基于Moldflow的输液瓶胚浇注系统设计

单学军，唐铃凤，严锦玉

(安徽工程大学机械与汽车工程学院， 安徽　芜湖　241000)



基于Moldflow的输液瓶胚浇注系统设计

单学军，唐铃凤，严锦玉

(安徽工程大学机械与汽车工程学院， 安徽芜湖241000)

[摘要]以250 ml塑料输液瓶胚为研究对象，并对其结构及成型工艺过程进行分析，建立输液瓶胚三维模型，设计了平衡和非平衡两种浇注系统，运用Moldflow对输液瓶胚注塑成型过程进行数值模拟，确定了两个浇口位置，探讨了平衡浇注系统和非平衡浇注系统的充填时间、气穴分布以及锁模力，并以此为评价指标，采用综合加权评分法对两类浇注方案进行评分，确定了浇口位置和浇注系统.

[关键词]输液瓶胚；浇口位置；平衡浇注系统；非平衡浇注系统；综合加权评分法

目前，医院广泛使用塑料输液瓶来代替玻璃瓶，并用它盛放各种医用液体.玻璃输液瓶笨重、易碎，塑料输液瓶密度小、易封存、不易碎，几乎完全取代了以往的玻璃瓶.塑料输液瓶通过挤出吹塑或者注射吹塑成型来生产，瓶胚就是吹塑时所用的毛坯件.目前，输液瓶瓶胚主要通过注塑成型工艺来进行生产加工[1-3].

本文以250 ml塑料输液瓶胚为研究对象，在分析塑件成型工艺和产品结构特点的基础上，利用Moldflow仿真软件，设计了6种浇注系统并进行分析对比，完成了注塑成型过程的模流仿真，运用综合评分法分析比较了这6种浇注系统的填充时间、气穴情况及锁模力，确定了最优浇注系统[4].

1注塑件结构及工艺分析

该塑件为圆柱状的输液瓶瓶胚，二维图如图1所示.塑件最大尺寸为长118.3 mm、宽31.6 mm、高31.6 mm. 该瓶胚的右半部分有凹槽，其余部分壁厚较为均匀，内部为空心. 瓶胚材料为聚丙烯(PP)，收缩率为1.0﹪~2.5﹪，是一种典型的薄壁塑料件.注塑工艺瓶胚表面不能有划痕，翘曲变形应尽可能小，内部不得有气穴.

图1　输液瓶胚(尺寸单位：mm)

2注塑工艺参数设定

Moldflow是以塑件注塑成型过程为对象，以塑料流动理论、有限元和数值模拟等理论为支撑，以计算机为运行载体模拟塑料流体流动情况的仿真软件[5].

材料聚丙烯(PP)具有耐热、耐腐蚀且密度小等优点，便于储存和运输.在Moldflow软件中设置成型工艺参数如表1所示.

表1　注塑成型工艺参数

3网格划分及最佳浇口位置确定

首先将UG 三维模型以igs 格式保存再导入.Moldflow进行网格划分.Moldflow的网格类型分为表面网格(Fusion)、中面网格(Midplane)以及实体网格(3D).该塑件壁厚较为均匀且比较薄，适宜使用表面网格进行有限元网格划分，以此获得较好的网格，为后续分析提供更好的模型.首先使用自动网格划分，再检查该模型的横纵比，自动网格修复不符合的网格，无法修复的网格通过手动来修复.完成的有限元模型如图2所示.

图2　输液瓶胚有限元模型

浇口位置设计合理与否对其表面质量以及内部结构都有很大的影响.在Moldflow软件中，首先设定分析类型为“浇口位置”，浇口最佳位置分析结果如图 3 所示.从图3 中可以看出，模型中间位置为注塑浇口的理想区域.对于该瓶胚来说，将浇口设置在中部对瓶胚表面质量有一定影响，且模具结构也会相对复杂.本文选择瓶胚中间和顶部作为浇口设置来做对比分析.中间位置浇口选用点浇口结构形式，顶部浇口选用矩形浇口结构形式.

图3　浇口位置分析结果

4浇注系统分析及设计

浇注系统的作用是使模具中建立从注塑机喷嘴到型腔塑料熔体的流动通道[6].浇注系统的设计主要分为主流道、分流道、浇口的设计.本文选用一模十六腔方案来设计浇注系统，对两种浇口位置分别设计了平衡浇注系统和非平衡浇注系统.

4.1主流道设计

主流道单独设计成镶块安放于定模板中，形状为圆锥状，长度一般小于60 mm,进出口直径根据注射量和成型材料来确定.该瓶胚材料是聚丙烯，十六个模型质量之和约为240 g，故选择主流道进口直径为4.5 mm、出口直径为6.5 mm、长度为60 mm.

