譚文勝，周建忠

（1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013；2.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州市大型塑料件智能化制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213164）

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基于Moldflow的大型檢查井注塑流動(dòng)分析

譚文勝1，2，周建忠1

（1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013；2.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州市大型塑料件智能化制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213164）

摘要：在分析大型檢查井注塑工藝性能的基礎(chǔ)上，以四通檢查井注塑模澆注系統(tǒng)為例，采用Moldflow軟件分析單澆口、輪輻式6澆口、輪輻式40澆口等澆注方式，并研究澆注系統(tǒng)的澆口位置、數(shù)量和尺寸對(duì)制品質(zhì)量和鎖模力、注塑壓力、保壓壓力等工藝要素的影響。結(jié)果表明：在制品端口設(shè)置熱流道輪輻式多澆口，可顯著降低剪切速率、鎖模力、注塑壓力和保壓壓力，并減少或避免制品表面的熔接痕。

關(guān)鍵詞：檢查井；熱流道；輪輻式多澆口；注塑CAE

市政塑料檢查井（簡(jiǎn)稱“檢查井”）是替代傳統(tǒng)市政管網(wǎng)系統(tǒng)中水泥磚砌檢查井的大型塑料管件，因其具有高效排水、密封性好、施工便捷和使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已成為國(guó)內(nèi)外研究和推廣應(yīng)用的重點(diǎn)[1-3]。大型檢查井的主要加工方法為滾塑成形和注塑成形，其中，滾塑設(shè)備、滾塑模具及其成形工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但成形加工周期長(zhǎng)、生產(chǎn)效率低[4]；而注塑成形加工效率高，適合大批量生產(chǎn)，但由于大型檢查井外形尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常長(zhǎng)、寬、高尺寸均在1 m以上，重量達(dá)數(shù)十千克至數(shù)百千克，對(duì)于注塑設(shè)備、注塑模具和注塑工藝參數(shù)的要求較高，所以注塑模澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)是檢查井注塑成形的關(guān)鍵。

目前，生產(chǎn)企業(yè)為了簡(jiǎn)化超大型注塑模具的結(jié)構(gòu)、降低生產(chǎn)成本，對(duì)大型檢查井注塑模通常采用單澆口冷流道澆注，這不僅使冷凝料去除困難，造成材料浪費(fèi)，而且受熔體的流長(zhǎng)比、剪切速率、溫度等流動(dòng)性能的限制，單澆口很難滿足大型腔的熔體充填要求。本文基于注塑模熱流道閥式澆注技術(shù)[5]，采用Moldflow軟件分析熱流道輪輻式多澆口澆注對(duì)制品質(zhì)量和剪切速率、鎖模力、注塑壓力及保壓壓力等工藝要素的影響，為大型或超大型檢查井的注塑模設(shè)計(jì)與制造提供參考依據(jù)。

1　檢查井的結(jié)構(gòu)和工藝性能

大型檢查井通常由偏置收口、井室及井座組成（圖1），按井座承接支管數(shù)量可分為二通、三通、四通等類型。圖2是四通井座設(shè)計(jì)示意圖，井座尺寸為直徑630 mm、高1100 mm、壁厚10 mm，重量約35.8 kg，井座外側(cè)面均布4個(gè)直徑400 mm的承接支管。

由于井座承受較大的壓力負(fù)載，所以井座外表面設(shè)置了加強(qiáng)筋；又由于表面質(zhì)量要求較高，故需避免充填不足、縮孔、凹陷、熔接痕等注塑缺陷。因此，井座注塑模澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是如何滿足塑料熔體順利充填模具型腔，以及如何避免產(chǎn)生影響表面質(zhì)量的注塑缺陷。

圖1　檢查井組成示意圖

圖2　四通井座示意圖

2　檢查井的分析模型

在UG/NX7.5中建立如圖2所示的四通井座三維模型（STL文件），將其輸入Moldflow軟件，經(jīng)網(wǎng)格自動(dòng)劃分生成雙面有限元網(wǎng)格模型（圖3），并利用網(wǎng)格工具進(jìn)行網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)和修正，使三角形網(wǎng)格匹配率達(dá)到85.2 %，最大縱橫比＜14.8，自由邊、交叉邊和重疊單元均為零，從而滿足有限元網(wǎng)格分析計(jì)算的要求。

