注塑加工生产过程中，当产品体积小、造型简单时，通常采用一模多腔的模具，以节约模具制造成本，提高生产效率[1]。然而，在一模多腔成型的过程中，要使熔体均匀且平衡地流入每一个型腔十分困难。注塑时塑料熔体的不平衡流动性会造成多型腔内成型塑件品质的差异。因此，为保证一模多腔注塑模各个型腔成型的塑件质量、性能的一致性，有必要在模具设计时对其浇注系统进行流动平衡性设计，以保证塑料熔体在注射过程中的流动平衡，即在同一时刻充满各个型腔[2-4]。传统的多型腔注塑模具生产是通过长期的实践经验积累，从而调节浇注系统的流动平衡性。然而这种方式通过不断地试错进行模具的设计，耗费周期长且成本高[5-6]。随着信息技术的迅速发展，结合计算机辅助工程(CAE)技术的模具设计是目前常用的方式[7]。在注塑模具设计时，可利用Moldflow软件，对组合型腔进行设计与优化。本实验以手电筒的前后盖注塑模型腔为实例，基于Moldflow软件，对一模多型腔的熔体流动平衡进行优化设计。1塑件结构分析图1为手电筒的壳体。图2为手电筒拆分后的前盖(图2a)和后盖(图2b)。手电筒外壳材料为Monsanto Kasei 公司生产的牌号为TFX-710-EB的ABS塑料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.F001图1手电筒壳体Fig.1Flashlight shell10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.F002图2手电筒前后盖模型Fig.2Flashlight front and back cover model手电筒前盖模型尺寸85.72 mm×30.78 mm×15.24 mm，最大壁厚在尾部手拉环的位置，厚度为3.753 mm，最小厚度在尾部手握的栅栏处，壁厚为0.020 5 mm，整个前盖的名义壁厚为0.85 mm。图3为手电筒前盖壁厚分析。从图3可以看出，手电筒前盖各处壁厚不均匀。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.F003图3手电筒前盖壁厚分析Fig.3Analysis of the wall thickness of the front cover of the flashlight手电筒后盖模型尺寸85.72 mm×30.48 mm×15.24 mm，最大壁厚在尾部手拉环的位置，厚度为3.749 mm，最小厚度在尾部手握的栅栏处，壁厚为0.026 6 mm，整个后盖的名义壁厚为0.86 mm。图4为手电筒后盖壁厚分析。从图4可以看出，手电筒后盖各处壁厚不均匀，且差距较大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.F004图4手电筒后盖壁厚分析Fig.4Analysis of the wall thickness of the back cover of the flashlight通过以上数据可知，手电筒前盖和后盖壁厚分布不均匀，表面细节特征丰富，为进一步提高生产效率和降低加工成本，结合实际生产加工要求，采用一模异穴注塑模具进行手电筒的前后盖的加工。2基于Moldflow的模流分析图5和图6分别为所得到的浇口位置分析结果。其中，模具温度设置为50 ℃，熔体温度设置为230 ℃。从图5和图6可以看出，手电筒的前盖和后盖的最佳浇口位置均在中间位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.F005图5前盖浇口位置匹配性分析Fig.5Gate position analysis of front cover10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.F006图6后盖浇口位置匹配性分析Fig.6Gate position analysis of back cover结合模具成本和产品特点，本实验采用潜入式浇口。浇口位置在手电筒前后盖的中间地方，图7和图8分别为前盖和后盖最佳浇口分析结果。从图7和图8可以看出，前盖初始选择的浇口位置为(40.33，14.67，8.81)，最佳浇口位置为(50.74，8.76，5.38)。后盖初始选择的浇口位置为(41.23，9.82，10.72)，最佳浇口位置为(52.87，8.60，9.86)。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.F007图7前盖最佳浇口位置Fig.7Optimum gate position of front cover10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.F008图8后盖最佳浇口位置Fig.8Optimum gate position of back cover3流动性分析3.1注塑分析根据注塑模具的初始设计和最佳浇口位置分析，模具尺寸为定模板厚度25 mm，动模板厚度为30 mm，模具尺寸100.5 mm×82.45 mm×55.00 mm，选用潜入式进料方式，流道结构采用冷流道形式。设置分型面，创建主流道为冷流道，形状为圆形，直径为8 mm。流道为冷流道，形状为半圆形，直径5 mm。浇口为冷浇口，形状为半圆形，直径2 mm。表1为流道系统的具体参数，图9为所建立的浇注系统流道模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.T001表1流道系统参数Tab.1Runner system parameters位置开始坐标结束坐标描述注入口(-53.67，-2.50，42.39)(-53.67，-2.50，22.39)圆形，直径8 mm流道(-53.67，-2.50，22.39)(-53.67，12.73，22.39)半圆形，直径5 mm(-53.67，12.73，22.39)(-58.44，12.73，22.39)(-58.44，-2.50，22.39)(-49.14，-3.62，22.39)浇口(-58.44，12.73，22.39)(-49.26，8.76，5.14)半圆形，直径2 mm(-49.14，-3.62，22.39)(-49.26，-13.62，5.14)10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.F009图9流道模型Fig.9Runner model3.2充填时间图10为手电筒前后盖的注塑充填时间。