冰箱门储物盒注塑成型模流分析及工艺优化

Moldflow Analysis and Process Optimization for Injection Molding of Refrigerator Door Storage Box

摘要

利用Moldflow对冰箱门储物盒的注塑成型过程进行仿真，对比两种不同浇口位置方案，通过增加壁厚优化了产品结构，确定了最佳的浇口位置。对阀针式热流道浇注系统和冷却系统进行模拟仿真，并进行成型窗口分析、填充分析、翘曲变形分析、熔接线和气穴分析，最终确定冰箱门储物盒注塑模具的最佳工艺组合方案为：模具温度40 ℃，熔体温度为220 ℃，注射时间为1.5 s。翘曲变形分析结果表明角效应是引起塑件开口处变形的主要因素，其变形量约为1.5 mm，优化冷却系统后翘曲变形量一侧为0.6 mm，另一侧为1.2 mm，相比优化前翘曲量分别降低60%和20%。该产品模流分析过程和工艺优化方案较为全面合理，可为其他表面光洁度要求较高的透明产品CAE仿真分析和工艺优化提供有益参考。

关键词

储物盒 / 注塑成型 / 模流分析 / 工艺优化

Key words

Storage box / Injection molding / Moldflow analysis / Process optimization

冰箱门储物盒作为现代冰箱设计的重要组成部分，其质量关系到冰箱的整体性能和使用体验。冰箱门储物盒作为透明塑料成型的产品，需要保证外观面光洁美观，不能存在熔接线和气穴等明显缺陷。在设计注塑模具时使用CAE技术进行结构和注塑参数的仿真模拟，提前预判出产品成型后可能存在的缺陷，从而帮助模具工程师进行结构优化，缩短生产周期，降低废品率^[1-4]。目前，已有许多利用CAE技术模拟模具成型过程并优化注塑工艺的研究。齐栋泉^[5]通过对玻纤增强热管理系统基板模具结构和成型过程的模拟，优化工艺参数后，使得定位孔的变形极差下降了约16%，满足了设计要求。潘江华等^[6]借助Moldflow软件分析了成型过程中的热点区域，结合分析结果有针对性地进行冷却强化，最终缩短了产品成型周期，并改善了塑件成型中产生的鼓包缺陷。郭旭等^[7]基于Moldflow研究了分离罐注塑模具浇口位置，通过对比流动前沿温度以及熔接线分析结果，最终确定了最佳浇口位置，研究表明浇口位置越靠近塑件中轴线，成型后产品缺陷越少。叶星等^[8]研究了连接过渡管注塑成型在不同序列下Moldflow的分析结果，并对比分析了5个不同位置的浇口匹配性和流动阻力，验证了模具结构设计的合理性。透明塑件由于其材料特点，对其表面和内部质量要求更高，而对于利用Moldflow软件分析透明塑件的成型过程及工艺优化的研究较少。

本实验以某家用冰箱门储物盒为研究对象，对模具结构和成型工艺参数进行模流分析及工艺优化，通过浇口位置分析、成型窗口分析、填充分析和翘曲分析，结合气穴以及熔接线等产品缺陷分析结果，优化产品和模具结构以及工艺参数，最终改善了产品成型缺陷和翘曲变形量，为表面光洁度要求较高的透明塑件注塑分析和生产提供参考。

1 塑件的材料和工艺分析

该产品为家用冰箱门储物盒，最大外形尺寸为334 mm×95 mm×93 mm，产品平均壁厚为3.0 mm，最大壁厚处约为6.0 mm。材料为通用级聚苯乙烯，透明PS，属于无定型热塑性材料，外观要求如图1所示，A、B、C三个面为一级外观面，不得有浇口残留、气穴、熔接线等外观缺陷；D/E面为二级外观面，不允许存在气穴缺陷，允许存在较短的熔接线。

