浅析塑料玩具组合型腔流动平衡模拟范文

摘要:塑料玩具上下盖组合型腔注塑成型过程中，浇注系统的设计影响熔体流动不平衡，需要优化浇注系统。运用Moldflow软件进行浇口位置、填充及流动平衡分析可以优化浇注系统。通过模拟熔体在型腔的流动情况，比较了三种浇口位置的填充结果，初步优化了浇注系统，得到了初步的流动平衡分析结果。以分析结果为基础，调整了浇注系统的设计，比较了三种浇口尺寸的填充及流动平衡分析。结果表明，优化后的浇注系统，型腔间的填充时间不平衡率低于5%，压力不平衡值小于5MPa，注射位置压力曲线能够稳定上升，有效改善了熔体流动不平衡。

关键词:流动平衡;注塑成型;浇注系统;Moldflow

一模多腔的注塑成型过程中，塑料熔体经浇注系统能够同时充满各型腔，则流动是平衡的，否则流动不平衡［1］。不平衡的流动会导致各型腔产品质量不均一，易产生飞边、短射、产品密度不均及气穴等缺陷［2－4］。为实现流动平衡，对于相同型腔，可以采用自然平衡的浇注系统设计;而对于异型腔，则浇注系统设计相对复杂［5－8］。传统的异型腔模具设计制造主要依靠经验，在试模过程中不断地调整浇注系统设计，尽可能地减小因流动不平衡引起的缺陷问题，致使生产周期较长，成本较高［9－11］。运用CAE技术，可以在异型腔模具制造前进行流动平衡分析，优化浇注系统设计，使塑料熔体同时充满各型腔，缩短生产周期，降低成本［12－15］。因此，以塑料玩具上下盖为研究对象，以填充时间不平衡率和压力不平衡值为评价指标，运用Moldflow软件进行流动平衡分析，优化浇注系统设计，实现异型腔流动平衡的目的。

1玩具上下盖的填充分析

1.1浇口位置的设置运用PROE软件进行玩具上盖及下盖的建模，长×宽×高尺寸分别为135mm×64mm×31.98mm及135mm×64mm×15mm，壁厚均为2mm。材料选用美国Dow化学公司的PC/ABS塑料，无填充物，模具温度及熔体温度分别为70、270℃，其他参数采用默认设置，进行浇口位置分析，结果如图1所示。图1中，数字接近1表示较为理想的区域，接近0表示较差的区域。对于玩具上下盖组合型腔，浇口位置考虑四个方面:第一，不影响产品外观，设置在分型面并采用侧浇口;第二，根据浇口位置分析结果，尽量不选择在数字接近0的较差区域;第三，为实现较小的模具尺寸就能满足设计要求，玩具上下盖均采用纵向布局;第四，流动平衡不仅是型腔间的时间平衡和压力分布均衡，而且要考虑纵向布局时，玩具上下盖的上下两端尽量在同一时间完成填充，以确保产品质量均一。型腔布局如图2所示。图2中，对于玩具下盖，由于上下端近似对称，浇口设置在长度方向中间位置。由此进行填充分析，模具温度及熔体温度分别为70、270℃，其他参数采用默认设置，结果如图3所示。图3中，塑料熔体充满型腔的时间为0.9439s，当填充时间为0.9345s时，上端刚好充满，下端有一小部分尚未充满，时间差为0.094s，大致能够实现上下端在同一时间完成填充。1.1.2玩具上盖因为玩具上盖上下端非对称，为获取较为理想的浇口位置，在长度方向设计3个位置，如图2所示。图2中，对于方案1，浇口在其上下方实体体积相同的位置，即距离上端56.5mm;对于方案2，在长度方向中间位置，即距离上端67.5mm;对于方案3，则距离上端75mm。由此进行填充分析，参数设置则同下盖的分析，结果如图4所示。图4中，对于方案1，塑料熔体充满型腔的时间为1.389s，当填充时间为1.236s时，上端刚好充满，上下端时间差为0.153s，下端未充满的部分较多，流动较为不平衡。对于方案2，塑料熔体充满型腔的时间为1.281s，当填充时间为1.216s时，上端刚好充满，上下端时间差为0.065s，较方案1的小，且未充满部分较方案1的少。对于方案3，塑料熔体充满型腔的时间为1.164s，当填充时间为1.153s时，上下端各有一小部分未完成填充，区域大致相同，上下端流动较为平衡。因此，方案3的浇口位置较为理想。

