基于Moldex 3D的固定座結構改善及澆口優化分析*

杜勝軍

(廈門建霖健康家居股份有限公司， 福建 廈門 361000)

0 引言

對于大批量生產的塑料產品而言，注塑成型能夠快速、有效地生產人們所需的生活用品，而且通過高精密模具成型的制品具有特征精度高、可重復生產性強和成本相對較低等優點[1-2]。注塑成型的關鍵在優化材料、產品設計、模具設備和注塑工藝參數，所以模具制造完成和首批塑件成型后，一般還得經過多次昂貴且費時的修改，包括產品和模具結構變更、材料調整和試模工藝調試等，才能最終獲得合格的制品[3-4]。

注塑計算機輔助工程是將產品設計、模具設計、材料和成型工藝進行集成的一種工具，一方面能夠在模具設計與制造前期對產品和模具結構進行有效評估，規避一些在開發過程中可能會產生的潛在問題；另一方面可以對塑件注塑問題，比如熔接線、縮水或困氣等進行仿真分析，尋找改善方案，避免了用試錯法耗費大量的資金和時間[5]。

本文采用Moldex 3D[6]對花灑的固定座在注塑成型中的關鍵點，包括料流的充填過程、熔接線、縮水和困氣等進行了模流分析，然后通過調整澆口位置和產品結構來調節料流流動，改善注塑缺陷，最后對比實際成型的產品，驗證模擬的精確性。

1 產品分析

此產品為淋浴桿上花灑的固定座，材料ABS為CHI-MEI的POLYLAC PA 727，表面進行電鍍涂層處理。圖1為花灑固定座產品三維圖，其外形尺寸約為24 mm×29 mm×38 mm。塑件壁厚差異較大,平均壁厚為5.56 mm，最大壁厚達9.50 mm，內部包括加強筋和螺絲柱等結構。

圖1 花灑固定座三維圖

2 注塑成型缺陷分析

2.1 縮水分析

由于產品結構一側為弧面、另一側為平面，且壁厚分布非常不均，在注塑過程中壁厚處易產生縮水問題，調整工藝參數后也未能改善。塑件表面出現縮水問題會產生凹痕，再經過表面電鍍處理后凹痕會更明顯，難以滿足產品外觀要求。

當熔體開始冷卻時，塑件上壁較厚處體積收縮較慢，形成拉應力。當凍結層的剛度不足以克服這個拉應力，而在保壓過程中又無熔體補縮，產品表面易被拉陷，形成縮水缺陷[7]。

2.2 失效方案模流分析結果

塑件整體壁厚分布不均，對試模失效原因進行模流仿真分析，模擬的保壓結果如圖2所示。圖2(a)為塑件保壓過程，由圖2(a)可知，最大體積收縮率達7.899%；圖2(b)為塑件凹痕位移，其中最大縮水量為0.126 mm。圖2(a)中，紅色區域主要在側面與弧面，說明該區域體積收縮大，存在較大縮水風險，與實際縮水情況一致。

(a) 最大體積收縮率

2.3 改善方案

為改善縮水問題，在產品弧面處增加嵌件，如圖3(a)所示；在塑件平面處采用整體掏膠來減小壁厚，如圖3(b)所示。圖3(c)為經設計變更后的產品，其經內部結構調整后能達到壁厚均勻。

(a) 嵌件

3 模擬分析與結果驗證

3.1 新增嵌件和減膠后的充填分析

按照調整后的產品結構進行模流仿真分析，澆注系統和注塑工藝與原始方案一致，得到塑件的充填情況如圖4所示。因為平面一側內部通過掏膠來減小壁厚，所以在充填時中間筋條會有溶膠竄流出來與兩邊料流匯聚，形成兩條明顯的熔接線，如圖4(a)圓圈所示；而且熔膠匯聚后還會反包在兩個角落，形成困氣缺陷，如圖4(b)圓圈所示。從模擬結果可以看出，結構調整后會增加熔接線和困氣風險，其主要是由中間筋條的竄流引起的，所以需要繼續更改產品結構。

(a) 熔接線

3.2 截斷筋條的充填分析

圖5(a)為截斷筋條的產品結構圖。為了防止熔膠在充填過程中先竄流出來，所以將筋條處與平面一側連接的筋條斷開，阻斷竄流，以避免熔接線和困氣風險。圖5(b)為模流分析的充填過程，圖中圓圈表示兩股料流交匯的位置易形成熔接線，圓圈所示的位置為下端料流與兩側料流包封，氣體無法排除，從而形成困氣區域，在注塑成型后會出現燒焦現象，不利于下道工序的表面電鍍處理。

(a) 截斷筋條

3.3 進澆口位置調整與分析

調整料流流動可以改善困氣和熔接線問題。圖6(a)～圖6(c)為與之對應的注塑成型缺陷。可以看出，方案二的困氣區域與原始方案相似，方案一的困氣位置向右下角偏移，方案三的則位于左下角。從模流分析可知，這3種方案依舊存在較大的成型缺陷風險，但實際模具結構中左側側面為分型面，若困氣位置位于左下角，則多余氣體可以通過分型面排出，所以相比于其他方案，方案三的進澆口位置較佳。

