CF-DESIGN軟件在橡膠擠出口模設計中的應用

孫艷菊, 張利偉

（申雅密封件(上海)有限公司, 上海 201712）

CF-DESIGN軟件在橡膠擠出口模設計中的應用

孫艷菊, 張利偉

（申雅密封件(上海)有限公司, 上海 201712）

摘 要:應用有效的設計軟件CF-DESIGN對橡膠口模和流道進行分析，利用提前分析對實際生產(chǎn)和維修進行指導，提高工作效率和生產(chǎn)穩(wěn)定性。介紹了通過哈克流變儀測得橡膠材料的有效參數(shù)，應用CF-DESIGN軟件，在New Lavida車型導槽A條擠出口模設計過程中，采用CAE模擬分析、口模優(yōu)化、現(xiàn)場調(diào)試相結(jié)合，取得了良好的效果。由此，根據(jù)生產(chǎn)線的實際情況，總結(jié)了一些判斷擠出是否平衡的評判準則，從而指導口模流道設計和維護，達到提高效率、減少調(diào)試時間和費用的目的。

關鍵詞:EPDM橡膠密封條；CAE分析軟件；CF-DESIGN；口模；流道結(jié)構(gòu)；優(yōu)化；平衡

0 前 言

由于橡膠在硫化過程中有出口膨脹和收縮效應，橡膠密封條斷面最終的大小和形狀與擠出口模形狀有較大差異，所以擠出口型的設計不能直接利用斷面進行。模具的變形圖和流道設計非常重要，直接影響最終產(chǎn)品的斷面。一般橡膠生產(chǎn)廠家對模具的設計和維修依靠的是經(jīng)驗，需要經(jīng)歷多次調(diào)試和修整，口模才能使斷面符合要求，調(diào)試時間和成本很高。目前，運用CAE模擬橡膠擠出過程的技術日趨得到重視和應用，但在實際生產(chǎn)應用中還沒有廣泛得到推廣，模擬的結(jié)果和實際的生產(chǎn)情況還有一定差異。

橡膠產(chǎn)品的擠出過程模擬分析有助于了解膠料在流道內(nèi)的流動軌跡及速度、壓力分布情況，為流道及口型的優(yōu)化設計提供參考。擠出模擬研究中，優(yōu)化的擠出口型設計和合理的流道結(jié)構(gòu)會使擠出過程更均衡，擠出結(jié)果更合理。本文是運用CF-DESIGN軟件，選取New Lavida車型的導槽A條為例，比較了不同流道結(jié)構(gòu)的影

響，并通過實際擠出進行驗證。結(jié)果表明，通過CF-DESIGN模擬設計，改變流道平衡分布，可以直接有助于斷面整體擠出的效果改進。

1 CF-DESIGN在模具設計中的應用

1.1 軟件的選型

目前，CAE分析軟件很多，為了選擇一個適合橡膠流體分析的CAE分析軟件，我們對CAE分析軟件市場做了一個評估，通過對軟件市場的調(diào)研、分析、測試，最終選定了CF-DESIGN軟件。

CF-DESIGN軟件是一款為加速產(chǎn)品的設計和研發(fā)過程而開發(fā)的用于模擬流體流動及傳熱的軟件。該軟件通過簡單設置就可以完成對模型的流場分析，得到產(chǎn)品設計師和工程師所關心的各種物理性質(zhì)參數(shù)、溫度分布、流場結(jié)構(gòu)等等，為產(chǎn)品的改進提供重要的參考。

它的優(yōu)勢在于：快速而高精度的自動網(wǎng)格劃分，局部網(wǎng)格細密化功能，操作簡單，易學易上手，分析結(jié)果直觀明了，非常適合橡膠流體的模擬分析，且非常適合橡膠模具設計工程師。

1.2 分析前的準備工作

在使用CF-DESIGN進行分析之前，需要先獲取一些有效的、準確的膠料參數(shù)作為分析的依據(jù)。此膠料參數(shù)需要用哈克流變儀測得。

哈克流變儀測試材料參數(shù)的過程及取得數(shù)據(jù)的方法如下：

（1）準備好SES372母煉膠,并重新開煉機混煉,確保其混煉均勻；

（2）開啟HAAKE并預熱,將螺桿以及毛細管口型安裝于擠出機頭上；

（3）打開軟件并設定好參數(shù)數(shù)據(jù),其中第一組為螺桿80 ℃，毛細管口型90 ℃，毛細管長徑比為10D、20D、30D，每組數(shù)據(jù)測量8個，每組收取擠出膠料的時間設置為90、60、50、40、30、20、20、20 s，螺桿轉(zhuǎn)速從3～50 r/min，8級遞增；

