随着模具工业的发展，模具设计与制造分工越来越细，这也导致各个细分领域的专业性越来越强。Moldflow作为一款非常流行的模流计算机辅助工程（CAE）分析软件，它能预测制品注塑过程的潜在问题及对整个注塑过程的模拟分析，包括填充、保压、冷却+翘曲等，让模具设计工程师在设计初始阶段就能关注到未来注塑产品可能会存在的缺陷，减少模具调整的次数，降低试模的次数，提高产品及模具设计的质量，同时它也能提供针对注塑机参数设置、优化的解决方案，为产品从设计到产出保驾护航。本文基于Moldflow模流分析技术，通过Unigraphics NX三维设计（UG）软件对无人机上盖建模，再把数据导入Moldflow软件进行分析并优化，依据优化分析后的结果完成模具设计。整个设计流程环环相扣，缩短产品开发周期，为企业创造了效益。

无人机上盖结构是一个典型的薄壁壳体类零件，无人机上盖产品二维工程图如图1所示，最大外形尺寸为200 mm×100 mm×16 mm，产品厚度只有0.8 mm，因产品壁薄，所以走胶相对困难，产品材料为聚碳酸酯（PC），其为非结晶性塑料，流动性比较差，注塑过程比较困难，图1中的虚线框内的产品部分对外观要求比较高，不得有熔接痕及气痕，因而产品的进胶方式决定采用潜伏式浇口，避免影响产品的外观。从产品结构上来看，产品形状相对比较复杂，产品内部有较多加强筋且在产品内部及表面的四角处均有倒扣部分，在模具设计时需设置斜顶机构，增加了模具设计难度。因产品批量比较大，如采用冷流道浇注，会产生很多废料，所以为减少注塑加工的废料，采用热流道转冷流道的进胶方法。从上述分析过程中可知，产品壁厚比较薄，产品材料难于注塑，因而注塑生产过程选用高速机注塑。

首先，使用UG软件对无人机上盖模型进行简化处理，主要处理一些小的圆角及尖角，避免在Moldflow软件网格处理过程中出现质量差，导致分析精度降低甚至分析失败^[1]。然后，通过Moldflow软件导入UG软件处理好的初始图形交换标准（IGES）文件，设定网格类型为双层面网格，执行网格划分命令并修改模型直至达到分析要求。

浇注系统设计是否恰当，会影响塑胶产品的外形、尺寸精度和成型周期等因素。运用Moldflow对产品进行模拟填充分析，预判可能出现的产品缺陷，优化进胶方案直至设计合理。

图2为产品浇注系统示意图，由产品结构分析可知，无人机上盖进胶方案采用热流道转冷流道的进胶方式，红色部分为热流道，绿色部分为冷流道、潜伏式浇口与进胶柱^[2,3,4]。热流道直径为12 mm，冷主流道部分的小端直径取4 mm，大端直径取6 mm，冷分流道采取 U形截面，宽度为6 mm，高度均取4 mm。在塑料产品侧边设置6个进胶点如图2所示。

选用Kumho Chemicals Inc公司的PC材料，模具温度设定为85 ℃，熔体温度设定为305 ℃，注塑压力取180 MPa，其他注塑工艺参数设为默认值，然后进行填充分析。图3为6点进胶口的充填时间示意图，整个产品填充完成时间为1.343 s，由Moldflow软件的分析日志可知，达到最大注塑压力时的注塑时间为1.1678 s，此时充填体积为88.55 %，流动前沿已凝固，系统警告短射。该产品内部有许多加强筋，产品厚度也比较薄，流动阻力比较大，所以在图3中红色圆圈处会出现短射情况，产品无法完整成型。

通过降低塑料产品成型压力可以防止产生充填不足的现象，最好的办法是增加浇口数量，所以决定在图3中蓝色圆圈位置处增加两个进胶点，总共在塑胶两侧布置8个浇口，模具温度的提高及熔体温度升高都利于塑胶充填^[5]，设置模具温度为95 ℃，熔体温度设定为315 ℃，重新构建并进行充填分析。

无人机上盖塑料产品的填充过程情况如图4所示，图4展示该产品在0.4306 、0.6100 、0.7535 、0.8612 s 4个时间点填充情况，由图可知，最开始填充颜色是蓝色，从流道开始填充，最后填充结束的颜色是红色。整个产品经历的填充时间为0.8612s，填充几乎完整，只有少数筋位填充未到位，后续可以通过在模具设计中增加排气镶件加以解决，从而保证产品得到完整地填充^[6]。

