为了减少冷链运输过程中的损耗，需要建立智能温度监控调节系统。智能温度仪是温度监控调节系统搜集数据的关键器件[1]。智能温度仪主要由温度传感器、计数器、LED数码管、按钮和塑料外壳构成。塑料外壳具有一定耐低温的能力，并且起固定内部电子零部件的作用，因此智能温度仪的塑料外壳十分重要[2]。本实验以某型号智能温度仪为实例，对其产品结构和材料进行分析，基于计算机辅助技术对其塑件成型工艺和模具进行设计和分析，为其他类似产品的模具结构设计提供借鉴和指导。1产品结构与材料分析1.1结构分析图1为某智能温度仪的实物样品及其上壳体的三维模型。从经济性、便捷性和轻量性角度出发，智能温度仪的壳体一般通过注塑成型加工而成。上壳体的外形尺寸为90 mm×60 mm×10 mm，壁厚平均为4.82 mm。上壳体中结构细节较为丰富，包括圆角、倒角、孔和凹槽等。由于上壳体和下壳体需要进行配合，因此在注塑成型时需要保证塑件的变形量小于1 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.020.F001图1智能温度仪及其上壳体Fig.1Intelligent temperature meter and its upper shell1.2材料分析ABS塑料是一种常用的热塑性塑料，应用领域较广泛。考虑智能温度仪需要在低温运输环境下持续工作，因此需要保证其外壳材料具有耐低温和抗冲击的能力[3]。智能温度仪外壳的材料选择制造商为Monsanto的牌号为30%橡胶的ABS塑料。此材料可以在-40 ℃的环境中正常使用，具有极强的耐低温能力。该材料的固体密度和熔体密度分别为1.054 g/cm3和0.949 g/cm3。材料剪切模量为1 607 MPa，弹性模量为4 500 MPa，泊松比为0.4，具有一定的抗冲击和抗剪切的能力，能够抵御运输过程中的各类振动[4]。同时，该材料具有良好的绝缘性能，能够保证内部电子器件的正常工作。表1为材料的加工工艺参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.020.T001表1加工工艺参数Tab.1Processing parameters工艺参数数值模具表面温度/℃50熔体温度/℃230模具温度/℃25~80顶出温度/℃88最大剪切力/MPa0.28最大剪切速率/s-1120002塑件成型工艺分析Moldflow是一款能够模拟注塑分析过程的软件，可以及时发现注塑模具设计过程中存在的缺陷，在注塑行业中应用广泛[5]。2.1网格划分网格单元是Moldflow进行仿真模拟分析的基本单元[6]。由于Moldflow不具备画图建模的功能，因此需要将智能温度仪上壳体的三维模型转换成通用格式的“.stl”文件。网格划分结束后点击“网格修复”功能，对网格进行检查和优化[7]，图2为网格划分结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.020.F002图2网格划分结果Fig.2Meshing results单个网格边长2.17 mm，划分得到7 752个三角形单元，连接节点数目为3 868个。三角形网格的表面积为128.117 cm2，三角形网格的体积为20.822 2 cm3。纵横比最大为8.76，最小为1.16，平均为4.82。网格的匹配百分比93.0%，相互百分比为95.1%，适合双层面网格分析。2.2浇口位置及浇注系统设计浇注系统是塑料熔体从注射机到模具型腔的通道，关系塑件成型的质量。浇口位置是浇注系统的核心部分，影响塑件填充的速度和品质[8]。图3为在Moldflow中选择浇口位置分析，得到的浇口位置和浇注系统。从图3可以看出，深蓝色部分为系统推荐的浇口位置，根据分析结果，选择的浇口位置为图中紫色圆形处。设定主流道的入口直径、长度为2.5 mm和40 mm，拔模角设计为3°，流道的直径设计为5 mm，竖直流道的底部直径为5 mm，拔模角设计为3°。