大尺寸帶開孔結(jié)構(gòu)注塑食品容器的熔接痕CAE分析

馬松柏 張紹英 王 晶

（1．北京工商大學(xué)，北京 100048；2．中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100083）

熔接痕是指當(dāng)塑料熔體在注塑充型過程中，當(dāng)兩股或多股相向流動的熔體匯合時，由于熔體間存在的溫差造成熔體不能完全融合，導(dǎo)致在匯合處產(chǎn)生線性凹槽的現(xiàn)象［1］。對于尺寸較大的注塑制品，為縮短熔體流程和加速充型，往往布置兩個或兩個以上的澆口進(jìn)澆，不同澆口進(jìn)入型腔的熔體前沿迎頭相遇從而形成冷接痕，若制品中存在孔洞、嵌件，則熔體在孔洞、嵌件處將先分開再匯合從而形成熱接痕，無論哪種熔接痕，都將嚴(yán)重影響制品的外觀質(zhì)量及力學(xué)性能。而隨著大尺、帶開孔結(jié)構(gòu)的塑料制品的不斷增多，如何提高制品熔接痕處的性能及減少熔接痕已成為研究重點(diǎn)。近年來，對這一問題的試驗(yàn)及理論研究多集中在汽車、家電、儀器儀表等行業(yè)，并取得了較多的理論成果。

傳統(tǒng)的果蔬包裝材料有竹筐以及由天然纖維或合成纖維生產(chǎn)的網(wǎng)袋等，塑料包裝材料與傳統(tǒng)材質(zhì)相比，具有體積小、質(zhì)量輕、抗沖擊性能好、耐腐蝕、使用壽命長、（可回收）安全衛(wèi)生、不易破碎、便于印刷、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代傳統(tǒng)材質(zhì)而被廣泛用于食品包裝中［2］。注塑成型是塑料食品容器最有效的成型方法之一［3］。因此，近年來大尺寸、開孔結(jié)構(gòu)的注塑食品容器也被廣泛使用。對塑料食品容器制品而言，在滿足使用功能的基本前提下，對制品的整體外觀具有較高的要求。本試驗(yàn)以一典型大尺寸、開孔結(jié)構(gòu)的塑料食品容器為研究對象，在已有相關(guān)理論及試驗(yàn)研究成果的基礎(chǔ)上，借助AMI2010軟件模擬制品的注射過程，分析制品模具原設(shè)計(jì)方案中導(dǎo)致熔接痕過大的成因，并做了有針對性的優(yōu)化，為塑料食品容器模具設(shè)計(jì)人員進(jìn)行大尺寸、開孔結(jié)構(gòu)的模具設(shè)計(jì)提供思路與參考，從而達(dá)到幫助企業(yè)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提升企業(yè)競爭力的目的。

1 制品模型的建立

本試驗(yàn)所選用的大尺寸、開孔結(jié)構(gòu)的注塑食品容器外形結(jié)構(gòu)為某公司產(chǎn)品，其Pro／E 三維造型見圖1（由于利用AMI軟件很難直接進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，須先在Pro／E 或其它三維造型軟件中建模并將模型文件轉(zhuǎn)存為STL 格式文件再導(dǎo)入到AMI中［4］），外形尺寸為350mm×250mm×160mm，側(cè)壁壁厚為7．5mm，頂部厚度5mm，底部厚度為7．5mm，側(cè)面筋板厚度為2．5mm，拔模斜度15°。由其外形可知，該制品尺寸較大，含有較多孔洞，且壁厚不均，為一典型大尺寸、開孔結(jié)構(gòu)食品容器制品。

圖1 制品三維模型Figure1 The Model of Part

在AMI2010 軟件中導(dǎo)入制品的STL 文件模型，材料選用韓國SK 的R370Y 型PP 材料。采用雙面網(wǎng)格劃分網(wǎng)格單元，制品劃分網(wǎng)格后見圖2。網(wǎng)格的匹配率為91．3%，網(wǎng)格劃分滿足要求，保證了后續(xù)的分析結(jié)果和實(shí)際的過程會盡可能的相近。

圖2 制品網(wǎng)格劃分Figure2 Mesh Rezoning of Part

2 CAE分析及優(yōu)化流程

2．1 成型工藝窗口選取注塑工藝參數(shù)

