多型腔注塑模流動平衡分析與計算.doc

摘 要長期以來，我國的注塑模具設(shè)計主要依靠設(shè)計者的經(jīng)驗、直覺，通過大量的反復(fù)試模、修模，然后不斷的修正改進原有的設(shè)計方案來完成的。這樣就造成注塑成型工藝缺乏科學(xué)依據(jù)，具有很大的盲目性。這樣不僅是模具的生產(chǎn)成本及生產(chǎn)周期增高增大，而且注塑模的質(zhì)量也很難保證，由此帶來的市場效應(yīng)大幅度降低，從而喪失了競爭力。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展完善及應(yīng)用到注塑成型上，帶來了眾多好處。CAE技術(shù)的應(yīng)用不僅省時省力而且減少試模、修模次數(shù)、降低模具的報廢率，縮短模具設(shè)計、生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。我國的塑料制品行業(yè)在設(shè)計和制造的手段上應(yīng)加大投入與國際先進水平接軌。本論文探討了CAE軟件的注塑模擬原理，重點介紹了Moldflow系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運用。闡述了如何使用Moldflow軟件對注塑系統(tǒng)的設(shè)計及理論計算方法，包括澆口位置的選擇及流動平衡的分析與計算等。從而選出最優(yōu)化方案。此次分析研究將對注塑成型工藝的發(fā)展起到指導(dǎo)意義。關(guān)鍵字：CAE；Moldflow系統(tǒng)；工藝參數(shù)；注塑成型工藝；優(yōu)化方案AbstractLong-term since, our country of injection mold design mainly rely on the designers experience, intuition, through a lot of repeated testing molds repairing mold, and then continuously modified to improve the traditional design scheme to finish. That would give injection molding process lack of scientific basis, have a lot of blindness. So not only is mould cost of production and production cycle increase increased, and it was difficult to ensure that the quality of injection mold, which has greatly reduce market effect, thus lost competitiveness. Along with the development of CAE technology improvement and application to the injection molding, and brought many benefits. The application of CAE technology not only saves time and effort and to reduce the number of mould, try mode, reduce scrap rate of the die, shorten the mould design, production cycle, reduce production cost, improve the quality of products. The plastic products industry in China in the design and manufacture of means should be increasing investment and the advanced international level standards. This paper discusses the CAE software simulation principle of plastic injection, this paper introduces the system structure and using Moldflow. Expounds how to using Moldflow injection system software to design and theoretical calculation methods, including gate location selection and flow analysis and calculation of balance, etc. So that choose the optimum scheme. The analysis and study of plastic moulding technology will play a guiding significance to the development of.Key Words: CAE; Of Moldflow System; Process Parameters; Injection Molding Process; Optimization Program目 錄摘 要1Abstract2引 言5第一章 緒論71.1 注塑成型CAE技術(shù)的作用及意義71.2 注塑模CAE技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀81.3 注塑模CAE技術(shù)的發(fā)展趨勢101.4 注塑模CAE技術(shù)的理論方法及應(yīng)用111.5 本文研究的主要內(nèi)容12第二章 注塑模擬CAE的原理142.1 Moldflow系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)14第三章 實例：鼠標(biāo)組合型腔流動平衡分析與計算163.1 概述163.2 上蓋的澆口位置分析193.2.1 分析前處理193.2.1.1 項目創(chuàng)建和模型導(dǎo)入193.2.1.2 