澆口尺寸對(duì)注射成型影響的模擬研究＊

黃宇剛，趙素華

（湖南工業(yè)大學(xué)，湖南株洲412001）

1 引言

節(jié)能減排是當(dāng)今社會(huì)的熱點(diǎn)問(wèn)題，作為高分子材料的一種主要加工方式，注射成型如何優(yōu)化加工工藝以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗是材料加工行業(yè)目前關(guān)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(yōu)化的研究離不開(kāi)模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化的探索。澆口是模具的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，它是連接分流道與型腔的塑料熔體通道，其形狀、數(shù)量、尺寸和位置對(duì)塑件質(zhì)量的影響很大。在多數(shù)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(rèn)為[2～3]，澆口的尺寸對(duì)注射成型制件質(zhì)量的影響主要體現(xiàn)在：改變澆口的深度可以調(diào)節(jié)保壓時(shí)間，改變澆口寬度則可以調(diào)節(jié)充模時(shí)的流動(dòng)條件，通過(guò)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(jié)時(shí)間（即補(bǔ)料時(shí)間或補(bǔ)料程度）以及熔體充模時(shí)的流動(dòng)性能。葉志殷等認(rèn)為[4]，澆口大小對(duì)填充體系注射成型有影響，大尺寸澆口下成型的制件相對(duì)于小尺寸澆口的同類制件力學(xué)性能有一定提高。而實(shí)際生產(chǎn)中之所以通常采用小澆口，是因?yàn)榇蠹艺J(rèn)為當(dāng)熔體高速流經(jīng)小澆口時(shí)，因高速流動(dòng)摩擦生熱使熔體溫度升高，從而使熔體的表觀粘度進(jìn)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(shí)上，澆口尺寸設(shè)計(jì)是結(jié)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(xiàn)有塑料測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)樣條為對(duì)象，通過(guò)注射成型的計(jì)算機(jī)模擬研究了澆口尺寸的變化對(duì)注射成型過(guò)程中關(guān)鍵物理量的影響。MoldFlow是進(jìn)行注塑成型計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）的專業(yè)系列軟件，MoldFlow Plastics Insight（MPI）可以模擬整個(gè)注塑過(guò)程，下述的實(shí)驗(yàn)工作都是在MPI6.0版本上完成的。

2 模型構(gòu)建

為便于后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)注塑驗(yàn)證工作的開(kāi)展，目標(biāo)模型盡可能保持與現(xiàn)有實(shí)物一致?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)樣條模具為一模兩腔結(jié)構(gòu)，分別用于拉伸、熱變形測(cè)試制樣，如圖1所示（尺寸規(guī)格詳見(jiàn)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(shí)將澆注系統(tǒng)一并創(chuàng)建好，再導(dǎo)入到MPI軟件中，如圖2所示。其中澆注系統(tǒng)的主要尺寸規(guī)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(jí)分流道寬度為5mm、厚度為5mm，澆口為側(cè)澆口、但小端厚度尺寸按實(shí)驗(yàn)需要設(shè)計(jì)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(guò)程分析，6種澆口尺寸不同的目標(biāo)模型在MPI的注射模擬分析方案中取相同的工藝參數(shù)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(shí)間4.5s、注塑機(jī)最大壓力180MPa、最大注射率5，000cm3/s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guò)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(shù)據(jù)，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(duì)應(yīng)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(shí)驗(yàn)尺寸范圍內(nèi)、澆口尺寸越大所需注射壓力越小。這是由于澆口是整個(gè)流道中截面面積最小的地方、是壓力損失最嚴(yán)重的地方，因此增大澆口的尺寸即增大澆口的面積、相應(yīng)就減少了壓力損失、降低了熔體流動(dòng)阻力，從而在相應(yīng)的注射速率下注射位置處所需要的驅(qū)動(dòng)壓力就必然減少了。具體而言，當(dāng)充填體積為40%時(shí)，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(shuō)能量損耗可以降低近30%。

