果

3.3 翹曲優(yōu)化

由初始翹曲分析可知，端蓋變形呈兩側(cè)向內(nèi)收縮，原因在于端蓋為薄壁塑件，當(dāng)局部強(qiáng)度不足時(shí)，收縮內(nèi)應(yīng)力將導(dǎo)致端蓋側(cè)邊發(fā)生翹曲變形。為防止端蓋產(chǎn)生較大變形，增加端蓋強(qiáng)度，在端蓋內(nèi)部增加加強(qiáng)筋，如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后的端蓋模型

翹曲優(yōu)化后，所有效應(yīng)引起的變形分析如圖11所示，最大變形量由原方案中的1.065 mm 減少至0.645 mm。由此可見(jiàn)，通過(guò)修改塑件結(jié)構(gòu)優(yōu)化翹曲變形有一定效果。

圖11 所有效應(yīng)引起的總體變形

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 分型面設(shè)計(jì)

合理的分型面能夠簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，使塑件順利脫模，保證塑件具有良好的成型質(zhì)量[11-12]。綜合設(shè)計(jì)原則及端蓋結(jié)構(gòu)特征，分型面選擇在端蓋外表面，保證塑件表面質(zhì)量。由于塑件具有收縮包緊力，開(kāi)模時(shí)將塑件留在動(dòng)模一側(cè)。

4.2 成型零件設(shè)計(jì)

成型零件包含型腔板鑲件和型芯兩部分，在保證塑件質(zhì)量的前提下，成型零件的設(shè)計(jì)應(yīng)便于后期加工、裝配、使用和維護(hù)[13]。由于端蓋尺寸較小，型腔板采用組合式鑲件結(jié)構(gòu)可節(jié)省材料，控制成本，且便于加工和后期更換，減少熱變形對(duì)后期成型精度的影響。型芯也采用組合式結(jié)構(gòu)，型腔板鑲件和型芯如圖12所示。

圖12 型腔板和型芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.3 側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

端蓋側(cè)面存在卡扣盲孔凹槽，其分型與開(kāi)模方向不一致，在開(kāi)模時(shí)會(huì)阻礙塑件推出，無(wú)法直接脫模，故在設(shè)計(jì)過(guò)程中需增加側(cè)向分型及抽芯機(jī)構(gòu)[14]。由于端蓋兩側(cè)凹槽較淺，抽芯距較短，可采用斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)，如圖13所示，將斜導(dǎo)柱固定在定模上，側(cè)型芯滑塊安裝在動(dòng)模上，當(dāng)動(dòng)模與定模分開(kāi)時(shí)，側(cè)型芯滑塊與斜導(dǎo)柱之間發(fā)生相對(duì)位移，側(cè)型芯滑塊在斜導(dǎo)柱的作用下上、下移動(dòng)，與塑件分離，方便推出機(jī)構(gòu)將塑件從型芯中推出[15]。

圖13 側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)

4.4 模具整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)特征，端蓋的注射模整體結(jié)構(gòu)如圖14 所示，采用非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)件的選配[16]，模具外形尺寸為560 mm×400 mm×450 mm。

圖14 模具結(jié)構(gòu)

5 生產(chǎn)驗(yàn)證

端蓋生產(chǎn)過(guò)程中，材料采用Kingfa JH720-R0G10，內(nèi)部含10%玻璃纖維，能夠增加塑件表面強(qiáng)度，且具有良好的電氣絕緣性，塑件表面皮紋處理。設(shè)置注塑機(jī)工藝參數(shù)如表2 所示。經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，端蓋模具設(shè)計(jì)合理，能穩(wěn)定可靠地進(jìn)行開(kāi)合模動(dòng)作，成型的塑件表面質(zhì)量?jī)?yōu)良，生產(chǎn)尺寸與設(shè)計(jì)尺寸一致，如圖15所示，表面無(wú)浮纖、收縮痕、熔接痕、變形等缺陷，滿(mǎn)足外觀要求。

表2 端蓋成型工藝參數(shù)

圖15 電表端蓋實(shí)物

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電表端蓋進(jìn)行充填、流動(dòng)及翹曲分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)端蓋結(jié)構(gòu)及成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并完成塑件注射模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（1）根據(jù)電表端蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在塑件不同位置設(shè)置澆口，利用Moldflow 軟件模擬評(píng)估充填性能，對(duì)端蓋注射時(shí)間、注射壓力等進(jìn)行仿真，分析成型過(guò)程中模具冷卻效果、塑件翹曲變形等，為后期工藝優(yōu)化及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2）根據(jù)初始模流分析結(jié)果，針對(duì)充填過(guò)程、冷卻水路、結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后塑件充填時(shí)間為2.43 s，注射壓力為86.77 MPa，變形量減少至0.645 mm，優(yōu)化效果明顯。

（3）端蓋注射模采用1 模1 腔結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將端蓋外表面設(shè)計(jì)為分型面，通過(guò)控制定模精度，能保證端蓋表面粗糙度；模具型腔板和型芯設(shè)計(jì)為組合式結(jié)構(gòu)，便于后期加工及裝配；采用斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)塑件兩側(cè)卡扣凹槽的成型與脫模。

通過(guò)上述仿真設(shè)計(jì)，解決了端蓋澆口位置及尺寸、冷卻系統(tǒng)及工藝參數(shù)難以確定的問(wèn)題，通過(guò)仿真方法優(yōu)化注射工藝流程，指導(dǎo)成型模具的設(shè)計(jì)，使塑件外觀及性能得到顯著提高。