畢業(yè)設(shè)計論文_基于注塑模具CAE技術(shù)的澆注系統(tǒng).doc

南京工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 南 京 工 程 學 院畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)姓 名： 學 號： 院 系： 材 料 工 程 學 院 專 業(yè)： 材料成型及控制工程（模具設(shè)計） 題 目： 基于注塑模具CAE技術(shù)的澆注系統(tǒng) 和冷卻系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計 指導者： 評閱者： 2014年 6月 南 京1畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要基于注塑模具CAE技術(shù)的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計 本文使用Moldflow軟件，以水煲為研究對象，對其注塑模具的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化模擬分析，從而選擇最佳成型工藝方案。本文介紹了MPI(Moldflow Plastics Insight)6.1的使用方法，對注塑過程中的澆注系統(tǒng)設(shè)計、冷卻水路創(chuàng)建、最佳澆口位置確定等進行研究。文中根據(jù)不同澆注系統(tǒng)的類型來分析水煲制件成型過程中充填時間、熔接痕位置和氣穴位置等各種缺陷，從而確定水煲最佳澆注系統(tǒng)。同時還根據(jù)冷卻水路的布置和冷卻參數(shù)的變化對水煲成型時熔體充填、流動和冷卻過程的影響，確定最佳冷卻系統(tǒng)方案。最后運用正交試驗工藝參數(shù)的優(yōu)化分析方法，做進一步優(yōu)化，確定最優(yōu)成型工藝參數(shù)和成型方案。本文中不僅熟悉計算機輔助軟件MPI的使用方法，了解現(xiàn)代化生產(chǎn)工藝和要求，了解不同塑料特性和成型條件，而且對于塑料模的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)有了進一步的認知。其次，利用CAE技術(shù)對模具設(shè)計的優(yōu)化，可避免模具在傳統(tǒng)生產(chǎn)中出現(xiàn)的氣孔、縮孔、充填不足等缺陷，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，更多情況下降低成本，改善了生產(chǎn)商的經(jīng)濟效益。關(guān)鍵詞：澆注系統(tǒng)；冷卻系統(tǒng)；CAE；模擬分析畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要 Title Design Of Gating System And The Cooling System Based On The Technology Of Injection Mold CAE Abstract: This paper use Moldflow software to research the gating system of injection mould and cooling system optimization and simulation analysis for select the best molding process.This paper introduces the use of the MPI (Moldflow Plastics Insight) 6.1, the gating system of injection molding process design, cooling water to create, and the optimal gate location, etc.In this paper, according to different types of gating system to analysis the fill time in the process of stamping shape water boil, various defects such as weld mark and acupuncture point location, the best gating system to determine the water pot.Also according to the change of the arrangement of the cooling water and cooling parameters of molding melt filling water boil, the effect of flow and cooling process, determine the optimal cooling system solutions.Finally USES the method of orthogonal test process to produce several optimization analysis, further optimization, optimal molding process parameters and forming scheme. Keywords: Gating System; The Cooling System.CAE;Simulation Analysis 南京工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 目 錄前 言1第一章 緒論21.1 注塑成型技術(shù)簡介21.2 注塑模CAE技術(shù)21.2.1 CAE技術(shù)發(fā)展水平21.2.2 注塑模CAE技術(shù)發(fā)展趨勢31.3 本文研究的目的和內(nèi)容31.3.1 研究目的31.3.2 研究內(nèi)容4第二章 注塑成型工藝方案設(shè)計52.