基于CAE分析的注射模澆口位置探究

譚 鋒，周樹軍

（1.常德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南常德 415000；2.湖南航空機(jī)電設(shè)備與特種材料研究所，湖南長沙 410012）

1 引言

在注射模中，澆口是分流道與模具型腔之間一段很短的通道，是分流道與型腔之間的連接部分，也是注射模澆注系統(tǒng)的最后組成部分，澆口的位置選擇、數(shù)量多少、形狀樣式、尺寸大小等是否合理，都會(huì)影響到塑件的表面質(zhì)量、尺寸精度、物理性質(zhì)和成型效率。其中澆口的位置對(duì)于塑件的質(zhì)量有著比較重要的作用，如澆口位置選擇不合理則會(huì)造成塑件質(zhì)量不過關(guān)，從而影響經(jīng)濟(jì)效益，因此，對(duì)于澆口位置的選擇進(jìn)行研究是十分必要的。筆者經(jīng)過多年的模具CAE分析實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于進(jìn)澆口位置的選擇進(jìn)行探討，確定基本的澆口位置選擇原則，以便于在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，選擇更加科學(xué)、合理的澆口位置，提高企業(yè)生產(chǎn)效益。

2 澆口位置的選擇原則

2.1 澆口位置避免開在外表面

當(dāng)塑件的外觀有要求時(shí)，為避免影響塑件的商業(yè)價(jià)值，澆口位置應(yīng)該設(shè)計(jì)在不影響塑件外觀質(zhì)量或使用性能的位置，如圖1所示，其外觀都要求美觀，所以澆口只能設(shè)置在塑件側(cè)面，但側(cè)面選擇哪里比較合適，這不不能憑空想象，應(yīng)該要采用CAE模流分析軟件對(duì)塑件進(jìn)行模流分析，模擬注射過程，選擇不同的側(cè)面位置對(duì)其流動(dòng)性等相關(guān)性能進(jìn)行對(duì)比，最終選擇最合適的位置作為澆口位置。如圖1所示的案例就是通過模流分析以后得到的最佳澆口位置。

圖1 選擇側(cè)面作為澆口位置

2.2 澆口位置應(yīng)設(shè)在塑件厚壁處

塑件的壁厚不均勻時(shí)，澆口應(yīng)設(shè)在塑件的厚壁部位，因?yàn)樗芰蠌暮癖诹飨虮”?，便于塑料的充填流?dòng)及保壓作用的進(jìn)行，可以避免發(fā)生滯流、凹陷、收縮不均及翹曲現(xiàn)象。如圖2所示，塑件厚度不均勻，采取常規(guī)澆口位置選擇進(jìn)料，會(huì)出現(xiàn)收縮不均的現(xiàn)象，從而影響塑件的質(zhì)量。

圖2 某玩具配件

經(jīng)過CAE軟件選擇幾個(gè)點(diǎn)作為澆口進(jìn)行模流分析對(duì)比后，選擇該塑件比較厚的位置作為澆口位置，塑件沒有出現(xiàn)收縮不均的現(xiàn)象。如圖3所示，該位置就是模具設(shè)計(jì)最佳的澆口位置。

圖3 最佳澆口位置

2.3 澆口位置選擇要避免不平衡流動(dòng)

不平衡流動(dòng)是指某些流動(dòng)路徑先于其它流動(dòng)路徑充填完全。不平衡流動(dòng)能造成許多成型問題，如毛邊、短射、循環(huán)周期過長、塑件密度不均、翹曲、包風(fēng)以及額外的縫合線。如圖4所示玩具配件案例，因?yàn)榱鲃?dòng)路程的遠(yuǎn)近不同，所以容易造成不平衡流動(dòng)現(xiàn)象。

