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《轻工机械》2021年第39卷第1期中有一篇文章《以扰流优化浇口料流形态的透明注塑件表面流痕控制》，是台州职业技术学院模具研究所的朱成兵和浙江赛豪实业有限公司的虞伟炳等人共同发表的，论证了消除流痕的创新浇口设计，颇有参考价值。 兹摘录该文部份章节，并附上我的批注或点评(一般为粗斜体，C. Hsu是我的代号)与大家分享：   1     实验模型   该车灯导光条选用Marplex Australia Ltd 生产的PMMA材料，产品尺寸为85 mm × 42 mm × 8 mm，外形结构呈长条形厚壁类透明注塑件。  产品表面要求光洁无明显流痕。  运用Moldflow软件，以双层面型网格进行网格划分，网格边长3 mm，并完成塑件的网格质量修改，其中网格匹配率为95%，符合成型分析要求；车灯导光条实体模型，如图1所示。  根据其结构并结合企业实际生产设计经验，创建一模两穴的热流道浇注系统，其中流道直径12mm，冷却系统布局如图2所示。  冷却管道直径12mm，对侧浇口车灯导光条进行模拟分析，通过模流分析发现流道中间料温和靠近模具钢料两侧边的料温不一样，如图3所示。  由于模具钢料两侧边的料温度比中间料温低，且浇口圆形过于平顺，料温不均匀，所以产品成型易产生流痕(C. Hsu：流路断面外冷内热乃常态，不因断面形状而异。 塑流从流道经浇口进入型腔平顺过度并无可议。 浇口下游是否产生流痕与浇口的断面积大小较为相关)。 <img height="659" src="http://file.amacloud.cn/fileView/2021/1229/1e2168356d5842e98c12934eb173a1c7" width="465" /> 2 流痕产生的原因和改进措施   2.1 流痕产生原因分析   HAMADA等对PC /ABS制品注塑过程进行了研究，发现塑料熔体的温度较低时熔体的剪切力会增加，会有流痕的产生，提高熔体的温度可以减少流痕的出现。  塑料材料在不同温度下会有热胀冷缩的物理变化，同时在不同压力下因受压缩流体密度(或比容)亦会改变。  体积受温度压力影响的关联性，称之为p-V-T关系，若以状态方程式来描述p，V，T 三者之间的关系，可表示为: <img height="79" src="http://file.amacloud.cn/fileView/2021/1229/e5ff4df40201413bb9a0c3ed20ff3554" width="443" /> 式中f为必须通过实验确认的函数。   1个变量的变化影响另外2个变量。  给定任何2个变量，可以确定第3个变量，但要能较好地描述比容受温度与压力的影响，需要p-V-T 模型，其中Spencer-Gilmore model 模型较为常用(此模型由理想气体定律加上温度跟压力对比容的修正项所推导而得)，可表示为 <img height="98" src="http://file.amacloud.cn/fileView/2021/1229/38c23688337c4c2797094a2f3c41e333" width="321" /> 式中：<img _width="24px" alt="图片" crossorigin="anonymous" data-fail="0" data-galleryid="" data-ratio="1.5416666666666667" data-s="300,640" data-src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/Irr5rbRuLGyzbP1jT8wglWtqcKfXib4anhWa4mlPkMDnt7aco3tG6SSCw1nHvoZic5PfCVkKj2j0NmicUkZg9g8bA/640?wx_fmt=png" data-type="png" data-w="24" src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/Irr5rbRuLGyzbP1jT8wglWtqcKfXib4anhWa4mlPkMDnt7aco3tG6SSCw1nHvoZic5PfCVkKj2j0NmicUkZg9g8bA/640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" wah-hotarea="click" />为材料的比容；<img _width="27px" alt="图片" crossorigin="anonymous" data-fail="0" data-galleryid="" data-ratio="1.4444444444444444" data-s="300,640" data-src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/Irr5rbRuLGyzbP1jT8wglWtqcKfXib4anwctaWUw9op63HCxNyicFdl3lUaRg4r4fEsZ3cHf57Mj0WGd7OvbMh8g/640?wx_fmt=png" data-type="png" data-w="27" src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/Irr5rbRuLGyzbP1jT8wglWtqcKfXib4anwctaWUw9op63HCxNyicFdl3lUaRg4r4fEsZ3cHf57Mj0WGd7OvbMh8g/640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1" wah-hotarea="click" />为参考状态下的比容；R’为比例系数变量，p0为修正压力。   此模型由理想气体定律加上温度跟压力对比容的修正项所推导而得。  由上述数学模型可知：塑料熔体在不同压力和剪切力的作用下，温度随着比热容和压力的增大而升高，因此熔体温度的提高可避免浇口产生流痕，从而解决了浇口的进浇问题。   2.2  改进措施   如图4所示，以圆柱体为例，在浇口设置扰流柱，通过浇口形状突变，使料对冲产生扰流[C. Hsu：紊流(turbulent flow)在一般的注塑过程中是不会发生的，因为熔胶的黏度太高，塑流的雷诺数(Reynolds number)距2100(雷诺数在2100以下时，流体皆属层流)甚远。]，提高剪切摩擦热，来降低产品流痕产生的风险，提高产品合格率。  因此模具设计时考虑产品进浇口的形状，在产品原浇口上增设圆柱体、菱形体和椭圆体扰流柱，3种形状扰流柱的进浇口结构如图5所示。 <img height="469" src="http://file.amacloud.cn/fileView/2021/1229/5a0f990243864305b03c3834853d265c" width="770" /> 3  数值模拟分析   基于流行理论壁面滑移和Go-over原理，目前可以认为与流痕出现相关的模拟分析结果是产品表面的冻结层因子、流动前沿温度和壁面剪切应力，因此对3种不同类型的进浇口模型分别进行模拟分析，根据结果来判断流痕出现的可能性，以此设计合适的进浇口类型。   3.1  冻结层因子模拟分析   冻结层因子是指熔体成型过程中熔体与型腔表面接触冷却凝固，后续熔体推动凝固层重新与模具表面接触而产生的流痕(C. Hsu：刮痕?)。  凝固层厚度指数，其数值在0～1之间，凝固层厚薄与数值有关系，因此浇口附近的冻结成(层)因子数值大小可以较好地反映流痕产生的可能性(C. Hsu：冻结层因子和流痕之间的关联并不明显)。   借助Moldflow 软件模拟分析，冻结层因子模拟结果如图6所示。从模拟的结果来看，圆柱体扰流柱等3种进浇口，其分析结果数值均小于1(C. Hsu：冻结层因子没有大于1的)，其中在进浇口附近，冻结层因子都小于0.0242。  3种浇口的冻结因子大小的比较为：菱形体扰流浇口值＜圆柱体扰流浇口＜椭圆体扰流浇口(C. Hsu：以冻结因子的大小判断流痕的深浅并不合理)。  说明3种不同类型浇口产生流痕的可能性相似。 <img height="217" src="http://file.amacloud.cn/fileView/2021/1229/62d81f72a1d54ec5977febe0df82f097" width="707" /> C. Hsu：1. 冻结层因子(frozen layer fraction)是某一节点在某一时间冻结层的厚度与整个壁厚的比值； 2. 将3种浇口分别在三个不同的时间点(40s、80s、150s)的冻结层因子作比较，没有甚么意义。   3.2  流动前沿温度模拟分析   流动前沿温度分布是熔体到达某各节点时其流动前沿的温度分布，其代表的是截面中心的温度，因此变化不大。  