（4）開始擠出，稱取8組時間得到的膠料質(zhì)量；

（5）隨著螺桿轉(zhuǎn)速增加，機頭壓力(毛細管入口壓力)也在增加，以10D為例（圖1）；

圖1 機頭壓力和轉(zhuǎn)速及時間的關系

（6）10D、20D、30D完成測試之后，經(jīng)過HAAKE軟件數(shù)據(jù)處理可以得到測試的8個螺桿轉(zhuǎn)速下的曲線：η=f(γ)（即為原理中的一次線性方程，如圖2所示）；

（7）將數(shù)據(jù)處理，確定lgη=lga+b*lgγ中a、b的值，即為我們所需的材料參數(shù)。

通過以上的測量過程，我們得到了精確的膠料參數(shù)，為我們做進一步的CAE分析得到有效保障。

圖2 8個螺桿的轉(zhuǎn)速曲線

1.3 CF-DESIGN在單一膠料擠出口模設計中的應用

為了能夠在產(chǎn)品設計階段就快速評估擠出口模的設計準確性，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，我們在用3D軟件完成擠出口模設計的同時，對此口模進行CAE仿真分析，及時得到分析結(jié)果并進行評估和優(yōu)化，從而在產(chǎn)品設計初期就能杜絕產(chǎn)品設計中的缺陷，保證產(chǎn)品質(zhì)量。CF-DESIGN的優(yōu)點正是能夠在產(chǎn)品設計初期就讓設計工程師了解自己所設計的產(chǎn)品是否達到要求，是否需要改進及優(yōu)化。

首先介紹下CF-DESIGN的分析應用的幾大步驟：原始數(shù)據(jù)導入；膠料參數(shù)調(diào)用；CAE仿真分析；評估分析結(jié)果；優(yōu)化分析比對。

1.3.1 原始數(shù)據(jù)導入

由于CF-DESIGN軟件可以對各種CAD 軟件所建立的模型進行數(shù)值模擬，如Inventor、Pro/E、Solid-works、Solid Edge、UG 等等，所以應用各種CAD 軟件建模的產(chǎn)品開發(fā)人員可以直接將所建模型輸入CF-DESIGN。

我們公司采用的模具制圖軟件是UG，設計的產(chǎn)品數(shù)據(jù)導入CF-DESIGN完全沒有問題。由于CF-DESIGN軟件是內(nèi)嵌在UG軟件中，無縫連接的操作方式使我們只需要通過簡單的一鍵操作，就可以順利地將CAD產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入到我們需要進行分析的CF-DESIGN軟件中。

1.3.2 膠料參數(shù)調(diào)用

為了保證分析結(jié)果的準確性，我們需要做一些前期準備工作，用哈克流變儀測得的膠料參數(shù)是其中之一。其他參數(shù)我們也需要通過各種途徑獲得，但所有導入的參數(shù)都是接近真實的，這樣分析的結(jié)果也能趨于準確。

1.3.3 CAE仿真分析

通過將CAD數(shù)據(jù)在CF-DESIGN軟件中重新建模并網(wǎng)格化，根據(jù)需要進行局部細密化操作，填入相應的參數(shù)、設定邊界條件后，即可進行CAE模流分析。

本文以New Lavida車型的導槽A條為例（如圖3所示），先根據(jù)實際經(jīng)驗建立擠出口模3D模型（UG中建立），再轉(zhuǎn)化為CAE分析所需的流道模型（CF-DESIGN中建立），填入膠料等參數(shù)即可得到分析結(jié)果。不同于專業(yè)的CAE分析軟件需要花大量的時間進行計算，CF-DESIGN只需要花極短的時間就能得到運算結(jié)果，并通過圖解的方式闡述了流速信息。

圖3 New Lavida車型導槽A條 CAE仿真分析步驟

分析結(jié)果的不同深淺代表不同地方的流速反饋信息。深色代表橡膠的流動速度最快，淺色部分則代表流動的速度最慢，最淺色部分代表流速適中（見圖4所示）。我們通過這些不同深淺的結(jié)果了解到橡膠流體在流道中的不同流速，從而給我們?nèi)绾尉膺@些流速提供一個可靠的依據(jù)。

圖4 CAE仿真分析結(jié)果

1.4 評估分析結(jié)果

再通過CF-DESIGN軟件得到分析結(jié)果后，我們需要對此分析結(jié)果作一個正確、快速的評估。分析結(jié)果的評估能夠讓我們對口模設計的準確性及時做出判斷。