網(wǎng)格模型信息查看213.2.1.3 分析類型的設(shè)定223.2.1.4 材料選擇223.2.1.5 工藝參數(shù)的設(shè)定233.2.2 分析計算233.2.3 結(jié)果分析243.3 下蓋的澆口位置分析253.3.1 模型導(dǎo)入253.3.2結(jié)果分析263.4 組合型腔的填充分析273.5 組合型腔的流動分析（優(yōu)化后）28第四章 實驗數(shù)據(jù)分析304.1 正交實驗法304.2 實驗分析與計算304.2.1 基本分析模型的導(dǎo)入304.2.2分析計算334.2.3分析結(jié)果354.3實驗數(shù)據(jù)分析36第五章 結(jié)論與展望48第六章 主要參考文獻50致 謝52引 言塑料制品的高質(zhì)量在實際生產(chǎn)及應(yīng)用中具有重要意義，而影響塑料件質(zhì)量的因素較多。當(dāng)提出某一種塑料件的使用性能和其它有關(guān)要求后，首先應(yīng)在經(jīng)濟合理和技術(shù)可行的原則下，選擇最合適的材料、生產(chǎn)形式、注射設(shè)備及模具結(jié)構(gòu)。當(dāng)這些條件確定之后，工藝條件的選擇和控制就是主要考慮的因素。注射成型工藝條件最主要的因素為溫度、壓力和時間。因此，如何合理的制定和控制工藝參數(shù)，達到保證制品質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率的目的，近年來已成為人們研究的重點。本文對主要的工藝條件如何影響塑料制品的質(zhì)量作了探討，借助注塑工程分析軟件對塑料制品的成型過程進行模擬，可以合理確定這些工藝參數(shù)。注塑模擬分析軟件Moldfow的造型功能較弱，難以對復(fù)雜制件進行造型。本文以鼠標(biāo)為例，首先對于給定的塑料件進行分析，采用三維造型軟Pro/E 造型，特征建模，生成IGS或STL格式文件，再將模具的特征模型送至數(shù)值分析部分，進行流動、保壓、冷卻、翹曲等分析。經(jīng)多次模擬分析比較，得出合理的優(yōu)化工藝參數(shù)，有效地改善了設(shè)計質(zhì)量，對注塑模具的設(shè)計及塑料制品的生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。本文的研究方向：a對澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的研究。主要闡述了如何使用CAE優(yōu)化澆注系統(tǒng)，闡述了塑件澆注系統(tǒng)設(shè)計的理論計算方法，包括平衡布置流道系統(tǒng)、 非平衡布置和單型腔多澆口模具的流道系統(tǒng)，并就非自然平衡流道系統(tǒng)的情況作了舉例分析。還闡述了澆口設(shè)計的相關(guān)準(zhǔn)則，包括澆口的類型選擇，澆口尺寸及澆口位置的確定，并通過舉例作了分析說明。b對注塑工藝參數(shù)確定及對塑件質(zhì)量的影響的研究。對模溫控制系統(tǒng)作了介紹，并探討了模具溫度和注射溫度對制品的影響；分析研究了壓力對注射成型的影響，探討了保壓曲線的確定方法；討論了時間參數(shù)的確定。通過模擬分析得出如下結(jié)論：欲防止收縮，需采用低模溫，延長冷卻時間，降低充填速度，增大保壓壓力；欲提高成型效率，可采用低模溫，快速充填，但這樣會導(dǎo)致溫度分布不均，引起翹曲變形；為提高尺寸的穩(wěn)定性，可保持高樹脂溫度，低模溫，快速充填；對于注射加工薄壁長流程制件，要求高聚合物熔體有較好的流動性，以保證物料充滿模腔，為此對不同物料須采取不同方法。c以鼠標(biāo)為例，對塑料制品的成型工藝設(shè)計過程作了分析研究，并分析得到優(yōu)化的工藝設(shè)計參數(shù)，對實際模具的制造和改進具有指導(dǎo)意義。但不同的塑料制品，不同的模具，其成型過程中出現(xiàn)的問題是不同的，須比較分析才能確定，還需根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況可加以修正，以符合實際生產(chǎn)的要求。第一章 緒論1.1 注塑成型CAE技術(shù)的作用及意義隨著塑料行業(yè)的迅速發(fā)展，目前在我國的國民經(jīng)濟的各行各業(yè)中都廣泛使用者各式各樣的塑料制品，特別是在交通、通信、建筑行業(yè)、輕工業(yè)行業(yè)、日用品、辦公室用品、汽車、儀器儀表機械制造以及家用電器等零部件1。由于塑料產(chǎn)品的質(zhì)量輕捷便利、精度和強度得到了很大的提高，因此各種工業(yè)塑料零件的使用范圍在不斷的擴大。預(yù)計以后隨著衛(wèi)星計算器和汽車的普及和輕型化，塑料制品的適用范圍將會越來越大。在國防和尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中高新塑料占有很大的比重。同時，隨著世界經(jīng)濟的迅速發(fā)展和人民生活水平不斷提高，人民對塑料產(chǎn)品的品質(zhì)要求將越來越高，而且將不斷的更新?lián)Q代。在短時間內(nèi)開發(fā)出復(fù)雜度和精度非常高的、質(zhì)量高的、價格合理的塑料產(chǎn)品，才能占據(jù)有利的地位。塑料注塑成型工藝是生產(chǎn)塑料制品的主要手段之一。由于注塑模具適用于高效率、大批量生產(chǎn)、一次成型形狀復(fù)雜、尺寸準(zhǔn)確的產(chǎn)品，所以其適用范圍越來越廣泛。據(jù)統(tǒng)計，塑料模具約占模具的40.0%以上。想要在成千上萬種材料、千變?nèi)f化的模具以及錯綜復(fù)雜的工藝中找到理想的組合，傳統(tǒng)的注塑模設(shè)計是很難在短時間內(nèi)完成的，所以我們就要借助于高科技手法Moldflow系統(tǒng)來輕松完成。計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）技術(shù)能夠使模具設(shè)計人員從繁重的勞動中解脫出來。多年來，人們一直期望能預(yù)測注塑成型時塑料熔體在模具型腔中的流動情況及塑料制品在模具型腔內(nèi)的冷卻、固化過程，以便在模具制造之前就能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，以便修改圖紙而不是返工修改模具。