基于田口試驗的盒蓋薄壁件注塑工藝優(yōu)化與模具設(shè)計

摘 要：撲克盒蓋塑件較薄，在采用一模兩腔的注塑工藝時，填充過程中容易出現(xiàn)翹曲變形的質(zhì)量問題。通過理論分析、實驗設(shè)計與有限元仿真相結(jié)合的方法，解決了撲克盒蓋注塑成型的模具設(shè)計的難題。首先，通過Moldflow模擬仿真分析，選擇合適的澆口位置，建立澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)；然后，將Moldflow與Minitab軟件結(jié)合，建立了三水平四因素實驗方案并進行仿真，以翹曲變形為響應(yīng)目標，確定最佳的注塑成型工藝參數(shù)；最終，完成注塑模具三維圖的設(shè)計，實現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計及注塑工藝參數(shù)合理化，保證了撲克盒蓋一模兩腔的批量生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：撲克盒蓋；模流分析；田口實驗；一模兩腔

中圖分類號：TQ320.66fz

文獻標志碼：A

Optimization design of injection mold for poker box cover based on Taguchi method

HAN Minggang， DANG Shihong

（Xianyang Vocational and Technical College College of Mechanical and

Electrical Engineering， Xi’ an 712000， Shaanxi， China）

Abstract： This topic mainly aimed at poker lifted the lid with thin plastic， with one module and two cavities injection molding process， prone to be of poor quality problems in the process of filling， such as the deformation after injection forming， misrun and other problems to be solved. Therefore， the difficult problem of the plastic mold design of the poker box cover will be solved by combining theoretical analysis， experimental design and finite element simulation. First， the select the appropriate gate position， establish the gating system， and complete the optimization analysis through Moldflow simulation. Second， three-level and four-factor Taguchi experiments are established， and the best injection molding process parameters through the response objectiveof warping deformation are obtained. Thirdly， the three-dimensional design and two-dimensional drawing design of the overall mold structure are completed to ensure the batch production of one mold and two cavities.

Key words： poker box cover; moldflow; taguchi experiment; one mold two cavities

0 引 言

模具是現(xiàn)代工業(yè)的重要組成部分，很多新產(chǎn)品的研發(fā)都離不開模具［1-5］，尤其是在電子、汽車、電器、儀器、儀表等領(lǐng)域，其中60%～80%的零件都是依靠模具來生產(chǎn)的［6-7］。

撲克牌盒的盒壁較薄，在采用一模兩腔的注塑工藝時，填充過程中容易出現(xiàn)，如變形、熔接痕、澆不足（填充不滿）等問題［8-9］。本文將Moldflow［10-12］注塑模流分析技術(shù)與優(yōu)化算法相結(jié)合，開展撲克盒蓋注塑模具澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及注塑工藝參數(shù)的優(yōu)化分析，最終利用三維軟件UG［13］完成盒蓋塑件的設(shè)計。

1 盒蓋塑料產(chǎn)品分析

作為人們?nèi)粘蕵窊淇伺频谋Ｗo殼，盒蓋塑料產(chǎn)品的材料為Trinseo NA-LA的GALIBRE IM 401-11聚丙烯，推薦參數(shù)為：模具溫度20～80℃，熔體溫度200～280℃，注射壓力80～140MPa。采用UG軟件對盒蓋建模，具體尺寸及三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。產(chǎn)品的外形尺寸為99.2mm×68.8mm×22.8mm，壁厚為1.5mm，由于產(chǎn)品后續(xù)需要配合底蓋使用，拔模斜度設(shè)為1°。盒蓋兩側(cè)有一個卡口結(jié)構(gòu)（34mm×1.5mm）的方孔，需要設(shè)計帶有向外側(cè)抽的側(cè)向分型與抽芯機構(gòu)的注塑模具。

由于盒蓋塑件較薄，在采用一模兩腔的注塑工藝時，填充過程中容易出現(xiàn)翹曲變形。因此，將通過有限元與算法相結(jié)合的方法開展注塑參數(shù)優(yōu)化，從而降低盒蓋的變形量。

2 仿真初步分析

由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對簡單，因此在進行成型仿真分析前無需對塑件產(chǎn)品模型進行前處理。利用Moldflow仿真軟件完成該塑料制品的網(wǎng)格劃分，在Moldflow2018軟件中創(chuàng)建包含20118個單元的有限元模型，如圖2（a）所示。進一步進行最佳澆口位置分析，確定如圖2（b）中的澆口位置1。一般采用點澆口進行注塑，但是考慮到產(chǎn)品對外觀質(zhì)量要求較高，在上表面進行澆注，在開模后產(chǎn)品上表面存在澆口而影響外觀，因此對塑件表面進行澆口約束，確定圖中澆口2作為產(chǎn)品的注塑澆口。

由于產(chǎn)品為小型塑件，并為側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)，結(jié)合澆口位置分析結(jié)果，采用一模兩腔的布局設(shè)計，如圖3所示。計算得澆口高度h為0.98mm，向上取整為1mm；計算得澆口寬度b為1.83mm，向上取整為2mm；長度l的范圍是0.8～2.0mm，取1.2mm。

