杜勝軍

(廈門建霖健康家居股份有限公司， 福建 廈門 361000)

0 引言

對于大批量生產(chǎn)的塑料產(chǎn)品而言，注塑成型能夠快速、有效地生產(chǎn)人們所需的生活用品，而且通過高精密模具成型的制品具有特征精度高、可重復(fù)生產(chǎn)性強(qiáng)和成本相對較低等優(yōu)點[1-2]。注塑成型的關(guān)鍵在優(yōu)化材料、產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)備和注塑工藝參數(shù)，所以模具制造完成和首批塑件成型后，一般還得經(jīng)過多次昂貴且費時的修改，包括產(chǎn)品和模具結(jié)構(gòu)變更、材料調(diào)整和試模工藝調(diào)試等，才能最終獲得合格的制品[3-4]。

注塑計算機(jī)輔助工程是將產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計、材料和成型工藝進(jìn)行集成的一種工具，一方面能夠在模具設(shè)計與制造前期對產(chǎn)品和模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效評估，規(guī)避一些在開發(fā)過程中可能會產(chǎn)生的潛在問題；另一方面可以對塑件注塑問題，比如熔接線、縮水或困氣等進(jìn)行仿真分析，尋找改善方案，避免了用試錯法耗費大量的資金和時間[5]。

本文采用Moldex 3D[6]對花灑的固定座在注塑成型中的關(guān)鍵點，包括料流的充填過程、熔接線、縮水和困氣等進(jìn)行了模流分析，然后通過調(diào)整澆口位置和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)料流流動，改善注塑缺陷，最后對比實際成型的產(chǎn)品，驗證模擬的精確性。

1 產(chǎn)品分析

此產(chǎn)品為淋浴桿上花灑的固定座，材料ABS為CHI-MEI的POLYLAC PA 727，表面進(jìn)行電鍍涂層處理。圖1為花灑固定座產(chǎn)品三維圖，其外形尺寸約為24 mm×29 mm×38 mm。塑件壁厚差異較大,平均壁厚為5.56 mm，最大壁厚達(dá)9.50 mm，內(nèi)部包括加強(qiáng)筋和螺絲柱等結(jié)構(gòu)。

圖1 花灑固定座三維圖

2 注塑成型缺陷分析

2.1 縮水分析

由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)一側(cè)為弧面、另一側(cè)為平面，且壁厚分布非常不均，在注塑過程中壁厚處易產(chǎn)生縮水問題，調(diào)整工藝參數(shù)后也未能改善。塑件表面出現(xiàn)縮水問題會產(chǎn)生凹痕，再經(jīng)過表面電鍍處理后凹痕會更明顯，難以滿足產(chǎn)品外觀要求。

當(dāng)熔體開始冷卻時，塑件上壁較厚處體積收縮較慢，形成拉應(yīng)力。當(dāng)凍結(jié)層的剛度不足以克服這個拉應(yīng)力，而在保壓過程中又無熔體補(bǔ)縮，產(chǎn)品表面易被拉陷，形成縮水缺陷[7]。

2.2 失效方案模流分析結(jié)果

塑件整體壁厚分布不均，對試模失效原因進(jìn)行模流仿真分析，模擬的保壓結(jié)果如圖2所示。圖2(a)為塑件保壓過程，由圖2(a)可知，最大體積收縮率達(dá)7.899%；圖2(b)為塑件凹痕位移，其中最大縮水量為0.126 mm。圖2(a)中，紅色區(qū)域主要在側(cè)面與弧面，說明該區(qū)域體積收縮大，存在較大縮水風(fēng)險，與實際縮水情況一致。

(a) 最大體積收縮率

2.3 改善方案

為改善縮水問題，在產(chǎn)品弧面處增加嵌件，如圖3(a)所示；在塑件平面處采用整體掏膠來減小壁厚，如圖3(b)所示。圖3(c)為經(jīng)設(shè)計變更后的產(chǎn)品，其經(jīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整后能達(dá)到壁厚均勻。

