基于CAE 厚壁件注塑浇口优化设计
贺圣彦1.2，楚纯朋2，邓娇2，曹中清1
( 1． 西南交通大学机械工程学院，四川成都610031; 2． 株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲421000)
摘要: 以厚壁件为研究对象，采用Moldflow 软件，分析了不同的浇口类型及浇口数量对制品质量、型腔压力、冻结率、体积收缩率、翘曲、熔接痕等的影响。仿真结果表明，采用热流道浇注类型能有效改善厚壁制品收缩情况并提升产品成型精度，采用中心单浇口进胶方式可以减少熔接痕，并改善此厚壁制品的翘曲变形。这种基于CAE 的优化方法能缩短模具开发周期，减少成本浪费，提高了效益。
关键词: 厚壁件; 注塑成型; 模流分析; CAE; 浇口优化
注塑成型塑料制品的质量受很多因素的影响。其中，浇注系统作为连接注塑机与模具型腔的通道，关系到熔体充填平衡、型腔压力分布、熔接痕、冷却补缩、翘曲等一系列问题，其设计是否合理对制品成型质量有着直接且显著的影响[1-2]。而传统的试错设计方法过分依赖经验，确定一个合适的浇口方案需要很长的设计周期，模具成本很难控制[3-4]。随着CAE技术的发展，可通过计算机模拟整个注塑过程及其对制品成型质量的影响，实现对各设计方案的比较与测评，快速准确地确定最佳浇口方案，缩短产品开发周期[5]。
本文以某厚壁挡块为研究对象，此制品的结构复杂，尤其壁厚变化大，壁厚变化范围从2 ～ 40 mm。在实际生产过程中发现，由于这种壁厚的不均匀性，其壁厚较大处的内部非常容易出现缩孔。缩孔的出现降低了产品的强度，是必须解决的一项严重缺陷。此外，此产品的翘曲也较大，达到1mm 以上。现通过CAE 分析软件Moldflow 对其浇口类型及数量进行优化设计，解决其生产过程中存在的问题，提高产品成型质量。
1 研究方法
针对上述问题，具体浇口优化研究方法如下:
( 1) 优化浇口类型。对于缩孔缺陷，其主要形成原因是由于熔体在模具中冷却成固体时，壁厚处温度高体积收缩大，四周冷却收缩小的地方对其形成了拉应力，此时制品表面强度高，在表面不会形成缩痕，但如无及时的熔体补充，制品内部便会形成缩孔[6]。而浇口的冻结时间决定了熔体补充制品内部收缩的程度，同时决定了保压时间的有效时长。由此，对比分析冷浇口类型( 普通注塑方式) 与热浇口类型( 热流道注塑方式) 对挡块成型质量的影响，选择出更优浇口类型方案。
( 2) 优化浇口数量。设置浇口数量前需先确定合适的浇口布置区域，对于此结构复杂的厚壁件，浇口布置区域的确定主要基于以下几条原则[7]: 一是避免位于安装面上，以免影响产品装配；二是应对着壁厚部位，便于补缩，减少缩孔和凹陷等缺陷的产生；三是应尽量距各部位的距离相等，使熔体能快速且同时到达各充填末端；四是考虑到模具成本以及注
塑机尺寸问题，浇口位置应尽量保证模具型腔排布紧凑，不会额外增加太多的模具尺寸。根据上述原则确定浇口分布区域后，分别比较单浇口、双浇口以及三浇口对制品成型质量的影响，选择出最优浇口数量方案。
2 浇口优化过程及结果
2. 1 浇口类型优化
2. 1. 1 浇口类型方案设置
参考软件推荐以及实际生产中使用的工艺，结合实际注塑机的情况，两种浇口类型的各项工艺设置如下表1。
表1 工艺设置
浇口方案冷浇口热浇口
浇口位置制件顶部居中，单浇口进浇
充填时间3. 75 s
保压控制保压压力91 MPa，
保压时间20 s
保压压力91 MPa，
保压时间200 s
