毕业设计论文 基于注塑模具CAE技术的浇注系统Word文档下载推荐.docx

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其次，利用CAE技术对模具设计的优化，可避免模具在传统生产中出现的气孔、缩孔、充填不足等缺陷，提高产品的质量，更多情况下降低成本，改善了生产商的经济效益。

关键词：

浇注系统；

冷却系统；

CAE；

模拟分析

毕业设计说明书（论文）外文摘要

TitleDesignOfGatingSystemAndTheCoolingSystemBasedOn

TheTechnologyOfInjectionMoldCAE

Abstract:

ThispaperuseMoldflowsoftwaretoresearchthegatingsystemofinjectionmouldandcoolingsystemoptimizationandsimulationanalysisforselectthebestmoldingprocess.ThispaperintroducestheuseoftheMPI（MoldflowPlasticsInsight）6.1,thegatingsystemofinjectionmoldingprocessdesign,coolingwatertocreate,andtheoptimalgatelocation,etc.Inthispaper,accordingtodifferenttypesofgatingsystemtoanalysisthefilltimeintheprocessofstampingshapewaterboil,variousdefectssuchasweldmarkandacupuncturepointlocation,thebestgatingsystemtodeterminethewaterpot.Alsoaccordingtothechangeofthearrangementofthecoolingwaterandcoolingparametersofmoldingmeltfillingwaterboil,theeffectofflowandcoolingprocess,determinetheoptimalcoolingsystemsolutions.FinallyUSESthemethodoforthogonaltestprocesstoproduceseveraloptimizationanalysis,furtheroptimization,optimalmoldingprocessparametersandformingscheme.

Keywords:

GatingSystem;

TheCoolingSystem.CAE;

SimulationAnalysis

前言

塑料成型在现代制造业中占有重要的地位，塑料制品随现代生活的变化而变的样式各异、绚丽多彩，因而对于成型塑料件的模具要求越来越高。

但传统的注塑工艺方案并不能完美地解决注塑成型工艺缺陷问题，优化工艺方案，因而基于注塑模CAE技术应运而生。

注塑模具CAE技术为优化模具设计方案，保证模具使用寿命和性能开辟了新的路径，为现代注塑成型工艺提供了很大的帮助。

Moldflow软件是注塑模CAE分析的主要软件，注塑模CAE技术可以在模具制造前模拟分析出塑料成型最佳工艺方案，从而达到降低成本，缩短模具开发周期的目的。

CAE是计算机辅助工程的简称，是用计算机辅助求解复杂工程，软件主要是运用了有限元分析法、流体学和热传导的基本理论，建立塑料熔体在模具型腔中流动、传热的物理模型，最后利用数值计算理论构造求解方式来优化模具的设计。

本文使用的MPI6.1软件，模拟分析水煲成型过程，为优化水煲的实际成型工艺方案和模具的设计制造，提供了一个完整的解决方案。

本书共分为六章。

第一章主要介绍了现代生产工艺中塑料成型技术和注塑模CAE技术在塑料成型中的应用，同时介绍了本次课题研究的目的。

第二章简单的讲述了注塑模的工艺方案的确定，包括浇注系统和冷却系统。

第三、四两章介绍了应用MPI6.1来对水煲塑料件进行模拟分析，同时学习Moldflow软件的使用，最后对分析结果进行比较，确定最优工艺方案。

第五章主要介绍了正交试验工艺参数优化分析方法和单个因数对注塑工艺的影响。

第一章绪论

1.1注塑成型技术简介

众所周知，塑料成型在现代制造业中占有重要的地位，远远超出了其他制造工艺。

塑料制件几乎已经覆盖了所有行业中，大到航天航空，小到人们的日常生活，塑料制件几乎无处不在。

塑料成型技术的发展更是十分迅速，新的成型工艺更是日新月异。

注塑成型、挤出成型、中空成型等各种塑料成型的方法层出不穷。

但塑料注塑成型由于具有使用范围广、自动化程度高和成型效率高等优点，一直主导着现代塑料成型工艺。

注塑成型是指在一定温度下，运用注塑机，将熔融的塑料材料注射到模具型腔中，经冷却固化后，得到成型品的方法。

塑料注塑成型是在金属铸造成型的基础上发展而来。

在注塑成型过程中，注塑机、注塑模和注塑工艺是成型的重要是三个要素。

注塑模是塑料成型最为关键，它决定产品的形状、性能、规格等特征，注塑模的成功设计对注塑成型来说是至关重要的。

最佳浇注系统和冷却系统的设计对完成塑料成型不可或缺。

注塑的工艺性包括注塑过程中温度的控制、压力的控制和产品的成型周期。

国内外注塑成型的发展已经发生了很大的变化，传统的注塑方案已经不能跟上时代的步伐，塑料成型模具的设计理论、制造技术已经在很大程度上运用了现代高科技。

其中包括CAD/CAE/CAM技术在模具设计与制造中的应用，基于网格化CAE注塑工艺方案的确定，模具的快速测量技术和逆向工程等等，塑料注塑成型的新工艺和新技术不断的涌现和推广。

