摘要本文阐述了采用CAE技术分析某壁厚不均匀塑件的成型过程，并根据分析报告详细寻找产生成型质量问题的原因，结果表明，浇口位置的选择对壁厚不均匀塑件的成型质量影响非常大。并通过CAE技术，找出了一个理想的浇口位置，解决了原始方案存在的各种成型质量问题。本文还结合案例和相关理论知识，提出了小型壁厚不均匀塑件的浇口位置确定的原则。
论文关键词：壁厚不均匀塑件,CAE技术,浇口位置,熔接痕,气穴
在注塑模设计过程中，浇口位置的选择关系到塑料熔体在型腔内的压力分布、冷却补缩，以及产品外观质量甚至产品的力学强度，是注塑模设计成功的基础。对于壁厚不均匀的塑件而言，很难通过直观分析而获知熔体在型腔内的充填、冷却状态。有了注射模CAE技术后，可以将计算机技术、塑料流变学和弹性力学有机地结合在一起，利用计算机的高速存储和运算能力，将塑料熔体的充填、冷却过程动态的显示出来，实现了短时间内对各种设计方案进行准确的比较和评测。有了CAE技术作支撑，结合相关的理论知识，可以有效的解决壁厚不均匀塑件浇口位置确定难的问题[1~4]。
以下是某镀铬外盖塑料产品（以下称亮铬盖）在生产中遇到的问题，以及采用CAE技术分析解决问题的过程。
2 问题描述及原因分析
2.1 塑件及初始方案问题描述
亮铬盖产品尺寸最宽处约40mm，总长约120mm，塑件主体壁厚为2mm，边缘壁厚为5mm左右围绕成一个环行的圈，端部薄壁处壁厚为1.5mm，fig.1所示。
A—壁厚2mm B—壁厚5mm C—壁厚1.5mm
Fig.1 three-dimensional figure of product
该产品为电镀件，成型所用材料为可电镀ABS塑料，熔体流动性一般，考虑到塑料熔体在型腔内的流长和保压问题，将浇口位置放在了塑件的中部，由于塑件是电镀外观件，所以采用了潜伏式浇口，如fig.2所示为划分好网格的塑件浇注系统原始方案：
图2 划分好网格的浇注系统方案
Fig.2 the runner system at the generated mesh
该浇注系统方案从理论上分析无明显的缺陷，于是按照该方案制造了模具，但在注塑成型过程中，塑件的大端从内孔一直延伸到外边缘，出现了一条较为明显的痕迹。而在塑件小端塑件壁厚的过渡区，也出现了流动痕迹，并且经过电镀处理后，这两条痕迹无法完全遮蔽。
2.2 成型质量问题原因分析
观察上述塑件结构，其主体部分在中间，其壁厚为2mm，而其边缘壁厚达到5mm，塑料熔体在进入模具型腔后，很容易形成“跑道效应”，也就是说熔体将先沿充填阻力小的边缘流动，而在中间壁厚较小的位置充填速度较小，这就导致模腔内的部分空气无法“逃逸”。被压缩在型腔中心的空气会沿塑料熔体前沿相交位置分布，形成无法通过模具温度或熔体温度调节而改善的熔接痕；而塑件的壁厚不均匀，使熔料在型腔中的流速产生变化，当从厚壁进入薄壁时，塑料熔体还会出现滞流，形成滞流痕。由于塑件为壁厚不均件，熔体在型腔中的充填速度不均匀，采用经验分析无法准确的确定熔体流动前沿，故借助CAE软件分析问题产生的原因。分析采用软件系统材料库中的ABS Generic Estimates作为分析替代材料，注塑条件选取默认，fig.3为模拟分析结果示意图。
a. fill time
b. weld lines and air traps
c. orientation
d. temperature at flow front
图3 初始方案的流动分析结果
fig.3 the flow analysis results of primary case
从fig.3a熔体充填的时间等位线可以看到，塑料熔体沿壁厚较厚的边缘快速充填，从两个方向在图中A位置形成对接形式的熔接线，导致熔料的熔接效果差。而从fig.3b熔接线及气穴位置图，可以清楚的看到，在前沿熔料熔接时，有大量的空气被挤压积聚在此处无法排出，fig.3c是熔体流动分子取向图，从该图进一步的印证了熔接线形成及空气被积聚的原因。Fig.3d反映了熔体前沿温度的情况，对于本案例大小的塑件，模具结构合理、工艺参数适当，熔体前沿的温度很容易控制在2～3℃范围内；而该塑件由于熔体流动前沿压缩空气的存在，致使熔体充填阻力增大，流动速度变缓，熔体前沿温度也出现了急剧下降，滞流区的温度普遍下降了20℃左右，这是一个流动充填极差的案例。因此，熔体前沿以对接的形式熔接、熔接线位置存在大量压缩空气以及熔接区域出现巨大的温度降低，这三个原因同时存在，出现连电镀都无法遮蔽的熔接痕就不难理解了。
另外，从fig.3a和fig.3d可以清楚的看到，在B处熔体出现滞流，并且也伴随着巨大的熔体前沿温度降低，从而导致塑件在该位置出现明显的滞流痕。
3 较为合理的解决方案
3.1 合理的方案描述
要解决熔接痕对接、排气以及熔体滞流等问题，对于单一浇口注塑模而言，必须通过改变浇口位置来实现。本文塑件的厚度不均匀，由于要考虑补缩问题而将浇口开设在了壁后处，出现了本文上面描述的的成型质量问题；但如果考虑将浇口开设在薄壁位置，又会担心熔体在壁厚较大的位置处补缩困难的问题。有了CAE技术的支撑，可以几乎零成本尝试各种浇口位置设置方案，从而减少不必要的经济损失。经过多个浇口位置的尝试，获得较为理想的浇口位置，fig.4所示为该方案的浇注系统布局情况，此方案将浇口位置开设在壁厚最薄的小端，采用端部侧浇口进料的方式。
图4 浇注系统改进方案
fig.4 the runner system of modified case
3.2 调整后的方案分析
方案改进后，浇注系统的流道变长了，充填压力降势必会有所增大，但若充填压力增大的值在合理范围内，而又能将原始方案中的问题从根本上加以解决，则这种方案的改进就是可取的。图5所示为方案改进后的模拟分析结果示意图。
a. fill time
b. weld lines and air traps
c. temperature at flow front
图5 改进方案模拟充填分析结果
fig.5 the flow analysis results of primary case
从fig.5a可以看到，熔体在型腔中的充填速度非常均匀，壁厚最薄处由于处于进浇位置，所以没有出现滞留现象；而熔体的最后充填区域刚好位于塑件顶部内孔的位置，型腔内被流动前沿“驱赶”积聚的压缩空气可以沿型芯与模板连接的缝隙被导出，所以不会形成熔接痕也不会存在气穴。
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