Moldflow在熔接痕分析中的應(yīng)用

劉 磊

(新余學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江西 新余 338004)

熔接痕是注塑成型制品中一種常見(jiàn)的質(zhì)量缺陷，它不僅影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，而且會(huì)降低產(chǎn)品的整體強(qiáng)度，易于產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)裂，縮短產(chǎn)品的使用壽命[1]。因此，熔接痕的預(yù)測(cè)與控制一直是注塑成型中的熱點(diǎn)研究問(wèn)題。CAE模流分析技術(shù)能夠?qū)ψ⑺艹涮钸^(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到溫度、壓力、困氣等分析結(jié)果，使模具設(shè)計(jì)人員能夠提前預(yù)測(cè)與控制熔接痕，避免了反復(fù)的試模、修模、改模，從而縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 熔接痕概述

1.1 熔接痕的形成機(jī)理與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在注塑成型過(guò)程中，當(dāng)有兩股或兩股以上料流匯合時(shí)，由于模溫較低，制品表面冷卻較快，在制品表面匯合的熔體不能很好地熔合而形成的接縫，稱為熔接痕。

如圖1所示，箭頭為兩股料流的流動(dòng)前沿方向，θ為匯合角，一般來(lái)說(shuō)，θ小于135°稱為熔接痕(weld line)，θ大于135°稱為熔合線(meld line)，熔合線的質(zhì)量要好于熔接痕，匯合角對(duì)熔接痕的質(zhì)量有重要影響，因?yàn)樗鼤?huì)影響熔接后分子鏈熔合、纏結(jié)、擴(kuò)散的充分程度，匯合角越小，熔接痕質(zhì)量越差。

圖1 熔接痕形成示意圖

熔接痕的深度是熔接痕的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可通過(guò)表面粗糙度計(jì)來(lái)測(cè)量，2 μm深度是熔接痕可見(jiàn)與不可見(jiàn)的分界線。匯合角與深度大致成線性關(guān)系，匯合角越小，深度越大，熔接痕質(zhì)量越差。匯合角為75°時(shí)，深度剛好為2 μm。使用Moldflow可分析出熔接痕的匯合角度，由此可預(yù)測(cè)熔接痕的質(zhì)量。圖2為Moldflow中熔接痕匯合角評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 Moldflow 熔接痕匯合角評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 熔接痕產(chǎn)生原因

熔接痕產(chǎn)生的原因可以概括為三個(gè)方面：

（1）原材料及制品的結(jié)構(gòu)形狀

原材料流動(dòng)性差，導(dǎo)致滯流現(xiàn)象；原材料中玻纖越多，含量越高，流動(dòng)性就會(huì)越差，熔接痕強(qiáng)度越低；制品厚度太薄或變化較大，需要優(yōu)化壁厚；存在較多且薄的筋條、較高且薄的孔柱、制品結(jié)構(gòu)復(fù)雜及安放嵌件處等。

（2）模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

流道或澆口的尺寸、形狀、數(shù)量、位置等，會(huì)影響熔體的充填行為，進(jìn)而對(duì)熔接痕的強(qiáng)度及位置產(chǎn)生重要影響；模具存在困氣現(xiàn)象，排氣不良，可通過(guò)增設(shè)排氣槽或排氣孔、采用鑲拼結(jié)構(gòu)、利用模具零件的配合間隙、采用模具透氣鋼等方式加強(qiáng)排氣；模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，也會(huì)影響熔接痕的強(qiáng)度；在合適位置增加冷料穴，可將熔接痕處的冷料引到冷料穴，后期再進(jìn)行修剪，能提高熔接痕質(zhì)量。

（3）注塑工藝

溫度（料溫與模溫）太低，熔體流動(dòng)性差，易產(chǎn)生熔接痕，提高模具溫度是改善熔接痕質(zhì)量的主要方式之一；壓力（注射壓力與保壓壓力）不合理，熔接痕質(zhì)量差，若熔接痕在充填末端，增大保壓壓力，對(duì)熔接痕結(jié)合處強(qiáng)度有明顯的提高作用；速度（注射速度、流道中的速度、型腔內(nèi)的速度）不合理，提高注射速度有利于改善熔接痕，實(shí)際中可采用高速電動(dòng)機(jī)來(lái)提升，流道中的速度可通過(guò)改變流道的截面和尺寸來(lái)調(diào)整，提高型腔的光滑度，減少摩擦，也有助于速度的提高；不同的注塑成型技術(shù)（普通冷流道注塑、熱流道注塑、順序注塑及快速熱循環(huán)注塑）等[2]。

