基于Moldflow的联想手机外壳注塑成型 精品.docx
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基于Moldflow的联想手机外壳注塑成型精品
摘要
基于CAE技术，以普通手机外壳为实例，介绍了MoldflowInsight软件在注塑模具设计中的应用。
首先，分析塑件的工艺性及注塑成型特点，而后应用CAD建立了产品的几何模型；运用CAE模流分析软件Moldflow进行有限元模型的前期处理，其中包括导入三维模型、划分网格、设置工艺条件和确定最佳浇口位置。
确保了浇注系统和冷却系统设计的合理性后，运用正交设计法安排实验方案，得到各参数及其交互作用对翘曲的影响度，初步确定工艺参数最优组合方案，对影响显著的因素作单因素影响模拟分析，研究翘曲和体积收缩率受单独影响的变化趋势，结合正交试验结果，最终确定较合理的工艺参数优化组合。
最后，采用优化工艺方案进行模拟分析，得到最佳质量的制品。
关键词注塑模具；正交试验；Moldflow
Abstract
BasedontheCAEtechnology,chosenordinarymobilephoneshell,paperintroducedtheapplicationoftheinjectionmoulddesignwithMoldflowInsightsoftware.Firstofall,Thepaperanalysedtheplastic'smanufaturabilityandfeaturesinit'sinjectionmoldingprocessandestablishedapplicationofCADproductgeometrymodel.ItusedCAEmoldflowanalysissoftwaremoldflowtosimulateandanalysewhichincludingimport3Dmodel,dividingintogrid,settinguptechnologicalconditionsanddeterminingthebestgatelocation.makingsuretherationalityofthedesignofcoolingsystemandgatingsystem.ThepapergoteffectFactorsofwarpinginvariousparametersandinteractionbyarrangingtheplanusingtheorthogonaldesignmethod.What'smore,itbrieflydeterminatedthetechnologyparametersoptimizationcombinationscheme,simulatedandanalysednotablefactorsalone.InthiswayitworkedoutthechangetrendofwarpingandvolumetricshrinkagewhichcausedbyparametersCombinedwiththeorthogonalexperimentresults,iteventualltdeterminedthereasonableparameters.Inthelast,itgotthebetterplasticproductqualitywiththeoptimumprocessseheme.
Keywords:
injectionmould;theorthogonalexperiment;Moldflow
目录
第1章绪论1
1.1本课题研究的目的和意义1
1.2CAE技术的理论方法及应用2
1.3模具国外CAD/CAM/CAE技术的发展3
1.4模具国内CAD/CAM/CAE技术的发展3
1.5模具CAD/CAM/CAE技术发展的趋势4
1.6本课题研究的主要内容5
第2章产品注塑方案的设计6
2.1注塑产品有限元模型的建立6
2.1.1建立塑料零件三维模型6
2.1.2模型导入前处理7
2.2制件有限元的初始化网格划分7
2.2.1模型的导入7
2.2.2网格划分8
2.3网格的修复9
2.4纵横比的诊断及修复9
2.5配向诊断12
第3章分析方案的确定13
3.1浇注系统的作用13
3.2最佳浇口位置分析13
3.3浇注系统的创建14
3.4冷却系统方案的确定15
3.5流动结果分析16
3.5.1充填时间16
3.5.2熔接痕比较17
3.5.3气穴比较18
3.5.4制件翘曲的比较18
第4章基于正交试验工艺参数优化分析20
4.1优化目标设计20
