注塑成型中一模两腔流道平衡优化设计（论）

（自然科学版）

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＥＦＥＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

合肥工业大学学报

Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．８　Ａｕｇ．２０１５　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３‐５０６０．２０１５．０８．００７

注塑成型中一模两腔流道平衡优化设计

周　香，　陈文琳，　王晓花

（合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽合肥　２３０００９）

摘　要：具有配合关系的２个塑件一模两腔注塑成型时，容易产生填充、压力及温度不平衡等问题。文章通过理论计算和实验相结合的方法，分析了玩具电脑Ａ、Ｂ面壳成型中存在的翘曲、飞边等缺陷，采用浇口平衡设计理论和有限元变截面法对该浇注系统进行优化设计。模拟结果表明，充填时间不平衡率控制在０畅６１％，充填压力不平衡率控制在３畅８７％，且翘曲值有所减小。优化后塑件缺陷分析结果表明，塑件飞边得到解决，翘曲有明显改善，从而说明流道平衡对改善塑件质量有较好的效果。关键词：一模两腔；浇注系统；有限元；流道平衡；塑件质量

中图分类号：ＴＱ３２０畅６６２　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１００３‐５０６０（２０１５）０８‐１０３６‐０５

Ｒｕｎｎｅｒｂａｌａｎｃｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｉｎｄｏｕｂｌｅ‐ｃａｖｉｔｙｍｏｌｄｉｎｊｅｃｔｉｏｎ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）

ＺＨＯＵＸｉａｎｇ，　ＣＨＥＮＷｅｎ‐ｌｉｎ，　ＷＡＮＧＸｉａｏ‐ｈｕａ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｔｗｏｐｌａｓｔｉｃｐａｒｔｓｗｉｔｈｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｒｅａｐｔｔｏｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｓｕｃｈａｓｕｎｂａｌ‐ａｎｃｅｄｆｉｌｌｉｎｇ，ｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｄｏｕｂｌｅ‐ｃａｖｉｔｙｍｏｌｄｉｎｊｅｃｔｉｏｎｐｒｏｇｒｅｓｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｄｅｆｅｃｔｓｏｆｔｏｙｃｏｍｐｕｔｅｒＡａｎｄＢｓｈｅｌｌｓｆｏｒｍｉｎｇｉｎｃｌｕｄｉｎｇｗａｒｐａｎｄｆｌａｓｈａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍｅｔｈｏｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔｈｅｏｒｙｏｆｒｕｎｎｅｒｂａｌａｎｃｅａｎｄｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｏｆｖａｒｉａｂｌｅｓｅｃｔｉｏｎａｒｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｇａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｉｌｌｉｎｇｔｉｍｅｉｍｂａｌａｎｃｅｒａｔｅａｎｄｔｈｅｆｉｌｌｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｉｍｂａｌ‐ａｎｃｅｒａｔｅｓｈｏｕｌｄｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄａｔ０畅６１％ａｎｄ３畅８７％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄｔｈｅｗａｒｐｖａｌｕｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｔｏａｃｅｒｔａｉｎｅｘｔｅｎｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｐａｒｔｓｄｅｆｅｃｔｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｒｏｕｇｈｏｐｔｉｍｉｚｅｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｐｌａｓｔｉｃｆｌａｓｈｉｓｓｏｌｖｅｄａｎｄｔｈｅｗａｒｐｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ，ｗｈｉｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｒｕｎｎｅｒｂａｌａｎｃｅｈａｓｇｏｏｄｅｆｆｅｃｔｉｎｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｐｌａｓｔｉｃｐａｒｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｏｕｂｌｅ‐ｃａｖｉｔｙｍｏｌｄ；ｇａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ；ｒｕｎｎｅｒｂａｌａｎｃｅ；ｐｌａｓｔｉｃｐａｒｔｑｕａｌｉｔｙ　　一模多腔模具结构是一种能充分利用生产力资源，减少模具数量，提高企业生产效率和经济性的模具形式，在小型塑件、配合塑件及颜色相同塑件上具有广泛的应用。对于不同塑件的多型腔，浇注系统的设计应使所有的型腔能同时得到塑料熔体均匀的充填，从而获得平衡的充填时间、充填压力、保压压力等以保证良好的产品质量［１］。而传统的浇注系统设计主要以经验作为参考，直接　　

加工模具，并不考虑流道是否达到平衡；或通过试错法，反复试模、修模等多次调整，达到**衡效果，大大延长了产品的开发时间，同时浇注系统的容积不是最优，增加了材料成本究者和企业所关注

