多腔平衡流道不平衡对策
基于Moldflow软件的型腔各异模具流动平衡优化
基于Moldflow 软件的型腔各异模具流动平衡优化洪剑城(四川大学高分子科学与工程学院,成都 610065) 摘要 采用Moldfl ow 6.1的填充分析模块和流道平衡模块,分析型腔各异模具的不平衡流动。
发现优化流道截面尺寸,流动不平衡率仅从28.16%降为20.88%,而同时调整型腔布局和优化流道截面尺寸,能将流动不平衡率从28.16%降为1.16%。
结果表明,当熔体流动不平衡率较大时,应首先考虑调整型腔布局,再结合调整流道截面尺寸、浇口等因素使之达到流动平衡;型腔布局对熔体的平衡流动起着重要作用。
关键词 Moldfl ow 型腔 流动平衡 布局 20世纪70年代以来,随着计算机技术的迅猛发展和普及,注射模CAD /CAE 技术也随之推广。
注射模CAD /CAE 技术的发展和应用使模具设计、加工的成本大大降低,效率则成倍提高,该技术的重要作用已得到充分的认可。
其中以Moldfl ow 软件的应用最具代表性,它不仅能够模拟分析热塑性塑料熔体注入模具的流动过程,而且可以对注塑的浇口位置、压力分布、冷却过程及注射工艺条件等进行模拟分析[1]。
注塑机大批量生产中,由于剪切作用使一模多腔模具常用的“自然均衡”流道产生明显的不均衡现象[2],以及大众追求个性导致小批量注塑的逐渐增加,使型腔各异多腔模具的应用得到迅速发展。
如果塑料熔体能够同时到达并充满模具的各个型腔,则称该熔体流动是平衡的。
在一模多腔或者组合型腔的注射成型过程中,熔体在浇注系统中流动的平衡问题是十分重要的。
浇注系统的不平衡流动可能导致许多成型缺陷,如飞边、短射、制件密度不均匀、气穴和产生过多熔接痕等[3]。
平衡的浇注系统不仅可以保证良好的制件质量,而且可以保证不同型腔内制件质量的一致性[4]。
1 制件的结构、尺寸图1所示为材料性能测试用试样的结构,表1列出各试样的相关尺寸。
为了操作方便和节省费用,要求将它们放在同一副模具中成型,并且保证试样的质量。
模具“三流”优化（料流、热流、气流）（一）
模具“三流”优化（料流、热流、气流）（一）在对科学注塑的理解一文中我提到：科学注塑泛指通过科学的、合理的整合和配制注塑相关资源，以达到稳定、高效、低损耗注塑生产的一种技术管理方法。
注塑相关资源包括注塑机、模具、工艺(参数与条件)、材料、环境等。
科学注塑泛指通过上述五类资源元素的优化，使得注塑生产输出最优化。
在注塑相关资源的配置中，模具设计及制造是注塑生产的基础，技术性强且灵活多变的参数是发挥模具最佳状态的主要推手。
模具设计及制造：重点通过优化注塑模具料流（浇注系统）、气流（排气系统）、热流（冷却或加热系统）的效果,实现模具的优化设计。
注塑工艺参数：主要关注塑模具型腔内塑料的动态过程，关注注塑核心的控制点(粘度变化)，而不是注塑机控制屏上的参数。
科学注塑实质上更期望我们以科学的态度，注塑理论支持和数据的支撑建立起稳健的工艺参数。
用系统的方法去分析问题，解决问题。
前面文章介绍了注塑工艺优化的6项测试，为注塑工艺人员提供了注塑理论支持和数据的支撑建立起稳健的工艺参数提供了一个框架。
下面我们通过三篇文章来介绍优化注塑模具料流（浇注系统）、气流（排气系统）、热流（冷却或加热系统）的效果,实现模具的优化设计。
一、优质模具的”三流”状况1、”料流”--需快速顺利(满足进胶、补胶的需要)。
2、“气流”--需畅通无阻(进气、出气畅通无阻)。