1.2注塑模CAE技术

1.2.1CAE技术发展水平

CAE是全称计算机辅助工程（ComputerAidedEngineering）的简称，它是特指用计算机辅助求解分析复杂工程，辅助产品设计和开发。

注塑模CAE技术指主要运用有限元法和有限差分法，对模具设计方案进行分析和模拟，数值模拟分析注塑成型全过程，预测设计中可能存在的缺陷，为设计人员提供科学的依据。

注塑模CAE技术的发展主要经历了三个重要时期，20世纪60～70年代是技术探索时期，20世纪70～80年代年代是蓬勃发展时期，20世纪90年代是技术的推广时期。

进入21世纪后，注塑模CAE领域取得了长足的进步，我国CAE技术已经更加国有化。

注塑成型流动模拟技术随着各时期的改进和发展，经历了从中面流技术到双面流技术再到实体流技术这三个具有重要意义的里程碑[1]。

1.2.2注塑模CAE技术发展趋势

新时代，科技不断更新，互联网技术的普及和全球化，导致注塑模CAE技术发展的空间越来越大，性能和功能将会得到更大的提高，呈现出以下发展趋势[2]。

（1）有限元法、有限差分法和体积控制法的配合使用；

（2）浇注系统、冷却系统的3D集成控制分析；

（3）数值模拟计算和人工智能技术的结合；

（4）塑料制品工艺方案的高效算法；

（5）塑料制件熔接痕的预测。

注塑模CAE技术，为模具行业注入新的血液，更为制造业带来了一场技术改革。

即使如此，由于塑料流动性能的复杂性，塑料制件的不规则等特点，塑料成型技术依旧需要投入更多的科学技术进去，去建立具有更加完善的系统。

1.3本文研究的目的和内容

1.3.1研究目的

本文主要通过模流分析CAE技术从理论上分析并对注塑成型过程进行数值模拟计算，从而得到分析结果，比较各种方案的优劣性，确定塑料制件成型最佳工艺方案。

本文不仅加强了对计算机辅助软件CAE的使用方法，了解现代化生产工艺和要求，而且对于塑料模具的浇注系统和冷却系统有了进一步的认知。

其次，利用CAE技术对模具设计的优化，可避免模具在传统生产中出现的气孔、缩孔、充填不足等缺陷，提高产品的质量，从而改善了生产商的经济效益。

1.3.2研究内容

本文研究的对象为一款水煲塑料外壳，其产品图如图1.1所示，塑件为一筒形结构，上下中空，壶口直径168mm，壶底直径148mm，壶身壁长208mm，厚度为3.5mm。

图1.1塑料件模型

通过CAE技术从理论上对水煲注塑成型过程进行数值模拟分析，得出分析结果，从而优化模具设计结构，选择最佳浇口位置，完成冷却分析、填充分析和翘曲分析。

同时还通过学习正交试验方法，结合的多工艺参数优化方法，并进行工艺参数、浇口位置、冷却系统等方面设计，针对产品结构进行填充、保压、冷却、变形等流变分析，比较分析结果，综合分析其合理性，最后确立水煲成型工艺方案。