4.2正交试验的设计及参数设定20
4.3基于正交试验多工艺参数优化21
4.4基于MPI的产品工艺参数的单个因素数据分析26
第5章结论33
参考文献34
致谢35
附录A译文36
附录B英文材料40
第1章绪论
模具是以特定的结构形式通过一定方式使材料成型的一种工业产品，同时也是能成批生产出具有一定形状和尺寸要求的工业产品零部件的一种生产工具，是生产各种工业产品的重要工艺装备。
随着塑料工业的迅速发展，以及塑料制品在航空、航天、电子、机械、船舶和汽车等工业部门的推广应用，产品对模具的要求也越来越高，传统的模具设计方法已无法适应当今的要求。
与传统的模具设计相比，计算机辅助工程技术无论是在提高生产率、保证产品质量方面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面，都具有极大的优越性。
1.1本课题研究的目的和意义
随着科学的发展，各种产品的更新换代速度越来越快，而产品的更新是以新产品的造型设计和模具的设计、制造与更新为前提的。
模具的设计是模具更新的基础，模具设计工作与产品的更新信息相关。
传统的手工设计模式已经不能很好地适应时代的需要，计算机辅助设计与制造已成为许多大型CAD/CAM/CAE软件追求的目标。
而在众多辅助设计制造软件中Pro/E软件是当今世界较先进、面向制造业的综合软件。
Pro/E软件在产品造型、注塑模设计和冲压级进模设计中的应用将体现该软件在产品造型和模具设计中的强大功能，展现它的灵活性和工程设计严谨性的特点和优点。
手机外壳模具在我国模具生产中占有不可或缺的地位。
而近年来随着手机功能的增加，手机外壳的结构越来越复杂，而出于便携性的考虑，手机的壁厚却越来越小，加之各种新材料、新工艺的使用，使注塑成型的难度不断加大，在手机外壳的设计和生产过程中引入Moldflow模拟具有重大的意义。
因为传统的注塑工艺及注塑成型的实际生产主要靠经验来反复调试和修改，这样不仅生产效率低，而且还浪费了大量的人力和物力。
注塑Moldflow技术能预拟注塑成型时塑料熔体在模具型腔中的流动情况及塑料制品在模具型腔内的冷却、固化过程，在模具制造之前就能发现设计中存在的问题，改变了主要依靠经验和直觉，通过反复试模、修模来修正设计方案的传统设计方法，它可使设计人员避免设计中的盲目性，使工程技术人员在模具加工前完成试模工作，也可使生产操作人员预测工艺参数对制品外观和性能的影响，降低了模具的生产周期和成本，提高了模具质量。
本文利用Moldflow对手机外壳注塑成型中的浇口位置、充填、流动、冷却等过程进行分析模拟，预测塑件可能产生的质量缺陷，并针对模拟结果分析缺陷产生的原因和影响因素。
根据分析结果对注塑工艺条件进行优化，得到比较合理的参数。
1.2CAE技术的理论方法及应用
由于塑料的种类和成型方法很多，塑料模CAE技术的应用侧重面有所不同。
下面就常用的注射成型、气体辅助注射成型、挤出成型、吹塑成型和热成型等，说明现有塑料模CAE技术的理论方法及对工程实际的指导意义。
塑料模CAE技术的应用无论在提高生产率、保证产品质量方面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面具有极大的优越性。
（1）注射成型
注射成型是热塑性塑料成型的一种主要成型方法。
注射模CAE技术按成型工艺过程的特点，分为流动、保压、冷却、残余应力及翘曲分析等软件模块。
流动模拟采用非牛顿流体非等温下广义的Hele-Shaw模型描述注射充模过程；用有限元/有限差分算法耦合求解动量守恒方程和能量守恒方程已获得压力场、温度场、速度场；用控制体积法跟踪熔体的流动前沿；用人工智能技术自动识别熔接线和气穴的位置。
通过流动模拟可获得型腔内的温度、压力、速度及锁模力等信息，帮助工程技术人员合理地设计浇注系统，优选注射工艺参数，发现可能出现的成型缺陷并提出相应的对策。
（2）气体辅助注射成型
气体辅助注射成型是在传统的注射成型基础上发展起来的一种新的注射成型工艺，特点在于：
在充填阶段，当型腔充填至70%~95%时，向型腔内注入高压气体，并使气体进入型腔；进入保压阶段，继续注入高压气体，以弥补因熔体冷却而引起的收缩。
在充填阶段，由于气体、熔体两种性质完全不同物质的动力学的相互作用，使得成型过程的模拟非常复杂，控制方程仍采用非牛顿流体非等温下广义的Hele-shaw流动，但在气熔界面作了假设，认为气体、熔体两相介质不混合。
这样，流场的求解变为对熔体流动方程的求解，仅在气熔界面上加上气体压力的边界条件。