分析結(jié)果的評估一定要結(jié)合分析的具體要求進行。即是否達到了本次分析的主要目標，如果沒有達到，則要根據(jù)模擬結(jié)果尋求新的方案，包括調(diào)整某些參數(shù)、位置等，然后再進行新的模擬。

對于計算結(jié)果的評估，一定要綜合考慮，因為最終的模擬結(jié)果往往是多種條件的一個折中，即計算結(jié)果可能“只有更好，沒有最好”。這就要求工程技術人員對于分析結(jié)果有一個綜合的權(quán)衡。比如，在滿足流動平衡的前提下，注射壓力可能會大一些，這也會帶來一些問題。但是只要這樣的注射壓力不會帶來過高的剪切速率或者其他注射方面的缺陷，那么可以認為該方案是適用的，此時就可以結(jié)束分析。

本文中所做分析結(jié)果的評估主要圍繞以下兩種方式來進行：

（1）通過注射軌跡線（圖5），可以分析局部區(qū)域的膠料在口模內(nèi)的流量、流向情況。通過對這些膠料的流量、流向的分析，判斷注射壓力是否合適、注射方向是否符合設計要求。

圖5 注射軌跡線示意圖

（2）通過流道內(nèi)流動速度的顏色分布情況，可以判斷擠出是否平衡，從而可以指導口模設計工程師修改并重新設計口模流道形狀。

通過分析結(jié)果的評估，我們可以得到以下信息：斷面尺寸比較均勻，則流道內(nèi)流動速度的顏色分布也較均勻，擠出也平衡。而對于同一個斷面，尺寸相差懸殊的，則要具體考慮：斷面尺寸小的地方，顏色顯示要相對紅一些；斷面尺寸大的地方，顏色就要相對綠一些；對這些尺寸相差比較大的地方，需要適當調(diào)整并做一定的修改，這樣整個斷面，在擠出過程中才能平衡，流動速度的顏色也會顯得比較平緩。

以上兩種評估方式主要是針對本文中所提及的New Lavida車型導槽A條的口模設計中可能存在的變更因素而定的。當然，在實際機型CAE仿真分析中，還有更多的外界因素或條件需要考慮，還要視具體情況而定。

1.5 優(yōu)化分析比對

在使用CF-DESIGN軟件的仿真分析過程中，要根據(jù)分析結(jié)果不斷優(yōu)化口模設計，從而使分析結(jié)果達到最理想的平衡狀態(tài)。這個口模設計優(yōu)化過程，就是反復修改口模、反復模擬分析的循環(huán)過程。舉例說明：修改口模前（圖6中優(yōu)化前），口模流道狹窄區(qū)域部分，因口型小、流道窄，所以模擬結(jié)果顯示綠色，表明流速慢；修改口模后（圖6中優(yōu)化后），對狹窄區(qū)域部分進行局部適當加寬，流道變大，模擬結(jié)果顯示顏色變紅，表明流動速度變快。通過這樣的分析優(yōu)化，有利于擠出速度分布更均勻。以此類推，對口模各個不太符合生產(chǎn)要求的地方進行更改，以達到最佳的設計狀態(tài)。

圖6 優(yōu)化前后對比圖

2 CF-DESIGN軟件在擠出口模設計中的優(yōu)勢

通過CF-DESIGN軟件的仿真分析，對于產(chǎn)品工程師、模具工程師設計的新產(chǎn)品所帶來的益處是顯而易見的。對于中小企業(yè)來說，應用CFD技術（CFD是指計算流體動力學Computational Fluid Dynamics）目前可能仍是一種奢望，他們希望獲得的是一種經(jīng)濟且現(xiàn)成的解決方案。幸運的是，通過使用CF-DESIGN軟件，零部件供應商只需花費很少的投入就可以得到汽車整車廠花費上百人應用傳統(tǒng)CFD軟件創(chuàng)造出來的效果。從投資回報的角度看，這是非常劃算的。使用CF-DESIGN軟件，平均可將用于新產(chǎn)品設計開發(fā)、試驗和驗證的時間減少70%，同時，還可將與傳統(tǒng)原型制作有關的時間和費用降低65%。

正是基于CF-DESIGN分析軟件的準確性、高效性，使得我們在擠出口模設計中處于業(yè)內(nèi)領先地位；在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時也大大縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期。

2.1 口模優(yōu)化帶來的益處

以前的口模優(yōu)化，都是一邊調(diào)試，一邊用銼刀或者電磨頭手工修改口模?；ㄙM的時間長，而且精度無法保證一致性；所有的修改依賴于維修操作人員的經(jīng)驗。

