汽车零件注塑模具流道系统设计及参数优化

近年来，随着注塑成型制品在汽车工业的广泛应用，汽车塑料化已成为衡量汽车工业发展水平的重要标志，与此同时，塑料质汽车零件已由汽车内饰件扩展到车身、外装件和一些功能结构件，在这种形势下，人们对注塑模具的研究越发深入，模具结构和注塑工艺的优化逐渐成为主要研究方向。注塑模具流道系统连接流道和型腔的熔体通道，对模具结构以及工艺参数都有重要影响，直接关系到制件质量，通常使用成型加工方法，因此，在模具设计初期就必须对流道尺寸和形状进行综合考虑。受多种需求影响，在给定的流道布局上，优化流道尺寸是多目标的，比如熔接线位置、翘曲量高低、用料量多少等，而这些目标往往会产生冲突，所以需要在这些目标中找到平衡以获得最为满意的流道系统设计方案，切实提高加工品质和效率。

一、汽车零件注塑模具流道系统组成

汽车零件注塑模具流道系统设计包括流道设计和浇口设计两个部分，现对流道系统组成及在设计时应遵循的原则进行简要介绍。

1.主流道

主流道为材料进出通道，主要包括直浇口式、横浇口式和斜浇口式三种结构形式。在设计时，应注意以下几个方面：①主流道形状应呈圆锥形，若设计材料流动性较好，锥角设计为2-4度，反之则可取6-10度，主流道长度控制在60mm以下。②主流道截面积大小影响塑料熔体流速和充模时间，结合具体情况，一般将主流道近端口截面直径控制在4-8mm，若熔体流动性好且制件较小，可适当减小直径。③锥孔内壁粗糙度控制在0.4-0.63μm，在圆锥孔大端处由直径为1-3mm的圆角过渡，尽量降低熔料流动阻力。

2.分流道

分流道是材料进入通道，对充模保压过程中的压力影响很大。由于分流道要将具有高温高压特性的塑料熔体流向主流道然后转换到模腔，因而在设计过程中，对分流道设计的基本要求是尽量使熔体通过分流道时的温度有所下降，压力损失尽可能降低，并保证熔体能均匀稳定地分配到模腔。这就需要在综合考虑制品的体积、厚度、形状的基础上合理设计分流道形状和尺寸。实际设计中，需要注意以下几方面：①在满足塑性设计和注塑成型工艺条件下，使分流道截面积尽量小。②合理设计分流道排放位置和排列方法，间距要合理，建议采取轴对称或中心对称方法紧凑排列，以控制分流道总面积。③长度尽可能短，多型腔模具中各型腔分流道长度尽可能相等。④粗糙度一般取1.6μm。⑤进行总体设计时，应留有足够空间安置冷却系统，并保证冷却系统方式和布局合理。

3.浇口

浇口为熔体通道，连接流道和型腔，对熔体在模具型腔内的流动有很大影响，进而影响注塑件成型质量。一般来说，熔料的流动方向和平衡性由浇口位置决定，若浇口位置不合理，将不利于熔体的平衡充填，导致制品存在质量缺陷。对于浇口的设计要求，应开设在塑件截面最厚处；减少熔接痕，增加熔接长度；选择的浇口位置应使塑料流程最短，料流变向最少，并应有利于排气和补料。

二、汽车零件注塑模具流道系统设计及优化

1.浇口位置及数量的确定

本文以汽车仪表板为例，该汽车零件对外表面质量要求较高，浇口位置只能设置在制件上下两侧边缘，这样才能保证使用表面光洁度。若无法充满型腔或是不能保证熔料平衡流动，制件将会出现质量缺陷。以确定合理的浇口位置和数量为设计思路，提出了三套浇口设计方案，通过对各方案浇口的平衡充填水平的分析，选择出最优方案，确定最佳浇口数量和位置。笔者主要设计了三种浇筑方案，实验结果见表1。最后决定选用方案b。

