基于Moldflow的豎梁基座氣體輔助注射成型工藝優化

王小新，曹永寧

（青島科技大學高分子科學與工程學院，山東青島266042）

基于Moldflow的豎梁基座氣體輔助注射成型工藝優化

王小新，曹永寧

（青島科技大學高分子科學與工程學院，山東青島266042）

通過Moldflow軟件對家電產品零件豎梁基座進行了氣體輔助注射成型（GAIM）過程模擬仿真，并對比了不同工藝參數方案，優化得出了較好的氣道布局和氣體穿透效果，能夠有效避免表面縮痕等產品缺陷，可以為模具設計及GAIM提供指導。

Moldflow；氣體輔助注射成型；工藝參數；縮痕

0 前言

注射成型計算機輔助工程（CAE）是以計算機料流分析軟件為工具，通過對注塑過程仿真模擬，進而對模具設計和注射成型進行優化和改進的技術。CAE技術在提高生產效率、降低生產成本和提升產品品質等方面都發揮了重要作用［1-4］。

GAIM技術是一項新興的注射成型技術，其原理是利用高壓氣體在塑件內部產生中空截面，利用氣體保壓代替塑料注射保壓，完成注射成型過程。與普通注射成型工藝相比，氣體輔助注射成型有很多優點［5-7］：

（1）消除塑件表面縮痕，提高表面品質；

（2）加氣道增厚處可增加制件的強度和尺寸穩定性，并降低制品內應力，減少翹曲變形；

（3）節約原材料；

（4）簡化產品和模具設計，降低模具加工難度；

（5）可以降低型腔壓力，從而降低鎖模力；

（6）冷卻速度加快，生產周期縮短，生產效率提高。

GAIM雖然有很多優點，但是想得到好的氣輔效果，需要反復地調試氣輔工藝參數，反復地試模。這樣，生產效率會大大降低，而且GAIM產品的品質不能得到保證。要解決這些問題，需要通過成熟的注塑CAE技術來模擬GAIM過程，預測成型過程中可能出現的問題，最終得到最佳的GAIM工藝方案［8］。

1 豎梁基座產品特點及成型方案

家電產品零件豎梁基座是用在家電產品上起支撐和固定作用的，要求有一定的強度和較高的外觀品質。其外形尺寸為75 mm×65 mm×27 mm。制品整體厚度為2 mm，內側邊緣處略微減薄。圖1為產品的三維模型圖。

圖1 豎梁基座產品三維模型Fig．1 3D model of the vertical beam base part

該產品材料為高抗沖聚苯乙烯（PS-HI），牌號為Polyrex PG-79，中國臺灣美奇公司，詳細物料參數見表1。

表1 Polyrex PG-79的物料參數Tab．1 Parameters of Polyrex PG-79

由于產品為大批量生產，因此設計的模具為1模4腔的多腔模具。模具的型腔排布方式和澆注系統設計如圖2所示。

圖2 型腔排布方式和澆注系統設計Fig．2 Cavity configuration and gating system

考慮到該產品對外觀有較高的要求，擬采用彎鉤澆口，澆口進澆點潛入分型面下方，在動定模分型或制件被頂出時，流道和制件被自動切斷，故材料要具有一定的韌性，模具的分型或推出必須有足夠的力量。彎鉤澆口為圓弧形的彎曲的潛伏澆口，可以在扁平塑件的內側進料。本文采用直徑為1．5 mm的為彎鉤澆口，如圖3所示。

圖3 彎鉤澆口Fig．3 Gating of the hook

2 氣道布局及氣體輔助方案設計

采用普通注射成型對豎梁基座進行CAE分析，發現由于產品螺釘柱部分較厚，在其背側表面會產生明顯的縮痕，嚴重地影響了制品的表面品質。所以，為了避免縮痕，在產品2個面拐角接近螺釘柱的地方設置氣道，采用GAIM。如圖4為Moldflow軟件中顯示的采用普通注射成型，螺釘柱背側的縮痕指數效果圖。

圖4 縮痕指數效果圖Fig．4 Sink marks index

可以看出，接近螺釘柱的表面的縮痕指數達到2．5％，明顯高于表面其他區域，極易在制件表面形成縮痕。所以，有必要采用GAIM消除縮痕缺陷。

本文將氣道設置在產品2個面拐角處，且氣道兩端截面逐漸變小。Moldflow中的氣道采用柱體單元劃分，但實際中的氣道截面形狀往往不是圓形，需要計算等效直徑和形狀因子來進行校核。等效直徑是利用實際氣道截面與柱體氣道截面積相同來得出的，而形狀因子是實際氣道截面周長與柱體氣道截面周長之比。經計算，得出該產品氣道的等效直徑為4 mm，形狀因子為0．8。圖5、6分別為氣道布局和截面樣式圖。

