常開洪 鄭海東 張喜根

（貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 黔東南 556000）

0 引言

澆口尺寸、位置和大小設(shè)計(jì)是影響注塑質(zhì)量的關(guān)鍵，同時(shí)也決定了熔體在型腔中流動(dòng)的均衡性和方向性。若澆口設(shè)計(jì)不當(dāng)極易出現(xiàn)熔接痕、形變等問題，所以利用Moldflow軟件對(duì)澆口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠?yàn)樽⑺苄袠I(yè)提供仿真試驗(yàn)和模擬分析，以此縮短試驗(yàn)周期，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，有助于促進(jìn)注塑行業(yè)與注塑技術(shù)發(fā)展。

1 銀飾制件澆口設(shè)計(jì)方案——以自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承為例

1.1 行腔與模芯確定

模具型腔的設(shè)計(jì)需要根據(jù)技術(shù)條件和生產(chǎn)需要所確定，技術(shù)條件主要包括注塑機(jī)的鎖模力、模具總尺寸、模具分尺寸以及模具尺寸精準(zhǔn)度等，而除去技術(shù)條件，在一定程度上增加型腔也會(huì)提高生產(chǎn)成本。就模具成型質(zhì)量而言，注射量不需要過多的型腔，過多的型腔不僅會(huì)延長(zhǎng)注塑時(shí)間，同時(shí)也無法保證注塑產(chǎn)品尺寸的精準(zhǔn)度。該文以自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承設(shè)計(jì)為例，由于自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承屬于高精度小型嵌件，所以該文的型腔選擇為一模一腔結(jié)構(gòu)形式。

模芯作為注塑過程中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其精準(zhǔn)差要求控制在±0.5mm以內(nèi)。同時(shí)模芯質(zhì)量的優(yōu)異與否是直接影響注塑產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。該文以自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承注塑研究為例，為了區(qū)別于傳統(tǒng)模芯，該研究注塑襯墊材料搶先于軸承內(nèi)外圈之間，因此該文所研究的自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承需要發(fā)揮定位功能，由此可得模數(shù)據(jù)圖（如圖1所示）?？紤]軸承外圈加工的精準(zhǔn)度要求，下模芯內(nèi)表面設(shè)計(jì)需要在標(biāo)準(zhǔn)尺寸基礎(chǔ)之上增加0.5mm，在置放桿端下模芯凹槽位置在標(biāo)準(zhǔn)外圈基礎(chǔ)之上增加0.5mm，以此保證軸承的周向定位功能。

圖1 自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承模芯

1.2 模架選擇

結(jié)合該試驗(yàn)所使用的注塑機(jī)尺寸（415 mm250 mm），綜合考慮模具與注塑機(jī)的尺寸匹配程度，該試驗(yàn)所選用的動(dòng)模和定模底座截面尺寸為250 mm200 mm，由于動(dòng)模與定模與該模具底座位置長(zhǎng)度一側(cè)相比會(huì)減少20 mm ~30 mm，因此該試驗(yàn)定模與動(dòng)模尺寸為200 mm200 mm。

模具高度與注塑機(jī)開模行程大小、距離有關(guān)，而注塑機(jī)開模行程是模具在開合過程中所達(dá)到的面積。因此，模具高度應(yīng)當(dāng)滿足＞+++（5~10）mm（其中為開模的最大行程，為模架高度，為注塑產(chǎn)品高度，為動(dòng)模與定模的分離距離）。

結(jié)合此次試驗(yàn)的注塑機(jī)條件，開模最大行程為400 mm，結(jié)合《注塑模模架操作規(guī)范》，此次設(shè)計(jì)的定模與動(dòng)模之間的分離距離為110 mm，由此可得模具模架圖（圖2）。根據(jù)圖2可知，模架從上至下依次為定模底班、脫料板、定模板、動(dòng)模板、支撐板以及底座，高度依次為30 mm、20 mm、60 mm、60 mm、70 mm以及25 mm，由此模具總高度為265 mm。

圖2 模具模架圖

1.3 銀飾制件澆口設(shè)計(jì)