［３‐５］

［２］

。因此，流道平

衡的应用在生产中具有重要的意义，也逐渐被研

。

近年来，对于一模多腔平衡的研究在理论上取得了很大的进展。文献［６‐７］研究了“Ｈ”型流

收稿日期：２０１４‐０６‐２７

基金项目：教育部科学技术研究重大资助项目（３１１０２５）作者简介：周　香（１９８８－），女，湖南隆回人，合肥工业大学硕士生；

陈文琳（１９６３－），女，安徽安庆人，博士，合肥工业大学教授，硕士生导师．

　第８期周　香，等：注塑成型中一模两腔流道平衡优化设计

２畅０ｍｍ，终端直径为１畅０ｍｍ。

１０３７

道系统充填不平衡现象产生的机理，并提出了可

视化实验方法；文献［８‐９］利用可视化注塑模具和红外温度传感器，从实验的角度验证了剪切热是自然平衡流道中发生充填不平衡现象的原因，并设计了可更换流道的实验模具，探究流道尺寸及浇口形式的变化对非平衡充填的影响；文献［１０‐１１］研究了调整浇口达到解决电池槽产品缺陷的目的，并进一步运用称重法调节浇口进料以达到平衡。以上研究从机理及流道尺寸上分析了导致流道不平衡的因素及其验证实验，对于优化流道两型腔在模块上布置好后，浇注系统通过以上参数加工，采用注塑机ＨＴＦ２００Ｘ１／Ｊ１试模发

现塑件存在配合间隙过大、飞边等缺陷，如图２所示。流道平衡是保障产品质量的基础，当充填时间、压力不平衡时，注塑过程中会出现过保压，使制件内部形成残余应力以及模具可能发生胀模，必然会产生翘曲、飞边问题

［１２］

。从充填难易程度

分析可知，Ｂ面壳中间有个窗口，相对于Ａ面壳来说结构稍微复杂，充填比较困难，即Ｂ塑件还平衡改善塑件翘曲、飞边等缺陷的实验验证研究较少。为此，本文针对流道不平衡产生的质量问题，将理论和实验相结合来优化浇注系统，以翘曲和飞边为衡量标准，得到质量较好的塑件。

１　初始浇注系统物理实验

制件为某玩具电脑相互配合的Ａ、Ｂ面壳，平

均壁厚为２畅２ｍｍ，体积分别为８畅８４×１０４

７畅８７×１０４

ｍｍ３

，结构排布及模具如图１所示ｍｍ３

、

。

图１　结构排布及模具图

材料为ＡＢＳＧＰ２２，在７０℃下干燥２ｈ，根据经验设计主流道长为３０畅０ｍｍ，小端直径为３畅０ｍｍ，大端直径为７畅０ｍｍ；一级分流道的梯形截面尺寸上端为７畅０ｍｍ，下端为６畅３ｍｍ，高为４畅０ｍｍ；二级分流道圆锥形始端直径为６畅５ｍｍ，终端直径为３畅０ｍｍ；两浇口设计为等长的１畅５ｍｍ，始端直径为

未充满，Ａ塑件就已进入保压阶段，进而导致Ａ面壳产生上述问题。以下从优化流道平衡设计方面来减少产品Ａ的缺陷。

图２　塑件存在的问题

２　浇注系统的优化及平衡分析

２畅１　浇口平衡设计

ａｎｃｅｄ对于浇口的设计，可采用浇口平衡值（ｂａｌ‐平衡。ｇａｔｅ不同的塑件型腔ｖａｌｕｅ，ＢＧＶ）估算浇注系统是否达到，各浇口计算出的ＢＧＶ值必须与塑件型腔的充填量成正比

［１３］

，即

ＷＷａｂ＝ＢＧＶＬ其中，ＷＢＧＶａｂ＝ＡＡｇａｇｂ

ＬｒｂＬｇｂ。ｒａＬｇａ

ａ、Ｗｂ分别为型腔ａ、ｂ的充填量（熔体质量或体积）；Ａｇａ、Ａｇｂ分别为型腔ａ、ｂ的浇口截面积；Ｌｒａ、Ｌｒｂ分别为从主流道中心到型腔ａ、ｂ的流动通

道的长度；Ｌｇａ、Ｌｇｂ分别为型腔ａ、ｂ的浇口长度。

对于两浇口的长度，不便于修改模具，保持原来的１畅５ｍｍ，通过ＢＧＶ平衡估算，Ａ塑件浇口的始端直径为２．０ｍｍ、终端直径为１畅１ｍｍ，Ｂ塑件浇口的始端直径为２ｍｍ、终端直径为１．０ｍｍ，并通过剪切速率校核符合要求。

２畅２　有限元优化流道平衡

为了在流道平衡分析时设定合理的迭代计算

１０３８　　　合肥工业大学学报（自然科学版）第３８卷　

目标压力值及翘曲分析时设置合理的保压压力和保压时间，先进行充填保压有限元分析，设置模具表面温度为５０℃，ＡＢＳ熔体温度为２３０℃，速度／压力切换为充填体积达９９％时，选用２００ｔ注塑机，其他参数保持默认。运用有限元“变截面”法，在满足约束的条件下，获得最小流道截面尺寸

［１４］

较大影响。

。平衡约束条件设置如下：迭代步长为

０畅０１ｍｍ；迭代２０次；时间收敛公差为５％；压力收敛公差为５％；目标压力为１０７ＭＰａ。

经过４次迭代后，充填结果控制在了目标值范围之内，充填时间不平衡率为０畅６１％，压力不平衡率为３畅８７％，截面不平衡率为０畅１７％。流道的体积变化如图３所示，通往Ａ型腔的分流道体积明显减小，最高达－２９畅５９％；通往Ｂ型腔的一级分流道减小，二级分流道有所增大，达１４％，优化后的分流道尺寸见表１所列。