圖4 某玩具配件

考慮進(jìn)澆點(diǎn)位置，或者進(jìn)澆點(diǎn)的數(shù)目，盡量把進(jìn)澆點(diǎn)移動(dòng)到流動(dòng)路徑長度近似相等的位置上，通過CAE軟件進(jìn)行模流分析將型腔分成幾個(gè)假想的更易控制的小區(qū)域，然后使用多點(diǎn)進(jìn)澆，就解決了流程不相等導(dǎo)致的流動(dòng)不平衡問題，如圖5所示。

圖5 澆口位置選擇

2.4 澆口位置選擇避免過保壓

過保壓往往發(fā)生在模具型腔中最容易填充（塑件最短處或最厚處）的位置，當(dāng)此處位置已經(jīng)充填滿但其它位置還未完全填充的時(shí)候，注塑機(jī)還需要繼續(xù)把熔融塑料注入模具型腔中，這會(huì)使注射壓力繼續(xù)對(duì)已充滿的位置進(jìn)行施壓，所以，提前填充完成的區(qū)域密度較高，收縮比較少，剪應(yīng)力也會(huì)大一些，如圖6所示，從而出現(xiàn)塑件質(zhì)量問題，比如飛邊、翹曲、塑件的密度分布不均勻、塑件的質(zhì)量變大等等。

圖6 過保壓示意圖

例如：如圖7所示，通過CAE軟件分析某玩具塑件選擇不同位置的澆口時(shí)，發(fā)現(xiàn)選擇C點(diǎn)和A點(diǎn)均會(huì)出現(xiàn)不同程度的過保壓現(xiàn)象，B點(diǎn)作為澆口的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)過保壓的現(xiàn)象，因此B點(diǎn)是作為澆口較為理想的選擇。

圖7 模流分析對(duì)比圖

2.5 澆口位置選擇不易產(chǎn)生縫合線位置處

澆口應(yīng)設(shè)在不易產(chǎn)生縫合線（或能把縫合線移至不敏感區(qū)域）、氣體容易排除的部位。縫合線及熔合線容易使塑料強(qiáng)度降低及在外表形成外觀上的瑕疵。如不排除氣體容易形成氣泡，氣泡能夠引起短射及注射壓力過大的缺陷，而且易在充填末端產(chǎn)生表面斑點(diǎn)。在空氣包中被壓縮的氣體可能加壓、升溫而引起局部燒焦。

2.6 澆口位置應(yīng)避免產(chǎn)生滯流現(xiàn)象

滯流現(xiàn)象常發(fā)生在肋的部分或厚薄劇烈變化的地方。由于塑件表面的缺陷、不良的保壓、較高的剪應(yīng)力值，還有塑料分子的配向性不一致，滯流現(xiàn)象會(huì)降低塑件的成型質(zhì)量。但往往只是憑經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為會(huì)發(fā)生滯留，但具體滯留發(fā)生在什么地方不能很明確的指出來。通過CAE軟件進(jìn)行分析模流分析以后，就能很明確的找到滯留的位置，然后在通過分析可以找到最合適的澆口位置，如圖8中塑件經(jīng)過CAE分析，發(fā)現(xiàn)在圖中箭頭所指及圓圈所示位置，容易出現(xiàn)滯留現(xiàn)象。應(yīng)對(duì)澆口位置進(jìn)行調(diào)整，最終找到不發(fā)生滯留現(xiàn)象的澆口位置，為模具設(shè)計(jì)提供有力的依據(jù)。

圖8 滯留現(xiàn)象

3 澆口位置的其它選擇原則

（1）澆口位置應(yīng)避免產(chǎn)生噴流現(xiàn)象。

噴流會(huì)在塑件表面，尤其是澆口附近產(chǎn)生紊亂的流動(dòng)痕跡。所以，通過改變澆口位置把噴流變?yōu)轫樍骱螅芗|(zhì)量得到改善。

（2）澆口位置應(yīng)避免產(chǎn)生回流現(xiàn)象。

回流現(xiàn)象是指流動(dòng)波前出現(xiàn)回流的狀況，將會(huì)在塑件的表面產(chǎn)生熔接痕，也會(huì)造成塑件內(nèi)應(yīng)力集中，影響塑件質(zhì)量。所以塑料回流不論對(duì)表面質(zhì)量或是以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而言都會(huì)產(chǎn)生很大影響。