表1 不同浇筑方案实验结果分析

2.主流道、分流道、点浇口的管径计算

由聚合物流变学理论可知非牛顿流体真实剪切速率公式为：

式中，γ为塑料熔体流动剪切速率（s-1）；Q为塑料熔体体积流率（cm3/s）；n为熔体非牛顿指数；R为流道半径。

大量研究表明，在主流道中，熔体的剪切速率为γ=5×103s-1，根据汽车仪表盘和流道系统总体积、充填时间、主流道体积流率、温度、熔体非牛顿指数，带入式可求出主流道直径。

在分流道中，熔体的剪切速率为γ=5×102s-1，在熔体分流道体积速率、分流道直径已知情况下，根据上式可计算出分流道直径。

在点浇口处，熔体的剪切速率为γ=105s-1，带入上式可得到点浇口直径。

得出理论计算值后，利用相关计算机软件进行数值模拟，当发现初步设计存在缺陷，比如存在熔接痕，可将浇口改为潜伏浇口。

3.流道系统设计合理性评估

评估汽车零件注塑模具流道系统设计合理性，应从以下几方面综合考虑：

第一，考虑充填时间。对改进前后的两类塑件进行充填时间实验，在实验过程中，观察型腔是否充满、熔体流动是否平衡，评价充填时间合理性。

第二，考虑流动前沿处温度。这是分析熔体流动情况的重要指标。流动前沿温度变化应在10摄氏度以内。若温度分布均匀性较差，且不能满足流动前沿温度变化要求，那么成型后的制件表面质量可能就得不到保证，需进行改进。

第三，考虑体积收缩率。将体积收缩率控制在一定范围内对于成型后制件的使用不会带来太大影响，这就要求确定合理的保压压力和保压时间，深入分析保压过程，并对保压过程中型腔内的压力、温度、剪切应力的分布情况进行准确预测。通过模拟分析，当体积最大收缩率在要求范围且在塑件左边凸起，不会使体积收缩出现不均匀现象，其他地方体积收缩率也比较均匀，说明设计合理。

第四，考虑气穴。气穴是在熔体注塑过程中型腔内空气、塑料自身蒸发出的水蒸气等气体未及时排出进而导致保压不充分、填充不完全及欠压的情况下产生的，其存在直接影响制件成型质量。气穴主要存在于塑件孔和边的边缘，当塑件有众多孔或栅格，气穴产生就不可避免，在这样的情况下，充填熔体时可设置排气槽以使气体充分排出，进而消除气穴，保证产品质量。

第五，考虑熔接痕。在汽车零件注塑成型中，熔接痕是常见的质量缺陷之一，是由两股塑料熔体汇集在一起或是一股流动前沿分开之后又汇合到一起产生的熔接线，这种现象往往是不可避免的。在对于表面质量要求较高的汽车仪表板中，一般不允许存在熔接痕，但是由于多孔的特征，若无法避免，应尽量控制熔接痕出现。经过改进后，若熔接痕数量减少，长度缩短，分布位置得以改善，说明设计合理，可有效降低制件断裂风险。

三、结语

总之，汽车零件注塑模具流道对模具结构和相关工艺参数都有重要影响，直接影响制件的成型质量，因而对于机械模具设计来说，利用数值模拟技术并结合优化算法对注塑模具流道系统进行优化设计至关重要。本文通过一系列模拟实验制定了一套优化流道系统的设计方案，并对该方案进行了详细分析，结果表明，通过对注塑模具流道系统的优化设计，可限制体积和收缩率、熔接线等因素给汽车零件质量带来的影响。以塑代钢、以塑代木是当今世界发展趋势，汽车塑料化是衡量汽车工业发展水平的重要标志，未来，我们应有针对性地对注塑模具设计进行改进和完善，致力于提高汽车零件的制造水平和成型工艺水平，这对汽车工业制造加工将具有重要现实意义。

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本文来源：http://www.zzqklm.com/w/kj/826.html  《科技风》