4.2分流道设计

分流道的设计原则是尽量减少其中的压力损失且热量损失尽可能小.分流道的截面形状一般可为圆形、正方形、半圆形、梯形、矩形，其中圆形和矩形的流道效率最高，但矩形不利于脱模，故选择圆形截面形状.聚丙烯的分流道直径一般为4.8~9.5 mm,故选择6.5 mm.

4.3浇口设计

浇口是连接分流道和塑件的一段狭小通道[7]，形状各异.该瓶胚浇口可以设置在瓶胚中间以及瓶胚顶部.中间位置选用点浇口，顶部位置选用矩形浇口.点浇口的直径取0.5~2 mm,长度取1 mm.矩形浇口厚度取塑件壁厚的1/3~2/3,为2 mm,宽度选2 mm，长度取1 mm.

4.4平衡与非平衡浇注系统设计

平衡与非平衡浇注系统区别在于分流道形状，分流道可采用平衡式布置和非平衡式布置.平衡式布置的特点是从主流道经分流道至各个型腔这一段流道中的截面、长度都完全相同.这样保证了各个制件在性能、结构、质量上保持高度一致，型腔布局主要有圆周式布局和行列式布局.非平衡布置的特点是从主流道经分流道至各个型腔这一段流道中的截面或长度不相同.这样有利于缩短流道长度，减小压力和热量损失,有益于注塑成型.分流道直径6.5 mm，部分位置4.5 mm.瓶胚浇注系统设计有6个方案.

方案一(a)：平衡圆周式布局(中间浇口).中间位置为浇口位置，使用点浇口，直径1 mm,长度1 mm,部分分流道长度180 mm，直径6.5 mm，呈圆周布局，其余分流道直径4.5 mm.主流道入口直径4.5 mm，出口直径6.5 mm.如图4所示.

方案一(a)：中间浇口　　　方案一(b)：顶部浇口

方案一(b)：平衡圆周式布局(顶部浇口).顶部位置为浇口位置，使用矩形浇口，厚度2 mm,宽度2 mm,长1 mm.其余和以上相同.

方案二(a)：平衡横列式布局(中间浇口).中间位置为浇口位置，使用点浇口，直径1 mm,长度1 mm,部分分流道直径6.5 mm，其余分流道直径4.5 mm，零件中心之间距离为60 mm,两列中心之间距离为100 mm，呈横列式布局.主流道入口直径4.5 mm，出口直径6.5 mm.如图5所示.

方案二(a)：中间浇口　　　方案二(b)：顶部浇口

方案二(b)：平衡横列式布局(顶部浇口).顶部位置为浇口位置，使用矩形浇口，厚度2 mm,宽度2 mm,长1 mm.其余和以上相同.

方案三(a)：非平衡式布局(中间浇口).中间位置为浇口位置，使用点浇口，直径1 mm,长度1 mm,部分分流道直径6.5 mm，其余分流道直径4.5 mm，零件中心之间距离为60 mm,两列中心之间距离为100 mm，呈横列式布局.主流道入口直径4.5 mm，出口直径6.5 mm.如图6所示.

方案三(b)：非平衡式布局(顶部浇口).顶部位置为浇口位置，使用矩形浇口，厚度2 mm,宽度2 mm,长1 mm.其余和以上相同.

方案三(a)：中间浇口　　　 方案三(b)：顶部浇口

5瓶胚注塑成型过程模流分析及比较

5.1充填时间分析

充填时间是指塑料熔体从浇注口处进入到模腔直至整个模腔充满的一段时间间隔[8].充填时间越短注塑效率就越高，经济效益也相应提高.方案一(a)用时2.011 s，方案一(b)用时2.161 s.方案二(a)用时1.772 s，方案二(b)用时2.125 s.方案三(a)用时1.780 s，方案三(b)用时1.886 s.其中，方案二(a)用时最短，方案三(a)次之.

方案一(a)：中间浇口　　　方案三(b)：顶部浇口

5.2气穴分布

气穴分布是指注塑完成时模腔内气体所在的区域[9].气体主要由塑料熔融时产生且不能及时排出形成气穴，形成缺陷将会影响塑件的内部结构.气穴越多，塑件产生的缺陷就会越多，影响瓶胚后续吹塑.气穴位置分布如图8所示.可以看出，浇口位于中间时气穴较多，分别分布于底部和顶部；浇口位于顶部时，底部和顶部气穴各一个，且易去除.

方案二(b)：顶部浇口　　　方案三(b)：顶部浇口

5.3锁模力分析

锁模力是指注射时为克服型腔内熔体对模具的扩张压力，注射机施加给模具的锁紧力[10].从图9中可以看出，方案三(a)锁模力变化不均

匀，其余变化都较为均匀.各方案最大锁模力如下：方案一(a)为64.8吨，方案一(b)为61.2吨；方案二(a)为48.3吨，方案二(b)为111.1吨；方案三(a)为50.7吨, 方案三(b)为44.8吨.其中，方案三(b)锁模力最小，方案二(b)锁模力最大，流料最为不畅.

