基于Moldflow的针阀式热流道时序控制与翘曲变形关系

Relationship Between Timing Control of Needle Valve HotRunner Based on Moldflow and Warpage Deformation

摘要

为了改变制品翘曲变形程度，文章采用时序进胶注塑成型技术。通过时序控制系统控制针阀式喷嘴阀门的动作实现顺序供料，改变熔体前锋交合的状态，使注塑过程中各浇口流出的熔体逐步推进。在喷嘴阀门的时间控制方面利用Modflow软件进行了大量模拟分析，先设置第一浇口与第二浇口，填充阶段，当熔体前沿达到第二个浇口位置时，关闭第一浇口一个时间段再打开第二浇口浇注能够改善玻纤分子排列的一致性。通过顺序控制翘曲-时间曲线，直观反映喷嘴阀门的最佳控制时间。结果表明：时序进胶注塑成型技术可较好解决传统生产工艺中存在的扰乱玻纤分子取向的问题，可以得到玻纤取向一致的效果，从而将制品的翘曲控制在规定范围内。

关键词

玻璃纤维 / 热流道 / Moldflow / 时序进胶 / 翘曲变形

Key words

Glass fiber / Hot runners / Moldflow / Timing glue / Warpage deformation

注塑过程中因制品外形的复杂性使得塑料熔体在型腔中流动方向各异，两股熔体前锋汇合时，因前锋面上熔体温度降低而未能充分熔合，在此处形成的形态结构和力学性能与其他部分产生差异，从而形成翘曲和熔接痕。热流道时序阀浇口控制技术(SVG)利用液压装置控制针阀的开关对熔料注射时间进行精确控制。结合时序控制系统控制阀浇口的开关时间，改变熔料在型腔中的流动，进而控制前沿料流间交汇时间和地点，从而最大限度地消除翘曲和熔接痕是研究目的^[1-2]。目前，时序控制技术与浇注系统、仿真技术相结合的案例不断增多，成为优化设计的一类前沿技术。NPE2018展会上展出了先进的时序控制技术^[3-6]。ELDUQUE等^[7]讨论了在顺序阀控技术下，建立协调相关参数的反馈系统的重要性，并通过对比实验进行验证。目前的注塑顺序控制设备中，已经可以达到0.01 s的闭合精度。其他研究者也提出了相关技术要点^[8-11]。时序控制阀喷嘴在热流道的应用中，具有三个特点：(1)在制品上不会留下进浇口的残迹，进浇口处痕迹平滑，尤其适合于产品表面要求较高的制品。(2)采用时序控制喷嘴能使用较大直径的浇口，可使型腔填充加快而减少制品的内应力，同时也可很好地补缩。(3)有效调控浇口封闭时机，控制补缩和缩短成型周期。减少翘曲程度的方法很多：如增加加强筋、增加产品的厚度等，但由于封装内部结构的要求，这些变更方案不可行。复合材料中加入玻璃纤维可以改变材料特性。复合材料中的玻璃纤维取向也非常复杂。当玻璃纤维取向与材料的纤维取向方向一致时，可以提高复合材料的弯曲强度、塑性变形减小。而当玻璃纤维取向与复合材料的纤维取向垂直时，则力学性能显著下降^[12-14]。在设计过程中要想办法避免这种情况。在高剪切区域流动时，拉伸式流动会使得玻璃纤维与拉伸方向对齐，从而保证纤维取向方向一致。

本实验探究电路控制板的封装上盖，由6个卡扣进行固定。此零件用于封装高灵敏度电器元件的电路板，要求隔热程度要好。这类产品需要经常掀开，因此需要一定的力学性能。产品的外形尺寸有比较高要求，z向翘曲程度要在0.3 mm以内，不能对封装结构产生外力。针对以上要求，经过一些材料比对，选用了一种玻纤材料，牌号为Dureathan BKV30。对于不受产品几何形状限制的制品，通过移动产品浇口位置来迎合分子取向，达到缩小翘曲量的目的。但是本次产品的浇口相对固定，所以只能运用其他的办法。

1 制品网格划分

本实验分析的对象是封装上盖，图1为封装上盖的网格划分。采用热流道的浇注形式。利用Moldflow软件中针阀式浇口时序控制进胶功能模块实现模拟分析。封装上盖材料的厚度为1.5 mm，通过网格划分得到理想的网格单元。因为制品型腔布局为左右对称，所以分析时只构建了一个型腔。分析类型为“中性面”。

2 两侧浇口的设置

图2为两侧阀浇口设计。从图2a可以看出，浇口首先选中一侧末端的Beam单元，在阀浇口控制对话框中选择时间控制。从图2b可以看出，该浇口一直处于开放状态。然后再选中另一侧的Beam单元，根据时序输入开关时间。此顺序进胶控制方式使得材料填充阶段某个方向的熔体保持单向的流动。这个阶段熔体不会遇到阻碍从而打乱玻纤分子取向，最大限度保证翘曲变形量最小。

