塑料托盘注塑不同方案分析
在注射成型过程中，模具温度直接影响到塑件的质量如收缩率、翘曲变形、 耐应力开裂性和表面质量等，并且对生产效率起到决定性的作用，在注射过程中, 冷却时间占注射成型周期的约80%,然而，由于各种塑料的性能和成型工艺要求 不同，模具温度的要求也不尽相同。
低的模具温度可降低塑件的成型收缩率；模具温度均匀、冷却时间短、注射 速度快可以减小塑件的翘曲变形；对于结晶性聚合物，提高模具温度可使塑件尺 寸稳定，避免后结晶现象，但是将导致成型周期延长和塑件发脆的缺陷；随着结 晶型聚合物的结晶度的提高，塑料的耐应力开裂性降低，因此降低模具温度是有 利的。但对于高粘度的无定型聚合物，由于其耐力开裂性与塑件的内应力直接相 关，因此提高模具温度和充模速度，减少补料时间有利的；提高模具温度可以改 善塑件的表面质量。
模具温度的高低取决于塑料结晶性、塑件尺寸与结构、性能要求以及其它工 艺条件如焰料温度、注射速度、注射压力和模塑周期等。
对于无定型聚合物，其焰体在注入模腔后随着温度的降低而固化，但并不发 生相的转变，模温主要影响焰体的粘度，即充模速率。因此，对于熔融粘度较低 和中等的无定型塑料如聚苯乙烯、醋酸纤维素等，采用较低的模具温度可以缩短 冷却时间。对于熔融粘度高的塑料如聚碳酸酯、聚苯醒、聚碉等，则必须采取较 高的模具温度以避免产生冷流痕、注不满等缺陷，同时由于其软化温度较高，提 高模具温度可以调整塑件的冷却速率，使之均匀一致，以防止塑件因温度差过大 而产生凹痕、内应力和裂纹等问题。
结晶性聚合物在注入模腔后，当温度降低到熔点以下即开始结晶，结晶的速 率受冷却速率并最终由模具温度控制。高的模具温度将导致大的结晶速率，有利 于分子的松驰过程，因此尺寸稳定但是塑件发脆，适用于结晶速率很小的塑料如 聚对苯二甲酸乙二酯。低的模具温度将导致塑件中的分子结晶度的降低，
本文中采用的材料为聚丙烯（PP）,适合的模具温度为40°C,由于本试验主 要着重于试模阶段，在试模阶段模具各部分温度可以近似于恒温，因此本文采用 的模具温度为均匀的40C,加之本研究采用热流道系统，采用针阀式浇口控制，
不会因为有无冷却系统影响制品收缩，冷却系统的影响可以忽略。在保证分析结 果较为准确的情况下，为了加快CAE模拟分析时间及提高效率本文分析中不加入 冷却系统。
4.3.1设计方案一
本文主要从改变塑料托盘的浇注系统设计入手。由于模型经过对称分析处理, 模型呈四边形，结构如果采用单浇口，无论从哪一边进料，整个流程都非常长， 并且在最后焰料的交汇处，由于熔料温度过低，分子长链之间的交错缠结不充分, 会形成非常脆弱的熔接线，熔接线部位在承受外力时容易发生开裂甚至断裂，严 重影响托盘的性能。因此初步选定4点进料，进料口在每条边的中间部位。
在MPI视窗的坐标系中，浇口位置分别为(-237.67, -417.73, 0) , (-407.19, -265.24, 0)、(-239.15, -105.57, 0)、(-77.79, -287.34, 0)。从模具结构考 虑，由于模型中间存在着四个比较大的空腔，因此适合做分流道，所以研究中浇 注系统采用热流道与冷流道结合的方式，热流道系统具有节能、高效，可进行连 续注塑的特点。将冷热混合流道系统建模后进行有限元网格划分，流道部分采用 圆柱形网格单元。如图4-4所示，图中热流道用红颜色表示，分流道用绿色表示。
 
图4-4方案一浇口设计
 
分析结果及解析:

1）充填时间
如图4-5所示，从蓝色到红色表示充填的先后次序。左上角部分最后填充完成 的时间是4.718秒，时间长于其他三角。这表明本方案充填不均匀，这将引起制品 部分过保压，导致收缩不均匀。制品最后填充的部分相对于先充填的部分冷却更 加缓慢，因此其冷却收缩过程滞后于其它区域，这就容易导致收缩不均匀，制品 内部产生应力，这种应力在外力或环境因素（潮湿、高温，辐射）等作用下容易 释放出来，制品产生变形，开裂甚至断裂。

