摘要本文阐述了采用CAE技术分析某壁厚不均匀塑件的成型过程，并根据分析报告详细寻找产生成型质量问题的原因，结果表明，浇口位置的选择对壁厚不均匀塑件的成型质量影响非常大。并通过CAE技术，找出了一个理想的浇口位置，解决了原始方案存在的各种成型质量问题。本文还结合案例和相关理论知识，提出了小型壁厚不均匀塑件的浇口位置确定的原则。
论文关键词：壁厚不均匀塑件,CAE技术,浇口位置,熔接痕,气穴
在注塑模设计过程中，浇口位置的选择关系到塑料熔体在型腔内的压力分布、冷却补缩，以及产品外观质量甚至产品的力学强度，是注塑模设计成功的基础。对于壁厚不均匀的塑件而言，很难通过直观分析而获知熔体在型腔内的充填、冷却状态。有了注射模CAE技术后，可以将计算机技术、塑料流变学和弹性力学有机地结合在一起，利用计算机的高速存储和运算能力，将塑料熔体的充填、冷却过程动态的显示出来，实现了短时间内对各种设计方案进行准确的比较和评测。有了CAE技术作支撑，结合相关的理论知识，可以有效的解决壁厚不均匀塑件浇口位置确定难的问题[1~4]。
以下是某镀铬外盖塑料产品（以下称亮铬盖）在生产中遇到的问题，以及采用CAE技术分析解决问题的过程。
2 问题描述及原因分析
2.1 塑件及初始方案问题描述
亮铬盖产品尺寸最宽处约40mm，总长约120mm，塑件主体壁厚为2mm，边缘壁厚为5mm左右围绕成一个环行的圈，端部薄壁处壁厚为1.5mm，fig.1所示。
A—壁厚2mm B—壁厚5mm C—壁厚1.5mm
Fig.1 three-dimensional figure of product
该产品为电镀件，成型所用材料为可电镀ABS塑料，熔体流动性一般，考虑到塑料熔体在型腔内的流长和保压问题，将浇口位置放在了塑件的中部，由于塑件是电镀外观件，所以采用了潜伏式浇口，如fig.2所示为划分好网格的塑件浇注系统原始方案：
图2 划分好网格的浇注系统方案
Fig.2 the runner system at the generated mesh
该浇注系统方案从理论上分析无明显的缺陷，于是按照该方案制造了模具，但在注塑成型过程中，塑件的大端从内孔一直延伸到外边缘，出现了一条较为明显的痕迹。而在塑件小端塑件壁厚的过渡区，也出现了流动痕迹，并且经过电镀处理后，这两条痕迹无法完全遮蔽。
2.2 成型质量问题原因分析
观察上述塑件结构，其主体部分在中间，其壁厚为2mm，而其边缘壁厚达到5mm，塑料熔体在进入模具型腔后，很容易形成“跑道效应”，也就是说熔体将先沿充填阻力小的边缘流动，而在中间壁厚较小的位置充填速度较小，这就导致模腔内的部分空气无法“逃逸”。被压缩在型腔中心的空气会沿塑料熔体前沿相交位置分布，形成无法通过模具温度或熔体温度调节而改善的熔接痕；而塑件的壁厚不均匀，使熔料在型腔中的流速产生变化，当从厚壁进入薄壁时，塑料熔体还会出现滞流，形成滞流痕。由于塑件为壁厚不均件，熔体在型腔中的充填速度不均匀，采用经验分析无法准确的确定熔体流动前沿，故借助CAE软件分析问题产生的原因。分析采用软件系统材料库中的ABS Generic Estimates作为分析替代材料，注塑条件选取默认，fig.3为模拟分析结果示意图。
a. fill time
b. weld lines and air traps
c. orientation
d. temperature at flow front
图3 初始方案的流动分析结果
fig.3 the flow analysis results of primary case
从fig.3a熔体充填的时间等位线可以看到，塑料熔体沿壁厚较厚的边缘快速充填，从两个方向在图中A位置形成对接形式的熔接线，导致熔料的熔接效果差。而从fig.3b熔接线及气穴位置图，可以清楚的看到，在前沿熔料熔接时，有大量的空气被挤压积聚在此处无法排出，fig.3c是熔体流动分子取向图，从该图进一步的印证了熔接线形成及空气被积聚的原因。Fig.3d反映了熔体前沿温度的情况，对于本案例大小的塑件，模具结构合理、工艺参数适当，熔体前沿的温度很容易控制在2～3℃范围内；而该塑件由于熔体流动前沿压缩空气的存在，致使熔体充填阻力增大，流动速度变缓，熔体前沿温度也出现了急剧下降，滞流区的温度普遍下降了20℃左右，这是一个流动充填极差的案例。因此，熔体前沿以对接的形式熔接、熔接线位置存在大量压缩空气以及熔接区域出现巨大的温度降低，这三个原因同时存在，出现连电镀都无法遮蔽的熔接痕就不难理解了。