其中，冷浇口对应普通注塑进浇方式，而热浇口对应热流道注塑方式，其主要特点在于浇注系统附有加热装置，塑料始终处于熔融状态，无流道凝料，实现了零废料加工，省去了剪浇口工序[8-9]。
2. 1.2 结果分析
1)制品质量
此挡块按体积计算的理论质量为496.5g。但对于厚壁件，注塑出来的实际产品质量往往小于理论值，这是因为同一材料，其熔体密度一般小于其固体密度，而在保压结束时制品内部通常还存在一部分熔体，这就导致了质量不足，并且保压不足容易出现缩孔。据此，定义一个质量疏松度，其计算公式如下:
质量疏松度=理论质量－ 实际质量 (1)
理论质量
此质量疏松度在一定程度上能反映制品的内部疏松问题，当质量疏松度越大，则说明制品质量不足，内部收缩更大，出现缩孔的几率也越高。根据分析结果，两种方案的质量数据如下表2。
由以上数据可知，热浇口方案的质量疏松度比冷浇口方案降低了53.8%，能注进的熔体更多，比冷浇口多注了13.4g，制品实际质量更贴近理论值，有效控制了产品的成型精度，同时降低内部缩孔形成的风险。
表2 制品质量对比
浇口方案冷浇口热浇口
制品实际质量/g 471. 5 484. 9
质量疏松度/% 5. 04 2. 33
2) 压力
保压即将结束时制品内部压力情况如下图1。从图1可以看出，对于冷浇口，仅20s的保压时间，虽然浇口处压力仍然保持着91MPa，但是制品内部压力已经整体下降，大部分都降至了47 MPa 左右。而对于热浇口，直至200多秒，浇口处的压力一直能顺利传至制品内部，接近浇口的部位保持90MPa，往下递减，这是因为制品下部已经开始冷却凝固。由此可见，热流道系统压力损失小，且可以让设计人员在权衡注塑制品的质量与制品的生产周期时具有更宽的设计空间。在保证产品质量的同时，又不过分牺牲产品的生产效率。
a － 冷浇口方案 b － 热浇口方案
图1 压力对比
3）冻结层因子
a － 冷浇口方案 b － 热浇口方案
图2 制品冻结情况对比
保压即将结束时制品冻结情况如下图2。对于冻结层因子，如果值为1，则说明此部分已经完全冻结，反之为0。从冷浇口的示意图可知，保压即将结束时冷浇口处已无熔体流向制品内，冻结层因子已为1，即说明此时浇口已经冻结，但是制品内部绝大部分仍处于熔融状态。相反，热浇口方案下，浇口始终不会冻结，保压时效长，当保压结束仅小部分未冻结，此时的冻结率越高说明越多的部分在有保压的情况下冷却，有更多的熔体补充，制品内部的收缩也会更小。
4) 体积收缩率
制品体积收缩情况如下图3。从图中可得，对于冷浇口方案，在制品壁厚部位，中间大面积的收缩率为8%左右，而对于热浇口方案，只有中间小面积收缩率为6%，大部分在3%～ 4% 左右，整体更低。所以热浇口方案的体积收缩情况也得到了明显的改善。
a － 冷浇口方案 b － 热浇口方案
图3 体积收缩率对比
5) 翘曲
制品的翘曲数据如下表3。
表3 翘曲对比
浇口方案冷浇口热浇口
所有效应: 最大翘曲/mm 0. 806 9 0. 401 6
由上表可知，热浇口方案的翘曲值比冷浇口方案降低了50. 2%，说明热浇口方案对制品的翘曲变形也有较为显著的改善效果。
综合上述分析结果可知，在缩孔和翘曲两方面热浇口方案都明显优于冷浇口方案，压力损失小，有效解决了浇口过早冻结的问题，制品成型精度更高。
2.2 浇口数量优化
2.2.1 浇口数量方案设置
根据浇口位置设计原则以及实际生产中的尝试，确定浇口布置在挡块的顶部平面上。据此，浇口数量方案设置如图4。
2. 2. 2 结果分析
1)充填流动与熔接痕
