设计液晶盒上盖实体建模CAM分析装配图和零件图绘制毕业论文by.doc

目目 录录 引言 3 3 1 1 绪论绪论 4 4 1.1 塑料模具技术现状 4 1.2 塑料注射成型及其工艺的概述 5 1.2.1 注射成型工艺过程 5 1.2.2 注射前准备 6 1.2.3 注射过程 6 1.2.4 塑件的后处理 7 1.3 本设计使用软件简介 7 2 2 塑件的工艺性分析塑件的工艺性分析 8 8 2.1 分析塑件使用材料的种类及工艺特征 8 2.2 塑件成型工艺性分析 9 2.2.1 塑件材料(ABS)的性能分析 .9 2.2.2 塑件的分析 9 2.3 注塑成型工艺的确定 .10 2.3.1 注射成型过程 .10 2.3.2 注射工艺条件 .10 2.4 拟定模具的结构形式11 2.4.1 分型面位置的确定 .11 2.5 型腔数量和排列方式的确定11 2.6 注射机的选择 .12 3 3 基于基于 MOLDFLOWMOLDFLOW 的的 CAECAE 分析分析 1414 3.1 注塑模 CAE 技术的发展和在注塑模设计中的应用 .14 3.1.1 注塑模 CAE 技术的发展 .14 3.1.2 注塑模 CAE 技术在注塑模设计中的应用 .14 3.1.3 Moldflow 分析一般步骤.15 3.2 塑件网格划分及诊断 .15 3.3 浇口位置分析 .17 3.4 建立浇注系统和冷却系统以及参数的设置 .17 3.5 结果分析 .18 3.5.1 Flow 流动分析.18 3.5.2 Cool 冷却系统的分析.22 3.5.3 Warp 翘曲分析.24 3.6 基于 MOLDFLOW的 CAE 分析总结25 4 4 模具设计模具设计 2525 4.1 浇注系统的设计 .25 4.1.1 主流道的设计 .25 4.1.2 分流道的设计 .26 4.2 浇口的设计 .27 4.2.1 浇口的设计原则 .27 4.2.2 浇口的尺寸计算 .28 4.4 冷料穴的设计29 4.5 成型零件的结构设计和计算 .29 4.5.1 凹模的结构设计 .29 4.5.2 凸模结构的设计 .30 4.6 模架的确定 .31 4.6.1 组成模架的主要零件 .32 4.6.2 各模架尺寸的确定 .32 4.6.3 模具各尺寸的校核 .32 4.7 脱模推出机构的设计 .33 4.7.1 脱模力的计算 .33 4.7.2 脱模机构 .35 4.8 冷却系统的设计 .35 4.9 导向与定位设计 .36 4.10 排气槽的设计 37 5 5 模具总装配图及工作过程模具总装配图及工作过程 3737 6 6 结论结论 3737 引言 模具是工业生产的基础工艺装备，在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家 电和通讯等产品中，60%80%的零部件都要依靠模具成形。用模具生产制件所表现出 来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不 能比拟的。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。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水 平高低的重要标志，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。 我国模具工业发展迅速，市场广阔，产销两旺。近 10 年来，中国模具工业增长速 度保持在 15以上；生产厂 2 万余家，从业人员 50 多万人，年产值达 450 亿元以上。 另外，结构调整步伐加快，大型、精密、复杂、长寿命模具和模具标准件发展速度高 于行业总体发展速度；塑料模和压铸模比例增大；面向市场的专业模具厂家数量及能 力快速增加。但大部分模具是企业自产自用，作为商品销售的约占三分之一。我国生 产的模具有些已接近或达到国际水平。但总的来看，还远不能适应国民经济发展的需 要，大型、精密、复杂、长寿命等高档模具有很大一部分依靠进口。 本设计是通过 UG 软件对液晶盒上盖进行实体建模，借助 moldflow 软件对其进行 CAE 分析，并结合其他结构的模架实例和注塑模理论知识，进行结构分析、原料分析和 成型工艺分析,确定型腔的数目和型腔的布置方案，选择分型面、浇注系统、脱模方式、 调温系统结构、排气形式，利用三维软件进行 CAM 分析，制定主要件的工艺规程、完 成必须的工艺计算、制造工艺以及一定的技术经济分析等。最后进行模具装配设计， 完成模具装配图和零件图绘制。 1 绪论 1.1 塑料模具技术现状 现代模具的现状简介如下： (1) 模具工业产值逐年增加 20 世纪 80 年代以来，在国家产业政策和与之配套的一系列政策的支持和引导下， 在加之产品规模化成产的需要，我国模具工业特别是塑料模具发展十分迅速。近 10 年 来，中国模具工业增长速度保持在 15以上；生产厂 2 万余家，从业人员 50 多万人， 年产值达 450 亿元以上，其中塑料模约占 30%。在未来的模具市场中，塑料模在模具总 量中的比例还将逐步提高。 (2) 大型、精密塑料模具制造能力不断增强 我国塑料模工业从起步到现在，历经半个多世纪，有了很大的发展，模具制造技 术水平有了较大提高。