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来源：期刊-合成树脂及塑料 2023年 第40卷第5期 作者：黄荣学，赵梅芳，范豪，唐杰，黄胜 摘要：以一种聚丙烯沥水长方形肥皂盒为例，结合实际情况，对其浇注系统和冷却系统进行初步设计，通过分析肥皂盒的充填过程，优化浇注系统的流动不平衡缺陷，并利用Moldflow软件对肥皂盒塑件进行流道分析。结果表明：优化后的浇注系统和冷却系统均设计合理；由翘曲变形分析可知，收缩不均对塑件变形影响最大，但变形量均在允许范围内；最后，通过对模具分型面、型芯、型腔、推出机构和模架结构等进行合理设计，得到一整套符合实际生产需求的肥皂盒注塑模具。 肥皂盒作为承载肥皂的容器，在浴室中起着重要的装饰作用，因此在结构设计时需要实用且美观。目前，市场上的肥皂盒结构大多是可沥水型，但形状各异［1］。据调查，精美肥皂盒在注塑成型时，对制品表面质量及配合尺寸要求高，导致模具设计难度大。此外，传统的注塑模具设计制造主要取决于模具设计师的经验，以及模具制造者的加工技术，因此，造成模具开发成本高，产品市场定价也相对较高，故传统的塑料注塑成型工艺已经无法满足目前塑料制品市场的需求［2］。本工作以一种聚丙烯沥水长方形肥皂盒为例，首先对肥皂盒进行工艺分析，接着进行浇注系统和冷却系统初步设计，运用Moldflow软件对注塑成型过程进行仿真模拟并优化，最后对模具的分型面、型芯、型腔、推出机构和模架结构进行设计，以得到一整套合理的、符合实际生产需求的肥皂盒注塑模具。 1塑件建模及工艺分析 肥皂盒分为上盖和底盖两部分，为长方体塑件，如图1所示。上盖尺寸为134.0mm×90.0mm×30.0mm，壁厚为3.0mm。底盖尺寸为134.0mm×90.0mm×18.0mm，壁厚为4.0mm，在底盖内部有3个高2.5mm的凸台，外部有4个高2.0mm的起支承作用凸台。肥皂盒原料采用东莞市仁捷塑胶原料有限公司的聚丙烯K9035，熔体流动速率35g/10min，其光泽良好，容易着色，耐水性及化学稳定性强，易于成型加工。肥皂盒属于小型塑件，注塑时采用一模两腔式型腔布局。为能够顺利脱模，塑件设计有3。的脱模斜度。  2浇注系统和冷却系统设计 2.1浇注系统设计 2.1.1主流道设计 肥皂盒采用佛山市德雄机械设备有限公司的XS-ZY250（A）型注射机注塑成型，根据注射机喷嘴的相关尺寸，得到喷嘴前端球面半径为18mm，喷嘴孔直径为4mm，定位圈直径为100mm。根据模具主流道和喷嘴的关系，一般主流道球面半径较喷嘴前端球面半径大1.0～2.0mm，主流道小端直径较喷嘴孔直径大0.5～1.0mm，因此，取主流道球面半径为20.0mm，小端直径为5.0mm。根据设计原则，球面配合高度推荐值为3.0～5.0mm，故高度取5.0mm。为了方便将凝料从主流道中拔出，主流道设计成圆锥形，锥角为2º~6º,长度为50.0mm。当主流道锥角取4º时，计算其大端直径为8.0mm，同时为了使熔料顺利进入分流道，在主流道出料端设计半径为3mm的圆弧过渡［3］。 2.1.2分流道设计 本设计中的肥皂盒组合型塑件体积较小，形状简单，壁厚均匀，为保证塑件的外观质量，采用单点进料方式［4］。该塑件在与主流道相连处采用U型断面分流道，其容易加工，流道效率高，热量损失和流动阻力小，脱膜效果较好。查有关文献［5］得聚丙烯的分流道断面直径推荐值为5.0～10.0mm，故取分流道断面直径为8.0mm，计算得分流道高度为5.0mm。该塑件在与点浇口相连处采用圆锥形分流道分流，初步设计与肥皂盒上盖点浇口相连的分流道上端直径为5.000mm，下端直径为3.000mm，与肥皂盒底盖点浇口相连的分流道上端直径为5.000mm，下端直径为2.000mm。 