卡槽塑料产品注射模设计的优化措施.pdf

应用研究模具制造 2023年第11期卡槽塑料产品注射模设计的优化措施李扬帆（广东省粤东技师学院，广东汕头 515071）【摘要】根据卡槽塑料产品质量、结构以及特点对其注射模进行设计优化策略探究。在具体的设计过程中，根据 Unigraphics 软件建立卡槽塑料产品注射模的三维模型，同时借助MoldFlow软件分别对卡槽塑料产品的浇注系统和冷却系统进行成型仿真分析，得出卡槽塑料产品的回路冷却温度、翘曲变形量以及合理填充时间等参数，最后根据仿真结果，确定卡槽塑料产品注射模工艺参数。关键词：卡槽塑料产品；注射模；设计中图分类号：TQ320.66 文献标识码：BDOI：10.12147/ki.1671-3508.2023.11.039Optimization Measures of Injection Mould Design for Slot Plastic ProductsLi Yangfan（Guangdong East Guangdong Technician College,Shantou,Guangdong 515071,CHN）【Abstract】The article explores the design optimization strategy of injection molds for card slot plastic products based on their quality,structure,and characteristics.In the specific design process,the 3D model of the card groove plastic product is established according to Unigraphics software.At the same time,with the help of MoldFlow software,the pouring system and cooling system of the plastic products of the slot were formed for simulation analysis,and the circuit cooling temperature,warping deformation and reasonable filling time of the plastic products were obtained.Finally,according to the simulation results,the injection mold process parameters of the plastic products of the slot were determined.Key words:slot plastic products；injection mold；design1 引言卡槽塑料产品注射模是用于生产卡槽塑料制品的模具，通常由钢材制成，具有包括模板、芯棒、导柱、导套、螺丝等零件组成。模具的设计要考虑产品的形状、尺寸、结构和性能要求1。当强，卡槽塑料产品注射模具有高精度、高耐磨性、高稳定性以及高效率等的特点，深受业内人士青睐。2 卡槽塑料产品介绍卡槽塑料产品是一种具有凸凹结构的塑料制品，常见于电子设备、机械配件、家具、汽车零部件等领域，通常用于连接、定位、固定或传导电信号等功能。卡槽塑料产品的设计与制造要求高度精确，因为它们通常需要与其他零部件或设备精准配合，需要保证卡槽的尺寸精确度、表面光洁度以及耐磨、耐久等性能。因此，在设计和制造过程中，需要仔细考虑材料选择、模具设计以及工艺控制等，以确保卡槽塑料产品的质量和使用性能。根据Unigraphics软件对卡槽塑料产品进行建模，二维结构和三维模型如图 1、图 2 所示。在未设置收缩的情况下，卡槽塑料产品的外形尺寸为 1153630mm，平均厚度为 0.8mm，壁厚为2.5mm。通过以上数据可以看出，该产品的壁厚相对较大，同时平均厚度较小，这可能导致在注塑过程中产生翘曲问题。