我国已能生产轿车覆盖件模具、大屏幕彩色电视机前壳及后盖 注塑模具、大容量洗衣机全套塑料模、轿车仪表板形状复杂的注塑模具；精密塑料模 具方面，已能生产照相机塑料件模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具。注塑模型 腔制作精度可达 0.020.05mm，表面粗糙度 Ra 为 0.2m。 (3) 模具寿命不断提高 新型模具型腔材料及其热处理工艺的不断问世，使得型腔模具的使用寿命有很大 提高。如：塑料模具行腔材料广泛采用 P20、3Cr2Mo、PMS、SM I、SM II、等，非淬火 钢寿命可达 10 万30 万次，淬火钢可达 50 万100 万次。 (4) CAD/CAE/CAM 技术的应用水平已上了一个新台阶 以高速发展的家电制造业为例，引进了美国、德国、日本、澳大利亚等国相当数 量的 CAD/CAM 系统，取得了一定的经济技术效益，促进和推动了我国的 CAD/CAM 技术 的发展。数控机床、加工中心、激光、电火花、线切割、真空淬火以及 PVO 等表面强 化技术在模具制造中已得到普及。 (5) 模具工程师 人是企业最活跃的因素，市场竞争最主要的是人才竞争。我国模具行业的工程技 术人员的素质不能适应模具工业的发展，而且人才断层现象十分明显。队伍不稳定、 人才匮乏是制约模具工业发展的重要因素之一。 (6) 模具标准化率有显著提高 塑料模具的标准零件（如推杆、导柱、导套等） 、标准模架等越来越广泛的得到应 用，并且出现了一些国产标准化的热流道系统元件，但目前我国模具标准化和商品化 程度一般在 30%以下，与国外先进工业国家已经达到 70%80%相比，仍有很大差距。 国内外塑料模具技术现状比较见表 1-1。 表 1-1 国内外塑料模具技术现状比较 项 目国 外国 内 型腔精度0.0050.01mm0.020.05mm 型腔表面粗糙度Ra0.010.05mRa0.20m 非淬火钢模具寿命10 万60 万次10 万30 万次 淬火钢模具寿命160 万300 万次50 万100 万次 热流道模具使用率80%以上总体不足 10% 标准化程度70%80%小于 30% 中型模具生产周期一个月左右24 个月 在模具行业中的占有量30%40%25%30% 1.2 塑料注射成型及其工艺的概述 注射成型是在高压状态下将已熔融的塑料熔体以高速注入到闭合的模具型腔内， 经冷却（对于热塑性塑料）或加热（对于热固性塑料）定型后得到和模具型腔形状完 全一致的塑料制品的一种成型方法。 注射成型必须满足以下三个必要条件： (1) 塑料必须以熔融的状态被注入到模具的型腔中； (2) 注入的塑料熔体必须具有足够的压力和流动速度以完成充满模具模腔； (3) 需要有符合制品形状和尺寸并满足成型工艺要求的模具。因此，要完成注塑成 型则必须具备塑料塑化、熔体注塑和成型这三种基本功能及其调控机制。 1.2.1 注射成型工艺过程 注射成型工艺过程包括注射前的准备、注射过程和制品的后处理三个主要阶段， 各个阶段又可分为多个小阶段，如图 1-1 所示。 成型前的准备 粉、粒状塑料 （检验、干燥） 注射机 （料筒清洗） 熔融塑料 （塑化） 注射 保压 预热嵌件注射模合（闭）模 冷却定型 开（脱）模 清模 推出推出 去除浇注 系统凝料、 去毛刺 退火、 调湿 等处 理 注射过程制件的后处理 图 1-1 注射成型工艺过程 1.2.2 注射前准备 为了使注射成型顺利进行，保证塑件质量，一般在注射之前要进行原料预处理、 清洗料筒、预热嵌件和选择脱模剂等准备工作。 原料的预处理：包括原料的检验、着色和预热干燥等过程。注塑前必须对原料进 行外观及工艺性能进行检验，判断原料的品种、规格、牌号等与所要求的参数是否符 合。 料筒的清洗：生产中如果需要改变塑料品种、更换物料、调换颜色，或者发现成 型过程中出现勒热分解或降解反应，均应对注射机的料筒进行清洗。 嵌件的预热：为避免嵌件周围塑料层强度下降而出现裂纹缺陷，注射成型前要对 金属嵌件进行预热，不过对于小嵌件在模内易被塑料熔体加热，所以可不预热。 脱模剂的选用：为了便于脱模，生产中常使用脱模剂，常用的脱模剂有硬脂酸锌、 液态石蜡和硅油这三种。 1.2.3 注射过程 完整的注射过程包括加料、塑化、注射、保压、冷却和脱模等几个步骤。螺杆式注 射机在各个阶段成型工艺顺序如图 1-2 所示7。 图 1-2 注射过程 1-电动机 2-料斗 3-螺杆 4-加热器 5-模具 6-喷嘴 7-液压缸 在注射过程中压力随时间呈非线性 变化，如图 1-3 所示。该图为在一个注 射成型周期内用压力传感器测得的压力 随时间变化的曲线图。曲线 1 是料筒计 量室中注射压力随时间变化的曲线；曲 线 2 是喷嘴末端的压力曲线；曲线 3 是 型腔始端（浇口处）的压力曲线；曲线 4 是型腔末端的压力曲线。 图 1-3 注射成型周期内压力随时间变化的曲线 充模： 图中 OA 段是塑料熔体在注射压力 P1作用下从料筒计量室流入型腔始端的时间。在 AB 段熔体充满型腔，此时注射压力 P1达到最大值。喷嘴压力也达到一定的动态压力 P2。 冲模时间（tA-tB）是注射成型过程中最重要的参数，因为熔体在型腔内流动时间的剪 切速率和造成聚合物分子取向的程度都取决于这一时间。型腔始端压力与末端压力之 差（PB- PB1）取决于熔体在型腔的流动阻力。 