2 Moldflow熔接痕分析

2.1 與熔接痕有關(guān)的分析結(jié)果及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

Moldflow是著名的CAE模流分析軟件, 目前廣泛應(yīng)用于塑膠行業(yè)中。在Moldflow中，熔接痕的質(zhì)量與兩股料流熔合的溫度、壓力、匯合角度及熔合處的困氣情況有關(guān)。不同的網(wǎng)格劃分類型及質(zhì)量，對(duì)熔接痕的分析結(jié)果（Weld line）也會(huì)產(chǎn)生影響。

（1）與溫度分析結(jié)果疊加

Weld lines (熔接痕）和Temperature at flow front（流動(dòng)前沿溫度）疊加。形成熔接痕時(shí)兩股料流的前沿溫度溫差應(yīng)小于10℃。前沿溫度與熔體溫度相差越小越好，一般不超過(guò)20℃。

Weld lines (熔接痕）和Frozen layer fraction(凍結(jié)層因子) 疊加，Weld lines (熔接痕）和Temperature(溫度)疊加。匯合時(shí)，熔接痕附近的凍結(jié)層因子越小，則熔接痕質(zhì)量越好。匯合后，熔接痕凍結(jié)得越慢，則熔接痕質(zhì)量越好。

（2）與壓力分析結(jié)果疊加

Weld lines (熔接痕）和Pressure：XY Plot（壓力：XY圖）疊加。手動(dòng)創(chuàng)建熔接痕各節(jié)點(diǎn)的壓力XY圖，以了解各節(jié)點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化的情況，壓力越大，時(shí)間越長(zhǎng)，則熔接痕的強(qiáng)度越高。

（3）與角度結(jié)果疊加

Weld lines (熔接痕）和 Fill time contour(填充時(shí)間等值線：可分析出熔接痕匯合角度)疊加。熔接痕匯合角度越大，其質(zhì)量越好。一般要求熔接痕匯合角度應(yīng)大于75°。加大匯合角，可通過(guò)調(diào)整制品厚度、更改澆口位置和數(shù)目、改變流道位置和尺寸等實(shí)現(xiàn)。

（4）與氣穴結(jié)果疊加

Weld lines (熔接痕）和 Air traps(氣穴)疊加。在熔接痕處如果同時(shí)存在困氣現(xiàn)象，則熔接痕的質(zhì)量較差，應(yīng)加強(qiáng)模具排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖3 優(yōu)化澆注系統(tǒng)調(diào)整熔接痕位置

2.2 Moldflow解決熔接痕問(wèn)題的案例

（1）優(yōu)化澆注系統(tǒng)調(diào)整熔接痕位置

熔接痕應(yīng)避免出現(xiàn)在有強(qiáng)度或外觀要求的表面上。通過(guò)Moldflow分析，優(yōu)化澆口位置及個(gè)數(shù)，可使熔接痕分布到非外觀面或強(qiáng)度較大區(qū)域，得到合格產(chǎn)品。如圖3所示，原始方案熔接痕發(fā)生在手機(jī)殼結(jié)構(gòu)較弱區(qū)域容易導(dǎo)致組裝時(shí)產(chǎn)生斷裂，通過(guò)改變下方澆口的位置，使熔接痕發(fā)生在手機(jī)殼有較大強(qiáng)度的邊緣區(qū)域，大大降低了熔接痕對(duì)產(chǎn)品力學(xué)性能的影響。

（2）優(yōu)化產(chǎn)品壁厚改善熔接痕質(zhì)量

如圖4所示，原始方案中產(chǎn)生熔接痕的位置存在明顯的困氣現(xiàn)象，導(dǎo)致熔接痕會(huì)很明顯，極大地影響了產(chǎn)品的外觀和強(qiáng)度。經(jīng)Moldflow分析發(fā)現(xiàn)，通過(guò)增加、減少產(chǎn)品局部壁厚的方式，可使熔接痕和困氣沿產(chǎn)品邊分布，此處可通過(guò)型腔與鑲件、滑塊的間隙排氣，以消除困氣，熔接痕強(qiáng)度更高。

圖4 優(yōu)化產(chǎn)品壁厚調(diào)整熔接痕位置

圖5產(chǎn)品為汽車保險(xiǎn)杠。原始方案熔接痕匯合角較小，熔接痕明顯、質(zhì)量差。通過(guò)修改局部壁厚，使匯合角大于120°，熔接痕質(zhì)量得到改善。

