不同工藝參數(shù)對(duì)冰箱箱體發(fā)泡密度均勻性影響的仿真研究

王濤， 徐玉峰， 杜華東， 王金瑞， 陳新龍， 朱昭沂， 劉雅， 耿照夢(mèng)

（1.澳柯瑪股份有限公司， 山東 青島 266100；2.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院， 山東 青島 266590）

0 引 言

在冰箱制造過程中，箱體注射量對(duì)冰箱發(fā)泡層的密度具有重要影響，注射量設(shè)置不同會(huì)導(dǎo)致冰箱發(fā)泡層整體密度的變化。過高或過低的密度都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題，如擠壓變形、漏泡等，且浪費(fèi)材料和制造成本上升，因此合理設(shè)定箱體注射量對(duì)于冰箱發(fā)泡工藝至關(guān)重要。發(fā)泡料密度的均勻性是評(píng)估發(fā)泡質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，發(fā)泡劑在箱體中的流動(dòng)性對(duì)填充效果有顯著影響，保持發(fā)泡劑的流動(dòng)順暢能夠避免在發(fā)泡過程中出現(xiàn)空泡、泡孔粗糙和拉絲等質(zhì)量問題。為了提升發(fā)泡質(zhì)量及資源的利用率，工藝優(yōu)化通常將降低密度極差和提高密度均勻性作為重要目標(biāo)[1-2]。

目前，關(guān)于冰箱發(fā)泡的研究?jī)A向于生產(chǎn)工藝方面。柯慶鏑等[3]通過結(jié)合聚氨酯發(fā)泡的生產(chǎn)工藝過程，對(duì)基本機(jī)理進(jìn)行了研究，探索了與發(fā)泡層結(jié)構(gòu)相關(guān)的物理參數(shù)的演化規(guī)律，包括泡孔尺寸、泡孔密度、泡孔形狀因子等，研究表明其物理參數(shù)對(duì)于發(fā)泡層結(jié)構(gòu)的隔熱性能和力學(xué)性能有重要影響；徐以國(guó)等[4]介紹了微孔發(fā)泡技術(shù)的歷史發(fā)展、發(fā)泡原理、工藝流程以及泡孔控制等方面的內(nèi)容，通過剖析這些關(guān)鍵要素，為相關(guān)領(lǐng)域的研究和實(shí)踐提供了參考；廖玉松[5]從冰箱發(fā)泡模的實(shí)際設(shè)計(jì)和制造要求出發(fā)，對(duì)冰箱發(fā)泡模的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，探討了冰箱發(fā)泡模箱體CAD∕CAM的實(shí)現(xiàn)方法，并設(shè)計(jì)了抽芯滑塊機(jī)構(gòu)。除此之外，冰箱發(fā)泡工藝還與型腔排氣結(jié)構(gòu)的位置和設(shè)計(jì)密切相關(guān)。李帥等[6]分析了發(fā)泡漲箱的主要原因，并指出通過型腔排出箱內(nèi)的CO2及空氣不通暢，會(huì)造成局部氣壓增高形成困氣，對(duì)發(fā)泡料的流動(dòng)產(chǎn)生一定的阻力，影響發(fā)泡質(zhì)量。

然而，關(guān)于有限元仿真技術(shù)對(duì)發(fā)泡設(shè)計(jì)的研究還較少，通過運(yùn)用仿真技術(shù)，分析發(fā)泡層密度不均勻的原因，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聚氨酯發(fā)泡過程中注射量的精確預(yù)測(cè)，有助于優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高冰箱質(zhì)量，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。因此，現(xiàn)借助有限元仿真技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)聚氨酯發(fā)泡工藝的應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。

1 仿真模型搭建

1.1 物理模型搭建

研究對(duì)象為某單門無霜風(fēng)冷冰箱，箱體尺寸為1 800 mm×600 mm×550 mm，發(fā)泡模具尺寸為2 000 mm×700 mm×700 mm，使用三維軟件對(duì)箱體內(nèi)的發(fā)泡層及模具建立幾何模型。箱體內(nèi)膽結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在模型結(jié)構(gòu)突變部分進(jìn)行了簡(jiǎn)化，圖1所示為簡(jiǎn)化的箱體發(fā)泡層幾何模型，圖2所示為模具幾何模型。