注塑模CAE技術(shù)的出現(xiàn)，使人們的這一愿望變成現(xiàn)實。計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）能迅速完成各種計算和分析。采用CAD/CAE技術(shù)，則會事半功倍，取得巨大的經(jīng)濟效益2，3。注塑模CAE技術(shù)就是根據(jù)塑料加工流變學(xué)和傳熱學(xué)的基本理論，建立塑料熔體在模具型腔中的流動、傳熱的物理數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值計算理論構(gòu)造求解的方法，利用計算機圖形學(xué)技術(shù)在計算機屏幕上形象、直觀地模擬出實際成型中熔體的動態(tài)填充、冷卻過程，定量的給出成型過程的狀態(tài)參數(shù),如壓力、溫度、速度等4。利用注塑模CAE技術(shù)可在模具制造之前，在計算機上對模具設(shè)計方案進行分析和模擬試模，預(yù)測設(shè)計中潛在的缺陷，突破了傳統(tǒng)的在注塑機上反復(fù)試模、修模的束縛，為設(shè)計人員修改設(shè)計提供了科學(xué)的依據(jù)。CAE技術(shù)的應(yīng)用帶來的直接好處是省時省力、減少試模、修模次數(shù)和模具的報廢率，縮短模具設(shè)計制造周期，降低成本，提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量5。CAE軟件的作用可概括如下：a優(yōu)化塑料制品設(shè)計模具設(shè)計質(zhì)量直接關(guān)系到塑料制品的質(zhì)量、成本及生產(chǎn)周期，則制品可能出現(xiàn)明顯的表面熔接痕、充填不足、凹痕、焦斑、翹曲及殘余應(yīng)力過大等缺陷。塑件壁厚、澆口數(shù)量及位置、注塑模流道系統(tǒng)的設(shè)計等對于塑料制品的成敗和質(zhì)量關(guān)系極大。以往完全依賴于設(shè)計者個人的經(jīng)驗，用手工方法去實現(xiàn)，往往費力、費時，設(shè)計出的制品不盡合理利用注塑模 CAE 系統(tǒng)，可以快速地設(shè)計出最優(yōu)的塑料制品。b優(yōu)化塑料模具設(shè)計每次試模不成功后，往往要修改的是澆注系統(tǒng)。利用注塑模 CAE 系統(tǒng)，可以對澆口位置及尺寸、流道尺寸、冷卻管道尺寸、冷卻管道布置及聯(lián)接方式等進行定量分析，在計算機上模擬試模和修改設(shè)計方案，可以大大提高模具質(zhì)量，減少實際試模次數(shù)。c優(yōu)化注塑工藝參數(shù)注塑模 CAE 系統(tǒng)可以幫助注塑工藝人員確定最佳的注射壓力、鎖模力、模具溫度、熔體溫度、注射時間、保壓壓力和時間、冷卻時間等工藝參數(shù)，以便注射出最佳的塑料制品來6-8。1.2 注塑模CAE技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀近年來模具及塑料加工領(lǐng)域發(fā)展最快的是CAE技術(shù)，通過對成型加工過程進行數(shù)值模擬，研究加工條件的變化規(guī)律，預(yù)測制品的結(jié)構(gòu)和性能，選擇制品、模具設(shè)計及工藝條件的最佳方案，使成型加工從一項實用技術(shù)變?yōu)橐婚T應(yīng)用科學(xué)。如果在塑料的加工過程中的流動、傳熱以及在力場和熱場作用下所出現(xiàn)的物理、化學(xué)變化沒有深入的、科學(xué)的認識，就不能生產(chǎn)出質(zhì)量優(yōu)良的制品。所以各國都非常重視塑料模CAE技術(shù)9。目前注塑模CAD/CAM/CAE技術(shù)在美國、日本、歐洲等國應(yīng)用較廣泛。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計,美國兩萬多家模具專業(yè)化廠約有50%采用了模具CAD/CAM/CAE技術(shù)，數(shù)控機床的占有率為70%。八十年代美國塑料工業(yè)協(xié)會對411家塑料模具廠的調(diào)查結(jié)果，有215家工廠分別采用CAD、CAM或CAD/CAM/CAE集成技術(shù)6-10。日本模具行業(yè)較早引用了模具 CAD/CAE/CAM 技術(shù)。1984 年日本長津機器廠采用CADIAN-Mold 系統(tǒng)設(shè)計照相機外殼等注塑模。該系統(tǒng)包括模架、標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫、流動分析和冷卻分析模塊。設(shè)計者可以在屏幕上顯示模具平面圖、檢查 NC 加工的刀具軌跡,并可用 NC 數(shù)據(jù)直接控制機床來加工模具。目前，日本采用模具 CAD/CAE/CAM 技術(shù)的工廠已達 5060%，數(shù)控機床的占有率以達到全部機床總數(shù)的 3/4 以上。德國的注塑模約有35%采用 CAD/CAM/CAE 技術(shù)，英國約有20%的模具廠采用CAD/CAM/CAE 技術(shù)。表 1.1 注塑模CAD/CAE技術(shù)應(yīng)用狀況Table 1.1 Application Status of Injection Molding CAD/CAE Technique技術(shù)名美國日本德國中國CAD應(yīng)用80%80%75%10%-20%CAE應(yīng)用60%60%60%5%-10%FLOW軟件普及普及普及開始起步COOL軟件普及普及普及開始起步RHD方法已編入CAD/CAE分析軟件已有或開始起步LMD方法已進入商業(yè)化已有理論著作發(fā)表SPD方法已進入商業(yè)化在電子、機械業(yè)有應(yīng)用1978年AustinC推出了第一個注塑成型充填階段的模擬軟件MOULDFLOW。80年代，隨著C_MOLD軟件的問世及其他一些軟件廣泛用于注射成型過程，模具設(shè)計才成為依賴于計算機預(yù)測的工程科學(xué)。80年代中期以來，國內(nèi)開始重視塑料模CAE技術(shù)，經(jīng)過10余年的研究與開發(fā)，現(xiàn)有一些大學(xué)和研究院所已推出一些實用的、商品化軟件。