Moldflow软件填充分析在注射模流道平衡优化设计中的应用

Moldflow软件填充分析在注射模流道平衡优化设计中的应用
摘要：针对流道平衡在注射模具设计中的重要性，给出了在分流道设计中利用MPI（Moldflow Plastics Insight）软件通过优化流道尺寸来获得流道平衡系统的分析方法。

以一模多腔的流道平衡为例，介绍了在平衡约束
下利用MPI软件对分流道尺寸进行优化的过程，最终得到了分流道尺寸的最佳值，提高了一次试模成功率。

关键词：注射模流道平衡侧浇口Moldflow
引言
同传统的注射模具设计相比，Moldflow技术无论在提高劳动生产率、保证产品质量，还是在降低产品制造成本、减轻人工劳动强度等方面，都具有很大优越性。

利用Moldflow技术可以在注射模具加工前，在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟流动分析，准确预测塑料熔体的填充、保压、冷却等情况，以及制品中
的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题，及时修
改制件和模具设计，而不是等到试模后再返修模具。

这不仅是对传统模具设计方法的一次突破，而且对减
少甚至避免模具返修报废、提高制品质量和降低产品制造成本等方面，都有着重大的技术经济意义。

注射模的设计不但要采用CAD技术，而且还要采用CAE技术，这是注射模具发展的必然趋势。

在注射过程中，塑料熔体由浇注系统引导从注塑机喷嘴进入模具型腔，它的设计合理与否直接影响成型后塑件质量。

而分流道与浇口作为一模多腔模具中浇注系统的重要组成部分，其设计时就需要全面考虑流道的平衡问题。

一模多腔的流道平衡是很重要的。

要获得高品质的塑件，应尽可能使用自然平衡流道系统来平衡进入型腔
的塑料熔体流动。

但在实际生产过程中，通常模具型腔比较复杂，并且从原料损耗等各方面考虑，即使是
一致型腔尺寸的一模多腔模具也不能保证流道设计能够自然平衡，那么对于组合式型腔模具（一组有不一
致型腔尺寸的多型腔模具）就更难保证流道系统的完全平衡。

考虑到模流分析软件Moldflow能够在给定的约束条件下通过调整流道与浇口尺寸来保证塑料熔体在型腔内流动的平衡，本文以三个塑料件的流道平衡
设计为例，详细地讲述了一模多腔模具分流道平衡的过程和方法，最终得到了满足流道平衡条件的注射模
具分流道与浇口的最佳值。

注射模流道平衡条件与要求
流道的设计不仅会影响到塑料原料的用量而且还会影响产品的品质。

假如熔体在每个型腔内流动不平衡，
会发生过度保压与滞流，从而降低了产品的品质。

大的流道中熔体只需较低的压力，流动阻力小，但会消
耗更多的原料，而小的流道直径会引起流道内摩擦升热，导致塑料在流道内的温度比料筒中的高。

虽然较
高的料温可以减少残余应力及翘曲变形的倾向，但高温易导致材料的劣化。

为了节省材料，并降低料筒所
需温度，应设计小截面流道。

总的来说，应设计合理的分流道尺寸，在保证熔体流动平衡的前提下，最大
程度提高塑料原料的利用率。

该组卡盒、支架、卡盖塑料件主体壁厚为2mm，制品材料为ABS，注射温度为240℃，模温为60℃。

对于此类薄壳产品，可使用Moldflow有限元分析网格中的Fusion（双层面网格）或Midplane（中性层网格）进行分析，分析结果一致。

前者取外壳双层网格，外表形状与3D模型基本一致，前处理时间较短，但网格数目是后者的两倍以上，分析时间非常长，一般配置的电脑约要较长的时间
才能全部分析完毕；后者取中间单层网格，局部区域形状需做等效处理，前处理时间较长，有时候会出现
网格匹配率下降，甚至网格中会出现自由边、重叠边及交叉单元等网格缺陷，从而导致无法进行冷却分析，但分析时间较短，对电脑的配置要求不高，可以很轻松就完成模流分析。