1.2浇注系统的创建浇口位置确定以后，浇注系统设计如图5所示。图5a中，主流道长度为50mm，小端直径为4mm，大端直径为6mm;通往上盖型腔的一级分流道长度为7.5mm，二级分流道长度为20mm，均为圆形截面，直径均为5mm;通往下盖型腔的分流道长度为20mm，圆形截面，直径为5mm;侧浇口尺寸均为2mm×2mm×2mm(长×宽×高)。创建的浇注系统如图5b所示。

1.3填充分析浇注系统创建以后，进行填充分析，为确定流动平衡分析的目标压力，体积/压力(V/P)转换点的填充百分比设置为100%，其他参数设置则同前述填充分析，结果如图6所示。图6a中，塑料熔体充满型腔的时间为1.237s，当填充时间为1.002s时，下盖型腔刚好充满，上盖型腔有一部分尚未充满，时间差为0.235s，不平衡率为0.235/1.237，达到19.0%。时间不平衡率是流动不平衡的一个重要方面，其过大会导致型腔间压力分布不均衡，易出现过保压和飞边等问题，影响产品的质量和性能。图6b中，V/P转换点压力为67.93MPa。下盖型腔在1.002s时完成填充，末端压力为43MPa左右，压力值较大，易引起过保压问题;而上盖型腔部分位置的压力接近0，型腔间的压力分布较为不均，容易出现高密度高应力区域，使得应力分布不均，导致变形过大，引起上下盖的质量不均一，最后上下盖装配出现问题。注塑成型过程中，由于先进入型腔的塑料熔体温度降低，其流动性能下降，为将熔体压注到型腔，注射压力因克服不断增大的浇注系统及型腔表面阻力而逐渐变大。因此，随着注塑过程的进行，理想的注射位置压力应逐步平稳地上升。较快速度的压力上升对模具及注塑机较为不利，产品容易出现缺陷。图6c中，相对于之前，注射位置压力在0.9729s以后，压力以较快的速度由48.12MPa升至67.93MPa。分析其原因，系由流动不平衡导致注射压力的突变。在0.9729s时下盖型腔先完成填充，上盖型腔还未充满，此后填充上盖型腔的过程中，由于熔体温度的下降及排气空间仅剩上盖型腔末端区域，其受到的阻力较大，需注射压力快速上升才能完成上盖型腔的填充。综上，对玩具上下盖组合型腔初步设计的浇注系统进行填充分析，型腔间的填充时间不平衡率达到了19.0%，压力分布较为不均匀，且注射位置压力在填充后期出现突变，而这易引起产品质量问题，特别是有装配要求的产品易出现装配问题。因此，需要进行流动平衡分析，优化浇注系统，将时间不平衡率控制在可接受的范围之内，使压力分布更为均匀，并实现注射位置压力曲线平稳上升。

2玩具上下盖组合型腔的流动平衡分析

2.1初始的流动平衡分析流动平衡分析过程中，约束设置是一个较为关键的环节，数值设置的合理与否，影响到迭代计算的精度和速度以及最后能否顺利收敛。结合前述的分析结果，约束设置为:目标压力，通常小于V/P转换点压力，由填充分析可知其值为67.93MPa，故设置为65MPa;流道截面直径的改变步长为0.1mm;最大的迭代计算次数为30步;时间收敛精度为5%;压力收敛精度为5MPa;流道尺寸约束条件设置为不约束。由此进行流动平衡分析，其中填充设置界面的参数同前述的填充分析，结果如表1及图7所示。图7中，时间不平衡率由18.7562%减为3.7224%，能够满足低于5%的要求;压力不平衡值则由13.69MPa减为7.596MPa，但超过设置的5MPa;通往上盖型腔的流道直径均为6mm;通往下盖型腔的流道直径则为3mm。迭代没有收敛到设置的约束条件，需要重新进行优化分析。

