基于Moldflow的手机外壳注塑模流分析

J I A N G S U U N I V E R S I Y本 科 毕 业 论 文基于 Moldflow 的手机外壳注塑模流分析Analysis of injection mold of the mobile phone casing based on Moldflow学院名称： 材料科学与工程学院 专业班级： 高分子 0502 学生姓名： 赵育星 指导教师姓名： 王保志 指导教师职称： 讲师 二九 年 五 月目 录文摘00英文文献00第一章 绪论001.1 注塑成型技术发展概况及趋势001.2 注塑成型技术的现状001.3 MoldFlow 软件介绍001.4 本论文研究的目的及意义00第二章 注塑成型的理论基础002.1 MoldFlow 采用的粘度模型002.2 充模过程的假设与简化2.3 充模流动方程2.4 冷却过程控制方程2.5 保压过程控制方程00第三章 MoldFlow 注塑模拟分析过程003.1 注塑选材003.2 所选材料的流变学性质3.2.1 实验仪器及数据3.2.2 数据拟合结果003.3 注塑的制件3.3.1 产品尺寸和外形3.3.2 产品网格划分003.3.3 网格的状态统计003.4 注塑工艺参数3.4.1 成型工艺参数设置3.4.2 分析类型设置3.5 浇注系统创建3.5.1 浇口位置3.5.2 流道设计3.5.3 浇口与流道网格划分3.6 冷却系统创建3.6.1 冷却系统建模3.6.2 冷却系统网格划分3.6.3 设定冷却液入口第四章 模拟结果分析004.1 流动结果分析004.1.1 充填时间004.1.2 过程压力、锁模力随时间的变化004.1.3 气穴位置004.1.4 熔接痕004.2 冷却结果分析004.2.1 产品的上表面和下表面温度004.2.2 冻结时间004.2.3 水路中冷却液的温度004.3 翘曲结果分析004.3.1 所有因素引发的变形004.3.2 收缩导致的变形00第五章 实际生产应用实例005.1 正交试验介绍005.2 正交试验设计005.2.1 选择正交试验表005.2.2 成型参数值005.3 试验结果分析005.3.1 正交试验结果005.3.2 方差分析结果005.3.3 分析结果小结00第六章 结论00致谢00参考文献00基于 Moldflow 的手机外壳注塑模流分析专业班级：高分子 0502 姓名：赵育星 指导教师：王保志 职称：讲师摘要 塑料成型加工方法很多，包括注射成型、挤出成型、压制成型等。注射成型能一次成形状复杂、尺寸精确的制品，适合高效率、大批量的生产方式，己发展成为热塑性塑料最主要的成型加工方法。在成型过程中，工艺参数直接影响到模具内熔体的流动状态和产品的最终质量，因此获取最优的工艺参数成为提高注塑制品质量的前提条件。本文使用 Moldflow 软件模拟整个注塑过程，该软件融合了一整套设计原理，可以评价和优化整个过程，可以在模具制造之前对塑料产品的设计、生产和质量进行优化。本着“优化设计”的理念，本例中，由于手机外壳为薄壁塑料制件，在成型过程中主要缺陷是翘曲变形和填充不足，因此选择“流动+冷却+翘曲”分析类型。首先分析了注塑行业的现状及趋势，其次分析了 Moldflow 软件模拟注塑过程的理论基础，然后使用软件进行模拟得出结果。最后针对结果使用正交试验优化了影响塑件翘曲的成型工艺参数，并提出了进一步优化的方法。如果 Moldflow 软件广泛应用于注塑行业的模拟分析，必将达到提高注塑生产效率，提升产品质量，减少盲目调机，降低不良率，控制料耗，减少机位人手，降低成本，增强竞争力的目的。 关键词：Moldflow/MPI 手机外壳 冷却分析 流动分析 翘曲分析 正交试验Analysis of injection mold of the mobile phone shell based on MoldflowAbstract There are many methods in plastic forming , including injection molding, extrusion molding, suppression molding etc. Injection molding can shape a complex and precise size of products, and has developed into the most important method in thermoplastic processing. In the molding process, the process parameters directly affect the flowing of the polymer melt and quality of the final product,so it has becomed a prerequisite to obtain the optimal injection molding processing parameters to improve product quality.Moldflow sofware can simulate the whole process of injection molding, it integrates a set of design