压实： 型腔充满后，型腔压力迅速增大并达到最大值。图 1-3 中型腔始端的最大压力为 PC， 末端的最大压力为 PC1。喷嘴压力迅速升高并接近注射压力 P1。BC 时间段是熔体的压 实阶段，在压实阶段约占塑件重量 15%的熔体被压到型腔内。 保压： 图中 CD 时间段是保压阶段，在这一阶段中熔体仍处于螺杆所提供的注射压力之下，熔 体会继续流入型腔内以弥补熔体因冷却收缩而产生的空隙。此时熔体的流动速度更慢， 螺杆只有微小的补缩移动。 倒流： 保压结束后，螺杆回程，喷嘴压力迅速下降至零，塑件此时仍会有一定的流动性。在 型腔压力作用下，熔体可能从型腔向浇注系统倒流，导致型腔压力从 PD降为 PE。在 E 时刻熔体在浇口处凝固，倒流过程被封段。 冷却： EF 时间段是冷却定型阶段，在模具冷却系统的作用下制品逐渐冷却到具有一定的刚度 和强度时脱模，脱模时制品内存在着残余压力 PE，若残余压力过大，会造成制品开裂、 损伤和卡模等弊病7。 1.2.4 塑件的后处理 塑件脱模后，常需要进行适当的后处理来改善塑件的性能和提高塑件尺寸的稳定 性。塑件的后处理主要是指退火和调质处理。退火处理的方法是使塑件在恒温的加热 液体介质或热空气循环烘箱中静置一段时间。一般退火温度应控制在高于塑件使用温 度 1020为宜。退火时间视制品厚度而定。调质处理是指制品预先吸收一定的水分 （如放在热水或油中） ，使制品尺寸稳定下来，以避免制品在使用中再发生变化。 1.3 本设计使用软件简介 目前 CAD/CAE/CAM 系统及数控技术在模具加工领域起着不可缺少的重要作用。 当今流行的三维造型软件有 Pro/ENGINEER、UG 和 Solidworks 等，其中 UG 的功能强 大应用范围广泛。原因是，Unigraphics NX 针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需 求，提供了经过实践验证的解决方案。Unigraphics NX 为设计师和工程师提供了一个 产品开发的崭新模式，它不仅对几何的操纵，更重要的是团队将能够根据工程需求进 行产品开发。Unigraphics NX 能够有效地捕捉、利用和共享数字化工程完整过程中的 知识，事实证明为企业带来了战略性的收益。利用 UGNX 建模，工业设计师能够迅速 地建立和改进复杂的产品形状，并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足 设计概念的审美要求。NX 产品开发解决方案完全支持制造商所需的各种工具，可用于 管理过程并与扩展的企业共享产品信息。UGNX 与 UGS PLM 的其他解决方案的完整 套件无缝结合。这些对于 CAD、CAM 和 CAE 在可控环境下的协同、产品数据管理、 数据转换、数字化实体模型和可视化都是一个补充。本课题模具所用软件是 UGNX5.0，该模具的设计过程大致如下：首先用 UG 进行零件的实体特征造型，特征 是 UG 软件的基本设计单元，用户可以每次创建一个特征的方式进行三维造型，并且 零件的数据是关联的，其基础是 UG 软件采用了单一数据库技术。用 UG 软件在 对零件进行受力分析，以及运动分析、干涉检查。然后用 UG 的 Mold Wizard 模块进 行模具设计，包括流道及冷却水道设计。 2 塑件的工艺性分析 2.1 分析塑件使用材料的种类及工艺特征 该塑件的三维零件图设计步骤如图 2-1 所示，生成零件如图 2-2 所示。 图 2-1 制件 UG 设计步骤 图 2.2 塑件三维图 2.2 塑件成型工艺性分析 2.2.1 塑件材料(ABS)的性能分析 该塑件采用的是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，即 ABS 塑料，其性能如下： (1) 使用性能。其综合性能好，冲击强度、力学强度较高，尺寸稳定，耐化学性， 电气性能良好，易于成型和机械加工，其表面可渡铬成为塑料涂金属的一种常用材料， 适用于制作一般机械零件、减摩零件、传动零件、结构零件、电子电气和仪表外壳等。 (2) 成型性能。ABS 是一种无定型塑料，其品种很多，各品种的机电性能及成型 特性也各有差异，成型方法和成型条件要按各品种的性能来确定。ABS 吸湿性强，含 水量应小于 0.3，必须充分干燥，要求表面光泽的塑件应要求长时间预热干燥，其流 动性中等，溢边料 0.04mm 左右。在进行模具设计时要注意浇注系统的设计要选择好 进料口位置和形式，因为当推出力过大或进行机械加工时塑件呈现白色痕迹。 (3) ABS 的主要性能指标见表 2-14。 表 2-1 ABS 的性能指标 密度/ 3 cmg1.021.08屈服强度/MPa50 比体积/ 13 gcm0.860.98拉伸强度/MPa38 吸水率（）0.20.4拉伸弹性模量/MPa 3 104 . 1 熔点/C130160抗弯强度/MPa80 计算收缩率（）0.40.7抗压强度/MPa53 比热容/ 1 )( Ckgj1470弯曲弹性模量/MPa 3 104 . 1 2.2.2 塑件的分析 (1) 外形尺寸分析 该塑件是壁厚为 2.5mm 左右的曲面薄壁零件，塑件的外形尺寸不大，厚度不太均 匀，并且有多个曲面，并且由于其有下盖卡扣部位，结构比较复杂，这对于模具型腔 型芯的设计和加工要求就比较高，如何正确设计浇注系统、冷却系统、顶出系统和合 理的注射成型工艺条件是模具设计的主要问题。 (2) 尺寸精度的分析 在一般生产过程中，为了降低模具加工难度和模具的生产成本，在满足塑件使用 要求的前提下尽可能把塑件尺寸精度设计得低一些。对于本课题塑件分析看，我们需 定塑件尺寸的精度等级为 MT2A，属于中等偏高级的精度等级，在模具设计和制造过 程中要严格保证这些尺寸精度的要求，其余尺寸均无特殊要求，可取 MT5 级公差值。 (3) 塑件表面质量分析 本塑件是电子产品壳体，要求外表美观、无斑点、无熔接痕、无顶杆痕迹，对于 外观要求比较高，因此对其外表面质量也要求比较高，其外表面的粗糙度 Ra 取 0.8m，内腔没有较高的粗糙度要求。 (4) 脱模斜度的分析 由于塑件冷却后产生收缩时会紧紧包在凸模上，或者由于粘附作用而紧贴在型腔 内，为了便于脱模，防止塑件表面在脱模时出现顶白、顶伤、划伤等，塑件设计时应 该考虑其表面具有合理的脱模斜度。塑件上的脱模斜度大小，与塑件的性质、收缩率、 摩擦因素、塑件壁厚和几何形状有关。对于 ABS 一般凹模的脱模斜度是，型30135 芯的脱模斜度是 4，由于该塑件侧面为斜壁结构，可顺势脱模，所以不放脱模 4030 斜度。而外侧有凸台需使用滑块抽芯机构以使工件能顺利脱模。 2.3 注塑成型工艺的确定 2.3.1 注射成型过程 (1) 成型前的准备。对 ABS 的色泽、粒度和均匀度等进行检验，由于 ABS 吸水性 较大，成型前应对其进行充分的干燥。 (2) 注射过程。塑件在注塑机料筒内经过加热、塑化达到流动状态后，由模具的浇 注系统进入模具型腔成型，其过程可分为充模、压实、保压、倒流和冷却五个阶段。 (3) 塑件的后处理。处理的介质为空气和水，处理温度为，处理时间为C7560 1620s。 2.3.2 注射工艺条件 在注塑成型过程中，工艺条件的选择和控制是保证成型顺利进行和塑件质量的关 键因素之一，主要的工艺条件是影响塑化流动和冷却的温度、压力和相应的各个作用 时间。在这里我们选择的注射机为螺杆式的注射机，其喷嘴为直通式，对于 ABS 塑件 结合后面对塑件的 CAE 分析以及综合考虑可得到对应的工艺条件参数见表 2-24。 表 2-2 制品成型工艺参数 喷嘴温度/C170180保压压力/MPa3040 模具温度/C5080注射时间/s1.6 前段180200保压时间/s10 中段210230冷却时间/s20料筒温度 后段180200其他时间/s7 注射压力/Mpa80110成型周期/s40 2.4 拟定模具的结构形式 2.4.1 分型面位置的确定 分型面的选择原则除了必须开设在制件界面轮廓的最大的地方才能使制件顺利地 从型腔中脱出外，还应考虑以下因素： (1) 因为分型面处不可避免的会在塑件上留下溢料痕迹或拼合不准确的痕迹，故分 型面最好不选在制件光亮平滑的外表面或带圆弧的转角处。从制件的推出装置设置方 便考虑，分型时要尽可能的使制件留在动模一边，当制件上有多个型芯或形状复杂、 锥度小的型芯时，制件对型芯的包紧力特别大，这种型芯应设在动模一边，而将凹模 放在定模一边。 (2) 从保证制件相关部位同轴度的角度出发，同轴度要求高的塑件，取分型面时最 好把要求同轴的部分放在模具分型面的同一侧。当制件上要求互相同轴的部位不便设 在分型面的同一侧时，则应设计特殊的定位装置，提高合模时的对中性。 (3) 有侧凹或侧孔的制件，当采用自动侧向分型抽芯时，除了液压抽芯能获得较大 的侧向抽拔距离外，一般分型抽芯机构侧向抽拔距离都较小。取分型面时应首先考虑 将抽芯或分型距离长的一边放在动、定模开模的方向上，而将短的一边作为侧向分型 或抽芯。对有顶出机构的模具，采取动模边侧向分型抽芯，模具结构较简单，能获得 的抽拔距离也比较长，故选分型面时应优先考虑把制件的侧凹或侧孔放在动模边。若 设在动模边，则模具结构较复杂。此外当分型面作为主要排气面时，料流的末端应在 分型面上以利排气。 综合考虑分型面的选择受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统设计、塑件的结 构工艺性及精度、嵌件的位置、形状以及推出方法、模具的制造、排气、操作工艺等 多种因素的影响，经过综合分析比较，选出正确的分型面如图 2-3 所示。 2.5 型腔数量和排列方式的确定 （1）型腔数量的确定 由于该塑件的外观质量要求较高，外表面上不能有浇口痕迹， 再加上在生产中要求的年产量比较大，用一模一腔难以能满足要求，因此我们这里可 以考虑一模多腔，一模多腔的设计不仅可以平衡型腔压力，也可以提高塑件的生产率， 保证较大的产量要求。根据经验，在模具设计中每增加一个型腔，制品尺寸精度要下 降 4。多腔模具从表面上看，比少腔模具经济效益高，但是多腔模具所用注射机大，每 一次注射循环期长而维持费用高，所以要从经济的条件上考虑每模的腔数。从模具的 造价费用和侧向抽芯机构的设计等因素考虑，本课题选择一模两腔。 （2）型腔排列形式的确定 多型腔模具尽可能采用平衡式排列，且要力求紧凑， 并与浇口开设的部位对称。由于该设计选择的是一模两腔，故采用直线对称排列，如 图 2-3 所示。 