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1 前言
cad/cam/cae技術是當前注塑模具設計的主流技術之一。其中注塑cae技術可以通過對注塑成型過程的模擬分析來**塑件可能出現的缺陷，從而在可能存在的幾種注塑方案中選擇最佳方案，為模具設計和產品成型過程的控制提供依據，從而獲得高質量的最終產品[1]。澆口位置的選擇非常重要，直接影響到塑件在注塑過程中的充填行為、收縮行為、翹曲變形以及塑件的最終尺寸、機械效能水平和表面質量等[2]。
例如當澆口位置選擇不當而產生的熔接痕將降低塑件的強度[2]。注塑cae技術的採用能為澆口位置的選擇帶來了很大的方便，便於高效地設計出優質模具，從而注塑出優質塑件。
moldflow公司自2023年推出第一款moldflow軟體以來，一直主導著注塑cae軟體市場[3]。moldflow軟體主要由三部分組成：mpa（產品優化顧問）、mpi（注塑成型模擬分析）和mpx（注塑成型過程控制專家）。
其中mpi模組功能非常強大,可以對模具的澆注系統、冷卻系統、注塑工藝引數等進行分析和優化[4]。目前moldflow軟體已被廣泛運用於模具設計，如趙龍志等運用moldflow軟體優化設計了汽車儀表板右蓋板支架的澆口位置，從而優化了模具設計[5]。
本文運用注塑模擬分析軟體moldflow6.1對手機電池蓋注塑成型過程進行模擬分析，通過充填時間、流動前沿處溫度、頂出時的體積收縮率等進行比較分析來選擇手機電池蓋的最佳澆口位置。
2 手機電池蓋最佳澆口位置的選擇
本文的手機電池蓋材料選擇pc+abs，製造商為umg abs ltd，牌號為umg alloy fc-30a；注塑機選擇ba 1300/400 bk型號。moldflow6.1軟體根據這個材料推薦的工藝引數為：
模具表面溫度70oc，熔體溫度250 oc，頂出溫度110 oc,最大剪下應力0.28mpa。塑件平均厚度為1.
5mm。塑件要求內外表面光滑，採用一模兩腔注塑成型，單澆口進澆。塑件用ug軟體建立的三維模型如圖1所示:
圖1 手機電池蓋三維模型
2.1 資料轉換
三維造型軟體和cae軟體常用的資料轉換格式為stl格式和igs格式。igs格式轉換時源檔特徵丟失很嚴重；而stl格式轉換時卻很少丟失源檔特徵，便於網格劃分 [6]。本文採用stl格式作為轉換格式，輸出型別為二進位制，三角形公差為0.
08，相鄰公差為0.08。
2.2 網格劃分和修復
moldflow軟體的網格型別分為中面網格、表面網格和實體網格[7]。中面網格一般用於很薄的模型；表面網格能對薄殼模型進行更加具體的分析；實體網格能精確地進行模擬分析，但網格劃分難度較大。本文的塑件很薄，為了獲得較好的網格效果以及較精確的模擬分析，採用表面網格來對模型進行有限元網格劃分。
合理的表面網格要求：連通區域為1，自由邊個數為0，交叉邊個數為0，配向不正確的單元個數為0，相交單元個數為0，完全重疊單元個數為0，網格匹配率必須》50%，最大縱橫比<20，平均縱橫比應≤6[8]。本文先用自動劃分命令劃分網格，然後通過網格統計檢視網格是否滿足要求，並用網格診斷和網格修復命令來檢查和修復了網格。
圖2是模型網格劃分圖形，具體的網格資訊如下：三角形單元3436個，節點1720個，網格體積為4.1617 cm3，網格面積為72.
8693 cm2，柱體0個，連通區域為1，自由邊0個，共用邊5154個，交叉邊0個，配向不正確單元0個，相交單元0個，完全重疊單元0個，三角形最小縱橫比為1.157，最大縱橫比為11.731，平均縱橫比為1.
