搜索Autodesk Moldflow在改善齒環真圓度變形中的應用
2013-06-24 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
作者:Autodesk Moldflow中國 李建
由於含玻纖增強的PA66在生產塑料齒輪類對真圓度要求極高的產品時,往往會出現橢圓化變形,從而影響產品的品質。本文針對一個典型的電動工具內部的傳動齒環的變形問題,介紹如何借助Autodesk? Moldflow?強大的視覺化分析功能,實現一次改模便可解決產品的品質問題。
PA66材料具有很好的抗沖擊性、高強度和高溫穩定性,特別是在添加玻纖增強後,機械性能可以進一步提高,因此PA66被廣泛的應用於塑膠齒輪的生產中。但是,由於含玻纖增強的PA66在收縮上具有明顯的各項異性,所以在生產塑膠齒輪這類對真圓度要求極高的產品時,往往出現橢圓化變形,影響產品品質,特別是對於要求在高轉速工況下工作的塑膠齒輪。因此塑膠齒輪的真圓度變形問題一直以來都是電動工具制造商及其供應商需要面對并解決的重要問題。
本文針對一個典型的電動工具內部的傳動齒環的變形問題,借助Autodesk? Moldflow?強大的視覺化分析功能,找出導致產品橢圓化變形的主要原因,試驗并確認有效的解決方案,實現一次改模便可解決產品的品質問題。
案例描述
圖1所示為電動工具上的傳動齒環,產品外形尺寸為:?36.5mm* 10.2mm,為內外雙層齒形。
圖 1 齒環產品實物
材料為:PA66+50%GF,BASF,Ultramid A3EG10,產品內外齒型的真圓度要求小於0.10mm。該產品年需求量為1000萬件,最初的模具方案如圖2所示為8點進膠,1模兩腔。
圖 2 模具設計方案
該產品由於產量較大,為提高產量需要做一模兩腔。據廠商敍述,該產品為達到設計尺寸要求,澆口數量從3個一直增加到8個,但依然無法滿足尺寸要求。在8點進膠的情況下,產品的真圓度跳動將近0.2mm,超出設計要求近1倍。
為找出導致產品真圓度問題的主要原因,我們在MPI中構建了與實際情況完全相同的分析模型,并采用實際的成型工藝參數進行了模擬。
產品變形的原因分析:
在Autodesk? Moldflow?中,我們借助軟件強大的分析功能,對產品的填充樣式,產品各區域的收縮分布,產品的凝固過程以及產品的變形情況及導致變形的主要原因等各個方面都做了細致的分析,從而準確的判斷出導致產品變形的主要原因。
產品變形情況
圖 3 產品的變形結果
產品變形的結果如圖3所示,變形結果與產品的實際情況比較一致。產品水平方向為主流道方向。同時Autodesk? Moldflow?還能找出導致產品變形的原因,以及各因素對總的變形量的影響大小,以便於找出導致產品變形的主要原因。產品的變形原因分析如圖4所示。
圖 4 產品的變形原因分析
從圖3所示的放大10倍後的變形結果可以看到,產品有明顯的橢圓化趨勢。從圖4的變形原因分析中可以看到,雖然材料的收縮對產品的尺寸變化影響最大,但導致產品出現橢圓化變形的真正原因卻是玻纖的排布。因此要解決產品真圓度的問題,就必須先了解玻纖在產
品中的排列情況。
產品內部的玻纖分布情況
Autodesk? Moldflow?可以幫助用戶了解到玻纖在產品內部的排列情況,從而判斷收縮的分布差異。從玻纖分布情況分析我們看到,在靠近主流道位置的澆口區域,玻纖的排列與其他區域完全相反,玻纖出現了橫向排列,而其他區域的玻纖幾乎都是豎直排列。我們知道,沿著玻纖排列方向的收縮小,垂直玻纖排列方向的收縮大,因此,產品在整個環面上的收縮就出現了差異。這就是導致產品出現橢圓化變形的主要原因。
而玻纖的排列方向主要受到流動剪切力的影響,因此玻纖排列的差異說明產品的填充過程中有明顯的不平衡現象,從而使靠近主流道位置的膠料出現了整體橫向流動。要了解玻纖排列異常的原因我們需要進一步研究產品的充填模式。
產品的填充樣式
對於如圖2所示的澆注系統,我們一般認為靠近主流道的澆口的填充速度會比較快,因為其流程短,在同等條件下壓力損失會比較小,因此該澆口所在的區域應首先填滿。但通過分析我們發現,該澆口所在的區域卻是最後才充滿的,即在該區域有嚴重的滯流發生。
再分析產品充填過程中的料峰溫度分布,我們看到,該區域料峰溫度有10度左右的降低,對於含玻纖較高的材料,10度的溫度降低將明顯影響材料的流動性能,使該區域流速減慢,成為最後充填完成的區域。所以,該產品變形的真正原因是因為充填過程中的滯留導致膠料在填充末端出現不規則流動,從而破壞了玻纖排列的對稱性和均勻性,引起膠料在垂直於齒環軸線方向出現局部的收縮差異,最後導致產品出現橢圓化變形。
改善方案
針對該產品,要提高產品的真圓度,就需要改善目前由於模具設計方案不合理所導致的流動不平衡問題。針對該產品的特點及模具的要求,我們提出了采用復合流道來改善產品的填充情況的方案。從圖5的模擬結果可以看出,復合流道完全可以實現產品的平衡充填。
圖 5 復合流道的充填模式
從圖6的結果可以看到,流動平衡後玻纖在產品內的排列變得極為規則和完全對稱分布,這有利於最大限度的降低產品的收縮差異,提高產品的真圓度。變形結果(圖7)也驗證了這一點,通過平衡流動,改善玻纖排列後,產品的真圓度跳動降低了58%,產品的尺寸滿足了設計要求。最後廠商根據這一方案進行模具的改善,一次試模即獲得了成功。
圖 6 平衡後的玻纖分布
圖7 平衡後的變形分布
小結
流動平衡是進行澆注系統設計時的第一準則,即使是細小的充填不平衡也會極大的影響到填充的樣式、玻纖的排列、剪切應力的分布以及收縮的差異,流動不平衡引起的變形是業界經常遇到的問題,而對於尺寸要求較高的產品尤其明顯;同時對於多點進膠的3板模,由於主流道和分流道搭接的原因常常會出現流動的不平衡,這也是業界較難解決的問題之一。以往廠商往往采用調整澆口大小的方法來改善流動平衡,本案例通過采用復合流道設計方案,較好的解決了這一難題。
同時也可看到,通過采用先進的模流分析工具,我們可以將以前需要憑經驗判斷的東西資料化,并從微觀的角度了解產品內部的玻纖排列情況,從而極大的方便用戶對問題的把握,便於在最短的時間內找到最有效的改善方法,縮短產品的開發周期,降低開發成本。(end)
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