波輪模具結構的優(yōu)化設計

焦冬梅，楊秀國

(1.青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266061；2.青島市婦女兒童活動中心科普部，山東 青島 266071)

洗衣機在脫水過程如果體系不平衡，會有強烈振動，振動與噪聲是考核洗衣機性能的重要指標。國內外對洗衣機振動與噪聲的研究[1～2]主要集中在動平衡技術和懸掛系統(tǒng)的動態(tài)特性兩方面。對振動、噪音的降低除了常用的控制技術外，波輪作為體系主要旋轉件，其成型特性對動平衡的影響有不可小視的作用。成型時澆口形式選擇、分布、數量與洗衣機脫水時動平衡性有密切聯(lián)系。

CAE（計算機輔助工程技術）作為一種先進的設計手段，在橡塑模具設計過程中得到了廣泛的應用。利用CAE中的模流分析軟件[3]，將突破傳統(tǒng)模具設計、試模、修改、試模的設計流程，在模具生產前就可以模擬膠料在模腔中的填充過程，并通過熔接痕、氣穴、翹曲變形、冷卻等分析預測生產中可能出現的質量缺陷，在設計早期及時發(fā)現問題、優(yōu)化模具結構[4]，從而在提高產品質量的同時，降低開發(fā)成本，縮短設計周期。

傳統(tǒng)波輪生產采用多點澆口模具成型，波輪在使用中，在高速旋轉過程中發(fā)現脫水時波輪運轉存在啟動滯后明顯，且運行不平穩(wěn)，噪音大，洗衣機損壞快，壽命短等特點，分析原因是波輪的充填形式導致動平衡差、旋轉不平穩(wěn)，同時產品還有翹曲變形、次品率高等現象。本文以洗衣機波輪塑件為例，采用Moldflow軟件對不同澆口布置形式下的膠料充填過程進行流動性分析，尋求缺陷出現的原因，并在各種分析結果的指導下進行了模具結構的優(yōu)化設計。

1 波輪塑件工藝性分析

洗衣機波輪選用PP為成型材料，塑件壁厚為2 mm，屬于薄壁型塑件。塑件結構比較復雜，表面質量要求較高，輪廓粗糙度為0.8 mm，塑件公差等級為M5級，內外輪廓脫模斜度均為1°。

2 模流分析前處理

通過Pro/E軟件對波輪塑件造型并生成Moldflow軟件可以使用的STL文件，導入MPI模塊中[3～6]，建立有限元模型，波輪的實體模型如圖1所示。采用表面網格（fusion）形式對模型進行網格劃分。網格劃分后的有限元模型如圖2所示，該模型共生成5 491個節(jié)點，獲得10 982個三角形，匹配百分比為90.1%，大于80%，該模型網絡劃分合理，保證了計算順利進行并得到較高精度的分析結果。

圖1 波輪的實體模型

圖2 波輪的有限元模型

3 模流結果分析

澆口是膠料進入模腔的最末端通道，澆口的位置、大小、形狀選擇合理與否決定著模腔充填的平衡性、產品的表面質量、強度、翹曲變形等。通過MPI模塊最佳澆口位置選擇功能，得到如圖3所示藍色區(qū)域為最佳澆口位置。本文傳統(tǒng)雙點澆口以及中心澆口均位于最佳澆口區(qū)域，符合澆口選擇原則。

圖3 最佳澆口位置

為改進、優(yōu)化傳統(tǒng)波輪模具結構，通過模流分析比較傳統(tǒng)雙點澆口與中心澆口兩種不同澆口形式對膠料充填過程及產品質量的影響。其中方案一為傳統(tǒng)雙點澆口，方案二為中心澆口，中心澆口布置在波輪中心孔的周圍，中心澆口末端直徑與波輪中心連接孔一致，成型結束時，可方便去除澆口，不影響制品表面質量，兩種澆口形式都能保證模腔位于模具中心。

通過MPI模塊對兩種方案進行了充填時間、熔接線、鎖模力、翹曲變形、氣穴等分析，得到如圖4～圖8所示的模流分析結果。

圖4紅色區(qū)域為最終填充區(qū)域，雖然方案二相對方案一充填時間由2.079 上漲到2.170 s，但是方案一云圖顏色沿徑向方向分布不如方案二均勻，表明方案一膠料沿圓周方向沒有同時充填結束，這也就造成了塑件壁厚不一致，力學強度不均勻的缺陷，這也是導致動平衡差、運動不平穩(wěn)的主要原因。而方案二云圖分布沿徑向方向一致，表明塑件沿徑向方向填充是同步完成的，由此保證了產品質量的均勻性，從而改善了雙點澆口注射壁厚不均勻、后期冷卻不均勻產生內應力以及在使用過程中運動不平穩(wěn)的問題。由此可見雖然中心澆口增加充填時間，綜合考慮對產品質量及使用性能的影響，優(yōu)先選擇中心澆口。

