袁志華，符烜赫，袁博

（1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽 110159；2.沈陽城市學(xué)院，沈陽 110112）

0 引言

當(dāng)今世界，隨著材料科學(xué)的發(fā)展和進步，各種塑料的性能越來越好，塑料成為了應(yīng)用最為廣泛的材料[1]。在塑件生產(chǎn)中約有95%是依靠模具完成的。塑件的創(chuàng)新與換代都是以成型工藝的改進和模具的日臻完善為前提[2]。注塑成型是塑料加工中比較常用的一種加工方法，具有力學(xué)性能好、生產(chǎn)成本低、較短的成型周期以及較高的產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點[3]，被廣泛應(yīng)用于加工塑料產(chǎn)品。塑件的質(zhì)量和性能很大程度上由注塑方案和工藝參數(shù)所決定，不當(dāng)?shù)淖⑺芊桨负凸に噮?shù)會導(dǎo)致充填不足、熔接線過多、翹曲變形量大等問題。依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗試模的方法已經(jīng)不能滿足高質(zhì)量和高效率的需求，利用Moldflow進行模擬分析，能夠縮短研發(fā)周期，提高制件質(zhì)量，降低開發(fā)成本。

趙春元[4]根據(jù)實際情況設(shè)定了3種注塑位置方案，然后進行注塑模擬分析，通過比較3種注塑位置方案的填時間、流動前沿溫度、鎖模力和最大翹曲變形量，最終得到了最佳的注塑方案，為生產(chǎn)實踐提供了指導(dǎo)。常輝等[5]結(jié)合模具結(jié)構(gòu)及澆口形式確定3處不同的澆口位置方案，利用Moldflow軟件的填充+保壓+翹曲模塊對不同方案進行模擬，通過對得到的模擬結(jié)果進行分析，得到比較合適的澆口位置。黃永程[6]利用Moldflow軟件，對空調(diào)擋風(fēng)板進行注塑成型和注射壓縮成型模擬，將得到的結(jié)果進行對比分析，得到注射壓縮成型加工薄壁多孔塑件的質(zhì)量要好于注塑成型加工的結(jié)論。

噴嘴作為日常生活中經(jīng)常用到的產(chǎn)品，被廣泛使用在各種容器之上，本文以有限元模擬軟件Moldflow為分析平臺，分析澆注位置對產(chǎn)品的影響，以達到減少產(chǎn)品缺陷、降低制造成本、提高塑件質(zhì)量的目的。

1 噴嘴塑件前處理

1.1 噴嘴結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

利用UG軟件繪制的噴嘴三維模型如圖1所示。該塑件壁厚分布均勻，最大壁厚為1.55 mm，平均壁厚為1.13 mm。

圖1 噴嘴模型

建立噴嘴三維模型后，將噴嘴模型導(dǎo)入CAD doctor進行分析，目的是優(yōu)化后續(xù)分析，減少網(wǎng)格錯誤，對零件進行一定程度上的簡化。在UG中將零件以.igs格式導(dǎo)出，然后導(dǎo)入CAD doctor進行分析，可以發(fā)現(xiàn)零件由于不同軟件打開而導(dǎo)致的面缺失等錯誤。對這些錯誤進行修補及優(yōu)化，將修復(fù)完成后的零件導(dǎo)入Moldflow軟件并進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格模型劃分完成后，對劃分的網(wǎng)格進行修復(fù)，以提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，一般在雙層面類型的網(wǎng)格分析中縱橫比的推薦最大值為6左右，匹配百分比最好高于90%，相互百分比高于85%[7]。

如圖2所示，經(jīng)過修復(fù)后，噴嘴模型的網(wǎng)格劃分如下：三角形單元為24 828個，已連接節(jié)點為12 414個，連通域1個，最大縱橫比為6.15，平均縱橫比為1.67，最小縱橫比為1.16，匹配百分比為95.4%，相互百分比為93.3%。