 
2）压力分布
型腔压力分布如图4-6所示，大部分面积为绿色区域，在左上角位置为蓝色区 域，从压力分布的情况来看，该方案压力分布不均匀，压力相差近34MPa,这必 然导致整个型腔中的应力不平衡，最终在制品中产生不等的残余应力，会使制品 产生较大的翘曲变形。

 
图4-6方案一压力分布
 
3）注塑压力
注塑压力如图4-7,压力的大小直接决定了注塑机的最小压力，而且压力越小 流动平衡性越好。该方案注塑口压力最大值为70MPa°这个注塑压力比较合理。
 

 
4）锁模力
当高压的塑料熔体充满型腔时，会产生一个沿注射机轴向的很大推力，该推 力应小于注射机额定的锁模力，否则在注射成型时会因锁模力不紧而发生溢边跑 料现象。如图4-8所示，本方案最大锁模力达2500kN,此锁模力乘以4倍为 lOOOOkN,依然远小于注塑机的最大锁模力21000kN_o因此是可以接受的。


 
5)翘曲变形
方案一注塑翘曲变形量最大值为4.480mm,对于PP材料而言，变形量不影响 制品的使用性能。
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图4-9方案一翘曲变形分析
 
4.3.2设计方案二
方案二在方案一基础上更改4个浇口位置，将浇口位置更加靠近浇口托盘的
左上角位置，在MPI空间中,具体四个浇口的位置坐标值更改为(-322.32, -417.73,
0)、(-407.19, -369.93, 0)、(-324.54, -105.57, 0)、(-77.79, -298.26, 0)。

如图4-10所示。

 

1）充填时间
如图4-11所示，本方案充填时间5.116s,略长于方案一的填充时间。托盘四 个角落充满所需时间基本相近。这是一种较为理想的流动平衡状态，这种流动平 衡状态不易出现过保压现象，可以有效控制冷却后制品内部应力。

 
2）压力分布
方案二的型腔压力分布如图4-12所示，大部分面积为绿色区域，在右上角位
置为蓝色区域，压力相差近30MPa,方案二相较于方案一有明显下降。但30MPa

的压力差还是比较大，型腔中的应力不平衡现象没有根本性改善，注塑完成后制 品可能因为内部较大应力的存在，在外力及外部环境影响下产生变形、开裂或断 裂。
 
图4-12方案二压力分布
 
3）注塑压力
注塑压力如图4-13,该方案注塑口压力最大值为60MPa,优于方案一的
70MPa_o注塑压力的减小可以节约能源，减少型腔内部的应力，同时可以减少锁模 力及制品的翘曲变形量。
 
图4-13方案二浇注口压力分布
 
4）锁模力
如图4-14所示，方案二的最大锁模力达2000kN,在整个托盘注塑条件下，锁
模力在8000kN左右,优于方案一的lOOOOkN。减少锁模力一方面可以注塑机能耗,
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另一方面可以降低型腔内部应力。
图4-14方案一锁模力分布
5）翘曲变形
如图所示，方案二的翘曲变形最大量为4.320mm,略小于方案一•的变形量。
0.462
Scale f500 mm|
图4.15方案二翘曲变形分析
4.320H
Scste Fscior^ 1.S00
4. 3.3设计方案三
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 
根据方案二的分析结果，将浇注系统中的浇口位置进行微调，本方案调整浇
0)、(-407.19, -369.93, 0)、(-305.41, -105.57,
0)、(-77.79 , -311.53, 0)。
分析结果及解析:
1) 充填时间
如图4-16所示，本方案充填时间4.909s,优于方案二5.116s。同时，四个角 落充满所需时间基本相近。流动平衡，不易出现过保压现象。

2）压力分布
方案三型腔压力分布如图4-17所示，大部分面积为浅绿色及淡蓝色区域，在 左下角位置为蓝色区域，压力相差仅20MPa左右，较上两个方案都有明显下降， 型腔压力状态进一步改善。
Pressure
 
图4-17方案三压力分布
 
3）注塑压力
方案三注塑压力如图4-18,该方案注塑压力最大值为60MPa。与方案二相当, 优于方案一的最大注塑压力。

4）锁模力
如图4-19所示，本方案最大锁模力达1750kN,优于其他两个方案。
 
图4-19方案三锁模力分布
 
5）翘曲变形
方案三翘曲变形量如下图所示，最大翘曲变形处位于托盘下部，最大值为
4.258mm,由于压力分布均匀，相对于前两个方案，翘曲变形量有所变小。