基于moldflow电源插头的成型工艺分析及模具设计Word文件下载.docx

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5.6浇注系统凝胶的脱出方式………………………………………………26

5.7模具结构总装图与铸件结构图……………………………………………26

6结论…………………………………………………………………………28

致谢……………………………………………………………………………29

参考文献………………………………………………………………………30

电源插头的成型工艺分析及模具设计

摘要：

本次设计主要特点是根据MOLDFLOW软件仿真模流分析来指导模具结构的设计。

Moldflow软件模拟塑料熔体在整个注射过程中的充填、冷却及流动情况，确保获得高质量制件。

打破传统模具结构设计的试模、修模等过程，为了达到降低成本，提高生产率的目的。

在得到仿真分析最佳质量效果的数据、参数之后用来作为模具结构设计的依据。

本次设计主要包括：

（1）模流仿真分析注射成型时熔体在型腔中的流动过程非常复杂，与许多因素如聚合物性能、制件结构、温度、压力、时间、模具结构及注射设备等有关。

仿真定量地给出成型过程的成型窗口状态参数（如压力、温度、速度等）。

（2）依据仿真的成型窗口状态参数进行整个注塑模具的结构设计。

如注射机的选择、浇注系统、成型零件、合模机构、脱模机构和冷却系统的设计，绘制模具零件图和装配图等。

关键词：

电源插头；

仿真分析；

模具设计；

一模四腔；

PROE建模

Abstract：

ThemainfeaturesofthedesignarebasedonsoftwaresimulationflowanalysisMOLDFLOWtoguidethedesignofdiestructure.MOLDFLOWsoftwaretosimulatetheinjectionofplasticmeltintheprocessoffilling,coolingandflow,ensuringaccesstohigh-qualityparts.Breakingtraditionalmoldstructuredesigntestmode,theprocessofrepairmolds,toreducecosts,improveproductivitypurposes.Afterobtainingthebestqualitythesimulationresultsofthedataandparametersthanusedasthebasisforthemolddesign.

Thedesignincludes:

（1）MOLDFLOWinjectionmoldingsimulationofmeltflowinthecavityisverycomplexprocesswithmanyfactors.Suchaspolymerproperties,partsstructure,temperature,pressure,time,andinjectionmoldstructureandotherrelatedequipment.Quantitativesimulationofthemoldingwindowmoldingprocessisgiventhestateparameters（suchaspressure,temperature,speed,etc.）.

（2）Simulationbasedontheparametersofthemoldingwindowstatethestructuraldesignoftheinjectionmold.Suchasthechoiceofinjectionmachine,injectionsystem,moldedparts,moldbodies,strippinginstitutionsandcoolingsystemdesign,drawingdiepartandassemblydrawings,etc.

Keywords:

Powerplug;

SimulationAnalysis;

MoldDesign;

Four-cavityMold;

Pro/E-Modeling

1前言

1.1课题来源及其研究目的和意义

塑件广泛应用于工业和民用领域，而模具是工业生产最基础的工艺装备。

由于模具生产具有高效、优质、低成本等的优点,利用模具将金属或者非金属材料压制成产品的方法己经被广泛使用。

模具工业是国家工业的重要基础工业之一。

模具产业链的迅速发展,模具在机械制造、汽车、电子、电器、仪表、家电、通讯、石油化工、轻工日用品以及航空航天等工业部门都不可缺少,可以说60%—90%的零部件都依靠模具成型。

模具质量的高低决定着产品质量的高低，因此，模具被称之为“百业之母”。

[1]模具又是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。

模具工业发展及其生产技术水平,己成为衡量一个国家或地区制造业发达程度的的标志,决定着一个国家制造业的国际竞争力。

[2]