井座材料為聚丙烯PP，其注塑成形工藝條件為：模具溫度80～90℃，熔體溫度200～230℃，注塑壓力70～100 MPa。在Moldflow任務(wù)窗口中，選擇充填分析類型，并設(shè)置工藝參數(shù)如下：模具表面溫度80℃，熔體溫度220℃，充填、速度/壓力切換、保壓和冷卻時(shí)間均設(shè)置為自動(dòng)控制，注塑機(jī)注塑行程1500 mm，注塑機(jī)螺桿直徑200 mm。

圖3　有限元網(wǎng)格模型

3　分析與討論

3.1澆口位置分析

利用Moldflow的澆口位置分析模塊進(jìn)行最佳澆口位置分析，得到井座的最佳澆口位置分布情況。由圖4可看出，依據(jù)流動(dòng)平衡原則，最佳澆口位置在井座底部中心或外側(cè)面支管之間。

圖4　最佳澆口位置

澆口位置選擇井座底部中心，且為冷流道澆注系統(tǒng)，可簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)和澆注系統(tǒng)，這就是傳統(tǒng)的單澆口直流道澆注方式。由于模具型腔尺寸大，如果澆口位置選擇井座外側(cè)面支管之間，將增大澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，增加模具設(shè)計(jì)和制造成本。由于制品結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，如果在制品端口設(shè)計(jì)輪輻式多澆口，可滿足充填流動(dòng)平衡要求。因此，本文主要分析井座底部的單澆口直流道和井座端口的輪輻式多澆口澆注方式。為了減少流道內(nèi)的熔體壓力損失和避免大量的冷凝料廢料，將輪輻式澆注系統(tǒng)設(shè)定為熱流道系統(tǒng)。

3.2澆口數(shù)量對(duì)充填的影響

（1）單澆口

為了使塑料熔體快速充填模具型腔，通常設(shè)置單澆口直徑較大（約2倍的壁厚）。在井座底部中心建立單澆口直流道（圖5a），其為錐形流道，孔長(zhǎng)150 mm、上端口直徑10 mm、下端口直徑25 mm。模擬分析結(jié)果如下：最大剪切速率為9428.8 s-1，最大鎖模力為768.7 t，最大注塑壓力為78.6 MPa，充填結(jié)束時(shí)的保壓壓力為56.54 MPa。由圖6a可見，熔接痕數(shù)量較多，且主要分布在側(cè)面。

圖5　澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

（2）輪輻式6澆口

建立的6澆口熱流道澆注系統(tǒng)見圖5b。井座端口均勻分布6個(gè)直徑10 mm的澆口，分流道直徑為15 mm，主流道直徑為25 mm。模擬分析結(jié)果如下：最大剪切速率為1944.1 s-1，最大鎖模力為714.4 t，最大注塑壓力為37.4 MPa，充填結(jié)束時(shí)的保壓壓力為33.97 MPa。與單澆口相比，注塑壓力和保壓壓力均減小，且井座側(cè)面的熔接痕數(shù)量減少，但在井座端口熔接痕增多（圖6b）。這是由于各澆口間距較大，當(dāng)熔體在澆口處匯合時(shí)，溫度較低的冷峰面形成了較長(zhǎng)的熔接痕，影響了制品強(qiáng)度和表面質(zhì)量。

（3）輪輻式40澆口

為了消除或減少熔接痕對(duì)制品質(zhì)量的影響，在井座端口建立40澆口熱流道澆注系統(tǒng)（圖5c），即在井座端口均勻分布40個(gè)澆口，澆口直徑10 mm，分流道直徑20 mm，主流道直徑25 mm。模擬結(jié)果如下：最大剪切速率為418.8 s-1，最大鎖模力為712.8 t，最大注塑壓力為14.8 MPa，充填結(jié)束時(shí)的保壓壓力為11.88 MPa。與單澆口和6澆口相比，不僅井座側(cè)面的熔接痕數(shù)量減少了，而且在井座端口消除了熔接痕（圖6c）。這是由于端面澆口數(shù)量多，澆口間距較小，熔體匯合時(shí)的峰面溫度較高，從而避免了熔接痕的形成。

