PVC排水管道具有成本较低、后期维护简单、化学稳定性好、质量轻等优点，应用较广泛[1]。为了增加PVC管道的强度和环刚度，通常在PVC中加入大量辅料，使PVC流动性能变差，充填压力显著增加。增加注射温度又造成PVC分解加剧。排水45°PVC斜三通注塑模具中存在的主要问题包括成型工艺窗口小、模具结构复杂、冷却困难等。针对三通管成型工艺已经进行较多研究。夏天等[2]对复杂塑料管进行注塑模具设计，采用拉杆油缸抽芯机构和弧线滑块抽芯机构，解决管道轴线是弧线且带有法兰的三通管脱模难的问题。杨玉霞等[3]采用带尖导柱和带头导套的定位机构，完成三通注塑模具注射量、锁模力及开模行程的校核。康永[4]介绍三通管凸凹模和导向机构的设计，分析影响塑件尺寸精度的因素。陈爱平等[5]介绍多方位模内自动脱模的工作原理和结构特点，完成带有内管螺纹的三通管的脱模。高颜萌等[6]分析带有外螺纹三通管的结构特点，改进传统的斜导柱侧向抽芯机构。由此得出，三通注塑模具设计中需要考虑多向开模、冷却、顶出等步骤，结构复杂。加入滑石粉辅料后，PVC的流动性变差，注射压力高达80 MPa，与常规塑件相比对模具强度提出更高要求。本实验分析PVC斜三通注塑工艺特点，设计浇注系统、冷却系统以及侧向抽芯机构，通过Moldflow软件和ANSYS Workbench静力分析模块对成型过程中的塑料流动情况和模具受力情况进行分析。研究结果对同类三通管的注塑模具结构设计具有参考价值，对加快注塑模具设计过程、提高模具可靠性具有重要意义。1模具结构设计1.1成型工艺性分析图1为斜三通的几何模型。材料选用PVC，该塑件壁厚为5 mm，体积为4.4×105 mm3，外轮廓尺寸为227 mm×266 mm。PVC注射压力达到80 MPa，成型温度与分解温度接近，注射温度过高导致材料热分解加速。塑件的分型面设计决定了塑件成型和脱模的难易程度，选取斜三通最大端面处为分型面。根据厂家要求，塑件的总体变形量不大于1.5 mm，塑件表面不允许出现熔接痕、缩孔等缺陷。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.018.F001图1斜三通几何模型Fig.1Geometric model of slant tee1.2浇注系统合理的浇注系统可以使塑件收缩均匀，翘曲变形量减小，提高塑件的质量，而且能够提高生产效率[7-8]。图2为流道设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.018.F002图2流道设计Fig.2Runner design为提高塑件生产效率，采用一模两腔结构形式。为了便于凝料脱出和减小进胶阻力，采用锥形主流道和圆柱形分流道，主流道首末端的直径分别为8 mm、12 mm，长为158 mm，圆柱形分流道直径为12 mm。为了利于塑料的流动和填充，流道过度处采用圆角设计。为了不影响塑件的整体外观，便于流道和塑件的分离，采用潜伏式点浇口。1.3冷却系统塑件冷却时热量大部分借助模具及模具中冷却水散发。初步分析发现，该模具型芯温度较高，在型芯中开设环形冷却水路，解决型芯冷却问题。熔体温度为184 ℃、模具温度为45 ℃、冷却水入口温度为10 ℃、出水温度不高于15 ℃、冷却管道直径为10 mm、成型周期为69 s、PVC比热为1 920 J/(kg‧℃)等条件下，根据冷却公式[9]计算冷却水总流量为14.5 L/min。图3为冷却水路。实际加工时，凹模中随形冷却水路采取钻孔的方式加工，型芯中随形冷却水路采用拼装水冷芯头的方式。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.018.F003图3冷却水路Fig.3Cooling water circuit1.4顶出和复位机构采用顶杆顶出，计算脱模力，图4为顶出机构示意图。顶杆直径20 mm。选择弹簧复位机构，将弹簧套在复位杆上，推杆将塑件推出后，弹簧将推杆带回原来的位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.018.F004图4顶出机构示意图Fig.4Schematic diagram of ejector mechanism1.5侧向抽芯机构由于该塑件需要在4个方向上抽芯，侧向抽芯机构不仅保证避免干涉，还要尽可能地简化机构[10-11]。图5为抽芯机构三维图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.018.F005图5抽芯机构三维图Fig.53D drawing of core pulling mechanism兼顾成本和抽芯距要求，在抽芯距较大的3个方向采用液压油缸抽芯。通过油缸的进油出油，将油缸内压力转换为横向运动的机械力；通过油缸杆带动滑块横向滑动实现塑件抽芯，抽芯传动平稳，抽芯力大，抽芯距长。剩下1个方向采用斜导柱抽芯。1.6模具工作过程图6为斜三通模具结构图。模具工作过程：（1）注射机将PVC塑料加热至熔融状态，熔体由喷嘴进入模具。经过保压、冷却定型后进行开模，在注塑机作用下型芯随动模底板一起移动，斜导柱带动滑块移动实现一处型芯的侧向抽芯。（2）抽芯油缸开始工作，完成抽芯。开模到一定阶段，顶出机构开始工作，顶杆顶出塑件和浇注系统。合模时，型芯和推出机构复位，完成合模。