基于Moldflow和UG的杯托注塑模設計

王平洲，鐘麗霞，鄭志軍，卿劍波

(華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510630)

模具作為衡量制造業水平的重要標志，是一個綜合的工業系統，其設計、制造及成型工藝優化等過程中使用了大量的CAD/CAE/CAM等軟件輔助工具及工業制造技術[1-3]。針對水杯等深筒型帶把手產品模具的設計，魏燕紅等[4]使用Moldex 3D 軟件的CAE技術優化了澆注系統及冷卻系統，李桂金[5]等使用CAE及激光燒結3D打印技術優化并制造了隨形水路，黃立君[6]等使用CAD/CAM軟件輔助設計并制造了模具的哈呋滑塊。與平整杯口的水杯類帶把手結構產品相比，杯托等線條型杯口帶把手類產品模具的設計，除了要分析澆注系統、冷卻系統，更要處理曲面滑塊細節對模具開合模運動的影響。為改善線條型杯口帶把手產品的外觀質量及解決產品脫模問題，筆者以產品杯托為研究對象，使用Moldflow和UG軟件分析及優化其模具設計方案，設計一套帶抽芯機構的模具。

1 產品結構及材料分析

1.1 結構分析

杯托是日常生活中常用到的塑料制品，產品尺寸為88 mm ×64 mm×70 mm，產品的主體壁厚為1.5 mm。圓底座直徑為50 mm，產品側的半圓結構為產品的把手，其寬度為6 mm，最大厚度為2.5 mm。杯托產品的杯口為線條型。產品外觀面直接接觸消費者，要求不允許有短射、熔接線、氣穴等外觀缺陷。產品模型如圖1所示。

圖1 產品模型圖

1.2 材料分析

聚丙烯(PP)是一種可用作食品或藥品接觸容器材料的高分子聚合物，廣泛應用于食品接觸相關的制品中[7-8]，在杯子生產制造領域，PP材料占比可達90%以上[9]。杯托產品在成品檢測時，要經過跌落測試及落球測試檢驗，對制造材料強度及剛度有一定的要求。產品采用的材料為韓國LG化學生產的牌號為LUPOL M1650的PP材料。LUPOL M1650是可用于接觸食品制品的食品級PP材料，具有良好的剛度、耐沖擊性能及加工性能。根據材料的物性表推薦，熔體溫度為190 ～220°C，模具溫度為40 ～70°C。材料的物性關鍵數據見表1。

表1 LUPOL M1650材料的物性表

2 Moldflow模擬分析

2.1 網格分析

根據產品的大小及壁厚等條件，使用Moldflow軟件中雙層網格對產品模型進行劃分，網格邊長大小設置為1.1 mm，網格劃分結果顯示最大縱橫比為15.09，最小縱橫比為1.06，平均縱橫比為1.52，無自由邊、多重邊，無匹配不正確單元，無相關單元、無重疊單元，匹配百分比為96.7%，相互百分比為97.3%，整體網絡劃分質量好，模型可用于模流分析。

2.2 澆注系統分析

模具中的澆注系統是模具設計的重要組成部分，澆注系統決定了成型過程熔體的流動，對成品的成型周期、產品的外觀質量及產品的力學性能均有影響[10-11]。為了提高生產效率，杯托采用一模兩腔方案。為了在生產過程中保持良好的外觀，采用點澆口側進膠方案。澆口位置位于杯托的把手下方，直徑為1.5 mm，分流道直徑為6 mm。冷流道點澆口的澆注系統方案如圖2所示。

圖2 澆注系統方案

2.3 冷卻系統分析

模具的冷卻系統如圖3所示。模具的冷卻系統對產品的生產周期有顯著的影響，冷卻系統中冷卻介質的流動可以源源不斷地將模具產生的熱量帶走[12]。冷卻系統可使模具保持在一定的溫度，保證了產品質量的穩定性，同時縮短了冷卻周期[13]。根據杯托的產品結構特點，采用管道冷卻與噴泉水管相結合的冷卻系統方案。在后模的模芯設置一個噴泉水管，而在產品表面設置管道直徑為8 mm的冷卻水路，考慮到產品的把手處要設置滑塊結構，水路設計為同一側進出水。冷卻水路設置為靠近澆口處為進水口，冷卻管路壁離產品最近處為20 mm[14]。根據冷卻介質的要求，設置冷卻介質的溫度為25°C[15]。

圖3 冷卻系統方案圖

3 UG模具設計

3.1 模具分型面及滑塊設計

杯托產品除了因把手結構需要做側向抽芯或滑塊設計以外，結構上無卡扣、無圓孔等需補面的操作。使用UG軟件注塑模向導工具對產品分型面設計。杯托側面的封閉把手結構整體位于型芯內，會影響正常的脫模，需要設計側向抽芯機構[16]。由產品的結構可知，封閉把手的高度接近于產品高度一半，因此以產品把手的中間面為分割線，將型芯分成兩個部分作為大滑塊以保證產品脫模。杯托模具方案一、方案二的分型面如圖4所示。

