大尺寸帶開孔結構注塑食品容器的熔接痕CAE分析

馬松柏 張紹英 王 晶

（1．北京工商大學，北京 100048；2．中國農業大學，北京 100083）

熔接痕是指當塑料熔體在注塑充型過程中，當兩股或多股相向流動的熔體匯合時，由于熔體間存在的溫差造成熔體不能完全融合，導致在匯合處產生線性凹槽的現象［1］。對于尺寸較大的注塑制品，為縮短熔體流程和加速充型，往往布置兩個或兩個以上的澆口進澆，不同澆口進入型腔的熔體前沿迎頭相遇從而形成冷接痕，若制品中存在孔洞、嵌件，則熔體在孔洞、嵌件處將先分開再匯合從而形成熱接痕，無論哪種熔接痕，都將嚴重影響制品的外觀質量及力學性能。而隨著大尺、帶開孔結構的塑料制品的不斷增多，如何提高制品熔接痕處的性能及減少熔接痕已成為研究重點。近年來，對這一問題的試驗及理論研究多集中在汽車、家電、儀器儀表等行業，并取得了較多的理論成果。

傳統的果蔬包裝材料有竹筐以及由天然纖維或合成纖維生產的網袋等，塑料包裝材料與傳統材質相比，具有體積小、質量輕、抗沖擊性能好、耐腐蝕、使用壽命長、（可回收）安全衛生、不易破碎、便于印刷、造型美觀等優點，逐漸取代傳統材質而被廣泛用于食品包裝中［2］。注塑成型是塑料食品容器最有效的成型方法之一［3］。因此，近年來大尺寸、開孔結構的注塑食品容器也被廣泛使用。對塑料食品容器制品而言，在滿足使用功能的基本前提下，對制品的整體外觀具有較高的要求。本試驗以一典型大尺寸、開孔結構的塑料食品容器為研究對象，在已有相關理論及試驗研究成果的基礎上，借助AMI2010軟件模擬制品的注射過程，分析制品模具原設計方案中導致熔接痕過大的成因，并做了有針對性的優化，為塑料食品容器模具設計人員進行大尺寸、開孔結構的模具設計提供思路與參考，從而達到幫助企業縮短產品開發周期，提升企業競爭力的目的。

1 制品模型的建立

本試驗所選用的大尺寸、開孔結構的注塑食品容器外形結構為某公司產品，其Pro／E 三維造型見圖1（由于利用AMI軟件很難直接進行造型設計，須先在Pro／E 或其它三維造型軟件中建模并將模型文件轉存為STL 格式文件再導入到AMI中［4］），外形尺寸為350mm×250mm×160mm，側壁壁厚為7．5mm，頂部厚度5mm，底部厚度為7．5mm，側面筋板厚度為2．5mm，拔模斜度15°。由其外形可知，該制品尺寸較大，含有較多孔洞，且壁厚不均，為一典型大尺寸、開孔結構食品容器制品。

圖1 制品三維模型Figure1 The Model of Part

在AMI2010 軟件中導入制品的STL 文件模型，材料選用韓國SK 的R370Y 型PP 材料。采用雙面網格劃分網格單元，制品劃分網格后見圖2。網格的匹配率為91．3%，網格劃分滿足要求，保證了后續的分析結果和實際的過程會盡可能的相近。

圖2 制品網格劃分Figure2 Mesh Rezoning of Part

2 CAE分析及優化流程

2．1 成型工藝窗口選取注塑工藝參數

大量研究［5，6］表明，制品及模架結構、材料性質、注塑工藝參數對熔接痕的形成有重要影響。本試驗首先借助AMI的Molding Windows（成型工藝窗口）選取合適的注塑工藝參數。

工藝參數的選取主要包括熔體溫度、模具溫度、注射壓力、保壓壓力、注射時間和充模速度等。AMI的Molding Windows窗口分析得到的工藝參數范圍：模具溫度20～80 ℃，熔體溫度200～280 ℃，注塑時間0．1～49．2s。如果成型工藝條件位于這個范圍之內，就可以生產出好質量的制品。本試驗的工藝參數：模具溫度80 ℃，熔體溫度270 ℃，注射壓力180 MPa，保壓時間15s，注射速率65cm3／s。

2．2 初始設計方案分析

制品模具的初始設計方案如圖3所示，其中澆注系統主流道直徑為12mm，長度為60 mm，分流道直徑為10 mm，長度為310mm，末端采用牛角澆口形式分4個方向進澆；冷卻水路的直徑為14mm，距離制品表面25mm，管道數量16個，上下各8 個對稱分布在制品上下兩側，管道中心距35mm，制品之外的間距為30mm。在AMI軟件中按照2．1設置的各項參數，運行充填和冷卻分析后可以查看原設計方案中制品熔接痕的形成情況見圖4。

圖3 模架結構原始設計方案Figure3 The original design scheme of mold structure

圖4 原始方案的制品熔接痕缺陷Figure4 Weld－line defect on product of original scheme

由圖4的仿真結果不難看出，制品熔接痕大部分分布在制品的孔洞處，而最大的熔接痕缺陷發生在制品底部并向制品兩邊開裂，這對制品的外觀及整體力學性能都有較大影響。

進一步分析比較圖5和圖6可知，制品充填過程總體溫度與流動前沿溫度差達到5．3 ℃，表明制品各表面受熱不均。

由上述分析比較可知，本試驗在材料及主要工藝參數都已相對固定的前提下，制品熔接痕缺陷形成的原因除制品本身的結構特點外，更主要的原因來自于原始方案中模架結構設計的問題。因此，針對此制品大尺寸、開孔結構的特點，設計更加合理的模架結構儀器消除或降低熔接痕缺陷是主要思路。