图 2-3 分型面及型腔排列方式 2.6 注射机的选择 （1）注射量计算 对于 ABS 一般密度为 1.02，通过 UG 三维软件建模设 3 /cmg 计分析计算得 塑件体积：831.17 塑 V 3 cm 塑件质量：M塑= =18.19g 塑 V （2）浇注系统凝料体积的初步估算 浇注系统的凝料在设计之前是不能确定准确 的数值的，不过可以根据经验按照塑件体积的 0.21 倍来估算，由于本次我们采用的 流道简单并且较短，因此浇注系统的凝料按塑件体积的 0.2 倍来估算。由于这里采用的 是一模两腔，因此一次注入模具型腔塑料熔体的总体积为 )(7944.4222 . 1831.172)2 . 01 ( 3 cmVV 塑总 （3）选择注射机 上面计算得出的一次注入模具型腔的塑料总体积可计算出注射 机的公称注射量得 )(493.538 . 0/79.428 . 0/ 3 cmVV 总公 根据上面计算，初步选定公称注射量为 125，注射机型号为 SZ-160/80 卧式注射机， 3 cm 其主要技术参见表 2-3 。 表 2-3 初步确定的 SZ-160/80 注塑机的主要技术参数 注射系统锁模系统 螺杆直径/mm35锁模力/kN800 螺杆行程/mm70 拉杆内间距（）/VH mm 310330 理论注射容积/ 3 cm125模板行程/mm260 最大注射量/g110最大开距/mm580 注射压力/MPa205最大模厚/mm320 注射速率（）sg /100最小模厚/mm170 塑化能力（）hkg /11定位孔直径/mm130 螺杆最大转速（）min/r220定位孔深度/mm35 喷嘴孔直径/mm3.5 喷嘴头部半径/mm12 液压顶出力/kN28 顶出杆行程/mm55 （4）注塑机得相关参数校核 1）注射压力校核 由表 2-2 可知，塑件所需注射压力为 80110MPa，此处取 p0=100MPa，该注塑机的公称压力 p公=205MPa，注射压力安全系数 k1=1.251.4，这 里取 k1=1.3，则： k1p0=1.3100=130p公，所以注射机注射压力合格。 2）锁模力校核 塑件在分型面上的投影面积，则 681)1253(62)12108(536-15-855 . 7215-140855 . 7 22 ）（）（ 塑 A =176.625+10625+1050-113.04-5088-492-48 =6206.5856207(mm2) 浇注系统在分型面上的投影面积 A浇，可以按照多型腔模的统计分析来确定。 A浇是每个塑件在分型面上的投影面积 A塑的 0.20.5 倍。由于本例流道设计简单， 分流道相对较短，因此流道凝料投影面积可以取小些，这里取 A浇=0.2A塑。 塑件和浇注系统在分型面上总的投影面积 A总，则 A总=n（A塑 + A浇）=21.2A塑=21.26207=14896.8（mm2） 模具型腔内的胀型力 F胀，则 F胀=A总p模=14896.835=521388（N）=521.39(kN) 式中，p模是型腔的平均计算压力值。通常取注射压力的 20%40%，大致范围为 2540MPa，此处取 35MPa。 由表 2-3 可知该注塑机公称锁模力 F模为 800kN，锁模力安全系数为 k2=1.11.2，这里 k2取 1.2，则 k2 F胀=1.2 F胀=1.2521.39625.7（kN）800kN，所以注射机锁模力合格。 对于其他安装尺寸的校核要等到模架选定，结构尺寸确定后方可进行。 3 基于 Moldflow 的 CAE 分析 3.1 注塑模 CAE 技术的发展和在注塑模设计中的应用 3.1.1 注塑模 CAE 技术的发展 注塑模 CAE 技术是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论，建立熔体在模具型 腔中的流动、传热的物理、数学模型，利用数值计算理论构造其求解方法，利用计算 机可视化技术形象、直观地模拟出实际成型中熔体的动态填充、冷却过程的一门分析 技术。利用注塑模 CAE 技术可以在模具制造前，模拟注塑过程（包括充填、保压及冷 却）并及早发现问题，优化模具设计和工艺条件设定，减少试模次数以提高生产效率， 现已成为注塑加工技术的一个重要发展方向。 80 年代注塑模 CAE 技术开始从理论研究进入实用化阶段，开展了三维流动与冷却 分析并把研究扩展到保压、纤维分子取向以及翘曲预测等领域。进入 90 年代后开展了 流动、保压、冷却和应力分析等注塑工艺全过程的集成化研究。CAE 技术的出现，为 注塑模设计提供了可靠的保证。传统的注塑模具设计主要依靠设计人员的经验，而注 塑成型过程非常复杂，塑料熔体的流动性能千差万别，制品和模具的结构千变万化， 工艺条件各不相同，成型缺陷各式各样，模具设计往往需要反复的试模、修模才能投 入生产，很少有一次成功的，发现问题后，不仅要重新调整工艺参数，甚至要修改塑 料制品和模具，不但费时费力，而且降低了产品的开发速度。利用注射模 CAE 技术可 在模具制造之前, 在计算机上对模具设计方案进行分析和模拟来代替实际的试模, 预测 设计中潜在的缺陷, 突破了传统的在注塑机上反复试模、修模的束缚，为设计人员修改 设计提供科学的依据。随着人们对塑料制品的需求范围不断扩大，各种大型的高精度、 形状复杂塑料制品在生产过程中也出现了反复试模、修模各种问题，这就需要我们不 断的发展 CAE 技术，用 CAE 技术来解决在分模过程出现的问题，提高生产效率，减 少废品率。 