对于异形零件的注塑模具设计，需要考虑其复杂外形特征的成型方案以及侧抽芯结构的脱模方式。通常根据异形零件外壁特点选用哈夫模成型，当塑件外壁有特征与哈夫滑块的脱模移动发生干涉时，需要有针对地改进哈夫滑块结构，以保证后续脱模动作顺利执行[1]。近年来，弹簧式和复合式改进后的哈夫滑块结构已经成为异形零件脱模的主要结构。何成战等[2]设计了一种复合式哈夫滑块结构，实现同区域内两个抽芯方向异向的成型件的无干涉顺序抽芯。杨炉兵[3]采用一种弹顶式哈夫成型滑块实现自动脱模。廖应学等[4]设计带双层哈夫滑块的三板模，为双层抽芯机构提供了新思路。易祖全等[5]通过内藏式弹簧弹出定模哈夫滑块实现脱模。简发萍等[6]在体积小、质量轻的塑件中，采用弹簧式哈夫抽芯结构实现快速侧抽。赵战峰[7]将哈夫滑块改进成斜导柱+弯销+螺纹滑块复合的脱模机构。以往研究中大多是根据制件特征，考虑其可行性及可加工性，对复杂零件的哈夫滑块结构进行改进设计，结合模流分析软件进行仿真分析的研究相对较少。本实验对某款异形开关零件进行研究，基于零件复杂的特征，运用Moldflow软件分析零件成型中浇注系统和冷却系统的可行性，预测产品在注塑过程中可能出现的缺陷。同时结合塑件结构特征，设计一种分体式哈夫块结构，在UG软件中进行整套模具的结构设计，为生产过程提供完善的解决方案。1零件结构分析图1为异形开关零件结构图。从图1a可以看出，该零件为桶形结构，对成形表面的质量要求较高，无熔接痕。从图1b可以看出，零件外表面特征较多，其中1为两个圆角矩形孔，对称分布在零件两侧；2为斜凸台，位于特征1短边两侧；3为环形裙边结构，将零件分成上下两部分，该结构内外侧最大高度差为2 mm；4、5为底部加强筋结构；6为另外两个矩形孔。图1异形开关零件结构图Fig.1Structure diagram of special-shaped switch parts10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.017.F1a1(a)零件图10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.017.F1a2(b)零件特征解析图2零件成型工艺分析制造模具前，通过Moldflow软件分析能够判断模具浇注系统与冷却系统设计的正确性，发现注塑的缺陷，从而选择最佳的注塑工艺参数，以保证产品质量，缩短开发周期，减少试模与修模次数，降低生产成本[8-10]。2.1网格划分本零件选用双层面三角形网格单元，全局网格边长1.05 mm。经过网格诊断和修复操作，得到单一零件三角形网格数18 000个，平均纵横比值2.21，匹配百分比85.7%，适合双层面网格分析。根据零件使用性能要求，材料选择Monsanto Kasei公司生产的牌号为TFX-210的ABS材料，该材料具有较好的高频绝缘性，且不受湿度影响[11-12]。表1为ABS材料的推荐工艺参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.017.T001表1ABS材料的推荐工艺参数Tab.1The recommended process parameters of ABS material参数数值熔体温度/℃230开模时间/s5模具表面温度/℃50顶出温度/℃88最大剪切应力/MPa0.28最大剪切速率/s-1120002.2浇注系统设计利用Moldflow浇口位置分析功能，确定最佳浇口位置。图2为异形开关浇口匹配性和浇注系统设计。从图2可以看出，最佳浇口位于特征4底部加强筋处，但在此位置开设浇口，主流道将位于哈夫块分型面上，无法成型零件。综合考虑塑件成型质量、模具具体结构与布局的需要，选用中心点浇口形式，设置在零件顶端中心，采用一模四腔布局。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.017.F002图2异形开关浇口匹配性和浇注系统设计Fig.2Intersection matching and gating system design of shaped switch2.3冷却系统设计图3为冷却系统设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.017.F003图3冷却系统设计Fig.3Cooling system design从图3可以看出，冷却水道直径设定为8 mm，遍布型腔、侧滑块等各成型部件，并在主流道、分流道、中心点浇口附近布置四进四出的直通式冷却水道，以保证冷却均匀。在内侧型芯中，冷却水道直径为10 mm，并增设隔水板以保证成型零件内表面的冷却效果[13]，得到最终的冷却系统。图4为回路冷却液温度显示云图。从图4可以看出，回路温度变化范围为25~25.56 ℃，最大温差为0.56 ℃，小于2~3 ℃[14]，塑件上下表面冷却均匀，冷却效果好。分析结果说明，异形开关模具设计的冷却系统能够较好地满足注塑成型要求，保证塑件成型质量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.017.F004图4回路冷却液温度显示云图Fig.4Display cloud of loop coolant temperature2.4成型分析利用Moldflow软件验证浇注系统的注塑效果，设定模具表面温度为30 ℃，充填控制及速度/压力转换设置为自动，熔体温度为200 ℃，保压压力为75 MPa，保压时间为30 s，冷却时间为30 s。图5为模流分析结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.017.F005图5模流分析结果Fig.5Moldflow analysis results从图5a可以看出，注塑充填时间约为0.911 2 s，特征6矩形孔位置填充最慢，无短射及充填不足等缺陷。从图5b可以看出，流动前沿温度最大为202.2 ℃，最小为199.7 ℃，两者相差2.5 ℃。通常，流动前沿温度变化最大不应超过设定的熔体温度±10 ℃，过低易导致滞流短射，过高易导致降解及表面缺陷[15]，因此所得的温差满足成型要求。