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計52.1.1 普通澆注系統(tǒng)的組成和設(shè)計52.1.2 主流道設(shè)計62.1.3 分流道設(shè)計62.1.4 澆口的設(shè)計72.1.5 水煲澆注系統(tǒng)設(shè)計92.2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計112.2.1 冷卻水路布置112.2.2 常見冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)112.2.3 水煲冷卻水路的方案設(shè)計12第三章 基于MPI的注塑工藝CAE模擬仿真過程153.1 Moldflow軟件簡介153.2 水煲CAE仿真模擬分析153.2.1 產(chǎn)品模型導入153.2.2 網(wǎng)格的劃分及修復163.2.3 最佳澆口位置的確定213.2.4 澆注系統(tǒng)創(chuàng)建22I3.2.5 冷卻系統(tǒng)創(chuàng)建243.2.6 分析序列選擇263.2.7 注塑原料選擇273.2.8 工藝參數(shù)設(shè)置273.2.9 分析計算28第四章 注塑成型模擬結(jié)果分析294.1 模擬結(jié)果分析294.2 水煲模擬分析結(jié)果比較304.2.1 澆注系統(tǒng)的分析比較304.2.2 冷卻系統(tǒng)的分析比較334.3 水煲成型方案確定36第五章 基于正交試驗工藝參數(shù)優(yōu)化分析375.1 正交試驗簡述375.1.1 概述375.1.2 水煲的試驗指標和因子375.2 數(shù)值模擬與正交試驗方法結(jié)合的多工藝參數(shù)優(yōu)化395.2.1 基于正交試驗的多工藝參數(shù)優(yōu)395.2.2 單個因素影響的試驗42第六章 結(jié)論47參考文獻48致謝49附錄50II前 言塑料成型在現(xiàn)代制造業(yè)中占有重要的地位，塑料制品隨現(xiàn)代生活的變化而變的樣式各異、絢麗多彩，因而對于成型塑料件的模具要求越來越高。但傳統(tǒng)的注塑工藝方案并不能完美地解決注塑成型工藝缺陷問題，優(yōu)化工藝方案，因而基于注塑模CAE技術(shù)應運而生。注塑模具CAE技術(shù)為優(yōu)化模具設(shè)計方案，保證模具使用壽命和性能開辟了新的路徑，為現(xiàn)代注塑成型工藝提供了很大的幫助。Moldflow軟件是注塑模CAE分析的主要軟件，注塑模CAE技術(shù)可以在模具制造前模擬分析出塑料成型最佳工藝方案，從而達到降低成本，縮短模具開發(fā)周期的目的。CAE是計算機輔助工程的簡稱，是用計算機輔助求解復雜工程，軟件主要是運用了有限元分析法、流體學和熱傳導的基本理論，建立塑料熔體在模具型腔中流動、傳熱的物理模型，最后利用數(shù)值計算理論構(gòu)造求解方式來優(yōu)化模具的設(shè)計。本文使用的MPI6.1軟件，模擬分析水煲成型過程，為優(yōu)化水煲的實際成型工藝方案和模具的設(shè)計制造，提供了一個完整的解決方案。本書共分為六章。第一章主要介紹了現(xiàn)代生產(chǎn)工藝中塑料成型技術(shù)和注塑模CAE技術(shù)在塑料成型中的應用，同時介紹了本次課題研究的目的。第二章簡單的講述了注塑模的工藝方案的確定，包括澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。第三、四兩章介紹了應用MPI6.1來對水煲塑料件進行模擬分析，同時學習Moldflow軟件的使用，最后對分析結(jié)果進行比較，確定最優(yōu)工藝方案。第五章主要介紹了正交試驗工藝參數(shù)優(yōu)化分析方法和單個因數(shù)對注塑工藝的影響。第一章 緒 論1.1 注塑成型技術(shù)簡介眾所周知，塑料成型在現(xiàn)代制造業(yè)中占有重要的地位，遠遠超出了其他制造工藝。塑料制件幾乎已經(jīng)覆蓋了所有行業(yè)中，大到航天航空，小到人們的日常生活，塑料制件幾乎無處不在。塑料成型技術(shù)的發(fā)展更是十分迅速，新的成型工藝更是日新月異。注塑成型、擠出成型、中空成型等各種塑料成型的方法層出不窮。但塑料注塑成型由于具有使用范圍廣、自動化程度高和成型效率高等優(yōu)點，一直主導著現(xiàn)代塑料成型工藝。注塑成型是指在一定溫度下，運用注塑機，將熔融的塑料材料注射到模具型腔中，經(jīng)冷卻固化后，得到成型品的方法。塑料注塑成型是在金屬鑄造成型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。在注塑成型過程中，注塑機、注塑模和注塑工藝是成型的重要是三個要素。注塑模是塑料成型最為關(guān)鍵，它決定產(chǎn)品的形狀、性能、規(guī)格等特征，注塑模的成功設(shè)計對注塑成型來說是至關(guān)重要的。最佳澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計對完成塑料成型不可或缺。注塑的工藝性包括注塑過程中溫度的控制、壓力的控制和產(chǎn)品的成型周期。國內(nèi)外注塑成型的發(fā)展已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，傳統(tǒng)的注塑方案已經(jīng)不能跟上時代的步伐，塑料成型模具的設(shè)計理論、制造技術(shù)已經(jīng)在很大程度上運用了現(xiàn)代高科技。其中包括CAD/CAE/CAM技術(shù)在模具設(shè)計與制造中的應用，基于網(wǎng)格化CAE注塑工藝方案的確定，模具的快速測量技術(shù)和逆向工程等等，塑料注塑成型的新工藝和新技術(shù)不斷的涌現(xiàn)和推廣。