由于对网格进行前处理非常繁琐，若没有专业的网格修补软件就很难完成其修补，因此，我们决定采用如图1所示的双层面网格（Fusion）
模型。

该制品在三维CAD软件，如Pro/E、UG、Solidworks、Cimatron等中建模，通过STL文件格式读入
Moldflow软件中，在“MF/View”的前后处理器中完成最后的修改并生成如图1所示的浇注系统。

浇注系统初始设计使用三个侧浇口。

其注射时间为0.5~2s，保压时间2s，冷却时间15~20s，成型周期17.5~24s。

Moldflow的产品基本成型条件
注塑机设定：
最大锁模力(Machine maximum clamp force): 220 t
最大注塑压力(Maximum pressure): 180.00 MPa
最大注射速度(Maximum injection speed): 800cm3/s
螺杆直径(Screw diameter): 40.00 mm
充填条件:
模具温度（Mold temperature）：60℃
最大剪切应力（Maximum Shear Stress）：0.25MPa
注射时间（Injection time）：0.5～2s
最大注射压力（Max. Inject Pressure）：120MPa
零件净重(Part Weight)：15g
最大熔融温度（Melt Temperature Maximum）：240℃
最小熔融温度（Melt Temperature Minimum）：180℃
熔融温度(Melt temperature)：235℃
保压条件：
压力（PRESSURE）[%HP]：一段为80；时间（STEP DURATION）[s]：一段为2
塑料件的模拟结果分析
由图2可知，该组塑料件卡盒、支架、卡盖在0.8510s的时间内完成熔体的填充，通过MOLDFLOW软件菜单栏上的下拉式菜单或播放按钮进行动态显示，可以清晰地看到熔体在型腔中的流动情况。

从填充时间的结果上看，整个塑件的填充极为不均匀，右侧塑料件最后充满，小塑料件第一个充满，这样填充不平衡会造成产品锁模力增加，塑件也会产生较大的变形，采用合适的保压工艺是必不可少的，但为了进一步完
善塑件的流动平衡，减少塑件的变形与压力损失过多等注塑工艺缺陷，决定对分流道与侧浇口尺寸进行适当调整，以确保熔融塑料的流动平衡与产品的完整优质成型。

塑料件的最终填充分析
针对图2的流动分析结果，我们对分流道与侧浇口尺寸进行详细分析与计算调整，把每个塑料件的分流道与侧浇口尺寸进行区部更改，同时加大其脱模斜度，以方便多个产品的流道系统顺利脱模。

由图3可知，经流道系统尺寸调整后，塑料件卡盒、支架、卡盖的在0.8342s的时间内完成熔体的填充，通过MOLDFLOW 软件菜单栏上的下拉式菜单或播放按钮进行动态显示，可以清晰地看到熔体在型腔中的流动情况。

从填充时间的结果上看，整个塑件的填充较为均匀，卡盒、支架、卡盖3个塑料件几乎同时充满，这样填充平衡会造成产品锁模力大大减少，塑件的变形也会进一步降低，但仍然需采用合适的保压工艺。

在实际试模过程中，为了进一步完善塑件的流动平衡，减少塑件的变形与压力损失过多等注塑工艺缺陷，可以根据现场实际情况对产品的侧浇口形状与尺寸进行较小调整，以进一步提高熔融塑料的流动平衡性与产品的成型质量。

结束语
本文以一模多腔的流道系统流道平衡分析为例，通过优化分流道与侧浇口的尺寸，使塑料熔体在三型腔内的流动基本达到了平衡。

从模拟流动分析结果上看，三型腔在充模过程中压力分布也是比较均匀的。

在实际产品设计时，可以按照本文建立的流道平衡优化分析方法，综合利用Moldflow软件中高效的Fill、Runner Balance和Gate Location 等基本模块，并结合实际情况来调整初始设计方案，可以获得最优的流道平衡方案。

优化后的人工平衡流道系统会更节省设计时间和成本，同时对获得平衡充填的塑料产品，有非常高的实用价值。

通过采用Moldflow流动分析模块对一模多腔的多塑料件进行填充模拟流动分析，有助于模具设计人员和工艺人员不断优化制品设计、模具设计及制造和注塑工艺参数，从而缩短新产品的开发周期和费用，提高产品的生产效率和质量，确保生产出优质的塑料制品。