94，網格匹配率為90.2%。網格滿足要求，網格合理。
圖2 模型網格劃分
2.3 兩種澆注方案
澆口也稱進料口，是連線分流道與型腔的熔體通道，澆口的位置選擇恰當與否直接關係到塑件能否被完好高質量地注射成型。選擇澆口時，要根據塑件結構和成型質量要求以及塑料工藝特性等綜合考慮[9]。材料選擇pc+abs，注塑機選擇ba 1300/400 bk型號。
輸入軟體根據選擇的材料所推薦的工藝引數：模具表面溫度70oc，熔體溫度250 oc，頂出溫度110 oc,最大剪下應力0.28mpa。
在「設定分析順序」中選擇澆口位置,雙擊「立即分析」命令。得出的最佳澆口位置如圖3所示：
圖3 最佳澆口位置
從圖上可以看出，模型中的最佳澆口位置是圖中標識所指的深色部分。然而手機電池蓋塑件要求內外表面光滑，為了獲得良好的表面質量，只能把澆口設定在側邊。側邊選擇的澆口如圖4。
圖4 澆口位置
圖4中γ面為分型面；邊1，2，3(三個邊都不含拐角)為分型面上三個外側邊；節點ⅰ、ⅱ分別為邊1和邊3的中間節點。本文模腔布局採用一模兩腔，為了塑件表面質量和便於澆注，澆口開設在分型面γ上。因為塑件屬於對稱件，則邊2和邊3上的節點注塑成型過程一樣，所以選擇分型面γ的邊1和邊3上的節點作為澆口位置；考慮到充填平衡因素，澆口位置分別設在邊1和邊3的中間節點ⅰ、ⅱ處。
根據兩種澆口位置設計兩套澆注方案如圖5所示。
圖5a 澆注方案一圖5b 澆注方案二
為了使脫模時澆口自動斷裂而保證塑件外觀，文中採用牛角澆口。牛角澆口小端直徑為2mm，錐度5度；分流道長度為6mm，直徑為3mm；主流道採用圓形截面，長度12mm，小端直徑2mm，錐度5度，主流道末端設冷料穴，直徑2mm，長度2mm。
2.4 兩種澆注方案比較分析
下面對澆注方案一和澆注方案二分別進行流動分析，然後從充填時間、流動前沿處溫度、頂出時的體積收縮率、氣穴分布四個方面對這兩種方案進行比較分析，從而選擇出最佳澆注方案。
2.4.1 充填時間
充填時間是指塑料熔體從澆口處進入模腔直到整個模腔充滿時的一段時間間隔[10]。充填時間越短，注塑效率越高，越能提高經濟效益。澆注方案一和澆注方案二的充填時間如圖6所示。
圖6a 方案一的充填時間圖6b 方案二的充填時間
從圖中可以看出兩種澆注方案的最先充填區域、最後充填區域和最長充填時間。圖6a中澆注方案一最長充填時間是1.103s，圖6b中澆注方案二的最長充填時間是1.
102s。從充填時間比較，兩種方案相近。
2.4.2 流動前沿處溫度
流動前沿處溫度指塑料熔體流到型腔各處的溫度，最先充填的區域由於冷卻時間最長則流動前沿處溫度最低[11]。流動前沿處溫度差異越大，塑件翹曲變形越大，塑件越容易產生開裂等缺陷。兩種澆注方案的流動前沿處溫度如圖7所示。
圖7a 方案一流動前沿處溫度圖7b 方案二流動前沿處溫度
從圖中可以看出兩種澆注方案的最高流動前沿處溫度區域、最低流動前沿處溫度區域、最高最低流動前沿處溫度。圖7a中澆注方案一流動前沿處最高溫度為251.8 oc，最低溫度為212.
3 oc，溫差39.5 oc；圖7b中方案二流動前沿各處溫度範圍229.5 oc—235.
