基于Moldflow的香皂盒套件注塑流動平衡優化

李 雅

(常熟理工學院，江蘇 蘇州 215500)

0 前言

在注塑生產中，為了提高生產率和降低成本，常采用一模異穴模具生產中小型的塑件。由于各型腔的塑件體積不同，塑料熔體經澆注系統不能同時充滿各型腔，造成澆注系統流動不平衡現象，導致各型腔產品品質不一致，易產生飛邊、短射、產品密度不均及氣穴等缺陷[1-2]，因此必須對澆注系統進行平衡設計。目前，實際生產中，往往采用經驗方法進行設計，在實際試模中再對澆口進行調整和修正，來達到不同產品同模注塑流動平衡的目的，但這樣會加大模具的制造風險，一是澆口位置選擇不當，通過澆口的修正和尺寸調整很難達到平衡效果；二是試模方法具有較大的盲目性，模具需要在注塑機上反復拆裝，造成較大的人力物力浪費，模具制造成本高、周期長[3-5]，滿足不了日益競爭的市場需要。

文章利用Moldflow 軟件優化香皂盒套件注塑模組合型腔的流動平衡。實踐證明，采用注塑模計算機輔助技術(CAE)，能科學地降低成本，縮短設計周期，提高生產效率，達到理想的效果。

1 香皂盒套件成型工藝分析

香皂盒套件包括盒體、盒墊兩部分，三維(3D)造型如圖1所示。其材料采用Monsanto Kasei 公司生產的丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS)，無玻璃纖維填充。ABS材料成型性好，剛度和強度好、表面硬度大、耐沖擊、耐磨、易清潔處理、尺寸穩定、抗蠕變性好，收縮率在0.5 %左右，成型壓力較高，其主要成型性能參數為：熔料溫度為180～250 ℃，模具溫度為50～70 ℃，注射壓力70～90 MPa[6]。

盒體尺寸160 mm×70 mm×30 mm，壁厚最大值4 mm，最小值2 mm，盒墊尺寸60 mm×60 mm×5 mm，壁厚最大值2 mm，最小為1.2 mm。表面品質要求較高，尺寸精度要求不高。

在UG軟件中完成香皂盒套件三維造型，保存為.prt格式，導入Moldflow中選擇“雙層面”類型進行網格劃分，經過多次網格修改將網格縱橫比減小到5.96，小于模擬分析要求的10,網格匹配率達到93.3 %，高于模擬分析要求的85 %[7]。

(a)盒體 (b)盒墊圖1 香皂盒套件三維造型Fig.1 3D modeling of soap boxes

2 填充分析

2.1 澆口位置分析

澆口的設計應保證塑料熔體充填均勻、平衡、避免短射、凹陷及滯留等缺陷產生。通過Moldflow分別分析盒體、盒墊塑件的理想澆口位置，結果如圖2所示。可以看出，盒體最佳澆口位置處于產品的中間位置，盒墊最佳澆口位置處于長孔四周。

(a)盒體 (b)盒墊圖2 最佳澆口位置分析結果Fig.2 Analysis results of optimal gate location

2.2 型腔布局

香皂盒套件是一個盒體配2個盒墊，為了將套件中的3個零件一次成型，采用側澆口形式，根據理想澆口位置分析結果，確定側澆口位置。型腔布局與澆口位置如圖3所示。

圖3 型腔布局Fig.3 Cavity layout

2.3 成型參數確定

利用Moldflow軟件分別對盒體、盒墊進行成型窗口分析，工藝參數設置：模具溫度50～70 ℃，熔料溫度180～250 ℃，注射時間0.5～2 s，分析結果如表1所示。

表1 成型窗口分析結果

根據表1結果，盒體、盒墊成型推薦的模具溫度均為70 ℃，而兩者推薦的熔體溫度和注射時間差別不大。考慮到推薦溫度為材料推薦模溫的邊界值，在實際應用時要留有余量，因此，選擇注射參數時，模具溫度選擇65 ℃，熔體溫度和注射時間選擇接近兩者的中間值，分別為240 ℃和0.6 s。

在區域成型窗口中設置“切割軸”為模具溫度，“切割位置”為65 ℃，以“熔體溫度”和“注射時間”作為橫、縱軸，繪制區域成型窗口二維(2D)切片圖如圖4所示。從圖4中可知，熔體溫度240 ℃、注射時間0.6 s都位于兩者成型的首選區域，驗證了參數的可行性。