3、“热流”--冷却需一致(冷却收缩均匀)。
二、流道系统的设计与优化1、流道系统的作用①流道系统是熔料进入模腔前的通道。
②确保熔料在流道内不会过早冷却。
③消除熔料在流道内产生的冷料。
④调节和控制熔料进入模具时的粘度。
⑤调节和控制注塑成型的冷却时间。
⑥调节和控制熔料的流动阻力。
⑦调节和控制多型腔模具进料平衡性。
⑧流道(水口料)表层具有保温作用。
⑨传递熔料压力至模腔内各部位。
2、流道系统设计应遵循的原则①模具型腔的布局应对称分布(尺寸紧凑、胀模力平衡)。
②熔料在流道内的流动时不宜过早冷却。
注塑缺陷及对策讲稿
缺胶、不饱模
塑胶熔体未完全充满型腔。
原因及对策---不饱模 原因及对策---不饱模
（1）塑胶材料流动性不好。 （2）制品与与注塑机匹配不当，注塑机塑化能力或注射量不足。 （3）料温、模温太低，塑胶在当前压力下流动困难。 （4）塑料熔化不充分，流动性不好，导致注射压力降过大。 （5）射胶速度太慢。 （6）射胶时太快转换为保压或保压压力过低。 （7）流道中冷料井预留不足或不当，冷料头进入型腔而阻碍塑胶之 正常流动。 （8）流道和浇口太小，流程太长，塑胶填充阻力大。 （9）不平衡排布多腔，不平衡充填。 （10）模具排气不良时，空气无法排除。 10）模具排气不良时，空气无法排除。
透明度不足
（1）模具型腔或型芯表面光洁度下降 （2）原料含杂物。 （3）材料降解。 （4）料筒温度低，塑化不良。 （高模温有助改善透明度。 （6）干燥不充分。
流痕
塑胶熔体流动的痕迹，以浇口为中心而呈 现的条纹波浪模样。
原因及对策----流痕 原因及对策----流痕
（1）流痕是最初流入型腔内的塑胶熔体冷却过快 与其后流入的塑胶熔体间形成界限所致。 （2）残留于喷嘴热流道前端的冷料，若直接进入 型腔内，将造成流痕。 （3）塑胶熔体温度低则粘度增大而发生流痕。 （4）模温低则多走大量的塑胶熔体热量使塑胶熔 体温度下降，粘度增大而发生流痕。 （5）射出速度慢，填充过程塑胶熔体温度下降， 粘度增大而发生流痕。
喷射痕、蛇纹
高速通过浇口的塑胶熔体直接进入型腔， 然后接触型腔壁而固化，接着被随后的 熔胶体推挤，从而残留下形同蛇形的痕迹。 测浇口，塑胶经过浇口后无滞料区域或滞 料区域不充足时，容易产生喷射痕
喷射痕-----对策 喷射痕-----对策
（1）调整浇口位置，使塑胶熔体通过浇口后碰撞 销类或壁面。 （2）改变浇口形式，采用重叠浇口或凸耳浇口， 在浇口区域设置足够的滞料区域。 （3）可减慢塑胶熔体的初段注射速度。 （4）增大浇口厚度/横截面积，使流动前锋立即 ）增大浇口厚度/ 形成。浇口厚度大于壁厚二分之一。 （5）升高模具温度，防止塑胶熔体快速固化。
注塑缺陷之充填不足
浅谈注塑缺陷之填充不足在注塑生产过程中，填充不足是比较常见的缺陷，造成很大的浪费，如何减少和更正这种缺陷，需要从根本上进行分析，下面我谈一下自己的一些观点。
通常情况下，填充不足是指塑料流动性不足,不能充满整个型腔而得不到设计的制品形状，原因主要是注射压力与速度不妥（包括阻力造成压力过于耗损），而造成注射压力和速度不妥的原因主要有以下几个方面。
第一：注塑机方面：（1）注射能力不足这是对注射机的能力估计过高而产生的，由于塑化能力不足或者注射量不足也会发生。
其中，塑化能力不足可通过延长加热时间、增加螺杆转数、提高背压来提高塑化能力。
而注射量不足，如果不换成大注射量的机台就不能解决问题。