从图5c可以看出，零件成型过程中，熔料绕特征1圆角矩形孔和6矩形孔流动，出现熔体前锋交汇情况[16]，故熔接痕主要集中在矩形孔的底部位置。从图5d可以看出，气穴缺陷则分布在特征3环形裙边结构的边缘处，此处是零件垂直投影方向的最大轮廓，也是流料充填的末端。在设计模具结构时，充分考虑此类缺陷并加以设计优化。从图5e可以看出，速度/压力切换时的压力的颜色基本一致，说明压力平衡，能够保证塑件各处受力基本一致，满足成型的需要[17]。从图5f可以看出，塑件的翘曲变形量最大为0.109 mm，最大变形量位于产品边缘充填末端处，异形开关零件装配要求产品最大变形量在1 mm以下。根据上述的模流分析结果，建立的浇注系统及冷却系统，满足成型要求。3模具结构设计3.1成型部分设计常规桶形零件根据自身特点，可采用哈夫模成型[18]，即型腔部分由两个对称可移动滑块组成，本套模具也采用此基本结构。哈夫模成型的优点是既便于塑件外壁的脱模，也便于模腔成型件的加工。图6为分型面示意图，选择零件椭圆形平面底部为主分型面，侧面中线处为哈夫块分割面，但该零件各细节特征相互影响，使得模具脱模出现多处干涉现象。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.017.F006图6分型面示意图Fig.6Schematic diagram of main parting surface图7为型腔镶块示意图。从图7可以看出，结合制件外壁脱模需要，零件底部椭圆形平面以上均为模具定模部分，特征1-6都在定模部分利用哈夫块结构成型，特征1圆角矩形孔和6矩形孔的脱模由弹簧驱动，使左右两块哈夫块向两边移动，为保证哈夫块的可加工性以及哈夫滑块的开模，成型零件顶部部分采用型腔镶块结构。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.017.F007图7型腔镶块示意图Fig.7Diagram of the cavity insert图8为分体式哈夫块结构。从图8可以看出，特征3环形裙边结构位置出现强制脱模现象，需要通过改进哈夫块结构解决开模过程中的干涉问题。结合模流分析结果中气穴缺陷的位置，将哈夫块结构设计成一种分体组合形式，将哈夫滑块从特征3环形裙边结构分型面处分型，并在分型面末端设计凸台和凹槽结构保证合模准确。在模具闭合时，左右两侧组合滑块由合模力作用，克服弹簧的压缩力，贴合在一起组成成型面。在模具开模时，被压缩弹簧释放压缩力，组合滑块在零件特征3裙边结构处打开，并由限位螺钉限制开启距离。此种结构也解决了气穴缺陷问题，使气体能够从缝隙中排出，避免了充填不足等缺陷。图9为哈夫滑块整体分模结构。图8分体式哈夫块结构Fig.8Split-type half structure10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.017.F8a1（a）闭合状态10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.017.F8a2（b）开启状态10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.017.F009图9哈夫滑块分模结构Fig.9Half Slider parting structure3.2顶出机构设计顶出机构的设计是影响产品成功率的关键因素。本零件内侧表面平面较少，主要集中在零件顶部矩形和底部椭圆形位置。两处平面面积较小，且考虑冷却水道的布置，因此无法在零件内侧设置斜顶、顶针等顶出部件。根据塑料注塑成型特点可知，脱模阻力主要来自注塑冷却后塑料收缩产生的包紧力。该模具型芯部分凸出，高于分型平面约37 mm，是包紧力主要的产生区域，故为了保证零件开模顶出时顺畅平稳，模具采用推板机构，图10为推板机构。推板顶出面覆盖零件底部的椭圆形平面，在顶出过程中零件和顶出机构的接触面积最大，使零件顶出受力均匀。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.017.F010图10推板机构Fig.10Stripper plate mechanism4模具工作过程模具为三板模结构，图11为模具装配图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.017.F011图11模具装配图Fig.11Mold assembly Drawing从图11可以看出，聚丙烯塑料颗粒由注塑机熔化、加压、注射进入型腔后，经过保压冷却周期，模具开始开模行程。外侧锁模压力撤销后，压缩弹簧61首先弹开，定模固定板22背面的分流道平面开启，点浇口与注塑零件之间发生脱离。接着弹簧48、46也释放压缩力，使组合滑块1和组合滑块2脱开一定距离，并伴随横向移动。当组合滑块完全脱离注塑零件后，定模固定板22移动接触螺钉拉杆54，同时拉动止动螺钉43、脱料板11移动，将浇口凝料从拉料杆21上剥离。随着模具继续开模移动，动模部分克服锁模套42的摩擦力使主分型面开启，零件包紧在凸出的动模型芯39上。在零件顶出过程中，注塑机打杆带动推杆垫板34、推杆固定板33、推杆52、推件板26、动模仁25一起联动，将零件从动模型芯39上顺利脱出，之后模具顺序闭合，准备下一个注塑循环[19]。图12为最终成品零件。从图12可以看出，零件表面质量较好，尺寸合格，满足使用要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.017.F012图12成品实物图Fig.12Processing product5结论（1）通过对异形开关零件结构和生产要求的分析，初选了注塑成型方案，再结合塑料流动仿真软件，对注塑时间、流动前沿温度、熔接痕、气穴、速度/压力切换时的压力及翘曲变形量等参数进行分析，准确预测其成型效果及可能发生的缺陷，验证了初选方案的可行性。（2）分型设计采用了一种分体式哈夫块结构，在满足零件成型要求的基础上，使得模具侧抽芯脱模过程平稳，同时可保证充填过程中型腔排气的顺畅。（3）零件内侧空间狭小，无法安装内侧斜顶或顶针，故采用了推板推出机构，为此类零件的脱模顶出提供了解决方案，具有一定参考价值。