随着注塑成型模拟理论和数值方法的发展，传统的有限元、有限差分、有限体积、边界元方法逐渐完善[1]。Moldflow与Moldex3D等数值模拟软件可以模拟整个注塑生产过程，通过分析注塑生产过程中温度场、流动场与应力场的演化，设计人员可快速评价当前设计方案，并在分析的基础上提出优化方案。注塑模具设计从传统的“迭代试制优化”转变为“概念验证法”，降低了模具开发成本[2]。目前数值模拟技术已被广泛用于注塑生产中模具设计优化[3-4]、生产工艺控制[5-6]及材料配方优化[7-8]。庞杰彬等[9]利用Moldflow分析油泵隔热罩的注塑生产过程，对比翘曲结果与塑件结构，发现塑件各部分的充型流动不均是导致塑件翘曲变形严重的原因。通过迭代分析不同数量与形状的内浇口方案，将油泵隔热罩的最大翘曲变形量由1.92 mm下降为0.68 mm。肖世龙等[10]利用Moldflow确定继电器外壳浇口位置，并设计浇注系统，通过正交试验与数值模拟分析优化注塑工艺并进行生产试制，获得合格的外壳注塑件。本实验利用数值模拟软件对PVC线盒多腔模具注塑成型过程进行模拟，针对初始流道设计方案熔体分配不均问题，基于数值模拟输出结果对流道设计进行迭代优化，解决流道不平衡问题。1接线盒结构及模具设计图1为接线盒三维模型与模具设计。接线盒材料为PVC，最大轮廓尺寸为186 mm× 308 mm×318 mm，产品壁厚较为均匀，约为1.7 mm。结合实际生产需求，需设计一出四腔的模具。该款接线盒中两个较复杂的侧面需设置侧抽芯机构，为减少模具尺寸，4个型腔在模具中竖直排列。模具动模一侧设置型芯与侧向抽芯机构，在开模时动模将带动滑块沿着斜导柱方向运动实现侧抽芯，同时产品将包覆在型芯中随动模运动，便于取件。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.020.F001图1接线盒三维模型与模具设计Fig.13D model of the junction box and the mold design2初始流道设计方案数值模拟2.1初始流道设计方案考虑产品厚度较薄且PVC流动性能较差，结合模具型腔布局在接线盒顶面设置了进胶口，采用两点进胶的方式降低熔体在型腔中的流程。图2为初始浇注系统设计。该方案设计较简单，流道形状类似X形。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.020.F002图2初始浇注系统设计Fig.2Initial gating system design2.2数值模拟初始和边界条件对于PVC多腔模具，流道平衡设计较重要，不均的熔体分配往往导致工艺窗口变窄，使得制品报废率上升，不利于批量生产。当熔体在流道中分配不均时，熔体将先行完成部分流道的充填，并由浇口开始充填型腔，导致v/p保压切换时各型腔充填体积不一。在保压阶段，工艺设置若兼顾充填滞后的型腔，使得先行完成充填的型腔中制品过保压，导致胀模、溢料。若关注先行充填的型腔，导致填充滞后型腔中的制品出现严重的收缩和翘曲等现象[11]。探究生产过程中熔体的流动场演化是本次模拟分析的重点，而PVC材料的选取、生产工艺设计及水路设计对探究填充过程中的熔体分配影响较小。采用Moldflow Plastics Labs中Generic Shrinkage Characterised Material公司生产的Generic PVC材料数据，填充工艺、保压工艺及冷却设置为自动。为平衡模拟精度与计算成本，利用Hypermash进行面网格划分和网格细化。流道系统由尺寸为2~3 mm网格划分，产品网格尺寸为1~2 mm。面网格数量为153 664个。将网格文件以udm格式导入Moldflow，并基于图层改进生产体网格。图3为模型网格划分。最终体网格数量为2 635 455个。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.020.F003图3模型网格划分Fig.3Model meshing2.3数值模拟分析结果图4为X方案数值模拟结果。从图4可以看出，X方案的流道设计存在熔体分配不均现象，导致熔体通过浇口填充各型腔的时间不同。根据实际生产经验，该充型状态易使#1型腔与#4型腔中产品浇口附近出现“白斑”缺陷。同时，不均的熔体前沿使得工艺窗口变窄，并降低产品质量稳定性，不利于批量生产。在#2与#3型腔完全填充时，#1、#4型腔未完成充型，且#4型腔中的质量与其余型腔质量相差约1 g。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.020.F004图4X方案数值模拟结果Fig.4Numerical simulation results of X scheme3流道设计优化3.1流道设计初次优化在不改变型腔排布及浇口位置的情况下优化了流道设计，图5为S方案充填过程，按照相同的初始、边界条件进行数值模拟分析。数值模拟结果表明：S方案改善了熔体在流道中的分配，总体呈现两侧快中间慢。从图5a可以看出，熔体在0.53 s时完成Ⅰ级流道的填充，熔体前沿开始流入#1型腔与#4型腔的Ⅱ级流道，而#2型腔与#3型腔的Ⅱ级流道尚未有熔体流入。从图5b可以看出，随着填充过程的继续，在0.72 s时熔体前沿开始进入#1型腔与#4型腔的Ⅲ级流道，此时熔体在Ⅱ、Ⅲ级流道转换中并未出现明显的熔体分配不均现象。