(a) 嵌件

3 模擬分析與結(jié)果驗證

3.1 新增嵌件和減膠后的充填分析

按照調(diào)整后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行模流仿真分析，澆注系統(tǒng)和注塑工藝與原始方案一致，得到塑件的充填情況如圖4所示。因為平面一側(cè)內(nèi)部通過掏膠來減小壁厚，所以在充填時中間筋條會有溶膠竄流出來與兩邊料流匯聚，形成兩條明顯的熔接線，如圖4(a)圓圈所示；而且熔膠匯聚后還會反包在兩個角落，形成困氣缺陷，如圖4(b)圓圈所示。從模擬結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)調(diào)整后會增加熔接線和困氣風(fēng)險，其主要是由中間筋條的竄流引起的，所以需要繼續(xù)更改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

(a) 熔接線

3.2 截斷筋條的充填分析

圖5(a)為截斷筋條的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖。為了防止熔膠在充填過程中先竄流出來，所以將筋條處與平面一側(cè)連接的筋條斷開，阻斷竄流，以避免熔接線和困氣風(fēng)險。圖5(b)為模流分析的充填過程，圖中圓圈表示兩股料流交匯的位置易形成熔接線，圓圈所示的位置為下端料流與兩側(cè)料流包封，氣體無法排除，從而形成困氣區(qū)域，在注塑成型后會出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象，不利于下道工序的表面電鍍處理。

(a) 截斷筋條

3.3 進(jìn)澆口位置調(diào)整與分析

調(diào)整料流流動可以改善困氣和熔接線問題。圖6(a)～圖6(c)為與之對應(yīng)的注塑成型缺陷。可以看出，方案二的困氣區(qū)域與原始方案相似，方案一的困氣位置向右下角偏移，方案三的則位于左下角。從模流分析可知，這3種方案依舊存在較大的成型缺陷風(fēng)險，但實際模具結(jié)構(gòu)中左側(cè)側(cè)面為分型面，若困氣位置位于左下角，則多余氣體可以通過分型面排出，所以相比于其他方案，方案三的進(jìn)澆口位置較佳。

(d) 方案一成型缺陷

方案三的保壓結(jié)果分析如圖7所示。圖8(a)為保壓中的最大體積收縮率，最大值為4.430%；圖7(b)為凹痕位移，最大值為0.046 mm。相比于原始方案的7.899%和0.126 mm，對平面減膠和對弧面增加嵌件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化大大降低了塑件縮水的風(fēng)險。

(a) 最大體積收縮率

3.4 方案三修模驗證

采用方案三進(jìn)行修模，模擬成型過程與實際吻合度高，縮水和困氣問題都得到了較好的改善，但是在平面一側(cè)的中間偏左位置有一條熔接線。通過提高模溫能使熔接線變小、變細(xì)，但因為塑件需要電鍍，在前期粗化處理時需要處于較高溫度的溶液內(nèi)，熔接線經(jīng)過高溫作用后就會變得異常明顯，所以還需進(jìn)一步改善熔接線問題。

熔接線一般出現(xiàn)在兩股料流繞過塑件某些幾何形狀后重新匯聚的地方。料流前端互相接觸后其中心層會發(fā)生短暫遲滯，一旦出現(xiàn)滯料，溶膠便開始冷卻，形成凍結(jié)層，雖然較高的料溫會產(chǎn)生較好的熔接效果，但塑料分子鏈的取向不會重疊，所以就產(chǎn)生了強(qiáng)度較差的熔接線[8]。從以下幾方面考慮改善熔接線的方案： 1)優(yōu)化注塑工藝參數(shù)，通過提高充填速率和保壓壓力、升高料溫和模溫等措施讓充填末端更好地熔接；2)調(diào)整模具的澆口位置，改變料流充填路徑，但前期已經(jīng)優(yōu)化了澆口位置，從其他地方進(jìn)澆會造成更嚴(yán)重的困氣風(fēng)險；3)調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，通過對產(chǎn)品內(nèi)部壁厚加膠和減膠來控制料流的流動速度，最終讓料流在較為理想的位置熔接。

3.5 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整

為了準(zhǔn)確地還原實際成型，按照最新修模結(jié)構(gòu)(方案四)進(jìn)行模擬分析，其中分型面的位置如圖8(a)所示。若能把熔接線向分型面處移動，當(dāng)兩股料流在分型處匯聚后，熔接線中的氣體可以有效排出，然后再通過工藝優(yōu)化和提高模溫等措施，熔接線缺陷就能得到較好的改善。