圖4 分型面及滑塊方案

杯托模具的分型面方案一為軟件型腔型芯的推薦結果，以杯托的杯口線條作為分型線，杯托中間部分作為型芯、杯托外表面部分作為型腔，分型面為杯口線條延伸的大曲面。根據杯托產品的把手脫模設計的需要，方案一在型腔內，以X-Z軸平面為工具，分割型腔為兩個對稱的部分為滑塊。

杯托模具的分型面文案二以產品的底座圓環為分型線，圓環線延伸面為分型面，產品的底座分型面以下為型腔，底座分型面以上包括產品的表面、把手均位于型芯內。方案二在型芯內，以X-Z軸平面為工具，分割型芯為兩個對稱部分為滑塊。

對比可知，方案一中左右兩側的滑塊在垂直開模方向移動時，曲面干涉無法移動；方案二中左右兩側的滑塊為平面結構，無移動干涉問題，且模具的型腔型芯結構更為簡單。方案二以杯托底座為動、定模分型面的設計方案為合理的分型方案及滑塊側抽芯方案，因此選擇方案二作為分型及滑塊設計方案。

3.2 斜導柱機構設計

以杯托底座為分型面的側向抽芯設計方案中，滑塊的整體長度為270 mm，其底部作為與動模板運動接觸的T型滑槽高度為20 mm。為保證滑塊能平穩移動，需采用雙斜導柱方案引導滑塊運動側向抽芯，單個斜導柱的直徑為25 mm，設置的傾斜角為17°。為了避免在注塑過程中注塑壓力使滑塊偏移，又避免增加楔緊塊限制滑塊移動而導致增加模具制造成本，滑塊設計為閉合時整體安裝于動、定模中。合模時，滑塊部分進入到定模板中，通過與定模板裝配以限制鎖模時滑塊的移動。側向抽芯及斜導柱機構如圖5所示。

圖5 側向抽芯及斜導柱結構

3.3 頂出機構設計

頂出結構設計如圖6所示。產品的頂出是塑料件制造成型過程最后的一個環節，頂出機構的設計決定了產品頂出質量的好壞。頂出過程中，除了模具的拔模角度以及模具表面的粗糙度對脫模有影響以外，頂針的數量與頂出位置對產品的外觀同樣具有影響。杯托產品作為深筒型產品，產品的深筒內壁與模具具有大面積的接觸，容易產生無法脫?；蛘呃，F象。由于后模的模芯中間位置設置了一個噴泉水管，頂針無法在中間位置安裝，為使產品頂出過程受力均勻，設計單個產品兩根頂針對稱放置的方案，頂針直徑為4 mm。

圖6 頂針結構圖

4 模具工作過程

4.1 模具結構

模具結構圖如圖7所示。杯托模具采用一模兩腔結構，模具的總體尺寸為500 mm×400 mm×390 mm，其中定模模板26 的厚度為120 mm，動模模板9的厚度為70 mm，動模底板10的厚度為40 mm，固定塊11高度為100 mm。在模具的定模板上安裝4個直徑為25 mm的斜導柱，用于引導大滑塊的側向移動及開閉合。杯托模具由定模座板1、動模座板12、斜導柱3、定模模腔4、滑塊7、動模型芯8、動模模板9，動模底板10、左右固定塊11、頂針推板16、頂針固定板17、定位圈18、噴嘴19、頂針23及相關裝配連接件構成。

圖7 模具結構圖

4.2 模具生產過程

(1)模具合模。根據模具鎖模力的大小，將模具安裝在東華90T注塑機上，并接入模溫機保證模具溫度保持一致。

(2)熔體注塑。設定注塑速度為最大注塑速度的90%，采用螺桿絕對值的方式控制熔體注射位置。熔體材料在螺桿加熱熔化后，在螺桿的推動下，經過主流道、分流道、澆口進入到模具型腔。在熔體材料填充95%時，進入速度/壓力轉換。

(3)產品保壓。為了避免產品短射或產生飛邊等注塑缺陷，保壓方式采用三段式保壓，第一段保壓壓力為40%，第二段保壓壓力為60%，第三段保壓壓力為20%，時間均為2 s。

(4)產品冷卻。保壓至澆口凝固，停止保壓進入產品冷卻，產品冷卻是注塑周期最長的一個環藝，經過15 s的冷卻，產品整體凝固后可以頂出。

(5)模具開模。模具的動模在注塑機的推動下，向遠離噴嘴的方向移動。安裝在動模兩側的滑塊，在定模的斜導柱進動下，沿垂直于開模方向移動打開。

(6)產品頂出。產品為深筒型結構，產品附著在型芯的圓柱模具結構上，設置頂針的移動距離為8 mm，在頂針板的推動下產品離開型芯圓柱表面。至此，可將產品取出，模具完成了一個產品的生產周期。

5 結語

對于杯托的線條型杯口產品一模兩穴布局的模具方案，經Moldflow分析，使用冷流道點澆口側進膠的澆注系統及內部噴水管外部隨形水路的冷卻方案，產品的結構完整，外觀無明顯注塑缺陷，冷卻時間合理。對于線條型杯口的杯類產品的分型面及滑塊設計方案，經UG優化，模具型芯整體由大滑塊組建的模具設計方案不會發生模具運動干涉。使用軟件輔助工具優化的方案與實物生產驗證一致有效，分析優化方案合理，可用于指導模具方案設計。