基于MoldFlow同模異穴注射模的流道平衡分析

王鵬， 胡阿林， 劉海蓮

（中航飛機有限責任公司 長沙起落架分公司，陜西 城固 723200）

0 引言

MoldFlow已經發展成為一款能夠驗證和優化塑料零件、注塑模具和注塑成型流程仿真軟件，通過對建立的塑件模型進行注塑過程模擬后的結果輸出可為模具設計人員、注塑工程師提供澆口位置、流道平衡、翹曲變形、氣泡、熔接痕和時間、壓力控制等注塑工藝參數全方面的指導參數。

同模異穴模即便為各穴布置了相同的分流道，但因各模穴結構、尺寸等的差別導致熔體在注射過程中在不同的時間次序充填各腔，且凍結、補料的時間也會各不相同，顯然上述因素將導致產品性能和尺寸精度無法滿足較高的塑件設計要求，應力求避免。因此，在模具設計初期，引進MoldFlow對模具進行流道平衡分析是十分必要的，并可極大減少后期反復修模造成的成本損失與浪費。當然，注射成型過程是一個多因素、多變量交叉影響的復雜過程，因此在實際生產中絕對的流道平衡是難以達到的。

1 產品工藝分析

本例闡述的4項產品是某型飛機尾翼外形襯墊，材料為PA66，零件形狀簡單，且外形較為相似，截面都呈梯形狀，但零件表面質量和尺寸精度要求高，厚度都在10mm左右。為獲得性能、尺寸一致的產品，要求采用一模四腔的模具結構成型。由于4項產品長度尺寸分布區間寬度較大，從61.5 mm至122 mm，壁厚較大。因此，在注射過程中熔體充滿4個型腔的時間差較大，由此將會造成先填滿的塑件增加了大分子的凍結取向和凍結應變，更會在澆口附近造成較大的補料內應力。上述內應力會引起制品翹曲變形、力學強度降低、開裂等。

綜上分析，本例塑件的模具結構較為簡單。為避免上述缺陷，通過MoldFlow流道平衡分析獲得填充平衡的分流道尺寸是本注射模設計的重點，此外較大壁厚產生的收縮變形也是重點關注的內容。

2 澆口及澆口位置分析

通過工藝分析，此注射模選擇矩形澆口最為合適，主要原因是零件表面質量要求較高，上表面為平面，矩形澆口更易加工，而小澆口更易獲得較高的表面質量，也利于塑件澆口凝料的修整。

由于邊緣澆口尺寸的經驗計算公式對于厚實體類零件并不適用，因此，考慮產品雖小但厚度較大的情況，設定澆口尺寸為深度1 mm、寬度3 mm，再通過MoldFlow填充分析以評估澆口尺寸。

3 流道平衡分析

流道平衡分析用于確定流道系統各部分的最佳體積，此分析可確保零件均勻填充，型腔內具有可接受的壓力大小，同時使流道體積最小化。流道平衡分析支持的網格類型為中性面和雙層面。流道平衡分析期間，流道系統的尺寸將會根據受約束情況發生更改，以確保零件在同一時間填充和澆注系統的體積最小，一個平衡良好的流道系統可顯著節省材料的使用。在流道平衡分析前，如果不能根據經驗或者公式確定流道的預設尺寸，可先在無流道平衡約束的情況下執行流道平衡分析，然后使用這些新尺寸作為設置約束的基礎，可降低零件過度約束的風險，也可降低對程序提供平衡流道系統設計能力造成限制的風險。執行流道平衡分析之前，應先進行填充分析并確保合理的成型條件、澆口位置、型腔平衡。

1）導入、排布模型。導入的產品模型是按照坐標原點定位的，進入邊界條件功能區，利用移動、旋轉等命令分別按照4項產品的尺寸對模型進行排布，并設置主流道到各型腔澆口的距離相同。

2）網格劃分。劃分網格時，以零件壁厚的倍數作為網格全局網格邊長，以匹配性較佳的全局網格邊長作為理想值。在使用雙層面劃分時，獲得小于6的縱橫比和95%以上的匹配百分比是雙層面網格劃分追求的目標，在網格劃分結束后要利用網格統計命令檢查網格質量，并可運行網格修復向導工具，以消除高縱橫比的三角形單元、取向不一致單元和自由邊等，有些高縱橫比的單元仍需手動進行修改，最后在流道系統創建完成后進行連通性檢查。通常需在以下部位或區域進行網格細化：a.具有小尺寸特征的部位，如小孔；b.條件發生急劇變化的區域，如澆口部分。可對關注區域中的網格進行細化，以便突出顯示熔接痕線及其它瞬態效應，網格劃分及統計如圖1。

圖1 網格劃分及統計

3）材料設置。由于MoldFlow材料庫是基于國外材料數據建立的，不含國內材料的數據，因此，只能根據各廠使用材料的技術條件從該材料庫選擇技術指標近似的材料來運行分析。此處選擇金發科技PA66-C112 NC013牌號的尼龍66作為分析材料。

4）流道系統設計。在幾何功能區點擊流道系統命令，按提示定置主流道、分流道、澆口和分型面等的參數，分流道類型設定為梯形，澆口類型修改為矩形，并按預估尺寸設定深度為1 mm，寬度為3 mm，如圖2。

圖2 創建流道系統

5）預填充分析。按圖2創建的流道系統設定完成后進行填充分析，獲得最大注射壓力值，檢查零件和流道系統充填階段的剪切應力及剪切速率是否在材料允許范圍、是否存在短射，結果如圖3、圖4。從圖3的分析結果得知右側最長零件會在其余3件零件填充結束后才能填滿，時間上存在不平衡。從日志或壓力結果中得出最大注射壓力約為18 MPa，結合圖4速度/壓力切換時的壓力圖分析，先充滿的3項零件存在過保壓狀況。

圖3 預充填時間結果圖

6）流道平衡分析。將分析序列改為流道平衡，輸入預填充分析時得到的最大注射壓力18 MPa，設置研磨公差0.01 mm、最大迭代次數30、時間收斂公差5s、壓力收斂公差5 MPa。首先在無約束的情況下進行流道平衡分析，分析結果如圖5、圖6。

比較圖3和圖5，平衡分析后的填充時間雖然有較大改善，但與圖4和圖6相比仍存在壓力不平衡的情況，因此，此系統仍不能滿足本次注射模設計的要求，而此時系統已分別給予4個分流道不同的尺寸值，最長零件的流道尺寸如圖7（僅以此分流道做比較，其余未示出）。因此，在此平衡分析的結果上，減小時間收斂公差設置為1s，壓力收斂公差設置為0.5 MPa，分析結果如圖8、圖9，比較后認為此結果是一套較平衡的流道系統。觀察其余流道尺寸，系統計算的流道尺寸是合理的。

圖4 速度/壓力切換時的壓力

圖5 充填時間結果圖

圖6 速度/壓力切換時的壓力

圖7 流道平衡分析得出的分流道尺寸

圖8 充填時間結果圖

圖9 速度/壓力切換時的壓力

4 結語

通過MoldFlow軟件的流道平衡分析功能，得到較為平衡的流道系統，使各型腔能夠均衡地進料、補料，在模具設計階段即獲得了最佳的流道尺寸，避免了后期反復的試模和修整。最終，4項零件尺寸公差和外觀均滿足設計圖紙要求，并獲得了較為理想的性能。

圖10 最終的分流道尺寸

［1］ 申開智.塑料成型模具［M］.北京：中國輕工業出版社，2002.