principle and can evaluate and optimize the whole process. Moldflow provide users with a wealth of analysis types, users can select the appropriate type of analysis with the defective of parts. the defect is warpage and fill in the process of the shaping as a result of the thin-walled plastic mobile phone shell parts.So the type of analysis is “Fill +Flow+ Cool+ Warp“.First, we analyze the trend of the injection industry, followed by an analysis of the theoretical foundation of the Moldflow software, and then we use the software to simulate the results. Finally, acrossing to the results,we optimize the molding process parameters.If MoldFlow sofware can be widely used in the injection molding industry,it must can enhance production efficiency,improve the quality of mobile phone shell, reduce the number of blind debugging machine,reduce the rate of non-performing, control consumption of material,reduce the number of people to operate the machines,reduce costs,enhance competitivenessKey words Moldflow/MPI Mobile phone shell Cooling Flow Warpage Orthogonal test第一章 绪论1.1 注塑成型技术发展概况及趋势近年来，我国塑料工业高速发展，塑料产品使用的领域越来越多，使用的比例也越来越大。保守估计，目前仅汽车行业就需要各种塑料制品 200 万吨，电冰箱、洗衣机和空调的年产量均超过 2000 万台，彩电的年产量己超过 5000 万台，到 2010 年，在建材行业，塑料门窗的普及率为 30%，塑料管的普及率将达到 50%。这些都会带动塑料工业的发展。塑料的加工方法很多，主要包括挤出、注塑、压塑和吹塑成型等，其中注塑成型技术在塑料制品生产中的应用最为广泛，注塑制品约占塑料制品总量的 30%左右，尤其是塑料作为工程结构材料的出现，注塑制品的用途已经扩大到国民经济的各个领域，并有逐步代替传统金属和非金属材料的制品的趋势。由于具有质量轻、比强度高、耐磨损、消音减振、电性能好、便于加工等特点,塑料注射成型技术在工业生产中将会得到了越来越广泛的应用,其相关的成型工艺参数及模具技术将成为 CAD/CAE 技术研究的热点领域，MoldFlow 软件作为模流分析行业的最优秀的软件，必将得到广泛的应用。1.2 注塑成型技术的现状不同的工艺方案对注塑产品质量有明显影响。影响注塑产品质量的工艺参数很多,如果仅根据经验或者参考手册,难以做到综合考虑并合理搭配,难以设计出最佳注射工艺方案。目前我国广泛采用经验加试模定工艺的方法，缺乏量化指标指导,经常会出现废品率高和质量不稳定等缺陷，不能适应现代生产对制品高质量和高效率的要求。而美国，日本，德国等一些发达国家大部分企业使用计算机辅助软件进行工艺分析，结果建立在科学的理论体系下，得到的产品质量好，生产效率高。日本使用普及率达 75%以上，美国和德国在 60%以上，而我国则不足 10%。1.3 MoldFlow 软件介绍Moldflow 公司是专业从事注塑成型 CAE 软件和咨询公司，自 1976 年发行了世界上第一套流动分析软件以来，一直主导塑料成型 CAE 软件市场。近几年在汽车、家电、电子通讯、化工和日用品等领域得到了广泛应用。Moldflow 拥有大量专业的模拟分析工具，能够对绝大多数热塑性塑料和热固性塑料的注塑成型过程进行模拟，不仅可以模拟塑料制品成型过程中的充填、保压及冷却阶段，还能预测出制品成型后的缺陷，甚至能够分析纤维增强材料的流动过程，预测纤维的流动取向，对改善成型工艺，提高制品质量提供了科学的依据。Moldflow 中的模拟分析工具主要有 MPI/Flow 模块、MPI/Cool 模块、MPI/Warp 模块、MPI/Stress 模块、MPI/Shrink 模块、MPI/Optim 模块、MPI/Gas 模块、MPI/Fiber 模块和 MPI/Reactive Molding 模块。本文中使用 Moldflow 软件对设计的产品进行模具相关方面的设计和成型工艺方面的优化分析。