基于CAE技術的聚氨酯彈性體制品模澆口設計分析

宮紀明，李一平

淮北職業技術學院計算機科學技術系，安徽淮北，235000

澆口是澆注系統的重要組成部分，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，處理過的填充料經由流道通過澆口注入型腔。澆口的數目和位置的選擇對產品的外觀和質量有很大的影響，如影響到氣穴、熔接痕、澆口痕跡的數目以及它們出現的位置；另外，對生產條件和工藝要求也有很大區別，像注射壓力、鎖模壓力、螺桿速度等都與澆口的設計有很大關系，這些因素也會影響到產品的質量，因此澆口的優化設計重要。本文利用CAE技術的重要分析軟件Moldflow，并結合實例，對澆注模的澆口位置和數目進行模擬設計和分析，根據分析結果，將各項指標都理想的方案確定為最終的澆口優化方案。

1 澆注成型過程的理論基礎

利用CAE技術可以實現澆注成型的模擬過程，這是在高分子材料流變學、連續介質力學、彈性力學、熱傳導學等基礎上通過計算機技術針對熔體的流動和傳熱的建模過程。根據澆注成型過程中的溫度、壓力和速度等數據，利用數值計算的方式建立定量求解方法。根據所建立的數據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。

本文澆口優化設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 澆注模澆口的優化設計

澆注模澆口優化設計的目的是使熔體能夠勻速、均衡且幾乎同時到達型腔的邊緣，從外觀看沒有明顯的氣穴，能減少熔接痕的產生并且在受力薄弱的地方不能出現，產品的翹曲很小或在可接受的范圍內。

2．1 待優化模型的建立

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

圖1 網格劃分后的模型

圖2 網格統計結果

2．2 澆注系統的建立及相關分析

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在面罩的表面，所以只能在側面選擇澆口的位置［4］，根據最佳澆口位置分析，選擇Z方向某側面的中心作為澆注口建立澆注系統，如圖4所示。

圖3 最佳澆口位置

圖4 單澆口澆注系統

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表面；翹曲量如圖7所示。根據上面的分析結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，同時需要調整澆口的位置和數目，以實現澆注系統的優化。

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 澆口的優化設計

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

圖8 方案A的澆注系統

圖9 方案B的澆注系統

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

圖11 方案B的分析結果

通過實驗比較，兩個優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；熔接痕都出現在側面，并且值都很小，可通過提高其出現位置所在區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；并且熔接痕出現在制品的兩個表面，這對產品的質量有非常大的負面影響，是不允許出現的；另外其翹曲變形量比方案A的大。綜上所述，方案A的優化效果更好，所以將它作為本實驗最后的優化方案，即采取在Z方向的同側取等間距的兩個點作為澆口的設計方法。

3 結束語

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

［1］李娟娟．澆注型聚氨酯彈性體制品的模具設計［J］．聚氨酯工業，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中的氣泡問題［J］．聚氨酯工業，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，2005，33（3）：42-45