澆口布置對(duì)齒輪軸注塑成型影響的研究

三峽大學(xué)科技學(xué)院 湖北 宜昌 443002

緒論

隨著工程塑料快速發(fā)展和在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，在力學(xué)性能達(dá)標(biāo)的前提下，越來(lái)越多的產(chǎn)品構(gòu)件采用塑料代替金屬材料，以便獲得更高的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，同時(shí)還能降低產(chǎn)品重量。

自計(jì)算機(jī)有限元模擬技術(shù)誕生以來(lái)，各種有限元模擬仿真分析軟件被開(kāi)發(fā)出來(lái)并投入到生產(chǎn)實(shí)踐中去，通過(guò)有限元模擬仿真分析，能提前預(yù)見(jiàn)產(chǎn)品研制過(guò)程中可能遇到的各種問(wèn)題，加快產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

在注塑成型領(lǐng)域，Moldflow模擬分析軟件問(wèn)世以來(lái)，因其強(qiáng)大的數(shù)值分析、可視化前后處理和用戶項(xiàng)目管理等能力而備受用戶的青睞。

1 齒輪軸注塑成型仿真模擬

依次經(jīng)過(guò)創(chuàng)建工程、導(dǎo)入CAD模型、劃分網(wǎng)格、網(wǎng)格優(yōu)化后在Moldflow中完成模型的建立，本次使用聚丙烯作為分析材料，定義相關(guān)參數(shù)后，確定分析類型并且設(shè)定澆口位置、布置冷卻系統(tǒng)后開(kāi)始仿真模擬，初始采取兩個(gè)澆口對(duì)稱布置在齒輪軸軸兩側(cè)的方式進(jìn)行[1]。

2 結(jié)果分析

圖1 兩個(gè)澆口對(duì)稱布置的仿真結(jié)果

由圖1可知，整個(gè)模型的填充時(shí)間約為1.57秒，澆口附近和遠(yuǎn)離澆口的軸端面時(shí)間差約為1.57秒，差距較大，填充不均勻。

距離澆口近端溫度略高于遠(yuǎn)端，溫差僅為0.2℃，由此可知在充型過(guò)程中，料溫變化不大，分布較為均勻。

距澆口近的軸端面最先凝固，而齒輪中心部分最后凝固，兩者時(shí)間差16秒，制件完全凝固需要26.91秒。

氣穴主要集中在齒輪軸的兩個(gè)軸端面。

充型壓力最大值出現(xiàn)在1.54秒左右，約為2.14MPa，制件兩端的充型壓力差別較大，不平衡。

熔接痕可能出現(xiàn)在兩澆口連線的中垂線上齒輪和軸過(guò)渡的部位，共有兩道。

進(jìn)水口和出水口溫差僅為0.03℃，說(shuō)明冷卻效果好，但冷卻介質(zhì)的利用效率不高[2]。

翹曲總變形的極大值出現(xiàn)在齒輪軸距澆口的遠(yuǎn)端，變形量約為0.23mm；變形的極小值出現(xiàn)在澆口所在齒輪面上，變形量約為0.1mm。

