塑料托盤注塑不同方案分析
在注射成型過程中，模具溫度直接影響到塑件的質(zhì)量如收縮率、翹曲變形、 耐應(yīng)力開裂性和表面質(zhì)量等，并且對生產(chǎn)效率起到?jīng)Q定性的作用，在注射過程中, 冷卻時(shí)間占注射成型周期的約80%,然而，由于各種塑料的性能和成型工藝要求 不同，模具溫度的要求也不盡相同。
低的模具溫度可降低塑件的成型收縮率；模具溫度均勻、冷卻時(shí)間短、注射 速度快可以減小塑件的翹曲變形；對于結(jié)晶性聚合物，提高模具溫度可使塑件尺 寸穩(wěn)定，避免后結(jié)晶現(xiàn)象，但是將導(dǎo)致成型周期延長和塑件發(fā)脆的缺陷；隨著結(jié) 晶型聚合物的結(jié)晶度的提高，塑料的耐應(yīng)力開裂性降低，因此降低模具溫度是有 利的。但對于高粘度的無定型聚合物，由于其耐力開裂性與塑件的內(nèi)應(yīng)力直接相 關(guān)，因此提高模具溫度和充模速度，減少補(bǔ)料時(shí)間有利的；提高模具溫度可以改 善塑件的表面質(zhì)量。
模具溫度的高低取決于塑料結(jié)晶性、塑件尺寸與結(jié)構(gòu)、性能要求以及其它工 藝條件如焰料溫度、注射速度、注射壓力和模塑周期等。
對于無定型聚合物，其焰體在注入模腔后隨著溫度的降低而固化，但并不發(fā) 生相的轉(zhuǎn)變，模溫主要影響焰體的粘度，即充模速率。因此，對于熔融粘度較低 和中等的無定型塑料如聚苯乙烯、醋酸纖維素等，采用較低的模具溫度可以縮短 冷卻時(shí)間。對于熔融粘度高的塑料如聚碳酸酯、聚苯醒、聚碉等，則必須采取較 高的模具溫度以避免產(chǎn)生冷流痕、注不滿等缺陷，同時(shí)由于其軟化溫度較高，提 高模具溫度可以調(diào)整塑件的冷卻速率，使之均勻一致，以防止塑件因溫度差過大 而產(chǎn)生凹痕、內(nèi)應(yīng)力和裂紋等問題。
結(jié)晶性聚合物在注入模腔后，當(dāng)溫度降低到熔點(diǎn)以下即開始結(jié)晶，結(jié)晶的速 率受冷卻速率并最終由模具溫度控制。高的模具溫度將導(dǎo)致大的結(jié)晶速率，有利 于分子的松馳過程，因此尺寸穩(wěn)定但是塑件發(fā)脆，適用于結(jié)晶速率很小的塑料如 聚對苯二甲酸乙二酯。低的模具溫度將導(dǎo)致塑件中的分子結(jié)晶度的降低，
本文中采用的材料為聚丙烯（PP）,適合的模具溫度為40°C,由于本試驗(yàn)主 要著重于試模階段，在試模階段模具各部分溫度可以近似于恒溫，因此本文采用 的模具溫度為均勻的40C,加之本研究采用熱流道系統(tǒng)，采用針閥式澆口控制，
不會因?yàn)橛袩o冷卻系統(tǒng)影響制品收縮，冷卻系統(tǒng)的影響可以忽略。在保證分析結(jié) 果較為準(zhǔn)確的情況下，為了加快CAE模擬分析時(shí)間及提高效率本文分析中不加入 冷卻系統(tǒng)。
4.3.1設(shè)計(jì)方案一
本文主要從改變塑料托盤的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手。由于模型經(jīng)過對稱分析處理, 模型呈四邊形，結(jié)構(gòu)如果采用單澆口，無論從哪一邊進(jìn)料，整個流程都非常長， 并且在最后焰料的交匯處，由于熔料溫度過低，分子長鏈之間的交錯纏結(jié)不充分, 會形成非常脆弱的熔接線，熔接線部位在承受外力時(shí)容易發(fā)生開裂甚至斷裂，嚴(yán) 重影響托盤的性能。因此初步選定4點(diǎn)進(jìn)料，進(jìn)料口在每條邊的中間部位。
在MPI視窗的坐標(biāo)系中，澆口位置分別為(-237.67, -417.73, 0) , (-407.19, -265.24, 0)、(-239.15, -105.57, 0)、(-77.79, -287.34, 0)。從模具結(jié)構(gòu)考 慮，由于模型中間存在著四個比較大的空腔，因此適合做分流道，所以研究中澆 注系統(tǒng)采用熱流道與冷流道結(jié)合的方式，熱流道系統(tǒng)具有節(jié)能、高效，可進(jìn)行連 續(xù)注塑的特點(diǎn)。將冷熱混合流道系統(tǒng)建模后進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，流道部分采用 圓柱形網(wǎng)格單元。如圖4-4所示，圖中熱流道用紅顏色表示，分流道用綠色表示。
 
圖4-4方案一澆口設(shè)計(jì)
 
分析結(jié)果及解析:

1）充填時(shí)間
如圖4-5所示，從藍(lán)色到紅色表示充填的先后次序。左上角部分最后填充完成 的時(shí)間是4.718秒，時(shí)間長于其他三角。這表明本方案充填不均勻，這將引起制品 部分過保壓，導(dǎo)致收縮不均勻。制品最后填充的部分相對于先充填的部分冷卻更 加緩慢，因此其冷卻收縮過程滯后于其它區(qū)域，這就容易導(dǎo)致收縮不均勻，制品 內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力在外力或環(huán)境因素（潮濕、高溫，輻射）等作用下容易 釋放出來，制品產(chǎn)生變形，開裂甚至斷裂。

