焦冬梅，楊秀國

(1.青島科技大學(xué)機電工程學(xué)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(nèi)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(shù)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(shù)外，波輪作為體系主要旋轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)）作為一種先進的設(shè)計手段，在橡塑模具設(shè)計過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、試模、修改、試模的設(shè)計流程，在模具生產(chǎn)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(yù)測生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷，在設(shè)計早期及時發(fā)現(xiàn)問題、優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)[4]，從而在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時，降低開發(fā)成本，縮短設(shè)計周期。

傳統(tǒng)波輪生產(chǎn)采用多點澆口模具成型，波輪在使用中，在高速旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)現(xiàn)脫水時波輪運轉(zhuǎn)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(dǎo)致動平衡差、旋轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，同時產(chǎn)品還有翹曲變形、次品率高等現(xiàn)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(xiàn)的原因，并在各種分析結(jié)果的指導(dǎo)下進行了模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)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(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，塑件公差等級為M5級，內(nèi)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(dǎo)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(wǎng)格（fusion）形式對模型進行網(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(wǎng)絡(luò)劃分合理，保證了計算順利進行并得到較高精度的分析結(jié)果。

圖1 波輪的實體模型

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(jié)構(gòu)，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(chǎn)品質(zhì)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(jié)束時，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(jié)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(jié)束，這也就造成了塑件壁厚不一致，力學(xué)強度不均勻的缺陷，這也是導(dǎo)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(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)生內(nèi)應(yīng)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(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(xiàn)象，這也是部分塑件在使用過程中出現(xiàn)斷裂的原因，同時也會造成波輪高速旋轉(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邊緣，且數(shù)量少、短，對產(chǎn)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(shù)，決定著塑件質(zhì)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(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(chǎn)生都產(chǎn)生較多的氣穴，故在模具設(shè)計時，充填末端及后模筋位應(yīng)加強排氣。

用Moldflow對波輪充填流動分析結(jié)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(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，對傳統(tǒng)波輪注射模具進行優(yōu)化設(shè)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(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(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，采用圓銷及開口頂管的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單、運行通暢，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Moldflow軟件對生產(chǎn)使用中模具的充填方案進行充填分析，通過模擬分析結(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)，對模具設(shè)計過程具有重要的指導(dǎo)意義。結(jié)合CAE的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計可顯著提高模具設(shè)計水平、縮短設(shè)計周期、降低成本、確定合理工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量。

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