澆口布置對齒輪軸注塑成型影響的研究

三峽大學科技學院 湖北 宜昌 443002

緒論

隨著工程塑料快速發展和在工業領域的廣泛應用，在力學性能達標的前提下，越來越多的產品構件采用塑料代替金屬材料，以便獲得更高的經濟效應，同時還能降低產品重量。

自計算機有限元模擬技術誕生以來，各種有限元模擬仿真分析軟件被開發出來并投入到生產實踐中去，通過有限元模擬仿真分析，能提前預見產品研制過程中可能遇到的各種問題，加快產品的開發周期，降低研發成本。

在注塑成型領域，Moldflow模擬分析軟件問世以來，因其強大的數值分析、可視化前后處理和用戶項目管理等能力而備受用戶的青睞。

1 齒輪軸注塑成型仿真模擬

依次經過創建工程、導入CAD模型、劃分網格、網格優化后在Moldflow中完成模型的建立，本次使用聚丙烯作為分析材料，定義相關參數后，確定分析類型并且設定澆口位置、布置冷卻系統后開始仿真模擬，初始采取兩個澆口對稱布置在齒輪軸軸兩側的方式進行[1]。

2 結果分析

圖1 兩個澆口對稱布置的仿真結果

由圖1可知，整個模型的填充時間約為1.57秒，澆口附近和遠離澆口的軸端面時間差約為1.57秒，差距較大，填充不均勻。

距離澆口近端溫度略高于遠端，溫差僅為0.2℃，由此可知在充型過程中，料溫變化不大，分布較為均勻。

距澆口近的軸端面最先凝固，而齒輪中心部分最后凝固，兩者時間差16秒，制件完全凝固需要26.91秒。

氣穴主要集中在齒輪軸的兩個軸端面。

充型壓力最大值出現在1.54秒左右，約為2.14MPa，制件兩端的充型壓力差別較大，不平衡。

熔接痕可能出現在兩澆口連線的中垂線上齒輪和軸過渡的部位，共有兩道。

進水口和出水口溫差僅為0.03℃，說明冷卻效果好，但冷卻介質的利用效率不高[2]。

翹曲總變形的極大值出現在齒輪軸距澆口的遠端，變形量約為0.23mm；變形的極小值出現在澆口所在齒輪面上，變形量約為0.1mm。

3 增加一對澆口的結果分析

在原有澆口基礎上，增加一對澆口，兩邊對稱布置，其余條件不變，進行模擬仿真分析。得到如下結果：

圖2 四個澆口對稱布置的仿真結果

由圖2可知，整個制件被充填滿需要約1.57秒，澆口附近和軸遠端的時間差約為1.57秒，差距較大，填充不均勻[3]。

距離澆口近端溫度略高于遠端，溫差僅為0.2℃，由此可知在充型過程中，料溫變化不大，分布較為均勻。

距澆口近的軸端面最先凝固，而齒輪中心部分最后凝固，兩者時間差15.75秒，制件完全凝固需要26.66秒。

氣穴主要集中在齒輪軸的兩個軸端面。

充型壓力最大值出現在1.54秒左右，約為2.05MPa，制件兩端的充型壓力差別較大，不平衡，容易產生變形。

熔接痕可能出現在各澆口之間齒輪和軸過渡的部位，共有四道。

進水口和出水口冷卻介質溫差為0.03℃，冷卻效果較好，但冷卻效率低下。

翹曲總變形的極大值出現在齒輪軸距澆口的遠端，變形量約為0.23mm；變形的極小值出現在澆口所在齒輪面上，變形量約為0.1mm[4]。

4 減少一個澆口的結果分析

圖3 一個澆口的仿真結果

由圖3可知，整個制件被充填滿需要約1.57秒，澆口附近與軸遠端兩者時間差約為1.57秒，差距較大，整個制件的填充都不均勻。

澆口附近端溫度略高于軸距離澆口的遠端，溫差僅為0.3℃，在充型過程中，料溫變化不大，但分布不是很均勻[5]。

距澆口近的軸端面最先凝固，而齒輪中心部分最后凝固，兩者時間差16.25秒，制件完全凝固需要27.41秒。

氣穴主要集中在齒輪軸的兩個軸端面，齒輪遠離澆口的齒端，數量較多。

充型壓力最大值出現在1.54秒左右，約為2.36MPa，制件澆口附近和齒輪遠端的充型壓力差別較大，不平衡。

熔接痕可能出現在各澆口另一側齒輪和軸過渡的部位，共有一道。

進水口和出水口冷卻介質溫差為0.03℃，冷卻效果較好，但冷卻效率低下。

翹曲總變形的極大值出現在齒輪軸距澆口的遠端，變形量約為0.23mm；變形的極小值出現在澆口所在齒輪面上，變形量約為0.1mm[6]。

5 結束語

表1 不同澆口數各項目情況

通過對齒輪軸聚丙烯制件的模擬仿真，比較了不同澆口數量在填充時間、流體前沿溫度、凝固時間、氣穴、充型壓力、熔接痕、冷卻介質溫度和總翹曲變形量八個方面對成型的影響：①填充時間：三種方案差別不大；②流體前沿溫度：三種方案差別不大，物料溫度分布單澆口相對不均勻；③凝固時間：單澆口的凝固時間差最長；④氣穴：單澆口填充出現了大量氣穴；⑤充型壓力：單澆口的最大充型壓力最大；⑥熔接痕：4澆口的熔接痕數量最多；⑦冷卻介質溫度：三種方案基本一致；⑧總翹曲變形量極大值：三種方案基本一致。

綜上所述，對于該齒輪軸零件，澆口數目對于凝固時間、氣穴、最大充型壓力、熔接痕數目具有明顯的影響；對于填充時間、流體前沿溫度、冷卻介質和總翹曲變形量的影響不大。單澆口氣穴多、填充不均勻較為明顯，所需最大充型壓力較大，不宜采用；增加對稱布置的澆口有助于緩和填充不均勻，減少氣穴，縮短凝固時間，但進一步增加澆口，其改善作用不明顯，還會增加熔接痕數目，使設備復雜化。所以兩個對稱布置的澆口對于齒輪軸的成型效果為最佳。