3.1.2 注塑模 CAE 技术在注塑模设计中的应用 注塑模 CAE 技术借助于有限元法、有限差分法和边界元等数值计算方法，分析型 腔中塑料的流动、保压和冷却过程，计算制品和模具的应力分布，预测制品的翘曲变 形，并由此分析工艺条件、材料参数及模具结构对制品质量的影响，达到优化制品和 模具结构、优选成型工艺参数的目的，如通过对浇注系统的平衡、浇口的数量和位置、 浇口的大小、熔接痕位置的预测，根据型腔各部分的温度变化差异，测定注塑时的注 塑压力以及塑料在充填型腔时的压力损失、熔料的温度变化、注塑变化、剪切应力、 剪切速率等系列参数。因此，注塑模的 CAE 分析在注塑模设计中可应用于型腔设计、 浇口设计、流道设计、制品变形预测和冷却系统设计，实现优化塑料制品设计、塑料 模具设计和注塑工艺参数等功能。其中以 Moldflow 软件的应用最具代表性，Moldflow 软件在注塑模设计中的作用主要体现在以下三个方面，首先可以优化塑料制品，得到 制品的实际最小壁厚，从而优化制品结构，降低材料成本，缩短生产周期，保证制品 能全部充满。其次可以优化模具结构，可以得到最佳的浇口数量与位置、合理的流道 系统与冷却系统，并对型腔尺寸、浇口尺寸、流道尺寸和冷却系统尺寸进行优化，在 计算机上进行试模、修模，大大提高模具质量，减少修模次数；最后可以优化注塑工 艺参数，确定最佳的注射压力、保压压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、 保压时间和冷却时间，以注塑出最佳的塑料制品。本课题就是采用 Moldflow 软件对外 壳制件进行流动模拟分析，预测存在气泡的位置、熔接线位置以及锁模力的大小，分 析出浇口的最佳位置。 3.1.3 Moldflow 分析一般步骤 注塑成型最重要的是控制塑料在模具中的流动方式，利用模流分析软件 Moldflow 可以模拟熔体在模具中的流动，可以预测和显示熔体流动前沿的推进方式、填充过程 种的压力和温度变化、流动时间、气穴和熔接痕的位置等，从而帮助工艺人员在试模 钱对可能出现的缺陷进行预测，找到缺陷产生的原因并加以改进，提高一次试模的成 功率。 Moldflow 一般主要用来对注塑过程进行模拟分析，包括填充、保压、冷却、翘曲、纤 维取向、结构应用、收缩以及气辅成形和热固性材料流动分析，从而得到最佳的浇口 数量与位置，合的理的流道系统与冷却系统，并对型腔尺寸、浇口尺寸、流道尺寸、 冷却系统尺寸和注塑工艺进行优化，提高一次试模成功率，以达到降低生产成本、缩 短生产周期的目的。Moldflow 分析的一般步骤如图3-1所示。 输入 CAD 模型 选择 材料 网格 划分 设定 分析 参数 确定 注塑 条件 分析 计算 分析 结果 显示 图 3-1 Moldflow 分析一般步骤 3.2 塑件网格划分及诊断 由于 Moldflow 只能对 STL 和 IGES 两种文件格式的模型进行分析，这里我们选 择的是 STL 文件格式，所以在导入模型之前我们要做的第一步就是要在 UGNX5.0 中 创建好的液晶盒上盖模型的 STL 文件导出，然后将该 STL 文件导入到 Moldflow 软件 进行后续操作。在 Moldflow 中进行网格划分时，将全局网格边长为 2.0mm，STL 合并 公差为默认的 0.1mm，其他值都为默认值，然后点击立即划分网格即可。划分结束后 的网格统计如图3-2所示。对于网格的划分结果参数即网格信息必须满足以下一些原则 5： (1) 连通区域应该为 1 (2) 自由边和非交叠边个数应该为 0 (3) 未定向的单元应该为 0 (4) 交叉单元个数应该为 0 (5) 完全重叠单元个数应该为 0 (6) 单元纵横比数值视具体情况而定，一般在 fusion 表面模型分析中，纵横比推荐 最大值为 6。 (7) 网格匹配率最基本应在 80%左右 (8) 零面积个数应该为 0 对划分好的网格进行网格状态统计，对结果 进行分析。其中存在的问题通过计算机自动修复、 手工修复等操作之后，对网格状态再次统计看是 否符合要求。修复后的网格状态统计结果如图3- 3所示，这些参数结果基本都符合要求。 图 3-2 Moldflow 网格划分结果 图 3-3 对网格进行 修复后网格统计结果 3.3 浇口位置分析 浇口处是流道系统和型腔之间的过渡区域。浇口的位置对于最终制件的性能和外 观具有很大的重要性。熔体必须快速并均匀的充填入整个型腔。浇口设计应当考虑以 下几点： (1) 浇口的位于最厚的部分 (2) 处于审美原因，应注意避免浇口痕 (3) 通过改进浇口尺寸或位置，从而避免喷流 (4) 流道保持平衡，以确保均匀的充填和填料 (5) 避免熔接线或将其集中至要求不太严苛的部分 (6) 尽量减少气泡，以避免产生烧焦- 避免某些承受冲击或机械应力的区域 (7) 安置在易于除去浇口的位置 根据设定的型腔排列，采用一模两腔，利用 Moldflow 对制件进行最佳浇口位置分 析，从而为确定浇口位置提供参考。经过分析可得分析结果如图3-4。 从图3-4中我们可以清晰的看出，制件的最佳浇口位置位于工件的中间位置即蓝色 区域。最差位置在制件的两侧边缘即红色区域。为了便于除去浇口确保流道平衡等各 方面考虑，我们将浇口定于制件的侧面的蓝色区域。 