在塑料成型工艺方法中，注塑模是应用最广泛的一类塑料成型模具。

由于影响塑料成型因素众多，其成型过程非常复杂，其工艺研究传统上多依赖经验方法进行，可靠性不高，模流分析是克服经验性不足的有力工具。

目前模流分析已成为塑模设计一个标准流程。

所以本文试图通过对电源插头注塑成型过程的数值模拟来研究成型现象，使我们对所学的模具设计与制造的相关理论知识有一个更深层次的理解，为制定优化方案奠定基础。

培养学生综合应用所学的模具设计、计算机及应用软件的有关知识，解决工程设计中计算机辅助分析问题的能力。

并且采用moldflow软件对整个注塑成型过程进行模拟分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却以及制品中的应力分布、制品的收缩和熔接痕等情况，从而培养学生对有限元软件的了解和使用模拟软件对注塑成型过程进行模拟分析的能力。

通过计算机模拟仿真技术可以减少试模修模次数，提高制品质量和降低成本等，本课题的研究对企业降低成本，提高效率有着重大的技术和经济意义。

1.2国内外研究现状及发展趋势

模具是制造业的重要工艺基础，在我国，模具制造属于专用设备制造业。

中国虽然很早就开始制造模具和使用模具，但长期未形成产业。

直到20世纪80年代后期，中国模具工业才驶入发展的快车道。

中国航天航空事业、汽车行业和家电等各大行业的迅速发展,都促进了注射模具的飞跃发展。

一部空调大约需要20副注塑模,一台全自动洗衣机大约需要200副注塑模,而一台电冰箱需要的注射模具高达350副左右。

据有关数据统计可知,注射模具在家电业以的每年10%增长率在迅速增长。

汽车需要的模具更是惊人。

一部车大概需要上几千副模具来生产。

[3]模具CAD/CAE/CAM技术的发展与应用、数控和电加工技术的发展、快速成型技术、快速制模技术等模具设计和制造的新技术发展和模具材料的发展,使我国的模具业进入了一个新的时代。

在大型注塑模方面:

我国完全可以自主生产汽车保险杠、大屏幕的电视机塑料外壳以及较大容量的洗衣机壳体等塑料产品。

在精密注塑模方面:

我们能生产照相机塑料件、多型腔小模数齿轮等精密注塑模。

尽管我国注射模具已经取得长足发展,但是和国际先进水平比较,在模具CAD/CAM/CAE技术推广度、快速模具制造技术的运用以及大型、精密、复杂模具的开发等几个方面仍然存在一定差距。

这也是我国模具行业的主要发展方向。

[4]

总而言之，我国塑料模具工业的发展趋势主要有一下几个方面：

1、提高大型、精密、复杂、长寿命模具的设计制造水平及比例。

这是由于塑料模成型的制品日渐大型化、复杂化和高精度要求以及因高生产率要求而发展的一模多腔所致。

2、在塑料模设计制造中全面推广应用CAD/CAM/CAE技术。

CAD/CAM技术已发展成为一项比较成熟的共性技术，近年来模具CAD/CAM技术的硬件与软件价格已降低到中小企业普遍可以接受的程度，为其进一步普及创造了良好的条件。