1.4 本论文研究目的及意义在本例中，使用模流分析软件MoldFlow对一实例产品进行模拟分析，对产品进行完一系列的前期设计后，设置注射工艺参数，对产品进行流动、冷却、翘曲分析，得出结果，然后分析得到的结果，如果结果满意，则可以尝试着调整工艺参数进行进一步的优化，如果结果不合理，则必须重新调整注塑工艺参数，直至结果合理。通过该分析后进一步了解MoldFlow的分析流程，从而熟练地应用在实际生产中，比较精确的模拟注塑实验过程，在多次的模拟试验后快速高效的得到最优的成型工艺参数来指导生产。这篇论文的最主要目的就是解决实际生产问题。Moldflow 先如今还没有广泛应用于注塑成型工业，如果 MoldFlow 广泛的应用于注塑成型工业，那么它必将取代传统的凭经验或者手册确定成型工艺参数的方法。它可以科学合理的确定注塑成型工艺参数，减少实际生产中通过反复试验来确定合理的注塑参数的次数，降低产品的成型周期，节约成本，使我国的注塑成型工业有飞速的发展。第二章 注塑成型的理论基础2.1 MoldFlow 采用的粘度模型普通注塑成型的熔体充模流动行为，已有很多商品化的 CAE 软件可以对其进行有效地分析与模拟，MoldFlow 软件就是其中之一。注射成型过程中，非牛顿塑料熔体在模腔中做非等温瞬态流动，熔体一方面因与低温模具接触而快速冷却，另一方面因高速剪切作用又产生热量，整个成型过程熔体同时承受着来自注射机的高压压力和模具的高速剪切，并伴随着熔体固化、体积收缩、分子取向和可能的结晶过程，成型过程相当复杂。因此注射成型越来越依赖于 CAE 分析技术，而开发分析软件的一个先决条件是明确熔体剪切粘度与温度、压力、剪切速率等诸因素的关系，建立材料的粘度模型。一般常用的模拟模型有幂率模型、5 参数的 Cross_WLF 模型和 7 参数的 Cross_WLF 模型。5 参数的 Cross_WLF 模型和 7 参数的 Cross_WLF 模型避免了幂率模型的缺陷，不仅可以描述高剪切速率时熔体的幂流变行为，而且可以描述在接近零剪切速率时的牛顿流变行为。同时这两种模型都是压力敏感模型,都考虑了压力对粘度的影响。现代注射成型技术尤其是薄壳成型技术的出现,已使注射压力高达 300MPa，如此高的压力对粘度有着极其重要的影响，高压作用下粘度明显增加,粘度模型中如不考虑压力对粘度的影响，模拟结果的误差将随着压力的提高而不断增大，因此 Cross 模型为多数流动模拟软件所采用。7参数的 Cross_WLF 模型适应的温度范围更广，能更准确地描述伴有冷却效应的熔体流动，特别是当温度接近玻璃化转变温度时，能更好地拟合粘度的迅速增加。MoldFlow 软件采用的即是 7 参数的 Cross_WLF 模型。该模型的表达式为：（T，P ）= 0(T，P) 1+( 0/*)1-n (2-1)0(T，P)=D 1exp-A1(T-T) / A2+(T- T ) (2-2)A2=A 2+D3P (2-3)T =D2+D3P (2-4)这是一个由 7 个参数(n、 *、D 1、D 2、D 3、A 1、A 2)构成的粘度模型。T 是一个参考温度，通常被认为是材料的玻璃化转变温度，D 1、 A1、A 2 为模型常数，D2 则对应着低压下的玻璃化转变温度，D3 是压力影响系数，表示粘度的压力依赖性，其准确数值要通过特定的粘度测试方法和数据分析程序才能获得。虽然 Cross 模型已经被一些著名的 CAE 分析软件所使用，但是无论那一种粘度模型，都不能完全准确地描述熔体的流变行为。而且近年来出现的新型注射成型技术如薄壳成型技术，其成型过程的模拟对粘度模型精度的要求更高。如薄壳成型技术模拟过程中要考虑压力对粘度的影响，甚至要求模型能够预测成型过程中的材料降解(材料降解影响粘度)，考虑表面张力和模具表面粗糙度对成型过程的影响。因此虽然薄壳成型过程模拟采用精度较高的 Cross_WLF 模型，但模拟结果和实际实验结果还存在一定的误差。目前，美国 GE 公司正在研究一个薄壳成型所特有的粘度模型，以进一步提高模拟精度。2.2 充模过程的假设与简化鉴于大多数塑件都是薄壁件，故可认为熔体是在扁平型腔内流动，厚度方向的尺寸其它方向小，故可引入以下假设:(l)由于型腔厚度(z 方向)远小于其它两个方向(x，y 方向)的尺寸，且熔体的粘度较大，因此，可忽略 z 方向的速度分量(w=0)，并且认为压力 P 是 x，y 的函数，沿 z 向不变，即 P/Z=0。(2)在熔体流动方向(x，y 方向)上，相对于热对流项而言，热传导项很小，可忽略不计。(3)在充模流动过程中，可认为熔体是不可压缩的，即 .V=0。(4)忽略正应力，仅考虑剪切应力。(5)惯性力和质量力相对于粘性剪切力而言都很小，可忽略不计。(6)在充模过程中，熔体温度变化范围不大，可以认为熔体的比热容及导热系数为常数。(7)忽略模腔内壁的边界层效应。(8)忽略熔体前沿附近喷泉式流动的影响。2.3 充填流动方程注射成型 CAE 是根据连续介质力学、塑料加工流变学和传热学基本理论,建立塑料熔体在模具型腔中流动、传热的数学模型。对于厚度方向尺寸远小于其他方向尺寸的薄壁塑件,可以使用基于非稳态、非等温条件下的 Hele2Shaw 流动模型，建立描述该过程的连续性方程、运动方程和能量方程。由这些方程加上描述材料特性的本构关系和适当边界条件可以准确描述注射成型充填过程。运用有限元/有限差分混合数值方法得到塑件在