游戏机外壳注塑模具结构设计及Moldflow仿真分析——学士毕业论文

山东科技大学学士学位论文摘 要本文介绍了游戏机外壳注塑模具设计过程，分析了游戏机外壳及其注塑模具的结构特点及设计要求。在现在的生活中，大部分的生活用品外壳都属于塑料制品，而如何提高塑料制品的生产效率在生产中俨然是一个重要问题。注塑模具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，突破了在传统的注塑机上的反复试模、修模的束缚。同传统的模具设计相比，CAE 技术在提高生产率、保证模具设计和产品质量，降低成本、减轻劳动强度,起到了不可估量的作用。因此本文应用Moldflow 注塑分析软件，针对游戏机外壳整个注塑成型过程进行注塑参数预分析，确定了制件成型的参数。通过对分析结果的比较分析确定了最佳的成型方案。最后对所选择的较好的成型方案做了进一步优化分析,对塑料模具的注塑工艺参数,包括模具温度、熔体温度等进行优化，从而得到优化最佳的成型方案，以最低的生产成本、最高的生产效率使制件达到最佳的注塑效果。在该塑料模具设计论文中，系统的阐述了游戏机外壳模具的整个设计流程，其中主要包括以下几大模块：设计背景及工艺的分析，注射机的选型及工艺参数的确定，浇注系统、成型零部件、冷却系统、脱模机构等的设计以及最后应用Moldflow对该模具进行数值模拟分析等。在本模具的具体设计过程中，根据塑料制品的外观要求，了解塑件的用途，分析塑件的工艺性、尺寸要求以及尺寸精度等技术要求，通过PROE和UG绘制二维装配图、零件图以及模具的三维设计；并附上论文说明，系统地运用简要文字、简明示意图以及计算等分析塑件，从而对该塑件作出合理的模具设计。关键词：游戏机外壳；Moldflow；模具设计。AbstractThis article introduced the design process of the injection mold of the game machine shell. It has analyzed the structural characteristics and design requirements of the game shell and its injection mold.In the present life, most of the daily necessities shells are plastic products, and how to improve the production efficiency of plastic products in production seems to be an important issue. Injection mold CAE technology can be in the mold before the mold on the computer design and analysis of the mold to replace the actual test mode, to predict the potential defects in the design, breaking the traditional injection molding machine on the repeated test mode, repair mode Of the shackles. Compared with the traditional mold design, CAE technology to improve productivity, ensure mold design and product quality, reduce costs and reduce labor intensity, played an invaluable role. Therefore, this paper uses Moldflow injection molding analysis software, for the game machine shell injection molding process for pre-analysis