利用气体辅助注射成型过程的CAE技术，可帮助设计、工程人员解决气穴、气体冲头等潜在的质量问题；确定熔体的最优体积、注入气体的最佳切入时间等工艺参数；获得多型腔系统在整个加工过程中的物料及气体的分布；优化气道、浇注系统的尺寸、布置方案。
此外，还有反应、挤出、热成型、压延、流延模、纤维纺丝过程、吹塑模、涂覆等成型过程数值模拟也开展了广泛的工作，对聚合物加工过程的分析和成型设备的设计都产生了相当大的影响[1]。
1.3模具国外CAD/CAM/CAE技术的发展
国外模具CAD/CAM技术的研究始于上世纪60年代，到70年代已经研制出了模具CAD/CAM的专门系统，推出了面向中小型企业的CAD/CAM的商业软件，可应用于各种类型的模具设计和制造。
1973年，美国的DIECOMP公司率先研制成功PDDC连续模系统。
1977年，捷克斯洛伐克金属加工工业研究所研制成功AKT冲模CAD系统。
1978年，日本机械工程实验室建立ME1连续模设计系统。
1979年，日本旭光学工业公司研究成功的冲空模和弯曲模PENTAX的CAD系统。
1985年，日本NISSIN精密机器公司采用了冷冲模CAD/CAM系统。
到80年代末，美国、日本等工业发达国家的模具生产已有近50%采用了CAD/CAM技术。
近二十多年来，随着计算机硬件的不断提升，工业发达国家的CAD/CAM技术不断创新、完善、逐步发展，已经形成一个从研究开发、生产制造到推广应用和销售服务的完整的高技术产业。
国外在上世纪60年代开始开发有限元进行软件，1976年发行了第一套流动分析软件。
利用CAE技术可以在模具加工前，在计算机上对整个成型过程进行模拟分析，减少甚至避免模具返修报废、提高模具质量和降低成本等。
目前国外的模具CAE技术已经相当成熟，完全走向实用化阶段，并取得了显著效果。
国外著名的CAE软件有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、COSMOS等。
1.4模具国内CAD/CAM/CAE技术的发展
我国模具CAD/CAM技术开始于20世纪70年代末，与国外相比尚有一段距离，但目前也趋于成熟，并在模具生产企业得到广泛应用。
特别是20世纪80年代后期，我国进入了CAD/CAM技术迅猛发展的时期，各大院校和科研单位不仅自主研发适合国情、专业化极强的CAD/CAM实用系统，也引进国外先进CAD/CAM，同时在国外的CAD/CAM系统之上进行二次开发。
如吉林大学依托一汽对汽车覆盖件CAD/CAM系统的研究已经取得显著成效，华中科技大学模具技术国家重点实验室在AutoCAD软件平台上开发出基于特征的级进模CAD/CAM系统HMJC，上海交通大学为瑞士法因托（Finetool）精冲公司开发成功精密冲裁级进模CAD/CAM系统，西安交通大学开发出多工位弯曲级进模CAD系统等，这些CAD/CAM系统的研发促进了国内模具行业快速发展[2]。
经过这十几年的发展，我国模具CAD/CAM软件的开发水平也逐渐接近国外先进水平。
在政府的大力支持下先后出现了一批先进的模具CAD/CAM示范企业，高校和企业也培养了一大批模具CAD/CAM软件开发及应用人才。
但总的来说，我国目前模具CAD/CAM软件不管是从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都与发达国家有不小的差距。
1.5模具CAD/CAM/CAE技术发展的趋势
目前随着全球创新技术能力的提高和网络计算环境的普及针对高质量产品及高生产效率的市场要求最大限度地提高模具制造业的应变能力满足用户需求模具CAD/CAE/CAM技术的发展总体上朝着集成化、网络化、标准化、专业化、开放性、虚拟化、专业化和智能化方向发展[3]。
（1）集成化
CAD/CAE/CAM系统集成化可以消除分散应用CAD、CAE、CAM单项技术所形成的（信息孤岛）现象，最大限度地将计算机辅助设计所产生的实体模型被后续的分析、加工、工艺和仿真所利用。
（2）网络化
随着计算机网络技术的不断完善CAD/CAE/CAM系统的网络化已成为不可阻挡的发展趋势。
网络化可以充分发挥系统的总体优势使一个项目在多台计算机上协作完成，节省了大量的人力物力财力。
借助现有的网络，用户可用高性能的PC机代替昂贵的工作站，不同设计人员可以通过网络交流设计数据，同时对模具的设计与制造进行操作和评价。
（3）标准化
随着CAD/CAE/CAM系统的集成和网络化，为保障数据传递、转化过程中不丢失，使模具CAD/CAE/CAM软件系统内部信息交流成为整体，真正意义上实现模具制造信息传递的畅通，建立产品数据转换标准STEP对企业发展尤为必要。
（4）开放性
