1、基于Moldflow汽车排挡滑动片的浇口位置分析吴学霖 翁芳柏 王士荣112(1.元智大学 机械工程学院,中国台湾 桃园,32070; 2.南亚技术学院,中国台湾 桃园,32091)摘 要：应用CAE软件对汽车排挡滑动片进行模流分析，首先对模型进行成型窗口分析得到推荐的制程条件融熔温度、模具温度、射出时间等参数，再进行流动分析预估出熔接(融合) 线产生的位置。选择设计适当的浇口位置，可避免塑件短射缺料与熔接(融合)线出现在产品脆弱的部位，强度减弱容易造成断裂，以期望能够改善或消除熔接线所造成塑件的缺陷与不良，确保塑件的高质量。 关键词：射出成型、模流分析、熔接线中图分类号：TQ320.66Ga
2、te Location Analysis of Automobile Stalls Sliding Plate on MoldflowHsueh-Lin Wu Fang-Bor Weng Shu-Lung Wang1121. College of Mechanical Engineering ,YuanZe University, Taoyuan, Taiwan, 32070，ROC2 Nanya Institute of Technology , Taoyuan, Taiwan, 32091，ROCAbstract：Application of CAE software moldflow a
3、nalysis of automobile Stalls Sliding plate, first the analysis model for molding windows be recommended processing conditions of parameters such as melt temperature, mold temperature, injection time, flow analysis to estimate the weld (meld) line the location. Choose to design the appropriate gate l
4、ocation, avoid short shot and material shortages and melt plastic parts weld (meld) line appears in the vulnerable parts of the product, weakened strength can easily cause fracture, expect to be able to improve or eliminate weld lines caused by the plastic parts of the defects and adverse, ensure th
5、at high-quality plastic parts. Keywords: injection molding, mold flow ,weld line作者简介：吴学霖,1979年生,男,硕士研究生,台湾,主要从事塑料射出成型优化设计与模流分析的研究E-mail：.tw1.前 言在这微利时代里塑料模具开发时程及成本上的要求也愈来愈严苛。模具工业界为了缩短产品开发周期、提升质量增加企业竞争能力，无不藉由CAE模流分析仿真技术，来帮助模具设计及试模，和以往的需要实际实物尝试错误法试模相比，可节省产品开发时间周期和降低成本，提高生产效率顺利达到量产。然而塑料产品设计越来越精密轻薄化，而塑件熔
6、接(融合 )线常常造成的外观缺陷与不良，客户对塑件外观质量及强度又要求高标准。所以熔接(融合)线的问题是最为棘手难解的。2. 熔接(融合) 线理论基础融合线或熔接线(Meld and weld line)是填充阶段两股或更多股流动路径汇合时产生的一个缺陷或一个可看见的细缝【1】 。熔接线位置上的分子趋向变化强烈，因此该位置的机械强度明显减弱。融合线要比熔接线的强度大，视觉上的缺陷也不如熔接线明显。融合线和熔接线出现的部位还有可能出现凹陷、色差等质量缺陷。两个箭头为流动前沿方向，如图 1 中标注的 角大于 135，则形成融合线，若 角小于 135，则形成熔接线【2】 。然而，流程很长或温度和压力
7、不足的地方，充模不满会造成显著的凹槽。原因主要是流体前端未均匀熔合产生弱光点。聚合物内加入颜料的地方可能会产生斑点，这是因为在取向上有明显的差异。浇口的数量和位置决定了熔接痕的数量和位置。流体前锋相遇时的角度越小，接合缝越明显【3】 ，然而射出成型浇口位置往往是造成熔胶波前分流的元凶， 所以熔接(融合) 线的发生与浇口位置的设计有重大的关系【4】 。Grande提出连续浇口可消除薄片产品的熔接(融合) 线， 此方法为消除熔接(融合)线的重要方法之一【5】。以CAD及CAE 的软件做模流分析仿真分析的结果与真实塑料模具验证的结果完全吻合，只要能够避免熔胶流动产生分流或其分流之接合角度不可过小，使