(d) 方案一成型缺陷

方案三的保壓結果分析如圖7所示。圖8(a)為保壓中的最大體積收縮率，最大值為4.430%；圖7(b)為凹痕位移，最大值為0.046 mm。相比于原始方案的7.899%和0.126 mm，對平面減膠和對弧面增加嵌件的結構優化大大降低了塑件縮水的風險。

(a) 最大體積收縮率

3.4 方案三修模驗證

采用方案三進行修模，模擬成型過程與實際吻合度高，縮水和困氣問題都得到了較好的改善，但是在平面一側的中間偏左位置有一條熔接線。通過提高模溫能使熔接線變小、變細，但因為塑件需要電鍍，在前期粗化處理時需要處于較高溫度的溶液內，熔接線經過高溫作用后就會變得異常明顯，所以還需進一步改善熔接線問題。

熔接線一般出現在兩股料流繞過塑件某些幾何形狀后重新匯聚的地方。料流前端互相接觸后其中心層會發生短暫遲滯，一旦出現滯料，溶膠便開始冷卻，形成凍結層，雖然較高的料溫會產生較好的熔接效果，但塑料分子鏈的取向不會重疊，所以就產生了強度較差的熔接線[8]。從以下幾方面考慮改善熔接線的方案： 1)優化注塑工藝參數，通過提高充填速率和保壓壓力、升高料溫和模溫等措施讓充填末端更好地熔接；2)調整模具的澆口位置，改變料流充填路徑，但前期已經優化了澆口位置，從其他地方進澆會造成更嚴重的困氣風險；3)調整產品結構，通過對產品內部壁厚加膠和減膠來控制料流的流動速度，最終讓料流在較為理想的位置熔接。

3.5 產品結構調整

為了準確地還原實際成型，按照最新修模結構(方案四)進行模擬分析，其中分型面的位置如圖8(a)所示。若能把熔接線向分型面處移動，當兩股料流在分型處匯聚后，熔接線中的氣體可以有效排出，然后再通過工藝優化和提高模溫等措施，熔接線缺陷就能得到較好的改善。

為了讓料流熔接位置往分型處移動，對塑件的局部區域進行了減膠處理，如圖8(a)所示。在局部放大圖中位置1處減少了長10 mm深0.3 mm的壁厚，在位置2處切了一條寬1 mm深0.5 mm的槽，在位置3處減小長5 mm深0.2 mm的壁厚，這些減膠處理主要起到截流作用，當溶膠經過這些壁薄處時速度會降低。圖8(b)和8(c)分別為調整結構前后的模擬結果，從模擬的波前流動可以看出，局部減膠起到了一定的截流作用，對比兩種方案，雖然方案四的熔接位置(紅色線為熔接線)逐漸向分型面處移動，但沒達到預期效果，還需繼續調整。

(a) 方案四結構調整位置

方案四的減膠處理改善不明顯，所以在方案四的基礎上再對局部區域進行結構微調(方案五)，如圖9(a)所示。在位置1處增加了長22 mm高0.3 mm的壁厚，在位置2處增加了長5.5 mm高0.3 mm的壁厚。圖9(b)為增加局部壁厚后的模擬結果，左邊區域因為截流作用充填速度減緩，而右邊區域局部加膠的引流作用使得厚壁區充填增快，雖然最后的熔接位置又進一步向分型面移動，但依舊沒有得到較好的效果。

(a) 方案五結構調整位置

為了加強加膠引流和減膠截流的效果，繼續對塑件的結構進行修改，方案六又在方案五的基礎上對局部區域進行了調整。圖10(a)為方案六的結構調整位置，其中在位置1處長22 mm高0.3 mm上再增加0.25 mm壁厚，總增加厚度為0.55 mm；在位置2處長5.5 mm高0.3 mm上再增加0.2 mm壁厚，總增加厚度為0.5 mm；位置3處在方案四的基礎上加大寬度到6.5 mm，深度依舊為0.5 mm。這樣調整的主要目的是加強加膠引流和減膠截流的效果。圖10(b)和(c)為方案五和方案六的模擬結果對比，可以看出方案六熔接線最短且貼于分型面位置，排氣效果較佳，如圓圈位置所示，可見在截流和引流共同作用下制件達到了較好的成型效果，所以最終按方案六進行修模。

(a) 方案六結構調整位置

3.6 方案六修模驗證

圖11為塑件按方案六修模成型和電鍍后的外觀情況，由圖11可知： 產品的縮水、熔接線及困氣問題基本都得到了改善，達到了客戶對產品外觀品質的要求。

(a) 塑件電鍍弧面

4 結論

保持壁厚均勻是設計塑件產品的主要準則，厚度差異大的塑件各區域收縮是不一致的。而且壁厚差異還會影響充填、保壓或補縮情況，從而導致無規律、難以預測的充模方式，易產生注塑成型缺陷。本文利用Moldex 3D模擬分析了花灑固定座的充填成型過程，對比了不同澆口位置對充填的影響，然后通過產品局部區域的加膠和減膠來控制料流于分型面處熔接，降低熔接與困氣風險，最終獲得優化的進澆位置和塑件結構方案。實際成型與模流分析的吻合度達到90%左右。經過多次方案的模擬分析大大降低了修模次數，縮短了制造周期，降低了生產成本，提升了企業競爭力。