1.2 注塑模CAE技術(shù) 1.2.1 CAE技術(shù)發(fā)展水平CAE是全稱計算機輔助工程(Computer Aided Engineering)的簡稱，它是特指用計算機輔助求解分析復雜工程，輔助產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)。注塑模CAE技術(shù)指主要運用有限元法和有限差分法，對模具設(shè)計方案進行分析和模擬，數(shù)值模擬分析注塑成型全過程，預測設(shè)計中可能存在的缺陷，為設(shè)計人員提供科學的依據(jù)。注塑模CAE技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個重要時期，20世紀6070年代是技術(shù)探索時期，20世紀7080年代年代是蓬勃發(fā)展時期，20世紀90年代是技術(shù)的推廣時期。進入21世紀后，注塑模CAE領(lǐng)域取得了長足的進步，我國CAE技術(shù)已經(jīng)更加國有化。注塑成型流動模擬技術(shù)隨著各時期的改進和發(fā)展，經(jīng)歷了從中面流技術(shù)到雙面流技術(shù)再到實體流技術(shù)這三個具有重要意義的里程碑1。 1.2.2 注塑模CAE技術(shù)發(fā)展趨勢新時代，科技不斷更新，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及和全球化，導致注塑模CAE技術(shù)發(fā)展的空間越來越大，性能和功能將會得到更大的提高，呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢2。（1） 有限元法、有限差分法和體積控制法的配合使用；（2） 澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的3D集成控制分析；（3） 數(shù)值模擬計算和人工智能技術(shù)的結(jié)合；（4） 塑料制品工藝方案的高效算法；（5） 塑料制件熔接痕的預測。 注塑模CAE技術(shù)，為模具行業(yè)注入新的血液，更為制造業(yè)帶來了一場技術(shù)改革。即使如此，由于塑料流動性能的復雜性，塑料制件的不規(guī)則等特點，塑料成型技術(shù)依舊需要投入更多的科學技術(shù)進去，去建立具有更加完善的系統(tǒng)。1.3 本文研究的目的和內(nèi)容1.3.1 研究目的本文主要通過模流分析CAE技術(shù)從理論上分析并對注塑成型過程進行數(shù)值模擬計算，從而得到分析結(jié)果，比較各種方案的優(yōu)劣性，確定塑料制件成型最佳工藝方案。本文不僅加強了對計算機輔助軟件CAE的使用方法，了解現(xiàn)代化生產(chǎn)工藝和要求，而且對于塑料模具的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)有了進一步的認知。其次，利用CAE技術(shù)對模具設(shè)計的優(yōu)化，可避免模具在傳統(tǒng)生產(chǎn)中出現(xiàn)的氣孔、縮孔、充填不足等缺陷，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，從而改善了生產(chǎn)商的經(jīng)濟效益。1.3.2 研究內(nèi)容本文研究的對象為一款水煲塑料外殼，其產(chǎn)品圖如圖1.1所示，塑件為一筒形結(jié)構(gòu)，上下中空，壺口直徑168mm，壺底直徑148mm，壺身壁長208mm，厚度為3.5mm。圖 1.1 塑料件模型通過CAE技術(shù)從理論上對水煲注塑成型過程進行數(shù)值模擬分析，得出分析結(jié)果，從而優(yōu)化模具設(shè)計結(jié)構(gòu)，選擇最佳澆口位置，完成冷卻分析、填充分析和翹曲分析。同時還通過學習正交試驗方法，結(jié)合的多工藝參數(shù)優(yōu)化方法，并進行工藝參數(shù)、澆口位置、冷卻系統(tǒng)等方面設(shè)計，針對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行填充、保壓、冷卻、變形等流變分析，比較分析結(jié)果，綜合分析其合理性，最后確立水煲成型工藝方案。第二章 注塑成型工藝方案設(shè)計2.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計澆注系統(tǒng)是注射模具重要的組成部分，它是指熔融的塑料流體從注塑機的噴嘴射入到注射模具型腔所經(jīng)的通道。塑料熔體通過澆注系統(tǒng)充滿模具型腔,并在由澆注系統(tǒng)傳遞的注射壓力和保壓壓力下填充塑料制品各部分，從而組織致密、外形清晰、表面光潔和尺寸精確的塑料制品3。澆注系統(tǒng)分為普通澆注系統(tǒng)和熱流道澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)的設(shè)計與塑料制品的質(zhì)量息息相關(guān)。2.1.1 普通澆注系統(tǒng)的組成和設(shè)計普通澆注系統(tǒng)一般由主流道、分流道、澆口和冷料穴四部分組成，各部分緊密相連4。如圖2.1為普通澆注系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。圖 2.1 普通澆注系統(tǒng)組成1-襯套口 2-主流道 3-分流道 4-制件 5-冷料穴 6-澆口澆注系統(tǒng)的設(shè)計是注射模具設(shè)計的一個相當重要的部分，澆注系統(tǒng)的設(shè)計應使所有型腔或制件的各部分能得到均勻的充填，澆注系統(tǒng)設(shè)計的合理性直接關(guān)系到塑料的質(zhì)量。澆注系統(tǒng)的設(shè)計需遵循以下基本原則5：（1） 考慮塑料熔體塑料熔體流動特性、溫度、剪切速率等特性，保證塑料熔體流通緩暢，成型完整，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。