自80年代以來，北美和歐洲的許多研究小組對聚合物熔體流經(jīng)管道、口模和成型設(shè)備的各個方面進行了深入的調(diào)查、研究，推出了關(guān)于聚合物流動的有限元分析軟件FIDAP、POLYFLOW、NEKTON和POLYCAD等。90年代，已將研究重點置于材料的粘彈性、復(fù)雜三維模擬以及取向、殘余應(yīng)力和固化現(xiàn)象的研究。另外，計算方法在雙螺桿擠出、熱成型、薄模吹塑、反應(yīng)注射成型和氣體輔助注射成型的工藝條件設(shè)定方面的應(yīng)用，也成為研究熱點?？梢灶A(yù)見，塑料模 CAE 技術(shù)將被廣泛采用，成為解決塑料成型加工和模具設(shè)計中各類問題的標(biāo)準(zhǔn)工具和手段11-14。1.3 注塑模CAE技術(shù)的發(fā)展趨勢隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及和全球信息化，塑料模 CAE 技術(shù)功能進一步擴充，性能也進一步提高，呈現(xiàn)如下的發(fā)展趨勢。a數(shù)學(xué)模型、數(shù)值算法逐步完善塑料模CAE技術(shù)的實用性，取決于數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確及數(shù)值算法的精確。隨著相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進步，數(shù)學(xué)模型對成型過程的描述更準(zhǔn)確、真實。如聚合物在三維復(fù)雜區(qū)域中的流動、傳熱過程的數(shù)值分析；以及入口收斂效應(yīng)使模具內(nèi)三維流動和出模脹大所用的本構(gòu)關(guān)系更加復(fù)雜，并應(yīng)考慮粘彈性及非等溫性。數(shù)值算法也由二維、二維半走向真三維，計算結(jié)果更為精確15，16。b用戶界面互加好友使CAE技術(shù)更加方便由于計算機技術(shù)及多媒體技術(shù)的發(fā)展，用戶界面具有更強的直觀、直感和直覺性，用戶能以較少的工程知識背景，利用“向?qū)А被蛘Z音等信息提示，實現(xiàn)簡單的“傻瓜”操作。注射模CAE技術(shù)涉及大量的設(shè)計方案、標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件、行業(yè)性的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范以及大量的人類專家知識，利用模糊算法、人工智能及知識工程可自動選擇合理的方案、判斷計算結(jié)果的合理性，減少用戶對計算程序的干涉16，17。c優(yōu)化理論計算方法使CAE技術(shù)“主動”的優(yōu)化設(shè)計現(xiàn)有的CAE技術(shù)是建立在科學(xué)計算的基礎(chǔ)上，但僅僅是校驗設(shè)計方案的合理性，優(yōu)化僅是反復(fù)的校驗、試湊，最終的設(shè)計方案仍需設(shè)計者的經(jīng)驗和技巧，通過對多個方案的反復(fù)計算、比較、分析和判斷來確定，使設(shè)計和分析過程仍帶有盲目性和隨機性。利用現(xiàn)有的模擬結(jié)果，借助于優(yōu)化理論構(gòu)造有效的反問題算法，給出明確的改進方向和尺度，對優(yōu)化模具設(shè)計參數(shù)和成型工藝參數(shù)十分重要?？蓮母旧辖鉀Q依賴經(jīng)驗和技巧的方法和手段16-19。dCAE技術(shù)的集成化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，寬帶通訊技術(shù)的突破，以及通訊、廣播和計算機三網(wǎng)融合步伐的加快，計算機及網(wǎng)絡(luò)正從社會的各個方面改變著人類的學(xué)習(xí)、生活?，F(xiàn)代設(shè)計理論的應(yīng)用，如并行工程等，用戶將需要五峰連接的集成化的軟件，具有專業(yè)特色的CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM/ERP產(chǎn)品將應(yīng)運而生，逐步完成模具及成型加工全過程的模擬及控制，形成“過程工程與技術(shù)”的關(guān)鍵技術(shù)。該計算機與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實時設(shè)計與制造系統(tǒng)的全過程結(jié)合，建立整個制造過程的研究、開發(fā)、規(guī)劃、設(shè)計、實施與控制及管理的新體系。為適應(yīng)電子商務(wù)的發(fā)展要求，塑料模CAE技術(shù)，將立足于全社會的公開網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實現(xiàn)異地的“協(xié)同設(shè)計”及“虛擬制造”，建立專業(yè)化的虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)環(huán)境，并開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，實施網(wǎng)上經(jīng)銷、培訓(xùn)與服務(wù)20。1.4 注塑模CAE技術(shù)的理論方法及應(yīng)用由于塑料的種類和成型方法很多，塑料模CAE技術(shù)的應(yīng)用側(cè)重面有所不同。下面就常用的注射成型、氣體輔助注射成型、擠出成型、吹塑成型和熱成型等，說明現(xiàn)有塑料模 CAE 技術(shù)的理論方法及對工程實際的指導(dǎo)意義。a注塑成型注塑成型是熱塑性塑料成型的一種主要成型方法。注射模CAE技術(shù)按成型工藝過程的特點，分為流動、保壓、冷卻、殘余應(yīng)力及翹曲分析等軟件模塊。流動模擬采用非牛頓流體非等溫下廣義的Hele-Shaw模型描述注射充模過程；用有限元/有限差分算法耦合求解動量守恒方程和能量守恒方程已獲得壓力場、溫度場、速度場；用控制體積法跟蹤熔體的流動前沿；用人工智能技術(shù)自動識別熔接線和氣穴的位置。