8、聚合物之分子在接合处的界面间完全自由的扩散，产生完全的键结，就不会有熔接(融合) 线发生【6】 。图 1 熔接线形成示意图 【3】然而Kim和Suh【7】所建立的高分子缝(熔) 合线键结强度的理论模型，以确认熔接(融合) 线线的发生理论，界面上的链结程度与强度和越过界面的分子密度成正比。若A表示没有产生键结的界面截面积， A0 表示熔接(融合) 线区的界面截面积， 则熔接(融合) 线线区之链结性强度 w 可表示如下式：= (1) wb0A：没有产生键结的界面截面积 A0：熔接(融合)线线区的界面截面积 w：熔接( 融合)线线的拉伸强度 b：不定向之拉伸强度当所有分子键都可以越过界面并且完全自由
9、移动时。达到的紧密键结。其熔合处的强度和密度亦皆相同，亦即A=0 ; (2)00表示无熔接(融合)线线发生。式(2)可表示如下式 1 (3)bwA00若熔胶温度未能保持在高温下熔合，随着时间和流长而渐渐下降，其熔合处之温度在聚合物之玻璃转移温度和聚合物之溶点之间，其分子键亦不能完全自由移动时，即产生不完全的键结， 亦即熔合处之面积会变少。则可表示如下式： (4)00表示会发生熔接(融合)线。故链结度(Degree of bonding)可定义成 w / b的比值， 就是熔接(融合) 线大小及强度的比值， 可表示如下式： 1 1 (5)bwA00由以上得知，观察界面上越过界面的分子密度和其所形成
10、的面积即可得知是否有熔接(融合) 线的发生。当界面上熔接(融合)线的发生时 AA 0，即 1 (6)000当界面上有熔接(融合)线的发生时 AA 0即 1 (7)A000当A越小时由(1) 式 = 可wb0得知：熔接(融合)线线区的键结强度 w亦越差。2.1 熔接(融合) 线改善方法【2】以熔接(融合) 线与模具设计而言：1.增加模具温度和熔体温度，使两个相遇的熔体前沿融合得更好;2.增加螺杆速率;.3.改进浇注系统的设计，在保持熔体流动速率的前提下减小流道尺寸，以产生摩擦热。如果不能消除熔接线和融合线，那么应使其位于制件上较不敏感的区域，以防止影响制件的机械性能和表观质量。通过改变浇口位置或
11、者改变制件壁厚，可以改变熔接线和融合线的位置。以熔接(融合) 线与射出成型制程条件而言：(1) 增加成型机之射出时间。(2) 增加成型机之射出速度。(3) 增高塑料材料射出之熔融温度。(4) 增加成型机之螺杆背压。(5) 增加成型模具之模具温度。(6) 增加成型机之射出压力。3.模型建立与网格划分利用 Pro/E 建模，将图档储存成 IGES 檔汇入Moldflow，再进行划分网格。如图 1。图 2 汽车排档滑动片 Fusion 网格模型利用网格诊断工具来检查缺陷及修补，网格诊断后必须检查的有以下几点：【8】(1). Free Edges：有限单元的边未与其他单的边接触。除了Midplane
12、网格之外，Fusion与Solid 3D 的自由边数必须为0。(2). Manifold edges共享边：有限单元的边与其他单元的边接触。(3).Non-manifold Edges交叉边：是指两个以上的元素没有任何边交叉在一起共享，除了Midplane 网格之外，Fusion 与Solid 3D 的自由边数必须为0。(4). Elements orientation 配向单元：单元具有方向性，单元的正法线方向为Top，反向为Bottom 。Fusion网格需 Top向外，Solid 3D网格由Fusion转换而来在Fusion 阶段Top向外，Mid plane网格需连续一致。Moldfl
13、ow 在进行分析计算之前，模型中的每一个元素顶面都需要朝向外表面，若有底面朝向外表面的元素产生，则视为未定向的单元。未定向元素必须为0。(5).Elements intersection 相交单元：有限单元与其他单元表面相交。相交单元元素必须为0。(6).Fully overlapping elements 完全重迭单元：是指在同一平面的网格元素部分或者完全重迭的情况。完全重迭单元元素必须为0。(7).Duplicate beams 重复柱体：柱体单元重复。重复柱体单元元素必须为0。(8).Minimum aspect ratio最小纵横比：是指最小三角形元素的最长边与该边上的三角形的高的比值