（2） 結(jié)合型腔布局，采用平衡式布置，設(shè)置平衡分流道，確保塑料熔體能夠同時注入型腔。澆口、分流道盡可能緊湊對稱，降低模具的加工難度。（3） 盡量采用流程短的流道，減少塑料耗量,同時在滿足各型腔完整充滿的前提下,澆注系統(tǒng)容積應盡量小,這樣保證了塑料熔體在流動過程中壓力和熱量的損失，保證塑料成型質(zhì)量。細小型芯或嵌件應和澆注系統(tǒng)避開，防止塑料流將嵌件沖壓位移或變形等不良現(xiàn)象。（4） 考慮型腔排氣良好,澆注系統(tǒng)應能使塑料熔體順利充滿型腔各個角落,使型腔的氣體能有序的排出，防止塑料成型件出現(xiàn)氣孔、縮孔、熔接痕和翹曲變形等缺陷。（5） 冷料穴設(shè)計合理，避免在產(chǎn)品取出后在產(chǎn)品表面留下冷疤和冷癍等缺陷。除了上述各項原則之外，設(shè)計澆注系統(tǒng)時還應該注意產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品的外觀和性能、制品形狀與尺寸等問題對系統(tǒng)的制約，以及注射機的型號和精度，噴嘴的外形等等。成功設(shè)計澆注系統(tǒng)還應結(jié)合工作者的經(jīng)驗的技巧。2.1.2 主流道設(shè)計 主流道是指塑料熔體從注塑機噴嘴和模具接觸處流動到分流道的一個通道，是熔體最先進入模具通道。主流道的設(shè)計對于充填時間和流動速度有著很大的影響。主流道通常垂直于分型面，常被設(shè)計在澆口套中，如圖2.2所示為常見澆口套形式。主流道一般設(shè)計成圓錐形，主要方便將主流道中的凝料取出，錐角一般為28 ，流道的表面粗糙度一般要求較高，一般取Ra0.8 um6。 圖 2.2 澆口套形式2.1.3 分流道設(shè)計分流道是指主流道末端與澆口之間的一段通道，是熔體從主流道流到型腔的過度段，主要作用是改變?nèi)垠w的流向，使得熔體能順利的流淌到各個型腔。分流道是開設(shè)在動模定模的一側(cè)或者兩側(cè)，截面形狀一般有圓形、梯形、U形、半圓形和矩形等各種樣式。圓形流動方便，但需考慮上下模的配合，d一般去56mm；梯形和U形加工方便，是常用形式,D在510mm之間選??；矩形流動阻力大，不常使用7。如圖2.3所示為常見分流道截面形狀。圖2.3 分流道截面形式分流道在分型面上的布置形式各異，有平衡式和非平衡式，其中各有優(yōu)劣。平衡式可使熔體同時到達型腔，使各型腔成型一致。非平衡式可使流程短。如圖2.4所示為分流道布置樣式。圖 2.4 分流道布置形式2.1.4 澆口的設(shè)計澆口，俗稱進料口，是連接分流道與型腔的非常短、截面又很狹窄熔體通道。澆口設(shè)計的好壞直接關(guān)系的成型的好壞。它具有兩個作用：其一，控制塑料熔體流入型腔；其二，當注塑壓力撤銷后，封鎖型腔，這樣型腔中尚未凝固的塑料就不會倒流8。澆口按照結(jié)果形式可分為直接澆口、側(cè)澆口、點澆口和潛伏式澆口等：（1） 直接澆口直接澆口又叫主流道澆口，用與單型腔的模具。其優(yōu)點是成型容易，流動阻力小，流程短，易于排出氣體等特點，缺點是澆口去除不方便，且易留下澆口痕跡，影響制件的外觀。如圖2.5所示。圖2.5 直接澆口（2） 側(cè)澆口側(cè)澆口又稱標準澆口，如圖2.6所示，開設(shè)在分型面上。這種澆口應用廣，選擇位置方便，便于加工的修整，去除方便不留痕。 圖2.6 側(cè)澆口側(cè)澆口有兩種變異形式，扇形澆口和平縫澆口。扇形澆口是澆口沿澆口方向厚度逐漸變小，寬度逐漸增大的側(cè)澆口，常用于扁平的塑料件。平縫澆口又叫薄片澆口，寬度很大，厚度很小，降低塑性應力。如圖2.7所示為兩種澆口。 圖2.7 扇形澆口和平縫澆口（3） 點澆口點澆口又叫針點澆口，是一種截面很小的澆口。具有適應各種類型的零件，澆口的位置選擇自由，澆口去除更方便，澆口痕跡不顯著等優(yōu)點；缺點是壓力損失大，成型周期長廢料較多。且必須在定模部分增加一個分型面。如圖2.8所示。圖2.8 點澆口樣式（4）澆口位置和數(shù)量的選擇 如上所述，澆口樣式多樣，但澆口位置的選擇對于成型的性能和質(zhì)量有著很大的影響。數(shù)量的多少而且影響到成型的充填時間，熔接痕等多個方面。選擇位置和澆口時應該綜合考慮：1） 流動距離盡可能短2） 澆口應開設(shè)在制件壁厚的地方3） 數(shù)量的控制應該綜合考慮熔接痕和充填時間4） 避免熔體流動時的阻塞，防止熔體破裂引起的塑件缺陷 綜合考慮以上因素，保證澆口系統(tǒng)的完整設(shè)計。2.1.5 水煲澆注系統(tǒng)設(shè)計 研究水煲的結(jié)構(gòu)，不難設(shè)計水煲澆注系統(tǒng)的成型方案?？梢栽谒业南露俗冃蔚囊蝗?nèi)采用側(cè)澆口中的扇形澆口。澆口沿進料方向逐漸減小，能夠完整的充填，水煲內(nèi)側(cè)表面要求不高，便于去除，沿塑料澆口臺階進入型腔。故比較適合本產(chǎn)品的成型要求。在分流道的設(shè)計要求上，塑料沿分流道流動時，要求物料溫度降低盡可能小，壓力損失小，流動阻力小，同時應能將塑料熔體均衡地分配到各個澆口。除此之外減小澆注系統(tǒng)的回料量，降低塑料損失，分流道亦不能過粗。所以設(shè)計出截面為圓形的分流道，分流道的形狀為弧形。澆口數(shù)量的確定，假設(shè)四種不同數(shù)量的澆口位置，研究分析出他們的優(yōu)劣。綜合的出四種澆注方式，如圖2.9，2.10，2.11，2.12所示。 圖2.9 一點進澆澆注系統(tǒng) 圖2.10 兩點進澆澆注系統(tǒng) 圖2.11 三點進澆澆注系統(tǒng) 圖2.12 四點進澆澆注系統(tǒng)2.2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計模具的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)是用來控制模具的溫度，使注塑成型具有良好的產(chǎn)品質(zhì)量和高的生產(chǎn)速率。