【文章內(nèi)容簡介】 由設(shè)計人員憑經(jīng)驗與直覺設(shè)計出模具，然后進行模具的制造裝配。在試模時，如果發(fā)現(xiàn)門板內(nèi)飾件缺少特征、產(chǎn)生縮痕與凹陷、開裂、產(chǎn)生氣泡等問題，就需要重新設(shè)置注塑工藝參數(shù)，甚至還需要修改門板內(nèi)飾件模型和重新設(shè)計模具 [13]。通常這種工作要反復(fù)很多次才能設(shè)計制造出優(yōu)質(zhì)模具，注塑出的產(chǎn)品質(zhì)量才能保證。如果采用這種傳統(tǒng)方法生產(chǎn)出沒有缺陷的優(yōu)質(zhì)門板內(nèi)飾件勢必增加生產(chǎn)成本，延長產(chǎn)品開發(fā)周期。如果采用注塑 CAE 技術(shù)來設(shè)計門板內(nèi)飾件模具，成型的門板內(nèi)飾件常見的缺陷將會大大減少，這樣就會很大程度地減少傳統(tǒng)方法中反復(fù)試模反復(fù)設(shè)計的問題 [14]。本課題采用注塑 CAE 技術(shù)來優(yōu)化設(shè)計門板內(nèi)飾件的某個部件模具，模具制造加工前在注塑 CAE 軟件 Moldflow 上模擬仿真注塑成型過程，預(yù)測門板內(nèi)飾件部件可能存在的充填不足，收縮變形等缺陷，然后采用更好的澆注系統(tǒng)方案，冷卻系統(tǒng)方案和注塑工藝參數(shù)。這樣設(shè)計制造的模具就會減少試模修模次數(shù)，提高制品質(zhì)量和降低成本等，有重大的技術(shù)經(jīng)濟意義。a b安徽工程大學(xué)碩士學(xué)位論文3 注塑 CAE 技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢塑料模具在制造業(yè)中有著舉足輕重的地位。傳統(tǒng)的塑料模具設(shè)計要經(jīng)過多次試模修模才能生產(chǎn)出沒有缺陷的塑件，這樣就浪費大量的人力物力。隨著數(shù)學(xué)、力學(xué)、有限元學(xué)和計算機學(xué)的發(fā)展，注塑 CAE 技術(shù)逐漸發(fā)展起來。20 世紀 60 年代，Copper、Ballman 和 Toor 最先用數(shù)值方法計算出了塑料熔體在模具型腔中的流動過程，在此之后有許多研究人員對塑料熔體的一維流動進行了深入的研究 [15]。其中 Dusinberre 計算出了塑料熔體一維非穩(wěn)態(tài)傳熱計算模型，隨后 Hieher 將一維流動推廣到非牛頓流體的非等溫流動進而得到了熔體在模具型腔中的二維流動數(shù)學(xué)模型，該模型采用有限元差分法求解 [16]。在此之后，Austin C 和 采用了有限元分析法對冷卻過程的溫度場進行了計算 [17]。 80 年代后期，研究人員采用了流動路徑法實現(xiàn)了對塑料熔體在型腔中充填過程的三維流動分析，并用有限元法和有限差分混合法對模具型腔內(nèi)的溫度、壓力和速度進行了求解，實現(xiàn)了用體積控制法來確定熔體流動前沿位置 [18]。90年代后期，成型過程中的流動、保壓、冷卻、及翹曲變形都得到了深入的研究，隨后人們也開展了 CAE 與 CAD/CAM 集成化研究 [19]。目前注塑成型 CAE 技術(shù)在國外已得到了普遍應(yīng)用，國內(nèi)開展塑料成型數(shù)值模擬研究起步較晚，對于注塑成型 CAE 的應(yīng)用主要是依賴國外的 CAE 系統(tǒng)和設(shè)備，自主的知識產(chǎn)權(quán)很少。目前華中科技大學(xué)自行開發(fā)了 HSCAE 軟件，并和先前開發(fā)的 HSCAD 軟件集成，已經(jīng)成為國內(nèi)一套比較成熟的注塑成型 CAE軟件 [20]。華中理工大學(xué)模具技術(shù)國家重點實驗室自主開發(fā)了國內(nèi)第一個注塑CAD/CAE/CAM 集成系統(tǒng) [21]。北京華正模具研究所與美國 Ac Tech 公司在目前國際上注塑成型 CAE 技術(shù)最新成果的基礎(chǔ)上一起開發(fā)了注塑成型的中文輔助軟件 CAXAIPD[22]。