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基于CAE 厚壁件注塑澆口優(yōu)化設(shè)計
賀圣彥1.2，楚純朋2，鄧嬌2，曹中清1
( 1． 西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都610031; 2． 株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲421000)
摘要: 以厚壁件為研究對象，采用Moldflow 軟件，分析了不同的澆口類型及澆口數(shù)量對制品質(zhì)量、型腔壓力、凍結(jié)率、體積收縮率、翹曲、熔接痕等的影響。仿真結(jié)果表明，采用熱流道澆注類型能有效改善厚壁制品收縮情況并提升產(chǎn)品成型精度，采用中心單澆口進膠方式可以減少熔接痕，并改善此厚壁制品的翹曲變形。這種基于CAE 的優(yōu)化方法能縮短模具開發(fā)周期，減少成本浪費，提高了效益。
關(guān)鍵詞: 厚壁件; 注塑成型; 模流分析; CAE; 澆口優(yōu)化
注塑成型塑料制品的質(zhì)量受很多因素的影響。其中，澆注系統(tǒng)作為連接注塑機與模具型腔的通道，關(guān)系到熔體充填平衡、型腔壓力分布、熔接痕、冷卻補縮、翹曲等一系列問題，其設(shè)計是否合理對制品成型質(zhì)量有著直接且顯著的影響[1-2]。而傳統(tǒng)的試錯設(shè)計方法過分依賴經(jīng)驗，確定一個合適的澆口方案需要很長的設(shè)計周期，模具成本很難控制[3-4]。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，可通過計算機模擬整個注塑過程及其對制品成型質(zhì)量的影響，實現(xiàn)對各設(shè)計方案的比較與測評，快速準(zhǔn)確地確定最佳澆口方案，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期[5]。
本文以某厚壁擋塊為研究對象，此制品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其壁厚變化大，壁厚變化范圍從2 ～ 40 mm。在實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，由于這種壁厚的不均勻性，其壁厚較大處的內(nèi)部非常容易出現(xiàn)縮孔?？s孔的出現(xiàn)降低了產(chǎn)品的強度，是必須解決的一項嚴(yán)重缺陷。此外，此產(chǎn)品的翹曲也較大，達到1mm 以上。現(xiàn)通過CAE 分析軟件Moldflow 對其澆口類型及數(shù)量進行優(yōu)化設(shè)計，解決其生產(chǎn)過程中存在的問題，提高產(chǎn)品成型質(zhì)量。
1 研究方法
針對上述問題，具體澆口優(yōu)化研究方法如下:
( 1) 優(yōu)化澆口類型。對于縮孔缺陷，其主要形成原因是由于熔體在模具中冷卻成固體時，壁厚處溫度高體積收縮大，四周冷卻收縮小的地方對其形成了拉應(yīng)力，此時制品表面強度高，在表面不會形成縮痕，但如無及時的熔體補充，制品內(nèi)部便會形成縮孔[6]。而澆口的凍結(jié)時間決定了熔體補充制品內(nèi)部收縮的程度，同時決定了保壓時間的有效時長。由此，對比分析冷澆口類型( 普通注塑方式) 與熱澆口類型( 熱流道注塑方式) 對擋塊成型質(zhì)量的影響，選擇出更優(yōu)澆口類型方案。
( 2) 優(yōu)化澆口數(shù)量。設(shè)置澆口數(shù)量前需先確定合適的澆口布置區(qū)域，對于此結(jié)構(gòu)復(fù)雜的厚壁件，澆口布置區(qū)域的確定主要基于以下幾條原則[7]: 一是避免位于安裝面上，以免影響產(chǎn)品裝配；二是應(yīng)對著壁厚部位，便于補縮，減少縮孔和凹陷等缺陷的產(chǎn)生；三是應(yīng)盡量距各部位的距離相等，使熔體能快速且同時到達各充填末端；四是考慮到模具成本以及注
塑機尺寸問題，澆口位置應(yīng)盡量保證模具型腔排布緊湊，不會額外增加太多的模具尺寸。根據(jù)上述原則確定澆口分布區(qū)域后，分別比較單澆口、雙澆口以及三澆口對制品成型質(zhì)量的影響，選擇出最優(yōu)澆口數(shù)量方案。
2 澆口優(yōu)化過程及結(jié)果
2. 1 澆口類型優(yōu)化
2. 1. 1 澆口類型方案設(shè)置
參考軟件推薦以及實際生產(chǎn)中使用的工藝，結(jié)合實際注塑機的情況，兩種澆口類型的各項工藝設(shè)置如下表1。
表1 工藝設(shè)置
澆口方案冷澆口熱澆口
澆口位置制件頂部居中，單澆口進澆
充填時間3. 75 s