圖1 箱體發(fā)泡層幾何模型

圖2 模具幾何模型

在仿真軟件中對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主要采用四面體網(wǎng)格，尺寸為5 mm，網(wǎng)格數(shù)量為1 500萬個(gè)，模具初始溫度為33～40 ℃，發(fā)泡劑初始溫度為（21±3） ℃。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，注射噴嘴的相關(guān)參數(shù)對(duì)發(fā)泡成型具有重要的影響，主要包括噴嘴尺寸、流量速率以及移動(dòng)路徑等。對(duì)于噴嘴位置和數(shù)量，需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)定，以確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。現(xiàn)研究底部單噴嘴注射的情況，其中噴嘴位于壓力機(jī)室的頂部，并由箱體底部向頂部方向進(jìn)行注射，如圖3所示。

圖3 噴嘴注射點(diǎn)

1.2 數(shù)學(xué)模型搭建

冰箱箱體發(fā)泡的過程實(shí)際是泡沫在箱內(nèi)逐漸膨脹并取代空氣的過程，因此在模擬發(fā)泡料的注射及成型過程之前，需要先構(gòu)建一個(gè)數(shù)學(xué)模型用以描述發(fā)泡劑在發(fā)泡過程中物理參數(shù)的變化曲線，其中密度、黏度和導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)于仿真模型的準(zhǔn)確性具有重要的影響。對(duì)于箱內(nèi)的泡沫膨脹，由于其復(fù)雜性，在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模擬時(shí)進(jìn)行如下假設(shè)：①當(dāng)發(fā)泡劑完成發(fā)泡充型時(shí)，發(fā)泡層會(huì)立即固化；②在注射過程中，將發(fā)泡劑等效為湍流模型；③發(fā)泡料的膨脹速度不受料溫和化學(xué)反應(yīng)程度的影響。

1.2.1 密度公式

密度表示單位體積物質(zhì)的質(zhì)量，是物質(zhì)的基本性質(zhì)之一，對(duì)于聚氨酯泡沫，其數(shù)學(xué)模型是關(guān)于溫度T、壓力p、水分子轉(zhuǎn)化效率X-W和發(fā)泡劑溶解度LGas的公式：

其中，xW.0為水組分的初始質(zhì)量；Ll:q.0為溶解度的初始值；ρW為水的密度；ρPU為發(fā)泡劑的密度；ρRA.Liq為液態(tài)發(fā)泡劑的密度。

1.2.2 黏度公式

聚氨酯泡沫的黏度反映其在流動(dòng)過程中的阻力，假設(shè)發(fā)泡劑中的氣泡孔徑足夠小，則發(fā)泡劑可以近似為廣義牛頓流體來進(jìn)行數(shù)值模擬分析，黏度公式如下：

其中，μF表示表觀黏度；φ表示氣泡的體積分?jǐn)?shù)；Ca表示毛細(xì)數(shù)。

1.2.3 熱傳導(dǎo)系數(shù)公式

熱傳導(dǎo)系數(shù)描述了聚氨酯泡沫在熱量傳遞過程中的效率，根據(jù)與密度相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式獲得，其表達(dá)式為：

其中，ρF表示聚氨酯泡沫的密度。

2 仿真分析結(jié)果

工藝上通常采用箱體發(fā)泡層的密度極差來評(píng)價(jià)發(fā)泡質(zhì)量，密度極差越高，發(fā)泡料填充的不均勻性越明顯，容易導(dǎo)致局部溢料、空泡、結(jié)皮及困氣等工藝問題，影響冰箱的保溫能力、能耗和強(qiáng)度。

基于此，通過分析成型后發(fā)泡料密度的分布趨勢(shì)，可以了解箱體填充的均勻性，評(píng)估發(fā)泡工藝的質(zhì)量，這有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問題，提高箱體成型質(zhì)量和穩(wěn)定性。

2.1 注射量預(yù)測(cè)分析

針對(duì)箱體結(jié)構(gòu)，以總注射量為變量，注射量分別為5.70、5.85、6.00 kg，注射分布云圖如圖4所示，當(dāng)注射量為5.70 kg時(shí)，由于單噴嘴底部注射，發(fā)泡劑僅流動(dòng)到箱體后背區(qū)域的中心，出現(xiàn)分布不均勻的情況；而注射量為5.85 kg和6.00 kg，發(fā)泡劑流動(dòng)分布相對(duì)較均勻。

