1注塑模填充过程
1.1快速模拟理论
注塑模填充过程的快速模拟理论是一种基于计算机技术，可提升计算速度、创新优化设计过程、改善流动分析算法、提高数据分析效率的研究理论[1]。通过填充过程的快速模拟，可以了解注塑过程中的注射压力、注射速度、注射温度、注射时间等参数，以及熔接痕、气穴等状况。建立注塑模快速模拟模型，有助于明确前沿熔体流动状态与型腔厚度的关系，进而提升注塑成型的速度及质量。综上可知，注塑模填充过程快速模拟理论研究是注塑过程优化设计的理论基础，对提升实际生产水平具有重要意义。
1.2成型工艺优化
注塑成型工艺优化是一种通过优化注塑成型工艺、提升产品质量的技术，即通过建立优化模型来构建高效的快速算法，并结合实际操作经验对成型工艺进行优化。该技术中应用了CAE、模拟退火算法、人工神经网络、遗传算法等，具有高效、高水平、低成本的特点[2]。
2注塑制品的壁厚优化
注塑成型过程中，塑件的壁厚对其可成型性、力学性能及成本等具有显著影响。例如，当壁厚过薄时，塑件脆性较大、成型性差，且外观及性能均不理想；若壁厚过厚，则会使塑件的生产周期延长，成本显著增加，同时还会产生不同程度的表面凹陷和内部收缩；而当壁厚变化不均匀时，塑件会出现多种缺陷，如翘曲、变形、表面波痕等。因此，注塑制品壁厚优化设计具有十分重要的意义。本研究的注塑制品壁厚优化设计结合了快速模拟技术和数值模拟技术，以期得到最佳优化结果。
2.1基于快速模拟技术的壁厚优化
基于快速模拟技术的注塑制品壁厚优化是采用壁厚优化最速下降法，对型腔内熔体流动的平衡性进行优化，通过熔体流动平衡评判，得出最优充填时间[3]。首先，采用熔体到达型腔边界的最短等效长度替代到达时间，建立制品壁厚优化模型；然后，采用壁厚优化最速下降法得出初步优化结果；最后，结合实际工作经验对初步优化结果进行区域划分，然后进行下一步优化变量及数目的设计。快速模拟技术针对复杂制品具有更加快速的优化效果，但不适用于壁厚存在明显变化的制品。
2.2基于数值模拟技术的壁厚优化
基于数值模拟技术的壁厚优化是对基于快速模拟技术的壁厚优化结果的进一步优化。由于快速模拟技术对壁厚变化较大制品的优化效果不足，因此需采用数值模拟技术对其初步优化结果进行评判。首先，考虑到壁厚优化过程中应用了快速模拟技术，故可确定其填充过程是高度平衡的；接下来以制品的区域厚度为研究变量进行数值分析，以熔体到达腔体边界的实际时间和模拟时间的算术平均值为研究目标建立壁厚优化模型；随后采用勃克斯修正复形法进行最后的优化设计过程。数值模拟技术有利于分析最终壁厚分布情况，而快速模拟技术则有利于缩短数值分析时间，因此结合了基于快速模拟技术和数值模拟技术的优化算法是实现注塑制品壁厚优化的最佳方法。
3注塑模浇口位置优化
注塑模的浇注过程是基于注塑模流道和浇口进行的。流道设计具有多种类型，以适应不同的情况[4]。而浇口位置是控制熔体速度、保持熔体流动状态、防止熔体回流、提升制品质量的重要部位，其严重影响着制品的品质，一旦浇口位置不合理，制品即会出现漩纹效应、熔接痕、气穴、气孔、迟滞效应、缩痕、缩孔、飞边、翘曲、力学性能差等问题。因此，在注塑模设计过程中，需要慎重选择注塑模的浇口位置。
3.1浇口位置对熔体的影响
浇口位置对塑件外观及性能的影响，主要是通过干扰熔体流动产生的。不合理的浇口位置会使熔体出现迟滞效应、流动平衡差等不良现象，进而产生一系列塑件质量问题。(1)熔体迟滞效应熔体在注塑模中出现迟滞效应是由于注塑模的内部形状不同，导致各处熔体的流动阻力亦不相同，进而在型腔厚薄交界处出现流动迟滞现象。因此浇口应该置于距离可能发生迟滞效应的最远处，以缓解迟滞效应。(2)塑件缩痕、缩孔浇口位置应设置在制品截面较厚之处，以利于补料，从而避免缩痕、缩孔现象的出现。(3)塑件可成型性塑件可成型性主要影响因素是注塑模浇口位置和数量。其优化设计是以熔体高质量充满型腔为目标，以熔体在腔体内部流动长度和熔体积累厚度保持适宜比例为原则，以熔体性质、环境温度、注射压力为参考依据的设计过程。(4)熔体流动平衡浇口位置及数量的设计需要考虑熔体流动到腔体末端所需要的时间，通过分析寻找最优流动状态，以达到熔体流动平衡的效果，进而得到高质量的塑件。(5)塑件平面度熔体进入腔体后需要控制其流动方向，使其呈单一方向平直推进会得到较好的塑件平面度。
3.2浇口位置对塑件外观的影响
