工控机作为一种应用计算机的控制系统，速度高、占用空间小，采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行监测和管理，在工业自动化生产中，发挥重要的作用[1-2]。工控机由计算机主板、CPU、内存条、硬盘、塑料外壳和接口组成。其中主板、CPU、内存条和硬盘需要依靠外壳固定和支撑。工控机的外壳通常由ABS塑料注塑加工制备。塑料外壳能够承受一定程度的振动和冲击，并且可以在-20~70 ℃的温度范围内正常使用，具有加工成本低、周期短、定制化等特点[3]。本实验以某型号工控机外壳为实例，分析产品的结构特点，对其进行模流分析，得到可行的注塑系统方案，对模具的分型面、型芯和型腔、导向机构进行设计，为其他类似结构的塑件提供参考和指导。1产品结构分析图1为工控机及其底座的三维模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F001图1工控机及其上壳体与下壳体模型Fig.1Industrial computer and its upper shell and lower shell model上壳体的外形尺寸为210 mm（长）×20 mm（高）×98 mm（宽），下壳体的尺寸为210 mm（长）×38 mm（高）×98 mm（宽）。工控机的壳体通过注塑加工制备，其表面具有多个凹槽沉孔，圆角和倒角等细节。塑件在成型过程中应遵循[4-5]：（1）为保证塑件的安装便捷性及可靠性，工控机底座注塑成型后的变形量应小于1 mm。（2）工控机壳体成型完毕后，表面应光滑无毛刺和浇口痕迹，保证各处倒角及圆角特征完好。（3）塑件在前侧和左侧存在通孔，上侧存在凹槽，应注意塑件的开模方向，合理设置分模结构。2注塑前处理2.1网格划分选择双层面网格，设定网格的边长为4.68 mm，并对网格进行修复。图2为网格划分结果。基于最大球体算法划分23 414个四面体网格，共连接节点数目11 696个，35 121个共用边，纵横比最大为13.75，最小为1.36，平均为2.02。匹配百分比为90.3%，相互百分比为90.7%，适合双层面分析[6]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F002图2网格划分结果Fig.2Meshing results2.2浇口位置及浇注系统设计浇注系统是塑料熔体通向模具型腔的通道，浇口位置是浇注系统的核心部分，影响塑件的充填时间和成型质量[7-8]。采用一模两腔的成型方案，图3为Moldflow对工控机的上壳体和下壳体浇口位置和流道分析的结果。图3浇注系统Fig.3Gating system10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F3a1（a）上壳体浇口位置10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F3a2（b）下壳体浇口位置10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F3a3（c）浇注流道从图3a可以看出，上壳体的最佳浇口位置在上下横梁的交汇处。从图3b可以看出，下壳体的最佳浇口位置在中心和四周角落的部分。从图3c可以看出，模具一共包含3个顶部浇口，设定主流道的入口直径和长度分别为3.5 mm和115 mm，拔模角为3°，流道的直径为7 mm，竖直流道的底部直径为7 mm，拔模角为3°，顶部浇口的初始直径为7 mm，末端直径为1.5 mm，长度为2 mm。2.3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一半以上[9-10]。冷却系统能够使塑件在成型期间各处温度变化均匀，避免塑件因受热不均而造成应力不匀，使塑件发生翘曲变形[11]。为了保证塑件各处均匀受热，冷却水管采用对称布置的方式。图4为冷却系统。从图4可以看出，冷却管道的直径为8 mm，水管与零件的距离为25 mm，管道数量为6，管道中心的距离为35 mm，零件外的距离设定为115 mm。从经济性和易获取的角度分析，选取冷却介质为雷诺数1 000的25 ℃纯水。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F004图4冷却系统Fig.4Cooling system2.4成型分析图5为Moldflow对注塑系统进行模流分析结果。从图5可以看出，工控机外壳的充填时间为6.942 s，外观无短射和填充不足等缺陷[11]。外壳最大体积收缩率为1.442%，最大翘曲变形量为0.795 mm，绝大部分区域的翘曲变形量均在0.5 mm以下，对塑件的外观和性能影响较小。塑件填充过程最大压力180 MPa，满足ABS塑料成型压力大于90 MPa的需求。此外，塑件边缘基本没有熔接线，成型质量较好。流动前沿温度最大为282.1 ℃，最小为281.7 ℃，温差为0.4 ℃，对塑件变形的影响可忽略。根据成型结果分析，此注塑成型系统能够满足要求。