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摘要：以某型发动机线槽部件的组合型腔注射模具为研究对象，采用Moldflow仿真软件对模具的浇注系统进行设计与优化。首先结合浇口位置分析结果与熔接线位置结果得到浇注系统初始设计方案；然后第一轮优化，采用改变浇口尺寸控制流速的方法，显著改善初始方案中流动不均问题；最后，基于首轮优化的结果，通过在给定的约束条件下进行流道平衡分析，锁定了最优的浇注系统设计参数。这一策略不仅显著缩短了模具从设计到验证的开发周期，还通过减少试模次数与材料浪费，有效降低了模具的整体制造成本。所提出的基于Moldflow仿真的浇注系统优化策略及其实施流程，不仅展示了高精度数值模拟在注塑模具设计中的应用潜力，还为注塑模具行业内相似结构的浇注系统平衡设计提供了一种科学、高效的参考范式。
关键词：注塑模具；组合型腔；流动平衡；Moldflow；浇注系统
0引言
在一模多腔或者组合型腔的注塑模成型过程中，如果熔体不能在其流动路径的每一个方向上同时充满型腔，就有可能发生充不满或过保压的情况。充不满会导致产品缺胶的外观缺陷；过保压可能会导致产品的密度分布不均匀，从而使产品超出设计重量，浪费材料，更严重时导致翘曲变形，过保压还可能增加生产过程中的能源消耗，缩短模具寿命，影响生产效率[1-2]。因此保证塑料熔体在其流动路径的各个方向上同时充满模具型腔，是提高产品成型质量、降低成本的关键。
在组合型腔模具的设计中，由于各型腔的几何形状和容积不同，浇注系统是保证熔体同时充满型腔的关键所在。而浇注系统的设计除要综合考虑型腔结构、浇口的位置与尺寸，流道的布局与尺寸等因素外，还需前瞻性地评估实际生产中可能出现的问题，比如熔接线、气泡等潜在缺陷，并通过设计提前规避或减轻这些不利因素对产品成型质量的影响，因此，浇注系统的设计是一个复杂的多变量交叉、多目标的优化过程[3-5]。在针对组合型腔浇注系统的设计中，传统的方法是设计人员凭借过往经验或BGV值的计算得出流道和浇口的尺寸，待模具制造完成后，通过反复的试模修模，不断对浇注系统尺寸进行调整，直到达到设计要求[3]，该方法存在模具开发周期长、制造成本高的特点。随着计算机辅助工程（CAE）技术的发展，模流分析技术成为实现熔体在模具内平衡流动的关键路径[6]。模流分析技术凭借其强大的模拟分析能力和精确的数据处理能力，能够在设计初期即预测并优化熔体流动行为，确保模具设计的科学性与合理性，从而被广泛应用于注射模的设计中，Moldflow软件正是这些技术的集中体现[7]。在应用Moldflow进行流动平衡分析的研究中[8-12]，大多数文献都是聚焦于熔体的流动平衡分析，很少关注分析结果在实际生产中的可操作性。由于“流道平衡”分析只是针对分流道进行平衡迭代，不能优化浇口和主流道的尺寸，在分析中会无法得到理想的平衡结果，或出现优化后的分流道尺寸过小，而无法应用于实际生产的情况[13]。
针对上述问题，本文以某发动机线槽上、下盖组合型腔模具为例，应用Moldflow软件对组合型腔的浇注系统进行了优化设计，在“流道平衡”中通过设置合理的目标压力、流道约束尺寸的方法使分析的数据快速收敛，得到合理的能应用于实际生产的分流道尺寸数据，有效避免在模具开发过程中的反复试模、修模，缩短模具开发周期，降低模具制造成本。
1分析前准备
1.1塑件结构分析
如图1所示为某发动机线槽组合件的上盖和下盖CAD模型，两者的体积、形状均不一样，产品上有波纹管槽、卡扣、卡槽、金属圈装配孔、加强筋等细小结构，结构复杂。下盖整体外形尺寸为210 mm×61 mm×37 mm，体积为23.3 cm3，如图1（a）所示。上盖整体外形尺寸为210 mm×37 mm×18 mm，体积为13.2 cm3。如图1可见，上盖的结构与下盖相比，相对较简单。
综合考虑产品的产量和模具制造成本，客户要求采用一模两腔的组合型腔注塑模进行生产。
1.2网格划分与优化
首先将上、下盖的CAD模型导入到Moldflow中，进行网格划分，网格类型采用双层面网格。网格统计信息显示，上、下盖的网格划分质量整体较好，仅存在自由边、纵横比稍大的网格缺陷。为提高分析的准确性，对缺陷网格进行修复，修复后的网格统计数据如下：线槽下盖三角形单元总个数为80 734个，网格匹配率为92.5%，最大纵横比小于9.96，线槽上盖三角形单元总个数为48 022个，网格匹配率为91.9%，最大纵横比小于9.59。这表明上、下盖的网格质量都满足分析要求。