2．3 優化方案設計及CAE分析

2．3．1 模具結構優化設計方案 本試驗中制品本身的結構特點造成熔接痕多出現在孔洞處及薄壁處，而工程實踐證明，制品在滿足功能結構要求前提下，應盡量保證結構中各處的壁厚均勻一致，如無法完全一致時也應該使壁厚差小于30%，并在可能產生熔接痕的位置適當增加壁厚則利于熔體融合，從而提高熔接強度。而孔洞的結構形式也應盡量設計成光滑連續的形狀，避免出現局部應力集中從而出現熔接痕。本試驗中制品的部分壁厚差超過30%，因此，將制品的側面筋板厚度由原來的2．5mm 改為5mm。

圖5 原始方案充填總體溫度Figure5 The filling bulk temperature of original scheme

圖6 原始方案充填流動前沿溫度Figure6 The flow front temperature of original scheme

工程實踐證明，改進模具結構控制熔接痕的主要措施包括：合理設置澆口位置與數量，設計合理的澆注系統，適當提高模具型腔及型芯的表面粗糙度等。就本試驗原始方案的澆注系統而言，澆口數量太多且澆口截面積過小則熔體在進入模具型腔后將被分成多股，而多股熔體的流速又不相同，則極易產生熔接痕［7］。因此，合理選擇澆口位置、減少澆口數、增大澆口截面積、采用分流少的澆口形式均可降低澆注系統對熔接痕的影響。另一方面，本試驗中模具的冷卻系統使熔體在型腔中冷卻太快且不均勻，也是導致多股熔體在匯合時產生熔接痕的另一原因，因此，改進方案的冷卻系統應保證熔體在型腔充填過程中冷卻均勻且時間不宜過快。

圖7 模具結構優化設計方案Figure7 The optimal design scheme of mold structure

根據上述分析，基于本試驗中制品的形體特點，優化后的模架結構設計方案見圖7。優化方案對澆注系統的澆口位置及進澆形式做了適當調整［8，9］，澆口數目由4個變為2個，主流道直徑為16 mm，長度為40 mm，分流道直徑為14mm，長度為30mm，對稱分布在制品底面幾何中心兩側，間距40mm，澆口為圓錐澆口，小徑為5 mm；冷卻水路重新布局，管道數量由16個增加為28個，其中上表面的冷卻水路管道數量仍為8個，直徑為14mm，距離制品表面25mm，長度方向兩邊側壁各增加了4個管道，沿制品長度對稱面對稱分布，寬度方向各增加了6個管道，沿制品寬度對稱面對稱分布，管道中心距均30mm。新冷卻水路兼顧了制品的整體結構特點，力求使制品各表面受熱更加均勻。

2．3．2 CAE仿真及結果分析 在AMI軟件中對優化方案設置與原始方案相同的參數與工藝，得到優化方案的熔接痕分布情況見圖8。

分析圖8可知，原設計方案中位于制品底部并向制品兩邊開裂的較大熔接痕已經消失，分布在制品孔洞處的熔接痕也已經減少或基本消失；進一步分析比較圖9與10可知，制品充填過程中總體溫度與流動前沿溫度差已經下降到0．3 ℃。

圖8 優化方案的熔接痕Figure8 Weld－line defected on product of optimal scheme

圖9 優化方案充填總體溫度Figure9 The filling bulk temperature of optimized scheme

圖10 優化方案充填流動前沿溫度Figure10 The flow front temperature of optimized scheme

模擬分析結果表明，模具結構優化設計方案滿足制品設計要求，可以生產出外觀及力學性能合格的制品。

3 結論

本試驗以某公司的大尺寸、開孔結構的塑料食品容器制品及其模架設計為例，針對其結構特點及成型情況，在模具制造前，運用AMI在計算機上進行填充、流動、冷卻等模擬分析，確定了原始設計方案中引起熔接痕缺陷的主要原因并做了較全面的分析，結合AMI的多種工具對原設計方案進行了更加有針對性的優化設計，對制品的壁厚進行了修正并對模架結構做了優化，確定了更加理想的澆注系統及冷卻系統，模擬結果表明，優化方案有效降低了制品表面的熔接痕缺陷。實際生產中，除了對制品結構本身及模架結構的改進來控制大尺寸、帶孔結構的制品熔接痕的措施外，還可以通過合理選擇材料、成型工藝改進及采用先進的加工設備等方法控制此類制品熔接痕的產生，這些需要設計人員針對產品的具體情況進行大量的模擬與試驗操作方能確定。

利用CAE技術對塑料產品注塑過程進行模擬仿真，從而對注塑模具結構優化設計是模具制造業的一個發展趨勢，本試驗所述方法可以為大尺寸開孔結構的注塑食品容器的設計及制造提供科學的理論依據，對提高注塑食品容器的產品質量，降低模具開發成本，縮短產品開發周期，提高企業市場競爭力具有重要的意義。

1 嚴志云，丁玉梅，謝鵬程，等．注塑成型熔接痕缺陷研究進展［J］．塑料工業，2009，37（4）：1．

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3 章建浩．食品包裝技術［M］．北京：中國輕工業出版社，2001：92～95．

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5 鄧惠芳．熱流道技術在塑料容器注塑加工中的應用［J］．食品與機械，2006，22（4）：122～123．

6 余堅勇，郝利民，錢平，等．基于有限元分析的淺盤食品包裝容器設計［J］．食品與機械，2011，27（2）：94～96．

7 鐘皓東，鄧益民．基于AMI的澆口位置分析對熔接痕的影響［J］．輕工機械，2007，25（1）：24．

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