合理的温度分布应大致相同，避免温度过高或过低，以使制品出现流痕或使材料短射、滞流或降解等问题从而影响制品的质量。  圆柱体扰流柱等3种进浇口流动前沿处的温度模拟结果如图7所示，3种进浇口模型的流动前沿温度介于157～247°C，温度没有出现太大变化(C. Hsu：这不就等于说：3种进浇口模型难分轩轾，好坏难言!)。  在进浇口附近可以看到，3种浇口模型的温度大小关系是：圆柱体浇口模型＞椭圆形体浇口模型＞菱形浇口模型，3种不同类型浇口产生流痕的可能性相似。 <img height="222" src="http://file.amacloud.cn/fileView/2021/1229/ff733fb02b174beeb1d1103d325c37f1" width="741" /> 3.3  壁面剪切应力模拟结果分析   课题组对进浇口附近的3节点N5887，N8604和N8945 进行详细分析，3节点在制件的位置如图8所示。  如图9所示为制品模型的壁面剪切应力模拟结果。  从图9(a)可知，节点N5887和N8604表面剪切应力的走势基本一致，数值大小差别不大；节点N8945表面剪切应力的大小与节点N5887和N8604相近，但是应力的走势不同，约在0.65 s时发生较大变化。  在0.65s之前，点N8604的表面剪切应力大于点N8945，可以认为在0.65 s之前，点N8604对点N8945存在一个推力；而0.65 s时，点N8604的表面剪切应力小于点N8945，可以认为点N8945对点N8604反而存在一个拉力(C. Hsu：以相邻二点表面或模壁的剪切应力大小判断推力或拉力的方向，谬矣! 一般浇口细、流道粗，小浇口内塑流的流速、剪切速率和剪切应力都大于大流道中者，怎么可以因此而推论出浇口中有一力推向上游的流道而形成逆流? 流体都是从高压向低压流，怎么会有从低压往高压跑的塑流呢?)。  因此可以认为这种不稳定的壁面剪切应力可能使浇口周边容易产生波浪状的皱褶，即容易形成流痕(C. Hsu：波纹是一冷流痕，形成机理并非如作者假想者。 请见注一说明。)。   从图9(b)可知，节点N5887，N8604和N8945的表面剪切应力曲线走势相近，数值大小N5887和N8604更接近，而节点N8945表面剪切应力的数值大小存在变化，在0.85s时，点N8945的剪切应力大于点N5887，直至1.00s时逐渐回落。  所以椭圆形扰流柱进浇口壁面剪切应力还是存在轻微的不稳定性，但是相比圆柱体扰流进胶口的制品模型有了较大的改善。   从图9(c)可知，N5887，N8604和N8945这3点的表面剪切应力趋向是一致的，即在制品浇口表面不会产生壁面滑移，理论上分析也就不可能有流痕的产生。 (C. Hsu：表面剪切应力趋向一致，不表示制品浇口表面不会产生壁面滑移，也不表示流痕不会发生。) <img height="570" src="http://file.amacloud.cn/fileView/2021/1229/e8612a0090c34c178e740b0753752747" width="778" /> C. Hsu：1. 图9(b)和(c)显示：N8945是所选三个节点中熔胶前沿最晚到者，但是图9(a)却表明熔胶前沿同时(0.5s)到三个节点，显然有误。   4 实验验证   根据车灯导光条的结构，设计了菱形浇口的的一模两穴的模具结构，如图10～11所示。经现场试模，生产的导光条制品如图12所示，经厂商检测，制件表面无明显流痕，符合厂家质量要求。 <img height="797" src="http://file.amacloud.cn/fileView/2021/1229/fe7a6dbe6b8447eeb53ea2d134610c2c" width="552" /> 5 结论   1) 课题组通过在浇口附近设置扰流柱，将浇口熔料由层流形式转变为湍流形式，从而实现进浇熔料的温度均匀性，并通过剪切摩擦提升了浇口熔料的温度，该方法能够有效减少浇口流痕的产生。 C. Hsu：熔胶在一般注塑过程中只能以层流的形式流动，雷诺数(Reynolds number)大于2100进入紊流或湍流是不太可能的。 加所谓的扰流柱只能改变塑流的方向和速率，然而，不能改变层流的事实。   2) 流痕的产生与浇口扰流柱的类型有密切关系，课题组比较分析了3种不同类型浇口结构的扰流效果，结果表明菱形扰流结构浇口可以明显有效降低浇口附近熔体壁面剪切应力值，从而减少流痕的产生。 