基于Moldflow的大型檢查井注塑流動分析

譚文勝，周建忠

（1.江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013；2.常州信息職業(yè)技術學院，常州市大型塑料件智能化制造重點實驗室，江蘇常州213164）

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基于Moldflow的大型檢查井注塑流動分析

譚文勝1，2，周建忠1

（1.江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013；2.常州信息職業(yè)技術學院，常州市大型塑料件智能化制造重點實驗室，江蘇常州213164）

摘要：在分析大型檢查井注塑工藝性能的基礎上，以四通檢查井注塑模澆注系統(tǒng)為例，采用Moldflow軟件分析單澆口、輪輻式6澆口、輪輻式40澆口等澆注方式，并研究澆注系統(tǒng)的澆口位置、數量和尺寸對制品質量和鎖模力、注塑壓力、保壓壓力等工藝要素的影響。結果表明：在制品端口設置熱流道輪輻式多澆口，可顯著降低剪切速率、鎖模力、注塑壓力和保壓壓力，并減少或避免制品表面的熔接痕。

關鍵詞：檢查井；熱流道；輪輻式多澆口；注塑CAE

市政塑料檢查井（簡稱“檢查井”）是替代傳統(tǒng)市政管網系統(tǒng)中水泥磚砌檢查井的大型塑料管件，因其具有高效排水、密封性好、施工便捷和使用成本低等優(yōu)點，近年來已成為國內外研究和推廣應用的重點[1-3]。大型檢查井的主要加工方法為滾塑成形和注塑成形，其中，滾塑設備、滾塑模具及其成形工藝相對簡單，但成形加工周期長、生產效率低[4]；而注塑成形加工效率高，適合大批量生產，但由于大型檢查井外形尺寸大、結構復雜，通常長、寬、高尺寸均在1 m以上，重量達數十千克至數百千克，對于注塑設備、注塑模具和注塑工藝參數的要求較高，所以注塑模澆注系統(tǒng)設計是檢查井注塑成形的關鍵。

目前，生產企業(yè)為了簡化超大型注塑模具的結構、降低生產成本，對大型檢查井注塑模通常采用單澆口冷流道澆注，這不僅使冷凝料去除困難，造成材料浪費，而且受熔體的流長比、剪切速率、溫度等流動性能的限制，單澆口很難滿足大型腔的熔體充填要求。本文基于注塑模熱流道閥式澆注技術[5]，采用Moldflow軟件分析熱流道輪輻式多澆口澆注對制品質量和剪切速率、鎖模力、注塑壓力及保壓壓力等工藝要素的影響，為大型或超大型檢查井的注塑模設計與制造提供參考依據。

1　檢查井的結構和工藝性能

大型檢查井通常由偏置收口、井室及井座組成（圖1），按井座承接支管數量可分為二通、三通、四通等類型。圖2是四通井座設計示意圖，井座尺寸為直徑630 mm、高1100 mm、壁厚10 mm，重量約35.8 kg，井座外側面均布4個直徑400 mm的承接支管。

由于井座承受較大的壓力負載，所以井座外表面設置了加強筋；又由于表面質量要求較高，故需避免充填不足、縮孔、凹陷、熔接痕等注塑缺陷。因此，井座注塑模澆注系統(tǒng)設計的重點是如何滿足塑料熔體順利充填模具型腔，以及如何避免產生影響表面質量的注塑缺陷。

圖1　檢查井組成示意圖

圖2　四通井座示意圖

2　檢查井的分析模型

在UG/NX7.5中建立如圖2所示的四通井座三維模型（STL文件），將其輸入Moldflow軟件，經網格自動劃分生成雙面有限元網格模型（圖3），并利用網格工具進行網格統(tǒng)計和修正，使三角形網格匹配率達到85.2 %，最大縱橫比＜14.8，自由邊、交叉邊和重疊單元均為零，從而滿足有限元網格分析計算的要求。