例如产品的重量为150g，用CJ80M3V的机器肯定不行，CJ80M3V的注射量最大为120-130g。
机台的塑化量或加热率不定，应选用塑化量与加热功率大的机台；螺杆与料筒或过胶头等磨损造成回料（也就是逆流）而出现实际注射量不足（螺杆在行程结束处没留下料垫）；热电偶或发热圈等加热系统故障造成料筒的实际温度过低；注射油缸的密封元件磨损造成漏油或回流而不能达到所需的注射压力；射嘴内孔过小、射嘴部份被封或射嘴中心度调节不当造成阻力过大而使压力消耗或有间隙，溢胶导致；（2）锁模力不足虽然可认为锁模力与填充不足没有关系，但有时这也是造成填充不足的原因。
即使使用注射量相同的成型机，有时也会出现锁模力不足的现象。
如果锁模力不足，在注射压力作用下动模稍微后退，将产生飞边毛刺而使制件注射量不足，也会产生填充不足的现象。
（3）塑料供应不足尽管注射机能力足够，而从射嘴注射出的熔料达不到所需数量，也可产生填充不足。
其原因，一是料斗的塑料粘边落不到料筒中（因塑料在料斗干燥机内局部熔化结块，使粉料或不规则颗粒料无法进入料斗；因为静电作用而吸附在料筒壁，也就是指搭桥现象）；一个是使用螺杆式注射成型机时，塑料在料筒内滑移，不能前进（塑料等级选择不当，颗粒料的润滑剂过多造成的，如改为配比正确的原料就可解决）。
多腔平衡流道不平衡对策
在模具保压过程中，一种创新技术通过模具外的一种调节装置，使注塑加工商可以改变模具型腔内熔体的流动方式，平衡多型腔模具中各型腔的充模过程。
不用将模具从注塑机上卸下来就能够快速而精确地平衡多型腔模具吗？不用移动或增加浇口或改变制品设计就能够改变型腔的充模状态吗？这些已经不再是无法实现的目标。
在NPE 2006展会上，Beaumont Technologies（BTI）公司隆重推出了一套新型熔体控制系统。
这种用于模具内熔体流变学控制的系统（iMARC）基于BTI的MeltFlipper和MAX熔体控制技术，具有以前无法想象的功能。
在该系统中，模具嵌件被放置在熔体流道系统内。
全新的iMARC技术能够对模具内的熔体进行动态（实时）控制。
单轴iMARC嵌件（左）能够平衡多型腔的熔体流动，多轴嵌件（右）能够在每一个型腔内改变熔体的流动形态 MeltFlipper于1998年被首次引进市场，该技术能保证多型腔模具充模时的流变学平衡，解决了模具内型腔之间的设计平衡而实际不平衡，以及无法成型一致制品的问题。
由于熔体在流道内具有不同的温度和粘度，与流道壁更近的熔体具有更高的剪切热，因此会进行自然分层。
当熔体在热流道中被分开时，流向一个型腔或一组型腔的熔体流的前端比流向相反方向的熔体流速度更快。
尽管在模具内型腔之间通过精确设计以确保平衡，然而制品经历了不同的流动条件，同时熔体温度、充模速率、保压时间和压力都不同。
在传统模具中，尽管型腔在几何尺寸上平衡，但缺料注射易导致充模不平衡。
iMARC单轴嵌件使所有型腔均匀充模，第二套嵌件精确调节每一个型腔的充模 MeltFlipper是一种机械嵌件，针对每一台模具进行定制化生产，在模具流道内的熔体流以单轴旋转。
这使熔体平衡地分开并均匀流动到每一个型腔。
MAX技术采用多轴提供对称的熔体流，这使高剪切热熔体集中在制品特定的区域，从而影响充模状态、翘曲和制品的表面质量。
MAX嵌件能够用在单型腔模具中，而MeltFlipper在单型腔模具中不是很适用。
多型腔模具熔体流动不平衡的解决方法