方案二(b)：顶部浇口　　　 方案三(b)：中间浇口

最终这6种浇注系统模流的分析结果如表2所示.

表2　模拟结果

6综合加权评分法对浇注系统分析

综合加权评分法是对各个结果进行评分，再把各个评分结果乘以相应的权重系数，最终得到最后的加权分数，再比较分析可以得到较好的结果.设填充时间的评价权重为0.4，气穴个数为0.3，最大锁模力为0.3.综合加权评分分数值如表3所示.

表3　综合加权评分的分数值

由表3中的加权评分数值可以看出:方案一(a)的评分最高，浇注系统性能最差；方案三(b)的评分最低，浇注系统性能最优.

综上所述，非平衡浇注系统由于流道行程比较短，在填充时间上有一定的优势；浇口位于中间位置时气穴个数较多，浇口位于顶部位置时有利于减少气穴个数.最终确定非平衡系统且浇口位于顶部位置的方案三(b)在填充时间、气穴分布、锁模力方面具有一定的优势.

7结论

(1)运用Moldflow对输液瓶胚三维模型进行网格划分，确定中间和顶部位置为浇口位置，中间采用点浇口形式，顶部采用矩形浇口形式，设计了平衡和非平衡浇注系统，建立了6种一模十六腔的浇注系统，并对成型过程进行数值模拟，研究比较各个浇注系统的填充时间、气穴及锁模力.

(2)采用综合加权评分法对6个浇注系统的填充时间、气穴数量、最大锁模力进行评分，最终确定方案三(b)方案即非平衡浇注系统为最佳方案.顶部为浇口位置，采用矩形浇口，分流道采用非平衡布置.这可以为浇注系统的优化提供参考.

[参考文献]

[1]孙丽丽,苏学满.基于Moldflow的输液瓶胚注塑工艺参数优化设计[J]. 塑料工业,2014(1):43-47.

[2]孙丽丽,苏学满. 基于Moldflow的输液瓶胚注塑成型过程数值模拟[J]. 轻工机械,2013(2):4-6.

[3]秦玉超,周奇. BOPP塑瓶大输液瓶胚冷却方式的改进[J]. 机电信息,2013(11):27-30.

[4]时虹. 不对称薄壳注塑件浇注系统平衡设计和工艺参数优化[D].南昌：南昌大学,2012：30-32.

[5]贺华波, 邓益民, 李红林. 基于 Moldflow 的笔筒注塑件结构优化设计[J]. 电加工与模具, 2007(4): 51-53.

[6]王正伦,王智祥. 基于Pro/E的筐壳类塑件注塑模具设计与制造[J]. 计算机应用技术, 2011, 38(9): 34-38.

[7]张伟，张海波. 塑料模具浇注系统的设计浅析[J]. 机电信息，2011(18)：177.

[8]王茂军. 基于Moldflow浇口位置优化设计[J].安徽工程科技学院学报，2008, 23(4)：12-15.

[9]谭安平，向渝，李才能.基于Moldflow的保险杠不同浇注系统比较分析[J].精密成型工程，2011(2)：70.

[10]魏剑. 注塑机锁模力的计算[J]. 塑料制造, 2007(5): 142-143.

(责任编辑吴强)

Design of the cavity runner system of the infusion bottle embryo based on Moldflow

SHAN Xuejun, TANG Lingfeng, YAN Jinyu

(School of Mechanical & Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu Anhui 241000, China)

Abstract：Taking 250 ml infusion bottle embryo as the research object, and its structure and processing property of the infusion bottle embryo were analyzed, and the three-dimensional model of infusion preform was established. The balance and the unbalance of the cavity runner system were designed. The Moldflow software was used to have numerical simulation in the process of injection and molding of the infusion bottle embryo, two gate position were determined. The filling time, cavitation distribution and clamping force of the balance and unbalance of the cavity runner system were discussed, and were determined as the evaluation, then the two schemes are scored by comprehensive weighted scoring method. Finally, the gate position and the cavity runner system were determined.

Key words：infusion bottle embryo; gate position; the balance of the cavity runner system; the unbalance of the cavity runner system; comprehensive weighted scoring method

[中图分类号]TH137.5

[文献标志码]A

[文章编号]1673-8004(2016)02-0084-05

[作者简介]单学军(1990—)，男，江苏盐城人，硕士,主要从事模具CAD/CAE方面的研究.

[基金项目]省科技攻关项目：脱硫除尘过程装备及其控制系统研发(12010402105)；芜湖市科技计划项目：数控机床液体静压导轨控制研究及其产业化(2103cxy08).

[收稿日期]2015-06-17