目前國際上知名的 CAE 軟件有：美國 Advanced CAE Technology 公司最新推出的注塑模 CAE 系統(tǒng) ；澳大利亞Moldflow 公司的注塑模 CAE 軟件 MF；美國和意大利 Pamp。C 公司的CAD/CAE/CAM 軟件 TMCONCEPT；美國 SDRC 公司的 IDEASTM；加拿大MoldCAE 公司開發(fā)的 MoldCAE；美國 GRAFTEK INC 的 CAD/CAE/CAM 集成系統(tǒng)；德國 IKV 塑料工程研究所的注塑模 CAE/CAD 系統(tǒng)；美國 Structure Dynamics Research Corporation(SDRC)的 POLYCOOL2；美國 PRIMECALMA公司的注塑模設(shè)計制造軟件包；法國 CISIGRAPH 公司的注塑模設(shè)計軟件包STRIM100；英國 Deltacam 的公司的注塑模設(shè)計制造軟件包 [23]。以上 CAE 軟件在實際生產(chǎn)中已得到了廣泛的應(yīng)用并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。今后注塑 CAE 技術(shù)的發(fā)展趨勢是：CAD/CAE/CAM 技術(shù)的集成化；數(shù)學(xué)模型和算法的進一步完善；注塑成型各個過程的耦合分析；人工智能技術(shù)的采用等 [24]。安徽工程大學(xué)碩士學(xué)位論文4 課題研究內(nèi)容和研究方案 課題研究內(nèi)容課題以小型轎車內(nèi)飾門板部件為研究對象，先用有限元軟件對其進行模擬仿真分析，然后根據(jù)分析的結(jié)果設(shè)計出模具。課題主要工作：(1) 研究澆口位置的不同對注塑成型過程的影響，確定最佳澆口位置方案并據(jù)此設(shè)計澆注系統(tǒng)；(2) 研究冷卻方案的不同對注塑成型過程的影響，確定最佳冷卻系統(tǒng)；(3) 研究注塑工藝參數(shù)如模具溫度、熔體溫度、注射壓力、保壓壓力、注射時間等對注塑成型過程的影響，并進行優(yōu)化選擇；(4) 以分析結(jié)果為依據(jù)設(shè)計出模具； 課題研究方案課題采用注塑 CAE 技術(shù)進行注塑過程模擬分析，用三維造型軟件設(shè)計出模具。(1) 將模型從 UG 軟件導(dǎo)入 Moldflow 軟件中，并建立有限元模型；(2) 通過流動分析確定最佳澆口位置方案，以分析結(jié)果為依據(jù)設(shè)計出澆注系統(tǒng)；(3) 通過冷卻分析確定最佳冷卻方案；(4) 通過 Moldflow 軟件的 DOE 模塊和流動分析模塊對注塑工藝參數(shù)進行優(yōu)化選擇；(5) 運用 UG 軟件進行模具設(shè)計； 課題的技術(shù)路線如圖 31 所示。圖 13 技術(shù)路線安徽工程大學(xué)碩士學(xué)位論文5第 2 章 注塑成型與 Moldflow 模擬的理論基礎(chǔ) 注塑成型理論知識 注塑成型原理與工藝過程注塑成型有柱塞式注塑機成型和螺桿式注塑機成型 [25]。螺桿式注塑機成型應(yīng)用很廣，本文將以螺桿式注塑機成型來介紹注塑成型原理，如圖 21 所示。注塑成型原理：注塑成型指粉狀或顆粒狀塑料經(jīng)料斗加到安裝有電加熱圈的料筒內(nèi)，粉狀或顆粒狀的塑料在螺桿作用下一邊塑化一邊向前移動，塑料在轉(zhuǎn)動的螺桿作用下通過其螺旋槽輸送到料筒前端的噴嘴附近；螺桿轉(zhuǎn)動使塑料進一步塑化，料溫在剪切摩擦熱的作用下進一步提高，塑料得以均勻塑化。當料筒前端積聚的熔料對螺桿產(chǎn)生一定的壓力時，螺桿就在轉(zhuǎn)動中后退，直至與調(diào)整好的行程開關(guān)相接觸，具有模具一次注射量的塑料預(yù)塑和儲料（即料筒前部熔融塑料的儲量）結(jié)束；接著注射液壓缸開始工作，與液壓缸活塞相連接的螺桿以一定的速度和壓力將熔料通過料筒前端的噴嘴注入溫度較低的閉合模具型腔中；保壓一定時間，經(jīng)冷卻固化后即可保持模具型腔所賦予的形狀；然后開模分型，在推出機構(gòu)作用下，將注射成型的塑料制件推出型腔 [26]。圖 21 螺桿式注塑成型原理 [26]1料斗 2螺桿傳動裝置 3注射油缸 4螺桿 5加熱器 6噴嘴 7模具注塑成型工藝過程分為成型前準備、注塑過程和塑件后處理。