第二章注塑成型工艺方案设计

2.1浇注系统设计

浇注系统是注射模具重要的组成部分，它是指熔融的塑料流体从注塑机的喷嘴射入到注射模具型腔所经的通道。

塑料熔体通过浇注系统充满模具型腔,并在由浇注系统传递的注射压力和保压压力下填充塑料制品各部分，从而组织致密、外形清晰、表面光洁和尺寸精确的塑料制品[3]。

浇注系统分为普通浇注系统和热流道浇注系统。

浇注系统的设计与塑料制品的质量息息相关。

2.1.1普通浇注系统的组成和设计

普通浇注系统一般由主流道、分流道、浇口和冷料穴四部分组成，各部分紧密相连[4]。

如图2.1为普通浇注系统的组成结构。

图2.1普通浇注系统组成

1-衬套口2-主流道3-分流道4-制件5-冷料穴6-浇口

浇注系统的设计是注射模具设计的一个相当重要的部分，浇注系统的设计应使所有型腔或制件的各部分能得到均匀的充填，浇注系统设计的合理性直接关系到塑料的质量。

浇注系统的设计需遵循以下基本原则[5]：

（1）考虑塑料熔体塑料熔体流动特性、温度、剪切速率等特性，保证塑料熔体流通缓畅，成型完整，保证产品的质量。

（2）结合型腔布局，采用平衡式布置，设置平衡分流道，确保塑料熔体能够同时注入型腔。

浇口、分流道尽可能紧凑对称，降低模具的加工难度。

（3）尽量采用流程短的流道，减少塑料耗量,同时在满足各型腔完整充满的前提下,浇注系统容积应尽量小,这样保证了塑料熔体在流动过程中压力和热量的损失，保证塑料成型质量。

