第3章：充填模式

• 充填模式概述
• 复杂模具中的流动
• 流动前沿面积和流动前沿速度
• 使用 Moldflow 确定充填模式

3.1 充填模式概述

3.1.1 什么是充填模式？

充填模式是聚合物流动前沿在供料系统和模具型腔内的瞬态推进过程。它对塑件质量起重要作用，也是充填分析最重要的结果之一。充填模式可用等时间间隔的等高线表示，也可用带状颜色的阴影图表示。

图 3.1：充填模式。

3.2 复杂模具中的流动

充填模式是研究许多问题的关键结果图。这些问题中有许多只会发生在形状较复杂的塑件设计中。

3.2.1 过度保压

过度保压是翘曲最常见的原因之一。塑料高度可压缩。在单型腔、多型腔或组合模具中，过度保压及由此产生的翘曲，主要由流动不平衡造成。流动前沿总会先充填阻力最小的路径。因此，单型腔模具中若某一区域比另一区域更易充填，塑料会先充满易流动区域，并在材料到达其他区域期间继续对该区域保压。

图 3.2：格栅件上的过度保压。

过度保压产生大量应力的过程可由多种效应共同解释。在模具充满的瞬间，冻结层内侧会出现传统的高度取向材料区，这是无法避免的。当塑件其余部分仍在充填时，过度保压区域中的塑料会继续以逐渐降低的速率流动，冻结层不断增厚。每形成一层新的冻结材料，该区域都会同时发生流动和冻结，使整个截面具有不同取向并建立局部应力场。保压较低的区域取向和收缩也较低，从而造成整体收缩差异、残余应力整体变化以及翘曲。

3.2.2 跑道效应

跑道效应发生是因为聚合物会选择阻力最小的路径，因此偏向较厚的边缘。流动前沿会沿厚边缘“疾驰”，经常造成包括气穴和熔接线在内的严重充填问题。理解基本原理后，可以完全控制哪条流动路径先充满。这里有两个因素起作用：流体流动和热传递，最终压力由二者共同决定。

图 3.3：盖件上的跑道效应。

3.2.3 改变注射速率

若注射很慢，热损失会很高，冻结层会抑制薄区流动。这称为热传递主导流动。厚区的流动仍相对较快，在许多塑件中可能造成气体滞留问题。提高充填速率会减小冻结层厚度，并相对于厚区优先提高薄区流动。提高熔体温度和模具温度同样可减小冻结层厚度。

图 3.4：改变注射速率。

3.2.4 欠流效应

另一种流动问题是欠流效应。来自各侧浇口的流动与中心流动汇合，形成熔接线后停止并反向流动。流动停止时，冻结层会增厚。流动在另一方向重新开始后，冻结层又会因摩擦热重熔。流动反向会使塑件的外观和结构质量都变差。速度矢量应始终垂直于充填时间等高线，若非如此，说明已发生欠流。

图 3.5：由浇口位置引起的欠流。

图 3.6：欠流，等高线与速度箭头应相互垂直。

3.2.5 犹豫效应

犹豫效应是流动前沿无意间减速。塑料从浇口进入后，在充填到约一半时到达薄区。此时由于存在沿厚区的替代流动路径，压力不足以充满薄区。刚进入薄区的塑料会显著减速、失热，直至模具其余部分充满。随着注射压力建立，薄区中的流动前沿可能重新加快。若犹豫严重，流动前沿会冻结，导致塑件无法完全充满。离浇口最远的薄区则较易充满，因为已无更厚区域可填，压力会建立并迫使材料通过薄区。

跑道效应与犹豫效应彼此相反。壁段厚于公称壁厚时会发生跑道效应，较薄区域则会发生犹豫效应。两种效应的严重程度取决于壁厚变化、材料和成型条件。解决任一问题的最佳方法都是减小壁厚变化。

图 3.7：犹豫效应。

3.2.6 熔接线

两股流动前沿迎头相遇时形成熔接线。多浇口塑件中熔接线不可避免。它们不仅影响外观，还会形成局部薄弱区，因为熔接线是应力集中处。虽然无法消除熔接线，流动分析可确定其位置，再通过重新设计模具，将它们放在兼顾结构与外观要求的最不敏感区域。各汇合流动前沿的压力和温度可反映熔接线的质量和位置。可调整或重新布置浇口，也可调整流道尺寸。