127应用研究模具制造 2023年第11期1153036图1 卡槽塑料产品的二维结构 图2 卡槽塑料产品的三维模型3 浇注系统及冷却系统的设计优化3.1 浇注系统浇注系统是模具中的一个重要组成部分，负责将塑料溶体从注塑机喷嘴引导到模具的型腔中，它能够引导溶体快速且有序地进入型腔的各个位置，进而获得外观优美和质量优良的塑件。对浇注系统设计的要求是：模腔填充快速有序，可同时充满各个型腔，热量损失较小、材料消耗少、保证型腔顺利排气，浇注道的凝料容易与塑料进行分离，避免冷料进入型腔，浇口痕迹对卡槽塑料产品的外观质量影响较小2。3.2 浇注系统的组成浇注系统分别由主流道、分流道、浇口以及冷料井组成。（1）主流道设计。通常情况下，卡槽塑料产品注射模主流道设计采用的是一模两腔的设计方法，侧向浇口进浇，进浇位置接近最佳浇口位置，主流道为邹形，长度为60mm，浇口的直径为3mm，邹度为2，分流道的形状为圆柱形，长度和直径分别为 15mm 和5mm。主流道是从喷嘴到模具型腔的主要流动通道，它负责将塑料溶体均匀引导到型腔中。主流道的设计和布置对产品的质量和生产效率有重要影响，其路径和尺寸应该合理，以确保塑料注塑产品在注射过程中得到均匀的充填和成型。塑料溶体由此通过，其外形和尺寸是影响溶体流动速度和填充时间的重要因素，因此，主流道的长度需要按照模板的厚度决定，为降低充模时的压力，减少对材料的损耗，中小型的卡槽塑料产品注射模应当控制在80mm以内。（2）分流道设计。分流道是注射模中的一个部分，它是主流道和浇口之间的通道，它的作用是将熔化的塑料从主流道分流到模具中各个腔体中，让每个腔体中的熔融塑料能够达到相同的填充压力和充填速度，确保成型品质量的一致性。卡槽塑料产品注射模必须设置分流道，分流道在注射模中的截面形状可以有多种选择，常见的包括圆形、梯形、六角形和U型等，每种形状都各有优劣。为降低分流道内的压力，分流道的截面应当尽量大。从热传角度考虑：为降低热损失，要求分流道的截面面积应小于外周比。因此，使用流道的截面面积与周长之比表示分流道的效率。当分流道为平面时，常见的选择是圆形或六角形截面。圆形截面的分流道可以在流动过程中保持均匀的流动速度和良好的冷却效果；而六角形截面的分流道由于其特殊的形状，可以更好地控制流动和冷却。当分流道为不平面时，梯形或半圆型的截面常常被采用。梯形截面的分流道能够较好地控制塑料溶体的流动，而半圆型的截面则具有优良的冷却性能。分流道发挥着绝缘的重要作用，此时的溶体在分流道内缓慢流动，理想状态是中心与浇口一致，而圆形截面的分流道可以实现这一目标，但梯形截面的分流道则很难实现这一目标3。因此，要求设计的分流道必须保证具有良好的压力传递，使溶体能够快速充满型腔，并且将其在流动过程中的压力和热量损失降至最低。（3）浇口设计。浇口又叫做进料口，用于将熔融塑料注入模具中形成产品，浇口的设计和选择对注塑过程和成品质量有重要影响，它是浇注系统的重要组成部分，浇口的位置、形状和尺寸对卡槽产品的质量具有很大的影响，一般包括侧浇口，潜浇口，牛角浇口和点浇口。本方案采用侧浇口，选择2个浇口，注射模采用单分型面，侧浇口的截面为半圆型，直径为0.82.0mm。ABS推荐的点浇口尺寸，壁厚1.53mm之间直径为0.91.8mm，此处取1.5mm。注射模需要使用冷水管进行冷却，呈上下布置的形式，水管的直径为 6mm，水管和零件之间的距离应严格控制在20mm，设置4条管道，管道与管道之间的距离为45mm为宜，两中心管道之间的距离为30mm。4 填充与保压熔体从注塑机喷嘴进入注射模主流道，并充满整个型腔，用时大约为0.79s，速度压力切换过程中，注射模的内腔压力为62.12MPa，该压力是指注塑成型过程中熔融塑料在模腔内形成的最高压力，也称为注塑压力或射出压力。在注塑成型过程中，熔融塑料需要通过浇口进入模腔，并填充模具中的每个角落和细节，直到模具内部全部充满熔融塑料。在填充环节，溶体截面中心的温差为10.7k，符合产品温差要求。另有 128应用研究模具制造 2023年第11期大量生产实践证明：任何一个卡槽塑料产品注射模在设计与生产环节都会不可避免地在两股溶体流动前言位置出现溶解痕，本文设计的卡槽塑料产品溶接痕位置为产品的边缘处。