图 3-4 Moldflow 最佳浇口位置分析 3.4 建立浇注系统和冷却系统以及参数的设置 考虑到制品的美观，其外表面不能有浇口的痕迹，初步选择采用一模两穴方式进 行注塑。而对于型腔的排布根据预定设计方案，采用平衡式排列，在网格划分结束后 经过型腔复制、分析浇口位置、选择浇口、流道系统、冷却回路向导的设置后可得到 型腔排布方式的浇注系统和冷却系统的建立结果如图 3-5所示。 图 3-5 型腔排布方式 下面一节将对这种排布方式的冷却、流动和翘曲分析结果进行分析。在对这种型 腔排布进行冷却、流动和翘曲分析之前，必须进行一些设置，其分析形式选择冷却+流 动+翘曲，材料选择的是制造商为材料选择的是制造商为 Monsanto kasei、牌号为、牌号为 0% rubber 的原材料，其模的原材料，其模 具温度为具温度为 50，熔体温度是，熔体温度是 230，开模时间设为，开模时间设为 5s，流道用自动向导创建，主流，流道用自动向导创建，主流CC 道入口直径为道入口直径为 4mm，长度为，长度为 48mm；分流道直径为；分流道直径为 5mm，长度为，长度为 35mm；冷却水道用；冷却水道用 手动创建，直径为手动创建，直径为 7mm，顶部水道中心离制品的距离为，顶部水道中心离制品的距离为 10mm，底部水道中心离制品，底部水道中心离制品 距离为距离为 15mm。设置好后开始进行分析。设置好后开始进行分析。 3.5 结果分析 Moldflow 提供了丰富的分析类型，用户根据预估制件缺陷类型选择对应的分析类 型。对薄壁塑料件而言，在成型过程中主要缺陷是翘曲变形和充填不足，因此在设置 分析类型时，选择“冷却+流动+翘曲”分析类型。 3.5.1 Flow 流动分析 对于这部分的分析结果又分为充填时间、压力分布、体积收缩率、锁模力、熔接 痕和气穴等。 (1) 填充时间分析 充填分析过程为模拟熔体从进入模腔开始，到熔体达到模具模腔的末端过程。计 算模腔被填满过程中，流动前沿位置。预测制品在相关工艺参数设置下的充填行为， 获得最佳浇注系统设计。通过分析所得的填充时间结果如图 3-6 所示，从图中我们可 以知道制品的填充时间大约分别为 1.428s。 图 3-6 塑件填充时间 (2) 压力分析 V/P 切换点交口位置的压力为 51.59MPa。切换点的控制对注塑过程有很大的影响。 图 3-7 速度/压力切换时的压力 (3) 缩痕指数和体积收缩率分析 如图 3-8、图 3-9 所示分别为缩痕指数分析结果和体积收缩率分析结果。从图中可 以看出塑件的缩痕指数最大值为 4.961，由于红色部分范围几乎没有所以塑件可能出 现缩痕或者缩孔的范围会比较小。塑件体积收缩率如图 3-9 所示，体积收缩率达到 9.661%，体积收缩率过大，制品变形明显，因此需要适当的增加注塑压力。 图 3-8 塑件的缩痕指数分析结果 图 3-9 塑件体积收缩率 (4) 塑件熔接痕分析 本课题中的塑件壁厚不同，且有多个倒扣，这就使得在填充过程中熔融塑料的流 动方向有变化，在融合时必然会有熔接痕和熔接线。熔接痕的力学性能一般都会低于 塑件的其他区域，使整个塑件的强度降低，并且熔接痕会影响塑件的强度和表面质量。 一般熔接痕的质量会受到模具温度和熔体温度的选择的影响。 图 3-10 是塑件在填充过程中产生的熔接痕，从图中可看出在制件的最后填充处及 内部凸起的圆柱处较易形成熔接痕。可以通过适当增加压力和塑料温度来减少熔接痕。 图 3-10 塑件的熔接痕分析结果 (5) 气穴分析 如图 3-11 所示是在填充过程中塑件的气穴分析结果，其中粉红色的点表示气穴存 在的地方。从图中我们看到在制品的气穴较少，且主要集中在制件的边缘。由于气穴 分布于制件的边缘地带，靠近模具的分型面，而分型面能起到很好的排气作用，除分 模面外还有滑板抽芯机构帮助排气，因此气穴的影响并不大。 图 3-11 填充过程气穴分析结果 (6) 锁模力分析 对于塑件锁模力的分析结果如图 3-12 所示，从图中可以看到塑件在填充过程中所 需的最大锁模力为 38MPa 左右。 图 3-12 填充过程的锁模力分析结果 3.5.2 Cool 冷却系统的分析 冷却分析是用来分析模具内的热传递，主要包括塑件和模具的温度、冷却时间等。 目的是判断塑件冷却效果的优劣，计算出冷却时间，确定成型周期时间。影响冷却系 统的因素很多，除了塑料制品的几何形状、冷却介质、流量、温度、冷却水路的布置、 模具材料、塑料熔体温度、模具温度、塑件顶出温度外，还涉及塑料与模具之间非稳 态热循环交互作用。这些参数之间是互相联系、互相影响的, 唯有这些参数的合理组合 才能获得理想的效果。 图 3-13 制品冻结时间 图 3-13 显示从成型周期开始到制品完全冷却至低于顶出温度所需要的时间。该制 品的冻结时间为 33.04s。 图 3-14 布局-1 冷却后冷却介质的温度 如图 3-14 可以看出对熔融塑件进行冷却后冷却介质的温度和温度差，温度差为 0.42，一般冷却介质的温度差不超过 23，回路冷却介质温度满足要求。CC 下面再看图 3-14 和图 3-15，这两幅图分别表示的是冷却后回路管壁的温度和塑件 的平均温度。由图可知，回路管壁的最高温度和制品的平均温度分别为 25.80和C 76.0。回路的管壁温度与冷却水的入口温差不得超过 5，图中分析结果温差为CC 0.72，符合要求。