C. Hsu：流痕产生与否，与塑流绕过扰流柱时以及通过浇口时的最大剪切应力(在壁面)相关，当扰流柱外围流路断面积小时，流速、剪切速率和剪切应力都高，熔胶破裂(melt fracture)引起雾斑的可能性高，这与扰流柱是圆形、椭圆形或菱形没有甚么关系，倒是不同形状的扰流柱在分流时对流动型态(flow pattern)的影响不一，分流合流后的困气多少与熔接线良寡和该流动型态息息相关。   3) 采用菱形扰流结构浇口可明显减少车灯导光条的表面流痕产生、有效改善制品表观质量，解决了车灯塑料导光条表面成型质量差的问题。 C. Hsu：对此一结论持保留态度。     C. Hsu：   1.     浇口下游的流痕有：1) 雾斑(blush)或浇口晕(corona)、2) 喷流痕(jetting mark)、3) 波纹(ripple)、4) 流线(flow line)、5) 熔接线(weld line)、6) 银纹(silver streak)或水花(splay)、7) 冷料流痕(cold material flow mark)。1)和2项)与浇口处高剪切应力造成的熔胶破裂有关，2)、5)和6)项或有气体夹杂其中，3)和7)项为冷流痕，4)和5)项分别是前沿起波折和分流合流的结果。   2.     以本案例车灯导光条模为例，下图红色椭圆圈示处是浇口进胶型腔的断面，该断面为关键断面。 <img height="350" src="http://file.amacloud.cn/fileView/2021/1229/769afec92e5142498cf766f57eb3fe9d" width="643" /> 如果该断面积太小(尤其是该断面最小的尺寸-以此侧浇口为例，即浇口的厚度h，此为关键尺寸-太小)，流经该断面的熔胶的剪切应力就会太大，熔胶就会破裂，浇口出口就会出现雾斑，如果出了浇口的熔胶不仅破裂而且还离散就会形成夹气的喷流痕，如果剪切应力更大，熔胶因摩擦生热升温，一旦温度超过塑料中某一成分的气化点，就会产生瓦斯气，这样，浇口下游就会产生(瓦斯气泡自前沿喷泉流翻卷到制品表面的)银纹或水花。   如果上述浇口断面积(尤其是浇口关键尺寸)不加大，该浇口断面上游流路进行任何优化(如加置扰流柱)的努力都是徒然。   3.     2项提到的浇口断面积(尤其是浇口关键尺寸)合理加大后，熔胶不破裂、瓦斯气不生，相关的流痕都消除了，加置扰流柱所为何来?   4.     本案例车灯导光条模浇口加置扰流柱后流痕明显减少应当归功于上述浇口断面积(尤其是浇口关键尺寸)够大。 要证明此言不虚，只要将前述浇口断面积(尤其是浇口关键尺寸)改小到原来的一半，就晓得无论扰流柱是圆形、是椭圆形或是菱形都无助于减少显眼流痕的产生。   5.     加置扰流柱的浇口可能增加的困扰包括：1) 扰流柱下游因困气而生的气痕、2) 扰流柱下游因分流合流而生的熔接线、3) 浇口加工不易、4)、去除浇口困难。     注一、波纹概论   熔胶前沿推进缓慢时，固化层延伸到前沿，阻止前沿的喷泉流将熔胶连续性的翻卷到模壁上，形成垂直流动方向的纹路，状如涟漪，称之为波纹。 <img height="435" src="http://file.amacloud.cn/fileView/2021/1229/9b8eb6012ffe4a65ab1b7879c5ee63d6" width="544" /> 以上图中的聚碳酸酯(PC)镜片为例，说明波纹形成的机理，图中厚度是2mm的浇口加在5mm厚的制品上。  当以正常射速注塑时，因为浇口小，塑流速度太快而不稳，会产生蛇纹或喷10流痕，所以有经验的调机师傅都知道降低射速以稳定塑流。  但是当塑流慢下来之后，如左下图所示，熔胶前沿在模壁附近冷却下来，然后，如下中图所示，冷凝延伸的固化层阻止熔胶前沿直接翻卷至模壁上，熔胶只能跳过一个空间后再碰触到模壁(如右下图所示)。 这样，前沿有如跳蛙一般，跳过的空间有如波谷，碰触模壁处有如波峰，从外观之，波纹有如丢到浇口的石子激起的以浇口为圆心扩散出去的同心圆弧涟漪。 <img height="236" src="http://file.amacloud.cn/fileView/2021/1229/c4ab070568984b88a9b590f65377beae" width="696" />       提高料温、模温和射速都可以消减波纹。  加大浇口和排气口，消除波纹更为有效。1