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摘要:塑料玩具上下蓋組合型腔注塑成型過程中，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)影響熔體流動(dòng)不平衡，需要優(yōu)化澆注系統(tǒng)。運(yùn)用Moldflow軟件進(jìn)行澆口位置、填充及流動(dòng)平衡分析可以優(yōu)化澆注系統(tǒng)。通過模擬熔體在型腔的流動(dòng)情況，比較了三種澆口位置的填充結(jié)果，初步優(yōu)化了澆注系統(tǒng)，得到了初步的流動(dòng)平衡分析結(jié)果。以分析結(jié)果為基礎(chǔ)，調(diào)整了澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，比較了三種澆口尺寸的填充及流動(dòng)平衡分析。結(jié)果表明，優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)，型腔間的填充時(shí)間不平衡率低于5%，壓力不平衡值小于5MPa，注射位置壓力曲線能夠穩(wěn)定上升，有效改善了熔體流動(dòng)不平衡。

關(guān)鍵詞:流動(dòng)平衡;注塑成型;澆注系統(tǒng);Moldflow

一模多腔的注塑成型過程中，塑料熔體經(jīng)澆注系統(tǒng)能夠同時(shí)充滿各型腔，則流動(dòng)是平衡的，否則流動(dòng)不平衡［1］。不平衡的流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致各型腔產(chǎn)品質(zhì)量不均一，易產(chǎn)生飛邊、短射、產(chǎn)品密度不均及氣穴等缺陷［2－4］。為實(shí)現(xiàn)流動(dòng)平衡，對于相同型腔，可以采用自然平衡的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì);而對于異型腔，則澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對復(fù)雜［5－8］。傳統(tǒng)的異型腔模具設(shè)計(jì)制造主要依靠經(jīng)驗(yàn)，在試模過程中不斷地調(diào)整澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，盡可能地減小因流動(dòng)不平衡引起的缺陷問題，致使生產(chǎn)周期較長，成本較高［9－11］。運(yùn)用CAE技術(shù)，可以在異型腔模具制造前進(jìn)行流動(dòng)平衡分析，優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使塑料熔體同時(shí)充滿各型腔，縮短生產(chǎn)周期，降低成本［12－15］。因此，以塑料玩具上下蓋為研究對象，以填充時(shí)間不平衡率和壓力不平衡值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用Moldflow軟件進(jìn)行流動(dòng)平衡分析，優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)異型腔流動(dòng)平衡的目的。

1玩具上下蓋的填充分析

1.1澆口位置的設(shè)置運(yùn)用PROE軟件進(jìn)行玩具上蓋及下蓋的建模，長×寬×高尺寸分別為135mm×64mm×31.98mm及135mm×64mm×15mm，壁厚均為2mm。材料選用美國Dow化學(xué)公司的PC/ABS塑料，無填充物，模具溫度及熔體溫度分別為70、270℃，其他參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置，進(jìn)行澆口位置分析，結(jié)果如圖1所示。圖1中，數(shù)字接近1表示較為理想的區(qū)域，接近0表示較差的區(qū)域。對于玩具上下蓋組合型腔，澆口位置考慮四個(gè)方面:第一，不影響產(chǎn)品外觀，設(shè)置在分型面并采用側(cè)澆口;第二，根據(jù)澆口位置分析結(jié)果，盡量不選擇在數(shù)字接近0的較差區(qū)域;第三，為實(shí)現(xiàn)較小的模具尺寸就能滿足設(shè)計(jì)要求，玩具上下蓋均采用縱向布局;第四，流動(dòng)平衡不僅是型腔間的時(shí)間平衡和壓力分布均衡，而且要考慮縱向布局時(shí)，玩具上下蓋的上下兩端盡量在同一時(shí)間完成填充，以確保產(chǎn)品質(zhì)量均一。型腔布局如圖2所示。圖2中，對于玩具下蓋，由于上下端近似對稱，澆口設(shè)置在長度方向中間位置。由此進(jìn)行填充分析，模具溫度及熔體溫度分別為70、270℃，其他參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置，結(jié)果如圖3所示。圖3中，塑料熔體充滿型腔的時(shí)間為0.9439s，當(dāng)填充時(shí)間為0.9345s時(shí)，上端剛好充滿，下端有一小部分尚未充滿，時(shí)間差為0.094s，大致能夠?qū)崿F(xiàn)上下端在同一時(shí)間完成填充。1.1.2玩具上蓋因?yàn)橥婢呱仙w上下端非對稱，為獲取較為理想的澆口位置，在長度方向設(shè)計(jì)3個(gè)位置，如圖2所示。圖2中，對于方案1，澆口在其上下方實(shí)體體積相同的位置，即距離上端56.5mm;對于方案2，在長度方向中間位置，即距離上端67.5mm;對于方案3，則距離上端75mm。由此進(jìn)行填充分析，參數(shù)設(shè)置則同下蓋的分析，結(jié)果如圖4所示。圖4中，對于方案1，塑料熔體充滿型腔的時(shí)間為1.389s，當(dāng)填充時(shí)間為1.236s時(shí)，上端剛好充滿，上下端時(shí)間差為0.153s，下端未充滿的部分較多，流動(dòng)較為不平衡。對于方案2，塑料熔體充滿型腔的時(shí)間為1.281s，當(dāng)填充時(shí)間為1.216s時(shí)，上端剛好充滿，上下端時(shí)間差為0.065s，較方案1的小，且未充滿部分較方案1的少。對于方案3，塑料熔體充滿型腔的時(shí)間為1.164s，當(dāng)填充時(shí)間為1.153s時(shí)，上下端各有一小部分未完成填充，區(qū)域大致相同，上下端流動(dòng)較為平衡。因此，方案3的澆口位置較為理想。

