CAE的壁厚不均勻注塑件澆口位置確定探討
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摘要本文闡述了采用CAE技術(shù)分析某壁厚不均勻塑件的成型過程，并根據(jù)分析報(bào)告詳細(xì)尋找產(chǎn)生成型質(zhì)量問題的原因，結(jié)果表明，澆口位置的選擇對壁厚不均勻塑件的成型質(zhì)量影響非常大。并通過CAE技術(shù)，找出了一個(gè)理想的澆口位置，解決了原始方案存在的各種成型質(zhì)量問題。本文還結(jié)合案例和相關(guān)理論知識，提出了小型壁厚不均勻塑件的澆口位置確定的原則。
論文關(guān)鍵詞：壁厚不均勻塑件,CAE技術(shù),澆口位置,熔接痕,氣穴
在注塑模設(shè)計(jì)過程中，澆口位置的選擇關(guān)系到塑料熔體在型腔內(nèi)的壓力分布、冷卻補(bǔ)縮，以及產(chǎn)品外觀質(zhì)量甚至產(chǎn)品的力學(xué)強(qiáng)度，是注塑模設(shè)計(jì)成功的基礎(chǔ)。對于壁厚不均勻的塑件而言，很難通過直觀分析而獲知熔體在型腔內(nèi)的充填、冷卻狀態(tài)。有了注射模CAE技術(shù)后，可以將計(jì)算機(jī)技術(shù)、塑料流變學(xué)和彈性力學(xué)有機(jī)地結(jié)合在一起，利用計(jì)算機(jī)的高速存儲(chǔ)和運(yùn)算能力，將塑料熔體的充填、冷卻過程動(dòng)態(tài)的顯示出來，實(shí)現(xiàn)了短時(shí)間內(nèi)對各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行準(zhǔn)確的比較和評測。有了CAE技術(shù)作支撐，結(jié)合相關(guān)的理論知識，可以有效的解決壁厚不均勻塑件澆口位置確定難的問題[1~4]。
以下是某鍍鉻外蓋塑料產(chǎn)品（以下稱亮鉻蓋）在生產(chǎn)中遇到的問題，以及采用CAE技術(shù)分析解決問題的過程。
2 問題描述及原因分析
2.1 塑件及初始方案問題描述
亮鉻蓋產(chǎn)品尺寸最寬處約40mm，總長約120mm，塑件主體壁厚為2mm，邊緣壁厚為5mm左右圍繞成一個(gè)環(huán)行的圈，端部薄壁處壁厚為1.5mm，fig.1所示。
A—壁厚2mm B—壁厚5mm C—壁厚1.5mm
Fig.1 three-dimensional figure of product
該產(chǎn)品為電鍍件，成型所用材料為可電鍍ABS塑料，熔體流動(dòng)性一般，考慮到塑料熔體在型腔內(nèi)的流長和保壓問題，將澆口位置放在了塑件的中部，由于塑件是電鍍外觀件，所以采用了潛伏式澆口，如fig.2所示為劃分好網(wǎng)格的塑件澆注系統(tǒng)原始方案：
圖2 劃分好網(wǎng)格的澆注系統(tǒng)方案
Fig.2 the runner system at the generated mesh
該澆注系統(tǒng)方案從理論上分析無明顯的缺陷，于是按照該方案制造了模具，但在注塑成型過程中，塑件的大端從內(nèi)孔一直延伸到外邊緣，出現(xiàn)了一條較為明顯的痕跡。而在塑件小端塑件壁厚的過渡區(qū)，也出現(xiàn)了流動(dòng)痕跡，并且經(jīng)過電鍍處理后，這兩條痕跡無法完全遮蔽。
2.2 成型質(zhì)量問題原因分析