图３　优化后分流道体积变化

表１　优化后分流道尺寸

ｍｍ腔类型分流道上端下端高ＡＢ型腔Ａ型腔型腔

一级一级６畅Ｂ型腔二级矱６畅８０５畅９０

６畅３０５２

矱６畅２畅３０

２畅５５３畅８６４２

二级矱６畅９４矱３畅２０

优化前、后流道的注射时间如图４所示。从图４可以看出，Ａ塑件的充填时间为１畅６４ｓ，Ｂ塑件的充填时间为２畅００４ｓ，均未出现短射现象，但充填时间不平衡率高达１８畅２％。优化后两型腔基本在１畅９ｓ同时完成注射，充填时间不平衡率得到控制。

优化前后流道的Ｖ／Ｐ转换压力如图５所示。由图５可知，优化后Ｖ／Ｐ切换时的压力平衡性明显优于优化前的，型腔充满后，同时进入保压阶段。初始状态时，Ａ型腔过早完成注射，先进入保压阶段，造成型腔内压力过高，塑件将出现过保压及体收缩不一致现象，对Ａ塑件翘曲等缺陷会有

图４　优化前、后流道的注射时间

图５　优化前、后流道的Ｖ／Ｐ转换压力

优化前、后流道的浇口位置压力如图６所示，由图６可知，初始流道时注塑位置处的压力有急剧增加和下降现象，容易导致飞边产生。飞边的

产生主要是由于锁模力不够、压力变化剧烈、注射速率过快等导致模具变形而造成的溢模，流道优

　第８期周　香，等：注塑成型中一模两腔流道平衡优化设计１０３９

化后注射位置处的压力变化比较平缓，没有明显

波动，能避免飞边的产生。所以通过有限元模拟分析可知流道已经达到平衡状态。

垂直于制品方向的变形有明显改善，将减小塑件

的配合间隙。翘曲产生的本质是体收缩不一致而导致应力分布不均匀，从工艺方面来说，流道平衡使得其型腔内压力均衡，从而所有改善。若后续再通过工艺参数、模具等方面进行优化，翘曲变形图６　优化前、后流道的浇口位置压力曲线

为了研究Ａ制品的翘曲值，在其两肩部各取一点Ｍ、Ｎ，如图７、图８所示。

图７　优化前制品的翘曲

由图７、图８可看出，优化前在Ｚ方向的变形分别为０畅７２３９ｍｍ、０畅６８９９ｍｍ。优化后２处的

的翘曲值分别为０畅６１１４ｍｍ、０畅５５６０ｍｍ，分别下降了１５畅５％、１９畅４％，从局部放大图可以看出，

将得到进一步的控制。

图８　优化后制品的翘曲变形

３　优化后实验

通过流道浇口平衡设计和有限元分析，根据

优化后的流道参数进行修模、试模，注塑设备、工艺参数和初始实验条件保持一致，得到的塑件如图９所示。

图９　优化后塑件图

由图９可知，制品因为翘曲导致的装配间隙

减小，飞边得到完全解决，消除了刮手现象。这说

（下转第１１０２页）

１１０２　　　合肥工业大学学报（自然科学版）第３８卷　

之间的相互耦合。

本文对常规三轴试验进行了数值模拟分析，得到了不同温压下的应力‐应变曲线及其损伤演化曲线，模拟结果与实验的规律基本一致，因此岩石热‐应力‐损伤模型可以较好地反映由于温度和压力的影响岩石所表现的脆‐塑性过渡，证实了模型的有效性。

［参　考　文　献］

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（责任编辑　闫杏丽）

（上接第１０３９页）

明流道平衡对Ａ产品的质量有较大的提高。所以在实际生产中，仅靠经验公式不足以使异模腔的塑件达到进料平衡，需要根据制品的结构、体积等的差异对浇注系统进行调整。

［５］　ＬｉｎＣＭ，ＣｈｅｎｇＣＨ，ＳｈｙｕＳＨ，ｅｔａｌ．Ｆｉｌｌｉｎｇｉｍｂａｌａｎｃｅｓａ‐

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４　结束语

流道不平衡会导致塑件产生翘曲、飞边缺陷，

造成装配问题和刮手现象。运用浇口平衡设计理论和有限元“变截面”法能达到优化浇注系统的目的。经过流道平衡优化后，两型腔的充填时间不平衡率控制在０畅６１％，充填压力不平衡率控制在３畅８７％，改善了塑件翘曲、飞边问题。

［参　考　文　献］

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ｃａｖｉｔｙｔｏｏｌｉｎｇｄｕｒｉｎｇｐｏｗｄｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｐｏｗｅｒ［３］　王　巍，易学满，陈文琳．影响冰箱抽屉表观质量的成型工

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（责任编辑　闫杏丽）