單學(xué)軍，唐鈴鳳，嚴(yán)錦玉

(安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 安徽　蕪湖　241000)

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基于Moldflow的輸液瓶胚澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單學(xué)軍，唐鈴鳳，嚴(yán)錦玉

(安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 安徽蕪湖241000)

[摘要]以250 ml塑料輸液瓶胚為研究對(duì)象，并對(duì)其結(jié)構(gòu)及成型工藝過程進(jìn)行分析，建立輸液瓶胚三維模型，設(shè)計(jì)了平衡和非平衡兩種澆注系統(tǒng)，運(yùn)用Moldflow對(duì)輸液瓶胚注塑成型過程進(jìn)行數(shù)值模擬，確定了兩個(gè)澆口位置，探討了平衡澆注系統(tǒng)和非平衡澆注系統(tǒng)的充填時(shí)間、氣穴分布以及鎖模力，并以此為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用綜合加權(quán)評(píng)分法對(duì)兩類澆注方案進(jìn)行評(píng)分，確定了澆口位置和澆注系統(tǒng).

[關(guān)鍵詞]輸液瓶胚；澆口位置；平衡澆注系統(tǒng)；非平衡澆注系統(tǒng)；綜合加權(quán)評(píng)分法

目前，醫(yī)院廣泛使用塑料輸液瓶來代替玻璃瓶，并用它盛放各種醫(yī)用液體.玻璃輸液瓶笨重、易碎，塑料輸液瓶密度小、易封存、不易碎，幾乎完全取代了以往的玻璃瓶.塑料輸液瓶通過擠出吹塑或者注射吹塑成型來生產(chǎn)，瓶胚就是吹塑時(shí)所用的毛坯件.目前，輸液瓶瓶胚主要通過注塑成型工藝來進(jìn)行生產(chǎn)加工[1-3].

本文以250 ml塑料輸液瓶胚為研究對(duì)象，在分析塑件成型工藝和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用Moldflow仿真軟件，設(shè)計(jì)了6種澆注系統(tǒng)并進(jìn)行分析對(duì)比，完成了注塑成型過程的模流仿真，運(yùn)用綜合評(píng)分法分析比較了這6種澆注系統(tǒng)的填充時(shí)間、氣穴情況及鎖模力，確定了最優(yōu)澆注系統(tǒng)[4].

1注塑件結(jié)構(gòu)及工藝分析

該塑件為圓柱狀的輸液瓶瓶胚，二維圖如圖1所示.塑件最大尺寸為長(zhǎng)118.3 mm、寬31.6 mm、高31.6 mm. 該瓶胚的右半部分有凹槽，其余部分壁厚較為均勻，內(nèi)部為空心. 瓶胚材料為聚丙烯(PP)，收縮率為1.0﹪~2.5﹪，是一種典型的薄壁塑料件.注塑工藝瓶胚表面不能有劃痕，翹曲變形應(yīng)盡可能小，內(nèi)部不得有氣穴.

圖1　輸液瓶胚(尺寸單位：mm)

2注塑工藝參數(shù)設(shè)定

Moldflow是以塑件注塑成型過程為對(duì)象，以塑料流動(dòng)理論、有限元和數(shù)值模擬等理論為支撐，以計(jì)算機(jī)為運(yùn)行載體模擬塑料流體流動(dòng)情況的仿真軟件[5].

材料聚丙烯(PP)具有耐熱、耐腐蝕且密度小等優(yōu)點(diǎn)，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸.在Moldflow軟件中設(shè)置成型工藝參數(shù)如表1所示.

表1　注塑成型工藝參數(shù)

3網(wǎng)格劃分及最佳澆口位置確定

首先將UG 三維模型以igs 格式保存再導(dǎo)入.Moldflow進(jìn)行網(wǎng)格劃分.Moldflow的網(wǎng)格類型分為表面網(wǎng)格(Fusion)、中面網(wǎng)格(Midplane)以及實(shí)體網(wǎng)格(3D).該塑件壁厚較為均勻且比較薄，適宜使用表面網(wǎng)格進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，以此獲得較好的網(wǎng)格，為后續(xù)分析提供更好的模型.首先使用自動(dòng)網(wǎng)格劃分，再檢查該模型的橫縱比，自動(dòng)網(wǎng)格修復(fù)不符合的網(wǎng)格，無法修復(fù)的網(wǎng)格通過手動(dòng)來修復(fù).完成的有限元模型如圖2所示.

