烟丝原料中的水分强度是评价烟卷质量的重要因素，烟丝中的水分会影响烟丝的硬度、质量和落丝率[1]，因此控制烟丝的水分十分必要。传统判断烟丝水分的方法是靠眼观、手摸、手握、手摇的方法，这种方式对经验和专业性要求比较高，无法大规模推广，不利于产业的扩大和生产效率的提高。烟丝水分仪是一种新的仪器，通过其内部的传感器数字化显示烟丝的水分含量，近年来逐渐被运用于生产实践中[2]。烟丝水分仪内部的传感器等电子元器件是通过外部的塑料外壳保护和支撑，因此形状、外观及质量可靠的塑料外壳十分关键。Moldflow是一款用于模流分析的软件，常被用于模具设计及加工工艺参数设计的前处理。本实验以某型号烟丝水分仪为实例，利用Moldflow软件对其塑料外壳的浇口位置进行优化分析，得到了可行的注塑方案。1烟丝水分仪外壳结构分析及网格划分1.1结构分析图1a为某型号的烟丝水分析，图1b为在Pro/E中建立的手柄外壳三维模型，塑件尺寸为10 mm×30 mm×104 mm，壁厚较为均匀，平均壁厚2.5 mm，最大壁厚4.5 mm，最小壁厚1.9 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.F001图1烟丝水分仪及其手柄Fig.1Tobacco moisture meter and its handle1.2网格划分网格划分是模流分析仿真计算的基础，将模型导入Moldflow后，选择模型的网格类型为双层面网格，设定网格的全局边长为2 mm。图2为最终划分的网格，三角形单元共4 940个，连接的节点2 470个，表面积69.363 5 cm2，体积7.151 cm3。纵横比最大为15.12，最小1.16，平均2.00。匹配百分比90.1%，相互百分比93.8%，适合双层面分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.F002图2网格划分结果Fig.2Mesh results2材料选择及工艺参数确定选择烟丝水分仪的材料为Mitsubishi Chemical公司牌号为NX45的塑料，表1为塑料推荐的工艺参数[3-4]。基于推荐参数，设置工艺参数为：模具表面温度88 ℃，熔体温度258 ℃，充填压力80%，其余参数均为默认设置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.T001表1推荐的工艺参数Tab.1Recommended process parameters项目数值项目数值模具表面温度/℃88熔体温度最小值/℃235熔体温度/℃258绝对最大熔体温度/℃320模具温度最大值/℃93顶出温度/℃98模具温度最小值/℃83最大剪切应力/MPa0.5熔体温度最大值/℃285最大剪切速率/s-11000003浇注系统设计3.1浇口位置的设计图3为浇口位置分析结果。从图3可以看出，烟丝分析仪外壳中间部位的浇口匹配性较好，两端的浇口匹配度较差。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.F003图3浇口位置分析结果Fig.3Gate position analysis result由于烟丝分析仪外壳为手握件，在进行浇注工艺的选择时，需要考虑浇口位置是否会影响触摸的手感，使用是否舒适[5-6]。为降低熔接线的数量，减小气穴产生的概率，采用单个潜入式浇口。综合以上分析，设计了3种方案，图4为浇口位置方案。图4浇口位置方案Fig.4Gate location scheme10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.F004(a)浇口位置110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.F005(b)浇口位置210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.F006(c)浇口位置3(1)浇口位置位于烟丝分析仪外壳的右侧边缘，靠近安装显示屏的附近(图4a)。(2)浇口位置位于烟丝分析仪外壳的中间部位(图4b)。(3)浇口位置位于烟丝分析仪外壳的左侧边缘，靠近手柄的末端(图4c)。3.2浇注系统的设计合理的浇注系统应能够促进熔体在型腔内流动，降低充填过程中的能量损失[7]。为便于熔体的注射，表2为设计的3种方案的流道尺寸。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.T002表2流道系统参数Tab.2Runner system parameters流道区域具体位置方案1方案2方案3主流道入口直径/mm2.5长度/mm50拔模角/(º)3流道直径/mm5形状圆柱形竖直流道底部直径/mm5拔模角/(º)3顶部浇口始端直径/mm5末端直径/mm1长度/mm14浇口位置模流分析对比4.1填充时间充填时间是塑料熔体进入型腔开始到充满的时间，是评价塑件注塑成型周期的重要指标[8-9]。通过充填时间能够判断熔体填充过程中是否存在填充不足的情况，也能够看出熔体的部分流动情况。图5为三种方案所得的填充时间，从图5可以看出，方案1、方案2和方案3的填充时间分别为2.072、2.572和1.692 s，说明3种方案均能够使模具正常填充完毕，其中，方案3所需时间最短，也就是说方案3的填充性最好。