5 注射模设计优化Unighraphics软件在补破孔、抽取面、拆分体以及创新分型面等的方面有着得天独厚的优势，是一款深受注射模设计人员青睐和喜爱的软件，更是当下国内外卡槽塑料产品注射模领域中超前的三维软件之一。对此，利用其进行注射模设计优化。5.1 注射模材料卡槽塑料产品有着很深的骨位和较高的凸起，为延长注射模的使用寿命，节约模具在生产过程中的材料，便于其排气，模仁采用镶件拼接，并将型腔和型芯分别植入注射模内部，模仁四周采用精准虎口定位，顶出机构，再由推杆推出，确保顶出力平衡，避免卡槽塑料产品出现不必要的质量问题。5.2 用钢条件性能优良的机械加工；耐磨且具有韧性；耐火花加工性能好；耐腐蚀性强；焊接性良好。5.3 模具材料的选择注射模与冷冲模有着很多的不同之处，注射模的生产温度一般为150200之间，除了需要承受一定的压力之外，其在注塑成型过程中，一些塑料材料还可能会分解产生一些有害气体，如挥发性有机化合物（VOCs）和有害的气体排放。这主要是塑料材料中的添加剂、稳定剂、增塑剂等物质在高温条件下分解产生的。这些有害气体对人体健康可能会产生一定的影响，特别是当操作者长时间接触这些常见的有害气体如苯、甲醛、氨等时，可能会出现呼吸道刺激、头痛、眼部刺激、皮肤过敏等症状，严重情况下还可能对肝脏、肾脏、神经系统等健康产生负面影响。为了减少有害气体的产生和排放，在注塑成型过程中可以采取一些措施，如选择低挥发性的塑料材料、合理控制成型温度、加强通风系统的设计和使用适当的防护设备等。此外，定期检查和维护注塑设备，确保设备良好的工作状态也是减少有害气体排放的重要手段。5.4 模具淬火硬度一般情况下，注射模的工作面与卡槽塑料产品表面的粗糙度为56级，从配合精度来讲，粗糙度越小，滑块面就会越光滑，且不易出现摩擦。因此，孔、轴和平键之间的粗糙度应当严格控制在34级。卡槽塑料产品注射模表面的粗糙度越高，产品成型后的硬度就越高，比如，设计要求的卡槽产品表面的粗糙度如果为Ra3.20.8m，产品成型后的硬度应当为5961HRC。5.5 热处理首先，为切实提高卡槽产品的耐磨性，还需要对其进行淬火处理，要求其达到4045HRC。此时型芯垫板、顶杆垫板成型或者顶出的塑料产品，需要承受更大的单位挤压力，同时对其他的零件，如导柱、导套等，为延长其使用寿命，也要对其进行淬火处理。其次，由于卡槽塑料产品的结构比较复杂，尺寸也不易控制，可以将模具的调制处理作为最后的热处理，经过粗加工之后可以不进行淬火处理。而对一些注射模重要零件，在加工生产过程中，需要严格按照热处理工序，如退火、正火、调质等。对导柱、导套以及斜导柱等的零件，可采用表面淬火的热处理方法。6 注射模的工作原理及可行性分析6.1 工作原理注射模的工作原理如下：塑料注射。将预先加热熔融的塑料颗粒通过注塑机的螺杆注入模具的射嘴。螺杆会将塑料颗粒压缩、熔化和混合，并在注塑机的高压推动下将熔融的塑料注入模具的射出腔中；充填和冷却。一旦塑料进入模具中，模具的充填系统会将熔融塑料充满整个模具腔内。同时，模具中的冷却系统会通过循环冷却介质（通常是冷水）将热量从塑料中排出，使其迅速冷却和固化；压力维持和松模。当塑料冷却并固化后，注塑机会保持一定的压力，以确保塑料在模具中保持固态。然后，模具的分模系统会打开，使成型的塑件可以从模具中弹出；塑件取出。一旦模具分开，成型的塑件会通过顶出构件或其他装置被取出，并进一步进行后续的加工和处理。6.2 可行性分析本文设计的卡槽塑料产品属于在传统注射模上更新换代的产品，因设计方案合理，所以生产效率高，且生产成本低廉。此外，本卡槽塑料产品注射模使用周期长，一经生产，必然会受到各个行业的欢迎。综上所述，卡槽塑料产品对翘曲质量有着极其严格的要求。翘曲是指塑料产品在制造过程中或使用时，产生不均匀的应力分布而导致的变形现象。对卡槽等需要精准配合的部件而言，翘曲可能会导致牢固度下降、尺寸不准确等问题，甚至难以正常使用。针对以上问题，通过对本文的研究，（下转第132页）129应用研究模具制造 2023年第11期（1）X方向振动工况。