通過流動模擬可獲得型腔內(nèi)的溫度、壓力、速度及鎖模力等信息，幫助工程技術(shù)人員合理地設(shè)計澆注系統(tǒng),優(yōu)選注射工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的成型缺陷并提出相應(yīng)的對策21，22。b氣體輔助注塑成型氣體輔助注射成型是在傳統(tǒng)的注射成型基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的注射成型工藝，特點在于：在充填階段，當(dāng)型腔填充至70%-95%時，向型腔內(nèi)注入高壓氣體，并使氣體進入型腔；進入保壓階段，繼續(xù)注入高壓氣體，以彌補因熔體冷卻而引起的收縮。在充填階段，由于氣體、熔體兩種性質(zhì)完全不同物質(zhì)的動力學(xué)的相互作用，使得成型過程的模擬非常復(fù)雜，控制方程仍采用非牛頓流體非等溫下廣義的Hele-shaw流動，但在氣熔界面作了假設(shè)，認為氣體、熔體兩相介質(zhì)不混合。這樣，流場的求解變?yōu)閷θ垠w流動方程的求解，僅在氣熔界面上加上氣體壓力的邊界條件。氣熔界面的確定采用粒子跟蹤法或控制體積法23，25。利用氣體輔助注射成型過程的CAE技術(shù)，可幫助設(shè)計、工程人員解決如下問題：發(fā)現(xiàn)氣穴、氣體沖頭等潛在的質(zhì)量問題；確定熔體的最優(yōu)體積、注入氣體的最佳切入時間等工藝參數(shù)；獲得多型腔系統(tǒng)在整個加工過程中的物料及氣體的分布；優(yōu)化氣道、澆注系統(tǒng)的尺寸、布置方案。此外，還有反應(yīng)、擠出、熱成型、壓延、流延模、纖維紡絲過程、吹塑模、涂覆等成型過程數(shù)值模擬也開展了廣泛的工作，對聚合物加工過程的分析和成型設(shè)備的設(shè)計都產(chǎn)生了相當(dāng)大的影響26。1.5 本文研究的主要內(nèi)容本文以注塑分析系統(tǒng)Moldflow為工作平臺，進行了應(yīng)用研究。通過一年多的學(xué)習(xí)及應(yīng)用，對諸多塑料件的成型狀況進行模擬，利用CAE分析結(jié)果，對塑料件的澆注系統(tǒng)、注塑工藝參數(shù)等各方面進行了優(yōu)化，取得了比較滿意的優(yōu)化結(jié)果，得出一些切實可行的解決方案。在論文工作期間，作者進行了鼠標(biāo)的成型過程的分析預(yù)測工作，對小型復(fù)雜及薄壁制件的注塑工藝調(diào)整積累了經(jīng)驗。主要研究內(nèi)容如下：a.注射成型是一個相當(dāng)復(fù)雜的物理過程。一方面，非牛頓的高溫塑料熔體在壓力的作用下，注入溫度較低的型腔；另一方面，由于熔體與模具型腔的溫差導(dǎo)致使注入的熔體快速冷卻，同時伴隨固化、體積收縮及可能的結(jié)晶過程。本文基于注塑模擬CAE的流變學(xué)原理，對成型過程包括充模流動、保壓及冷卻三個階段的模擬分析加以研究。b.澆注系統(tǒng)在注塑成型過程中起著極其重要的作用，澆注系統(tǒng)是否合理，直接影響到制品的表面質(zhì)量，形位尺寸，制品物理力學(xué)性質(zhì)，充模難易程度及熔料在充模時的流動狀態(tài)。本文將針對這個問題加以分析，探討流道及澆口的優(yōu)化設(shè)計，以指導(dǎo)實際生產(chǎn)。c.溫度、壓力和時間是主要的注塑工藝參數(shù)，對制品的內(nèi)在性能和表觀質(zhì)量影響很大。在成千上萬種材料、各種復(fù)雜的幾何造型及各種不同的工藝中，要想找出理想的組合，傳統(tǒng)的注射模設(shè)計方法是很難在短時間內(nèi)實現(xiàn)的。本文就此問題作分析研究，探索合理選擇工藝參數(shù)的方法及針對不同質(zhì)量問題的改進措施。d.通過實例，對CAE技術(shù)在塑料制品生產(chǎn)、塑料模設(shè)計及制造中的應(yīng)用作分析研究，探討其對薄壁塑料制品及幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜制品成型工藝的優(yōu)化方法，通過分析比較流動、保壓、冷卻等模擬結(jié)果，確定生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品的工藝參數(shù)。第二章 注塑模擬CAE的原理注塑成型能一次成型形狀復(fù)雜，尺寸精度要求較高的塑料制品。適合高效率、大批量的生產(chǎn)方式，已發(fā)展成為熱塑性塑料最主要的成型加工方法。注射成型是一個相當(dāng)復(fù)雜的物理過程。一方面，非牛頓的高溫塑料熔體在壓力的作用下，注入溫度較低的型腔；另一方面，由于熔體與模具型腔的溫差導(dǎo)致使注入的熔體快速冷卻，同時伴隨固化、體積收縮及可能的結(jié)晶過程。其成型過程包括充模流動、保壓及冷卻三個階段。注塑模的CAE是從狹義出發(fā)，主要是在設(shè)計模具之前對熔料的流動情況、壓力分布和冷卻過程等進行模擬，以獲得實現(xiàn)最佳充填的模具結(jié)構(gòu)21,27。2.1 Moldflow系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在注塑成型中，如果模具設(shè)計不合理則可能在塑件表面出現(xiàn)熔接縫、充填不足、表面燒傷、翹曲、縮痕及殘余應(yīng)力等缺陷。一旦模具制造完成后發(fā)現(xiàn)上述缺陷，對模具進行修整非常麻煩，還要拖延模具的交貨期，嚴重時會造成模具報廢。成型條件數(shù)據(jù)形狀數(shù)據(jù)材料數(shù)據(jù)注塑成型分析填充、保壓、冷卻幾何品質(zhì)預(yù)測外觀尺寸（翹曲、縮痕）塑件性能預(yù)測精細結(jié)構(gòu)預(yù)測a 分子取向b 結(jié)晶度c 形態(tài)d 殘余應(yīng)力圖2.1預(yù)測注塑件性能的計算機模擬系統(tǒng) Fig2.1Computersimulationcapacityofforecastingplasticsproperties現(xiàn)在可以利用計算機模擬功能對初步設(shè)計構(gòu)思進行模擬。發(fā)現(xiàn)問題即對設(shè)計進行修改，直到成型過程滿意為止28-31。 通常用于對決定注塑件品質(zhì)的結(jié)晶度和分子取向等細微結(jié)構(gòu)進行預(yù)測的計算機模擬系統(tǒng)如圖2.1所示，Moldflow系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。