浇口位置不当将会影响熔体的流动状态，使熔体流动出现异常，最终影响到塑件外观，常见外观缺陷包括气穴、漩纹效应、熔接痕等。如果浇口位置设计不合理，塑件中往往会产生气穴，而且在注塑过程中的高压、高温条件下，还会出现“柴油机效应”及“跑道效应”，严重影响了塑件的外观和性能。因此，需要选择合适的浇口位置以控制熔体注入过程中的气体流动。漩纹效应是指当熔体通过不恰当的浇口，形成了较高的剪切应力，进而造成熔体断裂，最终在塑件表面形成不同程度的漩纹。漩纹效应不仅严重降低了塑件的表观质量，对其使用性能也存在不良影响。为避免漩纹效应，需将浇口设计成冲击型浇口，以提高浇口控制熔体流速的能力。另外，为避免在影响塑件外观和性能的位置出现熔接痕，亦需选择合理的浇口位置。
3.3浇口位置的选择
浇口位置的设置需考虑注塑模自身的力学特征及塑件的力学性能要求，其将直接影响塑件的品质。首先，浇口位置应该避免设置在塑件承受最强荷载的区域，因为塑件在浇口处的力学性能最差。合理的浇口位置还可使型芯周围受力平衡，不会出现损毁型芯和塑件的现象。而浇口位置设置不当会使塑件出现飞边和翘曲现象，严重影响了塑件质量。飞边与翘曲是由于注塑模内部力学特征不对称所致，因此为避免制品出现飞边与翘曲，应以保持注塑模腔体内部的力学特征对称为原则，慎重选择浇口位置。3.4浇口位置的优化浇口位置优化即是对影响塑件性能和注塑模质量的因素，如流动状态、温度差异、过压、摩擦热等进行考察，然后采用随机搜索法对根据经验选定的浇口位置进行最优分析，以得到最佳浇口位置。
4基于Moldfow的浇注系统优化
基于Moldfow技术的浇注系统优化设计主要包括熔体流道、浇口及冷料槽等部位的优化设计[5]。该设计需以流变学知识为基础，结合实际工作经验，并根据塑件结构特点对其进行模流分析，以确定浇注系统优化方案。
4.1前处理
基于Moldfow技术的注塑模浇注系统优化设计首先需要进行模型导入、网格划分、熔体材料选择及浇注工艺选择等前处理工作。其步骤如下：(1)模型简化根据塑件自身结构特点进行分析，对工艺孔、加强筋等小部位进行集中改善处理。另外为控制误差的出现概率，需对塑件模型进行简化处理。主流的模型简化处理软件为MoldfowCADDoctor，通过该软件可进行模型导入、诊断修复、模型简化、模型输出等一系列模型简化修补处理。(2)模型导入MoldfowCADDoctor软件中所导出的.udm格式文件可以直接导入到CAE中。(3)网格划分与修复处理首先使用MPI系统默认的参数进行网格划分，然后通过变动网格边长进行划分调整，接下来使用网格处理工具进行修复处理，得到处理后的网格划分结果。(4)选择工艺类型和材料种类根据塑件要求，在Moldfow软件上指定相应的材料并设置参数。
4.2浇口位置及数目确定
注塑模浇注系统优化设计中最重要的环节是浇口位置及数量的确定。基于Moldfow技术的浇口位置及数量的确定包括最佳浇口位置预测、浇口设计方案制定、流动模拟分析、翘曲变形分析、综合模拟结果比较等一系列步骤：(1)浇口位置预测通过Moldfow最佳浇口位置分析模块，模拟合理浇口位置区域，以此为最佳浇口位置研究对象进行综合分析。(2)制定浇口优化设计方案根据塑件使用环境及质量要求，并结合实际经验，制定3~5个浇口设计方案，然后通过综合分析，选择模拟结果最好、最有代表性的设计方案。(3)流动模拟和翘曲变形分析流动模拟即利用Moldfow对熔体在模具中的流动情况进行模拟分析，通过对填充时间、注射压力、锁模力等的预测，以确定最优设计方案，进而避免气穴、熔接痕等问题出现。此外，还需分析翘曲变形对塑件的影响，以保障塑件的质量。最后，对各设计方案进行综合比较，以确定最佳设计方案。
4.3浇注系统整体优化
在确定浇口位置及数量后，还需对浇注系统的整体结构进行优化，即根据熔体在不同位置的剪切速率，设置主流道、分流道、点浇口等的尺寸，并实现浇注系统流动平衡，最终达到良好的熔体充填效果[6]。浇注系统整体优化设计是保障塑料制品质量的前提，具有重要意义。其中，浇注系统的平衡设计至关重要。根据塑件的具体结构，分流道基本采用平衡式设计。
5结语
注塑成型涉及塑件设计、注塑模设计、注塑模工艺参数设计等一系列复杂过程，且注塑模的质量对塑件质量具有显著影响，因此对注塑模进行优化设计具有重要意义。本文基于注塑成型的填充过程，对注塑模尺寸、形状及浇注系统的优化设计进行了研究，以期为提升塑料模具制造水平、提高塑料制品质量、完善塑料生产技术提供参考。
作者：董海涛 单位：山西机电职业技术学院
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