在极限工况条件下，电池箱整体、侧围与底板应力分布具有典型特征，最大应力位于箱体顶盖两侧、部分侧围、侧围拐角等位置，数值为162.54MPa，与顶盖材料5052铝合金245MPa的屈服强度相比相对较低，意味着箱体能够承受X方向的振动工况。侧围应力多处于墙体前端拐角位置，受应力集中影响，侧围出现明显变形，应力传递到顶盖上，致使顶盖位置同样呈现出应力集中态势，使用寿命缩短。（2）Y方向振动工况。在Y方向振动工况下，电池箱整体与侧围、底板之间的应力分布特征与X轴较为相似，区别在于应力数值较大，达到293.4MPa，超过铝合金屈服强度。由此得知，使用状态不够安全，应力多处于焊接、螺栓连接、转角等处。（3）Z方向振动工况。在Z方向振动工况下，应力分布与集中特征与X轴、Y轴较为相似，汇集在箱体托架连接点位，最大值为61.68MPa。由此得知，与铝合金屈服强度相比相对较小，状态安全。3.5 结构优化方案设计根据仿真分析结果可知，电池箱顶盖尽管不是载荷主要承受位置，但顶盖位置受变形较大，且容易共振，使箱体使用性能、疲劳寿命降低。而提升加强筋与顶盖强度，有利于提高共振频率。观察顶盖、下箱体与箱体拐角处优化后的三维模型，发现在整个电池组中，下箱体属于承受荷载的“主力”，结合仿真分析结果可知，底板所受应力较大，在侧围拐角位置存在应力集中情况，可在底板处、局部侧围处增设加强筋，也可增加肋板，使箱体整体强度提升。根据振动分析结果可知，Y 方向上托架的应力数值较大，达到293.4MPa，超过铝合金屈服强度，使用状态不够安全，应力多处于焊接、螺栓连接、转角等处。在优化期间，就可增设一条横梁，使整体强度提升，预防严重事故产生。将优化处理后的结构导入ANSYS模型内，经过计算可知，电池底板、井盖与Y方向的托架应力值出现轻微偏移，应力值均有所降低，数值分别为 186.52、103.6、144.52MPa，与结构优化前的最大应力相比相对较小，且低于5052铝合金的屈服度，能够使电池箱在极限工况下始终保持良好运行状态，有效避免失效行为发生。4 结束语综上所述，采用全铝电池箱装载汽车动力电池，应确保结构拥有较高承载能力和抗挤压能力。建立有限元模型对结构应力及位移分布情况展开分析，模拟各种不利工况条件分析，得到X向、Y向和Z向最大应力分布情况，比照材料抗拉强度完成振动试验，能够及时发现结构存在的不良，通过优化结构设计方案增强结构整体强度。在分析实践中，发现结构最大应力约70MPa，固有频率达21Hz，不会引发共振情况。而结构最大变形位于顶盖，通过增加横梁等方式优化后能减小结构最大应力值，确保电池箱承载能力符合要求。参 考 文 献1罗宇辉.新能源汽车电池箱泄漏检测技术研究J.时代汽车,2022,(22):1081102郝成旭,洪占勇,王睿.新能源汽车电池箱接插件容错结构与性能研究J.汽车实用技术,2021,46(20):14+183卢欣欣,陈继永,詹大琳，等.新能源汽车动力电池的荷电均衡及电池箱温度控制J.江苏工程职业技术学院学报,2021,21(03):584徐珂,张继阳,王英姿.基于CAE技术的新能源储能电池箱结构强度研究J.河南工学院学报,2021,29(05):3032+45作者简介：吴昊，男，1988年8月生，汉族，江苏张家港人，硕士，中级工程师，研究方向：机械工程、机械制造。（收稿日期：2023-08-12）DMM（上接第129页）可以得出以下几个方面的结论：选择具有较低热收缩率和较高稳定性的塑料材料，以减小翘曲的可能性。常用的工程塑料如ABS、PC、PA等通常具有较好的稳定性；合理设计模具结构，确保均匀的冷却和固化过程，以减少翘曲的发生。尽量采用对称结构，避免厚薄不均；控制注塑机的温度、压力和速度等参数，确保熔融塑料充填模腔时的均匀性，利用合理的注射压力和速度减少应力积聚。参 考 文 献1刘波.基于UG世赛“塑料模具工程”赛题注射模设计J.模具制造,2020,(06):25262孙瑞宝.塑料模具型腔数控加工过程优化设计J.合成树脂及塑料,2020,(02):1416作者简介：李扬帆，男，1983年11月生，汉族，广东汕头人，本科，机械讲师，研究方向：机械研究。（收稿日期：2023-07-09）DMM 132