銀飾制件澆口需要遵循以下5個(gè)原則：1）熔體進(jìn)入型腔過程中，確保熔體填充不出現(xiàn)渦流。2）主流道、分流道避免出現(xiàn)彎折情況，以此減少注塑壓力，同時(shí)保證流道軸線與噴嘴保持一致高度。3）注塑過程中為保證均衡進(jìn)料，熔體在進(jìn)入過程中需要針對(duì)一模一腔結(jié)構(gòu)保證熔體達(dá)到對(duì)稱一致，所以分流道需要盡量采用平衡式分布。4）噴嘴進(jìn)料選用分流道冷料穴。5）開模過程中由于澆口塑料與注塑產(chǎn)品容易出現(xiàn)分離情況，所以注塑后產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)盡量減少注塑痕跡，以此保證軸承性能。

自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承澆口通常采用直澆口、側(cè)料口和點(diǎn)澆口3種類型。其中直澆口歸屬于大澆口類型，該澆口類型橫截面大于直流道截面面積，因此此類澆口能夠有效減少熔體流動(dòng)阻力，有助于物料傳遞，更加適用于長(zhǎng)流道的大型注塑產(chǎn)品注塑過程中。但是同時(shí)也是因?yàn)闈部诮孛婷娣e較大，所以后續(xù)除料困難，除料完成后痕跡明顯，影響注塑產(chǎn)品外觀和性能。側(cè)料口歸屬于邊緣澆口類型，該澆口類型截面小，優(yōu)點(diǎn)在于方便加工和修正，能夠通過控制澆口的深度、寬度控制注塑速度，并且該澆口類型截面小，所以后續(xù)處理方便，對(duì)外觀和后續(xù)使用影響較小。但是同時(shí)由于其截面小，所以注塑過程可能出現(xiàn)排氣不暢等問題，進(jìn)而導(dǎo)致塑件表面出現(xiàn)坑包等質(zhì)量問題。點(diǎn)澆口與側(cè)澆口同屬于小澆口類型，但是點(diǎn)澆口具備小澆口的一般特性（流動(dòng)阻力大、剪切效率高和防止倒流），同時(shí)連接強(qiáng)度較低，易于拉斷，后續(xù)處理簡(jiǎn)單，對(duì)外觀和后續(xù)使用影響較小。結(jié)合自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承澆口特點(diǎn)類型，該研究選用小澆口類型，同時(shí)考慮自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承澆口形狀，為避免破壞桿端關(guān)節(jié)軸承整體結(jié)構(gòu)，所以該研究采用點(diǎn)澆口澆口類型。

根據(jù)澆口直徑，如公式（1）所示。

式中：為澆口直徑，mm；為材料系數(shù)；為材料壁厚系數(shù)；為型腔表面積，mm。

壁厚系數(shù)與材料品質(zhì)有關(guān)，通過分析銀飾材料壁厚系數(shù)（表1），該研究注塑襯墊中心壁厚系數(shù)為0.24。

表1 點(diǎn)澆口系數(shù)數(shù)據(jù)

通過繪圖軟件查閱自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承相關(guān)數(shù)據(jù)得知，自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)表面積為637 mm，澆口直徑為0.97 mm，由于研究所需材料不同，因此將澆口直徑設(shè)計(jì)為0.95 mm，澆口長(zhǎng)度控制在0.3 mm~0.5 mm。

2 基于Moldflow軟件的銀飾制件澆口注塑過程模擬

2.1 澆口系統(tǒng)創(chuàng)建與檢驗(yàn)

通過對(duì)澆口的尺寸以及位置設(shè)計(jì)，對(duì)流道系統(tǒng)構(gòu)建相應(yīng)的模型，由于Moldflow軟件采用嵌件雙層面網(wǎng)格操作設(shè)計(jì)，并不支持冷卻系統(tǒng)分析，所以無須對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

完成澆口系統(tǒng)創(chuàng)建之后，在Moldflow軟件中需要對(duì)澆口系統(tǒng)連貫性進(jìn)行檢驗(yàn)，以此確定流道系統(tǒng)是否與襯墊相聯(lián)通，以此保證熔體能夠順利流入。完成了澆口系統(tǒng)創(chuàng)建與檢驗(yàn)后，通過Moldflow軟件進(jìn)行“填充-保壓-翹曲”的設(shè)置，并采用默認(rèn)工序?qū)部谙到y(tǒng)進(jìn)行初步模擬，并將初始數(shù)據(jù)進(jìn)行如下設(shè)置：將模具溫度設(shè)置為70 ℃；將熔體溫度設(shè)置為285 ℃；將流動(dòng)速率設(shè)置為60 cm/s；將保壓壓力設(shè)置為60 MPa、將冷卻時(shí)間設(shè)置為12 s，以此進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

