基于CAE模拟的注塑成型浇口设计优化与应用

米利波，张晓波

（1. 重庆文理学院，重庆市 402160；2. 太原理工大学，山西省太原市 030024）

大部分热塑性高分子材料均具有优异的力学性能、化学稳定性、抗腐蚀性、抗老化性能等，而且具有优异的加工性能，可通过多种加工手段制备外观、结构和性能各异的塑料制件［1-3］。通常，具有复杂结构和外形的塑料制件都是通过注塑加工成型生产的，塑料熔融后注塑到模具中后冷却成型。由于材料本身的冷却收缩特性，最终的塑料制件会出现收缩变形等缺陷。尤其是对于薄壁塑料制品，收缩变形会导致制品出现缩孔或翘曲变形等缺陷，使其精度和表观质量受到影响［4-6］。

为了尽量避免成型缺陷的产生，通常需要对零件结构、注塑工艺、材料性能以及模具结构进行合理优化［7-9］。李海梅等［10］在对塑料制品翘曲变形进行分析时发现，若生产母料和制件结构已确定，对模具的浇口数目、分布进行优化，能够有效降低制品最终的翘曲变形量。而对于具有复杂结构的薄壁塑料制件来说，模具结构、浇口设计与优化仍是具有挑战性的研究工作之一。本工作以聚丙烯材质的遥控器外壳为例，基于正交试验法，利用Moldfolw软件对模具浇口尺寸和位置进行了设计和优化，研究了这些参数对最终产品收缩程度的影响，对薄壁塑料制件模具结构优化的相关研究工作具有一定参考价值和指导意义。

1 仿真过程的建立

1.1 聚丙烯材质遥控器外壳的形状与尺寸

仿真过程中的聚丙烯材质遥控器外壳的形状和尺寸如图1所示，其长为200 mm，宽为100 mm，壁厚为1 mm。注塑过程中浇口选择为侧浇口，浇口1位于短边中心位置，浇口2位于长边中心位置。浇口的横截面为梯形，其上下底边分别为5，6 mm，所模拟的梯形截面高度分别为4，5，6，7 mm。

图1 聚丙烯材质遥控器外壳的结构Fig.1 Structure of remote control shell made from polypropylene

1.2 注塑工艺分析

仿真过程中选用等规聚丙烯作为实验材料，其熔点为165 ℃，熔体流动速率为3.0 g/10 min。在模拟仿真过程中，除了浇口的位置和浇口截面形状外，其他加工工艺参数均不发生变化。模拟过程中所采用的聚丙烯加工成型工艺参数根据生产经验确定，料筒温度为260 ℃，注射压力为50 MPa，保压压力为50 MPa，保压时间为10 s，模具温度为50 ℃，冷却时间为15 s。

1.3 仿真方法的确定

利用Moldflow软件中填充和翘曲分析功能建立仿真平台，对聚丙烯材质遥控器外壳成型后的冷却收缩过程进行模拟。保证聚丙烯材质遥控器外壳的注塑工艺参数为1.2中预设参数，将浇口位置和浇口梯形截面高度设为翘曲变形量的影响因子。其中，浇口位置影响因子划分为3个梯度水平，分别为浇口1，浇口2以及浇口1和浇口2组合；浇口梯形截面高度列为4个梯度，分别为4，5，6，7 mm。正交试验因素与水平见表1。利用正交试验进行模拟仿真，共进行12次模拟实验，成型后的制件评价标准为最大翘曲变形量。

表1 正交试验因素与水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

2 实验部分

2.1 仿真模拟实验结果

利用Moldflow软件中的填充和翘曲分析功能建立仿真平台，对聚丙烯材质遥控器外壳注塑件的翘曲变形量进行模拟仿真，从表2可以看出：当浇口位置和截面尺寸组合为A3B4时，即浇口为1处和2处各设置1个浇口，浇口截面为梯形，上下边长分别为5，6 mm，高度为7 mm时，所制遥控器外壳的翘曲变形量最低。x轴方向翘曲变形量为0.905 mm，y轴方向翘曲变形量为0.409 mm，z轴方向翘曲变形量为0.212 mm，总翘曲变形量为0.932 mm。