圖4 充填時間

圖5 熔接線

圖5為兩種方案的熔接線分布，從圖中可可以看出，雙澆口注射時的熔接線分布多，除了中間凸臺，沿著凸出肋板也有分布，且有的分布較長，連續(xù)較長的熔接線將會造成制品的密度、強度、剛度和使用性能減弱現象，這也是部分塑件在使用過程中出現斷裂的原因，同時也會造成波輪高速旋轉不平穩(wěn)的現象。而中心澆口的熔接線主要分布于較厚的中間凸臺邊緣，且數量少、短，對產品強度削弱減弱。

圖6 鎖模力

由表1變化幅值及圖6鎖模力可知，中心澆口注射所需鎖模力為57 MPa，比雙點澆口注射鎖模力59 MPa下降了3.3%，鎖模力是保證順利充填模腔、防止溢膠的重要參數，決定著塑件質量以及能量的消耗，可見中心澆口可降低能耗。

圖7為翹曲變形圖，由圖可知，中心澆口變形量為0.633 5 mm，雙點澆口為0.699 1 mm，變形量減少，產品澆口形式的改變可以一定程度上改善產品尺寸穩(wěn)定性[7]，并進一步影響旋轉平穩(wěn)性。

表1 不同澆口形式模流分析結果變化幅值

通過氣穴圖8可以看出，不論是傳統(tǒng)雙點澆口還是中心澆口，沿著凸臺、肋板以及充填末端產生都產生較多的氣穴，故在模具設計時，充填末端及后模筋位應加強排氣。

用Moldflow對波輪充填流動分析結果顯示改為中線澆口注射后，雖然充填時間會有所增加，但是充填均勻性變好、穩(wěn)定性變好、能耗降低。改后的澆口成型阻力小，去除方便，并且由于不再使用點澆口，可以簡化模具結構，不必使用雙分型面模具，不必考慮模具分型的先后順序以及系統(tǒng)凝料的去除。

圖7 翹曲變形

圖8 氣穴

4 模具結構

依據模流分析的結果，對傳統(tǒng)波輪注射模具進行優(yōu)化設計，采用中心澆口進行注射，中心澆口末端直徑與波輪中心孔尺寸一致，凝料去除后直接得到波輪中心孔，避免澆口凝料在拉斷時損傷塑件表面，還減少型芯受到的流動阻力和沖擊力[8]，加快了填充速度，并可延緩澆口處熔體的固化，利于型腔補料。

模具結構如圖9所示，該模具為單分型面模具，在A-A分型面打開后，系統(tǒng)凝料與塑件留在動模部分，塑件和系統(tǒng)凝料在推板13和推管17的共同作用下頂出。為了增強模具的排氣效果，采用鑲嵌式型腔結構，鑲件7、8，型芯（Ⅰ、Ⅱ）9、14共同組成了型腔，即利于排氣，也利于成型件的加工。為了便于型芯（Ⅲ）的固定以及推管的頂出作用，采用圓銷及開口頂管的結構形式，既保證不增加動模板的厚度，又保證了型芯長度不增加。

圖9 模具結構圖

塑件成型后可以通過人工方便的去除料把，中心澆口及去除澆口形式如圖10所示。實驗證明洗衣機的噪音下降，動平衡性變好，波輪轉動滯后性減小，這是對洗衣機性能好壞的最直接評價指標。且模具結構簡單、運行通暢，并可保證制品表面質量好、生產效率高、耗能少。

圖10 中心澆口及去除澆口形式

5 結論

通過Moldflow軟件對生產使用中模具的充填方案進行充填分析，通過模擬分析結果得到塑件出現的缺陷原因，在模流分析結果指導下確定了合理的充填方案，優(yōu)化了模具結構，對模具設計過程具有重要的指導意義。結合CAE的模具結構設計可顯著提高模具設計水平、縮短設計周期、降低成本、確定合理工藝、提高產品質量。

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