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.018.F006图6斜三通模具结构图Fig.6Structural diagram of slant tee mold2模流分析在Moldflow中导入塑件STL模型、冷却水路和流道中线，采用双层面网格划分[12]，模型共划分598 074个网格，网格匹配率90.23%。图7为有限元分析模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.018.F007图7有限元分析模型Fig.7Finite element analysis model模拟选用Generic PVC材料，比热为1 920 J/(kg‧℃)。为便于充型、快速注射、长时间保压[10]。保压时间须足够长，使塑料能够充分补缩，根据初步模拟结果，55 s时塑料基本凝固完全，设置保压时间为55 s。开模时间设置5 s。充满时刻开始保压，压力为70%最大注射压力，其他工艺参数采用系统默认方式。图8为斜三通模流分析结果。从图8a可以看出，经过14.84 s的注射后，塑件被填充满，最后充满区域在45°支管法兰面，与预期相符。从图8b可以看出，支管法兰面处熔体温度最低(161.1 ℃)，但高于PVC凝固温度(140 ℃)，PVC不会在流动过程中凝固。从图8c可以看出，最大锁模力约200.4 t，出现在注射完成及保压开始的时刻。在保压过程中随着熔体的凝固，保压压力逐渐降低，锁模力也逐渐减小。从图8d可以看出，除主管道中部有一条熔接线外，大部分熔接线分布在支管法兰面上。从图8e可以看出，冷却水出口最高温度11.54 ℃，温差1.54 ℃，小于通常情况下最大5 ℃的要求，证明设计的随形冷却系统效果良好。从图8f可以看出，主流道壁面处温度较高(48.78 ℃)，而型腔、型芯处的模具温度均较低，证明设计的模具冷却方案可行。图9为翘曲分析结果。从图9可以看出，三通的最大翘曲变形量为0.362 mm（图中箭头所指的位置），小于1.5 mm的最大变形量要求，翘曲变形量最大的位置是主管道法兰面的位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.018.F008图8模流分析结果Fig.8Moldflow analysis results10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.018.F009图9翘曲分析结果Fig.9Warpage analysis results3注塑模具强度分析110 mm斜三通模具设计中需要综合考虑诸多因素，一方面，各模具零件在钻冷却水路和螺栓孔后强度被削弱，采用镶拼分块模具方案降低模具的整体强度；另一方面，为保证一次开模模具正常工作，模具材料和制造成本要最低。对模具整体进行力学分析预测，判断模具能否承受PVC成型时的张模力，提前识别模具失效风险，是经济可靠的方法。采用ANSYS WORKBENCH静力分析模块分析模具受力。模具选用45号钢，屈服强度540 MPa，泊松比0.31，弹性模量193 GPa[13]。考虑各零件的装配和定位关系，将模具简化为8个零件，各零件之间定义为摩擦系数为0.15的摩擦接触，模具共划分了3 035 476个四面体网格。将80 MPa液压力施加在模具型腔表面，模拟模具工作时受力情况。模拟中采用迭代法计算，经过7步的迭代22.2 h的计算获得分析结果。图10为模具静力学分析结果。从图10a可以看出，模具最大变形量(0.35 mm)出现在型芯上。因为45°支管型芯在较大的塑料熔体液压力下推动主管道型芯后退。从图10b和图10c可以看出，模具上除浇口套和型芯垫块附近应力较大外(350 MPa)，其他区域应力较小，模具所有部位的应力均位于45钢屈服强度以下，强度是足够的[13]。从图10d和图10e可以看出，定模型腔和定模板受力较大，虽然冷却水道和螺纹孔对型芯强度有所削弱，但总体上应力值位于安全范围。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.018.F010图10模具力学分析结果Fig.10Mold mechanics analysis results4生产应用PVC斜三通采用东华DH600注射机生产，图11为塑件和部分模具实物图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.018.F011图11斜三通实物与模具Fig.11Slant tee real object and mold生产结果表明：模具各部分零件可靠、稳定，模具结构合理强度达标，工作状况良好[14]。采用该模具生产的零件外观光滑、无缩孔气穴等缺陷。塑件翘曲变形量在0.5 mm以内，尺寸精度满足要求。模具在推荐的工艺参数下可以顺利生产，能够满足客户对斜三通产品的要求。5结论（1）采用一模两腔的模具结构形式，设计随形冷却水路、顶出、复位机构和液压抽芯机构，解决了斜三通冷却、顶出和脱模难题。（2）Moldflow分析结果表明：该塑件能够在14.84 s内填充满，冷却水出口最高温度为11.54 ℃，锁模力不小于200.4 t。注塑结果表明：该改进的浇注系统、环形冷却水路和抽芯机构能够满足注塑工艺要求，验证模具方案是可行的。（3）模具应力均位于45钢屈服强度以下，强度满足应用要求。虽然冷却水道和螺纹孔对型芯强度有所削弱，但总体上应力值位于安全范围。设计的塑件能够批量生产，模具能连续完成注射、抽芯、顶出等动作，模具结构合理、可靠。