【正文】 模具的仿真設(shè)計與應(yīng)用畢業(yè)論文第1章 緒論 注塑成型CAE技術(shù)的發(fā)展塑料成型是制造業(yè)中的一個重要組成部分，而流動模擬對塑料成型具有重要意義。運(yùn)用塑料流動模擬能幫助設(shè)計人員優(yōu)化成型工藝與模具結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)設(shè)計人員從成型工藝的角度改進(jìn)產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)，選擇合適的塑料材料和成型設(shè)備，評判不同材料采用同一工藝與模具成型的可行性，分析可能出現(xiàn)的問題，達(dá)到降低生產(chǎn)成本，縮短模具開發(fā)周期的目的。對于一般簡單的塑料制品的成型，只進(jìn)行流動模擬分析即可，但對于復(fù)雜精密塑件的成型，不僅要對流動過程進(jìn)行模擬分析，還需要對充模，保壓過程中塑件與模具的冷卻進(jìn)行分析，甚至需要分析開模后塑件的殘余變形與應(yīng)力等。對于任何注塑成型來說，最重要的是控制塑料在模具中的流動方式。 制品的許多缺陷，如氣穴、熔接痕、短射乃至制品的變形、冷卻時間等，都與樹脂在模具中的流動方式有關(guān)。通過moldflow軟件對熔體在模具中的流動行為進(jìn)行模擬分析， 可以預(yù)測和顯示熔體流動前沿的推進(jìn)方式、填充過程中的壓力和溫度變化、氣穴和熔接痕的位置等，幫助工藝人員在試模前對可能出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行預(yù)測，找出缺陷產(chǎn)生的原因，改進(jìn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計和模具設(shè)計，從而提高一次試模的成功率。模具是生產(chǎn)各種工業(yè)產(chǎn)品的重要工藝裝備，隨著塑料工業(yè)的迅速發(fā) 展以及塑料制品在航空、航天、電子、機(jī)械、船舶和汽車等工業(yè)部門的 推廣應(yīng)用，產(chǎn)品對模具的要求越來越高，傳統(tǒng)的模具設(shè)計方法已無法適 應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代和提高質(zhì)量的要求。計算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)已成為塑料產(chǎn)品開發(fā)、模具設(shè)計及產(chǎn)品加工中這些薄弱環(huán)節(jié)的最有效的途 徑。同傳統(tǒng)的模具設(shè)計相比，CAE技術(shù)無論在提高生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì) 量，還是在降低成本、減輕勞動強(qiáng)度等方面，都具有很大優(yōu)越性。美國上市公司moldflow公司是專業(yè)從事注塑成型ＣＡＥ軟件和咨詢公司，自 1976年發(fā)行了世界上第一套流動分析軟件以來，一直主導(dǎo)塑料成型CAE軟件市場。近幾年，在汽車、家電、電子通訊、化工和日用品等領(lǐng)域得 到了廣泛應(yīng)用。利用moldflow技術(shù)可以在模具加工前，在計算機(jī)上對整個注塑成型 過程進(jìn)行模擬分析，準(zhǔn)確預(yù)測熔體的填充、保壓、冷卻情況，以及制品 中的應(yīng)力分布、分子和纖維取向分布、制品的收縮和翹曲變形等情況， 以便設(shè)計者能盡早發(fā)現(xiàn)問題，及時修改制件和模具設(shè)計，而不是等到試 模以后再返修模具。這不僅是對傳統(tǒng)模具設(shè)計方法的一次突破，而且對 減少甚至避免模具返修報廢、提高制品質(zhì)量和降低成本等，都有著重大 的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。