澆口尺寸對注射成型影響的模擬研究＊

黃宇剛，趙素華

（湖南工業大學，湖南株洲412001）

1 引言

節能減排是當今社會的熱點問題，作為高分子材料的一種主要加工方式，注射成型如何優化加工工藝以實現節能降耗是材料加工行業目前關注的重要課題。模具是注射成型的核心部件，注射成型加工優化的研究離不開模具結構優化的探索。澆口是模具的關鍵結構，它是連接分流道與型腔的塑料熔體通道，其形狀、數量、尺寸和位置對塑件質量的影響很大。在多數情況下，澆口斷面是流道中斷面尺寸最小的部分[1]。杜勝軍等人認為[2～3]，澆口的尺寸對注射成型制件質量的影響主要體現在：改變澆口的深度可以調節保壓時間，改變澆口寬度則可以調節充模時的流動條件，通過改變澆口截面深度尺寸或截面面積的大小，可以控制澆口凍結時間（即補料時間或補料程度）以及熔體充模時的流動性能。葉志殷等認為[4]，澆口大小對填充體系注射成型有影響，大尺寸澆口下成型的制件相對于小尺寸澆口的同類制件力學性能有一定提高。而實際生產中之所以通常采用小澆口，是因為大家認為當熔體高速流經小澆口時，因高速流動摩擦生熱使熔體溫度升高，從而使熔體的表觀粘度進一步下降，壓力降減小。另外，小尺寸澆口還起到提早固化以防止型腔中的熔體倒流的作用。事實上，澆口尺寸設計是結合制品的尺寸、形狀和性能要求等多種因素綜合考慮而確定的。

本文以現有塑料測試用標準樣條為對象，通過注射成型的計算機模擬研究了澆口尺寸的變化對注射成型過程中關鍵物理量的影響。MoldFlow是進行注塑成型計算機輔助工程分析（CAE）的專業系列軟件，MoldFlow Plastics Insight（MPI）可以模擬整個注塑過程，下述的實驗工作都是在MPI6.0版本上完成的。

2 模型構建

為便于后續現場注塑驗證工作的開展，目標模型盡可能保持與現有實物一致。現有標準樣條模具為一模兩腔結構，分別用于拉伸、熱變形測試制樣，如圖1所示（尺寸規格詳見GBT 1040-92與GBT 1634-1979）。

圖1 塑件樣品

為分析方便，在CAD軟件中建模時將澆注系統一并創建好，再導入到MPI軟件中，如圖2所示。其中澆注系統的主要尺寸規格為：主流道上端直徑為φ3mm、下端為φ5mm，分流道截面形狀為矩形、寬度為8mm、厚度為5mm，次級分流道寬度為5mm、厚度為5mm，澆口為側澆口、但小端厚度尺寸按實驗需要設計為6種，分別為1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、4mm。拉伸樣條的厚度為4mm，因此最大取為4mm。

圖2 CAD幾何模型

為便于充填過程分析，6種澆口尺寸不同的目標模型在MPI的注射模擬分析方案中取相同的工藝參數等條件，主要參量有：物料為通用PP、熔體溫度230℃、模具溫度40℃、充填時間4.5s、注塑機最大壓力180MPa、最大注射率5，000cm3/s。

3 實驗結果分析與討論

3.1 不同澆口尺寸下注射壓力的分析

完成全部6種澆口尺寸模型的充填過程模擬分析后，取每種模型下注射壓力（MPa）隨充填體積（%）的變化數據，以充填體積為X軸、注射壓力為Y軸作圖，如圖3所示，每種澆口尺寸分別對應一條變化曲線。

圖3 充填壓力的變化

由圖3可知，澆口尺寸為4mm的注射壓力始終小于其它尺寸的注射壓力，澆口尺寸為1mm的注射壓力始終大于其它尺寸的注射壓力，即在實驗尺寸范圍內、澆口尺寸越大所需注射壓力越小。這是由于澆口是整個流道中截面面積最小的地方、是壓力損失最嚴重的地方，因此增大澆口的尺寸即增大澆口的面積、相應就減少了壓力損失、降低了熔體流動阻力，從而在相應的注射速率下注射位置處所需要的驅動壓力就必然減少了。具體而言，當充填體積為40%時，1mm尺寸澆口下所需注射壓力為13.72MPa，而4mm尺寸澆口下所需注射壓力為9.73MPa，相差近30%，也就是說能量損耗可以降低近30%。

