Практика показывает, что для функционирования пластиковых зубчатых колес особую опасность представляет их коробление после литья, вызванное неравнотолщинностью детали, усадкой материала и анизотропией свойств, обусловленной присутствием волокнистого наполнителя. При этом проблему представляет не столько радиальная деформация отливки при короблении, сколько осевая или их сочетание – как в объекте анализа, представляющем собой ведущее зубчатое колесо или, иначе, шестерню (рис. 1).
Постановка задачи
Целью первого этапа совместного проекта было оптимизировать геометрию детали еще до изготовления литьевой формы таким образом, чтобы в первую очередь уменьшить осевую деформацию зубчатого колеса вследствие его усадки. Для этого было использовано программное обеспечение (ПО) Sigmasoft Virtual Molding, разработанное фирмой Sigma Engineering специально для моделирования и оптимизации процессов литья под давлением.
Заказчик представил следующие исходные данные:
- чертеж детали в виде ее 3D-модели;
- значения массы и диаметра детали – около 5 г и 30 мм соответственно;
- сведения о перерабатываемом материале – PPS-GF40 (полифениленсульфид, наполненный 40 % стекловолокна).
Цифровая модель детали была импортирована в ПО, где для нее было создано соответствующее оформляющее гнездо с тремя впускными литниками, в которое виртуально осуществлялся впрыск расплава PPS-GF40 с рекомендуемыми для него параметрами литья (температура и давление литья, время заполнения формы и охлаждения отливки и др.).
Целевым критерием оптимизации служила разница DZ осевых деформацией выбранных для измерения опорных точек на внешней и внутренней поверхностях детали (рис. 2), а целью оптимизации – минимизация DZ для достижения хорошей плоскостности зацепления.
Решение задачи
Предварительные расчеты показали, что наибольшим потенциалом для минимизации величины DZ обладают ребра жесткости на поверхности шестерни, которые условно не представлены на рис. 2, но видны на титульном фото. Поэтому на следующем этапе оптимизации была определена наилучшая конструкция этих ребер. В этих целях был разработан план виртуального полного факторного эксперимента (ПФЭ), в котором варьировались на нескольких уровнях значения следующих трех факторов:
- количество ребер – от 6 до 12 с шагом 1 (всего 7 уровней);
- высота ребер – от 0,6 до 1,2 мм с шагом 0,1 мм (всего 7 уровней);
- ширина ребер: от 0,8 до 1,2 мм с шагом 0,1 мм (всего 5 уровней).
Отсюда нетрудно подсчитать общее количество виртуальных опытов:
7 · 7 · 5 = 245.
Представленные на рис. 3 результаты виртуального ПФЭ, проведенного практически мгновенно с помощью ПО Sigmasoft Virtual Molding, показывают, что в итоге оптимизации количества и размеров ребер жесткости величина DZ снизилась с 0,19 до 0,02 мм при 12 ребрах, т.е. примерно на 90 %. Это положительно сказалось и на общей размерной точности шестерни (рис. 4).
![Рис. 3. Результаты виртуального ПФЭ (пояснения – в тексте статьи)
Delta Z [-] = Z, мм
Design ID [-] = Номер опыта](https://polymerbranch.com/wp-content/uploads/2024/12/aol-1024x569.webp)
Delta Z [-] = DZ, мм
Design ID [-] = Номер опыта
Коробление деталей, подобных шестерне, зависит также, как упоминалось, от анизотропии структуры материала, наполненного короткими волокнами, на которую, в свою очередь, влияет количество впускных литников, равномерно распределенных по периметру шестерни. На рис. 5 для примера представлено смоделированное также с помощью ПО Sigmasoft Virtual Molding распределение волокон в шестерне при трех, четырех и пяти точках впрыска. Более равномерное распределение волокон и, соответственно, более гомогенная структура материала наблюдается при четырех и пяти впускных литниках, но ненамного по сравнению с тремя. Поэтому из соображений более простой конструкции формы и экономии материала за счет меньшего количества литников было решено рекомендовать заказчику остановиться на литниковой системе с тремя точками впрыска.
Настоящая работа представляла собой лишь первый этап выполнения совместного проекта. Полная конструкция литьевой формы с ее плитами и контурами нагрева и охлаждения стала объектом проектирования на последующих этапах, проведенного также с помощью ПО Sigmasoft Virtual Molding, которое позволяет свести к минимуму потери времени и материала при конструировании литьевых изделий и форм.
В данном случае результаты работы позволили выпустить пластиковые шестерни надлежащего качества уже при первой приемке литьевой формы и перейти затем к их серийному производству
(см. титульное фото).
Заключение
Представленный в статье пример использования ПО Sigmasoft Virtual Molding является лишь одним из многих при проектировании и оптимизации литьевых изделий, форм и процессов литья. Этот инструмент моделирования успешно используется, например, в следующих целях:
- для быстрого определения давления впрыска, времени охлаждения отливки или раннего обнаружения критических проблем;
- для оптимизации конструкции литьевых деталей, как в описанном случае;
- для проектирования литьевой формы с оптимизацией течения расплава, теплового баланса и расположения литников;
- для анализа заполнения литьевой формы и его последствий (ориентация волокон, усадка и коробление, холодные спаи и другие дефекты);
- для моделирования процесса литья.
В последнем случае ничто не мешает пользователю без каких-либо материальных затрат «эксплуатировать» литьевую форму в течение любого количества циклов и оценивать тем самым уже на этапе проектирования стабильность процесса литья в условиях как бы серийного производства.
Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 1 (308) 2025 г., с. 26-28.