保壓控制保壓壓力91 MPa，
保壓時間20 s
保壓壓力91 MPa，
保壓時間200 s
其中，冷澆口對應(yīng)普通注塑進澆方式，而熱澆口對應(yīng)熱流道注塑方式，其主要特點在于澆注系統(tǒng)附有加熱裝置，塑料始終處于熔融狀態(tài)，無流道凝料，實現(xiàn)了零廢料加工，省去了剪澆口工序[8-9]。
2. 1.2 結(jié)果分析
1)制品質(zhì)量
此擋塊按體積計算的理論質(zhì)量為496.5g。但對于厚壁件，注塑出來的實際產(chǎn)品質(zhì)量往往小于理論值，這是因為同一材料，其熔體密度一般小于其固體密度，而在保壓結(jié)束時制品內(nèi)部通常還存在一部分熔體，這就導(dǎo)致了質(zhì)量不足，并且保壓不足容易出現(xiàn)縮孔。據(jù)此，定義一個質(zhì)量疏松度，其計算公式如下:
質(zhì)量疏松度=理論質(zhì)量－ 實際質(zhì)量????? (1)
理論質(zhì)量
此質(zhì)量疏松度在一定程度上能反映制品的內(nèi)部疏松問題，當(dāng)質(zhì)量疏松度越大，則說明制品質(zhì)量不足，內(nèi)部收縮更大，出現(xiàn)縮孔的幾率也越高。根據(jù)分析結(jié)果，兩種方案的質(zhì)量數(shù)據(jù)如下表2。
由以上數(shù)據(jù)可知，熱澆口方案的質(zhì)量疏松度比冷澆口方案降低了53.8%，能注進的熔體更多，比冷澆口多注了13.4g，制品實際質(zhì)量更貼近理論值，有效控制了產(chǎn)品的成型精度，同時降低內(nèi)部縮孔形成的風(fēng)險。
表2 制品質(zhì)量對比
澆口方案冷澆口熱澆口
制品實際質(zhì)量/g 471. 5 484. 9
質(zhì)量疏松度/% 5. 04 2. 33
2) 壓力
保壓即將結(jié)束時制品內(nèi)部壓力情況如下圖1。從圖1可以看出，對于冷澆口，僅20s的保壓時間，雖然澆口處壓力仍然保持著91MPa，但是制品內(nèi)部壓力已經(jīng)整體下降，大部分都降至了47 MPa 左右。而對于熱澆口，直至200多秒，澆口處的壓力一直能順利傳至制品內(nèi)部，接近澆口的部位保持90MPa，往下遞減，這是因為制品下部已經(jīng)開始冷卻凝固。由此可見，熱流道系統(tǒng)壓力損失小，且可以讓設(shè)計人員在權(quán)衡注塑制品的質(zhì)量與制品的生產(chǎn)周期時具有更寬的設(shè)計空間。在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，又不過分犧牲產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。
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a － 冷澆口方案???????????????????????????????????????????????? b － 熱澆口方案
圖1 壓力對比
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3）凍結(jié)層因子
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a － 冷澆口方案?????????????????????????????????????????????????? b － 熱澆口方案
圖2 制品凍結(jié)情況對比
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保壓即將結(jié)束時制品凍結(jié)情況如下圖2。對于凍結(jié)層因子，如果值為1，則說明此部分已經(jīng)完全凍結(jié)，反之為0。從冷澆口的示意圖可知，保壓即將結(jié)束時冷澆口處已無熔體流向制品內(nèi)，凍結(jié)層因子已為1，即說明此時澆口已經(jīng)凍結(jié)，但是制品內(nèi)部絕大部分仍處于熔融狀態(tài)。相反，熱澆口方案下，澆口始終不會凍結(jié)，保壓時效長，當(dāng)保壓結(jié)束僅小部分未凍結(jié)，此時的凍結(jié)率越高說明越多的部分在有保壓的情況下冷卻，有更多的熔體補充，制品內(nèi)部的收縮也會更小。
4) 體積收縮率
制品體積收縮情況如下圖3。從圖中可得，對于冷澆口方案，在制品壁厚部位，中間大面積的收縮率為8%左右，而對于熱澆口方案，只有中間小面積收縮率為6%，大部分在3%～ 4% 左右，整體更低。所以熱澆口方案的體積收縮情況也得到了明顯的改善。
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a － 冷澆口方案??????????????????????????????????????????? b － 熱澆口方案