浇口位置设定应尽可能保证充填的平衡，防止局部过保压。由图3和图4来看，2种方案的浇口位置设定都存在较严重的过保压（局部已充满进入保压状态，压力较高；而还有局部尚未充满，还处于充填状态，末端压力为零），过保压会导致较大的翘曲变形。可以通过Moldflow的浇口位置分析（指定浇口数量、限定浇口位置）来确定合适的浇口位置。

从上述分析可知，模具设计的浇注系统如图5所示，塑胶经由热流道系统通过冷流道系统的8个潜伏式浇口注入模腔，冷流道设计成曲线形状，是为了躲避制品和减小阻尼达到流动平衡而设计^[7]，同时在每个浇口都增设冷料穴、拉料杆及顶杆。待冷却成型后，通过顶杆直接切断浇口推出流道凝料。

速度/压力切换主要是充填过程的最后阶段（1 %~10 %），Moldflow软件在速度与压力切换时，压力就由最高的充填压力变成保压压力（默认为充填压力最高值的80 %），通过保压完成塑料最后的填充。图6为6浇口与8浇口转换点压力图，由图可知，6浇口速度/压力切换时的最大压力值为97.1 MPa，经参数优化后，/浇口速度/压力切换时的最大压力值为66.95 MPa，改善后工艺成型最大压力值下降了30 MPa左右，对塑件成型条件的改善非常明显，防止该塑料制品短射而导致其成型不良。

无人机上盖熔接痕如图7所示。当两股聚合物熔体在流动过程中，汇合在一块时会产生熔接痕。当模具温度高及熔体温度高时，可以改善熔接痕。由图1可知，虚框内部分表面质量要求高，不得有熔接痕及气痕，通过改善注塑工艺、在模具设计过程中，在熔接痕位置处设计排气镶件及在前模添加发热装置，从而起到淡化熔接痕的作用，保证了产品外观质量。

无人机上盖塑件的气穴位置如图8所示，在Moldflow软件中，气穴是定义在节点位置上的，当各个方向的材料流向同一节点就会形成气穴。如图8中红色的点就是气穴产生点，气穴一般形成在零件的四周与靠破孔处，通过在分型面及其他零件之间配合间隙进行排气，改善气体排出条件，提高无人机上盖外观的表面质量。在模具流道的设计过程中，把流道做成弯曲形状如图9所示，冷流道为曲线形，主要目的应该是避免前端冷料进入型腔，方便在流道末端设置冷料储留段；并且弯曲的流道也能加剧流道内熔体的剪切混合，保证熔体较好的流变性及均匀性。

无人机上盖整体变形图如图10所示，整体变形主要反映出在X、Y、Z 3个方向上的综合变形，这个变形量会影响到零件的装配。由图10可知，最大整体变形量为1.596 mm，因制品本身尺寸比较大，此变形量属于在正常范围^[8]，变形最严重处在产品的两端，通过加强排气、冷却及优化成型参数（保压曲线）能减少变形量。

图11是无人机上盖流动前沿温度示意图，流动前沿温度是熔料流经节点的温度结果，代表熔体前沿截面中心温度，由图11可知，制品流动前沿温度分布相对比较均匀，最小温度为299.6 ℃，高于材料最低的推荐温度295 ℃。与图8气穴图的气穴位置相比较可知，流动前沿温度相对比较低的位置也是困气的地方，可以通过在后续模具设计，在困气位置处增添镶件零件来改善排气，达到保证产品表面质量之目的。

体积收缩率是显示每个单元体积对于最初体积收缩的百分比，主要用于检测制品的缩痕，均匀的体积收缩可以减少制品的翘曲变形。图12是产品顶出时的体积收缩示意图，从图中可知，产品四端处体积收缩比较大，与图10中整体变形的分析是一致的，体积收缩是与其凝固时的压力有关，压力越小，其凝固时就不密实，后续的冷却收缩就越大。一般通过优化保压曲线来保证远浇口到近浇口各位置凝固时的压力尽可能一致来实现体积收缩的均匀性。从图12结果来看，收缩已经较为均匀了。对极小的局部体积收缩较大部分的可能性是因产品圆角或局部壁厚较厚导致。

