多型腔熱流道注射模的澆注平衡分析
摘要：結合一模 18 腔高密度聚乙烯瓶蓋的注射成型，介紹了 Moldflow 分析軟體在熱流道注射模具設計中的應用。詳細說明熱流道澆注系統的流變學平衡的特點。
關鍵詞：注射模；熱流道；澆注平衡
一. 引言
近年來，注塑模生產企業已經越來越多地應用熱流道技術。與此同時，在熱流道系統的設計中，預先使用 Moldflow 軟體進行模擬分析，可有效地提高設計效率和準確性。
本文所舉實例是改造設計的 18 腔瓶蓋熱流道注射模。由於是冷流道模具改成熱流道，模板尺寸、型腔布置和澆口位置已經固定，要實現幾何的自然平衡流道系統已不可行。因此考慮仍為非平衡式流道布置。但是，在一模多腔的注塑成型中，塑料熔體在澆注系統中的流動平衡性十分重要。這直接影響到各型腔的填充時間，注射和保壓壓力，以至體積收縮率的均衡性，進而影響產品質量。因此，在流道系統的設計中，有必要利用 Moldflow 軟體的分析功能，建立流變學的熱流道平衡澆注。儘管從主流道到各型腔的流道長度不相等。通過優化流程中各段流道直徑，使塑料熔體從主流道到各型腔的壓力降相等；使得熔體充滿型腔的時間相同。平衡澆注成型的各個型腔的製品，其體積收縮率一致。
二. 流道直徑初步設計
首先根據型腔布置和澆口位置，確定流道分布如圖 1 所示。然後根據物料特性、單個型腔的注射量、澆口位置等參數，確定相應的熱流道分噴嘴的流道直徑為 6mm 。並按此確定對口的第二層分流道直徑也為 6mm 。
對比冷流道系統，熱流道模具中塑料熔體與流道壁面的熱交換和流道截面的摩擦熱的生成是很少的，塑料熔體因溫度變化而導致的粘度變化也很小。因此，在流動分析中，按塑料熔體在各流道中剪切應力不變的理論，各級流道直徑計算式如下：
式中 Ｎ——流道分叉數；——上游流道直徑，mm；——下游流道直徑，mm。
圖1 熱流道澆注系統布置
1-主流道噴嘴；2-第一層分流道；3-兩層分流道間的中央連接流道；
4-兩層分流道間的兩側連接流道；5，6-第二層兩側分流道；
7，8-第二層中間分流道；9-頂針式噴嘴和澆口
根據流道分支情況和分噴嘴流道直徑，計算出第一層分流道直徑為 10.9mm，考慮到實際加工和減小流道中熔體傳輸壓力損失，初步確定為12mm 。由於兩層間連接流道3與主流道噴嘴之間距離較近，流程較短。塑料熔體的壓力損失相對較小，適當減小該流道的尺寸，初步確定為 8mm 。各段流道直徑見表 1 所列。
三. Moldflow 初步填充分析
完成熱流道系統初步設計及三維造型後，進行 Moldflow 填充分析。原料為高密度聚乙烯 HDPE，工藝參數為料溫 220℃，模具溫度 40℃，保壓壓力為注射壓力的 80% 。
1．填充時間分析
如圖 2 所示，由於主流道噴嘴至各型腔流程長度不同，各型腔的填充時間不同。流程最長的型腔需要 0.2518s 完成填充；而最短的僅需要0.2081s 左右。流動的不平衡性達到了 17.3% 。這必定會導致各型腔的壓力分布不均，進而影響到製品質量。
圖2 非平衡流道布置的注射填充時間
如圖 2 所示，注射 0.2081s 後，流程最短的中央型腔已經充滿。此時，對應圖 3 上主流道位置的輸入壓力為 55.87MPa 。在此之後壓力曲線急劇上升。在注射填充結束時達到最高壓力 66.88MPa，說明各型腔的熔體填充流動過程很不一致。
圖3 非平衡流道布置的 V/P 轉換點壓力分布
2．充模與保壓的轉換點 (V/P) 壓力分析
如圖 3 所示，處於模板中央位置的型腔由於過早地被充滿，在填充結束時，分噴嘴進料點壓力為 57.64MPa 。該型腔內壓力也高達 42.15MPa 左右。與此同時，處於模板兩側的分噴嘴進料點壓力為 47.94MPa，型腔內壓力接近 0 。這將會造成中央型腔的過度保壓。中央型腔所成型的瓶蓋，冷卻固化的收縮率較小。模具分型面的中央有可能出現溢邊。而兩側型腔保壓不足。模具兩側型腔所成型的製品，因壓力不足而收縮率過大。18 個瓶蓋尺寸大小不一，有頗大誤差。
四. Moldflow流動平衡分析