1.3浇口位置分析
鉴于产品尺寸，单点进浇需高注射压力，易致聚合物分子定向排列，产生残余应力，加剧翘曲变形，影响尺寸精度和外观质量，而多浇口进胶又会增加熔接线的数量，综合考虑以上因素，决定上、下盖均采用2点进浇。合理的进浇位置是影响塑料熔体在型腔内流动形态的关键因素，为了保证熔体同时充满型腔各个角落的位置，首先利用Moldflow进行“浇口位置”分析，分析结果如图2所示，最佳浇口位置在图示蓝色区域。Moldflow浇口位置分析的出发点是基于熔体在型腔内流动平衡，实际上在确定浇口位置时，既要考虑到型腔的填充，又要考虑到产品要求、模具结构等因素。如果下盖的浇口位置按照图2（b）的结果设置，通过对下盖进行“充填”分析，观察其熔接线位置结果。
如图3所示，发现在两个孔位的图示位置存在熔接线，且该位置还是最终填充位置，不利于两股料的融合，容易形成熔接痕。由于这两个孔位是金属圈安装孔，在使用环境中需承受一定载荷，另外该位置又是孔位比较薄弱的位置，熔接痕的存在会削弱产品的结构强度，很容易造成此位置裂开，影响产品质量。因此，需重新考虑浇口的位置。
2初始设计方案
综合考虑两个塑料制品的结构特点、性能要求、进浇方式及最佳浇口分析结果，笔者根据以往设计经验给出初步的型腔布局及浇注系统方案，如图4所示，两型腔间距离为56 mm，浇口采用潜伏式进胶，流道采用圆形截面冷流道。流道及浇口具体尺寸如表1所示。
在Moldflow的几何模块中完成组合型腔的布局及浇注系统设计后，进行“充填”分析。在分析结果中，首先以熔接线位置结果判定浇口位置是否符合要求，再以充填时间、注射位置处压力、填充末端压力分析结果为依据判定填充平衡效果[14]。
2.1熔接线位置
如图5所示，可以看到熔接线没有出现在孔位比较薄弱的一侧上，而是在该侧对面位置上，且该位置比较靠近进浇点，有利于提高的熔接痕强度，这证明初始设计方案的浇口位置设置是合理的。
2.2充填时间
如图6所示为充填时间结果。通过结果查询工具查询到，下盖完全被熔体充满所需时间为0.693 1 s，上盖所需时间为0.813 6 s。这一时间差异表明熔体并未实现同步填充整个模具型腔，其流动不平衡率达到12%。
2.3填充末端压力
填充末端压力，显示了型腔完全被熔体充满时型腔内的压力分布，其理想的状态是在充填结束时，每个流动路径的末端压力应为0[15]。过高的填充末端压力，在后续阶段可能导致过保压现象，从而增加制品发生翘曲变形、开裂及飞边等质量缺陷的风险。
如图7所示为填充末端压力结果。在填充结束时，下盖的填充压力分布值显著高于上盖的，这种现象直观显示了流动的不平衡性。另外，两型腔的压力值都非常高，尤其是下盖的，这将会对产品质量造成不利影响。
2.4注射位置处压力
注射位置处压力描述了注射位置处压力在整个充填过程中随时间的变化情况[9]。图8所示为注射位置处压力结果，从图中可见压力在0.673 4 s时从49.39 MPa急剧上升，在0.789 4 s时达到峰值68.28 MPa，之后急剧下降，在0.799 0 s，下降到55.25 MPa，这一显著的压力突变现象，直接反映了熔体在型腔内流动过程中的不平衡性。
综上所述，对于初步设计方案，浇口位置的设置是合理的，但熔体在型腔内流动存在明显的不平衡现象。这一不平衡性主要归因于两型腔之间的体积及结构差异。为了有效实现组合型腔内熔体流动的平衡性，需对初始设计方案中的流道、浇口尺寸进行平衡优化。
3浇注系统优化设计
3.1第一次优化
图6所示充填时间结果显示上盖的熔体充满时间比下盖更长，为了加速上盖区域的熔体流动速度，使其与下盖区域的填充速度相匹配，采取如下调整措施：将上盖一侧的两个浇口的小端直径从原来的φ1 mm适度增大至φ1.2 mm，其他尺寸保持不变。对调整后的方案进行填充分析，分析结果如图9~11所示。
（1）充填时间
由图9的充填时间结果可以查询到，上盖充满时间为0.783 9 s，下盖充满时间为0.798 3 s，充填不平衡率为1.79%，这一数值相较于初始设计方案中的12%而言，实现了显著优化与改善。
（2）填充末端压力