从图5c可以看出，最终在0.98 s时，熔体前沿流动至#1、#4型腔的浇口前端，准备开始填充型腔，而填充#2、#3型腔的熔体前沿则尚未到达浇口前端。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.020.F005图5S方案充型过程Fig.5Filing process of S scheme图6为熔体在不同流动路径长度流道中的分配情况。从图6a可以看出，当熔体完成Ⅰ级流道填充并开始进入Ⅱ级流道时，熔体前沿将先接触Ⅱ级流道“1”方向流道一侧，即较之Ⅱ级流道中的“2”方向，Ⅱ级流道中“1”方向流动路径更短，造成熔体以更快的速度完成Ⅱ级流道“1”方向的填充并进入该方向的Ⅲ级流道。从图6b可以看出，当熔体前沿到达Ⅲ级流道，由于Ⅱ级流道两个方向的流动路径长度相同，使熔体在填充Ⅱ级流道末端的同时，均匀填充Ⅲ级流道两侧。综上所述，熔体流动路径长度不同是导致S方案流动不平衡的主要原因，通过对比图6的流道设计，发现熔体在进入与流道夹角为90°的次级流道时才具有相等的流动路径长度，并实现熔体均匀分配。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.020.F006图6熔体在不同流动路径长度流道中的分配情况Fig.6Distribution of melt in the flow channel with different flow path lengths3.2流道设计优化迭代将S方案中Ⅰ级流道与Ⅱ级流道的交叉角度修改为90°得到了ST方案，图7为ST方案的充型过程。从图7可以看出，熔体在0.45 s完成Ⅰ级流道的充型，熔体前沿均匀地进入Ⅱ流道中并在0.75 s完成Ⅱ级流道的填充，在1.08 s时开始同时填充各型腔。填充阶段完成时，#1~#4型腔的质量分别为44.44、44.36、44.43和44.48 g，各型腔质量几乎一致，明显降低过保压或欠保压风险。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.020.F007图7ST方案数值模拟分析结果Fig.7Numerical simulation analysis results of ST scheme图8为X方案和ST方案在充型阶段各型腔质量的变化情况。图8充型阶段型腔质量与充填时间的关系Fig.8Relation between cavity mass and filling time in filling stage10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.020.F8a1(a)X方案充填时间-型腔质量10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.020.F8a2(b)X方案充型流动场演化10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.020.F8a3(c)ST方案充填时间-型腔质量10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.020.F8a4(d)ST方案充型流动场演化从图8a可以看出，X方案充型过程中，#2型腔与#3型腔在整个充型阶段中的质量始终大于#1型腔与#4型腔，且质量相差较大。从图8b可以看出，X方案的流动场演化，在t=0.99 s时已有部分熔体开始进入#2型腔与#3型腔中，而#1型腔与#4型腔尚未开始填充。随着填充过程的继续，#2、#3型腔与#1、#4型腔质量差不断扩大，在t=2.20 s达到最大值。t=2.20 s时熔体已基本完成#2、#3型腔的填充，两个型腔质量都为43.19 g，而#1、#4型腔尚存部分空白区域，其型腔质量分别为42.04 g和41.82 g，与#2、#3型腔质量差距较大。从图8c可以看出，ST方案充型过程中，各型腔在整个充型过程中质量接近，未产生明显的偏差。从图8d可以看出，ST方案的流动场演化，t=1.12 s时熔体通过浇口同时进入各型腔。在后续的充型过程中，各型腔未产生明显的质量差，熔体前沿在各型腔中的位置几乎一致。4生产验证图9为生产试制的接线盒试制件。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.020.F009图9生产试制的接线盒试制件Fig.9Produce trial production of junction box trial parts从图9可以看出，线盒轮廓清晰，表面光洁度较好且无明显色差，塑件验收合格可用于批量生产。5结论利用数值模拟技术模拟PVC线盒多腔模具的注塑生产过程，分析注塑生产过程中流动场演化过程评价流道设计方案设计的合理性，并结合数值模拟结果与实际生产需求对流道设计进行优化，获得了可实现流动平衡的流道设计方案，并成功应用于批量生产。平衡的流道设计对于PVC多腔模具产品质量至关重要，熔体在流道中分配不均易引发各种产品表面缺陷及尺寸超差，不利于多腔模具的批量生产。在不改变流道大小的前提下，流动路径长度不同是导致熔体在流道中分配不均的主要原因，当各级流道之间的交叉角度为90°时可获得相同的流动路径长度，平衡熔体在流道中的分配，改善产品质量。