图5不同方案的填充时间Fig.5Filling time of different schemes10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.F007(a)方案110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.F008(b)方案210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.F009(c)方案34.2流动前沿温度流动前沿温度影响着熔接线的明显程度，流动前沿温度越高，熔接线越淡，变化范围越小，模具型腔内的温度分布越均匀[10-11]。图6为三种方案的流动前沿温度。图6不同方案的流动前沿温度Fig.6Flow front temperature of different schemes10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.F010(a)方案110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.F011(b)方案210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.F012(c)方案3从图6可以看出，方案1、方案2和方案3的流动前沿温度对应为259.9、258.9和259.7 ℃，温度差分别为2.1、1.0和1.9 ℃。三种方案的流动前沿温度差值相差不大，说明模具温度分布较为均匀。4.3锁模力塑料熔体在高压下进入模具型腔，分型面处的动模及定模会承受较大的压力，从而对模具的闭合情况造成影响，进一步会影响塑件的质量。因此，需要保证注射机的最大锁模力能够提供充足的压力来压紧模具[12]。图7为方案1、方案2和方案3锁模力。从图7可以看出，3种方案对应的锁模力分别为5 965、4 079、5 719 N。方案2的锁模力较小，方案1和3的锁模力过大，不但会造成资源的浪费，还会使注射机的液压器件长时间处于高负荷状态，会使其机械结构更容易磨损和老化。图7不同方案的锁模力Fig.7Clamping force of different schemes10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.F013(a)方案110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.F014(b)方案210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.F015(c)方案34.4翘曲分析翘曲变形会影响塑件的外观、装配质量及触摸手感，是一种常见的缺陷。由于烟丝水分仪手柄外壳对平面度有一定的要求，因此注塑成型过程中不能出现过大的变形[13]。图8为方案1、方案2和方案3的塑件翘曲变形情况。从图8可以看出，3种方案的最大翘曲变形量分别为0.398 5、0.359 7和0.377 9 mm，3种方案的翘曲变形量基本一致。图8不同方案的翘曲变形Fig.8Warpage deformation of different schemes10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.F016(a)方案110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.F017(b)方案210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.F018(c)方案34.5方案比较表3为3种方案的各项参数对比。从表3可以看出，3种方案的流动前沿温度相差不大，虽然方案1和方案3的充填时间少，但是锁模力均较大，容易造成资源浪费和液压元件损伤。同时最大翘曲变形量方案2最小，故选择方案2为最终方案。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.T003表3三种方案比较Tab.3Comparison of three schemes项目充填时间/s流动前沿温度/℃锁模力/N最大翘曲变形/mm方案12.072259.959650.3985方案22.572258.940790.3597方案31.692259.757190.37794.6生产验证将选择的工艺参数及浇口方案进行实际验证，图9为所得试模样品。说明选择的方案能够进行实际生产，满足注塑成型要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.018.F019图9试模样品Fig.9Trial sample5结论分析了某型号烟丝水分仪的结构，选择了合适的材料，利用Moldflow软件，设计了3个浇口位置方案。针对每个浇口位置方案进行模拟分析，得到了充填时间、流动前沿温度、锁模力和最大翘曲变形量的数据，通过比对这些数据确定了最佳的浇口位置。本实验能够为其他类似模具的设计提供参考，缩短模具的开发时间，提高设计的效率，对烟丝分析仪的批量化生产提供了指导。