CAD/CAM/CAE系统目前广泛建立在开放式操作系统Windows和UNIX平台上，为最终用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开发其内核源码，使用户可定制自己的应用程序。
（5）虚拟化
虚拟制造（VM）以仿真技术、信息技术、虚拟现实技术为支撑，对产品设计、工艺规划、加工制造等生产过程进行统一建模。
现已在国外模具工业中有成功的应用，如美国的FoundryService公司采用VM技术对整个工艺生产过程进行仿真，根据仿真结果优化设备参数后成功地完成了生产系统的改造，节约了大量资金。
（6）专业化
针对性的开发专用模具CAD/CAE/CAM系统软件，或根据模具生产企业自身的特点对软件系统进行二次开发，这样才有可能发挥出软件的最大潜能，充分利用好企业自身的设备，制造出高质量的模具产品。
如日本UNISYS株式会社的塑料模设计和制造系统CADCEUS等。
（7）智能化
随着计算机辅助设计系统智能化程度提高，原来繁琐的操作逐渐被计算机智能化处理取代。
如将KF（KnowledgeFusion）引入CAD/CAE/CAM系统，使其具有专家的经验和知识，具有专家的推理方式和控制策略，以及智能化的视觉、听觉、语言的处理能力，从而达到设计自动化的目的[4]。
1.6本课题研究的主要内容
本文以注塑分析系统Moldflow为工作平台，进行了应用研究。
通过一年的学习及应用，对手机外壳塑料件的成型状况进行模拟，利用CAE分析结果，对塑料件的浇注系统、冷却系统、注塑工艺参数等各方面进行了优化，取得了比较满意的优化结果，得出一些切实可行的解决方案。
主要研究内容如下：
（1）用三维造型软件Pro/E对手机外壳零件进行实体三维造型并导入到Moldflow软件中。
（2）利用Moldflow注塑模具分析软件，针对手机外壳塑料模具进行填充、保压、冷却、变形等流变分析，并进行工艺参数、浇口位置、冷却系统等方面的设计。
（3）对温度、压力和时间等主要注塑工艺参数进行多种方案设计比较，利用正交试验法探索出各个因素对塑料件成型的影响，合理选择最优的注塑方案。
第2章产品注塑方案的设计
2.1注塑产品有限元模型的建立
2.1.1建立塑料零件三维模型
本课题的研究对象是手机外壳注塑零件，利用Pro/E三维制图软件建立手机外壳模型。
手机外壳的尺寸为97x50x6mm。
如图2-1所示。
手机外壳质量要求为盒体使用表面光滑，无明显熔接痕、银丝、汽泡。
手机外壳的材料采用的是一种半透明、非结晶型塑料ABS。
ABS是一种高分子的三元共聚物材料。
此三元分别为：
丙烯腈、丁二烯及苯乙烯。
ABS的良好性能与此三种成分密切相关。
本次设计手机外壳材料选用ABS材料，ABS材料学名丙烯脂—丁二烯—苯乙烯共聚物，属于热塑性塑料，韧性大、脆性小，适用广泛，但是尺寸稳定性差和热稳定性差，密度为1.02—1.05g/cm3，收缩率0.3%—0.8%，流动性中等，溢边值为0.04mm，料筒温度前段190—200℃，中段200—220℃，后段170—190℃，模具温度60—85℃，注射压力为60—100MPa，保压压力为30—60MPa。
2.1.2模型导入前处理
塑料产品设计时，出于工艺性要求或者安全规范要求，在产品尖锐处及外表面的棱边通常做倒圆角处理，倒圆角的存在对于实际注塑成型有利，但对Moldflow的网格划分却是不利的，尤其是对于fusion网格，会严重降低网格匹配率及增加网格数量。
此外，将零件一些不重要的小特征去掉对于分析结果来说微乎其微，但却极大地提高了网格质量与分析运算效率。
因此，在进行网格划分前对模型的修复与简化是必要的，然而对大多数Moldflow工程师来说又是很困难的，作为分析用的模型往往是非参数化的，即使参数化，也取决于设计者思维方式的不同，建模顺序的差异，使得Moldflow工程师处理起来困难重重。
所以必须简化[5]。
2.2制件有限元的初始化网格划分
2.2.1模型的导入
打开Moldflow后，创建新工程，输入工程名称及项目保存路径。
新建项目后导入CAD模型。
在文件菜单下点击导入选项。
将Proe/E三维制图软件导出的stl格式模型导入工程。
本次设计分析采用表面模型（双层面），表面模型技术是指型腔或制品在厚度方向上分成两部分的注塑成型模拟技术。
与中面模型完全不同，它不再中面而是在型腔或制品表面产生有限网络，利用表面上的平面三角网格进行有限元分析。
如图2-2所示。
2.2.2网格划分
导入零件后，对模型进行网格划分，选择网格工具栏生成网格命令，在项目管理区的工具选项卡中会显示划分网格模型界面，全局网格边长设为1.7mm，点击立即划分网格。
程序自动对分析模型进行网格划分，如图2-3所示。