圖2 網(wǎng)格劃分

為考慮能順利脫模，分型面選在零件輪廓最大處，并且該零件需要一側(cè)抽芯機構(gòu)，因此采用一模兩腔方案，如圖3所示。

圖3 型腔排列

1.2 材料選擇

本產(chǎn)品為塑料噴嘴，材料沒有特殊的要求，故使用常用于注塑制品的低密度聚乙烯[8]。低密度聚乙烯又稱高壓聚乙烯（Low Density Polyethylene，LDPE）。密度為0.91～0.93 g/cm3，是聚乙烯樹脂中最輕的品種，且其化學(xué)性能穩(wěn)定，具有良好的力學(xué)性能。

在Moldflow 上選擇的是Asia Poly 公司的POLYETHYLENES（PE）系列的M-201，基本參數(shù)如表1所示。

表1 PLDE在Moldflow上的參數(shù)

1.3 澆口位置設(shè)計及工藝參數(shù)設(shè)定

澆口位置的選擇在澆注系統(tǒng)設(shè)計中非常重要，澆口位置選擇不合理將會影響塑件的外觀和使用性能，可能會增加產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的成本。利用Moldflow軟件澆口位置分析模塊可以得到澆口匹配性云圖（如圖4），通過分析結(jié)果可以知道在噴嘴的最上方的澆口匹配性最好，因此設(shè)計成如圖5所示的點澆口。但在實際生產(chǎn)和工作中，澆口匹配云圖只能作為參考，不能作為最終方案的依據(jù)，還應(yīng)該結(jié)合塑件的結(jié)構(gòu)、表面質(zhì)量、模具結(jié)構(gòu)等因素。澆口若設(shè)計為點澆口，為脫出流道凝料，模具需多開一次模，所以做出圖6所示側(cè)澆口的方案[9]。

圖4 澆口匹配云圖

圖5 點澆口

圖6 側(cè)澆口

通過對模具成型窗口的分析，可以模擬出塑料零件在注射過程中的最佳注射溫度和注射時間。由表2可知，點澆口和側(cè)澆口的推薦模具溫度相同，側(cè)澆口方案的推薦熔體溫度為240 ℃，點澆口方案的推薦熔體溫度為220 ℃，均符合PLDE材料的熔體溫度范圍和模具溫度范圍。

表2 兩種澆口方案成型窗口比較

2 模擬結(jié)果與分析

在Moldflow中對兩種方案設(shè)置“填充+保壓+翹曲”的分析序列，通過模流分析可以得到塑件成型過程中的填充時間、流動前沿溫度、熔接線和翹曲變形等分析結(jié)果，只需要對不同澆口位置的模擬結(jié)果進行對比和分析，比較兩者的優(yōu)劣，就可以確定最佳澆口位置。

2.1 填充時間

填充時間是熔料充滿整個型腔所用的時間，從充填時間也可以看出在整個注塑過程中熔料的流動和是否會出現(xiàn)填充不足的情況。由圖7和圖8可以看出兩種方案均能保證填充完整性，側(cè)澆口方案所用時間要大于點澆口方案所用時間，側(cè)澆口方案的澆注時間為點澆口方案的171.6%。

圖7 點澆口方案充填時間

圖8 側(cè)澆口方案充填時間

2.2 熔接線

熔接線是注塑產(chǎn)品常見的缺陷，熔接線的存在不僅會影響塑件外觀，還會影響塑件的質(zhì)量與強度。由圖9、圖10可以看出點澆口方案熔接線分布較散，側(cè)澆口方案熔接線集中分布在側(cè)面且連接成線，可能會導(dǎo)致中間不完全融合，影響到表面的質(zhì)量。

圖9 點澆口方案熔接線

圖10 側(cè)澆口方案熔接線

2.3 流動前沿溫度

流動前沿溫度反映了熔料在充填過程中溫度的分布，并且可以通過流動前沿溫度看出熔接線的明顯程度，溫度越高，熔接線越不明顯。由圖11、圖12可以看出：點澆口方案溫差為6.9℃，最低溫度處為噴嘴底部；側(cè)澆口方案溫差為17.3 ℃，最低溫度處為噴嘴出口及其側(cè)面，這會導(dǎo)致側(cè)澆口方案的熔接線更加明顯。