5 oc，溫差6 oc。澆注方案二流動前沿處最高最低溫差比方案一小，則翹曲變形比方案一小，從流動前沿處溫度比較，方案二優於方案一。
2.4.3 頂出時體積收縮率
頂出時體積收縮率指塑件頂出時各處體積的收縮率[12]。塑件頂出時體積收縮率或最高最低體積收縮率差異越大，塑件越易產生縮孔，塑件強度越低，質量越差，翹曲變形越大，越易產生斷裂。兩種方案塑件頂出時的體積收縮率如圖8所示。
圖8a 方案一頂出時體積收縮率圖8b 方案二頂出時體積收縮率
由圖中可以看出兩種澆注方案的塑件頂出時的最大體積收縮率區域、最小體積收縮率區域和最大體積收縮率。圖8a中澆注方案一頂出時的最大體積收縮率為7.530%，體積收縮率範圍是1.
852%—7.530%，相差5.678%；圖8b中方案二頂出時的最大體積收縮率為6.
208%，體積收縮率範圍0.5710%—6.208%，相差5.
637%。方案一頂出時的最大體積收縮率和體積收縮率差異都大於方案二，方案一更容易產生縮孔和翹曲變形，注塑的塑件質量會更差。從頂出時體積收縮率比較，方案二優於方案一。
2.4.4 氣穴分布
氣穴分布指模腔內氣體所在的區域。氣體主要由熔融產生，氣體如果不能排出，塑件將會產生缺陷，影響塑件質量[13]。氣穴越多，塑件產生的缺陷會越多，塑件強度會越低，質量越差。
澆注方案一和澆注方案二的氣穴分布如圖9所示。
圖9a 方案一氣穴分布圖9b 方案二氣穴分布
由圖中可以看出兩種澆注方案的氣穴分布。圖9a中澆注方案一的氣穴主要分布在塑件側邊，氣穴較多。圖9b中澆注方案二的氣穴分布比澆注方案一氣穴分布集中，氣穴集中分布在最後充填區域，便於設定排氣槽來排氣；而且方案一氣穴數量比方案二多，更容易產生缺陷。
從氣穴分布比較，澆注方案二優於澆注方案一。
綜上所述，對兩種方案從充填時間、流動前沿處溫度、頂出時的體積收縮率,氣穴分布四個方面進行了比較分析；方案二除了充填時間和方案一相近外，其它三個方面都優於方案一，綜合來說方案二優於方案一。因此本文手機電池蓋的澆口位置選取方案二的澆口位置，設定在手機電池蓋邊1的中間節點ⅰ處，如下圖。
圖10 最終的最佳澆口位置
3 結束語
(1) 文中根據塑件表面光滑的要求將澆口位置選擇在零件的側邊並設計了兩種澆注方案。
(2) 利用注塑模擬分析軟體moldflow6.1對手機電池蓋注塑成型的流動過程進行了**模擬，從充填時間、流動前沿處溫度、頂出時的體積收縮率,氣穴分布四個方面對兩種澆注方案進行了比較分析並最終確定了最佳澆口位置。
(3) 運用注塑模擬分析軟體選擇最佳澆口位置將為模具的設計帶來很大方便，縮短了模具設計週期，提高了經濟效益。
參考文獻：
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[3]陳智勇. moldflow6.1注塑成型從入門到精通[m].北京:電子工業出版社,2009.
[4]洪劍城.基於moldflow軟體的型腔各異模具流動平衡優化[j].工程塑料應用,2010,1(38):35-38.
[5]趙龍志,梁炬星,趙明娟,胡國良,張尚兵.moldflow在儀表板右蓋板支架注塑模設計中的應用[j].中國塑料,2009,10(23):87-91.
[6]羅廣思.基於cae技術的塑料模具高效率設計方法[j].常州輕工業職業技術學院學報,2009,1:15-17.
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