of the parameters to determine the parameters of the parts forming. Through the comparative analysis of the analysis results to determine the best molding program. Finally, the optimization of the selected molding scheme is further optimized, and the injection molding parameters of the plastic mold are optimized, including the mold temperature and the melt temperature. The optimal molding scheme is optimized with the lowest production cost, The highest production efficiency to achieve the best injection molding effect. In the plastic mold design papers, the system design of the game machine shell mold design process, which mainly includes the following major modules: design background and process analysis, injection machine selection and process parameters to determine the casting system, molding parts, cooling systems, stripping mechanism and other design and the final application of Moldflow on the mold for numerical simulation analysis.In the specific design process of the mold, according to the appearance requirements of plastic products, to understand the use of plastic parts, plastic parts of the process, size requirements and dimensional accuracy and other technical requirements, through the PROE and UG drawing two-dimensional assembly diagram, As well as the three-dimensional design of the mold; and attached to the paper, the systematic use of simple text, concise diagram and calculation of plastic parts, so that the plastic parts to make a reasonable mold design.Keywords: The game machine shell;Moldflow; Mold design.目 录摘 要IAbstractII目 录IV1 绪 论11.1 课题背景及意义11.2 塑料简介31.3 注塑成型31.4 本论文研究的主要内容42 游戏机外壳产品工艺分析52.1 塑件分析52.2 ABS材料分析72.3 塑件的工艺分析82.4 注射成型工艺过程分析102.5 型腔数目的确定112.6 分型面的选择113 运用Moldflow软件进行有限元仿真分析143.1 引言143.2 Moldflow软件仿真分析153.3 最佳浇口位置的分析213.4 浇注系统的分析263.4 冷却系统的分析304 游戏机外壳注塑模具方案的最终确定334.1 模具型腔数目及排布方式的确定334.2 注射机选型及确定工艺参数344.3 分型面的设计384.4 浇注系统的设计384.5 注射模成型零部件的设计434.6 冷却系统的设计464.7 抽芯机构的设计504.8 脱模机构的设计544.9 排气系统的设计564.10 模具总装图及材料的选用575 结论60参考文献62致 谢64附 录165附 录281951 绪 论1.1 课题背景及意义模具是制造业的一种基本工艺装备，它的作用是控制和限制材料（固态或液态）的流动，使之形成所需要的形体。用模具制造零件以其效率高，产品质量好，材料消耗低，生产成本低而广泛应用于制造业中1。塑料工业是一门新兴的工业。从1910年生产酚醛塑料开始，塑料品种渐多，在生产技术和方法上都有显著的改进。虽然塑料工业发展只有很短的历史，但发展却十分迅速，1910年世界塑料产量只有2万t，到2012年产量已达到2.7亿t。目前塑料品种已有300多种，并且每年仍然在以10%左右的速度增长。我国的塑料工业起步于20世纪50年代初期。中国塑料模工业从起步到现在，历经了半个多世纪，有了很大发展，模具水平有了较大提高。经过多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技术，模具的电加工和数控加工技术，快速成型与快速制模技术，新型模具材料等方面取得了显著进步；在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面作出了贡献2。中国塑料机械技术通过消化吸收国外先进制造技术，开发具有国际具有先进水平的产品，新产品新技术开发速度加快，进行重大创新，也取得了显著成绩。总之，塑料在开发研究与应用上都取得了显著成就。近年来，人们对各种设备和用品轻量化及美感和手感的要求越来越高，这就为塑料制品提供了更为广阔的市场。在塑料件广泛应用的今天，塑料模具就成了模具行业的重要组成部分。塑料制品的应用日渐广泛，为塑料模具提供了非常广阔的市场。随着工业发达国家将制造业纷纷转移到我国，使我国塑料模具工业面临空前发展机遇。在外资的带动下，在高新技术驱动和支柱产业应用需求的推动下，我国塑料模具形成了一个巨大的产业链条，从上游的原辅材料工业和加工、检测设备到下游的机械、汽车、摩托车、家电、电子通信、建筑建材等几大应用产业，塑料模具发展一片生机。外部市场环境的利好不代表中国塑料模具企业的实力。从总体上来看，我国还只能称的上是塑料模具生产大国而并不能称的上是生产强国，产品与工业发达国家还有1015年的差距，目前仍以中低档为主。我国塑料模具无论是在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都有了很大发展，但与国民经济发展需求和世界先进水平相比，差距仍很大。一些大型、精密、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍大量进口。在总量供不应求的同时，一些低档塑料模具已供过于求，市场竞争激烈；一些技术含量不太高的中档塑料模具也有一些趋向于供过于求。今后，我国模具行业应在以下几方面进行不断的技术创新，以缩小与国际先进水平的距离：(1)注重开发大型、精密、复杂模具；随着我国轿车、家电等工业的快速发展，成型零件的大型化和精密化要求越来越高，模具也将日趋大型化和精密化。(2)加强模具标准件的应用；使用模具标准件不但能缩短模具制造周期，降低模具制造成本而且能提高模具的制造质量。因此，模具标准件的应用必将日渐广泛。(3)推广CAD/CAM/CAE技术；模具CAD/CAM/CAE技术是模具技术发展的一个重要里程碑。实践证明，模具CAD/CAM/CAE技术是模具设计制造的发展方向，可显著地提高模具设计制造水平。(4)重视快速模具制造技术，缩短模具制造周期；随着先进制造技术的不断出现，模具的制造水平也在不断地提高，基于快速成形的快速制模技术，高速铣削加工技术，以及自动研磨抛光技术将在模具制造中获得更为广泛的应用3。为使塑料模具工业尽快满足塑料制品生产发展的需要，使我国塑料制件工业有实力跻身于国际竞争大潮中，并取得巩固和发展。