从图10可以看出，前盖的充填时间为0.727 4 s，后盖的充填时间为0.615 2 s，造成后盖充填完毕时，前盖还有部分位置未充填。故塑料熔体的流动不平衡，不平衡性高达18.24%，造成前后盖的两个型腔内部压力不平衡，使产品质量参差不齐，增加不合格率。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.F010图10充填时间Fig.10Filling time3.3注射压力图11为手电筒前后盖的注射压力。从图11可以看出，手电筒前后盖各处的注射压力差距较大，手电筒前盖的注射压力最大约为54.63 MPa，且从色彩可以看出手电筒前盖的顶端压力几乎为0，手电筒后盖的注射压力最大为90.15 MPa，前后盖最大压力相差65.02%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.F011图11注射压力Fig.11Injection pressure图12为手电筒前后盖的压力降。从图12可以看出，前盖的压力变化较大，尤其是在顶部和尾部，压力降最大为120.0 MPa。后盖的压力变化较小，压力降最大出现在后盖的顶部，为107.1 MPa，前后盖压力降最大值相差12.04%。塑料熔体流动的不平衡性造成压力的较大差异。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.F012图12压力降Fig.12Pressure drop3.4气穴和熔接线图13和图14分别为手电筒前后盖的气穴和熔接线的分析结果。从图13和图14可以看出，前盖和后盖在注塑时产生的气穴和熔接线比较少，说明前盖和后盖的浇口位置比较合理。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.F013图13气穴Fig.13Cavitation10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.F014图14熔接线Fig.14Weld line4流动平衡优化分析由于初步设计的注塑模具方案存在充填时间、注射压力和压力降不平衡的现象，因此需要进行优化分析，以实现最优的流道尺寸优化设计。图15为手电筒前后盖的注射压力。从图15可以看出，注射压力从分流道处开始不一致，由于流道的不对称性，手电筒前盖多了一段半圆形的分流道，使塑料熔体到达注射口的时间变长和注射压力变小，造成流动不平衡的现象。因此，需要对流道系统进行改进，使流道尽可能地关于两个注射口成对称分布，保证对称位置的塑料熔体的速度和压力基本一致。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.F015图15注射压力Fig.15Injection pressure将注入口的直径降为6 mm，流道的形状改为圆形，浇口形状换为圆锥形。设置分型面，创建主流道为冷流道，形状为圆形，直径为6 mm，位置为(-57.1，-2.5)；流道为冷流道，形状为圆形，直径6 mm，浇口为冷浇口，圆锥形，起始直径3mm,末端直径1 mm，垂直走向，水平长度10 mm，默认角度30°，开始角度45°。表2为流道系统参数。图16为优化后的流道系统。从图16可以看出，此次设计的流道系统为对称分布。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.T002表2流道系统参数Tab.2Runner system parameters位置开始坐标结束坐标描述注入口(-57.09，-2.50，42.39)(-57.09，-2.50，17.39)圆形，直径6 mm流道(-57.09，-2.50，17.39)(-57.09，-13.62，17.39)圆形，直径5 mm(-57.09，-2.50，17.39)(-57.09，8.76，17.39)(-57.09，-13.62,17.39)(-49.26，-13.62，17.39)(-57.09，8.76，17.39)(-49.26，8.76，17.39)浇口(-49.26，8.76，17.39)(-49.26，8.76，5.14)圆锥形，直径1~3 mm(-49.14，-13.62，17.39)(-49.26，-13.62，5.14)10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.F016图16流道系统Fig.16Runner system4.1充填时间图17为优化后手电筒前后盖的注塑充填时间。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.F017图17充填时间Fig.17Filling time从图17可以看出，前盖的充填完成时间为0.842 7 s，后盖的充填完成时间为0.852 5 s，充填不平衡率为1.2%。可以看出，塑料熔体在型腔内的流动基本达到平衡。4.2注射压力图18和图19分别为优化后手电筒前后盖的注射压力和压力降。从图18可以看出，手电筒前盖注射压力最大为71.73 MPa，手电筒后盖注射压力最大为71.39 MPa。最大压力相差0.5%。从图19可以看出，前盖最大压力降为100.9 MPa，后盖最大压力降为100.7 MPa。优化后注射时前盖和后盖各个位置的注射压力和压力降变化趋势基本一致，促进塑料熔体的流动平衡。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.F018图18注射压力Fig.18Injection pressure10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.015.F019图19压力降Fig.19Pressure drop5结论基于Moldflow软件，对手电筒前后盖进行流动平衡优化设计。优化后前后盖充填时间差异率由18.24%降低到1.2%，注射最大压力差由65.02%降低到0.5%，压力降由12.04%降到基本一致。实现了手电筒前后盖多型腔内的熔体流动平衡，有效改善产品质量，提高生产效率。