3、推广应用热流道技术、气辅注射成型技术和高压注射成型技术。

采用热流道技术的模具可提高制件的生产率和质量，并能大幅度节省塑料制件的原材料和节约能源，所以广泛应用这项技术是塑料模具的一大变革。

4、开发新的塑料成型工艺和快速经济模具。

以适应多品种、少批量的生产方式。

5、提高塑料模标准化水平和标准件的使用率。

我国模具标准件水平和模具标准化程度仍较低，与国外差距甚大，在一定程度上制约着我国模具工业的发展，为提高模具质量和降低模具制造成本，模具标准件的应用要大力推广。

6、应用优质模具材料和先进的表面处理技术对于提高模具寿命和质量显得十分必要。

7、研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程。

采用三坐标测量仪或三坐标扫描仪实现逆向工程是塑料模CAD/CAM的关键技术之一。

研究和应用多样、调整、廉价的检测设备是实现逆向工程的必要前提。

2塑件的结构设计

2.1塑件工艺性分析

如图2-1，该塑件是一个两相电源插头，生产批量很大。

电源线以及插头广泛的用于各个领域，而电源线以及插头的主要材料是塑料PVC，即聚氯乙烯。

其化学稳定性好，熔点高，成型工艺性很好，可以注射成型，有较好的机械性能和电绝缘性能。

图2.1电源插头模型

2.2PVC性能分析

2.2.1化学和物理特性 

PVC（聚氯乙烯）材料是一种非结晶性材料。

PVC材料在实际使用中经常加入稳定剂、润滑剂、辅助加工剂、色料、抗冲击剂及其它添加剂。

PVC材料具有不易燃性、高强度、耐气侯变化性以及优良的几何稳定性。

PVC对氧化剂、还原剂和强酸都有很强的抵抗力。

然而它能够被浓氧化酸如浓硫酸、浓硝酸所腐蚀并且也不适用与芳香烃、氯化烃接触的场合。

PVC在加工时熔化温度是一个非常重要的工艺参数，如果此参数不当将导致材料分解的问题。

PVC的流动特性相当差，其工艺范围很窄。

特别是大分子量的PVC材料更难于加工（这种材料通常要加入润滑剂改善流动特性），因此通常使用的都是小分子量的PVC材料。

PVC的收缩率相当低，一般为0.2~0.6%。

[5]

PVC是世界上产量最大的塑料产品之一，价格便宜，应用广泛，聚氯乙烯树脂为白色或浅黄色粉末。

根据不同的用途可以加入不同的添加剂，聚氯乙烯塑料可呈现不同的物理性能和力学性能。

在聚氯乙烯树脂中加入适量的增塑剂，可制成多种硬质、软质和透明制品。

聚氯乙烯有较好的电气绝缘性能，可作低频绝缘材料，其化学稳定性良好。

由于聚氯乙烯的热稳定性较差，长时间加热会导致分解，放出HCL气体，使聚氯乙烯变色，所以其应用范围较窄，使用温度一般在-15~55度之间。

目前PVC产业在全世界发展迅速，前景广阔，各国都看好PVC的潜力以及其对生态环境的好处，PVC正以其优越、独特的性能向世人证明其作用和地位是目前任何其它产品都无法取代的，社会发展需要它,环境保护需要它，它是我们人类社会文明进步的必然趋势。

2.2.2注塑工艺条件 

干燥处理：

通常不需要干燥处理。

熔化温度：

185~205℃ 

模具温度：

20~50℃ 

注射压力：

可大到1500bar 

保压压力：

可大到1000bar 

注射速度：

为避免材料降解，一般要用相当地的注射速度。

2.2.3PVC 

的成型条件

表2.1PVC的成型条件

项目

数值

注射成型机类型

柱塞式

密度

1.38——1.4

计算收缩率

0.2——0.6

预热和干燥

温度t（℃）

80——100

时间r（h）

2——3

料筒温度

t（℃）

后段

150——170

中段

165——180

前段

180——200

成型温度t（℃）

200——210

模具温度t（℃）

50——70

注射压力p（MPa）

70——140

2.3尺寸和精度 

塑件的流动性影响制件尺寸的设计，注射成型制件尺寸要受注射机的注射量，锁模力的限制。

影响模塑精度的因素十分复杂。

首先是模具制造的精度，其次是塑料收缩率的波动，同时由于磨损等原因造成模具尺寸不断变化，都会使模制尺寸不稳定。

模制时工艺条件的变化，正边厚度的变化以及模制所需脱模斜度都会影响塑料制品的精度，因此塑料制件的精度确定应合理，尽可能选用低精度等级。

综合考虑本产品采用一般精度即7级精度。

[6]

2.4表面光洁度 

塑件制品的表面光洁度，除了从工艺上尽可能避免冷疤，云纹等疵点外，主要是由模具光洁度决定，一般模具表面光洁度要比塑件的高一等级。

本塑件取Ra=6.3um。

2.5脱模斜度 

脱模斜度大小受塑件径向尺寸的限制，又影响着脱模阻力，斜度大，脱模阻力小，有利于脱模，选择脱模斜度时还应考虑塑料材料的性质，塑件摩擦系数大，则宜采用较小斜度，便于脱模时不至于过大脱模阻力。

