以擾流優化澆口料流形態的透明注塑件表面流痕控制

朱成兵， 姚 震， 諶胤銓， 李金國*， 虞偉炳， 張 旭

(1.臺州職業技術學院 模具研究所， 浙江 臺州 318000； 2.浙江賽豪實業有限公司, 浙江 黃巖 318020)

汽車車燈導光條是汽車車燈常用的零部件之一，該類產品通常要求較高的視覺均勻性和光學性能。該類制品中流痕是較為常見的缺陷之一，且通常分布在導光條的進澆口附近，它的存在直接影響導光條的表面光潔度和光學性能，因此在制品的生產過程中要加以避免。海內外學者對注塑件流痕的問題進行了不少研究。申長雨等[1]研究了塑件流痕方向與模具的澆口位置直接相關的問題；李剛[2]研究了流痕的大小與成型材料的流動性、制品形狀、模具結構和工藝參數條件等因素有關的問題；張甲敏等[3]介紹了流痕的形成原因及工藝參數、模具結構等對塑料件產生流痕的影響；蘇瞧忠等[4]介紹了通過改進澆口類型和調整澆口位置以控制塑件流痕；趙斌等[5]研究了流痕的產生與復合材料的熔體流動速率等因素的關系及規律。但以擾流優化澆口熔料的流動形態控制流痕的問題，中英文文獻調研較少報道[6-9]。

課題組以某企業生產的車燈導光條作為分析對象。要求導光條表面不得有明顯的流痕縮水等缺陷，根據上述要求及產品結構設計，課題組在企業原塑件設計的基礎上，設計了圓柱形、菱形和橢圓形3種不同結構的澆口；并結合企業設計要求和經驗進行熱流道澆注系統和冷卻系統的布局，結合模流分析Moldflow軟件進行模擬，分析研究不同類型澆口對塑件成型質量的影響。

1 實驗模型

該車燈導光條選用Marplex Australia Ltd生產的PMMA材料，產品尺寸為85 mm×42 mm×8 mm，外形結構呈長條形厚壁類透明注塑件。產品表面要求光潔無明顯流痕。運用Moldflow軟件，以雙層面型網格進行網格劃分，網格邊長3 mm，并完成塑件的網格質量修改，其中網格匹配率為95%，符合成型分析要求；車燈導光條實體模型，如圖1所示。根據其結構并結合企業實際生產設計經驗，創建一模兩穴的熱流道澆注系統，其中流道直徑12 mm，冷卻系統布局如圖2所示。冷卻管道直徑12 mm，對側澆口車燈導光條進行模擬分析，通過模流分析發現流道中間料溫和靠近模具鋼料兩側邊的料溫不一樣，如圖3所示。由于模具鋼料兩側邊的料溫度比中間料溫低，且澆口圓形過于平順，料溫不均勻，所以產品成型易產生流痕。

圖1 車燈導光條模型Figure 1 Light guide strip model

圖2 熱流道澆注系統和冷卻系統Figure 2 Hot runner gating system and cooling system

圖3 澆口附近的溫度分布Figure 3 Temperature distribution near gate

2 流痕產生的原因和改進措施

2.1 流痕產生原因分析

HAMADA等[10]對PC/ABS制品注塑過程進行了研究，發現塑料熔體的溫度較低時熔體的剪切力會增加，會有流痕的產生，提高熔體的溫度可以減少流痕的出現。塑料材料在不同溫度下會有熱脹冷縮的物理變化，同時在不同壓力下因受壓縮流體密度(或比容)亦會改變。體積受溫度壓力影響的關聯性，稱之為p-V-T關系，若以狀態方程式來描述p,V,T三者之間的關系，可表示為：

式中f為必須通過實驗確認的函數。

1個變量的變化影響另外2個變量。給定任何2個變量，可以確定第3個變量，但要能較好地描述比容受溫度與壓力的影響，需要p-V-T模型，其中Spencer-Gilmore model模型較為常用(此模型由理想氣體定律加上溫度跟壓力對比容的修正項所推導而得)，可表示為

此模型由理想氣體定律加上溫度跟壓力對比容的修正項所推導而得。由上述數學模型可知：塑料熔體在不同壓力和剪切力的作用下，溫度隨著比熱容和壓力的增大而升高，因此熔體溫度的提高可避免澆口產生流痕，從而解決了澆口的進澆問題。

2.2 改進措施

如圖4所示，以圓柱體為例，在澆口設置擾流柱，通過澆口形狀突變，使料對沖產生擾流，提高剪切摩擦熱，來降低產品流痕產生的風險，提高產品合格率。因此模具設計時考慮產品進澆口的形狀,在產品原澆口上增設圓柱體、菱形體和橢圓體擾流柱，3種形狀擾流柱的進澆口結構如圖5所示。

