第4章：Moldflow 设计原则

• 产品设计与 Moldflow
• 分析顺序
• Moldflow 流动概念

4.1 产品设计与 Moldflow

与所有设计程序一样，这些阶段以理想情况为基础。实际中可能需要作出折中。某些零件的分析会显示折中不可接受，也就是无法得到满足质量要求的可用塑件。在这种情况下，应在走向灾难性方案前，与产品设计人员一起重新审查整个塑件设计。产品设计的微小改变常能带来显著的整体改进。模具设计与产品设计的这种整合，是 Moldflow 设计原则的关键要素。

4.2 分析顺序

模具设计程序总是从型腔开始。先检验浇口位置方案，在型腔内优化成型条件，然后利用该浇口布置不断修正，直至型腔条件可接受。之后再处理上游任务，例如确定流道尺寸。在这一程序中，优化成型条件是设计过程的关键部分。

浇口位置固定且成型条件确定后，即可确定流道系统中的流量、熔体温度和所需压力。换言之，型腔分析为流道设计确定了规格。

塑件充填优化后，可分析塑件冷却系统。通常的目标是设计模具冷却系统，使其从塑件均匀抽取热量。这既能缩短循环时间，又能生产高质量塑件。

尽管充填与保压密切相关，保压最好在冷却分析后优化。保压和补偿阶段由热传递主导，充填则由流体流动主导。冷却分析能准确呈现塑件热量如何被抽取，因此应在冷却后优化塑件保压。

最后一步是确定塑件翘曲。若前述步骤分析得当，翘曲分析即可确认塑件和工艺优化已完成。

4.2.1 塑件充填优化

注塑产品分析的关键组成部分是塑件本身，塑件分析应在设计早期开始。塑件充填优化包括以下三个主要步骤。

4.2.1.1 确定浇口数量

浇口数量主要由压力需求决定。充填塑件所需压力应远低于机器能力。保守的指导原则是，塑件充填压力应为机器压力的一半。对典型机器而言，这约为 70 MPa，即 10,000 psi。之所以限为机器能力的一半，是因为设计过程的这一阶段尚未计算流道压降。整副模具，包括塑件和流道，在最大情况下的总压降应约为机器能力的 75%。

应尽量少用浇口。通常一个浇口最好。只在需要降低充填压力或获得所需充填模式时增加浇口。

4.2.1.2 为平衡充填布置浇口

浇口位置应使塑件内流动前沿平衡，不发生欠流或过度保压。若仅改变浇口位置不能平衡充填模式，可用流动引导条或流动偏转条来平衡流动。

4.2.1.3 确保流动模式单向

充填模式应直且均匀。此外，不应有犹豫、欠流、熔接线、气穴等问题。

4.2.2 成型条件

成型条件必须结合上述步骤确定。考虑浇口数量时，必须考虑充填塑件所需压力。所采用的模具温度、熔体温度和注射时间会对压力产生很大影响。成型窗口分析可快速评估浇口位置，以确定能否采用指定数量和位置的浇口。成型窗口也应尽可能大。较大的成型窗口允许成型条件有较大变化，同时仍能生产合格塑件。

4.2.3 流道设计

流道应设计为有助于实现所需流动模式。对于较大的多浇口塑件，可能需要确定流道尺寸以获得所需充填模式。流道应平衡且体积最小，还必须使塑件达到用于优化塑件的成型条件。通常，为计及流道系统产生的剪切热，进入主流道的熔体温度必须低于进入浇口的熔体温度。还必须延长注射时间，以留出充填流道的时间。最好使带流道充填塑件时的流速与无流道分析中的流速相同。

4.2.4 冷却优化

塑件和流道系统分析完成后，可优化冷却系统设计。塑件和流道系统构成进入模具的热输入。冷却分析有助于设计适当的冷却系统。通过缩短循环时间，平衡从塑件抽取的热量，使热量从塑料截面的两侧等量传出，可将翘曲降至最低。

4.2.5 保压优化

保压和补偿阶段决定塑件内的体积收缩量。体积收缩量是塑件收缩和翘曲的关键因素。保压分析最好在冷却优化后进行，因为保压和补偿阶段由热传递主导。

4.2.6 翘曲优化

塑件分析过程的最后一步是考察塑件翘曲。翘曲受材料选择、塑件设计、模具设计，包括流道和冷却系统设计，以及成型条件影响，遵循前述顺序时已对这些因素加以考虑。充填、冷却和保压都得到适当优化后，翘曲分析可验证产品、模具和工艺已经优化。若翘曲分析表明塑件超出公差，也会指出翘曲的主要原因，以便进一步优化针对该原因进行。