除了靠国家有关塑料模具产业的方针政策外，也需要塑料模具产业成员的共同努力，在塑料模具生产技术方面赶上世界先进水平。1.2 塑料简介塑料是以树脂为主要成分的高分子材料，它在一定的温度和压力下具有流动性。可以被模塑成型为一定的几何形状和尺寸，并在成型固化后保持其既得形状而不发生变化。塑料有很多优异性能，广泛应用于现代工业和日常生活，它具有密度小，质量轻，比强度高，绝缘性能好，介电损耗低，化学稳定性高，减摩耐磨性能好，减振隔音性能好等诸多优点。另外，许多塑料还具有防水、防潮、防透气、防辐射及耐瞬时烧蚀等特殊性能。塑料以从代替部分金属、木材、皮革及无机材料发展成为各个部门不可缺少的一种化学材料，在国民经济中，塑料制作已成为各行各业不可缺少的重要材料之一。1.3 注塑成型将塑料成型为制品的生产方法很多，最常用的有注射，挤出，压缩，压注，压延和吹塑等。其中，注射成型是塑料成型加工中最普遍采用的方法。注射成型是塑料在注塑机加热料筒中塑化后，由柱塞或往复螺杆注射到闭合模具的模腔中形成制品的塑料加工方法。此法能加工外形复杂、尺寸精确或带嵌件的制品，生产效率高。大多数热塑性塑料和某些热固性塑料（如酚醛塑料）均可用此法进行加工。用于注塑的物料须有良好流动性，才能充满模腔以得到制品。除氟塑料外，几乎的有的热塑性塑料都可以采用此方法成型。它具有成型周期短，能一次成型外形复杂、尺寸精度较高、易于实现全自动化生产等一系列优点。因此广泛用于塑料制件的生产中，其产口占目前塑料制件生产的30%左右。但注射成型的设备价格及模具制造费用较高，不适合单件及批量较小的塑料件的生产。要了解注射成型和注射模，首先得了解注射机的一些基本知识，注射机为热塑性或热固性塑料注射成型所用的主要设备，按其外形可分为立式、卧式、直角式三种，由注射装置、锁模装置、脱模装置，模板机架系统等组成。主要依靠该注射设备将粒状塑料通过高压加热等工序进行注射。注射成型是根据金属压铸成型原理发展而来的，其基本原理是利用塑料的可挤压性和可模塑性3。首先将松散的粒状或粉状成型物料从注射机的料斗送入高温的机筒内加热熔融塑化，使之成为粘流态熔体，然后在柱塞或螺杆的高压推动下，以很大的流速通过料筒前端的喷嘴注射进入温度较低的闭合模具中，经过一段保压冷却定型时间后，开启模具便可以从模腔中脱出具有一定形状和尺寸的塑料制品。1.4 本论文研究的主要内容 本论文的主要研究内容是利用计算机CAD、CAE技术进行游戏机外壳注塑模具的设计。在传统的模具结构设计中，塑料制品和模具结构都是通过设计人员的经验和不断地试模、修模不断对模具结构进行改进，结果导致模具开发周期长，制造成本高，且模具质量得不到保证。模流分析软件的出现，如本文涉及的对此类问题有较大的改善，因注塑成型最重要的是控制塑料在模具中的流动方式。塑料制品的许多缺陷，如气穴、熔接痕乃至制品的变形、冷却时间等，都与塑料在模具中的流动方式有关。可以通过对熔体在模具中的流动行为进行模拟，可以预测和显示熔体流动前沿的推进方式、填充过程中的压力和温度变化、气穴和熔接痕的位置等，帮助设计、工艺人员在试模前对可能出现的缺陷进行预测，找出缺陷产生的原因并加以改进，提高一次试模的成功率，以缩短模具开发周期并提高模具质量。 通过本次设计，掌握了注塑模具设计的基本思路，及成型零件的造型方法，能够独立的设计出一套完整的注塑模具，且能将其应用与实际生产。在设计过程中，通过MOLDFLOW软件的仿真分析，对注塑工艺参数不断改变，并优化浇注系统、浇口形状、位置等，以快速设计出最优的注塑模具结构。 2 游戏机外壳产品工艺分析2.1 塑件分析2.1.1 塑件的视图在模具设计之前我们需要对塑件的工艺进行分析，如形状结构、尺寸大小、精度等级和表面质量等要进行仔细研究和分析，只有这样才能恰当确定塑件制品所需的模具结构和模具精度。如图2-1及图2-2所示，明显可看出，该塑件模具属于结构中等复杂、生产量较大、要求较高的模具。图2-1 塑件三维图在实物三维图的基础上，我们绘制了如下的三视图：2.1.2 塑件的尺寸及精度塑料制品外形尺寸的大小主要取决于塑料品种的流动性和注射机规格，在一定的设备和工艺条件下流动性好的塑料可以成型较大尺寸的制品，反之成型出的制品尺寸就比较小。