它能正確的預(yù)測出塑件的性能32，33。塑料數(shù)據(jù)塑料數(shù)據(jù)熱導(dǎo)率 不流動料溫比熱容 黏性系數(shù)密度 分配系數(shù)固化溫度 溫度系數(shù)設(shè)計流模具各部分壓力/壓力損失壓力梯度熔料溫度剪切應(yīng)力剪切速率冷卻時間由流動平衡法和壓力梯度法得澆口直徑/壁厚值成型條件模具溫度熔料溫度填充時間模具數(shù)據(jù)按流動路徑設(shè)定的流動路徑形狀（澆道、澆口、行腔）塑件形狀FEM流動分析程序FEM模型節(jié)點/元素內(nèi)的壓力、剪切力熔料溫度、剪切速率、流動方向等壓線圖/流動模型等溫線圖圖2.2MOLDFLOW系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) Fig2.2StructureofMOLDFLOWsystem 第三章 實例：鼠標(biāo)組合型腔流動平衡分析與計算3.1 概述在實際生產(chǎn)中，為提高生產(chǎn)效率常采用一模多腔模具來生產(chǎn)中、小型塑料制件。對多型腔模具設(shè)計來說，為保證各型腔制件的件重、性能等質(zhì)量指標(biāo)均勻一致，必須對澆注系統(tǒng)進行平衡分析，以使?jié)沧⑾到y(tǒng)流動平衡，即各型腔在相同壓力下同時充滿。在一模多腔或者組合型腔的注塑模成型生產(chǎn)過程中，熔體在澆注系統(tǒng)中流動的平衡性是十分重要的。如果塑料熔體能夠同時到達并充滿模具的各個型腔，則稱該澆注系統(tǒng)是平衡的。平衡的澆注系統(tǒng)不僅可以保證良好的產(chǎn)品質(zhì)量，而且可以保證不同型腔內(nèi)產(chǎn)品的質(zhì)量一致性。根據(jù)多型腔模具的幾何布局，其澆注系統(tǒng)分為平衡布置和非平衡布置兩類。對于平衡布置的澆注系統(tǒng)，熔體到各型腔的流動距離相等，如果忽略制造誤差，則流動過程是自然平衡的，即不論成型條件如何變化，各型腔均會在相同的壓力下同時充滿。在實際生產(chǎn)中，為使模具結(jié)構(gòu)不致過大并減少流道廢料，常采用非平衡布置澆注系統(tǒng)，經(jīng)過人工平衡，即在成型工藝參數(shù)一定的情況下，通過調(diào)整流道和澆口尺寸使熔體同時充滿各型腔，達到流動平衡。（d）（c）（b）（a）圖（a）所示的直線形型腔排列中，熔體在澆注系統(tǒng)中的流程相對較短，但是流動不平衡；圖（b）所示的型腔排列能夠保證熔體流動的平衡性，但是顯然這種流道布局使得熔體在澆注系統(tǒng)中的流程較長；如果既要保證流動的平衡性，又要盡量縮短熔體的流程，則可以改變行腔的布局，采用圖（c）和圖（d）所示的布局方式。對于組合型腔的模具，由于各型腔幾何形狀和容積不同，澆注系統(tǒng)的平衡與否除了考慮型腔和流道的布局方式，還要考慮流道截面尺寸的設(shè)計。合理的流道尺寸能夠保證熔體在模具型腔內(nèi)流動的平衡性。鼠標(biāo)上下蓋體的組合型腔模具。利用MPI進行分析的目的是分別確定通向上下蓋體分流道的截面尺寸，從而保證熔體能夠基本上在同一時刻充滿型腔，實現(xiàn)熔體的平衡流動。由于給出的鼠標(biāo)模型為非對稱產(chǎn)品，因此在進行組合型腔布局設(shè)計之前，需要利用澆口位置Gate Location分析找出上下蓋體的最佳澆口位置，初步保證熔體在單獨型腔內(nèi)合理的流動和填充過程。具體需要以下內(nèi)容：a.利用澆口位置Gate Location分析找出上、下蓋體的最佳澆口位置；b.初步創(chuàng)建完整的澆注系統(tǒng)進行填充Fill分析，以獲得Runner Balance分析所需要的一些約束條件；c.設(shè)定約束條件，在初步模型Fill分析的基礎(chǔ)上進行流道平衡Runner Balance分析，從而得到優(yōu)化的流道設(shè)計；d.根據(jù)流動優(yōu)化分析的結(jié)果，調(diào)整和修改設(shè)計方案，并對最后的方案進行分析驗證。在Gate Location分析前所要完成的前處理工作主要包括以下內(nèi)容：a.項目創(chuàng)建和模型導(dǎo)入；b.網(wǎng)格模型的創(chuàng)建；c.分析類型的設(shè)定；d.材料選擇和工藝過程參數(shù)的設(shè)定。根據(jù)產(chǎn)品初步設(shè)計的Fill填充分析結(jié)果，我們將對產(chǎn)品的澆注進行Runner Balance分析，目的是希望改善熔體在型腔內(nèi)流動的不平衡性，降低兩個型腔內(nèi)的壓力表，防止過保壓等由于流動不平衡造成的情況出現(xiàn)。MPI的流道平衡Runner Balance分析，僅僅針對Midplane和Fusion兩類網(wǎng)格模型，而且要求被分析產(chǎn)品的每個型腔都是單澆口注塑。流道平衡分析希望通過優(yōu)化流道Runner尺寸，達到以下一些目的：a.填充過程中每一條流道上都具有相同的壓力差，從而保證在同一時刻充滿各個型腔；b.減少流道內(nèi)由于摩擦產(chǎn)生的熱量，從而保證在相對較低的料溫下降低產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力水平；c.根據(jù)用戶給出的壓力約束條件，盡量減小澆注系統(tǒng)所消耗的材料。MPI系統(tǒng)在進行流道平衡分析計算之前，要完成的前處理主要包括以下內(nèi)容：a.網(wǎng)格模型的建立；b.澆注系統(tǒng)的建立；c.材料的選擇；d.進料位置的設(shè)定；e.工藝過程參數(shù)（包括平衡約束條件）的設(shè)定；f.流道尺寸約束的設(shè)定。鼠標(biāo)組合型腔的流道平衡分析是在初步設(shè)計的Fill填充分析基礎(chǔ)上進行的，因此分析前處理要相對簡化許多，主要包括以下內(nèi)容：a.從Fill填充分析（mouse_top_bottom_original_unbalanced）中復(fù)制基本分析模型；b.設(shè)定分析類型；c.設(shè)定平衡的約束條件；d.設(shè)定流道的尺寸約束條件。 