3 增加一對(duì)澆口的結(jié)果分析

在原有澆口基礎(chǔ)上，增加一對(duì)澆口，兩邊對(duì)稱布置，其余條件不變，進(jìn)行模擬仿真分析。得到如下結(jié)果：

圖2 四個(gè)澆口對(duì)稱布置的仿真結(jié)果

由圖2可知，整個(gè)制件被充填滿需要約1.57秒，澆口附近和軸遠(yuǎn)端的時(shí)間差約為1.57秒，差距較大，填充不均勻[3]。

距離澆口近端溫度略高于遠(yuǎn)端，溫差僅為0.2℃，由此可知在充型過(guò)程中，料溫變化不大，分布較為均勻。

距澆口近的軸端面最先凝固，而齒輪中心部分最后凝固，兩者時(shí)間差15.75秒，制件完全凝固需要26.66秒。

氣穴主要集中在齒輪軸的兩個(gè)軸端面。

充型壓力最大值出現(xiàn)在1.54秒左右，約為2.05MPa，制件兩端的充型壓力差別較大，不平衡，容易產(chǎn)生變形。

熔接痕可能出現(xiàn)在各澆口之間齒輪和軸過(guò)渡的部位，共有四道。

進(jìn)水口和出水口冷卻介質(zhì)溫差為0.03℃，冷卻效果較好，但冷卻效率低下。

翹曲總變形的極大值出現(xiàn)在齒輪軸距澆口的遠(yuǎn)端，變形量約為0.23mm；變形的極小值出現(xiàn)在澆口所在齒輪面上，變形量約為0.1mm[4]。

4 減少一個(gè)澆口的結(jié)果分析

圖3 一個(gè)澆口的仿真結(jié)果

由圖3可知，整個(gè)制件被充填滿需要約1.57秒，澆口附近與軸遠(yuǎn)端兩者時(shí)間差約為1.57秒，差距較大，整個(gè)制件的填充都不均勻。

澆口附近端溫度略高于軸距離澆口的遠(yuǎn)端，溫差僅為0.3℃，在充型過(guò)程中，料溫變化不大，但分布不是很均勻[5]。

距澆口近的軸端面最先凝固，而齒輪中心部分最后凝固，兩者時(shí)間差16.25秒，制件完全凝固需要27.41秒。

氣穴主要集中在齒輪軸的兩個(gè)軸端面，齒輪遠(yuǎn)離澆口的齒端，數(shù)量較多。

充型壓力最大值出現(xiàn)在1.54秒左右，約為2.36MPa，制件澆口附近和齒輪遠(yuǎn)端的充型壓力差別較大，不平衡。

熔接痕可能出現(xiàn)在各澆口另一側(cè)齒輪和軸過(guò)渡的部位，共有一道。

進(jìn)水口和出水口冷卻介質(zhì)溫差為0.03℃，冷卻效果較好，但冷卻效率低下。

翹曲總變形的極大值出現(xiàn)在齒輪軸距澆口的遠(yuǎn)端，變形量約為0.23mm；變形的極小值出現(xiàn)在澆口所在齒輪面上，變形量約為0.1mm[6]。

5 結(jié)束語(yǔ)

表1 不同澆口數(shù)各項(xiàng)目情況

通過(guò)對(duì)齒輪軸聚丙烯制件的模擬仿真，比較了不同澆口數(shù)量在填充時(shí)間、流體前沿溫度、凝固時(shí)間、氣穴、充型壓力、熔接痕、冷卻介質(zhì)溫度和總翹曲變形量八個(gè)方面對(duì)成型的影響：①填充時(shí)間：三種方案差別不大；②流體前沿溫度：三種方案差別不大，物料溫度分布單澆口相對(duì)不均勻；③凝固時(shí)間：?jiǎn)螡部诘哪虝r(shí)間差最長(zhǎng)；④氣穴：?jiǎn)螡部谔畛涑霈F(xiàn)了大量氣穴；⑤充型壓力：?jiǎn)螡部诘淖畲蟪湫蛪毫ψ畲?；⑥熔接痕?澆口的熔接痕數(shù)量最多；⑦冷卻介質(zhì)溫度：三種方案基本一致；⑧總翹曲變形量極大值：三種方案基本一致。

綜上所述，對(duì)于該齒輪軸零件，澆口數(shù)目對(duì)于凝固時(shí)間、氣穴、最大充型壓力、熔接痕數(shù)目具有明顯的影響；對(duì)于填充時(shí)間、流體前沿溫度、冷卻介質(zhì)和總翹曲變形量的影響不大。單澆口氣穴多、填充不均勻較為明顯，所需最大充型壓力較大，不宜采用；增加對(duì)稱布置的澆口有助于緩和填充不均勻，減少氣穴，縮短凝固時(shí)間，但進(jìn)一步增加澆口，其改善作用不明顯，還會(huì)增加熔接痕數(shù)目，使設(shè)備復(fù)雜化。所以兩個(gè)對(duì)稱布置的澆口對(duì)于齒輪軸的成型效果為最佳。