井座材料為聚丙烯PP，其注塑成形工藝條件為：模具溫度80～90℃，熔體溫度200～230℃，注塑壓力70～100 MPa。在Moldflow任務窗口中，選擇充填分析類型，并設置工藝參數如下：模具表面溫度80℃，熔體溫度220℃，充填、速度/壓力切換、保壓和冷卻時間均設置為自動控制，注塑機注塑行程1500 mm，注塑機螺桿直徑200 mm。

圖3　有限元網格模型

3　分析與討論

3.1澆口位置分析

利用Moldflow的澆口位置分析模塊進行最佳澆口位置分析，得到井座的最佳澆口位置分布情況。由圖4可看出，依據流動平衡原則，最佳澆口位置在井座底部中心或外側面支管之間。

圖4　最佳澆口位置

澆口位置選擇井座底部中心，且為冷流道澆注系統(tǒng)，可簡化模具結構和澆注系統(tǒng)，這就是傳統(tǒng)的單澆口直流道澆注方式。由于模具型腔尺寸大，如果澆口位置選擇井座外側面支管之間，將增大澆注系統(tǒng)結構復雜程度，增加模具設計和制造成本。由于制品結構具有對稱性，如果在制品端口設計輪輻式多澆口，可滿足充填流動平衡要求。因此，本文主要分析井座底部的單澆口直流道和井座端口的輪輻式多澆口澆注方式。為了減少流道內的熔體壓力損失和避免大量的冷凝料廢料，將輪輻式澆注系統(tǒng)設定為熱流道系統(tǒng)。

3.2澆口數量對充填的影響

（1）單澆口

為了使塑料熔體快速充填模具型腔，通常設置單澆口直徑較大（約2倍的壁厚）。在井座底部中心建立單澆口直流道（圖5a），其為錐形流道，孔長150 mm、上端口直徑10 mm、下端口直徑25 mm。模擬分析結果如下：最大剪切速率為9428.8 s-1，最大鎖模力為768.7 t，最大注塑壓力為78.6 MPa，充填結束時的保壓壓力為56.54 MPa。由圖6a可見，熔接痕數量較多，且主要分布在側面。

圖5　澆注系統(tǒng)設計方案

（2）輪輻式6澆口

建立的6澆口熱流道澆注系統(tǒng)見圖5b。井座端口均勻分布6個直徑10 mm的澆口，分流道直徑為15 mm，主流道直徑為25 mm。模擬分析結果如下：最大剪切速率為1944.1 s-1，最大鎖模力為714.4 t，最大注塑壓力為37.4 MPa，充填結束時的保壓壓力為33.97 MPa。與單澆口相比，注塑壓力和保壓壓力均減小，且井座側面的熔接痕數量減少，但在井座端口熔接痕增多（圖6b）。這是由于各澆口間距較大，當熔體在澆口處匯合時，溫度較低的冷峰面形成了較長的熔接痕，影響了制品強度和表面質量。

（3）輪輻式40澆口

為了消除或減少熔接痕對制品質量的影響，在井座端口建立40澆口熱流道澆注系統(tǒng)（圖5c），即在井座端口均勻分布40個澆口，澆口直徑10 mm，分流道直徑20 mm，主流道直徑25 mm。模擬結果如下：最大剪切速率為418.8 s-1，最大鎖模力為712.8 t，最大注塑壓力為14.8 MPa，充填結束時的保壓壓力為11.88 MPa。與單澆口和6澆口相比，不僅井座側面的熔接痕數量減少了，而且在井座端口消除了熔接痕（圖6c）。這是由于端面澆口數量多，澆口間距較小，熔體匯合時的峰面溫度較高，從而避免了熔接痕的形成。

圖6　熔接痕效果圖

3.3澆口尺寸對充填的影響

在澆注系統(tǒng)中，除了澆口位置、澆口數量外，澆口直徑也是影響熔體充填流動的重要參數。本節(jié)采用上述輪輻式40澆口的澆注方式，在分流道直徑和主流道直徑不變的情況下，模擬分析澆口直徑為5～20 mm的熔體充填變化情況。