1.2澆注系統(tǒng)的創(chuàng)建澆口位置確定以后，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5所示。圖5a中，主流道長度為50mm，小端直徑為4mm，大端直徑為6mm;通往上蓋型腔的一級(jí)分流道長度為7.5mm，二級(jí)分流道長度為20mm，均為圓形截面，直徑均為5mm;通往下蓋型腔的分流道長度為20mm，圓形截面，直徑為5mm;側(cè)澆口尺寸均為2mm×2mm×2mm(長×寬×高)。創(chuàng)建的澆注系統(tǒng)如圖5b所示。

1.3填充分析澆注系統(tǒng)創(chuàng)建以后，進(jìn)行填充分析，為確定流動(dòng)平衡分析的目標(biāo)壓力，體積/壓力(V/P)轉(zhuǎn)換點(diǎn)的填充百分比設(shè)置為100%，其他參數(shù)設(shè)置則同前述填充分析，結(jié)果如圖6所示。圖6a中，塑料熔體充滿型腔的時(shí)間為1.237s，當(dāng)填充時(shí)間為1.002s時(shí)，下蓋型腔剛好充滿，上蓋型腔有一部分尚未充滿，時(shí)間差為0.235s，不平衡率為0.235/1.237，達(dá)到19.0%。時(shí)間不平衡率是流動(dòng)不平衡的一個(gè)重要方面，其過大會(huì)導(dǎo)致型腔間壓力分布不均衡，易出現(xiàn)過保壓和飛邊等問題，影響產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。圖6b中，V/P轉(zhuǎn)換點(diǎn)壓力為67.93MPa。下蓋型腔在1.002s時(shí)完成填充，末端壓力為43MPa左右，壓力值較大，易引起過保壓問題;而上蓋型腔部分位置的壓力接近0，型腔間的壓力分布較為不均，容易出現(xiàn)高密度高應(yīng)力區(qū)域，使得應(yīng)力分布不均，導(dǎo)致變形過大，引起上下蓋的質(zhì)量不均一，最后上下蓋裝配出現(xiàn)問題。注塑成型過程中，由于先進(jìn)入型腔的塑料熔體溫度降低，其流動(dòng)性能下降，為將熔體壓注到型腔，注射壓力因克服不斷增大的澆注系統(tǒng)及型腔表面阻力而逐漸變大。因此，隨著注塑過程的進(jìn)行，理想的注射位置壓力應(yīng)逐步平穩(wěn)地上升。較快速度的壓力上升對模具及注塑機(jī)較為不利，產(chǎn)品容易出現(xiàn)缺陷。圖6c中，相對于之前，注射位置壓力在0.9729s以后，壓力以較快的速度由48.12MPa升至67.93MPa。分析其原因，系由流動(dòng)不平衡導(dǎo)致注射壓力的突變。在0.9729s時(shí)下蓋型腔先完成填充，上蓋型腔還未充滿，此后填充上蓋型腔的過程中，由于熔體溫度的下降及排氣空間僅剩上蓋型腔末端區(qū)域，其受到的阻力較大，需注射壓力快速上升才能完成上蓋型腔的填充。綜上，對玩具上下蓋組合型腔初步設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)進(jìn)行填充分析，型腔間的填充時(shí)間不平衡率達(dá)到了19.0%，壓力分布較為不均勻，且注射位置壓力在填充后期出現(xiàn)突變，而這易引起產(chǎn)品質(zhì)量問題，特別是有裝配要求的產(chǎn)品易出現(xiàn)裝配問題。因此，需要進(jìn)行流動(dòng)平衡分析，優(yōu)化澆注系統(tǒng)，將時(shí)間不平衡率控制在可接受的范圍之內(nèi)，使壓力分布更為均勻，并實(shí)現(xiàn)注射位置壓力曲線平穩(wěn)上升。