考慮到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較簡單，尺寸較小，因此采用一水路在兩個型腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計，撲克盒蓋塑件的平均壁厚是1.5mm，小于2mm，模架大小為400mm×400mm，故選擇了橫截面直徑為10mm的冷卻水路，進出水管相距44mm，沿垂直于側(cè)抽方向的模板單側(cè)進出水。根據(jù)Moldflow模擬仿真創(chuàng)建如圖4所示的冷卻系統(tǒng)仿真模型，采用該材料推薦的默認注塑參數(shù)，熔體溫度是230℃（參考推薦值），開模時間為5s，模具表面溫度為50℃，注射時間為1s，注射壓力為120MPa，保壓壓力是50MPa（一般選擇為注射壓力的30%～60%）。冷卻水道進出口一般設(shè)計在非工人操作面，考慮到模具結(jié)構(gòu)兩側(cè)沿X方向存在側(cè)抽芯機構(gòu)，沿X方向設(shè)計水路與側(cè)抽芯滑塊存在干涉，若采用4進出口的X方向水路設(shè)計會出現(xiàn)其中的兩條水路進出口在操作面上，因此水路的設(shè)計方向為沿著Y方向，采用簡單的整體式立體回形的設(shè)計結(jié)構(gòu)。冷卻水路溫差分析結(jié)果如圖5所示，冷卻水路出入水溫差1.56℃，小于2℃，滿足水路溫差范圍的設(shè)計要求。

初始方案的仿真結(jié)果如圖4（a）所示，可知最大翹曲變形量為0.98mm且出現(xiàn)在工件的4個尖角位置，由于該位置是與盒底蓋進行裝配，翹曲變形的尺寸要求越小越好。此外，由圖4（b）可知，縮痕指數(shù)為0.6967%，一般要求在2%以下，因此塑件出現(xiàn)縮痕和縮孔等缺陷的可能性相對較小。

3 注塑參數(shù)優(yōu)化分析

影響翹曲變形的主要因素包括：熔體溫度（A）、模具溫度（B）、保壓壓力（C）和保壓時間（D），通過Minitab分析軟件創(chuàng)建田口實驗（表1），以翹曲變形（W）為目標對注塑成型工藝參數(shù)進行優(yōu)化。利用田口實驗法對表1中的四因素三水平設(shè)計9組實驗方案，并進行仿真分析，結(jié)果如表2所示。采用望小特征函數(shù)對目標響應(yīng)結(jié)果進行計算［14-15］：

η=－10lg1N∑Ni=1X2i

（1）

式中：η表示信噪比；Xi表示第i次試驗的目標量；N表示試驗重復(fù)次數(shù)，取1。

根據(jù)望小特征原理，計算出不同水平條件下各工藝參數(shù)的平均信噪比，如表3所示。其中，保壓壓力對翹曲變形影響最大，其次分別為模具溫度、溶體溫度和保壓時間。對應(yīng)的信噪比折線圖，如圖6所示，由于采用望小特征方法，則信噪比均值越大，則產(chǎn)品的翹曲變形越小。因此，確定最終方案為熔體溫度270℃，模具溫度30℃，保壓壓力70MPa，保壓時間20s時（表2中的第7組試驗方案），翹曲變形最小，為0.2556mm，最佳方案的仿真結(jié)果如圖7所示，對比初始方案時翹曲變形的最大值為0.9823mm，降低了73.5%；縮痕指數(shù)只有0.0675%，相比于初始方案縮痕指數(shù)為0.6967%，雖然均是小于2%，但是進一步降低了塑件出現(xiàn)縮痕和縮孔等缺陷的可能性。

4 注塑模具設(shè)計及工作原理

圖8為注塑模具裝配的二維三視圖和三維圖，模具的整體長寬高為400mm×400mm×310mm。該注塑模具的工作原理如下：首先，通過導(dǎo)柱導(dǎo)套配合，實現(xiàn)定模與動模的精準導(dǎo)向，使得型芯與型腔配合緊密，滿足產(chǎn)品成型需求；其次，通過料筒將PP熔融后，以一定壓力和速度通過澆注系統(tǒng)填入型腔，進而由冷卻系統(tǒng)使熔融的塑件冷卻直至固態(tài)；然后，注塑模具開模，開模方式為側(cè)抽芯抽出后由38根推桿將塑件推出，同時，拉料桿將凝料從分流道中推出，并取出工件；最后，通過導(dǎo)柱導(dǎo)套進行合模，利用彈簧復(fù)位機構(gòu)使推桿復(fù)位，重復(fù)下一個循環(huán)過程。

5 結(jié)束語

撲克牌盒蓋產(chǎn)品對翹曲變形控制嚴格，不允許出現(xiàn)飛邊、毛刺等質(zhì)量問題。設(shè)計注塑模具時，采用一模兩腔的結(jié)構(gòu)布局，澆口位于側(cè)邊，冷卻水道為立體回形，四周環(huán)繞分布。

（1） 運用Moldflow軟件對澆口位置、冷卻系統(tǒng)及注塑工藝參數(shù)進行了仿真分析。確定了最佳澆口位置為側(cè)澆口；由冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果，確定了冷卻水路溫度為1.56℃，小于2℃，冷卻均勻，設(shè)計合理；

（2） 方案為熔體溫度270℃，模具溫度30℃，保壓壓力70MPa，保壓時間20s時，總翹曲變形最小，為0.2556mm，對比初始方案降低了73.5%；縮痕指數(shù)值只有0.0675%，低了塑件出現(xiàn)縮痕和縮孔等缺陷的可能性。

（3） 采用UG軟件設(shè)計帶側(cè)向抽芯機構(gòu)注塑模具的三維建模，設(shè)計了圓形與矩形扁推桿共計38根，保證了頂出力平衡，防止盒蓋產(chǎn)品的損壞。

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