顶部浇口的初始入口直径和末端出口直径分别为5 mm和1 mm，长度设计为1 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.020.F003图3浇口位置和浇注系统Fig.3Gate location and gating system2.3冷却系统设计在一个完整的注塑周期中，塑件的冷却时间占据绝大部分。注塑冷却系统的目的是使注塑过程中模具型腔各处的温度均匀变化，使型腔内的温度处于一定范围内，从而减少由于冷却不均而造成的翘曲变形[9]。为了扩大冷却管道的冷却面积，将管道沿着智能温度仪长度方向的水管直径和水管与零件间的距离设定为10 mm和25 mm。选择两个冷却管道，管道中心的距离和零件外的距离分别为30 mm和45 mm。图4为最终得到的冷却系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.020.F004图4冷却系统Fig.4Cooling system2.4成型分析为了验证所建立的冷却系统和浇注系统的注塑效果，需要在Moldflow中进行模拟验证。设定模具表面温度和熔体温度分别为50 ℃和230 ℃，填充压力为90%，冷却时间为25 s。图5为模流分析结果。图5模流分析结果Fig.5Mold flow analysis results10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.020.F5a1（a）填充时间10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.020.F5a2（b）速度/压力切换的压力10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.020.F5a3（c）流动前沿温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.020.F5a4（d）气穴10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.020.F5a5（e）翘曲变形量从图5a可以看出，充填完成时间为0.660 4 s，没有出现短射和充填不足等缺陷。从图5b可以看出，速度/压力切换时的压力最大值为23.84 MPa，塑件表面各处压力分布均匀，能够保证塑件各处受力基本一致，能够满足成型的需要。从图5c可以看出，流动前沿最大温度为230.2 ℃，最小温度为229.8 ℃，两者相差0.4 ℃。通常，流动前沿温度差应控制在10 ℃以下，因此所得的分析结果能够满足所需的温差条件，处于合理可控的范围内[10]。从图5d可以看出，塑件表面存在少量气穴，且均处于边缘处，对塑件的外观影响较小。从图5e可以看出，塑件的最大翘曲变形量为0.720 8 mm，变形较小，由于各类塑件使用工况不一样，因此无参照物。根据温度仪的使用环境，为保证内部的元件顺利装配，变形1 mm范围内属于合理，对塑件的外观、质量影响有限。根据上述的分析结果，所建立的浇注及冷却系统能够满足成型的需求。3模具结构设计为了建模方便，本实验以德国HASCO标准为原则，对模具结构进行设计。塑件的外形尺寸为60 mm×10 mm×90 mm，考虑到模具型腔的尺寸，选择模架的尺寸为218 mm×246 mm的标准模架结构，行程为44 mm，总高度312 mm。3.1模具材料由于模架及模座的作用为固定和连接，因此用普通的碳素工具钢T10A。此材料的刚度和耐磨性较高，淬火后硬度可达到62HRC，加工制作成本低，在模具设计行业应用较多[11]。塑件成型是在动模仁和定模仁中实现的，由于塑料熔体需要在其内部流动，为防止熔体泄漏，模仁材料需要具有一定的抗腐蚀性和较低的粗糙度，并且具有较高的抗拉和抗压强度。因此选择模仁材料为3Cr2Mo钢材，此材料的出厂硬度可达30~42 HRC，适用于各类精密模具，适用于长期生产高质量塑料模具。动模板及定模板起固定内部模仁的作用，需要在外力作用下锁紧，因此要求其制造材料的抗弯和抗压能力较强。