圖5 修改局部壁厚優(yōu)化匯合角

（3）采用熱流道順序注塑解決熔接痕問(wèn)題

熱流道順序注塑成型技術(shù)通過(guò)合理控制多個(gè)閥澆口的開(kāi)閉順序及開(kāi)閉時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)影響熔接痕的位置、長(zhǎng)度及強(qiáng)度，甚至消除熔接痕[3]。

在Moldflow中模擬熱流道順序注塑工藝，需要將流道做成環(huán)形，中間用來(lái)放置閥針；同時(shí)選擇最末端的澆口柱體單元，單擊右鍵，選擇屬性，在閥澆口選項(xiàng)卡中選擇閥澆口控制器，并設(shè)置控制參數(shù)，如圖6所示。

圖6 閥澆口控制器

圖7所示產(chǎn)品為透明飯盒蓋，對(duì)外觀要求高，不允許產(chǎn)生熔接痕。原始方案是兩澆口常規(guī)注塑，會(huì)產(chǎn)生熔接痕。改進(jìn)方案是兩個(gè)閥澆口的熱流道順序注塑，采用兩個(gè)閥澆口控制器，控制方法采用“%體積”的形式，經(jīng)過(guò)多次模擬分析，確定了控制參數(shù)：第一個(gè)閥澆口始終打開(kāi)，待熔體充填體積為40%時(shí)，再打開(kāi)第二個(gè)閥澆口一起充填，避免了兩股料流交匯的現(xiàn)象，從而消除了熔接痕。

（4）采用快速熱循環(huán)注塑解決熔接痕問(wèn)題

快速熱循環(huán)注塑（RHCM），又稱高光無(wú)痕注塑。它先用一定的加熱方式，將模具型腔表面溫度加熱到熱變形溫度以上某個(gè)值，然后再開(kāi)始注射；整個(gè)注射階段及保壓階段前期都要保持型腔溫度；接下來(lái)，在冷卻階段模具迅速冷卻，再保持在一個(gè)相對(duì)低的溫度，然后開(kāi)模，頂出產(chǎn)品。然后合模，利用溫控系統(tǒng)將模具表面又急速加熱到設(shè)定的高溫值以進(jìn)入下一個(gè)成型周期?？梢?jiàn)，快速熱循環(huán)技術(shù)(RHCM)實(shí)際上要經(jīng)過(guò)加熱模具型腔表面、高溫保持、迅速降溫冷卻、低溫保持這四個(gè)工藝階段[4]。它的關(guān)鍵在于變模溫技術(shù)，快熱快冷，兩股料流匯合時(shí)被繼續(xù)加熱，使熔融塑料在模具表面合流前沒(méi)有固化，這樣就有效地避免了熔接痕的產(chǎn)生[5]。

在Moldflow中模擬分析快速熱循環(huán)注塑過(guò)程，關(guān)鍵是要設(shè)置好變溫區(qū)域和變溫曲線，以實(shí)現(xiàn)注射成型各個(gè)階段模具溫度的變化。其設(shè)置方法是：選擇需要設(shè)置模具溫度曲線的三角形單元（即變溫區(qū)域），右擊，選擇屬性，彈出屬性對(duì)話框，在模具溫度曲線選項(xiàng)卡中進(jìn)行設(shè)置，如圖8所示。高光成型和傳統(tǒng)注塑成型的產(chǎn)品差異，如圖9所示。

圖7 熱流道順序注塑消除熔接痕

3 結(jié)論

在傳統(tǒng)的注塑成型工藝中，采用多個(gè)澆口的情況下，熔接痕通常是不可避免的，只能通過(guò)各種方法與手段控制熔接痕的位置，匯合時(shí)的角度、溫度、壓力，消除困氣等方式使其處于可接受的范圍內(nèi)。而采用熱流道順序注塑、快速熱循環(huán)注塑等新興技術(shù)，則能夠獲得無(wú)熔接痕且表面高光的塑料制品。通過(guò)Moldflow可以在計(jì)算機(jī)上對(duì)比分析各種設(shè)計(jì)方案，找出熔接痕的位置，分析其熔合質(zhì)量，尋求最優(yōu)解，是幫助解決熔接痕問(wèn)題的有效工具。

圖8 變溫區(qū)域與變溫曲線

圖9 高光成型和傳統(tǒng)注塑成型產(chǎn)品差異