2玩具上下蓋組合型腔的流動(dòng)平衡分析

2.1初始的流動(dòng)平衡分析流動(dòng)平衡分析過程中，約束設(shè)置是一個(gè)較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，數(shù)值設(shè)置的合理與否，影響到迭代計(jì)算的精度和速度以及最后能否順利收斂。結(jié)合前述的分析結(jié)果，約束設(shè)置為:目標(biāo)壓力，通常小于V/P轉(zhuǎn)換點(diǎn)壓力，由填充分析可知其值為67.93MPa，故設(shè)置為65MPa;流道截面直徑的改變步長為0.1mm;最大的迭代計(jì)算次數(shù)為30步;時(shí)間收斂精度為5%;壓力收斂精度為5MPa;流道尺寸約束條件設(shè)置為不約束。由此進(jìn)行流動(dòng)平衡分析，其中填充設(shè)置界面的參數(shù)同前述的填充分析，結(jié)果如表1及圖7所示。圖7中，時(shí)間不平衡率由18.7562%減為3.7224%，能夠滿足低于5%的要求;壓力不平衡值則由13.69MPa減為7.596MPa，但超過設(shè)置的5MPa;通往上蓋型腔的流道直徑均為6mm;通往下蓋型腔的流道直徑則為3mm。迭代沒有收斂到設(shè)置的約束條件，需要重新進(jìn)行優(yōu)化分析。