2.1.3浇口设计 浇口作为分流道与型腔的连接部分，其设计的类型与塑件的尺寸、形状，模具结构，注射工艺条件及塑件性能等有关，设计正确与否将直接决定塑件的质量。塑件注塑时出现缺胶、缩孔、翘曲变形等缺陷，通常是浇口设计不当造成的［6］。常见浇口截面形状分为梯形、矩形和圆形。圆形截面浇口包括针点式圆形浇口、潜伏式圆形浇口和主流道圆形浇口［7］。考虑到塑件型腔布局及其外观表面质量要求等影响因素，选用针点式圆形浇口，位于塑件底面中心处。一般来说，浇口的截面尺寸宜较小，保证型腔充满后，浇口能迅速冷却封闭，防止型腔中未冷却的塑料回流。本工作结合肥皂盒的实际情况，初步设计浇口直径为1.0mm，长度为1.0mm。 2.2冷却系统设计 冷却系统是用来满足塑件成型工艺对注射模具温度的要求，保证塑件的冷却效果，因此，冷却系统创建是否合理会影响塑件的冷却速率及收缩性，进而影响塑件最终的表面质量［8］。一般在获得均匀冷却的基础上进一步优化冷却系统布局，可缩短塑件冷却时间，提高塑件的成型质量和生产效率。根据肥皂盒的结构和注塑的实际情况，初步设计冷却管道横截面形状为圆形，设定直径为10.0mm，距离型腔表面距离为10.0mm。考虑到塑件的冷却效果和实际的模具结构，水路管道形式采用直角折线型与直线型相结合的形式，水管排列方向沿Y方向排列，冷却系统结构见图2。  3塑件模流分析与优化 3.1模流分析前处理 利用UG软件对肥皂盒塑件进行三维建模，并以STL格式导入Moldflow软件中进行网格分析前处理。由于该组合型塑件的壁厚均匀且体积小、质量轻，属于小型塑件，因此采用双层面网格划分。在保证塑件模流分析质量要求的前提下，肥皂盒上盖和底盖均采用全局边长为0.8mm来划分网格，获得的网格数116486，最大纵横比7.13，网格匹配百分比95.1%，网格相互百分比95.0%。 3.2塑件的最佳浇口位置分析 在注塑成型过程中，塑料熔体在型腔内的流动状况一定程度上决定了塑件的成型质量。合理的浇口位置是塑料熔体在型腔内流动形态的关键因素，可保证熔体流动平衡，达到预期的成型效果［9］。从图3可以看出：肥皂盒上盖最佳浇口位置位于塑件中心，肥皂盒底盖最佳浇口位置在塑件内表面接近中心位置，但如果将该位置作为注射成型浇口位置，不利于塑件模具分型面的创建，因此，综合模具分型面设计及模流分析结果，最终确定肥皂盒底盖最佳浇口位置设置在塑件外表面中心位置。  3.3初步填充分析 根据浇注系统的初步设计确定浇注系统尺寸参数为：点浇口直径1.0mm，长度1.0mm；与肥皂盒上盖点浇口相连的分流道大端直径5.0mm，小端直径3.0mm，与肥皂盒底盖点浇口相连的分流道大端直径5.0mm，小端直径2.0mm；与主流道相连处U型断面分流道直径8.000mm，高度5.000mm；主流道为圆锥形，大端直径8.0mm，小端直径5.0mm，长度50.0mm。肥皂盒浇注系统见图4。  利用Moldflow软件对肥皂盒塑件进行填充分析，设置工艺参数为熔体温度215℃,模具温度85℃,充填时间设置为“自动”，速度/压力切换设置为“由%充填体积”，其他参数默认。从图5a可以看出：肥皂盒最大注射时间发生在底盖上，注射时间为0.7594s，而肥皂盒上盖完成充填时间为0.7496s，两型腔流动不平衡性为1.3%。从图5b可以看出：速度/压力切换时的压力为61.78MPa，此时两个型腔的压力分布不平衡，肥皂盒上盖的压力明显较底盖大。这是因为肥皂盒上盖较底盖先填充完成，肥皂盒底盖在充填过程中，肥皂盒上盖已处于保压状态，导致肥皂盒上盖与底盖压差大，从而使产品质量出现缺陷。综上所述，初步设计浇注系统方案中，熔体在型腔内流动存在不平衡现象，因此，对该组合型塑件需进行流道平衡分析，以达到组合型腔的流动平衡，保证产品质量。  