细小型芯或嵌件应和浇注系统避开，防止塑料流将嵌件冲压位移或变形等不良现象。

（4）考虑型腔排气良好,浇注系统应能使塑料熔体顺利充满型腔各个角落,使型腔的气体能有序的排出，防止塑料成型件出现气孔、缩孔、熔接痕和翘曲变形等缺陷。

（5）冷料穴设计合理，避免在产品取出后在产品表面留下冷疤和冷癍等缺陷。

除了上述各项原则之外，设计浇注系统时还应该注意产品的生产效率、产品的外观和性能、制品形状与尺寸等问题对系统的制约，以及注射机的型号和精度，喷嘴的外形等等。

成功设计浇注系统还应结合工作者的经验的技巧。

2.1.2主流道设计

主流道是指塑料熔体从注塑机喷嘴和模具接触处流动到分流道的一个通道，是熔体最先进入模具通道。

主流道的设计对于充填时间和流动速度有着很大的影响。

主流道通常垂直于分型面，常被设计在浇口套中，如图2.2所示为常见浇口套形式。

主流道一般设计成圆锥形，主要方便将主流道中的凝料取出，锥角一般为2°

～8°

，流道的表面粗糙度一般要求较高，一般取Ra≤0.8um[6]。

图2.2浇口套形式

2.1.3分流道设计

分流道是指主流道末端与浇口之间的一段通道，是熔体从主流道流到型腔的过度段，主要作用是改变熔体的流向，使得熔体能顺利的流淌到各个型腔。

分流道是开设在动模定模的一侧或者两侧，截面形状一般有圆形、梯形、U形、半圆形和矩形等各种样式。

圆形流动方便，但需考虑上下模的配合，d一般去5～6mm；

梯形和U形加工方便，是常用形式,D在5～10mm之间选取；

矩形流动阻力大，不常使用[7]。

如图2.3所示为常见分流道截面形状。

图2.3分流道截面形式

分流道在分型面上的布置形式各异，有平衡式和非平衡式，其中各有优劣。

平衡式可使熔体同时到达型腔，使各型腔成型一致。

非平衡式可使流程短。

如图2.4所示为分流道布置样式。

图2.4分流道布置形式

2.1.4浇口的设计

浇口，俗称进料口，是连接分流道与型腔的非常短、截面又很狭窄熔体通道。

浇口设计的好坏直接关系的成型的好坏。

它具有两个作用：

其一，控制塑料熔体流入型腔；

其二，当注塑压力撤销后，封锁型腔，这样型腔中尚未凝固的塑料就不会倒流[8]。

浇口按照结果形式可分为直接浇口、侧浇口、点浇口和潜伏式浇口等：

（1）直接浇口

直接浇口又叫主流道浇口，用与单型腔的模具。

其优点是成型容易，流动阻力小，流程短，易于排出气体等特点，缺点是浇口去除不方便，且易留下浇口痕迹，影响制件的外观。

如图2.5所示。

图2.5直接浇口

（2）侧浇口

侧浇口又称标准浇口，如图2.6所示，开设在分型面上。

这种浇口应用广，选择位置方便，便于加工的修整，去除方便不留痕。

图2.6侧浇口

侧浇口有两种变异形式，扇形浇口和平缝浇口。

扇形浇口是浇口沿浇口方向厚度逐渐变小，宽度逐渐增大的侧浇口，常用于扁平的塑料件。

平缝浇口又叫薄片浇口，宽度很大，厚度很小，降低塑性应力。

如图2.7所示为两种浇口。

图2.7扇形浇口和平缝浇口

（3）点浇口

点浇口又叫针点浇口，是一种截面很小的浇口。

具有适应各种类型的零件，浇口的位置选择自由，浇口去除更方便，浇口痕迹不显著等优点；

缺点是压力损失大，成型周期长废料较多。

且必须在定模部分增加一个分型面。

如图2.8所示。

图2.8点浇口样式

（4）浇口位置和数量的选择

如上所述，浇口样式多样，但浇口位置的选择对于成型的性能和质量有着很大的影响。

数量的多少而且影响到成型的充填时间，熔接痕等多个方面。

选择位置和浇口时应该综合考虑：

1）流动距离尽可能短

2）浇口应开设在制件壁厚的地方

3）数量的控制应该综合考虑熔接痕和充填时间

4）避免熔体流动时的阻塞，防止熔体破裂引起的塑件缺陷

综合考虑以上因素，保证浇口系统的完整设计。

2.1.5水煲浇注系统设计

研究水煲的结构，不难设计水煲浇注系统的成型方案。

可以在水煲的下端变形的一圈内采用侧浇口中的扇形浇口。

浇口沿进料方向逐渐减小，能够完整的充填，水煲内侧表面要求不高，便于去除，沿塑料浇口台阶进入型腔。

故比较适合本产品的成型要求。

在分流道的设计要求上，塑料沿分流道流动时，要求物料温度降低尽可能小，压力损失小，流动阻力小，同时应能将塑料熔体均衡地分配到各个浇口。

除此之外减小浇注系统的回料量，降低塑料损失，分流道亦不能过粗。

所以设计出截面为圆形的分流道，分流道的形状为弧形。

浇口数量的确定，假设四种不同数量的浇口位置，研究分析出他们的优劣。

综合的出四种浇注方式，如图2.9，2.10，2.11，2.12所示。

图2.9一点进浇浇注系统图2.10两点进浇浇注系统

图2.11三点进浇浇注系统图2.12四点进浇浇注系统

2.2冷却系统设计

模具的温度调节系统是用来控制模具的温度，使注塑成型具有良好的产品质量和高的生产速率。

冷却系统的设计影响产品的生产效率和产品的质量。

2.2.1冷却水路布置

塑料模具实质上可以看成一种热交换器，冷却系统是在塑料成型后带走热能的一种装置。

冷却水路的布置直接关系到塑料制件的质量，冷却不到位，可能导致塑料制件的断裂等缺陷。

根据经验，人们总结了冷却水路的一些设计原则[9]：

（1）冷却水路的数量要尽量多，孔径尽量大，确保冷却水的流通方便，冷却效果良好。

（2）冷却水路离型腔的距离，一般保持在15~25㎜以上，且距离尽量相等。

（3）冷却水路设置应使冷却均匀，靠近热量较多的地方，偏离热量较少的地方。

（4）冷却应该沿着塑料收缩的方向设计，降低塑料的收缩。

2.2.2常见冷却系统的结构

（1）直流式

这种形式的冷却水路结构简单，加工方便，但冷却效果不太均匀。

如图2.13所示。

图2.13直流式冷却水道

（2）循环式

这种结构冷却效果好，但加工不方便。

这种形式适用于中小型的型芯型腔。

如图2.14所示。

图2.14循环式冷却水道

（3）隔板式

这种隔板式的冷却水道冷却方便，适用于深型腔模具。

如图2.15所示。

图2.15隔板式冷却水道

（4）喷流式

这种形式适用于矩形内孔长度较大的，宽度相对较窄的结构。

如图2.16所示。

图2.16喷流式冷却水道

2.2.3水煲冷却水路的方案设计

水煲采用的为PC料，PC（聚碳酸脂），是一种具有很高机械性能、光学、电气和热性能的热塑性工程塑料。

这种极为坚韧的、易于加工的聚合物常用家用电器、汽车灯具、医疗仪器以及包装容器等[10]。

PC料具有熔融粘度对对温度的敏感性大，剪切率的敏感性小，熔融体粘度较高，高温下树脂易水解，制品易开裂等特性。

针对这些特性，在设计浇注系统的时候要考虑增加熔体的流动性，不是用增大注射压力而应采用提高注射温度的办法来达到。

要求模具的流道、浇口短而粗，以减少流体的压力损失，同时要较高的注射压力[11]。

其三，水煲属于深型腔，所以在靠近模具的地方可以使用隔板式水道来提高水道的冷却效果特性。

对于设计了两种冷却系统，如图2.17所示为隔板式和图2.18直通式两种。

图2.17隔板式冷却系统

图2.17直通式冷却系统

第三章基于MPI的注塑工艺CAE模拟仿真过程

3.1Moldflow软件简介

Moldflow软件是美国Moldflow公司开发的产品，主要用于塑料注射成型模拟分析。

该公司是一家专业从事塑料计算机辅助工程分析（CAE）的跨国公司，几十年来一直主导CAE软件市场，自从1976年发布了世界上第一套塑料流动分析软件以来，之后产品以不断的技术改革和创新[12]。