塑料模具的設(shè)計不但要采用CAD技術(shù)，而且還要采用 CAE技術(shù)。這是發(fā)展的必然趨勢。 注塑成型分兩個階段，即開發(fā)／設(shè)計階段（包括產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計 和模具制造）和生產(chǎn)階段（包括購買材料、試模和成型）。傳統(tǒng)的注塑方法是在正式生產(chǎn)前，由于設(shè)計人員憑經(jīng)驗與直覺設(shè)計模具，模具裝配完畢后，通常需要幾次試模，發(fā)現(xiàn)問題后，不僅需要重新設(shè)置工藝參數(shù)， 甚至還需要修改塑料制品和模具設(shè)計，這勢必增加生產(chǎn)成本，延長產(chǎn)品 開發(fā)周期。采用CAE技術(shù)，可以完全代替試模，ＣＡＥ技術(shù)提供了從制品 設(shè)計到生產(chǎn)的完整解決方案，在模具制造之前，預(yù)測塑料熔體在型腔中的整個成型過程，幫助研判潛在的問題，有效地防止問題發(fā)生，大大縮短了開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本。 近年來，模具行業(yè)發(fā)展迅猛，在制造業(yè)的地位日益突出。針對模具 設(shè)計和塑料成型的ＣＡＥ軟件可以協(xié)助設(shè)計人員及早發(fā)現(xiàn)模具和成型質(zhì) 量方面存在的問題，從而能夠便捷地修改設(shè)計方案，有效地降低成本和 縮短生產(chǎn)周期。moldflow公司研發(fā)的系列軟件為注塑成型設(shè)計和生產(chǎn) 提供了高效的解決方法。moldflow公司自1976年成立以來，在模擬分析產(chǎn)品與設(shè)計上享有極好的聲譽(yù)。moldflow與1986年成立的同類軟件公司cmold于2000 年2月11日合并后，結(jié)合兩者的優(yōu)勢為已有市場提供更專業(yè)的服務(wù)與 支持。 moldflow軟件包括三部分：Moldflow Plastic Advisers（產(chǎn)品優(yōu)化顧問，簡稱MPA）：塑料產(chǎn) 品設(shè)計師在設(shè)計完產(chǎn)品后，運(yùn)用ＭＰＡ軟件模擬分析，在很短的時間內(nèi)， 就可以得到優(yōu)化的產(chǎn)品設(shè)計方案，并確認(rèn)產(chǎn)品表面質(zhì)量。 Moldflow Plastic Insight（注塑成型模擬分析，簡稱MPI）：對塑料產(chǎn)品和模具進(jìn)行深入分析的軟件包，它可以在計算機(jī)上對整個注塑 過程進(jìn)行模擬分析，包括填充、保壓、冷卻、翹曲、纖維取向、結(jié)構(gòu)應(yīng) 力和收縮，以及氣體輔助成型分析等，使模具設(shè)計師在設(shè)計階段就找出未來產(chǎn)品可能出現(xiàn)的缺陷，提高一次試模的成功率。Moldflow Plastic Xpert（注塑成型過程控制專家，簡稱MPX）： 集軟硬件為一體的注塑成型品質(zhì)控制專家，可以直接與注塑機(jī)控制器相連，可進(jìn)行工藝優(yōu)化和質(zhì)量監(jiān)控，自動優(yōu)化注塑周期、降低廢品率及監(jiān) 控整個生產(chǎn)過程。 幾十年來以不斷的技術(shù)改革和創(chuàng)新一直主導(dǎo)著CAE軟件市場。．目的： １．優(yōu)化塑料制品設(shè)計。塑件的壁厚、澆口數(shù)量、位置及流道系統(tǒng)設(shè)計等對于塑料制品的成 敗和質(zhì)量關(guān)系重大。以往全憑制品設(shè)計人員的經(jīng)驗來設(shè)計，往往費力、 費時，設(shè)計出的制品也不盡合理。利用moldflow軟件，可以快速地設(shè) 計出最優(yōu)的塑料制品。制品設(shè)計者能用流動分析解決下列問題： ●制品能否全部注滿這一古老的問題仍為許多制品設(shè)計人員所 注目，尤其是大型制件，如蓋子、容器和儀表板等。 ●制件實際最小壁厚如能使用薄壁制件，就能大大降低制件的２ 材料成本。減小壁厚還可大大降低制件的循環(huán)時間，從而提高 生產(chǎn)效率，降低塑件成本。 ?澆口位置是否合適采用ＣＡＥ分析可使產(chǎn)品設(shè)計者在設(shè)計時具 有充分的選擇澆口位置的余地，確保設(shè)計的審美特性。 2．優(yōu)化塑料模設(shè)計。由于塑料制品的多樣性、復(fù)雜性和設(shè)計人員經(jīng)驗的局限性，傳統(tǒng)的 模具設(shè)計往往要經(jīng)過反復(fù)試模、修模才能成功。利用moldflow軟件， 可以對型腔尺寸、澆口位置及尺寸、流道尺寸和冷卻系統(tǒng)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè) 計，在計算機(jī)上進(jìn)行試模、修模，可大大提高模具質(zhì)量，減少試模次數(shù)。moldflow與CAD軟件集成，ＣＡＥ分析可在以下諸方面輔助設(shè)計者和制 造者，以得到良好的模具設(shè)計。 ● 良好的充填形式：對于任何的注塑成型來說，最重要的是控制 充填的方式，以使塑件的成型可靠、經(jīng)濟(jì)。單向充填是一種好 的注塑方式，它可以提高塑件內(nèi)部分子單向和穩(wěn)定的取向性。 這種填充形式有助于避免因不同的分子取向所導(dǎo)致的翹曲變 形。 ●最佳澆口位置與澆口數(shù)量：為了對充填方式進(jìn)行控制，模具設(shè) 計者必須選擇能夠?qū)崿F(xiàn)這種控制的澆口位置和數(shù)量，ＣＡＥ分析可 使設(shè)計者有多種澆口位置的選擇方案并對其影響做出評價。 ●流道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計；實際的模具設(shè)計往往要反復(fù)權(quán)衡各種因 素，盡量使設(shè)計方案盡善盡美。通過流動分析，可以幫助設(shè)計 者設(shè)計出壓力平衡、溫度平衡或者壓力、溫度均平衡的流道系 統(tǒng)，還可對流道內(nèi)剪切速率和摩擦熱進(jìn)行評估，如此，便可避 免材料的降解和型腔內(nèi)過高的熔體溫度。 ●冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計：通過分析冷卻系統(tǒng)對流動過程的影響， 優(yōu)化冷卻管路的布局和工作條件，從而產(chǎn)生均勻的冷卻，并由 此縮短成型周期，減少產(chǎn)品成型后的內(nèi)應(yīng)力。 ?減小反修成本：提高模具一次試模成功的可能性是ＣＡＥ分析的 一大優(yōu)點。反復(fù)地試模、修模要耗損大量的時間和金錢。此外， 未經(jīng)反復(fù)修模的模具，其壽命也較長。 3．優(yōu)化注塑工藝參數(shù)。由于經(jīng)驗的局限性，工程技術(shù)人員很難精確地設(shè)置制品最合理的加 工參數(shù)，選擇合適的塑料材料和確定最優(yōu)的工藝方案。moldflow軟件可以幫助工程技術(shù)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、保壓壓力和保壓時間、冷卻時間等，以注塑出最佳的塑料制品。 近年來，CAE技術(shù)在注塑成型領(lǐng)域中的重要性日益增大，采用CAE 技術(shù)可以全面解決注塑成型過程中出現(xiàn)的問題。CAE分析技術(shù)能成功地應(yīng)用于三組不同的生產(chǎn)過程，即制品設(shè)計、模具設(shè)計和注塑成型。設(shè)計人員望在制件成本、質(zhì)量和可加工性方面得到CAE技術(shù)的幫助。 ●更加寬廣更加穩(wěn)定的加工：流動分析對熔體溫度、模具溫度和注射速度等主要注塑加工參數(shù)提出一個目標(biāo)趨勢，通過流動分析，注塑者便可估定各個加工參數(shù)的正確值，并確定其變動范圍。