圖5 氣道布局Fig．5 Airway layout

圖6 氣道截面樣式Fig．6 Section of the airway

氣體入口是將壓縮氣體注入到模具型腔中的位置。選擇氣體入口的位置時應確保氣體可以停留在氣體通道中，并且確保壓力最低的區域靠近氣道的末端。本文將進氣口位置設置在氣道的中間，如圖7所示。

圖7 氣體入口Fig．7 Gas inlet

工藝方面，影響氣輔成型產品品質的主要工藝參數有熔料充填百分比、氣體壓力和延遲時間等，尤其是熔料充填百分比和氣體壓力，對氣體穿透效果有著決定性影響。

本次分析采用壓力控制，氣針進氣，將氣體壓力生成壓力曲線進行氣體注射。為保證氣體壁的厚度，防止薄壁穿透現象，擬定2 s的熔體充填時間和1 s的延遲時間。針對熔體充填體積百分比和氣體壓力這2個氣輔注射成型的關鍵工藝參數，設定了4種不同的保壓方案進行分析：

方案一：熔體充填體積百分比為99．5％；方案二：熔體充填體積百分比為99％。方案一、二的氣體壓力曲線如圖8（a）所示。

方案三：熔體充填體積百分比為99．5％；方案四：熔體充填體積百分比為99％。方案三、四的氣體壓力曲線如圖8（b）所示。

圖8 4種方案的氣體壓力Fig．8 Gas pressure for four plans

3 氣體穿透效果分析

氣體時間結果表示氣體達到塑件各部位的時間，用于檢查壓縮氣體是如何填充塑件和氣體滲透到的區域。若發現有大量氣體滲透到不需要的塑件區域或氣體滲透過快，則需要調整氣輔工藝參數來改善。圖9為4種方案的氣體穿透模擬分析結果。

表2給出了氣輔分析氣體穿透效果比較。可以看出，方案二中氣體能夠有效穿透到整個氣道，且滲透到產品薄壁內的氣體較少，氣體穿透效果較好，能夠有效解決螺釘柱部位的表面縮痕問題。

圖9 4種方案的氣體穿透效果圖Fig．9 Gas penetration for four plans

表2 氣輔分析氣體穿透效果比較Tab．2 Comparison of the gas penetration effect of various solutions

為了進一步確認方案二的氣輔成型效果，對方案二進行了氣道樹脂厚度分析。圖10為方案二樹脂表層厚度結果圖，由圖可知，氣道沒有出現樹脂層厚度過大或樹脂層厚度過小現象，滿足氣道截面尺寸要求。

圖10 樹脂表層厚度結果Fig．10 Thickness of the surface of resin

綜上所述，本文得到優化的GAIM工藝方案如下：塑料熔體充填百分比為99％，延遲時間為1 s，氣體壓力控制見表3。

表3 氣體輔助注射成型氣體壓力控制Tab．3 Gas pressure of GAIM

4 結論

（1）利用注射成型CAE軟件對注塑過程進行仿真分析是一個復雜的工程性工作，能夠解決較復雜的工程問題，具有技術含量高、涉及范圍廣的特點；

（2）運用Moldflow料流分析軟件，對家電產品零件豎梁基座進行氣體輔助注射成型過程的模擬仿真，得到了直觀的動畫、圖片和數據結果，通過對不同方案結果的對比分析，完善了模具設計方案，優化了氣體輔助注射成型工藝參數，能夠有效解決制品表面縮痕問題。

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Optimization of Gas-Assisted Injection-molding Process for Vertical Beam Base Parts Based on Moldflow

WANG Xiaoxin，CAO Yongning
（School of Polymer Science and Engineering，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266042，China）

Moldflow software was used to simulate the gas-assisted injection-molding（GAIM）process for the vertical beam base as a part of household electrical appliances．The optimum airway layout and gas-penetration effect were obtained through a comparison of different process parameters．Sink marks and other product defects could be well avoided．The results obtained from this work could provide a good guide for GAIM and the relevant mould design．

Moldflow software；gas-assisted injection-molding；process parameter；sink mark

TQ320．66

B

1001-9278（2017）01-0075-05

10．19491/j．issn．1001-9278．2017．01．014

2016-07-14

聯系人，wangxiaoxin＠qust．edu．cn