流道系統的流動平衡

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1. 多型腔模具中熔體平衡充填

採用一模多穴的成型方法被認為可以提高效率和降低成本。在多型腔模具中分流道的分佈形式很多。根據多型腔模具的幾何佈置，其分流道和型腔的分佈有自然平衡式和非自然平衡式兩類。

(1) 自然平衡式

所謂自然平衡式佈置的流道系統就是指從主流道到各個型腔的分流道，以及澆口和型腔的分佈形狀、長度、截面尺寸、圓角、模壁的冷卻條件等都完全相同，最常見的就是(圖1-a)所示的八型腔H型佈置和(圖1-b)所示的圓環形佈置。
正因為自然平衡式佈置流道系統幾何尺寸的完全對稱，人們一直認為該系統能夠保證各個型腔同時均衡進料，同時充滿，及熔體能以相同的成型壓力和溫度同時充滿所有型腔，得到尺寸一致、物理性能良好的製品，然而實際情況並非如此。

(2) 非自然平衡式

非自然平衡式佈置的流道系統如(圖2)所示。除了由於主流道到各個型腔的分流道長度各不相同［(圖2-a)所示的八型腔魚骨型形腔佈置］而形成的非平衡澆注系統外，如果各型腔形狀不一致［(圖2-b)所示的家族式佈置］或單型腔多澆口模具要控制熔接線位置時，都會形成非自然平衡流道系統。
在採用多型腔模具射出成型時，為了保證各型腔零件的質量、性能等指標均勻一致、必須使流道系統達到流動平衡，具體實現方法一般是將各型腔的澆口做成不同大小的衡截面，或者採用不同長度等。

傳統概念認為只要各個型腔能夠同時充滿即為流動平衡，實際上各型腔在整個成型過程裝具備相同的成型條件和熔體性質才是真正意義上的平衡流動。在現在化生產過程中，人們也逐漸認識道流道系統的平衡在射出過程中的重要性。截至目前，已經在控制流道系統平衡方法上做了大量的研究。

(3) 非自然平衡流道系統的平衡充填

對於非平衡式佈置的流道系統，為了實現其流動平衡，傳統上是根據設計者的經驗通過反覆式模、修模調整流道和澆口尺寸來實現的，費時費力。之後，大量研究者和設計人員開展了較多的研究與實驗工作，取得了一些解決方法。非自然平衡流道系統平衡充填的實現方法可分為三個階段，在射出模CAE模擬開始之前，根據聚合物熔體的冪律流動規律，進行植耶的流道澆口的簡化計算，這一階段的優化流道系統是將澆口流道尺寸的修改建立在這些計算結果之上。隨著射出模CAE的開展，當修改澆口流道尺寸後利用數據模擬技術進行嘗試與驗證，反覆利用這一過程使充填較平衡，從而得到最佳的流道系統。這種在電腦上的”試錯法”很快被依些各型腔入口的流速或壓力做為目標函數而開展的優化設計所取代，從而進入第三階段，也就是近年來圍繞該問題較多研究的實現路徑。比如，採用這種方式，在流道和型腔佈置確定以後，開展流動模擬，然後根據流動模擬的結果，進行迭代計算，針對具體材料和射出條件，將解析法和CAE模擬結合，推倒出一些非平衡佈置流道系統的典型流道和澆口截面尺寸計算，利用這些公式可方便使用等。

以上的研究都是為了合理設計流道已使熔體能同時充滿所有型腔，這雖然可以可以避免出現缺料和過保壓現象但是並不能保證得道均於質量的零件，因為即使熔體同時充滿型腔，仍需繼續補料以模補體積收縮，補料階段能會影響零件的質量。因此，需要將流動平衡研究與保壓模擬結合起來，從而得到既滿足流道平衡又可以型腔內壓力分佈均勻一致的最佳流道設計。