冷卻系統(tǒng)的設(shè)計影響產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。2.2.1 冷卻水路布置塑料模具實質(zhì)上可以看成一種熱交換器，冷卻系統(tǒng)是在塑料成型后帶走熱能的一種裝置。冷卻水路的布置直接關(guān)系到塑料制件的質(zhì)量，冷卻不到位，可能導致塑料制件的斷裂等缺陷。根據(jù)經(jīng)驗，人們總結(jié)了冷卻水路的一些設(shè)計原則9：（1） 冷卻水路的數(shù)量要盡量多，孔徑盡量大，確保冷卻水的流通方便，冷卻效果良好。（2） 冷卻水路離型腔的距離，一般保持在1525以上，且距離盡量相等。（3） 冷卻水路設(shè)置應使冷卻均勻，靠近熱量較多的地方，偏離熱量較少的地方。（4） 冷卻應該沿著塑料收縮的方向設(shè)計，降低塑料的收縮。2.2.2 常見冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（1）直流式這種形式的冷卻水路結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，但冷卻效果不太均勻。如圖2.13所示。 圖2.13 直流式冷卻水道（2） 循環(huán)式這種結(jié)構(gòu)冷卻效果好，但加工不方便。這種形式適用于中小型的型芯型腔。如圖2.14所示。圖2.14 循環(huán)式冷卻水道（3） 隔板式這種隔板式的冷卻水道冷卻方便，適用于深型腔模具。如圖2.15所示。圖2.15 隔板式冷卻水道（4） 噴流式這種形式適用于矩形內(nèi)孔長度較大的，寬度相對較窄的結(jié)構(gòu)。如圖2.16所示。圖2.16 噴流式冷卻水道2.2.3 水煲冷卻水路的方案設(shè)計水煲采用的為PC料，PC（聚碳酸脂）， 是一種具有很高機械性能、光學、電氣和熱性能的熱塑性工程塑料。這種極為堅韌的、易于加工的聚合物常用家用電器、汽車燈具、醫(yī)療儀器以及包裝 容器等10。PC料具有熔融粘度對對溫度的敏感性大，剪切率的敏感性小，熔融體粘度較高，高溫下樹脂易水解，制品易開裂等特性。針對這些特性，在設(shè)計澆注系統(tǒng)的時候要考慮增加熔體的流動性，不是用增大注射壓力而應采用提高注射溫度的辦法來達到。要求模具的流道、澆口短而粗，以減少流體的壓力損失，同時要較高 的注射壓力11。其三，水煲屬于深型腔，所以在靠近模具的地方可以使用隔板式水道來提高水道的冷卻效果特性。對于設(shè)計了兩種冷卻系統(tǒng)，如圖2.17所示為隔板式和圖2.18直通式兩種。 圖2.17 隔板式冷卻系統(tǒng)圖2.17 直通式冷卻系統(tǒng)第三章 基于MPI的注塑工藝CAE模擬仿真過程3.1 Moldflow軟件簡介Moldflow軟件是美國Moldflow公司開發(fā)的產(chǎn)品，主要用于塑料注射成型模擬分析。該公司是一家專業(yè)從事塑料計算機輔助工程分析（CAE）的跨國公司，幾十年來一直主導CAE軟件市場，自從1976年發(fā)布了世界上第一套塑料流動分析軟件以來，之后產(chǎn)品以不斷的技術(shù)改革和創(chuàng)新12。目前，Moldflow軟件已廣泛用于汽車、航空航天、儀表儀器、信息產(chǎn)業(yè)、日用品、等眾多領(lǐng)域。Moldflow軟件用于優(yōu)化制件和模具設(shè)計的整個過程，為其提供了一個整體的解決方案，為模具的制造設(shè)計、注塑生產(chǎn)的過程提供了很多有用的價值。Moldflow 軟件可以對塑料模具進行仿真模擬分析,通過分析結(jié)果,可以提前預測模具(產(chǎn)品)潛在的缺陷,為模具(產(chǎn)品)的改善方向提供準確的參考,.從而提高模具(產(chǎn)品)的質(zhì)量13。Moldflow軟件MPI模塊可做如下項目模擬分析澆口位置分析、流動分析、填充分析、冷卻分析、收縮分析、翹曲分析、纖維取向分析等各種分析。這個產(chǎn)品為注塑制件設(shè)計及模具設(shè)計過程帶來了一場新的革命變化14。3.2 水煲CAE仿真模擬分析本文使用MPI(Moldflow Plastics Insight)6.1對水煲進行模擬分析。3.2.1 產(chǎn)品模型導入打開MPI6.1軟件，軟件界面如圖3.1所示。 圖3.1 MPI6.1操作界面執(zhí)行“文件新建項目”菜單命令，輸入項目名稱“shuibaofenxi”，選擇創(chuàng)建目錄，單擊“確定”，則項目創(chuàng)建完成，如下圖3.2所示。然后在項目名稱右擊項目“shuibaofenxi”，導入被分析產(chǎn)品的STL模型，如下圖3.3所示。 圖3.2 創(chuàng)建新項目 圖3.3 導入項目模型在選擇網(wǎng)格劃分類型的時候選擇（Fusion）模式，單擊“確定”，如圖3.4所示 。至此，產(chǎn)品模型被導入到MPI中，如圖3.5所示。 圖3.4 “輸入”對話框 圖3.5 水煲模型3.2.2 網(wǎng)格的劃分及修復水煲模型的網(wǎng)格劃分和修復是MPI分析前處理中最為關(guān)鍵的，同時也是最為復雜、煩瑣的環(huán)節(jié)，網(wǎng)格劃分是否合理，將直接影響到產(chǎn)品的最終分析結(jié)果。(1) 網(wǎng)格劃分在任務窗口中雙擊“創(chuàng)建網(wǎng)格”的圖標，系統(tǒng)會彈出“生成網(wǎng)格”對話框，設(shè)置“平均邊長”為4mm。如圖3.6所示。對于導入格式為IGES的情況，還要輸入公差。最后單擊“立即劃分網(wǎng)格”，則網(wǎng)格劃分完成，如圖3.7所示。查看任務窗口可以發(fā)現(xiàn)單元個數(shù)為36152。