表2 仿真模拟结果 Tab.2 Simulation results mm

不同的平行影响因子对制件表观质量、性能以及缺陷类型、数量和分布具有不同的影响，为了提高仿真模拟实验结果对实际生产的指导作用，对每个平行因子进行了单独分析。

2.2 浇口位置和数目的影响

从图2可以看出：无论浇口截面尺寸如何变化，浇口位置分布和数量组合对聚丙烯材质遥控器外壳总翘曲变形量的影响趋势大致相同。以浇口梯形横截面上下边长和高度分别为5，6，7 mm为例，即B4组合。当浇口位置分布和数量组合为A2时，即浇口位于浇口2处，相应模拟结果显示遥控器外壳的总翘曲变形量最大，为0.960 mm；对于其他浇口横截面尺寸组合来说，仿真模拟实验也显示出类似结果；当浇口位置分布和数量组合为A2，浇口尺寸组合分别为B1，B2和B3时，模拟所得聚丙烯材质遥控器外壳的翘曲变形量分别为0.977，0.974，0.969 mm。相对于其他浇口位置分布和数量组合来说，模拟结果显示A3组合下聚丙烯材质遥控器外壳的总翘曲变形量最低，当浇口横截面尺寸组合为B1，B2，B3和B4时，相应的翘曲变形量分别为0.937，0.936，0.934，0.932 mm。

图2 浇口数目及位置对制件翘曲变形量的影响Fig.2 Warpage deformation of parts as a function of gate numbers and location

造成翘曲变形量变化的主要原因是型腔内聚丙烯流体的压力分布，从图3看出：沿着从浇口处开始，对处于聚丙烯遥控器外壳表面上10个等距测量点处的压力进行了模拟。模拟结果表明，尽管浇口位置分布和数量组合不同，但浇口位置分布和数量组合为A3时，型腔内聚丙烯流体的压力均随着流动方向出现不同程度的降低。相比之下，当在浇口1和浇口2处分别设置1个浇口时，即浇口位置分布和数量组合为A3时，型腔内聚丙烯流体的压力最大，且压力下降程度最为缓慢。A1次之，A2组合下型腔内聚丙烯流体压力最低，压力下降最快。注塑加工成型过程中，型腔内的压力有助于熔体的流动以及冷却过程中熔体的补充，较高的压力条件下熔体能够充分流动到模具各位置，保证制件的均一性；而且保压过程中，较高的压力有利于制件在冷却收缩时尺寸精度的保持，防止翘曲变形的发生。对应翘曲变形量的模拟结果发现，压力分布的模拟结果与其具有较好的对应性，也在一定程度上证明了以上结论。

图3 型腔内聚丙烯流体压力分布Fig.3 Pressure distribution of polypropylene fluid in cavity

2.3 浇口截面尺寸的影响

从图4可以看出：对于不同的浇口位置分布和数量组合来说，浇口截面尺寸的改变对聚丙烯材质遥控器外壳总翘曲变形量的影响趋势大致相同。以浇口位置分布和数量组合A3为例，当浇口横截面高度由4 mm逐渐增加到7 mm时，相应模拟结果显示，遥控器外壳的总翘曲变形量逐渐降低，当浇口梯形横截面高度为7 mm时，总翘曲变形量为0.932 mm。对于浇口位置分布和数量组合A1和A2来说，仿真模拟实验也显示出类似的结果。当浇口梯形横截面高度为4 mm时，相应制件的翘曲变形量最大；当高度为7 mm时，总翘曲变形量最小。这主要是由于，当浇口梯形横截面的上下边长保持不变时，其高度越大，相应的浇口尺寸越大，从而使聚丙烯熔体由浇口注射进入模具中时，聚丙烯熔体压力损失较小。也就是说，较大的浇口有利于型腔内熔体压力的保持，从而使熔体的流动和补充得以保障，相应的聚丙烯材质遥控器外壳的尺寸精度、均一性和表观质量较高，翘曲变形、缩孔等缺陷较少。

图4 浇口横截面尺寸对制件翘曲变形量的影响Fig.4 Gate cross section size as a function of warpage deformation of workpiece cover

3 结论

a）对聚丙烯材质的遥控器外壳的注塑加工过程进行了模拟，分析了浇口位置、数量和浇口横截面尺寸对制件翘曲变形量的影响。

b）在模具长短边的中心位置各设置1个横截面为梯形的浇口，梯形上下边长和高度分别为5，6，7 mm时，相应制件的翘曲变形量最小，x轴，y轴，z轴和总翘曲变形量分别为0.905，0.409，0.212，0.932 mm。

c）在长短边中点各设置1个浇口时，型腔内聚丙烯熔体的压力最大且损失最小；而较大的浇口截面尺寸也有利于降低聚丙烯熔体注射时的压力损失。