(a)盒體 (b)盒墊圖4 區域成型窗口2D切片圖Fig.4 2D section diagram of the area shaping window

2.4 澆注系統設計

澆注系統初始設計方案如圖5所示，各段具體尺寸見表2[8]。

圖5 澆注系統Fig.5 Gating system

Tab.2 Specific dimensions of the initially desingned gating system

3 流動平衡初步分析

澆注系統創建之后，進行填充分析，為確定流動平衡分析的目標壓力，V/P轉換點的填充百分比設置為100 %[8]，模具溫度、熔料溫度設置采用上述分析結果。

3.1 充填時間

香皂盒套件的充填時間如圖6所示。盒墊最后充填時間為1.805 s，盒體最后充填時間為1.925 s，時間差為0.120 s，流動不平衡，不平衡率為0.120/1.925，達到6.2 %，會造成2個型腔內壓力不平衡，易出現飛邊和過保壓等問題，影響產品的質量[8-9]。

圖6 充填時間Fig.6 Filling time

3.2 V/P切換點壓力

速度/壓力切換時的壓力如圖7所示，V/P轉換點壓力為46.10 MPa。盒墊完成填充時，末端壓23.95 MPa，壓力值較大，容易引起過保壓問題；盒體完成填充時，末端壓力為零，最大壓差接近24 MPa，型腔間的壓力分布較為不均，容易導致變形過大。

圖7 V/P 轉換點壓力Fig.7 V/P conversion points pressure

3.3 注射位置處壓力

注射位置處壓力變化如圖8所示，由圖可知，注射位置處的壓力在1.805 s后增加較為急劇，從38.79 MPa增加至44.97 MPa，分析原因，在1.805 s 時盒墊先完成填充，盒體還未充滿，此后填充盒體型腔的過程中，由于流動不平衡導致注射壓力的突變。

圖8 注射位置處壓力Fig.8 Pressure at the injection position

由以上模擬結果的分析可知，對于初步設計方案，型腔間的填充時間不平衡率達到了6.2 %，速度/壓力切換時最大壓差為24 MPa，壓力分布不均勻，注射位置處壓力圖由于流動不平衡導致注射壓力的突變，為了達到流動平衡，需要優化澆注系統，降低時間不平衡率和速度/壓力切換時最大壓差，并使注射位置處壓力圖變化平穩[10-12]。

4 流動平衡優化

采用流道平衡分析自動優化方案的流道尺寸進行優化設計。保證盒體流道和澆口尺寸不變的情況下，對盒墊的流道尺寸進行了微調[13]。只改變盒墊二級分流道尺寸，將盒墊二級分流道尺寸設置為變量，目標壓力設為45 MPa，流道截面直徑的改變步長為0.01 mm，最大的迭代計算次數為20 步，時間收斂精度為5 %，壓力收斂精度為5 MPa[14-15]，優化的流動平衡分析迭代結果如表3所示。

表3 優化的流動平衡分析迭代結果

Tab.3 Iteration results of optimized flow balance

優化后的澆注系統如圖9所示。圖9中，優化后的盒墊二級分流道直徑為4.21 mm，體積縮小了29.1 %。

圖9 流動平衡分析優化的澆注系統Fig.9 Optimized gating system by flow balance analysis

4.1 充填時間

流道平衡分析優化后的充填時間如圖10所示。從圖10可知，盒體最后充填時間為1.922 s，而盒墊最后充填時間為1.874 s，不平衡率為2.5 %，流動基本達到平衡。

圖10 流道平衡分析優化后的充填時間Fig.10 Optimized filling time by flow balance analysis

4.2 V/P切換點壓力

流道平衡分析優化后的V/P切換點壓力如圖11所示。從圖11可知，V/P切換發生在壓力為44.76 MPa，與目標壓力45 MPa相差不大，盒體、盒墊在發生V/P切換時型腔內的壓力由原來的接近24 MPa減低為不足16 MPa，相比初始設計方案有了明顯改善。

圖11 流道平衡分析優化后V/P切換點壓力Fig.11 Optimized V/P conversion points pressure by flow balance analysis

4.3 注射位置處壓力

流道平衡分析優化后的注射位置處壓力變化如圖12所示。由圖12可知，澆口位置處壓力隨時間變化很均勻，沒有急劇上升和急劇下降等不平衡情況。

圖12 流道平衡分析優化后注射位置壓力Fig.12 Optimized pressure at the injection position by flow balance analysis

5 結論

(1) 一模異穴型腔注塑過程中，利用Moldflow 軟件進行熔體流動平衡分析，可以優化澆注系統設計，達到較為理想的流動平衡效果;

(2) 初始方案中，不同型腔的澆注系統設計成相同尺寸，根據充填結果分析流動是否平衡，確定澆注系統優化方案，制定優化目標，利用Moldflow 軟件流道平衡分析自動優化方案進行多次的迭代計算；使時間不平衡率低于5 %、壓力不平衡值小于5 MPa 并保證注射位置壓力曲線穩定上升。