圖3.6 “網(wǎng)格劃分”對話框 圖3.7 生成網(wǎng)格的模型（2） 網(wǎng)格狀態(tài)統(tǒng)計 圖3.8 網(wǎng)格統(tǒng)計網(wǎng)格劃分完成后，需要對網(wǎng)格的狀態(tài)進行統(tǒng)計，再根據(jù)統(tǒng)計的結(jié)果對網(wǎng)格進行修復。執(zhí)行“網(wǎng)格網(wǎng)格統(tǒng)計”命令，彈出網(wǎng)格統(tǒng)計的窗口，如圖3.8所示。對于Fusion模型，網(wǎng)格信息必須滿足以下一些原則： 1)連通的區(qū)域的個數(shù)應該為1； 2)自由邊和交叉邊個數(shù)應該為0； 3)配向不正確的單元應該為0； 4)相交個數(shù)應該為0； 5)完全重疊單元個數(shù)應該為0； 6)三角形面縱橫比數(shù)值視具體情況而定，一般最大值應控制在10到20之間； 7)網(wǎng)格匹配率應大于85%； （3）網(wǎng)格修復根據(jù)上面統(tǒng)計結(jié)果，對網(wǎng)格進行修復，以三角形的縱橫比為例開始修復。三角形的縱橫比是指模型的三角形單元的最長邊與該邊所對應的三角形高度之比值，如圖3.9所示中的a：b，此數(shù)值越大，則說明該單元越尖銳，越細長，按照數(shù)值分析的理論要求來說，這對分析結(jié)果是不利的，修復前要對網(wǎng)格缺陷進行診斷。圖3.9 最大縱橫比樣式執(zhí)行“網(wǎng)格網(wǎng)格診斷縱橫比診斷”，彈出縱橫比對話框，如圖3.10所示。在彈出的診斷對話框里有最小值和最大值，分別定義在診斷報告中將顯示的最小值和最大值。將最小值設(shè)置為15，單擊“顯示”后，同時將“將結(jié)果放在診斷層”復選框選中。這樣會將縱橫比大于15的網(wǎng)格全部顯示出來，在關(guān)掉了不必要的圖層后診斷結(jié)果顯示如圖3.11所示。 圖3.10 “縱橫比診斷”對話框 圖3.11 水煲中縱橫比診斷結(jié)果現(xiàn)在開始修復縱橫比，修復網(wǎng)格的缺陷主要使用網(wǎng)格工具來修改，執(zhí)行“網(wǎng)格網(wǎng)格工具”，網(wǎng)格工具中的節(jié)點工具，邊工具等都可以用來修復網(wǎng)格缺陷。下面介紹兩個網(wǎng)格縱橫比修復方法。1)合并節(jié)點，減小縱橫比如圖3.12 狹長的的三角形合適。這情況下用合并節(jié)點來處理。利用“合并節(jié)點”工具，將節(jié)點1向節(jié)點2合并，合并的方向很重要。方向相反，將背道而馳。 （a）修復前 （b）修復后 圖3.12 合并節(jié)點，減小縱橫比2) 插入節(jié)點，減小縱橫比如圖3.13 ，這種情況下在節(jié)點1和節(jié)點2之間利用“插入節(jié)點”工具來減小縱橫比。 a）修復前 （b）修復后 圖3.13 插入節(jié)點，減小縱橫比按照上述方法將最大縱橫比減少到15以下。同樣使用節(jié)點工具將其他缺陷修復到其滿足的原則。修復完成后的網(wǎng)格統(tǒng)計如圖3.14所示.至此，網(wǎng)格前處理的工作全部完成。圖3.14 修復后的網(wǎng)格統(tǒng)計3.2.3 最佳澆口位置的確定網(wǎng)格前處理完成后，在設(shè)置澆注系統(tǒng)前應該運用MPI最佳澆口分析來分析澆口的最佳位置。分析前，要查看任務窗口中，前面打“”標記的條目，表示其設(shè)已經(jīng)完成。只有當所有的條目（“立即分析！”除外）的前面打“”標記的時候，猜是完成了前期處理，才可以開始分析計算。在任務窗口中，雙擊按鈕，彈出的“選擇分析系列”對話框，選擇“澆口位置”，并單擊“確定”按鈕。分析序列和工藝參數(shù)將在下面詳細介紹，先在這里跳過。當所有的條目前都有“”就可以直接進行計算了，如圖3.15所示。雙擊任務窗口中的“立即分析！”，開始計算。 圖3.15 最佳澆口分析任務欄 分析完成后，勾選日志下面的最佳澆口就得到了水煲澆口的最佳位置，如圖3.16所示。此圖為下面設(shè)計水煲澆注系統(tǒng)的時候提供參數(shù)上的幫助。圖3.16 最佳澆口位置圖示在澆口分析結(jié)果中，只是得到了一個澆口的最佳參考位置。后續(xù)分析中，還要設(shè)置澆口形式。設(shè)置的依據(jù)是塑料的幾何結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、成型工藝方式、模具結(jié)構(gòu)等。3.2.4 澆注系統(tǒng)創(chuàng)建MPI6.1澆注系統(tǒng)的創(chuàng)建主要有兩種形式式：利用澆注系統(tǒng)向?qū)Чぞ呓⒑褪謩咏沧⑾到y(tǒng)。在此，采用的是手動建立澆注系統(tǒng)。 (1)澆口創(chuàng)建在第二章澆注系統(tǒng)設(shè)計中，選定了扇形澆口作為澆口類型，下面介紹扇形澆口創(chuàng)建步驟：1）執(zhí)行“建模創(chuàng)建曲線直線”，在右邊工具欄顯示如圖3.17所示對話框。2) 在水煲中選擇澆口點的位置，確點一節(jié)點，作為坐標的第一點。選中“相對”單選按鈕，在第二個點坐標出輸入“6 0 0”。3）單擊圖3.17中創(chuàng)建為按鈕，彈出指定屬性所示對話框，執(zhí)行“新建冷澆口”，彈出冷澆口對話框，選定截面形狀為矩形，形狀為錐體（由端部尺尺決定），點擊“編輯尺寸”按鈕，彈出澆口尺寸設(shè)計對話框，輸入尺寸。確定完成屬性的設(shè)定。如圖3.19所示。 圖3.17 創(chuàng)建直線對話框 圖3.18 直線完成4） 單擊“應用”，創(chuàng)建出如圖3.18所示直線。圖3.19 附直線屬性5）完成直線創(chuàng)建后對澆口進行網(wǎng)格生成。執(zhí)行“網(wǎng)格生成網(wǎng)格”類似于網(wǎng)格的劃分，確定邊長4mm，劃分網(wǎng)格，最后得到如圖3.20所示，則澆口創(chuàng)建完成。圖3.20 扇形澆口（2）主流道和分流道的創(chuàng)建主流道和分流道的創(chuàng)建方式和澆口創(chuàng)建步驟差不多，不同點在于，賦予直線的屬性不一樣，在此，就不多介紹。