圖4 澆口擾流柱Figure 4 Gate spoil flow

圖5 各種形狀澆口Figure 5 Various shapes of gate

3 數值模擬分析

基于流行理論壁面滑移和Go-over原理，目前可以認為與流痕出現相關的模擬分析結果是產品表面的凍結層因子、流動前沿溫度和壁面剪切應力，因此對3種不同類型的進澆口模型分別進行模擬分析，根據結果來判斷流痕出現的可能性，以此設計合適的進澆口類型。

3.1 凍結層因子模擬分析

凍結層因子是指熔體成型過程中熔體與型腔表面接觸冷卻凝固，后續熔體推動凝固層重新與模具表面接觸而產生的流痕。凝固層厚度指數，其數值在0～1之間，凝固層厚薄與數值有關系，因此澆口附近的凍結成因子數值大小可以較好地反映流痕產生的可能性。

借助Moldflow軟件模擬分析，凍結層因子模擬結果如圖6所示。從模擬的結果來看，圓柱體擾流柱等3種進澆口，其分析結果數值均小于1，其中在進澆口附近，凍結層因子都小于0.024 2。3種澆口的凍結因子大小的比較為：菱形體擾流澆口值<圓柱體擾流澆口<橢圓體擾流澆口。說明3種不同類型澆口產生流痕的可能性相似。

圖6 凍結層因子模擬結果Figure 6 Simulation results of freezing layer factors

3.2 流動前沿溫度模擬分析

流動前沿溫度分布是熔體到達某各節點時其流動前沿的溫度分布，其代表的是截面中心的溫度，因此變化不大。合理的溫度分布應大致相同，避免溫度過高或過低，以使制品出現流痕或使材料短射、滯流或降解等問題從而影響制品的質量。圓柱體擾流柱等3種進澆口流動前沿處的溫度模擬結果如圖7所示，3種進澆口模型的流動前沿溫度介于157～247 ℃，溫度沒有出現太大變化。在進澆口附近可以看到，3種澆口模型的溫度大小關系是：圓柱體澆口模型>橢圓形體澆口模型>菱形澆口模型，3種不同類型澆口產生流痕的可能性相似。

圖7 澆口模型的流動前沿溫度模擬結果Figure 7 Simulation results of flow front temperature of gate model

3.3 壁面剪切應力模擬結果分析

課題組對進澆口附近的3節點N5887，N8604和N8945進行詳細分析，3節點在制件的位置如圖8所示。如圖9所示為制品模型的壁面剪切應力模擬結果。從圖9(a)可知，節點N5887和N8604表面剪切應力的走勢基本一致，數值大小差別不大；節點N8945表面剪切應力的大小與節點N5887和N8604相近，但是應力的走勢不同，約在0.65 s時發生較大變化。在0.65 s之前，點N8604的表面剪切應力大于點N8945，可以認為在0.65 s之前，點N8604對點N8945存在一個推力；而0.65 s時，點N8604的表面剪切應力小于點N8945，可以認為點N8945對點N8604反而存在一個拉力。因此可以認為這種不穩定的壁面剪切應力可能使澆口周邊容易產生波浪狀的皺褶，即容易形成流痕。

從圖9(b)可知，節點N5887，N8604和N8945的表面剪切應力曲線走勢相近，數值大小N5887和N8604更接近，而節點N8945表面剪切應力的數值大小存在變化，在0.85 s時，點N8945的剪切應力大于點N5887，直至1.00 s時逐漸回落。所以橢圓形擾流柱進澆口壁面剪切應力還是存在輕微的不穩定性，但是相比圓柱體擾流進膠口的制品模型有了較大的改善。

從圖9(c)可知，N5887,N8604和N8945這3點的表面剪切應力趨向是一致的，即在制品澆口表面不會產生壁面滑移，理論上分析也就不可能有流痕的產生。

4 實驗驗證

根據車燈導光條的結構，設計了菱形澆口的的一模兩穴的模具結構，如圖10～11所示。經現場試模，生產的導光條制品如圖12所示，經廠商檢測，制件表面無明顯流痕，符合廠家質量要求。

圖8 3點在制件的位置Figure 8 Three points in position of parts

圖9 制品模型的壁面剪切應力模擬結果Figure 9 Simulation results of wall shear stress of product model

圖10 汽車車燈模具Figure 10 Car headlights mould

圖11 菱形澆口結構Figure 11 Rhombus gate structure

圖12 導光條制件Figure 12 Light guide strip

5 結論

1) 課題組通過在澆口附近設置擾流柱，將澆口熔料由層流形式轉變為湍流形式，從而實現進澆熔料的溫度均勻性，并通過剪切摩擦提升了澆口熔料的溫度，該方法能夠有效減少澆口流痕的產生。

2) 流痕的產生與澆口擾流柱的類型有密切關系，課題組比較分析3了種不同類型澆口結構的擾流效果，結果表明菱形擾流結構澆口可以明顯有效降低澆口附近熔體壁面剪切應力值，從而減少流痕的產生。

3) 采用菱形擾流結構澆口可明顯減少車燈導光條的表面流痕產生、有效改善制品表觀質量，解決了車燈塑料導光條表面成型質量差的問題。