图5模流分析结果Fig.5Moldflow analysis results10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F5a1（a）填充时间10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F5a2（b）体积收缩率10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F5a3（c）翘曲变形量10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F5a4（d）压力10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F5a5（e）熔接线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F5a6（f）流动前言温度3模具结构设计选择HASCO标准模具，基于3D建模技术，利用Creo软件对模具进行建模设计。根据工控机上壳体和下壳体的外形尺寸，采用一模两腔的模具结构。为了保证塑件能够顺利成型，模架的尺寸选择标准型(546 mm×546 mm)，模具整体的高度为375 mm，行程为50 mm。3.1分型面设计创建分型面的方法包含阴影法、填充法和拉伸法[12]。阴影法是通过光线的投影原理，形成阴影区域作出分型面；填充法是将草绘中封闭区域填充成面；拉伸法是将一维的线沿指定方向拉伸成平面。由于工控机外壳形状较规则，主要采用填充法和拉伸法建立分型面。考虑工控机的下壳体侧面存在与开模方向垂直的孔，需要建立副分型面辅助抽芯和成型。图6为主、副分型面结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F006图6主、副分型面Fig.6Primary and secondary parting surfaces3.2型芯及型腔设计从工控机壳体的结构形状可以看出，其表面具有多个凹槽沉孔、圆角和倒角等细节。工控机下壳体的侧面与开模方向存在垂直的孔，需要设计侧抽芯机构，以保证塑件顺利成型。塑料熔体在动模仁与定模仁形成的腔体内成型，动、定模仁的材料应具有强耐腐蚀性、高耐温性和优异的可抛光性，并且能够保证在高压下性能保持不变，以避免塑料熔体从腔内泄漏。模仁的材料选择牌号为H13的热作模具钢，淬火后的硬度不小于50 HRC[13-15]，具有高韧性和优良的抗热裂能力，在精密模具中应用较多。由于动模仁及定模仁分别安装在动模板及定模板上，模板需要具有优异的抗弯曲能力。选择模板的材料为45#钢，热处理后的硬度大于55 HRC，能够满足需求。为了确保动模仁与定模仁的精确定位，保证塑件顺利成型，在动模仁与定模仁处设计拔模角为5°虎口[16-17]，虎口的尺寸为15 mm×10 mm×5 mm。工控机下壳体的侧面与开模方向存在垂直孔，需要设计前抽芯块和右抽芯块，保证塑件的孔特征可以顺利成型。图7为设计的开模结构。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F007图7开模结构Fig.7Open mold structure3.3导向机构设计导向机构是为了保证模具开、合模时各处精准对接，减小对动模仁及定模仁的破坏。导柱、导套和套筒共同构成模具的导向机构。导向机构需要承受少量横向载荷，因此选择具有良好淬透性、耐磨性和较高强度的合金工具钢Cr12作为导向机构材料，此材料淬火后硬度大于60 HRC。此外，导柱与导套采用H8/f8的间隙配合的方式，各零件的加工粗糙度Ra=0.8。3.4模具工作过程图8为工控机壳体模具的三维结构模型。模具的工作过程为：10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.015.F008图8模具结构Fig.8Mould structure1-上模座；2-上垫板；3-定模板；4-动模板；5-下垫板；6-支撑块；7-顶杆固定板；8-顶杆基板；9-下模座；10-套筒1；11-居中导套1；12-居中顶板导柱；13-套筒2；14-居中导套2；15-居中顶板导柱2；16-动模夹紧螺钉；17-定模夹紧螺钉；18-动模顶杆螺钉；19-动模限位螺钉；20-定模定位环；21-定模隔热板；22-浇口（1）合模机构驱使下模座9带动支撑块6、下垫板5、进而推动动模板4向定模板3移动，模具合模。（2）注射机加热，并使喷嘴到达浇口22开始注射。（3）塑料熔体沿着浇注系统进入模具型腔21，充填完毕开始保压操作。（4）封住浇口22使塑料熔体逐渐冷却塑化。（5）塑件成型后执行开模工序，塑件被顶出，清理塑件表面的熔渣即可出厂。4结论对某型号的工控机进行结构分析，利用Moldflow软件，对其注塑系统进行设计，并分析其注塑结果。对模具的分型面进行分析和设计，选择合适的型芯和型芯材料，设计合适的导向定位机构，对模具的工作过程进行介绍，为其他类似结构的塑件的模具设计提供借鉴和指导。