目前，Moldflow软件已广泛用于汽车、航空航天、仪表仪器、信息产业、日用品、等众多领域。

Moldflow软件用于优化制件和模具设计的整个过程，为其提供了一个整体的解决方案，为模具的制造设计、注塑生产的过程提供了很多有用的价值。

Moldflow软件可以对塑料模具进行仿真模拟分析,通过分析结果,可以提前预测模具（产品）潜在的缺陷,为模具（产品）的改善方向提供准确的参考,.从而提高模具（产品）的质量[13]。

Moldflow软件MPI模块可做如下项目模拟分析浇口位置分析、流动分析、填充分析、冷却分析、收缩分析、翘曲分析、纤维取向分析等各种分析。

这个产品为注塑制件设计及模具设计过程带来了一场新的革命变化[14]。

3.2水煲CAE仿真模拟分析

本文使用MPI（MoldflowPlasticsInsight）6.1对水煲进行模拟分析。

3.2.1产品模型导入

打开MPI6.1软件，软件界面如图3.1所示。

图3.1MPI6.1操作界面

执行“文件→新建项目”菜单命令，输入项目名称“shuibaofenxi”，选择创建目录，单击“确定”，则项目创建完成，如下图3.2所示。

然后在项目名称右击项目“shuibaofenxi”，导入被分析产品的STL模型，如下图3.3所示。

图3.2创建新项目图3.3导入项目模型

在选择网格划分类型的时候选择（Fusion）模式，单击“确定”，如图3.4所示。

至此，产品模型被导入到MPI中，如图3.5所示。

图3.4“输入”对话框图3.5水煲模型

3.2.2网格的划分及修复

水煲模型的网格划分和修复是MPI分析前处理中最为关键的，同时也是最为复杂、烦琐的环节，网格划分是否合理，将直接影响到产品的最终分析结果。

（1）网格划分

在任务窗口中双击“创建网格”的图标，系统会弹出“生成网格”对话框，设置“平均边长”为4mm。

如图3.6所示。

对于导入格式为IGES的情况，还要输入公差。

最后单击“立即划分网格”，则网格划分完成，如图3.7所示。

查看任务窗口可以发现单元个数为36152。

图3.6“网格划分”对话框图3.7生成网格的模型

（2）网格状态统计

图3.8网格统计

网格划分完成后，需要对网格的状态进行统计，再根据统计的结果对网格进行修复。

执行“网格→网格统计”命令，弹出网格统计的窗口，如图3.8所示。

对于Fusion模型，网格信息必须满足以下一些原则：

1）连通的区域的个数应该为1；

2）自由边和交叉边个数应该为0；

3）配向不正确的单元应该为0；

4）相交个数应该为0；

5）完全重叠单元个数应该为0；

6）三角形面纵横比数值视具体情况而定，一般最大值应控制在10到20之间；

7）网格匹配率应大于85%；

（3）网格修复

根据上面统计结果，对网格进行修复，以三角形的纵横比为例开始修复。

三角形的纵横比是指模型的三角形单元的最长边与该边所对应的三角形高度之比值，如图3.9所示中的a：

b，此数值越大，则说明该单元越尖锐，越细长，按照数值分析的理论要求来说，这对分析结果是不利的，修复前要对网格缺陷进行诊断。

图3.9最大纵横比样式

执行“网格→网格诊断→纵横比诊断”，弹出纵横比对话框，如图3.10所示。

在弹出的诊断对话框里有最小值和最大值，分别定义在诊断报告中将显示的最小值和最大值。

将最小值设置为15，单击“显示”后，同时将“将结果放在诊断层”复选框选中。

这样会将纵横比大于15的网格全部显示出来，在关掉了不必要的图层后诊断结果显示如图3.11所示。

图3.10“纵横比诊断”对话框图3.11水煲中纵横比诊断结果

现在开始修复纵横比，修复网格的缺陷主要使用网格工具来修改，执行“网格→网格工具”，网格工具中的节点工具，边工具等都可以用来修复网格缺陷。

下面介绍两个网格纵横比修复方法。

1）合并节点，减小纵横比

如图3.12狭长的的三角形合适。

这情况下用合并节点来处理。

利用“合并节点”工具，将节点1向节点2合并，合并的方向很重要。

方向相反，将背道而驰。