我国国土辽阔，地形复杂多样，在修建高速公路和高速铁路的过程中会遇到丘陵、山地和山丘等地貌。为节约时间和减小成本，需要在山体中间开辟隧道，在隧道施工建设的过程中，经常会发生地表或地下水严重涌出的现象，为确保工程进度的正常进行和后续路线的正常运营，需要及时将隧道内部的积水排出并做防护和排水处理[1]。抽水泵是处理隧道涌水问题时常用的设备，主要由外部的壳体和端盖、内部的叶轮、泵壳、密封环、泵轴和填料函等构成[2]，其端盖一般通过注塑加工而成，成型质量影响着抽水泵的工作性能。本实验以某型号抽水泵为实例，分析了其外形结构，确定了加工方式，设计了其浇注系统及冷却系统，根据注塑分析的结果对其端盖进行了注塑加工参数优化。1前处理分析1.1零件结构分析图1为抽水泵的三维及端盖模型。端盖的外形尺寸为275.78 mm×38.23 mm×226.92 mm，平均壁厚3.54 mm。由于端盖装配，需进行精密注塑加工成型处理。从零件的外形尺寸及结构角度出发，考虑降低加工成本和提高生产效率的需求，本实验拟采用单型腔注塑成型[3]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F001图1抽水泵及端盖的三维模型Fig.1Three-dimensional model of pump and end cover1.2网格划分Moldflow是注塑成型设计中常用的仿真软件，通过模拟注塑加工的过程，能够为设计师提供详尽的数据，进而提高模具设计的效率和降低生产加工的成本[4]。Moldflow分析通过单元网格进行计算分析，因此需要对塑件进行网格划分。图2为网格划分结果。共有19 672个三角形单元，纵横比最大20.58，最小1.16，平均3.54，匹配百分比90.2%，相互百分比90.1%，适合双层面分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F002图2网格划分结果Fig.2Meshing results1.3材料选择及工艺参数确定端盖的外壳材料为Generic Default公司牌号为Generic PP的塑料，熔体密度0.74 g/cm3，具有良好的力学性能、较高表面硬度和较低的成型收缩率，是目前常用的塑料之一[5]。表1为此塑料推荐的工艺参数[6]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.T001表1推荐的工艺参数Tab.1Recommended process parameters项目数值模具表面温度/oC50熔体温度/oC220模具温度最大值/oC80模具温度最小值/oC20熔体温度最大值/oC260熔体温度最小值/oC180绝对最大熔体温度/oC300顶出温度/oC124最大剪切应力/MPa0.25熔体温度最大值/oC100 000以表1推荐的工艺参数为参考，考虑端盖的实际使用环境，选择初始工艺参数为：模具表面温度50 oC，熔体温度220 oC，保压压力80%，注射、冷却时间20 s，流动速率12 cm3/s，并在工艺设置中选择分离翘曲因素，其余保持默认设置。2浇注及冷却系统设计2.1浇口位置的设计由于零件结构尺寸较大，为保证塑件各个部分的填充率，综合浇口位置分析结果，选择双浇口进行分析，图3为浇口位置分析结果及流道设计[7-8]。顶部流道平面选择在距离分型面350 mm处，为便于熔体流动，浇口设计为圆锥形，入口直径7 mm，底部直径1 mm，长度1 mm；主流道直径3.5 mm，拔模角3°，长度70 mm；分流道直径为7 mm，竖直流道底部直径7 mm，拔模角3。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F003图3浇口位置分析结果及流道设计Fig.3Gate position analysis results and runner design2.2冷却系统设计合理设置模具的冷却系统能够使模具保持适宜温度，降低塑件的变形量，增强塑件的力学性能，改善表面成型质量，提高塑件的尺寸精度[9-10]。冷却管道在设计时应沿塑件方向对称布置，且应尽可能覆盖整个模具表面[11]。设计冷却管道的直径10 mm，管道与零件间的距离为25 mm，模具分型面上下各7条管道，每条管道中心的距离为30 mm，零件外的距离为135 mm，图4为最终设计的冷却系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F004图4冷却系统Fig.4Cooling system3零件翘曲及填充分析3.1填充分析图5为填充结果分析。从图5可以看出，塑件的填充完成时间为5.646 s，填充过程中未出现充填不足、缺胶和短射等现象，填充效果良好；塑件的体积收缩率最大为12.81%，由端盖两边逐渐向中间减小；少量气穴主要分布在端盖边缘；塑件缩痕指数最大为2.596%，仅少量存在于塑件边缘；熔接线主要存在于塑件中间和边缘，对注塑成型影响不大；速度/压力切换时的压力最大为19.67 MPa，存在于浇口入口处，整个塑件表面压力变化较为均匀，无过保压现象。