圖11 點澆口方案流動前沿溫度

圖12 側(cè)澆口方案流動前沿溫度

2.4 翹曲變形

翹曲變形是塑件成型的缺陷之一，是指塑件的形狀與模具的型腔存在差別。噴嘴作為外觀制品，對表面質(zhì)量有一定要求，翹曲變形量是評價噴嘴的一個重要指標(biāo)。由圖13、圖14可以看出：點澆口最大變形量為0.265 2 mm，主要分布在噴嘴的最下方，最小翹曲變形量為0.066 1 mm；側(cè)澆口方案最大翹曲變形量為0.340 3 mm，主要分布在噴嘴出口處，最小翹曲變形量為0.079 3 mm。點澆口方案的翹曲變形量要小于側(cè)澆口方案的翹曲變形量。

圖13 點澆口方案變形量

圖14 側(cè)澆口方案變形量

2.5 兩種方案的比較

通過分析和比較兩種方案的分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：在充填時間方面，點澆口方案充填時間更短，生產(chǎn)效率更高；在流動前沿溫度方面，點澆口比側(cè)澆口溫度分布更加均勻，溫差更??；側(cè)澆口方案熔接線分布在零件表面且集中，影響塑件外觀，并且對塑件表面強度和質(zhì)量有影響；在變形方面，點澆口方案的翹曲變形量要小于側(cè)澆口方案的翹曲變形量。

綜合以上內(nèi)容可知，點澆口方案更加有優(yōu)勢，如果采用側(cè)澆口方案，會導(dǎo)致主流道的長度太長，浪費材料的同時，也不利于塑件從型腔中脫模。因此，點澆口方案在這個零件的設(shè)計中更加合理。

3 工藝參數(shù)優(yōu)化

為了讓噴嘴的質(zhì)量得到提升，同時提高參數(shù)優(yōu)化效率，采用DOE（Design Of Experiment）正交方法來設(shè)計實驗參數(shù)[10]。選取保壓時間、模具溫度、熔體溫度、保壓壓力（占注射壓力百分比）4個工藝參數(shù)建立4因素3水平正交試驗方案。采用正交表L9（34）進行模擬實驗，得到如表3所示的實驗結(jié)果。

表3 正交試驗方案與結(jié)果

從表3中可以看出不同工藝參數(shù)對于體積收縮率和變形量的影響，變化差異比較大。通過工藝DOE實驗，可以得到優(yōu)化的工藝參數(shù)：保壓時間為10 s；模具溫度為50 ℃；熔體溫度為220 ℃；保壓壓力為85%。將優(yōu)化后的工藝參數(shù)輸入Moldflow進行模擬分析，得到的結(jié)果如圖15～圖17所示。

圖15 優(yōu)化后流動前沿溫度

圖16 優(yōu)化后體積收縮率

圖17 優(yōu)化后變形量

由分析結(jié)果可以看出，塑件流動前沿溫度更加均勻，溫差更小，主體部分體積收縮率較小，變形量由以前的0.265 2 mm降低為0.259 2 mm。通過對比可以證實正交實驗法優(yōu)化的注塑成型工藝參數(shù)具有一定的提升。

4 結(jié)語

本文利用Moldflow軟件強大的分析與計算功能，對塑料噴嘴的點澆口和側(cè)澆口兩種方案進行模擬分析，得到了充填時間、流動前沿溫度、熔接線及翹曲變形量的實驗數(shù)據(jù)，通過對比數(shù)據(jù)確定最佳澆口位置，并通過正交實驗法對最終的成型工藝參數(shù)進行優(yōu)化。本實驗?zāi)軌驗樽⑺芊桨傅谋容^和其它薄壁注塑件的設(shè)計和生產(chǎn)提供參考，可促進注塑成型工藝的發(fā)展，減少模具生產(chǎn)過程中的成本，有利于塑料制品的多樣發(fā)展和優(yōu)化發(fā)展。