同時(shí)，由圖3還可以看到，在充填過(guò)程的前10%里，澆口尺寸變化對(duì)注射壓力沒(méi)有影響。這是由于在充填過(guò)程的前期，熔體前沿還沒(méi)有進(jìn)入型腔、還沒(méi)有流過(guò)澆口、只處于澆注系統(tǒng)內(nèi)，澆口還沒(méi)有與熔體接觸，所以澆口尺寸沒(méi)有影響。一旦流經(jīng)澆口，不同澆口尺寸對(duì)熔體的阻力不同，因此注射所需要的驅(qū)動(dòng)壓力就不同了。

另外，在實(shí)驗(yàn)尺寸范圍內(nèi)，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(jié)果數(shù)據(jù)中，取整個(gè)目標(biāo)模型的溫度數(shù)據(jù)最大值，并列表作圖，得充填過(guò)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(shù)據(jù)顯示，熔體的最高溫度都大于熔體的預(yù)加熱溫度，這是因?yàn)槌涮钸^(guò)程中熔體在流道內(nèi)流動(dòng)因摩擦與剪切生熱、造成熔體升溫。同時(shí)，由圖線知隨著澆口尺寸的增大最高溫度有所下降，在實(shí)驗(yàn)尺寸范圍內(nèi)，最大差異達(dá)4.8℃。溫度的差異是由于相同流動(dòng)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(dǎo)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(dāng)然需要損耗能量）。溫度敏感的材料進(jìn)行注塑加工時(shí)，宜選擇較大的澆口尺寸以降低溫度波動(dòng)幅度，提高加工質(zhì)量的穩(wěn)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(jù)注射模擬結(jié)果作不同澆口尺寸下鎖模力隨充填過(guò)程變化曲線如圖5所示。通過(guò)相同充填階段（如觀測(cè)充填體積60%時(shí)）不同澆口尺寸鎖模力的對(duì)比，可以再次確認(rèn)在充填過(guò)程的大部分時(shí)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(chǎng)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(guò)程中目標(biāo)模型內(nèi)的壓力分布的等值線（面）示意圖，所取等值線總數(shù)量為最大值100。由圖可以明顯確認(rèn)，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(dòng)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(yōu)先改進(jìn)。

圖6 流場(chǎng)中的壓力分布

如圖7所示，在整個(gè)充填過(guò)程中，注射壓力明顯地分為3個(gè)階段。第一個(gè)階段，熔體還未進(jìn)入到型腔中、還沒(méi)有通過(guò)澆口，所以流動(dòng)阻力較小，并且此時(shí)澆口尺寸大小對(duì)流動(dòng)情況不產(chǎn)生影響。第二個(gè)階段，熔體通過(guò)澆口注入型腔，相對(duì)第一階段壓力上升，并隨著充填的進(jìn)行、熔體流長(zhǎng)的增大壓力緩慢增大，此時(shí)澆口尺寸大小對(duì)流動(dòng)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(fù)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(duì)注射壓力的影響大大降低。

圖7 充填過(guò)程中的壓力變化

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：①在試驗(yàn)尺寸范圍內(nèi)，隨著澆口尺寸的增大，澆口對(duì)熔體流動(dòng)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(fā)熱導(dǎo)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(jī)能量損耗更?。虎軡部诔叽缱兓诔涮钸^(guò)程的不同階段影響力不同，中間階段影響較顯著，開(kāi)始階段無(wú)影響，最后階段影響較弱。

澆口是塑料注射成型中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，對(duì)注射工藝與塑件質(zhì)量都有著較大影響。計(jì)算機(jī)模擬可以預(yù)測(cè)澆口尺寸變化對(duì)注射成型工藝的影響規(guī)律，對(duì)于模具設(shè)計(jì)與優(yōu)化、注射成型具有一定的指導(dǎo)作用。