随着我国塑料产品种类和产量的增加，对模具结构性和耐久性的需求也日益增加，推动了国内模具产业的高速发展[1]。模具结构设计、工艺参数选择等影响产品质量[2]，合理的注塑成型参数对于保证高质量塑料制品至关重要。目前，算法与有限元仿真相结合具有缩短研发周期和降低研发成本的优势而被广泛采用。赵安民[3]结合Moldflow与正交试验，分析注塑工艺参数熔体温度、填充压力和开模时间对录音机外壳塑件翘曲变形的影响并优化了参数。李华[4]利用Moldflow对某型号超声波探测器的外壳完成浇注系统和冷却系统的模拟仿真设计，并采用正交试验分析优化了影响翘曲变形的主要注塑参数。李锦妍等[5]利用Moldflow对鼠标上壳与下壳塑件建立浇注系统并进行优化，得到浇注系统尺寸的优化参数，从而保证异形腔注射填充过程的平衡性，得到高质量成型塑件。成亚萍[6]采用Moldflow对某柜式空调器顶盖塑件进行模拟分析并设计出合理的浇注系统方案，完成某柜式空调器顶盖塑件的模具设计，并阐述了模具的结构特点及工作过程。本实验以洗衣机水盒盖为研究对象，采用Moldflow注塑分析技术与算法相结合，分析水盒盖注塑模具浇注系统、冷却系统，并分析水盒盖注塑工艺参数对翘曲变形、熔接线的影响规律，最终确定最佳成型工艺参数，保证产品外观形貌及强度要求，为生产实践提供指导意义。1水盒盖塑料产品分析洗衣机水盒盖产品要求具备良好的耐热性、耐腐蚀性和电气性，易于加工，产品尺寸稳定，表面光洁度好等特点[7]，一般采用抗UV的ABS材料。抗UV的ABS材料具有阻燃和良好的抗紫外线能力，满足该塑料制品的需要[8]。采用UG软件对卡盖产品建模[9]，图1为水盒盖塑料产品模型。产品外形尺寸为135 mm×75.5 mm×10.5 mm，平均壁厚为1.6 mm，产品表面光滑不能出现瑕疵，内部设有多道次交叉加强筋保证了塑件的强度，两端带有侧抽芯孔，结构相对复杂。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.016.F001图1水盒盖塑料产品模型Fig.1Water-box cover plastic product model2浇口位置的确定图2为网格分析结果和最佳浇口位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.016.F002图2水盒盖浇口位置分析Fig.2Analysis of gate location of water-box cover使用UG软件查看平均壁厚约为1.60 mm，全局边长为平均壁厚的1.5~2.0倍，全局边长取2.00 mm；确定全局边长后生成网格。修复后网格长宽比最高为13.40，对应比例为91.9%，互相比例为92.1%。从图2可以看出，最佳浇口位置在红色圆圈区域。由于塑件表面要求光滑，浇口位置不能在表面，采用潜伏式牛角浇口进行一模两腔的填充与分析。图3为一模两腔的潜伏式牛角浇口模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.016.F003图3一模两腔的潜伏式牛角浇口模型Fig.3One-mode two-cavity latent horn gate model3仿真初步分析水盒盖的仿真分析初设参数设定依据实际生产的试模参数，即模具温度60 ℃、熔体温度218 ℃、注射时间1.5 s、流动速率5 cm3/s、注射压力180 MPa、保压压力55 MPa、保压时间10 s，其他参数为默认值。图4为对应的分析结果。从图4a可以看出，塑件在1.592 s时完成填充，填充时间最长为端部，即图中红色区域，主要是四个端部距离浇口位置远以及加强筋阻拦。从图4b可以看出，填充后气穴主要集中在加强筋位置，这主要是由于加强筋较薄导致气体排出困难，但整体上看气穴量较少。从图4c可以看出，最大翘曲变形量所在位置为四个端部（即填充时间最长的位置），值约为0.575 6 mm，由于端部填充最慢，导致其他区域先冷却，端部最后冷却从而产生内应力引起端部变形最大，但整体上看小于1%，满足生产需求。从图4d可以看出，熔接线最大角度可达135°，测量得到最长达到40 mm，熔接线主要出现在图中所标记的红色方框位置。图4仿真初步分析结果Fig.4Preliminary analysis results of simulation10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.016.F4a1(a)填充时间分析10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.016.F4a2(b)气穴分析10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.016.F4a3(c)翘曲变形分析10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.016.F4a4(d)熔接线分析4注塑参数优化分析由于熔接线对产品的结构强度影响较大，水盒盖在工作过程中承受一定外力，为提高水盒盖的结构强度，将以熔接线长度为优化目标进行产品的注塑工艺参数优化。根据查阅的文献[10]和前期分析得知，熔接线长度与熔体温度(A)、流动速率(B)、注射压力(C)等注塑参数有关。