C 图 3-15 回路管壁温度 图 3-16 冷却后塑件的平均温度 3.5.3 Warp 翘曲分析 引起翘曲的原因主要有收缩不均匀、冷却不均匀和分子取向不均匀等，在 Moldflow 分析软件中这三种原因对翘曲的影响值都可以分析出来。在 Moldflow 分析软 件中这些值通常有总体翘曲值和 X、Y、Z 轴方向的翘曲值，而通常 Z 轴方向的变形被 视为翘曲，其他两个方向视为收缩。 翘曲分析结果显示：总体翘曲量为 0.5002mm，x 方向翘曲 0.4721mm，y 方向翘曲 0.4005mm，z 方向翘曲 0.8460mm。 图 3-17 方向变形 图 3-18 y 方向的变形 图 3-19 z 方向的变形 图 3-20 总的变形量 3.6 基于 Moldflow 的 CAE 分析总结 利用 MoldFlow 模拟塑料熔体在模具模腔中的流动、保压、冷却过程，对制品可能 发生的翘曲进行预测等，其结果对优化模具结构和注塑工艺参数有着重要的指导意义， 减少了试模、修模的次数，可提高一次试模的成功率，缩短了模具设计与制造周期， 保证制品完全填充。 4 模具设计 4.1 浇注系统的设计 4.1.1 主流道的设计 主流道为一圆锥孔，通常位于模具中心塑料熔体的入口处，其小端正对注射机 的喷嘴。它将注射机喷嘴注射出的熔体导入分流道或型腔中。主流道的尺寸直接影响 到熔体的流动速度和冲模时间。另外，由于其与高温塑料熔体及注射机喷嘴反复接触， 因此设计中常设计成可拆卸更换的浇口套。 （1）主流道尺寸 1）主流道的长度：本次设计根据模架高度情况取 50mm 进行初始设计，根据三维 图最终可确定主流道长度 L主为 47mm。 2）主流道小端直径：d=注射机喷嘴尺寸+（0.51）mm=3.5+0.5=4（mm） 3）主流道大端直径：D=d+2L主tan（/2）7.3(mm)，式中 =4。 4）主流道球面半径：R=注射机喷嘴球头半径+（12）mm=12+2=14mm 5）球面的配合高度：h=3mm （2）主流道的凝料体积 3rrRL 22 ）（ 主主主主主主 RV =3.1447（3.72+22+72）3 1211.3(mm3)1.2(cm3) （3）主流道当量半径 R n=（3.7+2）2 =2.85（mm） （4）主流道浇口套形式 主流道交口套为标准件可选购。主流道 小端入口处与注射机喷嘴反复接触，易磨损，对材料的要求较严格。设计中常采用碳 素工具钢（T8A 或 T10A） ，热处理淬火表面硬度为 5055HRC。 图 4-1 直浇注系统的主流道结构 4.1.2 分流道的设计 （1）分流道的布置形式 在设计时应考虑尽量减少在流道内的压力损失和尽可能避免 熔体温度降低，同时还要考虑减小分流道的容积和压力平衡，因此采用平衡式分流道。 （2）分流道的长度 由于流道设计简单，根据两个型腔的结构设计，分流道较短，设 计时可选小些。单边分流道长度 L分取 17mm。 （3）分流道的当量半径 因为该塑件的质量 m 塑18.19g200g，分流道的当量直径 可按下式计算 ）（ 分塑分 mm3 . 21719.182654 . 0 m2654 . 0 4 4 LD D分为分流道当量直径，ABS 分流道直径推荐值为 4.8mm-9.5mm，综合考虑后本次设 计取 D分为 5mm。 （4）分流道的截面形状 常用分流道截面形状有圆形、梯形、U 形、六角形等。为了 减少流道内的压力损失和传热损失，希望流道的横截面积大、表面积小，因此可用流 道的截面积与其周边长度的比值表示流道的效率。圆形横截面的效率最高，具有最小 压力降和热损失。因此本设计采用圆形流道。 （5）凝料体积 1）分流道的长度 L分=172=34(mm) 2）分流道截面积 ）（）（ 分分 222 mm63.195 . 214 . 3 2DA 3）凝料体积 V分=A分L分=3419.63=667.42(mm3)=0.67(cm3) 表 4-1 分流道的截面形状及优缺点 特 征 截面形状简 图 热量损失加工性能流动阻力效果 U 形较小易小佳 矩形大易大不良 梯形较小易较小良 圆形小较难小最佳 （6）校核剪切速率 1）确定注射时间：查手册，取 t=1.6s 2）计算分流道体积流量： 3)由剪切速率公式，可得 该分流道的剪切速率处于浇口主流道与分流道的最佳剪切速率 2 105 之间，所以分流道内熔体的剪切速率合格。 13 105 s 4.2 浇口的设计 4.2.1 浇口的设计原则 浇口的形式主要包括：直接浇口、中心浇口、侧浇口、点浇口、潜伏式浇口等。 浇口设计需遵循下述原则： (1) 浇口尺寸及位置选择应避免熔体破裂而产生喷射及蠕动（蛇形流） ； (2) 浇口位置应有利于流动，排气和补料； (3) 浇口位置应使流程最短,料流变向最少,并防止型心变形； ）（ 分 分 分 。 1 - 33 s 5 . 777 5 . 214. 3 100056.113 . 3 R q3 . 3 r )(56.11 6 . 1 83.1767 . 0 t 3 scm VV q 塑分 分 (4) 浇口位置及数量应有利于减少熔接痕和增加熔接强度； (5) 浇口位置应考虑定位作用对塑件性能的影响； (6) 浇口位置应尽量开设在不影响塑件外观的部位； 根据浇口的位置选择要求，尽量缩短流动距离，避免熔体破裂现象引起塑件的缺陷， 浇口应开设在塑件壁厚处。该塑件要求不允许有裂纹和变形缺陷，表面质量要求较高， 采