最后得到三點進澆澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如圖3.21所示。圖3.21 澆注系統(tǒng)建立3.2.5 冷卻系統(tǒng)創(chuàng)建在MPI6.1中冷卻水路的創(chuàng)建包括管道、軟管、擋板式和噴泉式等命令，創(chuàng)建的方式有手動創(chuàng)建和自動創(chuàng)建兩種，這里介紹一下手動創(chuàng)建擋板式冷卻水路的方法。具體步驟如下：（1） 創(chuàng)建節(jié)點：采用節(jié)點創(chuàng)建的方法，在原始模型的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建四個節(jié)點。（2） 創(chuàng)建水路曲線：類同與前面澆口的創(chuàng)建方法，執(zhí)行“建模創(chuàng)建曲線直線”，選擇其中兩個節(jié)點，不同之處在于，對直線的屬性指定時指定為“管道”，設(shè)置管道的直徑和形狀。以相同的方法創(chuàng)建另外一條管道。如圖3.22所示。（3） 劃分管道的網(wǎng)格：執(zhí)行“網(wǎng)格生成網(wǎng)格”命令，對管道進行網(wǎng)格劃分，最后得到。管道的形狀如圖3.23所示。 圖3.22管道直線的創(chuàng)建 圖3.23 管道樣式 （4）創(chuàng)建擋板單元：在管道的上方創(chuàng)建一節(jié)點3，然后執(zhí)行“網(wǎng)格創(chuàng)建柱體網(wǎng)格”同樣對網(wǎng)格附屬性，如圖3.24所示。同理創(chuàng)建另一條隔板。（5）隔板網(wǎng)格劃分：執(zhí)行“網(wǎng)格重新劃分網(wǎng)格”選中柱體，劃分網(wǎng)格。如圖3.25為隔板水路的一節(jié)。 圖3.24 隔板的創(chuàng)建 圖3.25 劃分網(wǎng)格后的隔板 (6)依次類推，創(chuàng)建整個冷卻系統(tǒng)。如圖3.26所示。圖3.26 隔板式冷卻系統(tǒng)創(chuàng)建（7）設(shè)置進水口和進料口位置：完成了模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)部分的建模之后，要設(shè)置進水口和進料口位置。進料口的設(shè)置很簡單，雙擊分析任務窗口中的，在主流道的頂部點擊一下，即可完成進料口的設(shè)立。進水口的設(shè)立和進料口的設(shè)立相似，點擊“分析”菜單下的“設(shè)定冷卻液入口”，即可按以上方法設(shè)立進水口。3.2.6 分析序列選擇下面要來設(shè)置分析序列，在MPI中，創(chuàng)建一個新的項目后，默認的分析類型是充填分析，雙擊分析任務窗口中的，在彈出的“選擇分析序列”窗口中選擇“冷卻+流動+翹曲”，如圖3.27所示。圖3.27 分析序列的選擇3.2.7 注塑原料選擇 水煲使用的材料為PC料，查閱資料可以發(fā)現(xiàn)PC料具有以下特性：一種性能優(yōu)良的熱塑性工程材料，具有特別好的抗沖擊強度、熱穩(wěn)定性、光澤度、抑制細菌特性、阻燃特性以及抗污染性。聚碳酸酯熔融溫度高，熔融粘度大，對剪切率的敏感性小，而對溫度的敏感性大，無明顯熔點，高溫下樹脂易水解，制品易開裂。在此選擇牌號為Lexan 154 作為水煲的成型材料。設(shè)置步驟如下：雙擊分析任務窗口中的“材料”，彈出的選擇材料對話框，單擊“搜索”，彈出搜索對話框，選中按牌號搜索，輸入“PC”,彈出查找對話框，選擇Lexan 154材料，單擊完成選擇。如圖3.28所示。圖3.28 材料選擇對話框3.2.8 工藝參數(shù)設(shè)置工藝參數(shù)的設(shè)置包括模具溫度、熔體溫度、注射溫度、保壓壓力、保壓時間等等一些參數(shù)。對于Lexan 154 查看了它的成型工藝參數(shù)推薦表，查出模具溫度在80120，熔體溫度在260300，下面設(shè)置參數(shù)數(shù)：點擊工藝設(shè)置，單擊工藝設(shè)置條件，按提示設(shè)置工藝參數(shù)。如圖3.29所示。 圖3.29 工藝參數(shù)設(shè)置3.2.9 分析計算在完成了產(chǎn)品模型的前處理之后，澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)置以后，可以進行分析計算，整個解算器的計算過程基本由MPI系統(tǒng)自動完成。雙擊任務欄窗口中的“立即分析！”，模擬器開始計算。從任務欄中可以看出如下的信息：(1) 產(chǎn)品模型的網(wǎng)格讀入和單元檢查；(2) 各解算器的迭代計算參數(shù)設(shè)置；(3) 注塑材料屬性；(4) 過程參數(shù)的設(shè)定信息；(5) 各類型的分析進度和部分結(jié)果。分析計算結(jié)束后，MPI會生成相應的文字，圖形和動畫效果，這將成為研究模擬流動分析的最主要的工具。 第四章 注塑成型模擬結(jié)果分析4.1 模擬結(jié)果分析 Moldflow的所有分析信息都會在屏幕中輸出文件，其中輸出的結(jié)果很多，包括充填時間、氣穴、熔接痕等等一些情況。簡單的介紹一些常用的參數(shù)15。 （1）充填時間 充填時間顯示了熔體流動前沿的擴展情況，模型中各部分同一時刻的填充狀態(tài)在的等高線中體現(xiàn)。在填充開始時，顯示為暗藍色，最后填充的地方為紅色。如果制品充填不足，未填充部分則沒有顏色。如果塑料制品的填充良好，那么其流型是平衡的。一個平衡的填充結(jié)果是指所有流程在同一時間結(jié)束，料在在同一時間到達模型末端。這個意味著每個流程應該以暗藍色等高線結(jié)束。等高線的間隔指示了聚合物的流動速度。 （2）體積/壓力控制轉(zhuǎn)換時的壓力體積/壓力控制轉(zhuǎn)換時的壓力屬于單組數(shù)據(jù)，該結(jié)果從流動分析產(chǎn)生，顯示了通過模型內(nèi)的熔體流程在從速度到壓力控制切換點的壓力分布，觀察壓力的分布情況是否平衡。