考虑到初设参数的仿真结果熔接线较长，为了降低熔接线长度，合理提高熔体温度是防止交汇材料提前凝固而抑制熔接痕出现的有效方法，因此将熔体温度的参数范围设定为230~250 ℃，相比初设参数提升了12 ℃，在ABS材料的使用范围之内；而流动速率对生产效率影响显著，为了保证生产效率在实验设计时取值范围设定在10~20 cm3/s；注射压力依据在初设参数，设定范围为180~220 MPa。表1为正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.016.T001表1正交试验因素水平设计Tab.1Orthogonal test factor level水平因素熔体温度（A）/℃流动速率（B）/（cm3‧s-1）注射压力（C）/MPa123010180224015200325020220通过Minitab分析软件创建田口实验，以熔接线长度为目标对注塑成型工艺参数进行优化。表2为L9(33)正交试验结果。采用望小特征函数对响应目标结果进行分析，计算公式为[11]：η=-10log10(1N∑i=1NXi2) （1）10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.016.T002表2L9（33）正交试验结果Tab.2Orthogonal test results of L9（33）序号因素熔接线长度/mm熔接线信噪比ABC111120.94-26.4195212237.72-31.5314313321.57-26.6770421221.85-26.7890522321.90-26.8089623121.50-26.6488731311.43-21.1609832121.76-26.7532933222.02-26.8563式（1）中：Xi为第i次试验的目标量；i为试验的序号；N为试验重复次数。为了保证方案的可靠性，对表2中的方案与结果进行模型系数分析与方差分析，表3和表4分别为水盒盖模具方案模型系数分析结果和方差分析结果。从表3可以看出，回归模型误差占总误差的百分比(R-Sq)与调整回归模型误差占总误差的百分比（R-Sq（调整））均在90%以上，表明回归模型与数据吻合度比较高，模型可靠。从表4可以看出，A、B、C变量对熔接线均有显著影响，其影响显著性依次为：BCA。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.016.T003表3水盒盖模具方案模型系数分析结果Tab.3Model coefficient analysis results of water-box cover mold scheme项目系数系数标准误差TR-Sq/%R-Sq（调整）/%模型22.29890.626335.60398.092.1A=2304.44440.88575.018A=240-0.54890.8857-0.620B=10-4.22560.8857-4.771B=154.82780.88575.451C=180-0.89890.8857-1.015C=2004.89780.88575.53010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.016.T004表4水盒盖模具方案方差分析结果Tab.4Variance analysis results of water-box cover mold scheme因素自由度偏差平方和方差均方差F值A2105.689105.68952.84514.97B2124.576124.57662.28817.64C2122.362122.36261.18117.33误差27.0617.0613.530综合8359.688进一步对表2中熔接线信噪比进行分析，表5为各因素的不同水平值对熔接线信噪比影响的均值。从表5可以看出，信噪比极差值依次为：BCA，这与方差分析结果一致。根据信噪比极差值可知，三个因素对熔接线影响差别不大。根据望小特征原理，将各因素中平均信噪比的最大值结合得到工艺参数的优化方案。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.016.T005表5水盒盖熔接线长度平均信噪比Tab.5Average signal to noise ratio of water-box cover weld line length水平值熔接线长度信噪比ABC1-28.21-24.79-26.612-26.75-28.36-28.393-24.92-26.72-24.88信噪比极差值3.293.573.51图5为水盒盖熔接线信噪比折线图。从图5可以看出，熔合线长度随着熔体温度的升高而降低，随着流动速率和注塑压力的增加均呈现先升高后降低的趋势。为减少熔接线的产生，最优工艺组合为熔体温度A3，流动速率B1，注射压力C3，即当塑件熔体温度为250 ℃，流动速率为10 cm3/s，注射压力为220 MPa时塑件表面产生的熔接线最短。图6为最优工艺参数组合下仿真分析结果。