大量研究［5，6］表明，制品及模架結(jié)構(gòu)、材料性質(zhì)、注塑工藝參數(shù)對熔接痕的形成有重要影響。本試驗(yàn)首先借助AMI的Molding Windows（成型工藝窗口）選取合適的注塑工藝參數(shù)。

工藝參數(shù)的選取主要包括熔體溫度、模具溫度、注射壓力、保壓壓力、注射時間和充模速度等。AMI的Molding Windows窗口分析得到的工藝參數(shù)范圍：模具溫度20～80 ℃，熔體溫度200～280 ℃，注塑時間0．1～49．2s。如果成型工藝條件位于這個范圍之內(nèi)，就可以生產(chǎn)出好質(zhì)量的制品。本試驗(yàn)的工藝參數(shù)：模具溫度80 ℃，熔體溫度270 ℃，注射壓力180 MPa，保壓時間15s，注射速率65cm3／s。

2．2 初始設(shè)計(jì)方案分析

制品模具的初始設(shè)計(jì)方案如圖3所示，其中澆注系統(tǒng)主流道直徑為12mm，長度為60 mm，分流道直徑為10 mm，長度為310mm，末端采用牛角澆口形式分4個方向進(jìn)澆；冷卻水路的直徑為14mm，距離制品表面25mm，管道數(shù)量16個，上下各8 個對稱分布在制品上下兩側(cè)，管道中心距35mm，制品之外的間距為30mm。在AMI軟件中按照2．1設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)，運(yùn)行充填和冷卻分析后可以查看原設(shè)計(jì)方案中制品熔接痕的形成情況見圖4。

圖3 模架結(jié)構(gòu)原始設(shè)計(jì)方案Figure3 The original design scheme of mold structure

圖4 原始方案的制品熔接痕缺陷Figure4 Weld－line defect on product of original scheme

由圖4的仿真結(jié)果不難看出，制品熔接痕大部分分布在制品的孔洞處，而最大的熔接痕缺陷發(fā)生在制品底部并向制品兩邊開裂，這對制品的外觀及整體力學(xué)性能都有較大影響。

進(jìn)一步分析比較圖5和圖6可知，制品充填過程總體溫度與流動前沿溫度差達(dá)到5．3 ℃，表明制品各表面受熱不均。

由上述分析比較可知，本試驗(yàn)在材料及主要工藝參數(shù)都已相對固定的前提下，制品熔接痕缺陷形成的原因除制品本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外，更主要的原因來自于原始方案中模架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題。因此，針對此制品大尺寸、開孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)更加合理的模架結(jié)構(gòu)儀器消除或降低熔接痕缺陷是主要思路。

2．3 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)及CAE分析

2．3．1 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案 本試驗(yàn)中制品本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成熔接痕多出現(xiàn)在孔洞處及薄壁處，而工程實(shí)踐證明，制品在滿足功能結(jié)構(gòu)要求前提下，應(yīng)盡量保證結(jié)構(gòu)中各處的壁厚均勻一致，如無法完全一致時也應(yīng)該使壁厚差小于30%，并在可能產(chǎn)生熔接痕的位置適當(dāng)增加壁厚則利于熔體融合，從而提高熔接強(qiáng)度。而孔洞的結(jié)構(gòu)形式也應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成光滑連續(xù)的形狀，避免出現(xiàn)局部應(yīng)力集中從而出現(xiàn)熔接痕。本試驗(yàn)中制品的部分壁厚差超過30%，因此，將制品的側(cè)面筋板厚度由原來的2．5mm 改為5mm。

圖5 原始方案充填總體溫度Figure5 The filling bulk temperature of original scheme

圖6 原始方案充填流動前沿溫度Figure6 The flow front temperature of original scheme

工程實(shí)踐證明，改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)控制熔接痕的主要措施包括：合理設(shè)置澆口位置與數(shù)量，設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)，適當(dāng)提高模具型腔及型芯的表面粗糙度等。就本試驗(yàn)原始方案的澆注系統(tǒng)而言，澆口數(shù)量太多且澆口截面積過小則熔體在進(jìn)入模具型腔后將被分成多股，而多股熔體的流速又不相同，則極易產(chǎn)生熔接痕［7］。因此，合理選擇澆口位置、減少澆口數(shù)、增大澆口截面積、采用分流少的澆口形式均可降低澆注系統(tǒng)對熔接痕的影響。另一方面，本試驗(yàn)中模具的冷卻系統(tǒng)使熔體在型腔中冷卻太快且不均勻，也是導(dǎo)致多股熔體在匯合時產(chǎn)生熔接痕的另一原因，因此，改進(jìn)方案的冷卻系統(tǒng)應(yīng)保證熔體在型腔充填過程中冷卻均勻且時間不宜過快。