所謂填充時(shí)間是指熔體在澆注過程中顯示時(shí)間，從澆注時(shí)間的長(zhǎng)、短以及自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承澆口部位形變情況能夠關(guān)注不同時(shí)間段注塑產(chǎn)品的填充情況。在Moldflow軟件中通過動(dòng)畫的形式重現(xiàn)了熔體填充的過程。為了保證展示更加直觀，通過對(duì)0.2 s、0.4 s、0.6 s和0.9 s的狀態(tài)進(jìn)行觀察，得出以下結(jié)論：在0.2 s時(shí)，熔體進(jìn)入型腔；0.9 s時(shí)型腔填滿；在0.4 s~0.7 s時(shí)間段，熔體流動(dòng)情況平穩(wěn)，并未出現(xiàn)明顯流動(dòng)異常。

熔接痕的出現(xiàn)主要是由熔體澆注過程中并未完全融為一體，而在融合部分形成印記造成的。在軸承襯墊中，熔接痕的出現(xiàn)主要是由澆口在法線融合區(qū)域，熔體在型腔流動(dòng)過程中產(chǎn)生直流造成的。通過Moldflow軟件分析，熔接痕的出現(xiàn)一般出現(xiàn)在彎曲強(qiáng)度第軸承擺動(dòng)疲勞區(qū)域產(chǎn)生，并且由于該區(qū)域受壓明顯，區(qū)域承載能力差，因此會(huì)出現(xiàn)熔接痕情況。通過觀察接痕情況得出以下結(jié)論：熔接痕主要出現(xiàn)在熔體交匯處，為了規(guī)避熔接痕的出現(xiàn)，可以改善注塑工藝或者提高熔體溫度。

形變情況主要是指注塑產(chǎn)品脫模后出現(xiàn)彎曲或者旋轉(zhuǎn)情況，較為典型的形變現(xiàn)象則是在澆口平坦處出現(xiàn)不同朝向的彎曲，形變問題的出現(xiàn)會(huì)直接影響產(chǎn)品性能。該文通過研究自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承，如果注塑完成后澆口處出現(xiàn)明顯形變情況，那么軸承受力則會(huì)分布不均，不同部位磨損情況則會(huì)不同，進(jìn)而影響使用壽命。

在Moldflow軟件中對(duì)軸承澆口形變情況進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：方向形變量為0.11 mm，方向形變情況為0.10 mm，方向形變情況為0.06 mm。由于關(guān)節(jié)軸承形變數(shù)據(jù)需要控制在±0.04 mm，明顯三個(gè)方向的形變情況均超出該范圍。

3 基于正交試驗(yàn)銀飾制件澆口注塑成型工藝優(yōu)化方案

3.1 試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

模具溫度過高，熔體無法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)降溫，而冷卻后的材料分子鏈會(huì)出現(xiàn)明顯收縮，進(jìn)而導(dǎo)致形變情況；而模具溫度過低，則極易導(dǎo)致材料流動(dòng)性不足，出現(xiàn)填充不足的問題，進(jìn)而因殘余應(yīng)力導(dǎo)致形變情況。根據(jù)Moldflow軟件，在軸承的窗口中將模具溫度控制在75 ℃~115 ℃，并在此區(qū)間范圍內(nèi)將模具溫度控制在75 ℃、85 ℃、95 ℃、105 ℃和115 ℃進(jìn)行試驗(yàn)。

熔體溫度與材料性質(zhì)和材料系數(shù)相關(guān)，熔體溫度過低會(huì)增加流動(dòng)阻力，導(dǎo)致出現(xiàn)熔接痕；而熔體溫度過高，則極易出現(xiàn)燒灼情況，影響材料性能。因此，結(jié)合軸承的材料和系數(shù)，將熔體溫度范圍控制在280 ℃~305 ℃，并在該區(qū)間范圍內(nèi)將熔體溫度控制在280 ℃、285 ℃、290 ℃、295 ℃和300 ℃進(jìn)行試驗(yàn)。