从节约材料和能源的角度出发，只要能满足制品的使用要求，一般都应将制品的结构设计的尽量紧凑，以便使制品的外形尺寸玲珑小巧些。该塑件的材料为ABS，流动性较差，适用于尺寸较小的制品。图2-2 塑件三视图塑件的尺寸精度直接影响模具结构的设计和模具的制造精度。为降低模具的加工难度和模具的制造成本，在满足塑件要求的前提下尽量把塑件的尺寸精度设计得低一些。由于塑料与金属的差异很大，所以不能按照金属零件的公关等级确定精度等级。根据我国目前的成型水平，塑件尺寸公差可以参照一些课外的参考文献。根据本次毕业设计的具体要求，该产品尺寸可采用IT13级精度，未注采用IT13级精度。2.1.3 塑件表面粗糙度塑件的表面要求越高，表面粗糙度越低。这除了在成型时从工艺上尽可能避免冷疤、云纹等疵点来保证外，主要是取决于模具型腔表面粗糙度。塑料制品的表面粗糙度一般为Ra 0.021.25 之间，模腔表壁的表面粗糙度应为塑件的1/2，即Ra 0.010.63。模具在使用过程中由于型腔磨损而使表面粗糙度不断增加，所以应随时给以抛光复原4。综合塑件分析，可知该塑件外部需要的表面粗糙度比内部要高许多，为Ra0.2，内部为0.4。2.2 ABS材料分析2.2.1 ABS材料的基本特性ABS无毒，无气味，呈微黄色，成型的塑料有较好的光泽、不透明。既有较好的抗冲击强度和一定的耐磨性、耐寒性、耐油性、耐水性、化学稳定性和电气性能。水、无机盐、碱、酸类对ABS几乎没有影响，ABS不溶于大部分醇类及烃类溶剂，但与烃长期接触会软化溶胀，在酮、醛、酯、氯代烃中会溶解或形成乳浊液。ABS表面受冰醋酸，植物油等化学药品的侵蚀时会引起应力开裂，ABS有一定的硬度，它的热变形温度比聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等高，尺寸稳定性较好，易于成型加工，经过调色配成任何颜色。其缺点是耐热性不高，连续工作温度为70摄氏度左右，热变形温度约为93摄氏度，耐气候性差，在紫外线作用下ABS易变硬发脆，综合性能好，冲击强度，力学强度较高，尺寸稳定，耐化学稳定性，电气性能好，易于成型和机械加工，其表面可镀锘，适合制作一般机械零件，减震零件，传动零件核结构零件，以下表格2-1便是一张关于ABS性能指标的综合分析表。密度（g/cm3）1.021.05拉伸弹性模量(Gpa)1.8收缩率1.1%弯曲弹性模量(Gpa)1.4熔点()130160压缩强度(Mpa)1839硬度(HRR)6286缺口冲击强度(kj/)1120弯曲强度(Mpa)80体积电阻系数()拉伸强度(Mpa)3549热变形温度()93118表2-1 ABS的性能指标表2.2.2 ABS材料的成型性能1）ABS易吸水，故成型塑件表面易出现斑痕、云纹等缺陷，因此，成型加工前应进行干燥处理；2）ABS在升温时黏度增高，黏度对剪切速率的依赖性很强，因此，模具设计中大都采用侧浇口形式，且成型压力较高，故塑件上的脱模斜度宜稍大；3）易产生熔接痕，故模具设计时应该注意尽量减小浇注系统对料流的阻力；4）在正常的成型条件下，壁厚、熔料温度对收缩率影响极小。但在要求塑件精度较高时，模具温度可控制在5060；要求塑件光泽和耐热时，模具温度应控制在6080；5）ABS的比热容低，塑化效率高，凝固也快，因此其成型周期较短。2.3 塑件的工艺分析2.3.1 脱模斜度由于注射制品在冷却过程中易产生收缩，因此它在脱模前会紧紧的包住模具型芯或型腔中突出的部分。为了便于脱模，防止因脱模力过大拉伤制品表面，与脱模方向平行的制品内外表面应具有一定的脱模斜度。脱模斜度的大小与制品形状、壁厚及收缩率有关。斜度过小，不仅会使制品尺寸困难，而且易使制品表面损伤或破裂；斜度过大，虽然脱模方便，但会影响制品尺寸精度，并浪费原材料。通常塑件的脱模斜度约取0.51.5，查阅相关资料可知，塑件材料ABS的型腔脱模斜度为0.35130，型芯脱模斜度为3015。2.3.2 塑件的壁厚塑件的壁厚是最重要的结构要素，是设计塑件时必须考虑的问题之一。塑件的壁厚对于注射成型生产具有极为重要的影响，它与注射充模时的熔体流动、固化定型时的冷却速度和时间、塑件的成型质量、塑件的原材料以及生产效率和生产成本密切相关。