3.4流道平衡优化分析 利用Moldflow软件对肥皂盒进行流道平衡优化分析，设置分析序列为“流道平衡”，目标压力为填充分析最大压力的85%，即52.00MPa，研磨公差为0.1mm，最大迭代次数为5次，压力收敛公差为5.00MPa，分流道平衡约束为“不受约束”。从图6可以看出：浇注系统分流道体积发生变化，上盖点浇口相连的分流道体积增加了90.33%，即优化后分流道上端直径为6.898mm，下端直径为4.139mm；与底盖点浇口相连的分流道体积增加了45.16%，即优化后分流道上端直径为3.012mm，下端直径为2.410mm；与肥皂盒上盖相连处U型断面分流道体积增加了48.35%，即优化后U型断面分流道直径为9.744mm，高度为6.090mm；其他分流道体积无变化。  3.5优化后充填分析  从图7a看出：优化后的充填时间为0.7597s，与优化前的充填时间（0.7594s）相比，虽然时间增加了0.0030s，但优化后的肥皂盒底盖和上盖几乎同时完成填充且没有出现充填不足的现象，因此优化后的浇注系统流动平衡性较好。从图7b看出：当体积填充到99%时，速度/压力切换注射浇口位置处的压力为58.61MPa，且该组合型塑件流动分析时的型腔压力分配比较均匀，两型腔料流流动路径上的压力降基本一致。综上所述，优化后的浇注系统尺寸能保证熔体在型腔内流动平衡，因此优化后的浇注系统设计符合要求。 3.6冷却分析 在实际生产加工制造中，模具温度对塑件的质量及成型周期有重要影响，因此制品注塑前必须进行冷却分析［8-9］。冷却分析是根据塑件在模具中的热传递判断冷却系统的冷却效果，进而确定塑件的成型质量。根据冷却系统的初步设计进行冷却系统创建，设置管道内的冷却介质为水，冷却介质入口温度为25.00℃,冷却液管道壁热传导系数为1W/（m·K），管道粗糙度为0.05mm。回路冷却液温度反映了冷却液流过冷却管道时的温度变化，从图8a可以看出：冷却液最高温度为25.25℃,最低温度为25.00℃,两者相差0.25℃,远小于冷却液进出口温度不高于3.00℃的规定值，因此，塑件冷却效果良好，冷却系统设计合理。从图8b可以看出：塑件最终达到推出温度的时间为41.24s，时间较短，表明冷却系统的冷却效果较好，加快了塑件的冷却速率，减小了塑件的成型周期，增大了塑件的生产效率。综上所述，冷却系统设计合理，塑件冷却效果良好。  3.7翘曲变形分析 肥皂盒属于薄壳类塑件，实际装配过程中对装配尺寸精度要求较高，因此在注射成型时应考虑塑件的翘曲变形量。一般塑件翘曲的类型分为拱形翘曲和马鞍形翘曲，产生原因归于成型塑件的不均匀收缩［10-11］。塑件的翘曲变形不仅影响外观，还影响成型质量。从图9可以看出：所有效应引起的塑件最大翘曲变形量为0.8721mm。其中，冷却不均引起的塑件最大变形量为0.0693mm，收缩不均引起的为0.7644mm，角效应引起的为0.5482mm。结果表明，冷却不均、收缩不均和角效应对塑件变形均有一定影响，其中，收缩不均对塑件翘曲变形量影响最大，冷却不均的影响最小。后期可通过调节成型参数进行修正，但是没有超过1.0000mm的翘曲变形量允许范围，因此注塑成型后的塑件质量是合格的。  4模具设计 4.1分型面设计 分型面为动模与定模的分界面，其设计是否合理，直接影响着产品质量、模具结构和操作的复杂程度，是模具设计成败的关键因素之一。为确保塑料制件能够顺利分型及被推出机构推出，应考虑塑料制件外形的最大轮廓处作为主分型面［12-14］。在综合分析肥皂盒结构及注塑工艺基础上，分别设计肥皂盒底盖和肥皂盒上盖的内表面作为分型面，见图10。  