觀察上述塑件結(jié)構(gòu)，其主體部分在中間，其壁厚為2mm，而其邊緣壁厚達(dá)到5mm，塑料熔體在進(jìn)入模具型腔后，很容易形成“跑道效應(yīng)”，也就是說熔體將先沿充填阻力小的邊緣流動(dòng)，而在中間壁厚較小的位置充填速度較小，這就導(dǎo)致模腔內(nèi)的部分空氣無法“逃逸”。被壓縮在型腔中心的空氣會(huì)沿塑料熔體前沿相交位置分布，形成無法通過模具溫度或熔體溫度調(diào)節(jié)而改善的熔接痕；而塑件的壁厚不均勻，使熔料在型腔中的流速產(chǎn)生變化，當(dāng)從厚壁進(jìn)入薄壁時(shí)，塑料熔體還會(huì)出現(xiàn)滯流，形成滯流痕。由于塑件為壁厚不均件，熔體在型腔中的充填速度不均勻，采用經(jīng)驗(yàn)分析無法準(zhǔn)確的確定熔體流動(dòng)前沿，故借助CAE軟件分析問題產(chǎn)生的原因。分析采用軟件系統(tǒng)材料庫中的ABS Generic Estimates作為分析替代材料，注塑條件選取默認(rèn)，fig.3為模擬分析結(jié)果示意圖。
a. fill time
b. weld lines and air traps
c. orientation
d. temperature at flow front
圖3 初始方案的流動(dòng)分析結(jié)果
fig.3 the flow analysis results of primary case
從fig.3a熔體充填的時(shí)間等位線可以看到，塑料熔體沿壁厚較厚的邊緣快速充填，從兩個(gè)方向在圖中A位置形成對接形式的熔接線，導(dǎo)致熔料的熔接效果差。而從fig.3b熔接線及氣穴位置圖，可以清楚的看到，在前沿熔料熔接時(shí)，有大量的空氣被擠壓積聚在此處無法排出，fig.3c是熔體流動(dòng)分子取向圖，從該圖進(jìn)一步的印證了熔接線形成及空氣被積聚的原因。Fig.3d反映了熔體前沿溫度的情況，對于本案例大小的塑件，模具結(jié)構(gòu)合理、工藝參數(shù)適當(dāng)，熔體前沿的溫度很容易控制在2～3℃范圍內(nèi)；而該塑件由于熔體流動(dòng)前沿壓縮空氣的存在，致使熔體充填阻力增大，流動(dòng)速度變緩，熔體前沿溫度也出現(xiàn)了急劇下降，滯流區(qū)的溫度普遍下降了20℃左右，這是一個(gè)流動(dòng)充填極差的案例。因此，熔體前沿以對接的形式熔接、熔接線位置存在大量壓縮空氣以及熔接區(qū)域出現(xiàn)巨大的溫度降低，這三個(gè)原因同時(shí)存在，出現(xiàn)連電鍍都無法遮蔽的熔接痕就不難理解了。
另外，從fig.3a和fig.3d可以清楚的看到，在B處熔體出現(xiàn)滯流，并且也伴隨著巨大的熔體前沿溫度降低，從而導(dǎo)致塑件在該位置出現(xiàn)明顯的滯流痕。
3 較為合理的解決方案
3.1 合理的方案描述
要解決熔接痕對接、排氣以及熔體滯流等問題，對于單一澆口注塑模而言，必須通過改變澆口位置來實(shí)現(xiàn)。本文塑件的厚度不均勻，由于要考慮補(bǔ)縮問題而將澆口開設(shè)在了壁后處，出現(xiàn)了本文上面描述的的成型質(zhì)量問題；但如果考慮將澆口開設(shè)在薄壁位置，又會(huì)擔(dān)心熔體在壁厚較大的位置處補(bǔ)縮困難的問題。有了CAE技術(shù)的支撐，可以幾乎零成本嘗試各種澆口位置設(shè)置方案，從而減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)過多個(gè)澆口位置的嘗試，獲得較為理想的澆口位置，fig.4所示為該方案的澆注系統(tǒng)布局情況，此方案將澆口位置開設(shè)在壁厚最薄的小端，采用端部側(cè)澆口進(jìn)料的方式。
圖4 澆注系統(tǒng)改進(jìn)方案
fig.4 the runner system of modified case
3.2 調(diào)整后的方案分析
方案改進(jìn)后，澆注系統(tǒng)的流道變長了，充填壓力降勢必會(huì)有所增大，但若充填壓力增大的值在合理范圍內(nèi)，而又能將原始方案中的問題從根本上加以解決，則這種方案的改進(jìn)就是可取的。圖5所示為方案改進(jìn)后的模擬分析結(jié)果示意圖。