圖6　熔接痕效果圖

3.3澆口尺寸對(duì)充填的影響

在澆注系統(tǒng)中，除了澆口位置、澆口數(shù)量外，澆口直徑也是影響熔體充填流動(dòng)的重要參數(shù)。本節(jié)采用上述輪輻式40澆口的澆注方式，在分流道直徑和主流道直徑不變的情況下，模擬分析澆口直徑為5～20 mm的熔體充填變化情況。

圖7是不同澆口直徑的最大剪切速率模擬結(jié)果。當(dāng)澆口直徑分別為5、10、15 mm時(shí)，最大剪切速率為13073、418.4、880.7 s-1?？梢姡睆? mm澆口的最大剪切速率將超過(guò)熔體最大允許值，且熔體最大剪切速率集中在澆口部分；直徑10 mm澆口的最大剪切速率最低；直徑10、15 mm澆口的最大剪切速率主要集中在主流道部分。

表1是澆口直徑為5、8、10、15、20 mm時(shí)，模擬得到的最大剪切速率、最大鎖模力、最大注塑壓力和保壓壓力等熔體充填參數(shù)?？梢?，當(dāng)澆口直徑為10 mm時(shí)，上述參數(shù)值均最??；當(dāng)澆口直徑＜10 mm時(shí)，隨著直徑的減小，最大剪切速率顯著提高，最大鎖模力小幅下降，最大注塑壓力和保壓壓力迅速增大；當(dāng)澆口直徑＞10 mm時(shí)，隨著直徑的增大，最大剪切速率、最大鎖模力、最大注塑壓力和保壓壓力均呈上升趨勢(shì)。

圖7　不同澆口尺寸的最大剪切速率

表1　不同澆口直徑的熔體充填參數(shù)

4　結(jié)語(yǔ)

為解決大型塑料檢查井注塑成形中存在的問(wèn)題，提出了熱流道輪輻式多澆口澆注方法，模擬分析了澆口位置、澆口數(shù)量和澆口尺寸對(duì)制品質(zhì)量和注塑工藝要素的影響。模擬結(jié)果表明，在井座端口設(shè)置輪輻式多澆口，當(dāng)澆口數(shù)量為40、澆口直徑為10 mm時(shí)，可顯著降低剪切速率、注塑壓力、鎖模力和保壓壓力，并顯著減少或避免熔接痕。分析結(jié)果可為大型或超大型檢查井的注塑模輪輻式多澆口澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭林，李艷，胡俊強(qiáng)，等.新型塑料檢查井專用料的開發(fā)與應(yīng)用研究[J].中國(guó)塑料，2010，24（9）：64-67.

[2]趙勁松.塑料檢查井簡(jiǎn)介及改進(jìn)措施[J].聚氯乙烯，2011，39（5）：30-33.

[3] TAKUJI O. Woody molded product and its manufacturing method：EP2005-219441[P]. 2004-09-02.

[4]陳鶴忠.滾塑成型塑料檢查井的應(yīng)用[C]//全國(guó)排水委員會(huì)2012年年會(huì)論文集.南寧，2012：757-759.

[5]譚文勝，周建忠.基于CAE的注塑模閥式注塑控制研究[J].電加工與模具，2007（1）：45-47.

Flow Analysis of Injection Molding Process Based on Moldflow for Large Manhole

Tan Wensheng1，2，Zhou Jianzhong1
（1. School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China；2. Changzhou College of Information Technology，Changzhou Key Laboratory of Intelligent Manufacturing Large Plastic，Changzhou 213164，China）

Abstract：Based on the analysis of injection molding process performance to large manholes，injection mold pouring system of four manholes is designed as example，according to the analysis of single gate，spoke type 6 gates，spoke type 40 gates casting methods by Moldflow software. And the impacts of product quality and process elements such as clamping force，injection pressure and holding pressure with the gate position，gate number and gate size were studied. The results show that spoke multiple gates set in article port，may significantly lower the shear rate，clamping force，injection pressure and holding pressure，and could reduce or avoid the product surface weld marks.

Key words：manhole；hot runner；spoke multiple gates；injection CAE

第一作者簡(jiǎn)介：譚文勝，男，1968年生，研究員級(jí)高工。

基金項(xiàng)目：江蘇省科技支撐計(jì)劃（工業(yè)支撐）項(xiàng)目（BE2013820）；江蘇省“333工程”培養(yǎng)資金資助項(xiàng)目

收稿日期：2015-09-10

中圖分類號(hào)：TP391.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009－279X（2016）01－0051-04