2 模型分析前处理

将储物盒三维实体模型导入Moldflow软件中，对模型进行网格划分和诊断分析，在网格划分时网格类型选择Dual Domain（双层面），并使用全局参数，图2为网格模型和网格诊断结果。从图2可以看出，网格数量为51 346，连通区域为1，纵横比最大为12.16，平均值为1.67，符合双层面纵横比最大值小于20，平均值小于3的分析要求。匹配百分比为94.7%，符合流动分析时匹配百分比大于85%，冷却翘曲分析时大于90%的要求。根据诊断结果，该模型的网格符合要求，不需要修复。

3 模流分析

3.1 浇口位置分析

3.1.1 确定浇口位置

浇口是塑料熔体从注射机喷嘴流入模具型腔的通道，浇口类型和位置对产品质量有重要影响，合适的浇口位置不仅可以降低变形，还可以避免熔接线的产生^[9-13]。图3为流动阻力分析结果。从图3可以看出，蓝色区域流动阻力最低，适合放置浇口。

在流动阻力分析结果中的蓝色区域调整浇口位置，图4为两种浇口位置方案。

图5为分析两种方案后，相应的熔接线结果。从图5可以看出，两种方案熔接线均靠近D面（二级外观面），仍然无法满足产品熔接线的要求，因此需要优化产品结构。

3.1.2 产品结构优化

结合产品的结构和壁厚分布，可以看出塑料熔体的流动模式，图6为塑料熔体的流动路径。从图6可以看出，路径1、路径2和路径3的流动长度不一样，导致熔接线出现在B/C面上，如果能加快路径1的流动速度，熔接线将往D面方向移动。由于路径1位于结构A面上，因此A面斜面部分增加1.0 mm的厚度。图7为优化后的产品结构。

塑件经过增加壁厚后重新进行熔接线分析，图8为熔接线分析结果。从图8可以看出，两种方案的结果都有所改善，特别是方案二，其熔接线刚好在两个面的交界处，因为光反射的原因，人眼不容易发现，但是决定浇口位置不能只看单一的结果，还要看流动的平衡性，这关系到保压的平衡性，会影响到产品的最终尺寸以及模具的寿命^[14-17] 。图9为填充时间分析结果。从图9可以看出，方案二有相对更平衡的流动模式，因此采用方案二的浇口位置。

3.2 成型窗口分析

成型窗口分析有助于确定模具温度、熔体温度和注塑时间的变化幅度^[18-20]。将成型窗口分析设置中的“模具温度范围”“熔体温度范围”和“注射时间范围”都设置为“自动”，注射机使用软件默认设置，其中注射机的压力限制默认为180 MPa。图10为区域成型窗口2D切片图。

从图10可以看出，选择靠近熔体中心和低于中心注射时间的条件，模具温度取为40 ℃，熔体温度取为220 ℃，注射时间通常取低于中心注射时间的条件，因此取为1.5 s。

为了验证工艺条件是否合理，需要查看成型窗口最大压力降最大值，图11为测试结果。从图11可以看出，最大压力降为30.5 MPa，低于注射机压力限制的一半，因此工艺条件选取合理。

3.3 填充分析

平衡充填是指每一个不同流动方向都在同一时间结束，即料流前锋在同一时间到达模型的每一个末端^[21-23]。在优化产品壁厚的模型上，根据方案二的浇口位置，创建阀针式热流道浇口并进行填充分析。图12为填充时间分析结果。从图12可以看出，产品有4个料流前锋，因受限于产品的几何结构，所以不能做到所有的料流前锋都能在同一时间达到末端，填充时间为1.511 s。

图13为速度/压力切换时的压力分析结果，该结果显示了从速度控制到压力控制切换点时的压力分布，在填充结束时，每个流动路径末端的压力应为零，并且要求压力不超过注塑机压力容量的75%。成型窗口中设置的注射机压力容量为180 MPa，从图13可以看出，压力分析结果显示约为40 MPa，比值约为22%，符合设备生产要求。