3.2.7 汇合线

汇合线与熔接线相似，但流动前沿是平行汇合，而非迎头相遇。许多熔接线会转变为汇合线。应尽可能通过减少浇口数来避免熔接线和汇合线，并把它们设置在最不敏感区域。

图 3.8：熔接线和汇合线。

3.2.8 缩痕

缩痕是在局部壁厚发生显著变化处出现的表面凹陷，例如由筋位热收缩造成的凹陷。某些缩痕无法通过高保压消除，而较低保压反而可以得到缩痕可接受的塑件。这看似违反常识，但其解释涉及重要概念。塑料从熔体变为固体时的体积变化约为 25%，而塑料在注塑压力下的可压缩性只有约 15%，因此仅在加压阶段保压不可能充满模具并防止缩痕。必须有一定补偿流动，迫使塑料穿过薄区来补满厚凸台。

塑料流动是黏性流动和热传递的组合。流速很慢时，热损失大，压降也高，极端情况下塑料可能冻结。高保压会使加压阶段流动高、补偿阶段流动低。补偿阶段流动低意味着薄区无法保持熔融足够长的时间，因而无法充分补满凸台。将流动理解为流体流动与热传递效应的结合，有助于理解许多看似矛盾的情况。

图 3.9：缩痕。

3.2.9 多向流动

多向流动由充填期间流动改变方向引起。它会使取向沿不同方向分布，导致流痕、应力、翘曲等问题。塑料开始流动时，流动前沿较简单。当流动前沿到达上下边缘时，流动方向会略有变化；到达侧边缘时，方向变化会很大。这些方向变化会同时造成过度保压和欠流。

图 3.10：多向流动。

3.2.10 不稳定流动

由于热传递和流体流动的组合产生不稳定性，塑料流动有时看似不可预测。在一个表面平衡的实际模具中，充填可能不稳定。一次注射时型腔 A 先充满，下一次则型腔 B 先充满，之后又是 A，两个型腔交替先充满。研究发现，模具温度仅改变 3 ℃ 就会使其中一个型腔稳定地先充满。某型腔若最后充满，该型腔冷却时间较短，模具会略热，于是下一射它先充满，另一型腔则最后充满并变热，从而形成持续的不稳定性。

图 3.11：热不稳定塑件。

3.2.11 简单流动模式

模具充填的本质是简单流动模式。流动方向改变或流速变化的复杂流动模式总会降低塑件质量。理想流动是在模具中形成直线流动前沿，从而得到均匀取向模式。Moldflow 设计程序的目标是布置浇口、确定流道系统尺寸，并在必要时修改零件尺寸，以获得简单流动模式。

3.3 流动前沿速度和流动前沿面积

3.3.1 什么是 FFV 和 FFA？

流动前沿速度，FFV，与流动前沿面积，FFA，是两个简单而重要的设计和工艺参数。流动前沿速度是聚合物流动前沿在供料系统和型腔中的推进速度。流动前沿面积是推进流动前沿的截面积。FFA 可由流动前沿长度乘以塑件厚度计算，也可取流道横截面积，或在流道和型腔中均有活跃流动时取二者之和。忽略材料可压缩性时，在任意时刻，所有移动前沿的局部 FFV 与 FFA 的乘积之和等于体积流量。

3.3.2 流动前沿速度影响充填模式

3.3.2.1 恒定 FFV

理想充填模式是整个过程中以恒定流动前沿速度，使流动前沿同时到达型腔所有末端。否则，过早充满的区域可能发生局部过度保压。

3.3.2.2 变化的 FFV

充填期间 FFV 的变化也会改变分子或纤维取向。熔融塑料接触冷模后会立刻在塑件表面区域冻结，造成取向差异。对于具有复杂型腔几何形状的模具，恒定柱塞速度，即恒定体积流量，并不能使推进流动前沿的速度恒定。只要型腔横截面积变化，部分型腔就会比其他区域充填得更快。即使体积流量恒定，流动前沿也会在嵌件周围加速，造成嵌件两侧较高应力和不同取向，进而可能导致差异收缩和塑件翘曲。