成型條件對流動平衡的影響非平衡布置澆注系統(tǒng)的流動平衡是有條件的，當(dāng)成型條件發(fā)生變化時，如流道和澆口尺寸保持不變，則原來流動平衡賴以維持的條件如注射時間、料溫、模溫等發(fā)生變化，流動平衡就會被破壞。為研究注射時間、料溫和模溫等成型條件變化對流動平衡的影響，注射時間、料溫和模溫各取3個水平，根據(jù)正交表L (3 )設(shè)計試驗方案 ，利用zMOLD軟件對模具型腔充填過程進行9次數(shù)值模擬試驗， 用充填結(jié)束時各型腔平均壓力差的最大值表征流動的不平衡程度(即平均壓力差的最大值越大，流動的不平衡程度越高)。為分析各因素的影響大小，對上述試驗結(jié)果進行方差分析： 結(jié)果所以注射時間的變化對流動平衡有顯著影響，而模溫和料溫對流動平衡的影響并不顯著。充模過程中熔體先流到距主流道最近的分流道末段，如果注射時間較長，即注射速率較低，不能迅速產(chǎn)生足夠大的壓力差使熔體克服澆口阻力快速通過澆口，則澆口處熔體溫度可能迅速降低，甚至凝固，澆口處會產(chǎn)生更大的流動阻力，這樣，熔體將先充滿距主流道最遠的型腔，然后再返回來依次沖破阻力最小的澆口并充滿各型腔：如果注射時間較短，即注射速率較高，則熔體將先充滿距主流道最近的型腔，最后充滿距主流道最遠的型腔。充填結(jié)束時，先充滿的型腔壓力較高，而后充滿的型腔壓力較低，使各型腔壓力有較大差別，流動失去平衡。因此，與平衡布置的多型腔模具相比，非平衡布置的多型腔模具的充模過程更為復(fù)雜，實際生產(chǎn)中應(yīng)嚴格控制成型條件，保證流動平衡，以使一模多腔模具所生產(chǎn)的各制件質(zhì)量均勻一致。3.2 上蓋的澆口位置分析由于鼠標(biāo)模型是非對稱產(chǎn)品，因此在進行組合型腔布局設(shè)計之前，需要利用澆口位置Gate Location分析找出上下蓋體的最佳澆口位置，初步保證熔體在單獨腔體內(nèi)合理的流動和填充過程。3.2.1 分析前處理3.2.1.1 項目創(chuàng)建和模型導(dǎo)入a.創(chuàng)建一個新的項目。選擇File（文件）New Project（新建項目）命令，此時，系統(tǒng)會彈出項目創(chuàng)建路徑對話框，在Project name欄中植入項目名稱mouse，單擊OK按鈕，默認的創(chuàng)建路徑是MPI的項目管理路徑。如圖3.1所示。圖3.1 創(chuàng)建新項目b.從文件中導(dǎo)入創(chuàng)建好的鼠標(biāo)上蓋分析模具的sdy文件mouse_top_best_gate_location.sdy。選擇File（文件）Import（導(dǎo)入）命令，在彈出的對話框中選擇mouse_top_best_gate_location.sdy文件，單擊“打開”按鈕，如圖3.2所示。圖3.2 選擇分析模型c.項目管理窗口Project View和分析任務(wù)窗口Study Tasks如圖3.3所示，鼠標(biāo)上蓋的基本分析模型被導(dǎo)入，如圖3.4所示。圖3.3 基本分析模型導(dǎo)入圖3.4鼠標(biāo)上蓋模型3.2.1.2 網(wǎng)格模型信息查看查看網(wǎng)格模型信息。選擇Mesh（網(wǎng)格）-Mesh Statistics（網(wǎng)格狀態(tài)統(tǒng)計）命令，網(wǎng)格信息如圖3.5所示。圖3.5網(wǎng)格信息3.2.1.3 分析類型的設(shè)定在導(dǎo)入的基本分析模型中，分析類型已經(jīng)設(shè)置為Gate Location最佳澆口位置分析。3.2.1.4 材料選擇鼠標(biāo)采用的材料為GE Plastics（Europe）公司的ABS材料，其牌號為Cycolac T。在分析任務(wù)窗口Study Tasks中右鍵單擊Cycolac T:GE Plastics（Europe），可以查看材料屬性，如圖3.6所示。圖3.6查看材料屬性3.2.1.5 工藝參數(shù)的設(shè)定工藝參數(shù)選用默認設(shè)置，如圖3.7所示，各項參數(shù)的含義和設(shè)置如下：aInjection molding machine（注塑機）-默認設(shè)置為Default injection molding machine。bMold surface temperature（模具表面溫度）-默認值為60oC。cMelt temperature（熔體溫度）-默認值為240oC。圖3.7 工藝參數(shù)3.2.2 分析計算在完成了分析前處理之后，即可進行分析計算，整個解算器的計算過程基本由MPI系統(tǒng)自動完成。雙擊任務(wù)欄窗口中的Analyze Now一項，解算器開始計算，任務(wù)欄窗口顯示如圖3.8所示。圖3.8 分析結(jié)果選擇Analyze（分析）-Job Manager（任務(wù)管理器）命令可以看到任務(wù)隊列及計算進程。通過分析計算的輸出信息Screen output，可以查看到計算中的相關(guān)信息。3.2.3 結(jié)果分析計算結(jié)束后，MPI生成最佳澆口位置的分析結(jié)果，分析任務(wù)窗口Study Tasks。1Results Summary（結(jié)果概要）以文字的形式給出最佳澆口位置的分析結(jié)果。從Results Summary中可以看到：Recommended gate location（s）are：Near node=737推薦的澆口位置在節(jié)點N737附近。Execution time：CPUtime used 25.83s分析計算時間：COU運算時間25.83s。在鼠標(biāo)上蓋的網(wǎng)格模型中可以找到最佳澆口位置區(qū)域中心所在的節(jié)點，節(jié)點N737在鼠標(biāo)上蓋的背面。2.Best gate location最佳澆口位置Best gate location（最佳澆口位置）的圖形顯示如圖3.9所示。圖3.9 最佳澆口結(jié)果顯示中藍色的區(qū)域是最佳的交口位置區(qū)域，紅色的區(qū)域是最不合理的交口位置區(qū)域，綠色的區(qū)域則介于兩者之間。考慮到模具設(shè)計的合理性以及熔體在型腔內(nèi)流動的平衡性，將澆口位置設(shè)置在圖3.9標(biāo)記出附近區(qū)域。3.3 下蓋的澆口位置分析3.3.1 模型導(dǎo)入在確定了鼠標(biāo)上蓋的澆口位置之后，接下來要分析鼠標(biāo)下蓋合理的澆口位置。