在填充阶段中，流动前沿温度升降的幅度不应超过2~5 ℃。图14为流动前沿温度。从图14可以看出，流动前沿温度为219.4~221.0 ℃，分析时设置的熔体温度为220.0 ℃，因此该产品的流动前沿温度只上升1 ℃，下降1 ℃，符合要求。

熔接线是在填充零件时两个或多个流动路径相遇和汇合而造成的瑕疵或可见缺陷，出现熔接线表明可能存在结构弱点或表面瑕疵^[24-25]。图15为熔接线分析结果。从图15可以看出，外观面上的熔接线大部分位于产品的几个转角位置，这可以降低熔接线的可见性。

气穴是塑料熔体在模具型腔内流动时，由于熔体流动方向的不同或流动路径的末端气体无法排出，导致气体被熔体封闭在产品内部，形成的空洞或气泡。气穴往往出现在熔体流动路径的交汇点或终点^[26-27]。图16为气穴分析结果。从图16可以看出，气穴的位置刚好在产品结构的边缘处，可通过模具结构中的模仁以及滑块配合间隙进行排气。

3.4 翘曲分析

翘曲分析可以预测产品变形的趋势，可用于诊断翘曲的成因，进而改善产品的变形^[28-29]。创建如图17所示的冷却回路后进行翘曲分析，由于该塑件开口处的变形量有一定要求，因此着重分析X方向的变形情况，并分析出变形的主要原因。图18为X方向的翘曲变形。从图18可以看出，导致变形的原因有——“冷却不均”“收缩不均”“取向效应”和“角效应”。从四种情况的变形趋势可以分析出，“角效应”为导致开口区域内凹的主要原因。

3.5 冷却系统优化

引起“角效应”的两个主要原因为热量积聚和收缩不均，热量积聚是塑件在特定区域（如拐角区域）的冷却速度较慢，导致温度分布不均，进而产生热应力，引起塑件变形、开裂或其他质量问题；收缩不均是指在塑料成型过程中，厚度方向上的收缩率明显高于其拐角或平坦区域的收缩率，导致塑件形状不稳定，从而引发变形^[30-31]。针对翘曲和冷却分析结果，通过更改公模水路以及入水口温度对冷却系统进行优化。图19为优化后的冷却回路。从图19可以看出，将一条冷却回路拆分成两条水路，并且更改母模侧的入水口温度为30 ℃，公模侧入水口温度为25 ℃。

图20为冷却水路优化后的翘曲分析。

从图20可以看出，翘曲变形得到了一定程度的改善，单边的变形优化之前约为1.5 mm，优化后为一侧为0.6 mm，另一侧为1.2 mm，相比优化前翘曲量分别降低60%和20%。

4 结论

根据冰箱门储物盒的结构特点和工艺要求，利用 Moldflow 软件确定浇口位置，设计了两种对比方案，结果表明：两种方案的熔接线均靠近塑件二级外观面，仍然无法满足产品外观质量要求。对塑料熔体的流动模式进行分析后，采用增加壁厚来优化产品结构，重新对比两种方案的熔接线，结果表明：方案二有相对更平衡的流动模式，因此方案二为最佳浇口位置方案。经过成型窗口分析确定工艺条件，并通过成型窗口最大压力降进行验证分析，结果表明：最优工艺条件为模具温度40 ℃、熔体温度220 ℃、注射时间1.5 s。

采用阀针式热流道浇口并进行填充分析，填充时间为1.511 s，压力分析结果显示约为40 MPa，未超过注塑机压力容量的75%，符合设备生产要求。流动前沿温度与熔体温度差值在1˚C内，符合软件分析要求。外观面上的熔接线大部分位于产品的几个转角位置，成型后不可见，符合产品外观面要求。翘曲变形分析结果表明：“角效应”导致开口区域内凹，通过优化冷却系统，单边变形一侧为0.6 mm，另一侧为1.2 mm，相比优化前翘曲量分别降低60%和20%。

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基金资助

天津市职业大学校企合作项目(20210109)