會同模具設(shè)計者一起，他們可以結(jié)合使用最經(jīng)濟(jì)的加工設(shè)備，設(shè)定最佳的模具方案。 ●減小塑件應(yīng)力和翹曲：選擇最好的加工參數(shù)使塑件殘余應(yīng)力最小。殘余應(yīng)力通常使塑件在成型后出現(xiàn)翹曲變形，甚至發(fā)生失效?！袷×虾蜏p少過量充模：流道和型腔的設(shè)計采用平衡流動，有助于減少材料的使用和消除因局部過量注射所造成的翹曲變形。 ●最小的流道尺寸和回用料成本：流動分析有助于選定最佳的流 道尺寸。以減少澆道部分塑料的冷卻時間，從而縮短整個注射成型的時間，以及減少變成回收料或者廢料的澆道部分塑料的體積。內(nèi)容：1. 三維實體的設(shè)計。利用proe三維設(shè)計軟件完成所給零件的三維圖，并將part文件轉(zhuǎn)化成moldflow可以使用的STL文件。2．moldflow分析基礎(chǔ)知識的概述。通過塑料成型的相關(guān)基礎(chǔ)知識、專業(yè)術(shù)語的簡單講解，清楚注塑成型的幾個主要階段的工藝參數(shù)及其相互關(guān)系對最終產(chǎn)品的影響，同時清楚常見制件質(zhì)量問題產(chǎn)生的原因以及解決方法。保證在進(jìn)行moldflow模擬分析時預(yù)測制品最終可能出現(xiàn)的缺陷，找到缺陷產(chǎn)生的正確原因， 在模具加工之前得到最優(yōu)化的制品設(shè)計、模具設(shè)計方案和最適宜的成型工藝條件，確保產(chǎn)品以最短的周期、最低成本投入市場，增強(qiáng)市場競爭能力。3．moldflow分析流程。通過一個簡單的例子演示熟悉moldflow的分析流程，從模型的導(dǎo)入、分析類型的選擇、參數(shù)的設(shè)置、到分析結(jié)果的介紹，清楚的知道m(xù)oldflow 要進(jìn)行的工作和順序，形成一個完整的分析流程。 4．將零件產(chǎn)品通過moldflow分析，得到各種分析結(jié)果，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，完善模具設(shè)計，在注塑過程中進(jìn)行參數(shù)的控制。完成產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化和模具的優(yōu)化。加工出模具，并利用模具，注塑設(shè)備和合理的工藝參數(shù)注塑出實際產(chǎn)品。第2章 Moldflow基礎(chǔ)知識。所謂注塑成型，是指將已加熱熔化的材料噴射注入到模具內(nèi)，經(jīng)由冷卻與固化后，得到成品的方法。注塑成型已經(jīng)成為大多數(shù)塑料制品的成型方法，moldflow軟件對注塑成型方式的模擬分析技術(shù)比較成熟。在樹脂原料經(jīng)由注塑機(jī)注塑成型變?yōu)樗芰现破返恼麄€過程中，包括以下幾部分：1．計量：為了成型一定大小的塑件，必須使用一定量的顆粒狀塑料， 這就需要計量。2．塑化：為了將塑料充入模腔，就必須使其變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，流動充入 模腔。 3．注塑充模：為了將熔融塑料充入模腔，就需要對熔融塑料施加注塑 壓力，注入模腔。 4．保壓增密：熔融塑料充滿模腔后，向模腔內(nèi)補(bǔ)充因制品冷卻收縮所 需的物料。 5．制品冷卻：保壓結(jié)束后，制品開始進(jìn)入冷卻定型階段。 6．開模：制品冷卻定型后，注塑機(jī)的合模裝置帶動模具部分與定模部 分分離。 7．頂件：注塑機(jī)的頂出機(jī)械頂出塑件。 8．取件：通過人力或機(jī)械手取出塑件和澆注系統(tǒng)冷凝料等。 9．閉模：注塑機(jī)的合模裝置閉合并鎖緊模具。 注塑成型機(jī)可以分為柱塞式和螺桿式兩種。這兩種注塑機(jī)都由注塑系統(tǒng)、鎖模系統(tǒng)及模具組成。 