通过以上分析结果可知，所选择的工艺参数和所设计的浇注系统及冷却系统较为合理，零件填充成型后缺陷较少，可满足使用要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F005图5填充结果分析Fig.5Filling result analysis3.2翘曲变形翘曲变形是指塑件尺寸与模具型腔偏离的现象，是注塑成型加工过程中十分常见的现象[12-13]。图6为翘曲变形分析结果。从图6可以看出，塑件的翘曲变形量最大为1.133 7 mm。由于端盖存在装配要求，因此零件的翘曲变形不宜过大。由于塑料熔体在注塑过程中状态经常变化，因此，塑件翘曲变形一般在注塑、保压和冷却等阶段产生，通过对注塑加工工艺参数的优化可降低塑件的翘曲变形量，提升塑件成型的质量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F006图6翘曲变形分析Fig. 6Warpage deformation analysis4保压方案优化分析注塑成型过程中，当模具型腔快要充满时，注射机螺杆的运动从流动速率控制转换到压力控制[14]。在该阶段模腔中的塑胶熔体受到压实，一般而言，模腔填满后有8%~12%的模腔体积的塑胶熔体需要通过保压压实到模腔之中。保压的设置会影响塑件翘曲变形量，因此，保压压力值的设置至关重要。保压优化是指调整保压压力与时间使塑件的质量达到最佳效果[15]。初始选择的工艺参数中，保压压力设置为填充压力的80%，模流分析的结果表明塑件的翘曲变形量和体积收缩率较大，需要进行保压方案的优化，降低塑件的翘曲变形。设置保压压力为填充压力的64%、72%、80%、88%和96%分别进行注塑分析，表2为不同保压压力下的主要参数指标。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.T002表2不同保压压力下的主要参数指标Tab.2Main parameter indexes under different holding pressures保压压力/%体积收缩率/%最大翘曲变形量/mm6412.351.04257212.551.07198012.811.13378813.021.17969613.251.2087图7为不同保压压力下的主要参数指标变化图。从图7可以看出，塑件的收缩率及最大翘曲变形量均随着保压压力的升高而升高。因此，选择保压压力为64%，相比初始方案，塑件收缩率降低了3.59%，最大翘曲变形量降低了8.04%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F007图7不同保压压力下的主要参数指标变化图Fig.7The main parameter indexes change diagram under different holding pressures图8为优化后的模流分析。由于仅改变保压压力，故塑件的填充完成时间和速度压力切换时的压力保持不变，填充过程中未出现充填不足、缺胶和短射等现象，填充效果良好；塑件的体积收缩率最大为12.35%，降低了3.59%；塑件缩痕指数最大为2.586%，与优化前基本一致；熔接线少量存在于中间和边缘，对注塑成型影响不大；塑件翘曲变形最大为1.042 5 mm，相比优化前降低了8.04%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F008图8优化后的模流分析Fig.8Mold flow analysis after optimization将优化后的工艺参数进行试模验证，即保压压力更改为64%，图9为所得的试模样品。从图9可以看出，该塑件表面光滑，光泽度较好，各处细节清晰，无明显体积收缩和翘曲变形，能够满足成型的需求，说明优化的保压压力能够满足使用要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.001.F009图9试模样品Fig.9Trial sample5结论以某型号抽水泵的塑料端盖为实例，分析了其外形尺寸结构，利用Moldflow软件，划分了塑件的网格，选择了合适的材料及加工工艺参数，设计了模具较为合理的浇注系统和冷却系统，对塑件的填充时间、体积收缩率、气穴、缩痕、熔接线、速度/压力切换时压力和翘曲变形进行分析，基于分析结果，对注塑的保压方案进行优化，结果表明：优化后的保压方案使塑件收缩率降低了3.59%，最大翘曲变形量降低了8.04%。采用模流分析的方式模拟注塑过程中可能出现的问题，避免了反复试模造成浪费，降低了研发成本，缩短了研发周期，为类似塑件注塑模具的开发提供了参考和指导。