从图6可以看出，此时最长的熔接线长度为11.43 mm，相比于初始方案降低了71.425%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.016.F005图5水盒盖熔接线信噪比折线图Fig.5Water-box cover weld line signal-to-noise ratio line chart10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.016.F006图6水盒盖熔接线优化后结果Fig.6Water-box cover weld line optimization results5注塑模具设计及工作原理使用UG软件进行分型面设计，获得型腔镶块，采用了双腔组合结构及一体化的内腔，图7为整体嵌入式型腔结构，图8为整体嵌入式型芯结构。使用牛角浇口，工件脱模时牛角浇口处材料被强制推出[12]，对于型芯磨损较大，在该位置采用了嵌件装配，方便模具在使用过程中因磨损进行更换，型芯材料采用了整体嵌入式型芯。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.016.F007图7整体嵌入式型腔Fig.7Integral embedded cavity10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.016.F008图8整体嵌入式型芯Fig.8Integral embedded core图9为水盒盖侧孔滑块组件结构，其组件中的重要零件为滑块和斜导柱，为了让滑块与模板锁合固定，设计了楔紧块；为了防止滑块与动模板摩擦，其底部设计了耐磨块。斜导柱总长度L的计算公式为[13]：L=d22tana+hcosa+d2tana+Ssina+(5~10) （2）10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.016.F009图9侧向抽芯机构的形式Fig.9The form of side core pulling mechanism式（2）中：α为斜导柱与脱模方向间的度数，α取15°；d2为斜导柱上端定柱部分的直径，d2为10 mm；h为定住斜导柱部分的板厚，h取55 mm；d为斜导柱下方较长部分的直径，d为8 mm；S为滑块向侧边滑动至限位钉的距离，S为6.3 mm，5~10 mm为斜导柱长度预留余量取值范围，本次计算取中间值7.5 mm。代入式（2），L为131.2 mm。图10为UG绘制水盒盖注塑模具结构的三视图。从图10可以看出，模具的整体长宽高为400 mm×400 mm×350 mm，所需最小开模行程为98 mm（其中，水盒盖需要被推出12 mm，塑件及浇注凝料总体高度为86 mm）。该注塑模具的工作原理为：（1）通过导柱导套配合实现定模与动模的精准导向，使得型芯与型腔配合紧密满足产品成型需求。（2）通过料筒将UVABS熔融后，以一定压力和速度通过浇筑系统填入型腔，进而由冷却系统使熔融的塑件冷却直至固态。（3）注塑模具的动模板向后移动以开模，侧抽芯机构在斜导柱的导向下脱离工件侧孔，再由推杆推动推板使产品从型芯上被推出。（4）通过导柱导套进行合模，利用弹簧复位机构使推杆固定板和推板复位，进而重复下一个循环过程。模具制备完成后，根据注塑工艺参数优化结果进行试模验证。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.016.F010图10水盒盖注塑模具结构图Fig.10Water-box cover injection mold structure diagram注：1-定位圈；2-上模板；3-导柱；4-导套；5-型腔固定板；6-型腔；7-型芯；8-型芯固定板；9-推板导柱；10-垫板；11-防尘板；12/19/20/25/27/32/33-内六角螺钉；13-下模座；14-顶杆底板；15-顶杆面板；16-推杆；17-垃圾钉；18-方铁；21-铜塞；22-流道镶件；管道；24-浇口套；26/28/30-定距螺栓；29-限位块；31-顶杆；34-侧滑块；35-斜导柱；36-耐磨块图11为水盒盖注塑成型实物。从图11可以看出，产品表面质量良好，填充完整，产品无明显翘曲变形，表面无熔接线、气孔等缺陷，满足产品生产标准要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.016.F011图11水盒盖注塑成型实物Fig.11Water-box cover injection molding product6结论由于洗衣机水盒盖在使用时对外观和强度均有较高的要求。基于Moldflow的浇口分析，确定了潜伏式牛角交口的注塑模具设计与一模两腔的结构布局，进而开展了水盒盖的仿真优化分析与模具设计。结合水盒盖成型特性要求，仿真分析发现采用牛角浇口能够保证塑件的填充完整，翘曲变形比例小于1%，气穴较少，但熔接线长度高达40 mm。以熔接线长度为优化目标，结合Moldflow软件与Minitab软件对熔接线显著影响因素建立了田口试验方案并进行了仿真分析，结合方差分析与望小特征函数为分析方法，确定了熔接线最短的工艺参数方案，即塑件熔体温度为250 ℃，流动速率为10 cm3/s，注射压力为220 MPa时塑件表面产生的熔接线最短，为11.43 mm，相比于初始方案降低了71.425%。根据试模验证，确定了工艺参数优化与模具设计的可行性，为洗衣机水盒盖的高强度注塑成型提供了保证。