圖2　輸液瓶胚有限元模型

澆口位置設(shè)計(jì)合理與否對(duì)其表面質(zhì)量以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)都有很大的影響.在Moldflow軟件中，首先設(shè)定分析類型為“澆口位置”，澆口最佳位置分析結(jié)果如圖 3 所示.從圖3 中可以看出，模型中間位置為注塑澆口的理想?yún)^(qū)域.對(duì)于該瓶胚來說，將澆口設(shè)置在中部對(duì)瓶胚表面質(zhì)量有一定影響，且模具結(jié)構(gòu)也會(huì)相對(duì)復(fù)雜.本文選擇瓶胚中間和頂部作為澆口設(shè)置來做對(duì)比分析.中間位置澆口選用點(diǎn)澆口結(jié)構(gòu)形式，頂部澆口選用矩形澆口結(jié)構(gòu)形式.

圖3　澆口位置分析結(jié)果

4澆注系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)的作用是使模具中建立從注塑機(jī)噴嘴到型腔塑料熔體的流動(dòng)通道[6].澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為主流道、分流道、澆口的設(shè)計(jì).本文選用一模十六腔方案來設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，對(duì)兩種澆口位置分別設(shè)計(jì)了平衡澆注系統(tǒng)和非平衡澆注系統(tǒng).

4.1主流道設(shè)計(jì)

主流道單獨(dú)設(shè)計(jì)成鑲塊安放于定模板中，形狀為圓錐狀，長(zhǎng)度一般小于60 mm,進(jìn)出口直徑根據(jù)注射量和成型材料來確定.該瓶胚材料是聚丙烯，十六個(gè)模型質(zhì)量之和約為240 g，故選擇主流道進(jìn)口直徑為4.5 mm、出口直徑為6.5 mm、長(zhǎng)度為60 mm.

4.2分流道設(shè)計(jì)

分流道的設(shè)計(jì)原則是盡量減少其中的壓力損失且熱量損失盡可能小.分流道的截面形狀一般可為圓形、正方形、半圓形、梯形、矩形，其中圓形和矩形的流道效率最高，但矩形不利于脫模，故選擇圓形截面形狀.聚丙烯的分流道直徑一般為4.8~9.5 mm,故選擇6.5 mm.

4.3澆口設(shè)計(jì)

澆口是連接分流道和塑件的一段狹小通道[7]，形狀各異.該瓶胚澆口可以設(shè)置在瓶胚中間以及瓶胚頂部.中間位置選用點(diǎn)澆口，頂部位置選用矩形澆口.點(diǎn)澆口的直徑取0.5~2 mm,長(zhǎng)度取1 mm.矩形澆口厚度取塑件壁厚的1/3~2/3,為2 mm,寬度選2 mm，長(zhǎng)度取1 mm.

4.4平衡與非平衡澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

平衡與非平衡澆注系統(tǒng)區(qū)別在于分流道形狀，分流道可采用平衡式布置和非平衡式布置.平衡式布置的特點(diǎn)是從主流道經(jīng)分流道至各個(gè)型腔這一段流道中的截面、長(zhǎng)度都完全相同.這樣保證了各個(gè)制件在性能、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量上保持高度一致，型腔布局主要有圓周式布局和行列式布局.非平衡布置的特點(diǎn)是從主流道經(jīng)分流道至各個(gè)型腔這一段流道中的截面或長(zhǎng)度不相同.這樣有利于縮短流道長(zhǎng)度，減小壓力和熱量損失,有益于注塑成型.分流道直徑6.5 mm，部分位置4.5 mm.瓶胚澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)有6個(gè)方案.

方案一(a)：平衡圓周式布局(中間澆口).中間位置為澆口位置，使用點(diǎn)澆口，直徑1 mm,長(zhǎng)度1 mm,部分分流道長(zhǎng)度180 mm，直徑6.5 mm，呈圓周布局，其余分流道直徑4.5 mm.主流道入口直徑4.5 mm，出口直徑6.5 mm.如圖4所示.