14、。最小纵横比 3。(9).Maximum aspect ratio最大纵横比 最大纵横比：是指最大三角形元素的最长边与该边上的三角形的高的比值，如图3。图3 三角形元素最大纵横比一般来说最大纵横比是最容易出现的网格缺陷，尤其当模型越复杂时长宽比会越大。最大纵横比元素必须6 特殊结构可以放宽到 20。(10).Average aspect ratio 平均纵横比：平均的三角单元长高比。平均纵横比 3。(11). Match ratio 匹配百分比：壁厚两侧对应单元互为匹配的百分比。进行填充、保压分析85%.，翘曲变形分析90%。(12). Reciprocal match ratio 相互匹配百
15、分比：匹配单元完全对应的百分比。进行填充、保压分析85%.，翘曲变形分析90%。修改后的网格模型总共有 12952 个三角形元素，最大长宽比下降至 6.05，网格匹配率为 99.4及相互匹配率 99.7，网格元素模型符合上述之要求。如图 4 所示。图4 网格分析结果利用Moldnow分析最佳浇口位置，如图5所示进浇口合理系数从0.81.0之间。图 5 最佳进浇口位置塑件材料使用 TPE ，制造商为 DuPont Engineering Polymers ，牌号为 Hytrel 4056，观察模型剪切速率是否大于材料最大剪切速率，材料 (图 6)最大剪切速率为 40000 1/s，由图 7 可知
16、模型剪切速率为 7794.5 1/s 未超出材料的最大剪切速率，表示模型流道的合理性。而对塑件的要求外观表面平整无痕，保证熔接线处强度，不能开裂。图 6 TPE 材料最大剪切速率图 7 模型剪切速率3.1初始进浇口设计A方案在最佳进浇位置建立浇流道系统如图8 所示。进行成型窗口分析，以取得部份Moldnow推荐的成型参数表1。进行流动分析，将推荐的成型参数输入“流动设置”图9，其他参数才用默认值，分析完成后，查看熔接线结果，如图10 所示。从图10可以明显看到熔接线刚好在塑件椭圆孔强度薄弱区形成，这样容易造成塑件断裂。所以需要改变浇口设计位置。图8初始方案A塑件浇流道系统 模具温度 熔融温度
17、射出时间 sec59 195.56 0.7337表 1 初始方案A推荐的成型参数图9 设定成型参数图10方案A塑件熔接线3.2改善进浇口设计B方案为了改善熔接线在塑件椭圆孔区域，将浇口位置180旋转，如图11(a)所示。重新进行成型窗口分析，以取得部份Moldnow推荐的成型参数表2。重新进行方案B流动分析，分析完成后，查看熔接线结果，如图11(b) 所示。从图11(b)可以明显看到熔接线已经成功转移到塑件中央的位置区，椭圆孔强度薄弱区域已经没有熔接线形成，这样有利于提高塑件椭圆孔区域高分子结构的致密性与强度。(a) (b)图11 方案B 塑件浇流道系统(a)及熔接线(b)模具温度 熔融温度
18、射出时间 sec63 200 0.8997表2改善方案 B推荐的成型参数图 12 排档滑动片成品4.结论从以上分析结果可得知，熔接(融合) 线区是一个非常复杂的熔胶高分子结构， 而且熔接(融合) 线发生的原因相当复杂，所以必须藉由CAE仿真软件的仿真分析才能更有效的预知其位置，利用Moldnow可以事先预估出熔接线产生的位置，并根据仿真结果设计塑件进浇口的位置。而改变熔接线位置最有效的方法就是改变进浇口的位置。参考文献【1】黄明忠、许志芬、姜勇道、傅建编着，计算机辅助工程模流分析应用【M】 ，全华科技图书有限公司，台北，2010 年。 【2】单岩、蔡玉俊、罗晓哗、管爱枝、徐勤雁编着，MOLDF
19、LOW 立体词典: 塑料模具成型分析与优化设计【M】 ，浙江大学出版社，杭州市，2011 年。【3】陈艳霞、陈如香、吴盛金 主编，Moldflow2010 完全自学与速查手册 【M】 ，电子工业出社，北京，2010 年。【4】.曾俊彰,” 浇口设计对射出成型制程及材料.质量之影响研究【D】 ” , 元智大学硕士论 .文，2000年,。【5】 J. A. Grande,” Thin-wall molding gains in a range of applications【J】 ” ,Modern Plastics, Vol. 74, No. 9 pp. 93-, 1997.【6】 林文卿，“射出成型之缝( 熔) 合线探讨及实务对策【D】 ”，中原大学硕士论文，2005 年。【7】 S. G. Kim and N. P. Suh, “ Performance Prediction of Weld line Structure in Amorphous Polymers【J】 ”, Polymer Engineering and Science, Vol. 26, No. 17,1986.【8】 .陈良相、黄子健、刘昭宏 编着，Moldflow MPI 实用基础【M】 ，全华科技图书有限公司，台北，2007 年。