多型腔模具熔体流动不平衡的解决方法在注塑过程中，导致熔体流动不平衡的原因很多，其中由温度变化引起的流动不平衡尤其难以察觉和避免，从而为注塑生产带来极大的不便。
那么，有什么好的方法可以解决呢？在多型腔成型过程中，要使熔体流均匀且平衡地流入每一个模腔中是非常困难的。
浇口尺寸不同或是流道系统中的剪切模式不一致等多种因素，都会导致熔体的流动不平衡。
但是很少有人知道，在热流道系统中，由热浇口处的温度变化而导致的流动不平衡尤其麻烦，且不易被诊断出来。
热流道中的温度变化不仅会导致同一注射周期内各模腔出现充模不足或飞边等现象，还会造成同一模腔在不同注射周期中出现不同的情况。
举例来说，在一个4腔模具中，在第一次注射周期内，可能会出现这样的情况：第二、三腔中制得的制品质量最好，而第一腔中出现了充模不足的现象，第四腔中则出现了飞边现象。
然而，在下一个注射周期内，随着模腔内充模模式的不断变化，可能会导致第一腔中出现飞边现象，而在第四腔中出现充模不足的情况，或是各个模腔所制得的制件的质量都很好。
这种不平衡的现象有时非常严重，有可能一个腔在这次注射周期内只填充了50%，而在下一个注射周期内则填充了100%。
这种情况甚至在2腔模具中都经常发生。
在实际的生产应用中，无论所需的注射压力是高还是低，充模不平衡的情况都时有发生。
图1 在多模腔模具中，温度的变化往往导致熔体流动的不平衡，从而造成飞边和充模不足等问题一个区域与另一个区域之间发生微小的温度变化，会在数分钟内造成熔体在充模过程中出现流动不平衡的现象，尽管有些时候这种极小的温度改变在生产中是必要的。
温度变化的影响导致热流道内的温度发生变化的原因有很多。
其中一个原因是由于PID控制器引起的热喷嘴处出现温度振荡。
随着加热器的开启和关闭，每个模腔的实际温度会在设定点附近来回波动，使得注射成型过程中各模腔之间的温度变化各不相同。
例如，有可能第一模腔的温度上升，而第二模腔的温度下降，从而导致熔体流更容易流入第一模腔中。
多型腔热流道注射模的浇注平衡分析
多型腔热流道注射模的浇注平衡分析作者：上海克朗宁技术设备有限公司王建华来源：现代塑料在一模多腔的注塑成型中，保持塑料熔体在浇注系统中的流动平衡性十分重要。
这直接影响到各型腔的填充时间、注射和保压压力，以至体积收缩率的均衡性，进而影响产品的质量。
然而，对于冷流道模具的热流道改造，由于模具的模板尺寸、型腔布置和浇口位置都已经固定，要实现自然的平衡流道系统设计已不可行。
因此，流道设计仍考虑为非平衡式流道布置，但这又势必会影响产品的质量。
如何在这种流道系统的设计中实现平衡浇注对于模具制造商而言非常关键。
近年来，许多模具制造商开始应用热流道技术，并在模具设计中预先使用Moldflow软件进行模拟分析，极大地提高了模具设计的效率和准确性。
本文以克朗宁公司改造一具拥有18模腔的瓶盖热流道注射模为例，深入分析了Moldflow 软件在优化流道设计，尤其是改善浇注平衡方面的应用。
针对该注射模从主流道到各型腔的流道长度均不相等的特点，克朗宁公司通过利用Moldflow软件优化流程中各段流道的直径，使塑料熔体从主流道进入各型腔的压力降保持相等，从而保证了熔体能够同一时间充满各型腔，实现了各个型腔制品的平衡浇注成型。
流道直径的初步设计首先，根据各浇口位置和型腔的布局，确定了如图1所示的流道分布。
然后，根据物料的特性、单个型腔的注射量和浇口位置等参数，确定相应的热流道分喷嘴的流道直径为6mm，并由此确定第二层分流道的直径也为6mm。