下蓋澆口位置分析前處理的操作步驟和參數(shù)設(shè)置與上蓋的澆口位置分析基本一致，這里就不再贅述。如下圖導(dǎo)入模型。圖3.10鼠標(biāo)下蓋模型3.3.2結(jié)果分析前處理結(jié)果后，直接進行分析計算，MPI生成最佳澆口位置的分析結(jié)果。Results Summary（結(jié)果概要）以文字的形式給出的最佳澆口位置的分析結(jié)果。從Results Summary中可以看出：Recommended gate location（s）are：Near node=2295所以推薦澆口位置在節(jié)點N2295處附近。與上蓋分析結(jié)果類似，結(jié)果顯示中間藍色位置是最理想的澆口位置，紅色區(qū)域是最不理想?yún)^(qū)域，綠色的區(qū)域介于兩者之間，如圖3.11所示。圖3.11最佳澆口位置同樣考慮到模具設(shè)計的合理性以及熔體在型腔內(nèi)流動的平衡性，將澆口位置設(shè)定在如圖3.11標(biāo)注位置附近。3.4 組合型腔的填充分析鼠標(biāo)組合型腔澆注系統(tǒng)的平衡設(shè)計，需要在初步設(shè)計的基礎(chǔ)上進行。也就是說，需要設(shè)計者根據(jù)經(jīng)驗首先給出一個初步的設(shè)計方案，在對初步設(shè)計進行分析的基礎(chǔ)上，尋找設(shè)計中存在的問題，從而進行設(shè)計方案的調(diào)整和修改。而且，經(jīng)過對初步設(shè)計及方案的分析，可以為進一步的流道平衡分析提供必要的分析參數(shù)及約束條件。組合型腔的分析是在上、下蓋體的最佳澆口位置的基礎(chǔ)上進行的。將上、下蓋體的模型導(dǎo)入，通過MPI系統(tǒng)中的建模功能，將上、下蓋體的網(wǎng)格模型進行合理的布置。上、下蓋體的基本位置關(guān)系如圖3.12所示，兩型腔間距為50mm左右。圖 3.12 組合型腔3.5 組合型腔的流動分析（優(yōu)化后）利用流道平衡優(yōu)化方法，用戶可以根據(jù)實際情況和優(yōu)化結(jié)果來調(diào)整最初的設(shè)計方案，從而獲得相對合理的設(shè)計方案?？紤]到鼠標(biāo)上蓋的型腔容積比較小，為了保證熔體的平衡流動，我們不僅調(diào)整了流道的尺寸，而且對鼠標(biāo)上蓋型腔的澆口直徑也做了相應(yīng)的調(diào)整。經(jīng)過多次的優(yōu)化計算和尺寸修改，最終得到了比較合理的設(shè)計方案。為了驗證調(diào)整后方案的可行性，需要對組合行腔調(diào)整后的設(shè)計方案進行流動保壓分析。經(jīng)過一系列的實驗得到優(yōu)化后的模型，如圖3.13所示。圖 3.13 優(yōu)化后組合型腔第四章 實驗數(shù)據(jù)分析4.1 正交實驗法在生產(chǎn)實踐中，為了得到好的產(chǎn)品，我們都會先做實驗來確定生產(chǎn)的可行性。然而大量的實驗總是要話費大量的人力、物力以及大量的時間等。所以人們總是想花費更少的時間、金錢來解決大量實驗，那就需要以更少的誓言來體現(xiàn)出更準(zhǔn)確的結(jié)果。為了達到這一要求，我們就必須對實驗進行合理的安排、規(guī)劃，這就是要進行試驗設(shè)計。實際問題是復(fù)雜的，對實驗有影響的因素往往是多方面的。我們要考慮各因素對實驗影響的各種情況。在多因素、多水平試驗中，如果對每個因素的每個水平都互相搭配進行全面試驗，需要的實驗次數(shù)就會很多。我們應(yīng)當(dāng)在不影響實驗效果的前提下，盡可能的減少試驗次數(shù)。正交實驗法就是解決這一問題的有效方法。正交實驗法主要工具是正交表，用正交表安排實驗是一種好的方法，在實踐中已有廣泛的使用。根據(jù)正交實驗法我們對本次試驗進行了分析，確定了試驗的相關(guān)內(nèi)容為三水平四因素兩指標(biāo)。要用到的表格為L9（34）表格。具體算法后文介紹。4.2 實驗分析與計算根據(jù)圖3.13的模型選取三水平四因素的數(shù)據(jù)（工藝參數(shù)）。如以下表所示：表4.2 工藝參數(shù) 因素ABCD水平模具表面溫度（oC）熔體溫度（oC）注塑時間（s）注塑壓力（MPa）1502300.811026024011203702501.2130由正交實驗法可知至少要做九組實驗。4.2.1 基本分析模型的導(dǎo)入a在項目管理窗口（Project View）中右鍵選擇分析子項mouse_top_bottom_runner_balance_5%(Runner Balance),選擇Duplicate（復(fù)制）命令，如圖4.1所示。圖4.1復(fù)制基本模型b將新復(fù)制的分析模型重命名為mouse_top_bottom_final_balance，重命名之后的項目管理窗口和分析任務(wù)窗口如圖4.2所示。圖4.2基本分析模型設(shè)置c分析類型的設(shè)定將分析類型設(shè)計為Flow流道平衡分析，完成后分析任務(wù)窗口如圖4.3所示。圖 4.3 分析窗口d澆注系統(tǒng)尺寸的調(diào)整澆注系統(tǒng)尺寸的調(diào)整流道平衡優(yōu)化的分析結(jié)果為重新調(diào)整流道尺寸提供了可靠的參數(shù)，結(jié)合實際情況，我們調(diào)整了鼠標(biāo)上蓋型腔澆口的橫截直徑尺寸，以及通向鼠標(biāo)上、下蓋體的分流道直徑。如圖4.4所示。圖4.4 調(diào)整后的澆注系統(tǒng)方案保持鼠標(biāo)上蓋型腔的澆口形狀，將其端口直徑調(diào)整為（1mm，2.2mm）。通向鼠標(biāo)下蓋分流道的桿單元直徑設(shè)定為6mm，上蓋分流道的桿單元直徑設(shè)定為2.9mm。e工藝參數(shù)的調(diào)整與Runner Balance流道平衡優(yōu)化分析不同，在對調(diào)整后的設(shè)計方案進行最后的Flow分析時，工藝過程參數(shù)設(shè)置如圖4.5所示。圖4.5 工藝參數(shù)4.2.2分析計算完成了鼠標(biāo)上、下蓋體組合型腔設(shè)計方案的調(diào)整和分析前處理之后，雙擊任務(wù)欄窗口中的Analyze Now！一項，計算機開始計算。在分析計算過程產(chǎn)生的輸出信息Screen output中，我們比較關(guān)系組合型腔在填