4.3 Moldflow 流动概念

Moldflow 流动概念是一组影响塑件和模具设计的规则，用于优化塑件充填。遵循这些原则会得到质量更高的塑件和更快的循环时间，不遵循则会产生问题设计。

Moldflow 流动概念	Moldflow 流动概念
单向且受控的流动模式	用流动引导条和流动偏转条实现平衡
流动平衡	避免欠流
恒定压力梯度	避免犹豫效应
最大剪切应力	受控摩擦热
均匀冷却	流道热封闭
熔接线和汇合线的定位	可接受的流道/型腔比

4.3.1 单向且受控的流动模式

为产生单向取向，塑件中的充填模式应是单向的，也就是充填阶段不改变方向。矩形塑件可在两个位置之一进浇。一个方案是从上到下的中心进浇，但浇口更接近右边缘而非左边缘。另一个方案是从右边缘进浇。充填等高线显示塑件充填时流动前沿的位置，流向箭头显示塑件将充满时的流动方向。等高线与箭头应相互垂直。中心进浇的塑件中，流动方向显著改变，导致塑件内取向方向不均匀。端部进浇的塑件则没有方向变化。

图 4.1：浇口位置影响流动方向。

图 4.2：充填模式随浇口位置变化。

4.3.2 流动平衡

模具中的所有流动路径应同时、以相等压力充满。对于多型腔模具，这意味着每个型腔应同时充满。塑件内部也同样如此，塑件各末端应同时充满。

4.3.2.1 流道系统平衡

平衡流道系统有两种：自然平衡流道，也称几何平衡流道，以及人工平衡流道。自然平衡流道系统中，从主流道到每个塑件的流动长度对所有型腔相同。一般而言，此类流道系统的加工窗口大于人工平衡流道。

图 4.3：自然平衡流道。

人工平衡流道系统通过改变流道尺寸实现平衡。这是一种很有用的流道平衡技术，因为所需流道体积通常小于自然平衡流道。但由于流道直径的原因，加工窗口通常小于自然平衡流道，注射时间通常是主要限制因素。

图 4.4：人工平衡流道。

4.3.3 恒定压力梯度

塑件充填时，整个塑件内的压力梯度应均匀。若充填过程中压力梯度不恒定，注射位置压力曲线会在充填初期出现尖峰。更大的问题出现在充填末端。塑件主要以径向流动充填，流动前沿到达侧壁中心时开始收缩，对应压力梯度略微增大。当三个角充满而只剩一个角未填时，所有离开浇口的材料都流入该角，造成压力尖峰。进入塑件的体积流量虽恒定，压力梯度却表明存在平衡问题，或提示应采用注射速度曲线。

图 4.5：压力梯度。

4.3.4 最大剪切应力

塑件最大剪切应力应低于规定材料限值。材料剪切应力限值可在 Moldflow 材料数据库中找到，约为材料拉伸强度的 1%，也取决于具体应用。对用于高温、使用中承受高载荷或遭受化学侵蚀等严苛环境的塑件，数据库规定的限值可能过高。反之，若塑件不在严苛环境中使用，该限值较保守，应力可显著超过限值而不出现问题。然而，当剪切应力超过限值时，仍应尽量使其保持较低。

最大剪切应力结果图按材料限值和分析计算出的最大剪切应力值进行标度，结果图中的着色区域即超过限值。塑件常有高剪切应力区域，其值可能达到应力限值的 2 至 5 倍。截面内最大剪切应力位于冻结层与熔融层的界面，即靠近壁面处。

影响剪切应力的三个主要因素如下：

• 壁厚，提高壁厚可降低应力。
• 流速，降低局部或整体流速可降低应力。
• 熔体温度，提高熔体温度可降低剪切应力。

图 4.6：最大剪切应力。

4.3.5 均匀冷却

冷却塑件时，塑件两侧的模具表面温度应均匀。温度不均匀时，热侧的分子有更长时间冷却，因而收缩更多。热侧会变短，塑件便向热侧弯曲。

图 4.7：均匀冷却。

许多注塑塑件具有典型箱形结构。箱形结构的内角，即型芯，通常难以冷却，热量容易在此聚集。型腔侧容易冷却，也有较大体积的模具可吸收塑料热量。因此内角温度较高，分子有更长时间冷却和收缩，使该角略微塌陷，并将箱体侧壁拉向型芯。