圖4 注射分布云圖

發(fā)泡密度分布云圖如圖5所示，當(dāng)注射量分別為5.85 kg和6.00 kg時(shí)，發(fā)泡劑基本充滿整個(gè)箱體，但在箱體右前下角和左前下角分別出現(xiàn)不同程度的困氣現(xiàn)象，對(duì)發(fā)泡的流動(dòng)性有一定的阻力，導(dǎo)致該區(qū)域有局部缺料的情況；當(dāng)注射量為5.70 kg 時(shí)，發(fā)泡未充滿整個(gè)箱體，由于注料分布不均勻（見圖4（a）），導(dǎo)致在箱體頂端出現(xiàn)大量缺料的現(xiàn)象，說明充填量為5.70 kg時(shí)不滿足工藝要求，3種不同注射量的最大密度、最小密度及極差值對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 密度分布結(jié)果

圖5 發(fā)泡密度分布云圖

充型過程中氣壓的分布云圖如圖6所示，注射量分別為5.70、5.85、6.00 kg，充填后均會(huì)產(chǎn)生不同程度的困氣，最大氣壓值為10 MPa。由圖6可見，困氣位置基本落在箱體頂部、底部等發(fā)泡末端位置，在相應(yīng)位置設(shè)置排氣孔以消除缺陷。

圖6 充型過程氣壓分布云圖

2.2 優(yōu)化仿真分析

通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著注射噴嘴的尺寸增大，箱體密度方差呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，如圖7所示；由于注射速率不同，落料點(diǎn)分布也不同，對(duì)箱體密度方差的影響各有差異，如圖8所示。對(duì)于該箱體，當(dāng)注射量為5.85 kg時(shí)，使用注射內(nèi)徑R10 mm的噴嘴可以將箱體發(fā)泡層的密度方差降到最低，密度分布最均勻；與此同時(shí)，注射速率越大，密度分布越均勻。通過結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，使用噴嘴內(nèi)徑為R10 mm、注射速率為1.2 g∕s、注射量為5.85 kg時(shí)，計(jì)算結(jié)果見表1中優(yōu)化方案，密度分布云圖如圖9所示，箱體發(fā)泡層的密度極差降低了50%，密度均勻性得到顯著提升。除此之外，在圖6所示的困氣位置設(shè)置了相應(yīng)的排氣孔，最大氣壓為3.71 MPa，困氣現(xiàn)象基本消除，優(yōu)化方案氣壓分布云圖如圖10所示。

圖7 噴嘴尺寸對(duì)密度分布的影響

圖8 注射速率對(duì)密度分布的影響

圖9 優(yōu)化方案密度分布云圖

圖10 優(yōu)化方案氣壓分布云圖

2.3 密度對(duì)標(biāo)分析

以箱體后背上、下兩部分為取樣對(duì)象，通過排水法實(shí)際測(cè)得發(fā)泡層取樣塊的密度。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖11所示，上取樣塊實(shí)際測(cè)量密度為43.39 kg∕m3，仿真結(jié)果為45.06 kg∕m3；下取樣塊實(shí)際測(cè)量密度為42.43 kg∕m3，仿真結(jié)果為44.86 kg∕m3，仿真計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)的密度值誤差約為5%，符合程度較高。

圖11 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語

運(yùn)用仿真技術(shù)，分析不同工藝參數(shù)對(duì)冰箱發(fā)泡密度均勻性影響的研究方法是有效的，對(duì)仿真計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)的密度值進(jìn)行對(duì)標(biāo)，結(jié)果一致性較高，證明了仿真的準(zhǔn)確性和可靠性。

在此基礎(chǔ)上，通過仿真技術(shù)可以靈活地調(diào)整工藝參數(shù)，并觀察其對(duì)密度分布的影響。通過調(diào)整注射量、噴嘴尺寸、注射速率等工藝參數(shù)，可以找到最優(yōu)的工藝條件，使箱體發(fā)泡后的密度均勻性得到大幅提高。

此外，仿真技術(shù)還可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化，減少試制和測(cè)試的次數(shù)，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。通過仿真技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，未來在冰箱發(fā)泡工藝以及其他材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。