3 成型窗口分析及填充分析

图3为制品成型窗口分析。从图3可以看出，最大注射压力约为39.06 MPa。

通过“填充”分析得到了制品成型工艺的充填时间和平均纤维取向。图4为制品充填。从图4可以看出，这些数值是设置时序控制参数的依据。

4 填充分析与填充+保压分析

图5为利用针阀浇口填充分析得到的玻纤分子取向。点选“检查”选项，选择图5中一点可以看到此点的平均取向为0.508 8。从图5可以看出，玻纤分子取向比较一致（蓝色部分较多）。

图6为利用填充+保压得到的玻纤分子取向。选择图6中的同一点可以看到此点的平均取向为0.684 4。比图5高34.5%。明显填充+保压图6的玻纤分子取向不如填充图5高。图5填充的蓝色部分也明显高于图6部分。原因在于保压阶段，两个浇口同时进行收缩补偿，造成两个浇口中间位置玻纤分子取向紊乱^[15-19]，这也是造成翘曲的主要原因。时序控制进胶技术可以解决既要保压，又要减小玻纤分子取向紊乱的矛盾。

5 初步填充+保压+翘曲分析

图7为进胶口压力随时间变化曲线。从图7可以看出，初步填充压力最大为40 MPa。压力变化区间应该在0~2 s之间。图8为时序控制前的翘曲分析。从图8可以看出，检查制品z向翘曲值，但边缘位置仍然翘曲严重。z向翘曲值为0.428 5 mm，大于要求的0.3 mm。如何改善z值成为本研究的重点。

6 时序控制填充+保压+翘曲分析

初步分析，熔体在流动阶段玻纤分子的取向保持一致，但进入保压阶段，两个浇口同时作用破坏了开始的一致取向。要解决这个问题，需要在保压阶段控制第二个浇口的打开时间按顺序保压。根据前面所述时序进胶过程，熔体前锋经过第二个浇口的时间尤为重要。在填充、保压阶段设置一些时间点模拟实验得到相应的数据，筛选出最有价值的时间点得到满意的结果^[20-24]。根据2.4节的数据判断，时间应该在2 s以内。限于篇幅只列出接近最佳时序时间的13组数据。图9为创建阀浇口控制器。

图10为时序控制平均纤维取向。

从图10可以看出，其中第一个浇口开始就处于开启状态，当第二个浇口开启时第一个浇口关闭。相差时间0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1 s后第二个浇口打开直到型腔注满，当第二个浇口开始浇注时第一个浇口关闭，第二个浇口注满时保压结束。目前的注塑顺序控制设备中，已经达到0.01 s的闭合精度。闭合0.1 s的纤维取向最好，为0.968 9。

对于6种控制方式分别进行进胶口压力曲线分析，图11为分析结果。从图11可以看出，在第一浇口闭合0.1 s后进胶口压力峰值曲线最小，为20 MPa。这是在完成补缩的前提下控制玻纤分子取向紊乱到最低程度的压力值。

最后对于6种控制方式分别进行z向翘曲分析，因为制品的卡口开合方向为Z向。图12为时序的z向翘曲值。从图12可以看出，对玻纤分子取向程度，压力曲线和翘曲量大小进行比较判定。最终在第一浇口闭合0.1 s后第二浇口再打开的结果最好，翘曲值为0.241 5 mm，符合设计要求^[25-27]。

表1为12个时间段的z向变形、平均纤维取向数值。

列举了12个时间段的z向变形和平均纤维取向数据，根据这些数据绘制出顺序控制翘曲-时间曲线，图13为具体结果。从表1和图13可以看出，在0.1 s时，时序控制效果最好。为了精确显示分析结果，又进一步细化时间(0.04~0.14 s)。结果显示，0.04~0.14 s区间的数据变化不大。

7 结论

通过此研究发现，利用针阀浇口在填充时的保压阶段使用时序控制进胶可以有效改善制品的翘曲情况。填充阶段，当熔体前沿达到第二个浇口位置时，关闭第一浇口一个时间段再打开第二浇口浇注可以使玻纤分子排列的一致性得到改善。同时进行的填充+保压就可以避免填充阶段保压对取向良好玻纤的破坏。此项技术适合玻纤复合材料的注射工艺，也可以精准控制时序时间。使用时序控制进胶不仅可以控制玻纤材料的翘曲缺陷，也能够改善产品的平面度，是一个有效且先进的浇注技术。

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基金资助

江西省自然科学基金重点项目(20232ACB204004)