图1 热流道浇注系统的布置情况（其中，1-主流道喷嘴；2-第一层分流道；3-两层分流道间的中央连接流道；4-两层分流道间的两侧连接流道；5，6-第二层两侧分流道；7，8-第二层中间分流道；9-顶针式喷嘴和浇口）一般，在热流道模具中，熔体与流道壁面的热交换和流道截面所产生的摩擦热非常少，因此熔体因温度变化而导致的黏度变化相比冷流道系统也较小。
因此，在流动分析中，按熔体在各流道中剪切应力不变的理论，可以得到各级流道直径的计算式（如下述方程所示）：式中，Ｎ——流道的分叉数；di——上游流道的直径，mm；di+1——下游流道的直径，mm。
热流道常见问题以及解决方案
热流道系统的常见问题原因分析及解决1．热分流板达不到设定的温度原因：热电偶接触不良或失效，加热丝短路，加热丝接线太松或太短。
处理：检查热电偶接触是否正常，接线是否正确，检查发热丝回路。
2．热分流板升温太慢原因：某一根加热丝断路或接线太松，热分流板空气空隙不足，隔热垫片上过度冷却，热电偶接触不良。
处理：对所有加热丝进行检查，增加空气间隙，在定模固定板上增加隔热板，或降低对定模板固定板的冷却，检查热电偶接触是否良好。
3．热分流板温度不稳定原因：热电偶接触不良。
处理：检查热电偶。
4．熔体中存在金属碎片原因：注塑机螺杆上的碎片，注塑材料中的金属碎片。
处理：清除金属碎片，修补螺杆，过滤塑料中的杂质。
5．热分流板与热喷嘴结合面漏胶原因：膨胀量计算不对，定模固定板材料太软，热分流板短时间温度太高，O型密封圈的安装有问题。
处理：重新计算并检查膨胀量，更换有适当硬度的定模固定板，更换已损坏的零部件各密封圈。
6．型腔无填允1原因：熔化温度太低，注射压力太小，浇口太小，热喷嘴太小，模温太低，熔胶筒的喷嘴口太小，热喷嘴堵塞。
处理：提高热喷嘴和分流板的温度，提高注塑压力，扩大浇口，提高模温，安装大规格喷嘴，加大熔胶口出料口，清除堵塞物。
7热喷嘴流延原因：回抽（倒索）不够，熔化温度太高，浇口太大，浇口冷却不足，运用了不正确的热喷嘴类型。
处理：加大回抽（倒索）量，降低热喷嘴温度或模温，选用合适的嘴头，加工正确的浇口尺寸。
8．热喷嘴不能正常工作原因：加热丝或热电偶有问题，热喷嘴堵塞，热喷嘴膨胀量计算不对处理：检查/更换加热丝，检查/更换热电偶，清洁热喷嘴，重新计算热喷嘴的膨胀量。
9制品上有较多飞边原因：注塑压力过高，温度过高，分模面平整质量差，锁模力不足，模具底板或注塑机动模/定模板不平整。
处理：降低注塑压力，降低热喷嘴/分流板/模具温度，增加锁模力，修整模具，修整注塑机动模/定模板。
10制品上或浇口区域产生焦印，焦痕原因：模具上排气不足，注射速度过快，浇口窝嘴尺寸不对，材料烘干不够。
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在模具保压过程中，一种创新技术通过模具外的一种调节装置，使注塑加工商可以改变模具型腔内熔体的流动方式，平衡多型腔模具中各型腔的充模过程。
不用将模具从注塑机上卸下来就能够快速而精确地平衡多型腔模具吗？不用移动或增加浇口或改变制品设计就能够改变型腔的充模状态吗？这些已经不再是无法实现的目标。
在NPE 2006展会上，Beaumont Technologies（BTI）公司隆重推出了一套新型熔体控制系统。
这种用于模具内熔体流变学控制的系统（iMARC）基于BTI的MeltFlipper和MAX熔体控制技术，具有以前无法想象的功能。