為了讓料流熔接位置往分型處移動，對塑件的局部區(qū)域進(jìn)行了減膠處理，如圖8(a)所示。在局部放大圖中位置1處減少了長10 mm深0.3 mm的壁厚，在位置2處切了一條寬1 mm深0.5 mm的槽，在位置3處減小長5 mm深0.2 mm的壁厚，這些減膠處理主要起到截流作用，當(dāng)溶膠經(jīng)過這些壁薄處時速度會降低。圖8(b)和8(c)分別為調(diào)整結(jié)構(gòu)前后的模擬結(jié)果，從模擬的波前流動可以看出，局部減膠起到了一定的截流作用，對比兩種方案，雖然方案四的熔接位置(紅色線為熔接線)逐漸向分型面處移動，但沒達(dá)到預(yù)期效果，還需繼續(xù)調(diào)整。

(a) 方案四結(jié)構(gòu)調(diào)整位置

方案四的減膠處理改善不明顯，所以在方案四的基礎(chǔ)上再對局部區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)微調(diào)(方案五)，如圖9(a)所示。在位置1處增加了長22 mm高0.3 mm的壁厚，在位置2處增加了長5.5 mm高0.3 mm的壁厚。圖9(b)為增加局部壁厚后的模擬結(jié)果，左邊區(qū)域因為截流作用充填速度減緩，而右邊區(qū)域局部加膠的引流作用使得厚壁區(qū)充填增快，雖然最后的熔接位置又進(jìn)一步向分型面移動，但依舊沒有得到較好的效果。

(a) 方案五結(jié)構(gòu)調(diào)整位置

為了加強(qiáng)加膠引流和減膠截流的效果，繼續(xù)對塑件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，方案六又在方案五的基礎(chǔ)上對局部區(qū)域進(jìn)行了調(diào)整。圖10(a)為方案六的結(jié)構(gòu)調(diào)整位置，其中在位置1處長22 mm高0.3 mm上再增加0.25 mm壁厚，總增加厚度為0.55 mm；在位置2處長5.5 mm高0.3 mm上再增加0.2 mm壁厚，總增加厚度為0.5 mm；位置3處在方案四的基礎(chǔ)上加大寬度到6.5 mm，深度依舊為0.5 mm。這樣調(diào)整的主要目的是加強(qiáng)加膠引流和減膠截流的效果。圖10(b)和(c)為方案五和方案六的模擬結(jié)果對比，可以看出方案六熔接線最短且貼于分型面位置，排氣效果較佳，如圓圈位置所示，可見在截流和引流共同作用下制件達(dá)到了較好的成型效果，所以最終按方案六進(jìn)行修模。

(a) 方案六結(jié)構(gòu)調(diào)整位置

3.6 方案六修模驗證

圖11為塑件按方案六修模成型和電鍍后的外觀情況，由圖11可知： 產(chǎn)品的縮水、熔接線及困氣問題基本都得到了改善，達(dá)到了客戶對產(chǎn)品外觀品質(zhì)的要求。

(a) 塑件電鍍弧面

4 結(jié)論

保持壁厚均勻是設(shè)計塑件產(chǎn)品的主要準(zhǔn)則，厚度差異大的塑件各區(qū)域收縮是不一致的。而且壁厚差異還會影響充填、保壓或補(bǔ)縮情況，從而導(dǎo)致無規(guī)律、難以預(yù)測的充模方式，易產(chǎn)生注塑成型缺陷。本文利用Moldex 3D模擬分析了花灑固定座的充填成型過程，對比了不同澆口位置對充填的影響，然后通過產(chǎn)品局部區(qū)域的加膠和減膠來控制料流于分型面處熔接，降低熔接與困氣風(fēng)險，最終獲得優(yōu)化的進(jìn)澆位置和塑件結(jié)構(gòu)方案。實際成型與模流分析的吻合度達(dá)到90%左右。經(jīng)過多次方案的模擬分析大大降低了修模次數(shù)，縮短了制造周期，降低了生產(chǎn)成本，提升了企業(yè)競爭力。