圖7是不同澆口直徑的最大剪切速率模擬結果。當澆口直徑分別為5、10、15 mm時，最大剪切速率為13073、418.4、880.7 s-1。可見，直徑5 mm澆口的最大剪切速率將超過熔體最大允許值，且熔體最大剪切速率集中在澆口部分；直徑10 mm澆口的最大剪切速率最低；直徑10、15 mm澆口的最大剪切速率主要集中在主流道部分。

表1是澆口直徑為5、8、10、15、20 mm時，模擬得到的最大剪切速率、最大鎖模力、最大注塑壓力和保壓壓力等熔體充填參數?？梢?，當澆口直徑為10 mm時，上述參數值均最?。划敐部谥睆剑?0 mm時，隨著直徑的減小，最大剪切速率顯著提高，最大鎖模力小幅下降，最大注塑壓力和保壓壓力迅速增大；當澆口直徑＞10 mm時，隨著直徑的增大，最大剪切速率、最大鎖模力、最大注塑壓力和保壓壓力均呈上升趨勢。

圖7　不同澆口尺寸的最大剪切速率

表1　不同澆口直徑的熔體充填參數

4　結語

為解決大型塑料檢查井注塑成形中存在的問題，提出了熱流道輪輻式多澆口澆注方法，模擬分析了澆口位置、澆口數量和澆口尺寸對制品質量和注塑工藝要素的影響。模擬結果表明，在井座端口設置輪輻式多澆口，當澆口數量為40、澆口直徑為10 mm時，可顯著降低剪切速率、注塑壓力、鎖模力和保壓壓力，并顯著減少或避免熔接痕。分析結果可為大型或超大型檢查井的注塑模輪輻式多澆口澆注系統(tǒng)設計提供參考依據。

參考文獻：

[1]郭林，李艷，胡俊強，等.新型塑料檢查井專用料的開發(fā)與應用研究[J].中國塑料，2010，24（9）：64-67.

[2]趙勁松.塑料檢查井簡介及改進措施[J].聚氯乙烯，2011，39（5）：30-33.

[3] TAKUJI O. Woody molded product and its manufacturing method：EP2005-219441[P]. 2004-09-02.

[4]陳鶴忠.滾塑成型塑料檢查井的應用[C]//全國排水委員會2012年年會論文集.南寧，2012：757-759.

[5]譚文勝，周建忠.基于CAE的注塑模閥式注塑控制研究[J].電加工與模具，2007（1）：45-47.

Flow Analysis of Injection Molding Process Based on Moldflow for Large Manhole

Tan Wensheng1，2，Zhou Jianzhong1
（1. School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China；2. Changzhou College of Information Technology，Changzhou Key Laboratory of Intelligent Manufacturing Large Plastic，Changzhou 213164，China）

Abstract：Based on the analysis of injection molding process performance to large manholes，injection mold pouring system of four manholes is designed as example，according to the analysis of single gate，spoke type 6 gates，spoke type 40 gates casting methods by Moldflow software. And the impacts of product quality and process elements such as clamping force，injection pressure and holding pressure with the gate position，gate number and gate size were studied. The results show that spoke multiple gates set in article port，may significantly lower the shear rate，clamping force，injection pressure and holding pressure，and could reduce or avoid the product surface weld marks.

Key words：manhole；hot runner；spoke multiple gates；injection CAE

第一作者簡介：譚文勝，男，1968年生，研究員級高工。

基金項目：江蘇省科技支撐計劃（工業(yè)支撐）項目（BE2013820）；江蘇省“333工程”培養(yǎng)資金資助項目

收稿日期：2015-09-10

中圖分類號：TP391.7

文獻標識碼：A

文章編號：1009－279X（2016）01－0051-04