a. fill time
b. weld lines and air traps
c. temperature at flow front
圖5 改進(jìn)方案模擬充填分析結(jié)果
fig.5 the flow analysis results of primary case
從fig.5a可以看到，熔體在型腔中的充填速度非常均勻，壁厚最薄處由于處于進(jìn)澆位置，所以沒有出現(xiàn)滯留現(xiàn)象；而熔體的最后充填區(qū)域剛好位于塑件頂部內(nèi)孔的位置，型腔內(nèi)被流動(dòng)前沿“驅(qū)趕”積聚的壓縮空氣可以沿型芯與模板連接的縫隙被導(dǎo)出，所以不會(huì)形成熔接痕也不會(huì)存在氣穴。
而fig.5b中形成了少量的熔接線和氣穴，它們主要由于熔體被成型內(nèi)孔的型芯“分流—融合”而形成的，結(jié)合fig.5a不難看出，這些熔接線都是以鈍角形式熔接的，且孔徑較小，所以熔接線的熔接質(zhì)量較好，也不會(huì)出現(xiàn)空氣被包裹在型腔內(nèi)部不能排出的情況。從fig.5c熔體流動(dòng)前沿的溫度來看，前沿溫度只在塑件的中心區(qū)域出現(xiàn)了2～3℃的溫度下降，其它區(qū)域的前沿溫度幾乎保持恒定。因此，從總體來看，改進(jìn)后的方案將原始方案中出現(xiàn)的熔接痕和滯流痕的問題都解決了，且熔體流動(dòng)速度變化平穩(wěn)，前沿溫差較小。
3.3 兩個(gè)方案的參數(shù)比較及驗(yàn)證
Table.1所示是兩種方案的相關(guān)數(shù)據(jù)的比較：充填時(shí)間和Z方向變形量幾乎相當(dāng)；而前沿溫差、熔接痕和滯流痕幾個(gè)方面，原始方案中這些都是產(chǎn)品成型的致命傷，而改進(jìn)方案將其全部改善；在充填壓力方面，由于改進(jìn)方案的流道加長了，在流道中的壓力損耗達(dá)到近30MPa，而原始方案僅僅約10MPa，從這個(gè)方面講，改進(jìn)方案的型腔壓力降為約20MPa小于原始方案的30MPa，其型腔內(nèi)的壓力分布更加均勻了。
表1 兩種方案模擬分析比較
table.1 compare the analysis results of the two cases
參 數(shù)
充填
時(shí)間
(s)
充填
壓力
(MPa)
Z向
變形
(mm)
前沿
溫差
�。ā妫�
熔接痕
滯流痕
原始方案
4.18
40.11
0.262
3
明顯
明顯
改進(jìn)方案
4.12
48.75
0.267
20
不明顯
無
按照改進(jìn)方案所給定的澆口位置，對模具結(jié)構(gòu)做出了合理的調(diào)整，原來電鍍后都無法解決的熔接痕和滯流痕問題得到了非常完美的解決。
4 結(jié)束語
對于壁厚不均勻的單澆口塑件而言，澆口位置的選擇至關(guān)重要，而且不可能按照經(jīng)驗(yàn)的原則來確定澆口位置，在CAE技術(shù)已經(jīng)較為成熟的今天，結(jié)合專業(yè)知識和CAE流動(dòng)充填分析是必要的。通過該案例，筆者認(rèn)為對于壁厚不均勻的塑件，確定澆口的位置應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：（1）應(yīng)該盡可能的保證熔體充填速度的均勻性；（2）避免熔體前沿以對接的形式熔接；（3）熔體前沿溫差較大，應(yīng)該改變澆口位置；（4）出現(xiàn)大量氣體無法排出，應(yīng)改變澆口位置；（5）如果澆口放在任何位置都有氣體被壓縮在型腔中心位置，則可以考慮在最后充填區(qū)域的模腔鑲嵌透氣鋼材料來解決排氣問題。
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