2.2優(yōu)化的流動(dòng)平衡分析由于初始時(shí)間不平衡率較大，致使迭代過程出現(xiàn)問題，使初始的流動(dòng)平衡分析不能夠得到理想的結(jié)果。因此，考慮減小初始時(shí)間不平衡率，即增加下蓋型腔填充時(shí)間，減小下蓋型腔澆口尺寸，以使流動(dòng)平衡分析具有相對理想的基礎(chǔ)，能夠順利收斂。為了更好地優(yōu)化澆注系統(tǒng)，比較3種澆口尺寸(長×寬×高)方案，即:方案1，2mm×2mm×1mm;方案2，2mm×1.5mm×1mm;方案3，2mm×1mm×1mm。其他設(shè)置同初始的流動(dòng)平衡分析。結(jié)果如表2～4及圖8～10所示。2.2.1迭代結(jié)果表2中，對于方案1，時(shí)間不平衡率由13.8074%減為2.0636%;壓力不平衡值則由10.367MPa減為4.455MPa。表3中，對于方案2，時(shí)間不平衡率由11.4529%減為1.4564%;壓力不平衡值則由8.583MPa減為3.972MPa。表4中，對于方案3，時(shí)間不平衡率由6.6122%減為2.6708%;壓力不平衡值則由9.279MPa減為3.481MPa。相對于初始的澆注系統(tǒng)，在下蓋型腔澆口尺寸減小以后，初始時(shí)間不平衡率及壓力不平衡值均有一定程度的改善，三種方案的流動(dòng)平衡分析均能夠順利收斂。時(shí)間不平衡率由高到低依次為:方案3、方案1、方案2;壓力不平衡值由大到小依次為:方案1、方案2、方案3。圖8中，對于方案1，塑料熔體充滿型腔的時(shí)間為1.226s，當(dāng)填充時(shí)間為1.201s時(shí)，上蓋型腔剛好完成填充，上下蓋型腔的時(shí)間差為0.025s;對于方案2，塑料熔體充滿型腔的時(shí)間為1.225s，當(dāng)填充時(shí)間為1.212s時(shí)，上蓋型腔剛好完成填充，上下蓋型腔的時(shí)間差為0.013s，且下蓋型腔未充滿的區(qū)域較方案1的小;對于方案3，塑料熔體充滿型腔的時(shí)間為1.24s，當(dāng)填充時(shí)間為1.202s時(shí)，下蓋型腔剛好完成填充，上下蓋型腔的時(shí)間差為0.038s，且上蓋未充滿區(qū)域較方案1多。三種方案均能大致實(shí)現(xiàn)流動(dòng)平衡，時(shí)間差由長到短依次為:方案3、方案1、方案2，即流動(dòng)不平衡由高到低依次為:方案3、方案1、方案2，與迭代結(jié)果的時(shí)間不平衡率一致。2.2.3V/P轉(zhuǎn)換點(diǎn)壓力圖9中，方案1、2、3的V/P轉(zhuǎn)換點(diǎn)的壓力分別為62.0191、61.0391、65.91MPa，方案3高于設(shè)置的目標(biāo)壓力65MPa;型腔間的壓力分布較調(diào)整前的有所改善，方案2比方案1、3的壓力分布更均勻。2.2.4注射位置壓力圖10中，相對于初始的填充分析，注射位置壓力曲線都能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)的上升，有利于保護(hù)注塑機(jī)及模具，成型出較為理想的產(chǎn)品。方案3在注塑末期有一小段曲線明顯快速上升，但上升幅度不大，這是由于上下蓋型腔填充時(shí)間差引起，但總體能夠穩(wěn)定上升;方案1較方案3有了一定改善，在注塑末期亦能實(shí)現(xiàn)壓力的平穩(wěn)上升;方案2則較方案1更優(yōu)，整個(gè)過程均能實(shí)現(xiàn)注射壓力的穩(wěn)定上升，且注塑末期能夠更為平穩(wěn)上升。因此，注射位置壓力曲線質(zhì)量由高到低依次為:方案2、方案1、方案3。這是因?yàn)榱鲃?dòng)平衡程度由高到低依次為:方案2、方案1、方案3，與迭代結(jié)果和填充時(shí)間的分析一致。綜合上述分析，方案2的時(shí)間不平衡率最小，塑料熔體能夠大概同時(shí)充滿上下蓋型腔，壓力不平衡值居中，型腔間的壓力分布更為均勻，且注射位置壓力曲線穩(wěn)定上升，因此考慮采用方案2優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)。

2.3優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)方案2優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)如圖11所示。圖11a中，通往上蓋型腔的一級(jí)分流道體積縮小了22.31%，二級(jí)分流道則縮小了19%;通往下蓋型腔的分流道體積縮小了68.64%。圖11b中，通往上蓋型腔的一級(jí)分流道直徑為4.4mm，二級(jí)分流道直徑為4.5mm，澆口尺寸(長×寬×高)為2mm×2mm×2mm;通往下蓋型腔的分流道直徑為2.8mm，澆口尺寸(長×寬×高)為2mm×1.5mm×1mm。

3結(jié)論

1)異型腔注塑成型過程中，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，利用Moldflow軟件進(jìn)行流動(dòng)平衡分析，可以優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，得到較為理想的流動(dòng)平衡效果。2)運(yùn)用Moldflow軟件分析前，不同型腔的流道及澆口設(shè)計(jì)相同尺寸，由此進(jìn)行流動(dòng)平衡分析。流動(dòng)平衡分析過程中，對澆口設(shè)計(jì)參數(shù)反復(fù)調(diào)整，進(jìn)行多次的迭代計(jì)算;根據(jù)時(shí)間不平衡率是否低于5%、壓力不平衡值是否小于5MPa及注射位置壓力曲線是否穩(wěn)定上升來評(píng)價(jià)澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是否合理，可以得到幾種合理的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果以供比較研究。

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作者：許建文 劉斌 駱燦彬 單位：華僑大學(xué)福建省特種能場制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室