圖3 體積收縮率對比
5) 翹曲
制品的翹曲數(shù)據(jù)如下表3。
表3 翹曲對比
澆口方案冷澆口熱澆口
所有效應(yīng): 最大翹曲/mm 0. 806 9 0. 401 6
由上表可知，熱澆口方案的翹曲值比冷澆口方案降低了50. 2%，說明熱澆口方案對制品的翹曲變形也有較為顯著的改善效果。
綜合上述分析結(jié)果可知，在縮孔和翹曲兩方面熱澆口方案都明顯優(yōu)于冷澆口方案，壓力損失小，有效解決了澆口過早凍結(jié)的問題，制品成型精度更高。
2.2 澆口數(shù)量優(yōu)化
2.2.1 澆口數(shù)量方案設(shè)置
根據(jù)澆口位置設(shè)計原則以及實際生產(chǎn)中的嘗試，確定澆口布置在擋塊的頂部平面上。據(jù)此，澆口數(shù)量方案設(shè)置如圖4。
2. 2. 2 結(jié)果分析
1)充填流動與熔接痕
三個方案的充填過程的等值線示意圖如下圖5。等值線間隔大說明充填速度快，間隔小則說明充填速度慢。從圖中可看出，除了充填末端以及兩股熔體相匯的地方，大部分等值線間隔幾乎相等，即充填速度大體一致; 在兩頭的充填末端熔體也幾乎同時到達，即充填平衡; 制品下端都留有小部分的透明部位，此部分是為避免過充填，可通過保壓填滿。
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????????????????????? a － 單澆口????????????????????????????????????????????????????????? b － 雙澆口
??????????? c － 三澆口
圖4 澆口數(shù)量設(shè)置
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???????????????? a － 單澆口
?????????????????????? b － 雙澆口
?????????? c － 三澆扣
圖5 充填時間對比
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當(dāng)兩股熔體的流動前沿匯合到一起時就會產(chǎn)生熔接痕，此外，當(dāng)熔體有明顯的流速差時也會形成熔接線，如壁厚處材料流動快，壁薄處材料流動慢，在厚薄交界處就可能形成熔接痕。圖6 是制品的熔接線情況，結(jié)合圖5 中的流動示意圖可知，在雙澆口與三澆口
方案中，其產(chǎn)生的熔接痕比單澆口多。熔接痕的出現(xiàn)會降低制品的強度，從這方面看，單澆口方案更好。
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???????????????????????? a － 單交口??????????????????????????????????????? b － 雙澆口
????????????????????? c － 三澆口
圖6 熔接痕對比
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2) 其他結(jié)果
表4 是制品質(zhì)量、翹曲度、收縮率等情況的對比。
表4 各方案參數(shù)對比
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澆口方案單澆口雙澆口三澆口
制品質(zhì)量/g 484. 9 485. 0 484. 8
體積收縮率/% 8. 135 8. 178 8. 724
翹曲度/mm 0. 401 6 0. 493 1 0. 586 6
由表4 可知，澆口數(shù)量對制品質(zhì)量的影響非常小，相互之間只差了0.2 g; 體積收縮率也相差不大，其中單澆口的收縮率最??；翹曲度方面，單澆口方案較其他兩種有明顯的優(yōu)勢，分別比雙澆口與三澆口方案小了18. 6% 和31. 5%。綜上所述，單澆口方案
最優(yōu)。
3 結(jié)論
1)采用熱流道澆注系統(tǒng)，有效降低了產(chǎn)品的質(zhì)量疏松度，減小了產(chǎn)品的收縮率，提高了產(chǎn)品的成型精度。
2)采用中心單點進膠，可以避免熔接痕對制品強度的影響，同時改善了制品的翹曲變形情況，確保制品裝配的合理性和穩(wěn)定性。
3) 通過模流分析CAE 軟件，能預(yù)測出注塑過程中厚壁制品的成型缺陷，進而對其進行優(yōu)化，提高效率，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量。
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