方案一(a)：中間澆口　　　方案一(b)：頂部澆口

方案一(b)：平衡圓周式布局(頂部澆口).頂部位置為澆口位置，使用矩形澆口，厚度2 mm,寬度2 mm,長(zhǎng)1 mm.其余和以上相同.

方案二(a)：平衡橫列式布局(中間澆口).中間位置為澆口位置，使用點(diǎn)澆口，直徑1 mm,長(zhǎng)度1 mm,部分分流道直徑6.5 mm，其余分流道直徑4.5 mm，零件中心之間距離為60 mm,兩列中心之間距離為100 mm，呈橫列式布局.主流道入口直徑4.5 mm，出口直徑6.5 mm.如圖5所示.

方案二(a)：中間澆口　　　方案二(b)：頂部澆口

方案二(b)：平衡橫列式布局(頂部澆口).頂部位置為澆口位置，使用矩形澆口，厚度2 mm,寬度2 mm,長(zhǎng)1 mm.其余和以上相同.

方案三(a)：非平衡式布局(中間澆口).中間位置為澆口位置，使用點(diǎn)澆口，直徑1 mm,長(zhǎng)度1 mm,部分分流道直徑6.5 mm，其余分流道直徑4.5 mm，零件中心之間距離為60 mm,兩列中心之間距離為100 mm，呈橫列式布局.主流道入口直徑4.5 mm，出口直徑6.5 mm.如圖6所示.

方案三(b)：非平衡式布局(頂部澆口).頂部位置為澆口位置，使用矩形澆口，厚度2 mm,寬度2 mm,長(zhǎng)1 mm.其余和以上相同.

方案三(a)：中間澆口　　　 方案三(b)：頂部澆口

5瓶胚注塑成型過程模流分析及比較

5.1充填時(shí)間分析

充填時(shí)間是指塑料熔體從澆注口處進(jìn)入到模腔直至整個(gè)模腔充滿的一段時(shí)間間隔[8].充填時(shí)間越短注塑效率就越高，經(jīng)濟(jì)效益也相應(yīng)提高.方案一(a)用時(shí)2.011 s，方案一(b)用時(shí)2.161 s.方案二(a)用時(shí)1.772 s，方案二(b)用時(shí)2.125 s.方案三(a)用時(shí)1.780 s，方案三(b)用時(shí)1.886 s.其中，方案二(a)用時(shí)最短，方案三(a)次之.

方案一(a)：中間澆口　　　方案三(b)：頂部澆口

5.2氣穴分布

氣穴分布是指注塑完成時(shí)模腔內(nèi)氣體所在的區(qū)域[9].氣體主要由塑料熔融時(shí)產(chǎn)生且不能及時(shí)排出形成氣穴，形成缺陷將會(huì)影響塑件的內(nèi)部結(jié)構(gòu).氣穴越多，塑件產(chǎn)生的缺陷就會(huì)越多，影響瓶胚后續(xù)吹塑.氣穴位置分布如圖8所示.可以看出，澆口位于中間時(shí)氣穴較多，分別分布于底部和頂部；澆口位于頂部時(shí)，底部和頂部氣穴各一個(gè)，且易去除.

方案二(b)：頂部澆口　　　方案三(b)：頂部澆口

5.3鎖模力分析

鎖模力是指注射時(shí)為克服型腔內(nèi)熔體對(duì)模具的擴(kuò)張壓力，注射機(jī)施加給模具的鎖緊力[10].從圖9中可以看出，方案三(a)鎖模力變化不均

勻，其余變化都較為均勻.各方案最大鎖模力如下：方案一(a)為64.8噸，方案一(b)為61.2噸；方案二(a)為48.3噸，方案二(b)為111.1噸；方案三(a)為50.7噸, 方案三(b)為44.8噸.其中，方案三(b)鎖模力最小，方案二(b)鎖模力最大，流料最為不暢.