如图10所示，充填结束时上盖的填充末端压力分布值比下盖稍高一些，揭示仍存在流动不平衡现象，但与优化前的状态相比，填充结束时型腔压力的分布值显著下降，表明流动不平衡现象得到了显著改善。
（3）注射位置处压力
如图11所示，注射位置处压力在填充阶段的后期虽然没有出现急剧上升现象，但在0.786 6 s后急剧下降，这表明在填充过程中仍存在一定程度的流动不平衡现象。
3.2第二次优化
综合上述分析结果，经过第一次优化后，流动不平衡性显著下降，这表明初步优化策略效果显著，但结果显示仍存在轻微的流动不平衡现象。由于熔体流动行为的复杂性，使得仅凭经验性的调整方法，难以进一步实现理想的平衡状态。于是借助Moldflow的“流道平衡”分析功能，以期获得更为精准、科学的优化数据。
在流道平衡优化中最为重要的环节是平衡约束条件的设置，由于流道平衡分析属于数值计算中的迭代计算，因此平衡约束条件直接决定了分析计算能否最终收敛，并得出合理的结果[16]。平衡约束条件的设置包括流道尺寸约束、目标压力、迭代参数的设置。目标压力的设置需要兼顾流动不平衡性与流道截面工艺性，选择适当的目标压力与迭代次数[17]。根据第一次优化结果中注射位置处的压力最大值，将流道平衡分析的目标压力设置为70 MPa，最大迭代次数设定为10次。另外，考虑到模具实际生产制造中的可操作性，将一级分流道的直径约束为“固定”。
待“流道平衡”分析完成后，在分析日志中查看流道平衡迭代计算过程，如图12所示。可以看出最终的优化结果：时间不平衡率为0.177 0%，压力不平衡率为1.992 0%，截面不平衡率为0.285 2%，这表明流道平衡的分析结果是理想的。
查看分析结果中的“体积更改”结果，如图13所示。可以看到，连接上盖的左右两侧分流道体积分别减少36.64%和31.11%，连接下盖的分流道体积均减少51%，即连接上盖的左侧分流道尺寸由原来的5 mm变为4 mm，右侧的则改为4.26 mm；连接下盖的分流道尺寸由原来的5 mm变为3.5 mm。优化后的浇注系统尺寸的填充分析结果如图14~16所示。
（1）充填时间
从图14可见，熔体完全充满型腔所需时间为0.782 7 s。从图12的分析日志中可知充填时间的不平衡率为0.117 0%，可以认为熔体基本在同一时间内充满两个型腔。
（2）填充末端压力
由图15可知，充填结束时，两型腔各流动路径末端的压力值基本接近或等于零，两型腔的内的压力分布值与第一次优化相比显著下降。
（3）注射位置处压力
由图16可知，浇口位置处压力在整个填充过程变化比较平稳，在填充阶段的后期没有出现急剧上升或下降的情况。
由以上分析结果可以看出，二次优化后的浇注系统能够达到比较好的平衡填充效果。
3.3验证
按照优化调整后的浇注系统尺寸设计制造模具，首次试模生产的产品质量就完全符合客户的要求，如图17所示。并且该副模具在后续的大批量连续生产中，运行可靠，产品质量稳定。这一结果不仅证明所设计的浇注系统在实现熔体流动平衡方面的有效性，也显示了采用CAE技术进行模具设计的显著优势，具体而言，CAE技术的应用显著缩短了模具的设计周期，降低了开发成本，并大幅提升了产品的最终质量。
4结束语
综上所述，本研究通过运用Moldflow软件对组合型腔浇注系统进行了深入细致的优化设计。在优化过程中，利用“浇口位置”与“填充”分析的结果，科学合理地确定了浇口的位置，进一步地，结合“填充”与“流道平衡”分析的数据，优化了浇口与流道的尺寸参数，从而获得了适用于实际生产的浇注系统尺寸数据。经过实际生产测试和验证，所设计的浇注系统有效保障了熔融塑料材料在模具型腔内的同步充满，彻底消除了因流动不平衡而导致的成型缺陷与问题，进而显著提升了产品的整体质量。本文所详细阐述的研究方法和优化流程，为行业内其他类似模具浇注系统的设计工作提供了宝贵的经验和参考依据。
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基于Moldflow的组合型腔注塑模浇注系统设计与优化论文
人参与 2025-03-05 10:30:45 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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