图 3.12：流动前沿速度和流动前沿面积。请注意，由于型腔几何形状和充填模式变化，恒定体积流量不一定保证推进流动前沿的速度恒定。FFV 变化时，材料微元，图中放大部分的方块，伸长程度不同，导致分子和纤维取向不同。

3.3.3 方程

体积流量、FFA 和平均 FFV 的关系为：

若体积流量按注塑机柱塞速度计算，由于材料可压缩性，实际流动前沿速度会略低于该方程的计算值。

3.4 使用 Moldflow 确定充填模式

3.4.1 计算机模拟可省去成型试验

传统上，模具充填模式通过在生产现场进行一系列短射试验来确定，需要使用试制模具或实际生产模具运行注塑机。现在可采用计算机模拟或流动分析。对塑件进行流动分析最好在产品设计周期早期完成。分析进行得越早，越早发现由塑件充填引起的问题，修正也越容易、成本越低。

3.4.2 使用流动分析

3.4.2.1 工作方式

流动分析会生成包括充填时间在内的多种结果图。充填时间显示充填模式，有时称为等时线，即等时间间隔的等高线。相邻等高线之间的间距反映流动前沿速度。线距小表示犹豫，线距大表示跑道效应。

3.4.2.2 解读结果

流动分析结果可显示电视机前框上的充填模式。充填时间等高线表明流动前沿速度不均匀。浇口附近和充填末端的 FFV 较高，表现为等高线间距较大。结果还可显示熔接线和气穴位置。虽然可以用充填时间结果定位熔接线、汇合线和气穴，但对于几何形状复杂的塑件，这项工作会非常困难。因此，Moldflow 提供了自动预测熔接线、汇合线和气穴的专门功能。

3.4.2.3 改善充填模式

借助流动分析，可通过改变以下项目来改善充填模式：

• 塑件设计
• 模具设计
• 浇口位置
• 注射速度曲线
• 模具和熔体温度
• 材料选择

流动分析的优势在于，可在模具完成前优化塑件和模具设计，从而提高塑件质量，缩短模具投入生产的时间，并降低生产成本。

图 3.13：显示充填模式、熔接线和气穴的电视机前框。

3.5 使用 Moldflow 实现恒定 FFV

本例说明流动分析如何在一个方面帮助设计过程。它使用 Moldflow 改善设计，目标是使流动前沿速度保持恒定。FFV 会影响分子和纤维取向程度，因此应尽量保持恒定。

3.5.1 通过柱塞速度控制 FFV

保持充填期间 FFV 恒定的一种策略是调整柱塞速度曲线。所有现代注塑机都具备这项能力。此例比较中心进浇方形塑件的流动前沿推进情况，其中一个角的流动长度更长，因此塑件并不对称。第一次分析采用恒定柱塞速度曲线，第二次采用 Moldflow 充填分析制定的最佳柱塞速度曲线。最佳曲线考虑了许多型腔几何形状中常见的 FFA 变化。

设计 1 采用恒定柱塞速度。聚合物熔体最初从中心浇口径向扩散，使 FFA 增大。流动前沿到达侧壁后，在充填四个角中的三个角时 FFA 减小。仅剩一个角需要充填时，FFA 会迅速减小。恒定柱塞速度配合变化的 FFA，会使 FFV 先减速，随后在 FFA 变小时急剧上升。这种 FFV 变化并不理想，因为会造成不同的分子或纤维取向及应力水平。

设计 2 采用 Moldflow 建议的最佳柱塞速度曲线。同一塑件在型腔充填期间的 FFV 更为均匀，预测充填等高线的等间距可证明这一点。恒定 FFV 可降低塑件中的剪切应力。

图 3.14：恒定流动前沿速度与恒定柱塞速度下的充填模式比较，柱塞速度恒定时体积流量恒定。

图 3.15：恒定柱塞速度和恒定流动前沿速度下，塑件从浇口到充填结束（EOF）的剪切应力比较。

图 3.16：Moldflow 建议的柱塞速度曲线。