在传统的模具设计中，模具设计师通常以设计软件为工具，凭借个人经验进行模具的结构设计[1-3]。赵利平等[4]设计开模同步顶出机构配合大斜顶抽芯结构等多种机构，有效地解决产品倒扣和侧面不同方向的倒扣脱模问题。洪维等[5]在模具侧向抽芯的大滑块内部设计斜顶机构，解决了塑件侧向倒扣的抽芯问题。刘碧云[6]采用三点进胶，设计顺序阀用以控制浇注顺序的浇注系统。在模具制造完成后，当企业进行试模时，往往会出现各种成型缺陷，这些缺陷通常是成型工艺参数设置不当导致的。因此，借助计算机优化成型工艺成为一项重要的研究[7-10]。谭安平等[11]以汽车前大灯配光镜为例，采用正交试验法对翘曲变形影响最大的4个工艺参数进行正交试验设计，得到了最佳成型工艺。薛鹤娟等[12]针对鼓风机叶轮采用模拟技术与正交试验法探究其优化方案，提高了生产质量，并得到试模验证。傅建钢[13]运用模流分析技术研究工艺参数对塑件收缩率的影响，降低了塑件收缩率。钟厉等[14]以碳纤维复合材料汽车保险杠为研究对象，选取熔体温度等因素作为变量参数，采用Taguchi实验法进行研究，注塑件的质量得到明显改善。赵朋等[15]提出面向内部缩孔检测的超声相控阵相位偏移高效成像新方法(FPSM)，该方法具有较高的成像分辨率，成像结果与CT扫描结果基本一致。目前，研究者在模具结构设计和成型工艺优化等方面进行较多研究[16-19]，但在塑料流动分析基础上优化模具结构方面所做的工作仍较少。本实验以电器仪表外壳为设计对象，使用模流分析技术优化浇注系统和冷却系统，利用UG NX软件设计塑件的外侧抽芯机构和内侧抽芯机构，设计电器仪表外壳的注塑模具，以保证塑件的成型质量。1塑件结构分析图1为电器仪表外壳塑件结构。该塑件最大长度约150 mm，最大宽度约80 mm，壁厚约2 mm。为了提高电器仪表外壳的强度、减小塑件变形，该塑件内壁上设计了数条加强筋。塑件两侧设计有形状不同的侧孔结构，该部分结构在模具脱模过程中需要采用侧向抽芯机构进行抽芯。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.02.023.F001图1电器仪表外壳塑件Fig.1Plastic parts of electrical instrument shell仪表外壳材质为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)塑料。ABS塑料的耐冲击强度较高、耐磨性优良、化学稳定性和电性能良好，常用于机械、电气、汽车和造船等领域[20-21]。文中采用Monsanto Kasei公司生产的ABS塑料，牌号为TFX-710-EB。表1为ABS材料的性能指标。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.02.023.T001表1ABS材料的性能指标Tab.1Performance index of ABS项目数值熔体密度ρ/（g‧cm-3）0.949固体密度ρ/（g‧cm-3）1.054弹性模量E/MPa1900泊松比υ0.4熔体温度范围T/℃200~2802模具优化分析2.1塑料流动模型塑料熔体充填模具的过程为非牛顿流体、非等温、非稳态的流动过程。由黏性流体力学的基本方程可以推出熔融塑料流动的控制方程[22-24]：∂∂zη∂u∂z-∂P∂x=0 (1)ρCp∂T∂t+u∂T∂x=Κ∂2T∂z2+η∂u∂z2 (2)式(1)~式(2)中：u为流速，m/s；p为压力，Pa；T为温度，℃；t为时间，s；η为熔体黏度，Pa∙s；ρ为熔体密度，kg/m3；Cp为比热容，J/(kg∙℃)；K为热导率，W/(m∙℃)。2.2浇口位置优化分析浇注系统主要作用是将熔融的塑料平稳地填充到型腔中，并在填充和凝固过程中将注射压力充分传递到型腔各个部位，从而获得组织紧密、外形清晰的塑料件。浇口位置决定了塑料件的性能、外观和成型难易程度。图2为最佳浇口位置分析。从图2可以看出，最佳浇口区域可设置于塑料件的上表面中间区域。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.02.023.F002图2最佳浇口位置分析Fig.2Analysis of the best gate location2.3冷却系统对比分析冷却系统主要用于冷却模具内的塑件，通过将温度较低的冷却液注入冷却水路中，从而降低模具内熔融物体的温度，达到缩短塑件成型时间的目的，进而提高单位时间内塑件的生产量[25]。冷却系统设计的优劣对塑件的成型质量产生较大影响。本实验取冷却水路直径8 mm，冷却介质温度取25 ℃。图3和图4分别为共用型冷却水路和独立型冷却水路。在塑件上下两侧分别设置冷却水路，构成冷却系统进行冷却。不同形式的水路对塑件冷却质量和冷却效率有不同影响。本实验设计了两种不同形式的水路系统。从图3可以看出，方案1中两个塑件采用同一条冷却水路，该水路方案的优点是水路结构简单。该方案由于两个塑件共用一条水路，导致水路流经的区域较多、路程较长，故而水路进出口的温差较大，该方案中进出口的水路温差为1.08 ℃。方案1得到塑件的最大翘曲变形值为0.503 0 mm。从图4可以看出，方案2中每个塑件单独使用一条冷却水路，由于水路流经的区域局限于单个产品的周围，故而进出口的温差较小，该方案中进出口的水路温差仅0.56 ℃，比方案1的水路温差要小0.52 ℃。冷却水路温差越小，越能实现更好的冷却效果，越能保证塑件的质量。方案2得到塑件的最大翘曲变形值为0.496 4 mm。