（3）澆口要避開預(yù)埋鑲件，避免因較高的壓力造成預(yù)埋鑲件彎曲變形。

（4）澆口應(yīng)設(shè)在利于進(jìn)行拆卸以及維修的部位。

（5）澆口應(yīng)避免設(shè)置在承受外力的位置及要求強(qiáng)度的位置，因?yàn)闈部诟浇讱埩魬?yīng)力而變脆。

（6）澆口位置應(yīng)設(shè)在塑件的主要受力方向上，因?yàn)樗芰系牧鲃?dòng)方向上所承受的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力最高，特別是帶填料的增強(qiáng)塑料（如玻璃纖維）。

（7）對(duì)于有加強(qiáng)筋的塑件，澆口應(yīng)與筋的方向一致，且不能正對(duì)筋，要錯(cuò)開。

4 案例分析窄長形塑件的澆口選擇

以窄長形塑件為例，使用CAE軟件進(jìn)行分析比較圖5中不同的澆口位置選擇，最終選擇最合適的澆口位置：①方案一：澆口在塑件中部，采用扇形澆口；②方案二：澆口在塑件1/3處，采用扇形澆口；③方案三：澆口在塑件1/8處，采用扇形澆口；④方案四：澆口在塑件窄邊中部，采用扇形澆口；⑤方案五：澆口在塑件窄邊中部，采用膜狀澆口類型。通過分析對(duì)比充填流動(dòng)狀況、充填壓力、波前溫度差、澆道廢料、比例體積、收縮翹曲變形，如圖9所示。

圖9 不同澆口位置圖

（1）充填流動(dòng)分析比較如圖10所示。

圖10 充填流動(dòng)圖

（2）填充壓力分析對(duì)比如圖11所示。

圖11 填充壓力

（3）波前流動(dòng)溫差分析對(duì)比如圖12所示。

圖12 波前流動(dòng)溫差

（4）保壓情況體積收縮率分析對(duì)比如圖13所示。

圖13 體積收縮率

（5）翹曲變形分析對(duì)比如圖14所示。

圖14 翹曲變形

綜合比較如表1所示。

對(duì)窄長形塑件，澆口越靠近端部，翹曲變形越小。采取頭部膜片進(jìn)澆時(shí)（圖9e，方案五），雖然澆道廢料最多，充填壓力最大，但其充填流動(dòng)狀況最佳，翹曲變形最小，塑件質(zhì)量最好。

因此，窄長形塑件的澆口位置應(yīng)避免設(shè)置在塑件的中心。因?yàn)檎L形塑件成型時(shí)容易翹曲變形，若在塑件中心設(shè)置澆口，則塑料的流動(dòng)呈輻射狀，造成塑件的徑向收縮與切線方向的收縮不均而產(chǎn)生變形。

5 結(jié)束語

澆口開設(shè)位置是否正確，對(duì)塑件的質(zhì)量影響非常大，所以選擇合理的澆口位置是提高塑件質(zhì)量的關(guān)鍵之一。在選擇澆口位置時(shí)，首先應(yīng)該根據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸精度、外觀要求以及技術(shù)要求等等，來分析塑件的流動(dòng)情況、填充因素及排氣要求等因素，然后選擇幾個(gè)相對(duì)合適的位置，再通過CAE軟件進(jìn)行模流分析對(duì)比，最終選擇最合理的澆口位置。這為設(shè)計(jì)注射模提供了有力的依據(jù)，為注射模的設(shè)計(jì)提供重要的保障，具有很重要的指導(dǎo)意義。