一般在满足使用要求的前提下，塑件的壁厚应尽量小。因为壁厚太大不仅会使原材料消耗增大，生产成本提高，更重要的是会延缓塑件在模内的冷却速度，使成型周期延长，另外还容易产生气泡、缩孔、凹陷等缺陷。但如果壁厚太小，则刚度差，在脱模、装配、使用中会发生变形，影响到塑件的使用和装配的准确性。选择壁厚时应力求塑件各处壁厚尽量均匀，以避免塑件出现不均匀收缩等成型缺陷。该产品壁厚均匀，周边和底部壁厚均为1左右。2.3.3 塑件的圆角为防止塑件转角处的应力集中，改善其成型加工过程中的充模特性，增加相应位置模具和塑件的力学角度，需要在塑件的转角处和内部联接处采用圆角过渡。在无特殊要求时，塑件的各连接角处均有半径不小于0.51的圆角。一般外圆弧半径大于壁厚的0.5倍，内圆角半径应是壁厚的0.5倍左右6。由分析计算可得，该塑料件表面圆角半径和内部转弯处圆角半径均为4。2.3.4 孔塑料制品上通常带有各种通孔和盲孔，原则上讲，这些孔均能用一定的型芯成型。但当孔太复杂时，会使熔体流动困难，模具加工难度增大，生产成本提高，因此在塑件上设计孔时，应尽量采用简单孔型。由于型芯对熔体有分流作用，所以在孔成型时周围易产生熔接痕，导致孔的强度降低，故设计孔时孔间距和孔到塑件边缘的距离一般都稍大于孔径，并且孔的周边应增加壁厚，以保证塑件的强度和刚度。2.4 注射成型工艺过程分析根据塑件的结构、材料及质量，确定其成型工艺过程为：第一步：为使注射过程顺利和保证产品质量，应对所用的设备和塑料作好以下准备工作。1）成型前对原材料的预处理根据注射成型对物料的要求，检验物料的含水量，外观色泽，颗粒情况并测试其热稳定性、流动性和收缩率等指标，对原材料进行适当的预热干燥，由于ABS材料吸水率极低，故成型前一般不必进行干燥处理（如有需要，一般可在70 80下干燥24h）。2）料筒的清洗在初用某种塑料或某一注射机之前，或者在生产中需要改变产品、更换原料、调换颜色或发现塑料中有分解现象时，都需要对注射机（主要是料筒）进行清洗或拆换。柱塞式注射机料筒的清洗常比螺杆式注射机困难，因为柱塞式料筒内的存料量较大而不易对其转动，清洗时必须拆卸清洗或者采用专用料筒。对螺杆式通常是直接换料清洗，也可采用对空注射法清洗。 3）脱模剂的选用脱模剂是使塑料制件容易从模具中脱出而敷在模具表面上的一种助剂。一般注射制件的脱模，主要依赖于合理的工艺条件与正确的模具设计。在生产上为了顺利脱模，常用的脱模剂有：硬脂酸锌，液体石蜡（白油），硅油。对ABS材料，可选用硬脂酸锌，因为此脱模剂除聚酰胺塑料外，一般塑料都可使用。第二步: 注射成型过程完整的注射过程表面上共包括加料、塑化、注射入模、稳压冷却和脱模几个步骤，但实际上是塑化成型与冷却两个过程。第三步：制件的后处理注射制件经脱模或机械加工后，常需要进行适当的后处理，目的是为了消除存在的内应力，以改善和提高制件的性能及尺寸稳定性。制件的后处理主要有退火和调湿处理。该塑料制件材料为ABS，可采用退火处理13小时。2.5 型腔数目的确定综合考虑塑件的尺寸以及设计要求，为提高塑件成功概率，并从经济型的角度出发，节省生产成本和提高生产效率，采用一模二腔，进行加工生产。2.6 分型面的选择2.6.1 分型面的设计将模具适当地分成两个或几个可以分离的主要部分，它们的接触表面分开时能够取出塑件及浇注系统凝料，当成型时又必须接触封闭，这样的接触表面称为分型面，它是决定模具结构的重要因素，每个塑件的分型面可能只有一种选择，也可能有几种选择。合理地选择分型面是使塑件能完好的成型的先决条件7。选择分型面时，应从以下几个方面考虑：1）分型面应选在塑件外形最大轮廓处；2）使塑件在开模后留在动模上；3）分型面的痕迹不影响塑件的外观；4）浇注系统，特别是浇口能合理的安排；5）使推杆痕迹不露在塑件外观表面上；6）使塑件易于脱模和简化模具结构；7) 应尽量减少分型面的数量，最好只有一个分型面。这样可简化操作过程，提高铸件精度 (因多一个分型面，铸型就增加一些误差)； 8) 有利于排气； 9) 考虑注射机的技术规格。综合考虑各种因素，并根据本模具制件的外观特点，采用图2-3平面作为其分型面。