从2种冷却方案得到的翘曲变形值可知，方案2具有更佳的冷却效果，能更好地保证塑件的质量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.02.023.F003图3共用型冷却水路Fig.3Shared cooling water circuit10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.02.023.F004图4独立型冷却水路Fig.4Independent cooling water circuit3模具结构设计3.1浇注系统设计本塑件拟采用点浇口进行进浇，浇口设置于塑件上表面圆形中心区域。点浇口能在开模时实现塑件和浇注系统自动分离的目的，提高一定的生产效率。塑件采用一模两腔形式布局，浇注系统为平衡式进浇系统，保证塑料熔体均匀填充进入型腔。图5为浇注系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.02.023.F005图5浇注系统Fig.5Gating system3.2冷却系统设计塑件成型过程中，冷却时间占据了塑件成型周期中的大部分时间。合理的冷却系统不仅能提高塑件的成型质量，而且也能提高塑件的成型效率。根据冷却对比分析结果，可知方案2的水路在成型时具有更小的进出口水路温差。冷却水路的整体温差小，则水路对产品的成型质量影响越小。参照模流分析的结果，图6为冷却系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.02.023.F006图6冷却系统Fig.6Cooling system3.3外侧抽芯机构设计塑件有两个侧孔结构，塑件从型芯上脱模时，需要先将成型侧孔的两个侧型芯先抽出，然后才能用顶出机构将塑件从型芯上推出。为了将成型侧孔的两处侧型芯从侧孔中抽出，需要在模具结构中设计两处侧抽芯机构。根据侧孔结构的特点，用于两个侧孔抽芯的滑块设置位置有所不同。图7为外侧抽芯机构设计。从图7可以看出，塑件左侧的侧孔抽芯的滑块和压条设置于动模一侧，弯销设置于定模一侧；而塑件的右侧侧孔抽芯的滑块和压条设置于定模一侧，弯销设置于定模一侧。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.02.023.F007图7外侧抽芯机构设计Fig.7Design of outside core-pulling mechanism3.4内侧抽芯机构设计图8为内侧抽芯机构设计。从图8可以看出，塑件背面有一倒扣结构，该倒扣结构会影响塑件的顺利脱模。塑件从型芯上脱模时，为了将塑件的倒扣结构从型芯上脱离，需要在模具结构中设计斜顶结构。在塑件从型芯上脱离过程中，应同时完成倒扣结构的内部侧向抽芯动作。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.02.023.F008图8内侧抽芯机构设计Fig.8Design of inner core-pulling mechanism4模具工作原理图9为模具装配示意图。从图9可以看出，由定模和动模两部分组成。动模由动模座板14、动模板8等部分通过螺钉连接组成。注塑时，动模座板14通过螺栓或压板固定在注塑机上。型芯7用螺钉固定在动模板8上。推杆固定板16和推板15与顶杆13、斜顶12和丝筒9等零件组成推出机构。定模由定模座板1、浇道推板2和定模板3等部分组成，定模座板1通过螺栓或压板固定在注塑机上。型腔5用螺钉固定在定模板3上。模具装配体具体工作过程为：(1)注塑。注塑模具闭合，注塑机进行注塑、保压和冷却定型，等待模具开模。(2)B-B处开模。注塑模具开模时，在弹簧25作用下，注塑模先在B-B处开始分离，分流道凝料在小拉杆22拉动下从定模板3的锥形分流道中脱离出来。(3)C-C处开模。在限位拉杆24的限制下，定模板3无法继续前进，此时由限位拉杆26推动浇道推板2运动，实现C-C分型面处分离，浇道推板2将浇注系统主流道凝料从浇口套中脱离出来，完成将浇注系统凝料从模具中脱离出来的动作。(4)A-A处开模。模具最后在A-A处打开，此时注塑机通过KO孔推动推板15运动，由推板15带动丝筒9、顶杆13和斜顶12等零件向前运动。滑块6在弯销4的导向下逐渐完成外部侧向抽芯。斜顶12在开模过程中与塑件19内部倒扣部位分离。塑件19在顶针13和丝筒9等零件推动下逐渐脱离型芯7，完成塑件脱模。(5)复位。复位时，模具动作过程与开模时相反，模具闭合后，接着进行下一次注塑成型过程。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.02.023.F009图9模具装配Fig.9Mold assembly注：1-定模座板；2-浇道推板；3-定模板；4-弯销；5-型腔；6-滑块；7-型芯；8-动模板；9-司筒；10-弹簧；11-复位杆；12-斜顶；13-顶杆；14-动模座板；15-推板；16-推杆固定板；17-限位柱；18-镶件；19-塑件；20-镶件；21-浇注系统凝料；22-小拉杆；23-垫块；24-限位拉杆；25-弹簧；26-限位拉杆5结论文章运用模流分析，确定了成型电器仪表外壳的较佳的浇口位置。通过冷却系统对比分析，得到了使塑件翘曲值较小的冷却系统。使用UG NX软件选择三板模架，设计了点浇口浇注系统，实现浇注系统的自动分离。设计了置于动模侧和定模侧的两种滑块，分别与弯销配合实现了外侧抽芯动作。采用斜顶结构实现了内侧抽芯动作。实践表明：该模具结构设计合理，实现了自动化脱模的目的，塑件具有较佳的成型质量，可为同类模具设计提供参考。