焦冬梅，楊秀國(guó)

(1.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061；2.青島市婦女兒童活動(dòng)中心科普部，山東 青島 266071)

洗衣機(jī)在脫水過(guò)程如果體系不平衡，會(huì)有強(qiáng)烈振動(dòng)，振動(dòng)與噪聲是考核洗衣機(jī)性能的重要指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外對(duì)洗衣機(jī)振動(dòng)與噪聲的研究[1～2]主要集中在動(dòng)平衡技術(shù)和懸掛系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性?xún)煞矫?。?duì)振動(dòng)、噪音的降低除了常用的控制技術(shù)外，波輪作為體系主要旋轉(zhuǎn)件，其成型特性對(duì)動(dòng)平衡的影響有不可小視的作用。成型時(shí)澆口形式選擇、分布、數(shù)量與洗衣機(jī)脫水時(shí)動(dòng)平衡性有密切聯(lián)系。

CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)）作為一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段，在橡塑模具設(shè)計(jì)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。利用CAE中的模流分析軟件[3]，將突破傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)、試模、修改、試模的設(shè)計(jì)流程，在模具生產(chǎn)前就可以模擬膠料在模腔中的填充過(guò)程，并通過(guò)熔接痕、氣穴、翹曲變形、冷卻等分析預(yù)測(cè)生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷，在設(shè)計(jì)早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)[4]，從而在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，降低開(kāi)發(fā)成本，縮短設(shè)計(jì)周期。

傳統(tǒng)波輪生產(chǎn)采用多點(diǎn)澆口模具成型，波輪在使用中，在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)脫水時(shí)波輪運(yùn)轉(zhuǎn)存在啟動(dòng)滯后明顯，且運(yùn)行不平穩(wěn)，噪音大，洗衣機(jī)損壞快，壽命短等特點(diǎn)，分析原因是波輪的充填形式導(dǎo)致動(dòng)平衡差、旋轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，同時(shí)產(chǎn)品還有翹曲變形、次品率高等現(xiàn)象。本文以洗衣機(jī)波輪塑件為例，采用Moldflow軟件對(duì)不同澆口布置形式下的膠料充填過(guò)程進(jìn)行流動(dòng)性分析，尋求缺陷出現(xiàn)的原因，并在各種分析結(jié)果的指導(dǎo)下進(jìn)行了模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 波輪塑件工藝性分析

洗衣機(jī)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，表面質(zhì)量要求較高，輪廓粗糙度為0.8 mm，塑件公差等級(jí)為M5級(jí)，內(nèi)外輪廓脫模斜度均為1°。

2 模流分析前處理

通過(guò)Pro/E軟件對(duì)波輪塑件造型并生成Moldflow軟件可以使用的STL文件，導(dǎo)入MPI模塊中[3～6]，建立有限元模型，波輪的實(shí)體模型如圖1所示。采用表面網(wǎng)格（fusion）形式對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖2所示，該模型共生成5 491個(gè)節(jié)點(diǎn)，獲得10 982個(gè)三角形，匹配百分比為90.1%，大于80%，該模型網(wǎng)絡(luò)劃分合理，保證了計(jì)算順利進(jìn)行并得到較高精度的分析結(jié)果。

圖1 波輪的實(shí)體模型

圖2 波輪的有限元模型

3 模流結(jié)果分析

澆口是膠料進(jìn)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(chǎn)品的表面質(zhì)量、強(qiáng)度、翹曲變形等。通過(guò)MPI模塊最佳澆口位置選擇功能，得到如圖3所示藍(lán)色區(qū)域?yàn)樽罴褲部谖恢?。本文傳統(tǒng)雙點(diǎn)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(jìn)、優(yōu)化傳統(tǒng)波輪模具結(jié)構(gòu)，通過(guò)模流分析比較傳統(tǒng)雙點(diǎn)澆口與中心澆口兩種不同澆口形式對(duì)膠料充填過(guò)程及產(chǎn)品質(zhì)量的影響。其中方案一為傳統(tǒng)雙點(diǎn)澆口，方案二為中心澆口，中心澆口布置在波輪中心孔的周?chē)?，中心澆口末端直徑與波輪中心連接孔一致，成型結(jié)束時(shí)，可方便去除澆口，不影響制品表面質(zhì)量，兩種澆口形式都能保證模腔位于模具中心。