图2-3 分型面的选择2.6.2 型腔的布局型腔的布局与浇注系统的布置密切相关，型腔的排布应使每个型腔都通过浇注系统从总压力中均等的分得所需的压力，以保证塑料熔体均匀地充满每个型腔，使各型腔的塑件内在质量均一稳定。这就要求型腔与主流道之间的距离尽可能短，同时采用平行流道8。由于本设计中塑件是上下两部分配合装配使用，需要相同的注射工艺参数，以达到高的成功率，该模具采用对称式布局，以求达到良好的浇注质量，型腔布局如图2-4所示。图2-4型腔布局3 运用Moldflow软件进行有限元仿真分析3.1 引言为了缩短开发周期，降低成本及提高产品质量，越来越多的企业使用计算机辅助工程（CAE）技术进行工艺参数优化。本文介绍了Moldflow软件的作用，运用Moldflow软件进行浇注系统优化设计，找出最佳浇口位置。通过应用MPI2010软件对流动过程进行了填充分析，得到了一种切实可行的方案，根据模拟结果进行熔接痕和气穴情等分析，并优化设计了模具的浇注系统，获得了较高预测质量的产品。本文主要应用MPI部分进行分析，MPI主要提供以下功能模块：1）基本分析模块 MPI/Flow(流动分析,优化充填和保压阶段) MPI/Flow 基本分析模块，能模拟射出成型过程中熔胶流动行为模式，以确保产品设计、质量及制造的可行性。使用流动分析能够迅速找到最佳射出成型条件、预知产品可能发生问题点及自动修正流道系统以达模穴平衡。由流动分析结果来考虑生产方式和修正产品几何造型决定最佳的浇口位置、阀浇口数目或使用冷热流道系统。2）常用分析模块 * j/ i0 V& ! E4 MPI/Cool(冷却分析，最佳化冷却系统) MPI/Cool是塑料射出和保压阶段被最佳化后的进一步分析。冷却系统包括模具外型、嵌入物均能够在一个冷却分析中获得分析结果。由分析结果你能够调整冷却系统尺寸和位置及修改冷却系统环浇形式和改变冷却剂参数，进行模具设计最佳化。 ) s; 6 ? 3 t3 K) w5 f! uMPI/Warp(翘曲变形分析，预测改善翘曲变形) 7 ; r+ T% t% I$ : gMPI/Warp 翘曲分析模块能预测塑料产品在开模后之收缩和翘曲结果。在材料库中有8000余种热塑性材料您可应用线性或非线性分析，以预测塑料产品之缺陷及确定翘曲变形原因所在及变形量，并且能改善产品及模具中的残留应力分布。 设计过程中通过Moldflow软件，对产品的3D模型进行了优化设计，找到了最佳的浇口位置，并对浇注系统进行了优化分析，提高了本套模具一次试模成功的几率。3.2 Moldflow软件仿真分析MPI/Flow软件可使注塑成型从制品设计、模具设计到注塑工艺的确定，完全在并行环境下进行，不仅消除了传统串行设计产品开发周期长的缺点，而且提高了开模的成功率，优化了注塑成型的注射工艺条件，降低了产品的开发和制造成本9.在传统的设计方法中，模具设计人员往往凭借实际经验来选择浇口位置和数量。但一遇见复杂的零件或是以前没涉及过的，浇口的设计并不是一次就能成功，往往要经过试模修改再试模再修改这样的阶段。这就造成了时间和金钱上的巨大浪费。Moldflow软件的出现，解决了这一问题。不但可以预测复杂零件的最佳浇口位置，而且还可以对整个注塑过程进行模拟分析，找出未来产品可能发生的缺陷，并加以解决，提高一次试模的成功率，降低时间和成本的消耗。对结构复杂的注塑产品，利用传统的设计方法很难确定浇口的位置和数目。首先运用软件中的GATE-Loca-tion模块对游戏机外壳产品进行预分析，找到一个参考的最佳的浇口位置。然后对其在不同浇口位置和数量环境下的塑料成型过程迸行模拟分析，综合预测塑件的缺陷，从而达到塑件浇口位置和数目的优化设计的目的10。具体分析过程如图3-1所示。图3-1 Moldflow模流分析流程表3.2.1 CAD模型数据的导入有3种方法用于建立几何模型：使用自身MFVIEW命令建立几何模型；使用能被兼容的FEM（有限元网格）程序建立模型，然后再把它输入到Moldflow模拟程序中；使用一个CAD系统设计绘制零件，然后再把它转化为分析模型11。本文游戏机外壳初始模型采用PROE建模12，利用Moldflow的MDL格式转换模块通将图3-2游戏机外壳模型STL格式Moldflow/MPI，并对其进行自动有限元划分。