注塑系統(tǒng)注塑系統(tǒng)是注塑機(jī)的主要部分，它能夠使樹脂原料在柱塞式或螺桿 的推動或旋轉(zhuǎn)推進(jìn)下均勻塑化，在高壓下注入模具。注塑系統(tǒng)包括加料 裝置、料筒、螺桿或杠塞、噴嘴、加雎和驅(qū)動裝置等。 。注射量是指在對空注射條件下，注射螺桿或柱塞作一次最大注射行 程時，注塑裝置所能達(dá)到的最大射出量。該參數(shù)在一定程度上反映了注 塑機(jī)的加工能力，標(biāo)志著該機(jī)器能成型塑料制品的最大質(zhì)量，是注塑機(jī) 的一個重要參數(shù)。 。 注射壓力是指在注射時，螺桿或柱塞對熔料施加的壓力，注塑機(jī)的注射壓力指標(biāo)往往指注塑機(jī)能提供的最大注射壓力。注射壓力是為了克 服熔料流經(jīng)噴嘴、流道和型腔時的流動阻力以及提供壓實制品所需要的 外力。 。 注射速率是指在注射時單位時間內(nèi)所能達(dá)到的體積流率，是注射容 量與注射時間的絕比值。 。注塑機(jī)上實現(xiàn)鎖合模具、啟閉模具和頂出制件的機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為鎖模系統(tǒng)。熔料在高壓下注入模具，必須施加足夠在的鎖模力才能保證模具嚴(yán) 密閉合不溢料。鎖模結(jié)構(gòu)還應(yīng)保證模具啟閉靈活、準(zhǔn)確、迅速而安全， 并防止損壞模具和制件。避免機(jī)器受到強(qiáng)烈震動，達(dá)到安全運(yùn)行以延長 機(jī)器和模具的使用壽命。 。 模具是為了將樹脂原料做成某種形狀而用來承接射出樹脂的部件。注塑模具主要由澆注系統(tǒng)、成型零件和結(jié)構(gòu)零件組成。澆注系統(tǒng)是塑料熔體從噴嘴進(jìn)入模腔前的流道部分，包括主流道、冷料并、分流道和澆口等。成型零件是構(gòu)成制品形狀的各種零件，包括動模、定模、模腔、型芯、成型桿和排氣口等。結(jié)構(gòu)零件是構(gòu)成模具結(jié)構(gòu)的各種零件，包括導(dǎo)向、脫模、抽芯以及分型的各種零件。模具通常還具有加熱或冷卻裝置，使塑料熔體在模具內(nèi)合適的溫度下固化定型。在注塑過程的塑化、填充、保壓和冷卻這４個主要階段中，起主要作用的工藝參數(shù)也隨著過程的變化而變化。 塑化是指塑料在料筒內(nèi)經(jīng)加熱達(dá)到良好塑性的流動狀態(tài)的全過程。 因此可以說塑化是注塑成型的準(zhǔn)備過程。熔體在進(jìn)入模腔之前應(yīng)達(dá)到規(guī)定的成型溫度，并能在規(guī)定時間內(nèi)達(dá)到足夠數(shù)量，熔體溫度應(yīng)均勻一致，不發(fā)生或極少發(fā)生熱分解以保證生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行。 這一階段人柱塞或螺桿開始前移起動，直至模腔被塑料熔體充滿為止。填充過程中包含的重要工藝參數(shù)有熔體溫度、注塑壓力和填充時間。 充模剛開始一段時間內(nèi)模腔內(nèi)沒有壓力，待模腔充滿時， 料流壓力迅速上升而達(dá)到最大值。充模的時間與模塑壓力有關(guān)。 充模時間長，先進(jìn)入模內(nèi)的塑料受到較多的冷卻，粘度增大，后面的塑料就需要在較高 的壓力下才能進(jìn)入模腔，反之，所需要的壓力則較小。 這是指從熔體充滿模腔時起，至柱塞或螺桿撤回時為止的一段時間。 保壓階段包括的主要工藝參數(shù)有保壓壓力，保壓時間。保壓階段中，塑料熔體因受到冷卻而發(fā)生收縮，但因塑料仍然處于柱塞或螺桿的穩(wěn)壓下，料筒內(nèi)的熔料會被繼續(xù)注入模腔內(nèi)以補(bǔ)足因收縮而留出的空隙。如果柱塞或螺桿停在原位不動，壓力曲線就會略有衰減；如果柱塞或螺桿保持壓力不變，也就是隨著熔料入模的同時向前做少許移動，則在此段中模內(nèi)壓力保持不變，此時壓力曲線與時間軸平行。壓實階段對于提高制品的密度、降低收縮和克服制品表面缺陷都有影響。 。 這一階段是指從澆口的塑料完