塑件的收缩率大，收缩产生的包紧力大，也宜采取较大斜度。

脱模过程，塑件一般是受到压缩载荷，因此抗压强度大的塑件，可承受较大压缩载荷，可以取较小的脱模斜度。

塑件的几何形状和尺寸对脱模斜度选取也有影响，壁较厚和几何形状复杂的塑件，收缩率较大或各部分收缩差别大，一般的说有较大脱模阻力，宜采取较大斜度，塑件高度对脱模斜度选取有相互矛盾的影响，对具体塑件上斜度数值取应综合考虑各种因素后确定。

PVC的塑件要求所以取外侧斜度为45′，内侧斜度为45′。

[7]

2.6圆角 

塑件除了使用上要求采用尖角处以外，其余所有转角处均应尽可能采用圆角过渡，因制件尖角处易产生应力集中，在受力或受冲击震动时会发生破裂，甚至在脱模过程中由于模塑内应力而开裂，特别是制件的内圆角，一般即使采用R=0.5mm的圆角，就能使塑件的强度大为增强，理想的内圆角，半径应有壁厚 

的1/4以上。

塑件设计成圆角，使模具型腔对应部位亦成圆角，这样增强了模具的坚固性，塑件的外圆对应着型腔的内圆角，它使模具在淬火和使用时不会因团应力集中而开裂。

2.7插头制件的质量特性

体积=6.9153256e+03MM^3

曲面面积=4.2225817e+03MM^2

密度=1.3999833e-09公吨/MM^3

质量=9.6813402e-06公吨

根据_PRT0001坐标边框确定重心:

XYZ1.1366475e+010.0000000e+000.0000000e+00MM

相对于_PRT0001坐标系边框之惯性.（公吨*MM^2）

惯性张量:

IxxIxyIxz4.6358722e-040.0000000e+000.0000000e+00

IyxIyyIyz0.0000000e+002.7533535e-035.6610591e-07

IzxIzyIzz0.0000000e+005.6610591e-072.9085618e-03

重心的惯性（相对_PRT0001坐标系边框）（公吨*MM^2）

IyxIyyIyz0.0000000e+001.5025559e-035.6610591e-07

IzxIzyIzz0.0000000e+005.6610591e-071.6577642e-03

主惯性矩:

（公吨*MM^2）

I1I2I34.6358722e-041.5025538e-031.6577662e-03

从_PRT0001定位至主轴的旋转矩阵:

1.000000.000000.00000

0.000000.999990.00365

0.00000-0.003650.99999

从_PRT0001定位至主轴的旋转角（度）:

相对xyz的夹角-0.2090.0000.000

相对主轴的回旋半径:

R1R2R36.9198708e+001.2457970e+011.3085608e+01MM

2.8运用Moldflow进行模流分析及预设方案可行性分析

2.8.1介绍其功能

MoldflowPlasticInsight（MPI）是一个提供深入制件和模具设计分析的软件包，它提供强大的分析功能、可视化功能和项目管理工具。

这些工具使客户可以进行深入的分析和优化。

MPI使用户可以对制件的几何形状、材料的选择、模具设计及加工参数设置进行优化以获得高质量的产品。

共有三个分析优化模块：

（1）注塑流动模拟MPI的流动分析模拟了塑料熔体在整个注塑过程中的流动情况，确保用户获得高质量的制件。

使用流动分析用户可以优化浇口位置和加工参数、预测制件可能出现的缺陷、自动确定取得流动平衡的流道系统尺寸。

（2）冷却模拟注塑和保压过程得到了优化后，可以进行冷却系统造型：

包括流道、模具外形、镶块等，并进行冷却分析。

（3）结构模拟MPI的翘曲分析可以预测塑料制件的收缩和翘曲。

可以使用线性和非线性方法来精确预测翘曲的变形量，并指出引起翘曲的主因。

MPI的模内残余应力修正算法（CRIMS）使用户可以精确分析Moldflow数据库中500种材料的翘曲情况。

MPI应力分析功能可以分析塑件的在外力状态下的结构性能，它提供一个线性分析方法在概念设计阶段，快速预测制件是否符合设计的结构要求。

[8]