方案二(b)：頂部澆口　　　 方案三(b)：中間澆口

最終這6種澆注系統(tǒng)模流的分析結(jié)果如表2所示.

表2　模擬結(jié)果

6綜合加權(quán)評(píng)分法對(duì)澆注系統(tǒng)分析

綜合加權(quán)評(píng)分法是對(duì)各個(gè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)分，再把各個(gè)評(píng)分結(jié)果乘以相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，最終得到最后的加權(quán)分?jǐn)?shù)，再比較分析可以得到較好的結(jié)果.設(shè)填充時(shí)間的評(píng)價(jià)權(quán)重為0.4，氣穴個(gè)數(shù)為0.3，最大鎖模力為0.3.綜合加權(quán)評(píng)分分?jǐn)?shù)值如表3所示.

表3　綜合加權(quán)評(píng)分的分?jǐn)?shù)值

由表3中的加權(quán)評(píng)分?jǐn)?shù)值可以看出:方案一(a)的評(píng)分最高，澆注系統(tǒng)性能最差；方案三(b)的評(píng)分最低，澆注系統(tǒng)性能最優(yōu).

綜上所述，非平衡澆注系統(tǒng)由于流道行程比較短，在填充時(shí)間上有一定的優(yōu)勢(shì)；澆口位于中間位置時(shí)氣穴個(gè)數(shù)較多，澆口位于頂部位置時(shí)有利于減少氣穴個(gè)數(shù).最終確定非平衡系統(tǒng)且澆口位于頂部位置的方案三(b)在填充時(shí)間、氣穴分布、鎖模力方面具有一定的優(yōu)勢(shì).

7結(jié)論

(1)運(yùn)用Moldflow對(duì)輸液瓶胚三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定中間和頂部位置為澆口位置，中間采用點(diǎn)澆口形式，頂部采用矩形澆口形式，設(shè)計(jì)了平衡和非平衡澆注系統(tǒng)，建立了6種一模十六腔的澆注系統(tǒng)，并對(duì)成型過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究比較各個(gè)澆注系統(tǒng)的填充時(shí)間、氣穴及鎖模力.

(2)采用綜合加權(quán)評(píng)分法對(duì)6個(gè)澆注系統(tǒng)的填充時(shí)間、氣穴數(shù)量、最大鎖模力進(jìn)行評(píng)分，最終確定方案三(b)方案即非平衡澆注系統(tǒng)為最佳方案.頂部為澆口位置，采用矩形澆口，分流道采用非平衡布置.這可以為澆注系統(tǒng)的優(yōu)化提供參考.

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(責(zé)任編輯吳強(qiáng))

Design of the cavity runner system of the infusion bottle embryo based on Moldflow

SHAN Xuejun, TANG Lingfeng, YAN Jinyu

(School of Mechanical & Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu Anhui 241000, China)

Abstract：Taking 250 ml infusion bottle embryo as the research object, and its structure and processing property of the infusion bottle embryo were analyzed, and the three-dimensional model of infusion preform was established. The balance and the unbalance of the cavity runner system were designed. The Moldflow software was used to have numerical simulation in the process of injection and molding of the infusion bottle embryo, two gate position were determined. The filling time, cavitation distribution and clamping force of the balance and unbalance of the cavity runner system were discussed, and were determined as the evaluation, then the two schemes are scored by comprehensive weighted scoring method. Finally, the gate position and the cavity runner system were determined.

Key words：infusion bottle embryo; gate position; the balance of the cavity runner system; the unbalance of the cavity runner system; comprehensive weighted scoring method

[中圖分類號(hào)]TH137.5

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-8004(2016)02-0084-05

[作者簡(jiǎn)介]單學(xué)軍(1990—)，男，江蘇鹽城人，碩士,主要從事模具CAD/CAE方面的研究.

[基金項(xiàng)目]省科技攻關(guān)項(xiàng)目：脫硫除塵過程裝備及其控制系統(tǒng)研發(fā)(12010402105)；蕪湖市科技計(jì)劃項(xiàng)目：數(shù)控機(jī)床液體靜壓導(dǎo)軌控制研究及其產(chǎn)業(yè)化(2103cxy08).

[收稿日期]2015-06-17