图 4.8：箱形结构的冷却。

4.3.6 熔接线和汇合线的定位

两股流动前沿迎头相遇时形成熔接线，流动前沿以相同方向汇合时形成汇合线。熔接线通常比汇合线更弱且更显眼，但两者都应避免。每为塑件增加一个浇口，都会增加一条熔接线或汇合线，因此建议取消多余浇口。无法减少熔接线或汇合线数量时，应将其布置在对强度和外观最不敏感、最不关键的区域。视应用而定，熔接线或汇合线可能在强度或外观方面造成问题。它们在较高温度下形成并以较高压力补满时，强度通常会提高。排气也很重要，应对熔接线排气，以获得最大强度并尽量降低外观影响。

图 4.9：熔接线和汇合线。

4.3.7 避免犹豫效应

犹豫是流动前沿无意减速。流动前沿减速过多会变得过冷，严重时可能冻结。塑件壁厚有很大变化时会发生犹豫。例如，筋位远薄于公称壁厚。采用较短注射时间可通过提高剪切发热减少犹豫，因为材料犹豫和失热的时间更短。另一种降低犹豫的方法是使浇口尽可能远离薄区。

4.3.8 避免欠流

欠流发生在充填期间流动前沿改变方向时。浇口位置使流动前沿不平衡时会发生欠流。等高线和速度箭头应相互垂直，若在局部区域二者平行，则表明流动方向发生显著改变。

欠流的问题在于它对取向的影响。塑件区域的初始充填方向由充填时间等高线表示，流动方向垂直于等高线，分子起初也沿该方向取向。若充填阶段后期流动方向改变，流道中心附近的分子会沿新流动方向取向。分子通常倾向沿取向方向更多收缩，因此欠流区域会产生显著内部应力。

图 4.10：犹豫。

图 4.11：欠流。

4.3.9 用流动引导条和流动偏转条实现平衡

流动引导条是公称壁厚的局部增加，流动偏转条则是局部减薄。许多情况下仅靠浇口布置无法平衡塑件。可略微改变壁厚，以促进或延缓某一方向的流动。即使从浇口到塑件各末端的流动长度不相等，这也能平衡塑件充填。

原始矩形塑件的公称壁厚为 1.5 mm，但有厚边缘。受塑件形状和浇口位置影响，材料到达厚边缘后，流动前沿会绕塑件跑道式流动，既造成气穴和熔接线，也使充填不平衡。增加流动引导条后，充填达到平衡，熔接线和气穴被消除。从节省材料的角度看，通常减小壁厚更好，但受塑件结构要求限制并非总能做到。

壁厚改变最好是渐变的，优选不超过公称壁厚的约 25%。壁厚变化过大可能造成冷却和取向问题，可能增加而非减少翘曲。

图 4.12：流动引导条。

4.3.10 受控摩擦热

流道尺寸应使其产生摩擦热，也称剪切热。流道尺寸适当且平衡时，进入塑件的温度应与为塑件确定的最佳熔体温度相差 2 至 3 ℃。进入主流道的温度通常比进入塑件的温度低 10 至 30 ℃。在平衡的组合模具流道系统中，即使流道长度不同，进入各塑件的温度也几乎相同。

流道系统中剪切热的优点如下：

• 可采用更高熔体温度来充填塑件。
  • 降低充填塑件所需压力。
  • 降低塑件中的剪切应力。
  • 更容易对塑件保压。
• 机器料筒中的停留时间更长。

图 4.13：受控摩擦热。

4.3.11 流道热封闭

流道尺寸应使塑件能够充满并补满，同时不控制循环时间。塑件冻结时间约为 3.4 s 时，流道冻结时间至少应与塑件相同。但主流道冷却时间可能约为塑件的 10 倍，这表明主流道过大，若可能应减小。流道中最大的冷却时间最好最多为塑件的 2 至 3 倍，但常难以做到。若在保持平衡流道系统的同时减小流道，最小流道的冷却时间会很快小于塑件冷却时间。

一般而言，若无关键尺寸或缩痕质量标准，流道冷却时间可低至塑件冷却时间的约 80%。尺寸要求更严格时，流道冷却时间应大于塑件。

图 4.14：热封闭。

4.3.12 可接受的流道/型腔比

流道系统体积与型腔总体积之比应尽量低，以减少流道材料浪费和回收料用量。在某些情况下，流道不能再明显减小，否则无法保持平衡充填和可接受保压。流道体积与型腔体积的比值达到 85% 时非常高。理想情况下，流道体积应为塑件体积的 20% 或更低。主流道体积较高时，可采用热主流道减小冷流道体积。

热流道系统的体积也应小于塑件体积。这既能减少停留时间，也能降低流道系统中的可压缩性。

图 4.15：型腔与流道比。