前填充分析結果可知，初步的熱流道系統設計不合理。必須對此熱流道澆注系統進行流道改造。力求從主流道噴嘴到各型腔的壓力降相等，使各型腔同時被充滿。從而得到18個型腔成型的製品，有良好一致性。應用 Moldflow 軟體，對非平衡流道布置可以實現熱流道系統平衡澆注。
關鍵是流道尺寸約束條件的設定。由於熱流道分噴嘴與注射量直接相關，並且有對應的系列規格，分噴嘴的內徑為 6mm 。第二層分流道 7 和 8 的直徑設置為固定 (Fixed) 在 6mm 。第二層兩側流道 5 和流道 6 的直徑，設置為允許在 6～10mm 有約束變化 (Constrained）。其餘各段流道直徑，設置為無約束 (Unconstrained) 。然後，根據已有的填充分析的壓力曲線，將目標壓力 (Target Pressure) 設定為 60MPa 。注塑工藝參數不變。經 Moldflow 程序的自動分析運行，流變學平衡的各段流道直徑優化結果見表 1 。
1．填充時間分析
澆注平衡後的填充分析結果如圖 4 所示。經過流道直徑優化後，各型腔填充時間基本趨於一致，最長的 0.2514s，最短的 0.2392s，流動的不平衡性從 17.3% 降低至 4.8% 。
2．V/P 轉換點壓力分析
如圖 5 所示，流道直徑優化後的 V/P 轉換點，主流道位置壓力為 56.8MPa，這與預先設定目標壓力的 60MPa 非常接近。經過澆注平衡之後主流道位置的壓力曲線，整條變得均勻平滑，沒有壓力陡增的情況。
此外，與圖 3 相比，各分噴嘴進料點壓力集中在 42.53～44.63MPa 之間。各型腔內的壓力分布均勻性也有很大的改善。經過流道直徑優化後，熔體流動基本平衡。各型腔壓力均勻，效果比較理想。
圖4 流道直徑優化後的注射填充時間
圖5 流道直徑優化後的V/P轉換點壓力分布
3．各型腔瓶蓋製品的體積收縮率分析
為最終確定製品成型情況，將流道直徑優化前後的模型進行流動和保壓分析，動用 Flow 分析功能。保壓壓力為填充壓力的 80%，時間 2s 。將圖 6 和圖 7 比較，最初的非平衡布置流道，由於各型腔壓力差過大，導致各個製品體積收縮率有較大差異。而通過 Moldflow 流道直徑的優化，各型腔在充模並保壓一段時間後，各個製品收縮率基本一致。見表 2，經流道直徑優化後平衡澆注成型，由於各型腔的充滿時間相近，各型腔的瓶蓋的體積收縮率很接近。18 個成型瓶蓋的尺寸一致性好。瓶蓋製品的精度提高了。容器旋上瓶蓋時的互換性好。
圖6 非平衡澆注的各瓶蓋的體積收縮率
圖7 平衡澆注製品的體積收縮率
五. 設計方案的最終調整
通過流道平衡分析後的流道直徑尺寸均為小數。在實際加工中，深孔鑽的刀具直徑有標準系列。對流道直徑應該做出適當調整，見表 1 末行所列。
為了驗證調整方案可行性，維持原來注塑工藝參數不變，再次進行 Moldflow 填充分析。最長和最短充模時間分別為 0.2496s 和 0.2358s，流動的不平衡性為 5.5% 。在整個填充過程中，V/P 轉換點主流道位置壓力為 57.9MPa，壓力變化均勻。調整方案結果對比圖 4、5 和 7 可知，與通過 Moldflow 優化後的填充分析結果基本一致。
總之，在此熱流道的設計過程中，由於受到多型腔布置、澆口位置、模板尺寸、加工工藝及成本諸多因素的限制，各個型腔填充時間和壓力，尚未能完全達到理想狀態。但是經過 Moldflow 分析軟體應用，可以將非平衡流道布置多型腔注射，基本實現流變學平衡澆注。能保證多型腔注射製品的尺寸精度和質量一致性。經熱流道改造的 18 腔瓶蓋注射模,已經試模。注射順利，製品質量良好。
參考文獻
1．D Frenkler and H Zawistowski. Hot Runner in Injection moulds. Rapra Technology Ltd. UK. 2001.
2．王剛，單岩編著 Moldflow模具分析應用實例[M] . 北京: 清華大學出版社，2005.
3．王建華，徐佩弦編著. 注射模的熱流道技術[M]. 北京: 機械工業出版社，2006.
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