另外，从fig.3a和fig.3d可以清楚的看到，在B处熔体出现滞流，并且也伴随着巨大的熔体前沿温度降低，从而导致塑件在该位置出现明显的滞流痕。
3 较为合理的解决方案
3.1 合理的方案描述
要解决熔接痕对接、排气以及熔体滞流等问题，对于单一浇口注塑模而言，必须通过改变浇口位置来实现。本文塑件的厚度不均匀，由于要考虑补缩问题而将浇口开设在了壁后处，出现了本文上面描述的的成型质量问题；但如果考虑将浇口开设在薄壁位置，又会担心熔体在壁厚较大的位置处补缩困难的问题。有了CAE技术的支撑，可以几乎零成本尝试各种浇口位置设置方案，从而减少不必要的经济损失。经过多个浇口位置的尝试，获得较为理想的浇口位置，fig.4所示为该方案的浇注系统布局情况，此方案将浇口位置开设在壁厚最薄的小端，采用端部侧浇口进料的方式。
图4 浇注系统改进方案
fig.4 the runner system of modified case
3.2 调整后的方案分析
方案改进后，浇注系统的流道变长了，充填压力降势必会有所增大，但若充填压力增大的值在合理范围内，而又能将原始方案中的问题从根本上加以解决，则这种方案的改进就是可取的。图5所示为方案改进后的模拟分析结果示意图。
a. fill time
b. weld lines and air traps
c. temperature at flow front
图5 改进方案模拟充填分析结果
fig.5 the flow analysis results of primary case
从fig.5a可以看到，熔体在型腔中的充填速度非常均匀，壁厚最薄处由于处于进浇位置，所以没有出现滞留现象；而熔体的最后充填区域刚好位于塑件顶部内孔的位置，型腔内被流动前沿“驱赶”积聚的压缩空气可以沿型芯与模板连接的缝隙被导出，所以不会形成熔接痕也不会存在气穴。
而fig.5b中形成了少量的熔接线和气穴，它们主要由于熔体被成型内孔的型芯“分流—融合”而形成的，结合fig.5a不难看出，这些熔接线都是以钝角形式熔接的，且孔径较小，所以熔接线的熔接质量较好，也不会出现空气被包裹在型腔内部不能排出的情况。从fig.5c熔体流动前沿的温度来看，前沿温度只在塑件的中心区域出现了2～3℃的温度下降，其它区域的前沿温度几乎保持恒定。因此，从总体来看，改进后的方案将原始方案中出现的熔接痕和滞流痕的问题都解决了，且熔体流动速度变化平稳，前沿温差较小。
3.3 两个方案的参数比较及验证
Table.1所示是两种方案的相关数据的比较：充填时间和Z方向变形量几乎相当；而前沿温差、熔接痕和滞流痕几个方面，原始方案中这些都是产品成型的致命伤，而改进方案将其全部改善；在充填压力方面，由于改进方案的流道加长了，在流道中的压力损耗达到近30MPa，而原始方案仅仅约10MPa，从这个方面讲，改进方案的型腔压力降为约20MPa小于原始方案的30MPa，其型腔内的压力分布更加均匀了。
表1 两种方案模拟分析比较
table.1 compare the analysis results of the two cases
参 数
充填
时间
(s)
充填
压力
(MPa)
Z向
变形
(mm)
前沿
温差
（℃）
熔接痕
滞流痕
原始方案
4.18
40.11
0.262
3
明显
明显
改进方案
4.12
48.75
0.267
20
不明显
无
按照改进方案所给定的浇口位置，对模具结构做出了合理的调整，原来电镀后都无法解决的熔接痕和滞流痕问题得到了非常完美的解决。
4 结束语
对于壁厚不均匀的单浇口塑件而言，浇口位置的选择至关重要，而且不可能按照经验的原则来确定浇口位置，在CAE技术已经较为成熟的今天，结合专业知识和CAE流动充填分析是必要的。通过该案例，笔者认为对于壁厚不均匀的塑件，确定浇口的位置应该注意以下几点：（1）应该尽可能的保证熔体充填速度的均匀性；（2）避免熔体前沿以对接的形式熔接；（3）熔体前沿温差较大，应该改变浇口位置；（4）出现大量气体无法排出，应改变浇口位置；（5）如果浇口放在任何位置都有气体被压缩在型腔中心位置，则可以考虑在最后充填区域的模腔镶嵌透气钢材料来解决排气问题。
参考文献
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