基于CAE技術(shù)的聚氨酯彈性體制品模澆口設(shè)計分析

宮紀明，李一平

淮北職業(yè)技術(shù)學院計算機科學技術(shù)系，安徽淮北，235000

澆口是澆注系統(tǒng)的重要組成部分，是連接分流道和型腔的接口［1］，是一段截面很小的料流通道，處理過的填充料經(jīng)由流道通過澆口注入型腔。澆口的數(shù)目和位置的選擇對產(chǎn)品的外觀和質(zhì)量有很大的影響，如影響到氣穴、熔接痕、澆口痕跡的數(shù)目以及它們出現(xiàn)的位置；另外，對生產(chǎn)條件和工藝要求也有很大區(qū)別，像注射壓力、鎖模壓力、螺桿速度等都與澆口的設(shè)計有很大關(guān)系，這些因素也會影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，因此澆口的優(yōu)化設(shè)計重要。本文利用CAE技術(shù)的重要分析軟件Moldflow，并結(jié)合實例，對澆注模的澆口位置和數(shù)目進行模擬設(shè)計和分析，根據(jù)分析結(jié)果，將各項指標都理想的方案確定為最終的澆口優(yōu)化方案。

1 澆注成型過程的理論基礎(chǔ)

利用CAE技術(shù)可以實現(xiàn)澆注成型的模擬過程，這是在高分子材料流變學、連續(xù)介質(zhì)力學、彈性力學、熱傳導學等基礎(chǔ)上通過計算機技術(shù)針對熔體的流動和傳熱的建模過程。根據(jù)澆注成型過程中的溫度、壓力和速度等數(shù)據(jù)，利用數(shù)值計算的方式建立定量求解方法。根據(jù)所建立的數(shù)據(jù)模型和定量求解方法，通過計算機圖形學形象地模擬澆注過程中熔體的流動和冷卻過程。

本文澆口優(yōu)化設(shè)計的模型屬于薄壁形，三維薄壁型模的充填控制方程［2-3］如下式所列。連續(xù)性方程：

x方向動量方程：

y方向動量方程：

能量方程：

2 澆注模澆口的優(yōu)化設(shè)計

澆注模澆口優(yōu)化設(shè)計的目的是使熔體能夠勻速、均衡且?guī)缀跬瑫r到達型腔的邊緣，從外觀看沒有明顯的氣穴，能減少熔接痕的產(chǎn)生并且在受力薄弱的地方不能出現(xiàn)，產(chǎn)品的翹曲很小或在可接受的范圍內(nèi)。

2．1 待優(yōu)化模型的建立

本文選擇的優(yōu)化模型是長方體的頂燈面罩，三維尺寸是250mm×4mm×710mm，材質(zhì)是聚氨酯板，以Fusion方式導入Moldflow分析軟件，網(wǎng)格劃分后的模型如圖1所示，網(wǎng)格統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。劃分后的三角形數(shù)目為4 812，最大縱橫比為2．896，匹配比為95．3%，均滿足了在后續(xù)優(yōu)化過程中所作分析需滿足的先決條件。

圖1 網(wǎng)格劃分后的模型

圖2 網(wǎng)格統(tǒng)計結(jié)果

2．2 澆注系統(tǒng)的建立及相關(guān)分析

利用Moldflow分析軟件，可以預測出該頂燈面罩的最佳澆口位置，如圖3所示。由于澆口位置不能設(shè)在面罩的表面，所以只能在側(cè)面選擇澆口的位置［4］，根據(jù)最佳澆口位置分析，選擇Z方向某側(cè)面的中心作為澆注口建立澆注系統(tǒng)，如圖4所示。

圖3 最佳澆口位置

圖4 單澆口澆注系統(tǒng)