圖7 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案Figure7 The optimal design scheme of mold structure

根據(jù)上述分析，基于本試驗(yàn)中制品的形體特點(diǎn)，優(yōu)化后的模架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案見圖7。優(yōu)化方案對澆注系統(tǒng)的澆口位置及進(jìn)澆形式做了適當(dāng)調(diào)整［8，9］，澆口數(shù)目由4個變?yōu)?個，主流道直徑為16 mm，長度為40 mm，分流道直徑為14mm，長度為30mm，對稱分布在制品底面幾何中心兩側(cè)，間距40mm，澆口為圓錐澆口，小徑為5 mm；冷卻水路重新布局，管道數(shù)量由16個增加為28個，其中上表面的冷卻水路管道數(shù)量仍為8個，直徑為14mm，距離制品表面25mm，長度方向兩邊側(cè)壁各增加了4個管道，沿制品長度對稱面對稱分布，寬度方向各增加了6個管道，沿制品寬度對稱面對稱分布，管道中心距均30mm。新冷卻水路兼顧了制品的整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，力求使制品各表面受熱更加均勻。

2．3．2 CAE仿真及結(jié)果分析 在AMI軟件中對優(yōu)化方案設(shè)置與原始方案相同的參數(shù)與工藝，得到優(yōu)化方案的熔接痕分布情況見圖8。

分析圖8可知，原設(shè)計(jì)方案中位于制品底部并向制品兩邊開裂的較大熔接痕已經(jīng)消失，分布在制品孔洞處的熔接痕也已經(jīng)減少或基本消失；進(jìn)一步分析比較圖9與10可知，制品充填過程中總體溫度與流動前沿溫度差已經(jīng)下降到0．3 ℃。

圖8 優(yōu)化方案的熔接痕Figure8 Weld－line defected on product of optimal scheme

圖9 優(yōu)化方案充填總體溫度Figure9 The filling bulk temperature of optimized scheme

圖10 優(yōu)化方案充填流動前沿溫度Figure10 The flow front temperature of optimized scheme

模擬分析結(jié)果表明，模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案滿足制品設(shè)計(jì)要求，可以生產(chǎn)出外觀及力學(xué)性能合格的制品。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)以某公司的大尺寸、開孔結(jié)構(gòu)的塑料食品容器制品及其模架設(shè)計(jì)為例，針對其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及成型情況，在模具制造前，運(yùn)用AMI在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行填充、流動、冷卻等模擬分析，確定了原始設(shè)計(jì)方案中引起熔接痕缺陷的主要原因并做了較全面的分析，結(jié)合AMI的多種工具對原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了更加有針對性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對制品的壁厚進(jìn)行了修正并對模架結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化，確定了更加理想的澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)，模擬結(jié)果表明，優(yōu)化方案有效降低了制品表面的熔接痕缺陷。實(shí)際生產(chǎn)中，除了對制品結(jié)構(gòu)本身及模架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來控制大尺寸、帶孔結(jié)構(gòu)的制品熔接痕的措施外，還可以通過合理選擇材料、成型工藝改進(jìn)及采用先進(jìn)的加工設(shè)備等方法控制此類制品熔接痕的產(chǎn)生，這些需要設(shè)計(jì)人員針對產(chǎn)品的具體情況進(jìn)行大量的模擬與試驗(yàn)操作方能確定。

利用CAE技術(shù)對塑料產(chǎn)品注塑過程進(jìn)行模擬仿真，從而對注塑模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是模具制造業(yè)的一個發(fā)展趨勢，本試驗(yàn)所述方法可以為大尺寸開孔結(jié)構(gòu)的注塑食品容器的設(shè)計(jì)及制造提供科學(xué)的理論依據(jù)，對提高注塑食品容器的產(chǎn)品質(zhì)量，降低模具開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高企業(yè)市場競爭力具有重要的意義。

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