基于CAE技术的聚氨酯弹性体制品模浇口设计分析

宫纪明，李一平

淮北职业技术学院计算机科学技术系，安徽淮北，235000

浇口是浇注系统的重要组成部分，是连接分流道和型腔的接口［1］，是一段截面很小的料流通道，处理过的填充料经由流道通过浇口注入型腔。浇口的数目和位置的选择对产品的外观和质量有很大的影响，如影响到气穴、熔接痕、浇口痕迹的数目以及它们出现的位置；另外，对生产条件和工艺要求也有很大区别，像注射压力、锁模压力、螺杆速度等都与浇口的设计有很大关系，这些因素也会影响到产品的质量，因此浇口的优化设计重要。本文利用CAE技术的重要分析软件Moldflow，并结合实例，对浇注模的浇口位置和数目进行模拟设计和分析，根据分析结果，将各项指标都理想的方案确定为最终的浇口优化方案。

1 浇注成型过程的理论基础

利用CAE技术可以实现浇注成型的模拟过程，这是在高分子材料流变学、连续介质力学、弹性力学、热传导学等基础上通过计算机技术针对熔体的流动和传热的建模过程。根据浇注成型过程中的温度、压力和速度等数据，利用数值计算的方式建立定量求解方法。根据所建立的数据模型和定量求解方法，通过计算机图形学形象地模拟浇注过程中熔体的流动和冷却过程。

本文浇口优化设计的模型属于薄壁形，三维薄壁型模的充填控制方程［2-3］如下式所列。连续性方程：

x方向动量方程：

y方向动量方程：

能量方程：

2 浇注模浇口的优化设计

浇注模浇口优化设计的目的是使熔体能够匀速、均衡且几乎同时到达型腔的边缘，从外观看没有明显的气穴，能减少熔接痕的产生并且在受力薄弱的地方不能出现，产品的翘曲很小或在可接受的范围内。

2．1 待优化模型的建立

本文选择的优化模型是长方体的顶灯面罩，三维尺寸是250mm×4mm×710mm，材质是聚氨酯板，以Fusion方式导入Moldflow分析软件，网格划分后的模型如图1所示，网格统计结果如图2所示。划分后的三角形数目为4 812，最大纵横比为2．896，匹配比为95．3%，均满足了在后续优化过程中所作分析需满足的先决条件。

图1 网格划分后的模型

图2 网格统计结果

2．2 浇注系统的建立及相关分析

利用Moldflow分析软件，可以预测出该顶灯面罩的最佳浇口位置，如图3所示。由于浇口位置不能设在面罩的表面，所以只能在侧面选择浇口的位置［4］，根据最佳浇口位置分析，选择Z方向某侧面的中心作为浇注口建立浇注系统，如图4所示。

图3 最佳浇口位置

图4 单浇口浇注系统

对该模型进行“冷却＋流动＋翘曲”分析，充填时间如图5所示，总充填时间为103秒，四个边角最短时间为84．42秒，最大时间为102．6秒，相差约18秒；速度／压力切换时的压力如图6所示，整个型腔的压力几乎为零，且图中有灰白的地方，与该位置对称的地方也有灰白，也就是说这两个位置没有填充满；气穴和熔接痕都在侧表面；翘曲量如图7所示。根据上面的分析结果可以看出气穴和熔接痕是理想的，但是熔体到达型腔边缘的时间相差得很大，且有没有填满的地方，翘曲量也有待减小，因此，不仅需要加大注射压力，同时需要调整浇口的位置和数目，以实现浇注系统的优化。

图5 充填时间

图6 速度／压力切换时的压力

图7 翘曲变形

2．3 浇口的优化设计

根据模型的特点和前面分析的结果，选择两个浇注口的浇注系统，方案A是两个浇注口位于Z方向的同一侧面，如图8所示；方案B是选择Z方向的两侧中心点作为浇口，建立浇注模型如图9所示。

图8 方案A的浇注系统

图9 方案B的浇注系统

分别对这两个方案作“冷却＋流动＋翘曲”分析，方案A的边角填充时间差比之前有所减小，速度／压力切换时的压力图显示没有灰色的地方，型腔已填充满；气穴、熔接痕和翘曲如图10所示。方案B的充填时间差相比较小了很多，但是速度／压力切换时的压力显示有灰白的地方，型腔没有完全填充；气穴、熔接痕和翘曲如图11所示。

图10 方案A的浇注系统

图11 方案B的分析结果

通过实验比较，两个优化方案的气穴都在边缘，利于排气，方案A中熔体到达边缘的时间差比方案B的大，但是，该方案的型腔都填满了；熔接痕都出现在侧面，并且值都很小，可通过提高其出现位置所在区域的局部温度来改善；另外，它的翘曲变形也比方案B的小很多。而在方案B中，边缘有没有填充到的地方；并且熔接痕出现在制品的两个表面，这对产品的质量有非常大的负面影响，是不允许出现的；另外其翘曲变形量比方案A的大。综上所述，方案A的优化效果更好，所以将它作为本实验最后的优化方案，即采取在Z方向的同侧取等间距的两个点作为浇口的设计方法。

3 结束语

浇口优化设计的内容很多，如浇口的位置、浇口的数目、浇口的尺寸和形状等［5］，并且要将优化的模拟实验和试模相结合，在试验中发现可能出现的问题，针对这些问题进行优化；然后在实践中检验这些优化方法的效果，反复改进，比较后从中选择效果最好的设计方案作为最终的优化方案。在本文中，主要是对浇口的数目和位置进行了优化设计，通过实验效果可以看出优化效果很好；下一步要进行的工作是进行试模，以检验实际的优化效果。

［1］李娟娟．浇注型聚氨酯弹性体制品的模具设计［J］．聚氨酯工业，2002，17（1）：30-33

［2］王刚，单岩．模具分应用实例［M］．北京：清华大学出版社，2005：8-12

［3］芦亚萍．大圆角洗衣机箱体成型模具主要参数计算方分析［J］．江苏理工大学学报：自然科学版，2011，22（3）：41-44

［4］秦志燕．浇注聚氨酯弹性体制品生产中的气泡问题［J］．聚氨酯工业，1995（2）：36-40

［5］姜开宇，苏同义，王敏杰，等．大型浇注型聚氨酯弹性体制品收缩率的研究［J］．塑料工业，2005，33（3）：42-45