在该系统中，模具嵌件被放置在熔体流道系统内。
全新的iMARC技术能够对模具内的熔体进行动态（实时）控制。
单轴iMARC嵌件（左）能够平衡多型腔的熔体流动，多轴嵌件（右）
能够在每一个型腔内改变熔体的流动形态 MeltFlipper于1998年被首次引进市场，该技术能保证多型腔模具充模时的流变学平衡，解决了模具内型腔之间的设计平衡而实际不平衡，以及无法成型一致制品的问题。
由于熔体在流道内具有不同的温度和粘度，与流道壁更近的熔体具有更高的剪切热，因此会进行自然分层。
当熔体在热流道中被分开时，流向一个型腔或一组型腔的熔体流的前端比流向相反方向的熔体流速度更快。
尽管在模具内型腔之间通过精确设计以确保平衡，然而制品经历了不同的流动条件，同时熔体温度、充模速率、保压时间和压力都不同。
在传统模具中，尽管型腔在几何尺寸上平衡，但缺料注射易导致充模不平衡。
iMARC单轴嵌件使所有型腔均匀充模，第二套嵌件精确调节每一个型腔的充模 MeltFlipper是一种机械嵌件，针对每一台模具进行定制化生产，在模具流道内的熔体流以单轴旋转。
这使熔体平衡地分开并均匀流动到每一个型腔。
MAX技术采用多轴提供对称的熔体流，这使高剪切热熔体集中在制品特定的区域，从而影响充模状态、翘曲和制品的表面质量。
MAX嵌件能够用在单型腔模具中，而MeltFlipper在单型腔模具中不是很适用。
传统成型的制品模内应力通常沿着制品一边集中，利用多轴iMARC技术
能够向相反方向使制品应力分散或使之平衡，从而使两边应力相等全新的iMARC系统将进一步采用MeltFlipper和MAX技术，将它们应用到调节嵌件以使用户能够精确调节流道和型腔中的流体。
由于iMARC基于MeltFlipper和MAX技术，因此该系统主要分成两类：可调整的单轴控制系统和多轴控制系统。
多轴iMARC系统能够消除熔接线，提高制品强度单轴与多轴
当熔体离开注塑机喷嘴以后，传统的注塑成型技术使加工商只能对其进行单向控制。
只能采用增大或减小压力的方法以使熔体流动得更快或更慢，这就是所有的外部控制。
然而，当熔体在流道系统内流动时，发生了动态流变学改变。
对于加工商来说，实时控制熔体流动有很多好处。
这使加工商能够容易平衡多型腔模具，同时研究充模状态的改变对整个加工窗口和制品质量的影响。
无论是多型腔模具还是单型腔模具，iMARC系统可以对整个流道系统和型腔中的材料流动进行动态调节。
iMARC单轴系统通过Level 1控制型腔内部的流动，能够使多型腔模具达到型腔与型腔之间的平衡。
Level 1控制意味着高剪切的熔体能够遍及流道的各个部分。
举例来说，在一个典型的几何“平衡”8型腔模具中，充模状态并不平衡。
在流道中加入iMARC单轴嵌件后，就很容易达到模具平衡，以及每一个型腔的均匀流动。
然后，使用第二套单轴嵌件以优化型腔内的流动，从而使每一边的制品在一致的填充条件下得到均匀的熔体。
iMARC多轴系统经常用于Level 2模腔内部的流动控制。
Level 2控制使高剪切熔体在其流动截面内均匀分布，而不仅仅是分布在侧边或四周。
这使嵌件对给定型腔的充模形态有了更动态的影响。
例如，在制品尺寸一定的条件下，在典型的单浇口单型腔模具中，注塑过程越短，沿着制品外围高剪切、高热、流动性更好的熔体流动得越快。
通过在型腔浇口之前安装iMARC多轴系统，加工商能够以各种方式调节充模形态，优化制品成型质量。