(圖3)顯示了一模八穴零件的非平衡佈置與平衡式佈置流道系統的優化過程與結果。其中，(圖3-a)為一模八穴零件非平衡式流道系統示意圖，(圖3-b)為該流道系統設計下的充填結果，(圖3-c)為僅優化第二分流道(Secondary Runner/Sub-Runner)的充填結果，(圖3-d)為同時優化第二分流道(Secondary Runner/Sub-Runner)和澆口後得到的充填結果，(圖3-e)和(圖3-f)為優化前後流道系統的尺寸比對，(圖3-a)唯一模八穴零件的平衡佈置的流道系統，(圖3-b)為平衡佈置的流道系統充填結果。
(圖4)則是相關的應用案例，修改流道直徑做控制流動平衡(家族式模穴2+2+2)

(4) 自然平衡流道系統的不平衡充填

人們很容易注意到非自然平衡式流道系統的平衡性，但是對於自然平衡流道系統的認識與研究卻相對要少許多。習慣上，自然平衡式流道因為其所有流道分支的長度相等和截面型對稱而一直被認為能提供最合適的”自然平衡”，但實際上，”自然平衡”流道其實也會產生相當大的不平衡，(如圖5)所示，模具採用標準H型幾何平衡流道，其零件的充填卻存在著明顯的不平衡，事實上，該現象幾乎出現在整個射出模具中，包括冷流道模具和熱流道模具。

國內外研究者已經就自然平衡流道系統的非平衡充填現象所產生的機理展開了較多的工作，目前，絕大多數觀點將該現象歸因於剪切生熱，一般認為靠近豎澆道的熔體受到較大的剪切作用，溫度較高、黏度較低、阻力較小且流速較快，因而造成較多的熔體進入內部型腔。另外，冷卻過程所導致熔體在流道截面內溫度分布的改變以及經過流道分岔後不對稱的流動也可能是導致這種型腔不平衡充填的原因。

(圖6)模擬了一半的H型幾何平衡流道的不平衡充填過程，其中(圖6-a)~ (圖6-b)的充填時刻分別為0.0233秒、0.041秒、0.0856秒和0.1003秒。在(圖6-a)時刻，熔體流到第一分流道(First Runner/Main Runne)的末端，遇到第二分流道(Secondary Runner/Sub-Runner)之後開始主要沿內側流動，直到達到(圖6-b)時刻，熔體頂端碰到對面壁，接著，熔體沿第二分流道(Secondary Runner/Sub-Runner)流動，到第二分流道(Secondary Runner/Sub-Runner)前端，再次遇到分叉，熔體仍然先沿內側流動，如(圖6-c)所示，直到充填充填快結束時，靠近進豎澆道的兩側結束，而遠離豎澆道的兩側尚未填滿，如(圖6-d)所示。

2. 單型腔多澆口模具中熔體充填的平衡流動問題

大多數的大中型零件多採用單型腔澆口模具，對這類模具而言，多個澆口間的平衡充填問題應仔細考慮。正如前所述，採用多個澆口有利於充填以及消除或減小零件的變形。但多個澆口要保持平衡，從而避免零件各部位不一致的充填、保壓與冷卻的收縮，對於深腔零件，不平衡的充填也容易使型芯各側壁受力不均勻而產生斜偏。

對於單型腔多澆口流道系統的平衡，由於影響因素較多，目前並無直接的計算公式來確定澆口的尺寸與位置等，傳統上主要依靠模具設計人員的實踐經驗。近年來，由於數值模擬技術的應用，多澆口之間如何平衡與控制開始變得相對容易一些。

當採用多澆口時，在型腔內聚合物熔體的交匯處將會產生熔接線，熔接線有礙美觀，甚至影響到零件的強度，因此可以通過各個澆口的進料量來控制熔接線形成的位置，以避免在零件的某些部位產生熔接線。如(圖7)所示的框形零件中，為了將熔接調整到框架的四個角落，可將原始的流道系統尺寸［(圖7-a)所示］修改成如圖(圖7-b)所示的尺寸，則熔接線的位置［(圖7-c)所示］正好調整到如圖［(圖7-d)所示］的位置。(圖8)則是筆電的LCD BEZEL或是電視的前框在流道位置設置節流閥調整結合線位置以及變形量。