通過(guò)MPI模塊對(duì)兩種方案進(jìn)行了充填時(shí)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(jié)果。

圖4紅色區(qū)域?yàn)樽罱K填充區(qū)域，雖然方案二相對(duì)方案一充填時(shí)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(méi)有同時(shí)充填結(jié)束，這也就造成了塑件壁厚不一致，力學(xué)強(qiáng)度不均勻的缺陷，這也是導(dǎo)致動(dòng)平衡差、運(yùn)動(dòng)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(chǎn)品質(zhì)量的均勻性，從而改善了雙點(diǎn)澆口注射壁厚不均勻、后期冷卻不均勻產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力以及在使用過(guò)程中運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)的問(wèn)題。由此可見(jiàn)雖然中心澆口增加充填時(shí)間，綜合考慮對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及使用性能的影響，優(yōu)先選擇中心澆口。

圖4 充填時(shí)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(shí)的熔接線分布多，除了中間凸臺(tái)，沿著凸出肋板也有分布，且有的分布較長(zhǎng)，連續(xù)較長(zhǎng)的熔接線將會(huì)造成制品的密度、強(qiáng)度、剛度和使用性能減弱現(xiàn)象，這也是部分塑件在使用過(guò)程中出現(xiàn)斷裂的原因，同時(shí)也會(huì)造成波輪高速旋轉(zhuǎn)不平穩(wěn)的現(xiàn)象。而中心澆口的熔接線主要分布于較厚的中間凸臺(tái)邊緣，且數(shù)量少、短，對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)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(diǎn)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(shù)，決定著塑件質(zhì)量以及能量的消耗，可見(jiàn)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(diǎn)澆口為0.699 1 mm，變形量減少，產(chǎn)品澆口形式的改變可以一定程度上改善產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性[7]，并進(jìn)一步影響旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。

表1 不同澆口形式模流分析結(jié)果變化幅值

通過(guò)氣穴圖8可以看出，不論是傳統(tǒng)雙點(diǎn)澆口還是中心澆口，沿著凸臺(tái)、肋板以及充填末端產(chǎn)生都產(chǎn)生較多的氣穴，故在模具設(shè)計(jì)時(shí)，充填末端及后模筋位應(yīng)加強(qiáng)排氣。

用Moldflow對(duì)波輪充填流動(dòng)分析結(jié)果顯示改為中線澆口注射后，雖然充填時(shí)間會(huì)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(diǎn)澆口，可以簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)

依據(jù)模流分析的結(jié)果，對(duì)傳統(tǒng)波輪注射模具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用中心澆口進(jìn)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(shí)損傷塑件表面，還減少型芯受到的流動(dòng)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(bǔ)料。

模具結(jié)構(gòu)如圖9所示，該模具為單分型面模具，在A-A分型面打開(kāi)后，系統(tǒng)凝料與塑件留在動(dòng)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(qiáng)模具的排氣效果，采用鑲嵌式型腔結(jié)構(gòu)，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(xiāo)及開(kāi)口頂管的結(jié)構(gòu)形式，既保證不增加動(dòng)模板的厚度，又保證了型芯長(zhǎng)度不增加。

圖9 模具結(jié)構(gòu)圖

塑件成型后可以通過(guò)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(shí)驗(yàn)證明洗衣機(jī)的噪音下降，動(dòng)平衡性變好，波輪轉(zhuǎn)動(dòng)滯后性減小，這是對(duì)洗衣機(jī)性能好壞的最直接評(píng)價(jià)指標(biāo)。且模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行通暢，并可保證制品表面質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、耗能少。

圖10 中心澆口及去除澆口形式

5 結(jié)論

通過(guò)Moldflow軟件對(duì)生產(chǎn)使用中模具的充填方案進(jìn)行充填分析，通過(guò)模擬分析結(jié)果得到塑件出現(xiàn)的缺陷原因，在模流分析結(jié)果指導(dǎo)下確定了合理的充填方案，優(yōu)化了模具結(jié)構(gòu)，對(duì)模具設(shè)計(jì)過(guò)程具有重要的指導(dǎo)意義。結(jié)合CAE的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可顯著提高模具設(shè)計(jì)水平、縮短設(shè)計(jì)周期、降低成本、確定合理工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量。

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