對該模型進行“冷卻＋流動＋翹曲”分析，充填時間如圖5所示，總充填時間為103秒，四個邊角最短時間為84．42秒，最大時間為102．6秒，相差約18秒；速度／壓力切換時的壓力如圖6所示，整個型腔的壓力幾乎為零，且圖中有灰白的地方，與該位置對稱的地方也有灰白，也就是說這兩個位置沒有填充滿；氣穴和熔接痕都在側(cè)表面；翹曲量如圖7所示。根據(jù)上面的分析結(jié)果可以看出氣穴和熔接痕是理想的，但是熔體到達型腔邊緣的時間相差得很大，且有沒有填滿的地方，翹曲量也有待減小，因此，不僅需要加大注射壓力，同時需要調(diào)整澆口的位置和數(shù)目，以實現(xiàn)澆注系統(tǒng)的優(yōu)化。

圖5 充填時間

圖6 速度／壓力切換時的壓力

圖7 翹曲變形

2．3 澆口的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)模型的特點和前面分析的結(jié)果，選擇兩個澆注口的澆注系統(tǒng)，方案A是兩個澆注口位于Z方向的同一側(cè)面，如圖8所示；方案B是選擇Z方向的兩側(cè)中心點作為澆口，建立澆注模型如圖9所示。

圖8 方案A的澆注系統(tǒng)

圖9 方案B的澆注系統(tǒng)

分別對這兩個方案作“冷卻＋流動＋翹曲”分析，方案A的邊角填充時間差比之前有所減小，速度／壓力切換時的壓力圖顯示沒有灰色的地方，型腔已填充滿；氣穴、熔接痕和翹曲如圖10所示。方案B的充填時間差相比較小了很多，但是速度／壓力切換時的壓力顯示有灰白的地方，型腔沒有完全填充；氣穴、熔接痕和翹曲如圖11所示。

圖10 方案A的澆注系統(tǒng)

圖11 方案B的分析結(jié)果

通過實驗比較，兩個優(yōu)化方案的氣穴都在邊緣，利于排氣，方案A中熔體到達邊緣的時間差比方案B的大，但是，該方案的型腔都填滿了；熔接痕都出現(xiàn)在側(cè)面，并且值都很小，可通過提高其出現(xiàn)位置所在區(qū)域的局部溫度來改善；另外，它的翹曲變形也比方案B的小很多。而在方案B中，邊緣有沒有填充到的地方；并且熔接痕出現(xiàn)在制品的兩個表面，這對產(chǎn)品的質(zhì)量有非常大的負面影響，是不允許出現(xiàn)的；另外其翹曲變形量比方案A的大。綜上所述，方案A的優(yōu)化效果更好，所以將它作為本實驗最后的優(yōu)化方案，即采取在Z方向的同側(cè)取等間距的兩個點作為澆口的設(shè)計方法。

3 結(jié)束語

澆口優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容很多，如澆口的位置、澆口的數(shù)目、澆口的尺寸和形狀等［5］，并且要將優(yōu)化的模擬實驗和試模相結(jié)合，在試驗中發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問題，針對這些問題進行優(yōu)化；然后在實踐中檢驗這些優(yōu)化方法的效果，反復改進，比較后從中選擇效果最好的設(shè)計方案作為最終的優(yōu)化方案。在本文中，主要是對澆口的數(shù)目和位置進行了優(yōu)化設(shè)計，通過實驗效果可以看出優(yōu)化效果很好；下一步要進行的工作是進行試模，以檢驗實際的優(yōu)化效果。

［1］李娟娟．澆注型聚氨酯彈性體制品的模具設(shè)計［J］．聚氨酯工業(yè)，2002，17（1）：30-33

［2］王剛，單巖．模具分應用實例［M］．北京：清華大學出版社，2005：8-12

［3］蘆亞萍．大圓角洗衣機箱體成型模具主要參數(shù)計算方分析［J］．江蘇理工大學學報：自然科學版，2011，22（3）：41-44

［4］秦志燕．澆注聚氨酯彈性體制品生產(chǎn)中的氣泡問題［J］．聚氨酯工業(yè)，1995（2）：36-40

［5］姜開宇，蘇同義，王敏杰，等．大型澆注型聚氨酯彈性體制品收縮率的研究［J］．塑料工業(yè)，2005，33（3）：42-45