流動(dòng)速度與注射壓力有關(guān)。如果流動(dòng)速度過小，則導(dǎo)致熔體前沿溫度與后沿溫度不同，出現(xiàn)沖模困難，進(jìn)而出現(xiàn)熔接痕情況；如果流動(dòng)速度過大極，易導(dǎo)致剪切速率過高，出現(xiàn)燒灼現(xiàn)象，澆口處會(huì)產(chǎn)生蛇形噴流，降低材料性能。因此，結(jié)合軸承的材料和系數(shù)，將流動(dòng)速度范圍控制在30 cm/s~50 cm/s，并在此區(qū)間范圍內(nèi)將流動(dòng)速度控制在30 cm/s、35 cm/s、40 cm/s、45 cm/s、50 cm/s進(jìn)行試驗(yàn)。

保壓壓力能夠保證熔體緊貼軸承，但是較高的保壓壓力會(huì)導(dǎo)致脫模困難，在頂出過程中出現(xiàn)形變，或者出現(xiàn)飛邊；而不足的保壓壓力則會(huì)出現(xiàn)熔體無法與軸承緊貼，軸承壁與熔體之間出現(xiàn)空隙，影響使用效果。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，軸承保壓壓力需要控制在40 MPa~80 MPa，所以選取40 MPa、50 MPa、60 MPa、70 MPa以及80 MPa進(jìn)行試驗(yàn)。

冷卻時(shí)間占據(jù)總澆筑時(shí)間的80%以上，如果冷卻時(shí)間過短，則易導(dǎo)致軸承出現(xiàn)形變情況，影響軸承尺寸穩(wěn)定性；如果冷卻時(shí)間過長(zhǎng)，則影響生產(chǎn)成本。根據(jù)填充時(shí)間進(jìn)行分析，冷卻時(shí)間需要控制在9 s~21 s，所以選取9 s、12 s、15 s、18 s和21 s進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 結(jié)果分析

極差分析公式如公式（2）所示。

式中：為極差；X為等差求和；X為選項(xiàng)數(shù)量。

根據(jù)公式（1）可得出體積極差分析結(jié)果（表2），根據(jù)結(jié)果顯示軸承注塑過程中保壓壓力對(duì)其影響最大，其次是模具溫度、流動(dòng)速率、冷卻時(shí)間和熔體溫度。由數(shù)據(jù)顯示，銀飾制件澆口的注塑工藝可采取如下設(shè)置：模具溫度75 ℃，熔體溫度280 ℃，流動(dòng)速率50 cm/s，保壓壓力80 MPa，冷卻時(shí)間21 s。

表2 體積極差分析結(jié)果

方差分析法能夠在極差分析的基礎(chǔ)之上區(qū)分各個(gè)因素的試驗(yàn)結(jié)果，以此保證實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)度。該文試驗(yàn)的方差分析是通過因素變量與目標(biāo)變量進(jìn)行分析，并且通過分析各個(gè)因素之間的變化估算試驗(yàn)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果所殘生的影響。根據(jù)軟件處理，得出體積收縮率分析結(jié)果數(shù)據(jù)（表3），根據(jù)方差分析結(jié)果顯示保壓壓力影響明顯大于其他4個(gè)因素分子，并且該結(jié)果與體積極差分析結(jié)果相似。

方差分析法能夠在極差分析的基礎(chǔ)上區(qū)分各個(gè)因素的試驗(yàn)結(jié)果，以此保證試驗(yàn)精準(zhǔn)度。該文試驗(yàn)的方差分析是通過因素變量與目標(biāo)變量進(jìn)行分析，并且通過分析各個(gè)因素之間的變化估算試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果所殘生的影響。根據(jù)軟件處理得出體積收縮率分析結(jié)果數(shù)據(jù)（表3），方差分析結(jié)果顯示保壓壓力影響明顯大于其他4個(gè)因素分子，并且該結(jié)果與體積極差分析結(jié)果相似。

表3 體積收縮方差分析

4 總結(jié)

經(jīng)過研究，該文利用Moldflow軟件以自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承為銀飾制件澆口進(jìn)行設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)2種不同的設(shè)計(jì)方案，然后采用Moldflow軟件、極差分析以及方差分析對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行模擬并得出數(shù)據(jù)結(jié)果，然后得出相應(yīng)的模具溫度、熔體溫度、流動(dòng)速率、保壓壓力和冷卻時(shí)間等模擬數(shù)據(jù)。經(jīng)過研究，能夠?yàn)樽⑺苄袠I(yè)縮短銀飾制件澆口開發(fā)周期，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，有助于提高企業(yè)生產(chǎn)效率，對(duì)指導(dǎo)工業(yè)化生產(chǎn)具有一定實(shí)踐意義。