4.2型腔设计 型腔设计时，除了考虑型腔壁厚的刚度、强度对模具型腔设计的影响外，还要考虑冷却水道的布置，以及实际加工等因素的影响。塑件的型腔结构虽相对简单，但塑件表面质量要求较高，因此最终采用整体嵌入式型腔设计（结构见图11）。  4.3型芯设计 考虑到型芯的机械加工、安装拆卸，以及塑件内部冷却水道的布置、加工等因素，型芯结构设计采用整体嵌入式型芯（结构见图12），其位于动模一侧。相较于动模板整体式型芯，本设计更适合小型大批量组合型塑件。 4.4推出机构设计 依据肥皂盒结构特点，采用推杆推出机构，该机构简单，制造成本低，推出平稳可靠。肥皂盒为小型塑件且形状相对规则，所需的脱膜力不大，考虑到肥皂盒底盖的推杆布置空间不足，最终选用直径为6mm的推杆。推出距离设计时应大于型芯凸出长度2~3mm，即推出距离大于30mm。考虑到冷却水道布置对推出机构位置布置的影响，肥皂盒上盖和底盖的推杆位置采用不同的布置方法，推杆推出机构示意见图13。 4.5模具结构设计 4.5.1模架的确定 肥皂盒上盖和底盖采用一模两腔平衡布置、点浇口二次分型结构设计。综合考虑模具型腔布局、冷却水道布局、推出系统布局及浇注系统凝料自动推出等影响因素，通过查阅注塑模标准模架等相关标准［15］，最终选用的标准模架为DCI2940-A90-B70-C100-E型点浇口模架。 4.5.2模具整体结构及开模过程 肥皂盒注塑模具二维总装图见图14。模具工作过程为：工作初始阶段，动模板4、定模板12处于闭合状态，注塑机将塑化后的聚丙烯熔体通过主流道、分流道、浇口注入型腔，经保压、泄压及冷却系统冷却后凝固成型。开模时，当动模板4受到注塑机的拉力时，因动定模板之间装有开闭器，而水口板10与定模板12之间无任何连结，在注塑机拉力的作用下，水口板10与定模板12分开，定模板12随着动模板4一起向后运动，因钩针24的作用，使水口板与产品断开。运动到一定距离时，定模板12停止运动，注塑机继续向后运动，拉力不断加大至超过开闭器锁模力时，定模板12与动模板4分开，产品留在动模型芯上，当到达设定的开模行程后，在注塑机推杆的作用下将肥皂盒制品从动模中推出，取出肥皂盒制品。合模时，注塑机动模在导柱13的引导下，动模板4向定模板12运动，当动模板4，定模板12和水口板10完全合紧，注塑机上的喷嘴与模具上的注口衬套密合，开始下一模注塑。 5结论 a）采用一模两腔式型腔布局，完成了浇注系统、冷却系统的设计。对肥皂盒进行浇口位置分析，确定肥皂盒上盖最佳浇口位置位于塑件中心，底盖最佳浇口位置在塑件外表面中心位置。 b）经流动平衡分析后，浇注系统结构参数得到优化，优化后的上盖分流道上端直径为6.898mm，下端直径为4.139mm，底盖分流道上端直径为3.012mm，下端直径为2.410mm，与肥皂盒上盖相连处U型断面分流道直径为9.744mm，高度为6.090mm。优化后进行充填分析，不同型腔内压力分配均匀，填充时间基本相同，因此，优化后的浇注系统能保证熔体在型腔内流动平衡，浇注系统设计合理。 c）通过冷却分析可知，回路冷却液温差为0.25℃,小于3.00℃的规定值，塑件最终达到推出温度的时间为41.24s，故冷却系统设计合理，塑件冷却效果良好。 d）通过翘曲变形分析，得到收缩不均对塑件变形影响最大，最大变形量为0.7644mm，是导致塑件变形的主要原因，但翘曲变形量在允许范围，因此注塑成型后的塑件质量是合格的。 e）通过对肥皂盒进行模流分析，能够有效优化模具设计，提高设计效率。 参考文献 [1]魏春雪，郜娅.创意肥皂盒的模具设计与加工［J］.科学技术创新，2019，22（27）：183-184. 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