同時，由圖3還可以看到，在充填過程的前10%里，澆口尺寸變化對注射壓力沒有影響。這是由于在充填過程的前期，熔體前沿還沒有進入型腔、還沒有流過澆口、只處于澆注系統內，澆口還沒有與熔體接觸，所以澆口尺寸沒有影響。一旦流經澆口，不同澆口尺寸對熔體的阻力不同，因此注射所需要的驅動壓力就不同了。

另外，在實驗尺寸范圍內，由圖3可知2mm是可選擇的最大澆口厚度尺寸。在2mm以上，增大厚度壓力降低不明顯了，而在2mm以下、減小厚度注射壓力急劇增大。

3.2 不同澆口尺寸下溫度變化分析

在每種澆口尺寸下MPI充填分析的結果數據中，取整個目標模型的溫度數據最大值，并列表作圖，得充填過程中最高溫度隨澆口尺寸的變化曲線，如圖4所示。圖4中數據顯示，熔體的最高溫度都大于熔體的預加熱溫度，這是因為充填過程中熔體在流道內流動因摩擦與剪切生熱、造成熔體升溫。同時，由圖線知隨著澆口尺寸的增大最高溫度有所下降，在實驗尺寸范圍內，最大差異達4.8℃。溫度的差異是由于相同流動速率下澆口尺寸越小截面積越小剪切速率越高、生熱越多，從而導致熔體因剪切熱升溫幅度不一。從溫度的變化曲線也可知，澆口尺寸越小、能量損耗越大（溫度升高當然需要損耗能量）。溫度敏感的材料進行注塑加工時，宜選擇較大的澆口尺寸以降低溫度波動幅度，提高加工質量的穩定性。

圖4 熔體溫度的變化

3.3 不同澆口尺寸下鎖模力變化分析

與注射壓力變化圖線類似，根據注射模擬結果作不同澆口尺寸下鎖模力隨充填過程變化曲線如圖5所示。通過相同充填階段（如觀測充填體積60%時）不同澆口尺寸鎖模力的對比，可以再次確認在充填過程的大部分時間里，澆口尺寸越大、所需要的鎖模力越小、能量耗損越少。

圖5 鎖模力的變化

3.4 特定澆口尺寸下流場分析

以澆口厚度尺寸2mm為例，觀察各物理量在流道中的分布情況。圖6所示為充填過程中目標模型內的壓力分布的等值線（面）示意圖，所取等值線總數量為最大值100。由圖可以明顯確認，澆口位置處的等值線壓力密集、壓力梯度大，增大澆口可以降低流動阻力，但本例中主流道入口直徑為φ3mm，是流道中截面積最小尺寸，因而壓力梯度最大，是流道的瓶頸所在，因而需要優先改進。

圖6 流場中的壓力分布

如圖7所示，在整個充填過程中，注射壓力明顯地分為3個階段。第一個階段，熔體還未進入到型腔中、還沒有通過澆口，所以流動阻力較小，并且此時澆口尺寸大小對流動情況不產生影響。第二個階段，熔體通過澆口注入型腔，相對第一階段壓力上升，并隨著充填的進行、熔體流長的增大壓力緩慢增大，此時澆口尺寸大小對流動影響較顯著。第三階段，型腔即將充滿，流道中除了原有摩擦與剪切阻力外，更重要的是增加了熔體逆流的阻力和熔體被壓縮后彈性恢復的抗力，在這種情況下澆口附近的熔體流量較小因而澆口尺寸變化對注射壓力的影響大大降低。

圖7 充填過程中的壓力變化

4 結論

經過計算機模擬試驗發現：①在試驗尺寸范圍內，隨著澆口尺寸的增大，澆口對熔體流動的阻力減小，所需注射壓力降低；②隨著澆口尺寸的增大，熔體中因摩擦及剪切發熱導致的局部升溫有所減弱；③澆口尺寸增大，注射壓力降低，鎖模力減小，注塑機能量損耗更小；④澆口尺寸變化在充填過程的不同階段影響力不同，中間階段影響較顯著，開始階段無影響，最后階段影響較弱。

澆口是塑料注射成型中的關鍵結構，對注射工藝與塑件質量都有著較大影響。計算機模擬可以預測澆口尺寸變化對注射成型工藝的影響規律，對于模具設計與優化、注射成型具有一定的指導作用。