在填充階段，壓力分布的變化最高，主要通過間隔很近的云圖來查看，應該避免。而保壓階段，壓力的改變僅僅影響體積收縮，因此在保壓階段模腔的壓力變化也應該最低的。（3） 氣穴 當材料從各個方向流向同一地點的時候，中心部位的氣體不得已排除則會形成氣穴。氣穴的多少和位置是否影響制件主要根據(jù)制件的作用來看，例如制品不需要完美的外觀，氣穴出現(xiàn)在表面也可以接受。氣穴結(jié)果同時也可以顯示產(chǎn)品的以下問題：燒焦、短射、其他表面缺陷等。所以盡量控制好氣穴的數(shù)量 （4）熔接痕 當兩股聚合物熔體的流動前會合到一起的，或一股流動前沿分開后，又合到一起，則會在接口處產(chǎn)生熔接痕。熔接痕對網(wǎng)格密度比較敏感，減少澆口的數(shù)量可消除一些熔接痕，改變澆口的位置同樣也可以改變?nèi)劢雍鄣奈恢?。將熔接痕移到產(chǎn)品不太重要的地方。熔接痕可能導致結(jié)構(gòu)問題，影響產(chǎn)品的美觀。但是，有些熔接痕是不能避免的，因此要查看工藝條件和熔接痕位置來決定是否需降低熔接痕。 （5）體積收縮率 體積收縮率式顯示每個單元的體積收縮百分比相對于最初的體積。體積收縮減少從保壓階段結(jié)束到制品冷卻到一定溫度時產(chǎn)生的。體積收縮結(jié)果也可以用來檢測模型的縮痕和熔接痕。同時體積收縮必須均勻的分布于整個制品，這樣產(chǎn)品的翹曲就會變小，并且盡量小于材料的推薦最大值?？梢酝ㄟ^保壓曲線的控制來控制體積收縮。 （6）變形 翹曲變形是指塑件發(fā)生了扭曲而未達到設(shè)計形狀要求。塑件翹曲是由于成型塑件的冷卻階段收縮不均勻，或脫模階段受到外力作用而造成的。不同的冷卻系統(tǒng)可能引起的翹曲也會有很大的區(qū)別，另外加大冷卻也可以降低翹曲的程度。4.2 水煲模擬分析結(jié)果比較根據(jù)以上的參數(shù)，簡單的比較水煲分析的結(jié)果，并確定水煲的成型方案。4.2.1 澆注系統(tǒng)的分析比較（1）充填時間 （a） 一點進澆澆注系統(tǒng) （b） 兩點進澆澆注系統(tǒng) （c） 三點進澆澆注系統(tǒng) （d） 四點進澆澆注系統(tǒng)圖4.1 四種澆注系統(tǒng)充填時間比較比較發(fā)現(xiàn)，隨著澆口數(shù)量的增加，充填的時間漸漸變小，但差距不是很大，除一點進澆外，其余都在5s下，所以四種澆注系統(tǒng)都可以選擇。（2）氣穴 （a） 一點進澆澆注系統(tǒng) （b） 兩點進澆澆注系統(tǒng) （c） 三點進澆澆注系統(tǒng) （d） 四點進澆澆注系統(tǒng) 圖4.2 四種澆注系統(tǒng)氣穴比較比較發(fā)現(xiàn)四種方案的氣泡都比較多，這也是由于產(chǎn)品的復雜結(jié)構(gòu)引起的?？梢酝ㄟ^在模具設(shè)計的時候增加排氣系統(tǒng)來降低氣穴，相比較而言，三點澆口的氣穴比較規(guī)律便于消除。（3）熔接痕 （a） 一點進澆澆注系統(tǒng) （b） 兩點進澆澆注系統(tǒng) （c） 三點進澆澆注系統(tǒng) （d） 四點進澆澆注系統(tǒng) 圖4.3 四種澆注系統(tǒng)熔接痕比較比較發(fā)現(xiàn)，一點進澆的熔接痕比較少，但比較大，四點進澆的熔接比較多，相對而言兩點進澆，三點進澆的比較好點。綜合上面四種澆注系統(tǒng)的分析結(jié)果比較，選擇三點式進澆澆注系統(tǒng)。4.2.2 冷卻系統(tǒng)的分析比較在第二章，確定了兩種冷卻水路，在此僅對產(chǎn)品的平均溫度和翹曲變形進行比較。（1） 制品平均溫度 （a） 直通式冷卻系統(tǒng) （b） 隔板式冷卻系統(tǒng) 圖4.4 兩種冷卻系統(tǒng)制品平均溫度的比較 比較發(fā)現(xiàn)隔板式冷卻系統(tǒng)制件平均溫度比較低，而且溫度差小，冷卻效果好。（2）翹曲變形的比較冷卻系統(tǒng)對翹曲的變形比較大，從變形的四個方面進行比較，分別是整體、x方向、y方向和z方向。 1)隔板式變形 （a）整體 （b）x方向 （c） y方向 （d） z方向 圖4.5 隔板式冷卻系統(tǒng)變形 1)直通式變形 （a）整體 （b）x方向 （c） y方向 （d） z方向 圖4.6 直通式冷卻系統(tǒng)變形通過幾個方面的對比可以看出使用直通冷卻系統(tǒng)的翹曲程度和隔板式冷卻系統(tǒng)的翹曲程度差不多，但是直通式變形地方少，范圍小，所以我選擇第一種冷卻系統(tǒng)，即直通式澆注系統(tǒng)的方案。4.3 水煲成型方案確定通過以上諸多方案和數(shù)據(jù)的對比及分析，最終確立了產(chǎn)品的澆注系統(tǒng)和模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方案。具體如下：澆注系統(tǒng)采用三點進澆澆注系統(tǒng)（澆口形式采用扇形式澆口），冷卻系統(tǒng)采用直通式的的方案。如圖4.7所示。 圖4.7 澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的確定第5章 基于正交試驗工藝參數(shù)優(yōu)化分析在注塑成型過程中，不同的注塑工藝參數(shù)對于注塑后產(chǎn)品的質(zhì)量影響不一，在此，學習正交軟件，對注塑的工藝參數(shù)進行變換，得到最佳的工藝方案。5.1 正交試驗簡述5.1.1 概述正交試驗設(shè)計(Orthogonal experimental design)是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選具備了“均勻分散，齊整可比”的特點的點來進行試驗，研究多因素多水平的又一種設(shè)計方法，正交試驗設(shè)計是分式析因設(shè)計的主要方法。是一種快速、高效率、經(jīng)濟的實驗設(shè)計方法。許多科學實驗理論