而使用了CF-DESIGN軟件后，直接將分析結(jié)果告訴維修操作人員，并將修改后的口模數(shù)據(jù)直接通過機加工方式修改，口型小的地方用線切割，流道修改用精雕機；且根據(jù)CFDESIGN的分析結(jié)果自行在CAD/CAM軟件中修改數(shù)模，可自行數(shù)控編程、操作，這樣可以很好地保證口模實際狀態(tài)和三維電腦數(shù)據(jù)的一致性。同樣，設計和分析對于備模的復制也有很強的指導性。

2.2 口模調(diào)試時間和擠出速度的改進

經(jīng)過CF-DESIGN分析的口模和原來的老口模進行調(diào)試結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，老口模擠出速度慢，調(diào)試時間長；而通過CF-DESIGN分析并設計出來的口模調(diào)試時間明顯縮短，擠出速度也大大提高。

在實際生產(chǎn)中，橡膠密封條的擠出速度并不快，通常為12 m/min左右，這次通過CF-DESIGN分析的這套口模（New Lavida車型導槽A），它的生產(chǎn)速度達到20 m/min，效率提高66% 。

而且，新口模的總調(diào)試時間只用了8 h左右，而原來調(diào)試一套同等難度的口模，最少也要三個班，約25 h。由此可見，調(diào)試的時間也大大縮短。

至于調(diào)試成本，包括膠料成本、人工成本、設備成本等，也因為通過CF-DESIGN的分析，減少了浪費和不必要的支出，所以調(diào)試總成本也降低了近40%。

更值得一提的是，由于通過CF-DESIGN分析，實際生產(chǎn)出來的口?，F(xiàn)狀和數(shù)據(jù)完全一致，且不需要以人工干預的方式進行修模。

3 推廣應用

單一膠料的口模CF-DESIGN仿真模擬分析已經(jīng)在我們公司廣泛推廣應用，目前所涉及的應用項目有：2CN蓋墊、2GA前格柵條、NF前蓋條、BP12導槽B條、E15導槽A/B條等，這些項目都是經(jīng)過CF-DESIGN仿真模擬分析后設計的口模，調(diào)試次數(shù)都有明顯降低。其中2CN蓋墊調(diào)試時一上線就成功，可以說仿真模擬效果非常顯著。CF-DESIGN軟件在擠出口模設計中占有絕對重要的地位。

當然，利用CF-DESIGN軟件模擬分析在我們公司只是剛剛起步階段，計劃在今后的1～2a內(nèi)，逐步向多種膠料類，甚至骨架類產(chǎn)品積極推廣應用。

我們的最終目標是，全部產(chǎn)品都使用UG（MCAD軟件）進行產(chǎn)品設計、CF-DESIGN進行仿真分析，真正實現(xiàn)擠出口模的數(shù)字化設計與分析。

[責任編輯：朱 胤]

本文為“第三屆中國（國際）汽車橡塑制品技術與市場發(fā)展論壇”特供稿。

中國橡膠行業(yè)年產(chǎn)值達9280億元企業(yè)虧損率10%

中國橡膠工業(yè)協(xié)會會長鄧雅俐在近日舉辦的中國橡膠工業(yè)博覽會上表示，近年來世界橡膠工業(yè)發(fā)展迅速，目前中國橡膠行業(yè)年產(chǎn)值達9280億元，已成為世界最大的橡膠產(chǎn)品生產(chǎn)國和出口國，也是世界最大的天然橡膠消費國，在世界橡膠工業(yè)發(fā)展中有舉足輕重的地位。

鄧雅俐還表示，中國是世界橡膠工業(yè)第一大國，然而，長期以來中國橡膠行業(yè)企業(yè)延續(xù)重生產(chǎn)加工、輕技術市場的發(fā)展模式，使得中國橡膠工業(yè)面臨著升級發(fā)展的瓶頸，同時中國橡膠產(chǎn)業(yè)也面臨量增價跌的現(xiàn)狀。

“各項成本都在提高，利潤收窄；輪胎、膠鞋等橡膠產(chǎn)品出現(xiàn)銷售負增長；國內(nèi)橡膠業(yè)企業(yè)虧損率占10%等現(xiàn)象，迫使中國橡膠制造業(yè)不得不進行轉(zhuǎn)型升級”，鄧雅俐認為，橡膠產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略研究迫在眉睫。

（來源：中國橡膠信息貿(mào)易網(wǎng)）

中圖分類號:TQ 330.6

文獻標志碼:B

文章編號:1671-8232(2014)10-0048-05

收稿日期：2014-08-26