2.2优化的流动平衡分析由于初始时间不平衡率较大，致使迭代过程出现问题，使初始的流动平衡分析不能够得到理想的结果。因此，考虑减小初始时间不平衡率，即增加下盖型腔填充时间，减小下盖型腔浇口尺寸，以使流动平衡分析具有相对理想的基础，能够顺利收敛。为了更好地优化浇注系统，比较3种浇口尺寸(长×宽×高)方案，即:方案1，2mm×2mm×1mm;方案2，2mm×1.5mm×1mm;方案3，2mm×1mm×1mm。其他设置同初始的流动平衡分析。结果如表2～4及图8～10所示。2.2.1迭代结果表2中，对于方案1，时间不平衡率由13.8074%减为2.0636%;压力不平衡值则由10.367MPa减为4.455MPa。表3中，对于方案2，时间不平衡率由11.4529%减为1.4564%;压力不平衡值则由8.583MPa减为3.972MPa。表4中，对于方案3，时间不平衡率由6.6122%减为2.6708%;压力不平衡值则由9.279MPa减为3.481MPa。相对于初始的浇注系统，在下盖型腔浇口尺寸减小以后，初始时间不平衡率及压力不平衡值均有一定程度的改善，三种方案的流动平衡分析均能够顺利收敛。时间不平衡率由高到低依次为:方案3、方案1、方案2;压力不平衡值由大到小依次为:方案1、方案2、方案3。图8中，对于方案1，塑料熔体充满型腔的时间为1.226s，当填充时间为1.201s时，上盖型腔刚好完成填充，上下盖型腔的时间差为0.025s;对于方案2，塑料熔体充满型腔的时间为1.225s，当填充时间为1.212s时，上盖型腔刚好完成填充，上下盖型腔的时间差为0.013s，且下盖型腔未充满的区域较方案1的小;对于方案3，塑料熔体充满型腔的时间为1.24s，当填充时间为1.202s时，下盖型腔刚好完成填充，上下盖型腔的时间差为0.038s，且上盖未充满区域较方案1多。三种方案均能大致实现流动平衡，时间差由长到短依次为:方案3、方案1、方案2，即流动不平衡由高到低依次为:方案3、方案1、方案2，与迭代结果的时间不平衡率一致。2.2.3V/P转换点压力图9中，方案1、2、3的V/P转换点的压力分别为62.0191、61.0391、65.91MPa，方案3高于设置的目标压力65MPa;型腔间的压力分布较调整前的有所改善，方案2比方案1、3的压力分布更均匀。2.2.4注射位置压力图10中，相对于初始的填充分析，注射位置压力曲线都能够实现平稳的上升，有利于保护注塑机及模具，成型出较为理想的产品。方案3在注塑末期有一小段曲线明显快速上升，但上升幅度不大，这是由于上下盖型腔填充时间差引起，但总体能够稳定上升;方案1较方案3有了一定改善，在注塑末期亦能实现压力的平稳上升;方案2则较方案1更优，整个过程均能实现注射压力的稳定上升，且注塑末期能够更为平稳上升。因此，注射位置压力曲线质量由高到低依次为:方案2、方案1、方案3。这是因为流动平衡程度由高到低依次为:方案2、方案1、方案3，与迭代结果和填充时间的分析一致。综合上述分析，方案2的时间不平衡率最小，塑料熔体能够大概同时充满上下盖型腔，压力不平衡值居中，型腔间的压力分布更为均匀，且注射位置压力曲线稳定上升，因此考虑采用方案2优化后的浇注系统。

2.3优化后的浇注系统方案2优化后的浇注系统如图11所示。图11a中，通往上盖型腔的一级分流道体积缩小了22.31%，二级分流道则缩小了19%;通往下盖型腔的分流道体积缩小了68.64%。图11b中，通往上盖型腔的一级分流道直径为4.4mm，二级分流道直径为4.5mm，浇口尺寸(长×宽×高)为2mm×2mm×2mm;通往下盖型腔的分流道直径为2.8mm，浇口尺寸(长×宽×高)为2mm×1.5mm×1mm。

3结论

1)异型腔注塑成型过程中，浇注系统的设计尤为关键，利用Moldflow软件进行流动平衡分析，可以优化浇注系统设计，得到较为理想的流动平衡效果。2)运用Moldflow软件分析前，不同型腔的流道及浇口设计相同尺寸，由此进行流动平衡分析。流动平衡分析过程中，对浇口设计参数反复调整，进行多次的迭代计算;根据时间不平衡率是否低于5%、压力不平衡值是否小于5MPa及注射位置压力曲线是否稳定上升来评价浇注系统的结构是否合理，可以得到几种合理的浇注系统设计结果以供比较研究。

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作者：许建文 刘斌 骆灿彬 单位：华侨大学福建省特种能场制造重点实验室