选择模板的材料为40Cr，淬火和低温回火后的硬度可达55 HRC，具有优良的力学性能，并且尺寸变化小，抛光性好。3.2分型面、型芯及型腔设计分型面是为了方便将注塑成型后的塑件从模具型腔内取出的接触面，分型面的上下两部分分别为定模仁和动模仁[12]。由于本实验中智能温度仪的表面形状规则，因此将填充法和拉伸法交叉混合使用可满足分型面的创建需求。具体要求为：与顶部平面平行的分型面采用填充法创建，与顶部平面垂直的分型面采用拉伸法创建。图6为型芯、型腔、分型面及分模结构。从图6可以看出，分型面创建完成后，采用体积块分割和型腔镶件命令将工件分成为动模仁和定模仁两部分。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.020.F006图6型芯、型腔、分型面及分模结构Fig.6Core， cavity， parting surface and parting structure在模具中型芯和型腔指的是凹模（动模仁）和凸模（定模仁），凹模和凸模之间的间隙为所要成型的零件外形。智能温度仪的壳体表面有1个安装显示屏幕的通孔和4个按钮的通孔，同时表面还有凹槽。为了方便拆卸、安装和通用化，凹模和凸模一般都在镶件中，镶件包括了动模仁、定模仁和型腔。整个镶件的尺寸一般比零件外形稍大，保证塑件能够在其中完全成型。为了动模仁和定模仁在合模时能够精确定位，在型腔及型芯的四个角设计了虎口定位装置。虎口的尺寸为15 mm×15 mm×8 mm，斜度为10°。3.3导向机构及夹紧机构导向机构能够保证动模与定模的精确合模。在模具执行合模工序时，先经由导向机构导向，然后动模与定模再合模，避免了凹、凸模而造成的损坏。同时，导向机构可承担一定的侧压力，减轻型腔内熔体对壁的压力[13]。智能温度仪外壳注塑上午导向机构包括居中导套、居中顶板套筒和居中顶板导柱。为了保证导向机构的强度，其材料选择42CrMo，经过调质热处理后表面镀硬铬，使其硬度达到58~60 HRC。此材料属于超高强度钢，具有极佳的强度和韧性，淬透性优良，调质后有较高的疲劳极限和抗冲击能力。由于导柱与导套间存在相对位移，因此选择间隙配合的方式，粗糙度设计为0.8 μm。为了防止塑件在注塑成型过程中发生偏移，模具需要配备夹紧装置。夹紧装置主要包括动模夹紧螺钉、定模夹紧螺钉和动模顶杆螺钉。3.4模具结构及工作过程图7为智能温度仪外壳模具结构。智能温度仪外壳的注塑成型过程为：10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.020.F007图7智能温度仪外壳模具结构Fig.7Mould structure of intelligent thermometer shell1-上模座；2-垫板1；3-定模板；4-动模板；5-垫板2；6-支撑块；7-顶杆固定板；8-顶杆基板；9-下模座；10-居中导套；11-居中顶板套筒；12-居中顶板导柱；13-居中顶板套筒2；14-居中顶板导柱2；15-动模夹紧螺钉；16-定模夹紧螺钉；17-动模顶杆螺钉；18-动模限位螺钉；19-定模定位环；20-定模隔热板；21-定模仁；22-动模仁；23-模具型腔（1）注射机的合模机构顶动下模座9，驱使动模板4移向定模板3，完成合模动作。（2）注射机开始加热塑料，使其变为塑料熔体。（3）塑料熔体经由浇口和流道进入模具型腔23，经过填充-保压-冷却的步骤后，开始开模动作。（4）注射机将拉动下模座9进而使动模板4远离定模板3，完成开模工序。（5）将成型完成的塑件从模具型腔中取出。由于刚成型结束的塑件表面可能会有熔渣，因此需要对塑件表面进行二次处理后方可出厂。4结论智能温度仪在冷链物流行业应用较多，其外壳一般通过注塑加工工艺制成。以某型号的智能温度仪为实例，分析其结构形状特点，利用Moldflow软件对其冷却系统和浇注系统进行设计，并进行注塑分析。结果表明：设计的注塑系统能够满足注塑的需要。最后基于三维建模技术，对模具的分型面、导向机构和夹紧机构进行设计，并介绍模具的工作过程，为其他类似模具的设计提供思路和指导。