 
2）壓力分布
型腔壓力分布如圖4-6所示，大部分面積為綠色區(qū)域，在左上角位置為藍(lán)色區(qū) 域，從壓力分布的情況來看，該方案壓力分布不均勻，壓力相差近34MPa,這必 然導(dǎo)致整個型腔中的應(yīng)力不平衡，最終在制品中產(chǎn)生不等的殘余應(yīng)力，會使制品 產(chǎn)生較大的翹曲變形。

 
圖4-6方案一壓力分布
 
3）注塑壓力
注塑壓力如圖4-7,壓力的大小直接決定了注塑機(jī)的最小壓力，而且壓力越小 流動平衡性越好。該方案注塑口壓力最大值為70MPa°這個注塑壓力比較合理。
 

 
4）鎖模力
當(dāng)高壓的塑料熔體充滿型腔時(shí)，會產(chǎn)生一個沿注射機(jī)軸向的很大推力，該推 力應(yīng)小于注射機(jī)額定的鎖模力，否則在注射成型時(shí)會因鎖模力不緊而發(fā)生溢邊跑 料現(xiàn)象。如圖4-8所示，本方案最大鎖模力達(dá)2500kN,此鎖模力乘以4倍為 lOOOOkN,依然遠(yuǎn)小于注塑機(jī)的最大鎖模力21000kN_o因此是可以接受的。


 
5)翹曲變形
方案一注塑翹曲變形量最大值為4.480mm,對于PP材料而言，變形量不影響 制品的使用性能。
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圖4-9方案一翹曲變形分析
 
4.3.2設(shè)計(jì)方案二
方案二在方案一基礎(chǔ)上更改4個澆口位置，將澆口位置更加靠近澆口托盤的
左上角位置，在MPI空間中,具體四個澆口的位置坐標(biāo)值更改為(-322.32, -417.73,
0)、(-407.19, -369.93, 0)、(-324.54, -105.57, 0)、(-77.79, -298.26, 0)。

如圖4-10所示。

 

1）充填時(shí)間
如圖4-11所示，本方案充填時(shí)間5.116s,略長于方案一的填充時(shí)間。托盤四 個角落充滿所需時(shí)間基本相近。這是一種較為理想的流動平衡狀態(tài)，這種流動平 衡狀態(tài)不易出現(xiàn)過保壓現(xiàn)象，可以有效控制冷卻后制品內(nèi)部應(yīng)力。

 
2）壓力分布
方案二的型腔壓力分布如圖4-12所示，大部分面積為綠色區(qū)域，在右上角位
置為藍(lán)色區(qū)域，壓力相差近30MPa,方案二相較于方案一有明顯下降。但30MPa

的壓力差還是比較大，型腔中的應(yīng)力不平衡現(xiàn)象沒有根本性改善，注塑完成后制 品可能因?yàn)閮?nèi)部較大應(yīng)力的存在，在外力及外部環(huán)境影響下產(chǎn)生變形、開裂或斷 裂。
 
圖4-12方案二壓力分布
 
3）注塑壓力
注塑壓力如圖4-13,該方案注塑口壓力最大值為60MPa,優(yōu)于方案一的
70MPa_o注塑壓力的減小可以節(jié)約能源，減少型腔內(nèi)部的應(yīng)力，同時(shí)可以減少鎖模 力及制品的翹曲變形量。
 
圖4-13方案二澆注口壓力分布
 
4）鎖模力
如圖4-14所示，方案二的最大鎖模力達(dá)2000kN,在整個托盤注塑條件下，鎖
模力在8000kN左右,優(yōu)于方案一的lOOOOkN。減少鎖模力一方面可以注塑機(jī)能耗,
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另一方面可以降低型腔內(nèi)部應(yīng)力。
圖4-14方案一鎖模力分布
5）翹曲變形
如圖所示，方案二的翹曲變形最大量為4.320mm,略小于方案一•的變形量。
0.462
Scale f500 mm|
圖4.15方案二翹曲變形分析
4.320H
Scste Fscior^ 1.S00
4. 3.3設(shè)計(jì)方案三
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 
根據(jù)方案二的分析結(jié)果，將澆注系統(tǒng)中的澆口位置進(jìn)行微調(diào)，本方案調(diào)整澆
0)、(-407.19, -369.93, 0)、(-305.41, -105.57,
0)、(-77.79 , -311.53, 0)。
分析結(jié)果及解析:
1) 充填時(shí)間
如圖4-16所示，本方案充填時(shí)間4.909s,優(yōu)于方案二5.116s。同時(shí)，四個角 落充滿所需時(shí)間基本相近。流動平衡，不易出現(xiàn)過保壓現(xiàn)象。

2）壓力分布
方案三型腔壓力分布如圖4-17所示，大部分面積為淺綠色及淡藍(lán)色區(qū)域，在 左下角位置為藍(lán)色區(qū)域，壓力相差僅20MPa左右，較上兩個方案都有明顯下降， 型腔壓力狀態(tài)進(jìn)一步改善。
Pressure
 
圖4-17方案三壓力分布
 
3）注塑壓力
方案三注塑壓力如圖4-18,該方案注塑壓力最大值為60MPa。與方案二相當(dāng), 優(yōu)于方案一的最大注塑壓力。

4）鎖模力
如圖4-19所示，本方案最大鎖模力達(dá)1750kN,優(yōu)于其他兩個方案。
 
圖4-19方案三鎖模力分布
 
5）翹曲變形
方案三翹曲變形量如下圖所示，最大翹曲變形處位于托盤下部，最大值為
4.258mm,由于壓力分布均勻，相對于前兩個方案，翹曲變形量有所變小。