成型前準備主要包括對原料加工；注塑過程主要包括加料、塑化、注射、冷卻和脫模等；塑件后處理主要包括退火處理和調(diào)濕處理 [27]。注塑過程的具體介紹如下 [27]：(1) 塑化階段。塑化指塑料在料筒內(nèi)經(jīng)加熱達到良好流動狀態(tài)的過程。(2) 充填階段。塑料熔體在注塑壓力下由噴嘴射入，流經(jīng)主流道、澆口進入模腔，完成充填。安徽工程大學(xué)碩士學(xué)位論文6(3) 保壓階段。充填完成后，塑件冷卻收縮必然導(dǎo)致填充不足，所以此時的熔體仍需保持高壓狀態(tài)以補充塑料熔體。(4) 冷卻階段。冷卻階段自熔體進入模具型腔起就開始，填充階段完成后冷卻速度加快，當達到產(chǎn)品的頂出溫度時，利用頂出裝置將產(chǎn)品從模具中取出。(5) 脫模階段。脫模方式主要有頂桿脫模和脫料板脫模。設(shè)計模具時要根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點選擇合適的脫模方式，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。選用頂桿脫模時，頂桿設(shè)置應(yīng)盡量均勻，頂桿位置應(yīng)選在脫模阻力最大以及塑件強度和剛度最大的地方，以免塑件變形損壞。脫料板一般用于深腔薄壁容器以及不允許有推桿痕跡的透明制品的脫模，這種機構(gòu)脫模力大、脫模均勻，無明顯的遺留痕跡。 注塑成型常見缺陷及解決方法 [28]注塑成型時因為各種各樣原因注塑的塑件會產(chǎn)生很多缺陷，這里對幾種常見的缺陷進行產(chǎn)生原因和解決方法分析。由于充填不滿導(dǎo)致制品成型后形狀不完整的缺陷稱為短射。短射一般發(fā)生在制品的薄壁區(qū)域和遠離澆口的區(qū)域。導(dǎo)致短射的原因可能包括流道尺寸太小、塑料壁太薄、熔體溫度過低、熔體粘度過大、注塑壓力過低和注塑機的控制閥門破損等。針對產(chǎn)生充填不足的原因，應(yīng)從以下幾個方面采取解決措施：(1)設(shè)備方面如果填充不足是由于注塑機料斗中的熔料過少導(dǎo)致的，則應(yīng)選用容量更大的注塑機；若是由于料斗或噴嘴部分被堵塞導(dǎo)致填充不足則應(yīng)將其清理干凈。(2)注塑工藝參數(shù)的設(shè)置注塑工藝參數(shù)的設(shè)置主要包括時間、壓力、溫度的設(shè)置。工藝參數(shù)設(shè)置不當也會因引起充填不足，當出現(xiàn)充填不足時應(yīng)通過調(diào)整注塑壓力、注塑時間、保壓壓力、保壓時間、熔體溫度和模具溫度來解決。(3)模具方面如果模具澆注系統(tǒng)設(shè)計不合理也會引起充填不足，此時應(yīng)從改善澆注系統(tǒng)的流道尺寸和澆口位置等方面來解決。氣穴指模腔內(nèi)氣體所在的區(qū)域。產(chǎn)生氣穴的原因主要有：(1) 外層熔體冷卻固化和內(nèi)層熔體收縮形成真空。(2) 干燥程度較低的材料存在水分，水分會在材料中形成氣體，這些氣體在塑件成型后會產(chǎn)生氣穴。(3) 熱敏性塑件在溫度過高時分解產(chǎn)生氣體，形成氣穴。安徽工程大學(xué)碩士學(xué)位論文7(4) 結(jié)晶型塑料在塑料成型時收縮大，容易產(chǎn)生縮孔和氣穴。(5) 模具型腔中的氣體未能排出而形成氣穴。針對這些產(chǎn)生氣穴的原因，其解決的措施有以下幾個方面：(1) 對于模具排氣不暢產(chǎn)生的氣穴，要在氣體聚集處開設(shè)排氣槽。(2) 加強材料干燥。兩股或多股料流前鋒溫度低的熔體交匯時常常形成熔接痕。熔接痕不僅影響了塑件外觀還降低了塑件力學(xué)強度。改善熔接痕可采取以下幾項措施：(1) 采用熱流道進行澆注。(2) 通過提高樹脂溫度、提高模具溫度、提高注射壓力及速度等來提高熔料的流動性。(3) 調(diào)整澆口位置。龜裂主要由變形應(yīng)力引起，變形應(yīng)力有殘余應(yīng)力和外部應(yīng)力。(1) 殘余應(yīng)力產(chǎn)生的龜裂殘余應(yīng)力主要由充填過剩等原因引起，可從以下幾方面降低殘余應(yīng)力：　　 ① 采用多點分布澆口的方式增大應(yīng)力釋放?！　?② 適當提高樹脂溫度以降低熔融粘度，提高流動性和降低注射壓力以減小應(yīng)力。 　　 ③ 一般情況下，模溫較低容易產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)適當提高溫度。但當注射速度較高時，即使模溫低一些，也可減低應(yīng)力的產(chǎn)生。(2) 外部應(yīng)力產(chǎn)生的龜裂外部應(yīng)力主要由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理引起如尖角。尖角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中從而導(dǎo)致龜裂，可以在尖角處倒圓角避免應(yīng)力集中。翹曲變形指塑件冷卻固化開模后與模具型腔形狀不一致。翹曲變形主要由收縮變形引起，收縮變形的原因主要包括收縮不均勻、冷卻不均勻和分子取向不均勻。降低塑件翹曲變形量應(yīng)從增大澆口尺寸、降低熔體和模具表面溫度、提高注射速度和增加保壓時間等方面考慮。溢邊指熔料充填時從模具分型面或頂桿縫隙處溢出而產(chǎn)生的形狀。溢邊產(chǎn)生的原因主要有：(1) 設(shè)備方面：注塑機的鎖模力不夠。(2) 模具方面：模具的制造精度不夠、裝配不良、排氣位置不合理。(3) 工藝參數(shù)方面：注塑壓力過大、保壓壓力過大。安徽工程大學(xué)碩士學(xué)位論文8改善溢邊的方法如下：　 (1) 降低注射壓力?！? (2) 降低樹脂溫度，選用高粘度等級的材料。　 (3) 降低模具溫度，研磨溢邊發(fā)生的模具面，采用較硬的模具鋼材?！? (4) 提高鎖模力。燒傷主要由機械原因、模具原因和成型條件原因引起。(1) 機械原因：過熱的料筒會使塑料產(chǎn)生高溫分解，充入型腔冷卻后產(chǎn)生將燒傷制件。(2) 模具原因：如果模具排氣不良也會產(chǎn)生燒傷，應(yīng)改善模具的排氣條件。(3) 成型條件的原因：過高的螺桿轉(zhuǎn)速會使熔料局部溫度過高從而導(dǎo)致熔料熱分解產(chǎn)生燒傷，此時應(yīng)合理控制螺桿的轉(zhuǎn)速。 Moldflow 軟件模擬理論基礎(chǔ) 注塑 CAE 軟件 Moldflow 簡介 [29]Moldflow 軟件在模具設(shè)計前對整個注塑成型過程進行仿真模擬，包括填充、保壓、冷卻、翹曲、分子取向等分析，可有效的縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計效率。其作用體現(xiàn)在如下幾個方面：(1) 優(yōu)化塑料件結(jié)構(gòu) Moldflow 軟件可以優(yōu)化塑料件結(jié)構(gòu)，如通過充填、冷卻等分析可以判斷塑料件的結(jié)構(gòu)是否合理、壁厚是否合適以及制品材料的選用是否合理。(2) 優(yōu)化模具設(shè)計Moldflow 軟件在產(chǎn)品設(shè)計前進行仿真模擬，可以得到合理的流道系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，縮短了模具設(shè)計周期，提高了設(shè)計效率，降低了設(shè)計成本。(3) 優(yōu)化注塑工藝參數(shù)Moldflow 軟件可以幫助注塑工藝人員快速、科學(xué)地確定最佳注射壓力、保壓壓力、鎖模力、模具表面溫度、熔體溫度、注射時間、保壓時間等。Moldflow 有三大模塊：MPA(產(chǎn)品優(yōu)化顧問)模塊、MPI 模塊（注塑成型模擬分析）和 MPX(注塑成型過程控制專家)模塊。論文應(yīng)用 MPI 模塊進行分析，其主要功能如下：(1) 網(wǎng)格的劃分和修復(fù)Moldflow 軟件網(wǎng)格劃分的基本原理是有限元法，將一個連續(xù)體離散化為有限個單元體，從而得到真實結(jié)構(gòu)的近似模型,并在這個離散化的模型上進行數(shù)值計算。Moldflow 軟件有三種網(wǎng)格類型：中面網(wǎng)格(Midplane)、表面網(wǎng)格(Fusion) 和安徽工程大學(xué)碩士學(xué)位論文9實體網(wǎng)格(3D) 。Moldflow 軟件有建模功能，但建模功能不強，可以通過其它建模軟件將模型導(dǎo)入其中。Moldflow 中可以導(dǎo)入 stl 格式模型、﹡ .ans 格式模型、