表2-1网格统计参数
Moldflow支持四种网格形式，即Midplane、Fusion、Solid（3D）和Beam，分别是中性面网格、双面流网格、实体网格和一维单元。
而本零件所用的Fusion格式网格统计各项参数如下。
通过网格统计可以清楚确定缺陷出现的位置。
Moldflow自动对划分好的网格进行统计。
如表2-1所示。
网格参数
数值
网格参数
数值
三角形
11630个
相交单元
0个
节点
5743个
完全重叠单元
0个
连通区域
1个
配向不正确的单元
0个
网格体积
4.4758cm3
最小纵横比
1.16
网格面积
110.912cm2
最大纵横比
59.6
自由边
0个
平均纵横比
2.26
共用边
17445个
匹配百分比
86.8%
交叉边
0个
相互百分比
83.0%
由初始网格统计信息可以看出初始网格划分主要问题出现在纵横比上（最大纵横比远远大于15），必须经过修复才能进行接下来的数据模拟。
匹配百分比>85%，可以做翘曲分析。
2.3网格的修复
由于MPI模块在生成网格时，由于模型的几何形状、大小等原因，会产生单元的重叠和交叉，纵横比不合理，出现自由边和不连贯等问题，所以要对我网格进行进一步的修改和调整。
第1章修改较大单元纵横比
纵横比是一个很重要的因素，它影响到分析的精度。
在一些敏感的区域，小纵横比就显得更加重要。
通常情况下，纵横比的平均值最大不得超过6。
修改纵横比一般来讲用合并节点和交换边这两种方法来解决。
合并节点顺名思义就是把两个节点合并在一起，将纵横比较大的单元的两个节点合并为一个节点，从而消除较大纵横比单元。
交换边则是对相同公共边的两个单元，撤销公共边，以另一对角边为公其边重新生产单元，从而减少纵横比。
（2）交叉单元的修改
交叉单元就是那北不在同平面上，却相互交叉的网格单元。
一般来讲，无论是网格重叠还是网格交叉，部直接把有问题的单元删除，然再把单元补上，从而达到修复的目的。
（3）自由边的修改
自由边是指一个单元所拥有的边，即它不被其它单元所共有。
有Fusion和3D类型的有限元划分中，应该将自由边修复．因为有自由边则意味者各个单元没有正确的连接在一起，不能形成一个分析整体，从而影响以后的分析。
修复自由边可以合并节点，移动节点或重新划分该区域的单元。
（4）其它问题的修复
初始有限元划分的其它问题，如表面连贯性、单元的方向性等问题也可以通过以上的方法根据实际情况进行解决。
但需要指出的是，在进行模型修复的时候，不可能一次就能达到预定的要求，一般来讲都要进行多次反复的修改才能获得满意的结果。
2.4纵横比的诊断及修复
本零件没有自由边和交叉边以及配向不正确单元的问题，唯一的缺陷是纵横比过大，所以修复网格的主要任务是修复纵横比。
首先介绍一下纵横比的概念，所谓纵横比就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，三角形单元的最长边为a，对应边上的三角形高度为b，则该三角形的纵横比为a/b，此数值越大，则说明该单元越尖锐，越细长，这对分析结果是不利的。
高的纵横比很可能对分析的结果产生负面影响。
流动分析对纵横比的敏感度最低，而冷却分析和翘曲分析对纵横比的敏感度是比较高的。
如果纵横比太高，分析将可能不收敛，而且有可能产生不合逻辑的结果，甚至可能导致结算失败，当考虑到网格的质量时，低的纵横比是非常重要的。
诊断纵横比：
在方案任务窗口的工具选项卡中输入参数，设置“最小值”为15，最大值不填，单击显示，诊断结果将以不同颜色的网格法线显示，如图2-4所示。
修复纵横比问题常用插入节点和交换边这两种方法来解决。
插入节点就是在一条共用边上的两个节点中间创建一个新节点，可以用来消除不良的纵横比。
图2-5和2-6修改前后对比。
手动合并节点就是将一个或多个要合并的节点向一个目标节点合并。
如图2-7和2-8所示修改前后效果。
交换边是对相同公共边的两个单元，撤销公共边，以另一对角边为公其边重新生产单元。
利用交换对角线使纵横比提高。
如图2-9和2-10所示修改前后效果。
经过修改之后，所有纵横比大于15的单元都转化为了纵横比小于15的单元，诊断栏自动消失。
再次进行网格统计。
统计结果如表2-2。
网格参数
数值
网格参数
数值
三角形
11630个
相交单元
0个
节点
5743个
完全重叠单元
0个
连通区域
1个
配向不正确的单元
0个
网格体积
4.4758cm3
最小纵横比
1.16
网格面积
110.912cm2
最大纵横比
14.6
自由边
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