三个方案的充填过程的等值线示意图如下图5。等值线间隔大说明充填速度快，间隔小则说明充填速度慢。从图中可看出，除了充填末端以及两股熔体相汇的地方，大部分等值线间隔几乎相等，即充填速度大体一致; 在两头的充填末端熔体也几乎同时到达，即充填平衡; 制品下端都留有小部分的透明部位，此部分是为避免过充填，可通过保压填满。
a － 单浇口 b － 双浇口
c － 三浇口
图4 浇口数量设置
a － 单浇口
b － 双浇口
c － 三浇扣
图5 充填时间对比
当两股熔体的流动前沿汇合到一起时就会产生熔接痕，此外，当熔体有明显的流速差时也会形成熔接线，如壁厚处材料流动快，壁薄处材料流动慢，在厚薄交界处就可能形成熔接痕。图6 是制品的熔接线情况，结合图5 中的流动示意图可知，在双浇口与三浇口
方案中，其产生的熔接痕比单浇口多。熔接痕的出现会降低制品的强度，从这方面看，单浇口方案更好。
a － 单交口 b － 双浇口
c － 三浇口
图6 熔接痕对比
2) 其他结果
表4 是制品质量、翘曲度、收缩率等情况的对比。
表4 各方案参数对比
浇口方案单浇口双浇口三浇口
制品质量/g 484. 9 485. 0 484. 8
体积收缩率/% 8. 135 8. 178 8. 724
翘曲度/mm 0. 401 6 0. 493 1 0. 586 6
由表4 可知，浇口数量对制品质量的影响非常小，相互之间只差了0.2 g; 体积收缩率也相差不大，其中单浇口的收缩率最小；翘曲度方面，单浇口方案较其他两种有明显的优势，分别比双浇口与三浇口方案小了18. 6% 和31. 5%。综上所述，单浇口方案
最优。
3 结论
1)采用热流道浇注系统，有效降低了产品的质量疏松度，减小了产品的收缩率，提高了产品的成型精度。
2)采用中心单点进胶，可以避免熔接痕对制品强度的影响，同时改善了制品的翘曲变形情况，确保制品装配的合理性和稳定性。
3) 通过模流分析CAE 软件，能预测出注塑过程中厚壁制品的成型缺陷，进而对其进行优化，提高效率，降低成本，保证产品质量。
参考文献
［1］ 吴梦陵，孙迪，张珑． 注射模浇注系统对成型工艺和塑件质量影响研究［J］． 塑料工业，2011，39 ( 8) : 65 －68．
［2］ 王乾． 基于Moldflow 的电器保护盒注塑浇口优化设计［J］． 轻工机械，2014 ( 1) : 103 － 106．
［3］ 闵志宇，沈俊芳，盛腾飞． 基于Moldflow 的复杂塑件模具优化设计［J］． 塑料工业，2015，43 ( 6) : 39 － 43．
［4］ 王志伟，苗利军，孟玲琴． 吊灯塑料灯罩注射模具CAD［J］． 塑料工业，2014，42 ( 7) : 54 － 57．
［5］ 王志伟，苗利军，孟玲琴． 塑料注射模具浇注系统的优化设计［J］． 塑料工业，2013，41 ( 11) : 40 － 44．
［6］ 欧相麟，王大中，关安南，等． 注塑件缩痕和缩孔的形成机理及其解决措施［J］． 塑料工业，2012，40 ( 7) :9 － 13．
［7］ 张维合． 注塑模具设计实用教程［M］． 第2 版． 北京:化学工业出版社，2011: 182 － 183．
［8］ 张建雨，冯刚，李金良，等． 注射模热流道的技术特点与应用［J］． 塑料工业，2011，39 ( 11) : 56 － 58．
［9］ 张朝阁，宓大云，张亚． 热流道塑料模具技术的研究与发展前景［J］． 塑料工业，2013 ( 7) : 5 － 9．
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