注射位置处压力主要是查看注塑所需最大注射压力，通过XY图可以很容易分析注射的压力变化。图13是制品注射位置处压力示意图，由图可知，在注塑时间为0.784 6 s时的注射压力为66.95 MPa。一般来说，注射过程中的注射压力取决于阻力，速度是决定注射压力的因素之一，注射压力需根据注射速度来设置。实际上较好的充模方式是均衡的模内充填速度，在Moldflow中由螺杆速度曲线优化来实现。图14是对注射压力的优化设置图，把注射压力分成3段，设置参数如图14所示，这会使整个压力曲线比较平滑，满足平衡充模要求。同时，设置名义注射时间为0.7 s，加快充填速度。

综上所述，确定了最终的注塑工艺参数，选择热流道转冷流道及设置8个潜伏式浇口的浇注方案，把模具温度设置为95 ℃，熔体温度设定为315 ℃，注射压力设计成3段改善注射压力平滑度，同时提升充填速度，在后续模具设计过程中，增加适当镶件零件来改善排气及在前模部分加装加热装置的措施，提高了塑料产品表面质量。

从零件结构分析可知，模具设计部分需增加侧面抽芯结构与上盖顶面及背面的斜顶机构，才能保证产品顺利完整成型，结合考虑系统布置的合理性及机械加工的经济性，设计了如图15所示的分型与成型零件。本模具采用一出一结构，采用一个滑块抽芯机构，在零件顶面采用了四个定模斜顶机构及在零件底部动模侧采用四个动模斜顶机构^[9]。为了改善产品出现熔接线不良状况，在定模侧增加了加热装置。

在模具设计过程中，冷却系统设计是非常重要的。在注塑过程中，冷却会影响塑料产品的品质，如塑料产品的表面光洁度、残余应力、结晶度与热弯曲等要素。冷却也会影响到生产成本，比如顶出温度、循环时间等，这些冷却因素会影响生产的效率。为避开与模具其他成型零部件发生干涉^[10]，冷却系统的设计如图16所示，水路管道直径采用10 mm，因成型零件结构复杂，因而分别在动、定模设置多个冷却回路完善冷却效果，同时，在滑块部分也采用隔水片冷却方式增强零件侧面抽芯部分的冷却效果。

模具装配图如图17所示，从图中可知，模具整体外形尺寸为500 mm×500 mm×546 mm，模具总体结构为三板模结构形式，在定模部分的面板上增加了隔热板，减少温度损失。模具采用热流道与冷流道结合的浇注模式，设置八点潜伏式进胶方式，选用两个开放式热流道喷嘴，采用电热管加热方式来保持喷嘴温度恒定^[11]，热流道喷嘴直接伸至分型面处。由上述分析可知，在模流仿真困气的位置增加了镶件零件，改善模具的排气问题。

当零件冷却成型后，注塑机执行开模动作，动模部分随着注塑机运动，打开动模板5与定模板14之间的分型面，因在分型面处的热喷嘴和冷流道的接触面积非常小，故首先脱离，冷流道凝料依附在动模镶块上，同时，在定模上的楔紧面打开，通过滑块导柱8驱动滑块10作侧向滑动脱离塑胶件。在开模过程中，定模斜顶机构也开始动作，在斜顶弹簧16的作用下，推动斜顶压块15向下运动，带动定模斜顶杆12作斜向运动脱离零件顶面的倒扣位置。动模部分继续带着塑件和冷流道凝料后退直至停止。

接下来就是顶出工作过程，注塑机推杆通过顶杆柱29推动推杆底板2前进，带动流道推杆、拉料杆、顶针、动模斜顶机构及司筒等同时移动。切断潜伏式浇口，顶出塑件及浇道凝料等。合模过程中，因注塑机推杆回退，在复位弹簧作用下，推板顶出机构得以精准复位，与此同时，滑块机构在滑块导柱作用下复位完毕，定模斜顶机构也在斜顶复位杆13被动模分型面推动下完成复位，至此，一个完整的注塑周期就随之完成。

（1）采用了热流道和冷流道混合的浇注系统形式，选用8个潜伏式浇口方式来充填产品，提高注塑效率；依据产品气穴等因素的模流分析结果，在模具设计过程中，特别在后模增加镶件零件，改善排气；在简单二板模的基础上增加了定模斜顶机构、动模斜顶机构及滑块结构等才能保证产品成型合理；在定、动模侧分别设计了多回路冷却水路同时在滑块也设置了冷却水路，保证了产品变形处于合理范围内；采用镶件、顶针与司筒等组成大面积推出机构，保证了产品成型质量;

（2）运用Moldflow软件进行模流分析后，再做模具设计，能有效缩短新产品开发周期，提高模具与注塑产品一次成功率，降低开发及生产成本，具有良好的推广应用价值。