2.8.2对塑件进行有限元网格划分

划分产品网格是为了得到质量上乘的网格，才能保证分析的精度和效果好坏的前提条件。

网格区配率不高将无法进行冷却及翘曲分析。

同时网格中不能出现有相交单元、完全重叠单元、复制柱体以及最大纵横比不能超过16。

通过细分网格及不断的网格优化如

（1）修补问题网格通过合并节点来降低最大纵横比。

（2）修补塌陷面、自由边、重叠单元。

（3）修补零面积单元。

通过网格修补、优化后得到符合分析精度的网格信息、质量。

如图2-2所示：

图2.2划分网格

2.8.3选择成型材料

根据前面的塑件的原材料分析，最适合选用PVC（聚氯乙烯）材料。

因此选用Geon的PVC，牌号为3547-693A。

软件中选择材料品牌截图如图2-3所示：

图2.3材料选择

2.8.4确定最佳浇口位置

初步确定为以下型腔数量及布局进行分析，在创建浇注系统前应先确定产品上的最佳进浇位置。

浇口位置不正确导致性能不良的影响有：

流动熔料前沿形状导致的熔合线和空气气穴都可能影响零件的外观，特别是增强纤维材料，其机械性能将会受到影响。

更改加工条件对这些影响也是无济于事。

如果浇口设在模制件的较薄部分，厚壁的部分会形成收缩痕迹和空隙。

尽管厚壁部分需要更长的保压时间，但由于材料在薄壁部分结晶较快（图1），厚壁部分将不再有熔料供应。

结果除了会产生光学和机械问题之外，还会在厚壁区域增大收缩量，在非增强型塑料中甚至会导致翘曲变形。

经过MOLDFLOW的模拟分析，得到以下结果，如图2-4所示:

图2.4最佳浇口位置

2.8.5由最佳浇口位置分析创建浇注系统

浇注系统是熔融塑胶由机台料筒进入模具型腔的通道，将处于高压下的熔融塑胶快速、平稳地引入型腔。

浇注系统设计不好将导致制品变形和翘曲，其流道和浇口的选择是否合适，对于制品的性能、外观以及成型周期和生产成本都有很大影响。

同时有些塑料还会因为浇口设计不当而导致浇口表壁与熔体之间产生较大摩擦，从而引起塑料褪色。

一模多腔时，应使各模腔的容积不致相差太多，否则难以保证制品质量。

PRO/E建模如图2-5所示，充模时间如图2-6所示:

图2.5浇注系统

图2.6充模时间

填充时间较为合理，故方案可行

2.8.6创建冷却系统

冷却系统对于塑料成型有着重要的影响。

通过优化冷却系统的布局,可以达到使塑件快速、均衡冷却的目的,从而缩短注射成型的冷却时间,提高劳动生产效率,提高制品质量，减小废品率。

如果冷却不好或冷却不均匀，必然导致收缩不均匀，从而使产品质量达不到要求。

回路冷却介质温度如图2-7所示:

图2.7回路冷却介质温度

回路冷却介质温度指冷却回路进水口和出水口的温度差。

冷却回路温差不宜超过2-3度。

[9]温差过大会使模具温度不均，特别是塑件型腔和模板尺寸很大时，为使塑件的冷却速度基本一致，可以改变冷却水管排列形式。

冷却管道的温差越小，说明冷却的效果越好。

经过分析得出该冷却系统回路介质温度温差只有0.36度，故方案可行。

3注射机的选择

3.1注射机的选择

注射模是安装在注射机上使用的工艺装备，因此设计注射模是应该详细了解注射机的技术规范，才能设计出符合求的模具。

注射机规格的确定主要是根据制品的大小及型腔的数目和排列方式，在确定模具结构型式及初步估算外形尺寸的前提下，设计人员应对模具所需的注射量、锁模力、注射压力、拉杆间距、最大、最小模具厚度、推出型式、推出位置、推出行程、开模距离等进行计算。

根据这些参数选择一台和模具相匹配的注塑机，倘若用户已提供了注射机的型号和规格，设计人员必须对其进行校核，若不能满足要求，则必须自己调整或与用户取得商量调整。

[10]