图3-2 游戏机外壳3D模型在生成网格模型时，由于模型的几何形状、单元的尺寸大小等缘故，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。由于网格划分合理与否对将来的分析结果有直接的影响，要对初始划分的有限元进调整与修改。鉴于该部分工作是前处理分析中最为复杂繁琐的环节并占用很多的工作量，采用了Moldflow CAD doctor软件对3D模型缺陷进行了检查和自动的修补。完成这部分工作后，模型的缺陷基本全部修复。生成的有限元网格模型图共有4536个单元网格。图3-3划分网格后的模型Moldflow软件的网格类型分为中面网格、表面网格和实体网格。中面网格一般用于很薄的模型；表面网格能对薄壳模型进行更加具体的分析；实体网格能精确地进行模拟分析，但网格划分难度较大。本文的塑件很薄，为了获得较好的网格效果以及较精确的模拟分析，采用中面网格来对模型进行有限元网格划分。合理的中面网格要求：连通区域1，自由边个数为0，交叉边个数为0，配向不确的单元个数为0，相交单元个数为0，完全重叠单元个数为0，最大纵横比小于20，平均纵横比应613。本文先用自动划分命令划分网格，然后通过网格统计查看网格是否满足要求，并用网格诊断和网格修复命令来检查和修复了网格。3.2.2 自动划分网格结果修复前自动划分网格如图3-4和图3-5所示： 图3-4 修复前的网格划分图3-5横纵比诊断图 从结果中看出网格信息如下：三角形单元4536个，节点2242个，网格体积为14.7547，网格面积为167.006，柱体0个，连通区域为1，,自由边0个，共用边6804个，交叉边0个，配向不正确单元0个，相交单元0个，完全重叠单元0个，三角形最小纵横比为1.16，最大纵横比为27.7，平均纵横比为2.53，网格匹配率为77.4%。3.2.3 自动修复 自动搜索并处理模型网格中存在的单元交叉和单元重叠的问题，同时可以改进单元的纵横比。在使用一次该功能后，连续再次使用该功能。通常通过自动修复达不到我们的要求，需要用网格处理工具如全部合并、合并节点、交换共用边、节点匹配、插入节点、移动节点、排列节点、单元定向、补洞、平滑节点等来实现网格要求，尤其是降低模型网格的最大纵横比，并接近所给出的目标值过程中。综合运用上述各种修补工具，进行网格修复。经过分析除了匹配度略小于标准值，其余指标均符合要求，故取分析结果如图3-6所示： 图 3-6 网格修复结果 具体网格信息如下：三角形单元5470个，节点2709个，网格体积147.758，网格面积为167.028，柱体0个，连通区域为1，自由边0个，共用边8205个，交叉边0个，配向不正确单元0个，相交单元0个，完全重叠单元0个，三角形最小纵横比为1.16，最大纵横比为17.6,平均纵横比为2.20，网格匹配率为82.7%，修复后网格的游戏机外壳模型网格匹配率较高，达到计算要求。3.3 最佳浇口位置的分析注塑模具浇口位置的设定决定了聚合物的流动方向和流动的平衡性，产品质量可以通过浇口位置的优化得到显著提高；不合理的浇口位置常常造成熔体充填不均，从而引起过保压、高剪切应力、很差的熔接线性质和翘曲等一系列缺陷。浇口数量则对注塑压力和熔接痕有很大的影响。浇口数量较多，熔体在型腔中流动的流程较短，所需注塑压力较低，但可能会使熔接线的数目增多；相反，如果口数量较少，尽管熔接线的数目可能会减少，但由于流程较长，所需的注塑压力较高，制品的内残余应力也相应增高，并可能会导致注塑件产生翘曲变形。 如果要成型质量较高的产品，就必须在产品上选择最佳进浇位置。最佳进浇位置可以保证平衡的流动路径和均衡的压力分布。合理地选择浇口的数量与位置可以使注射压力和保压压力有效传递，达到预期的产品成型效果。当一副模具同时成型几个形状和尺寸相同的产品时，浇注系统的尺寸就很难控制，容易出现模穴之间填充不平衡、个别型腔过保压、产品残余应力过大等问题。这时可以通过Moldflow的“流道平衡”分析功能优化流道的尺寸，保证各个型腔同时完成填充，同时使流道的尺寸最小化，节约塑胶原料成本。如果产品上没有设定进浇点，在已定塑胶材料的情况下，最佳浇口位置分析会产生一个最佳进浇位置；如果产品上需要两个或几个浇口，在给定塑胶材料的情况下，如果模型已经存在一个或多个浇口时，系统会自动分析出其他浇口的最佳位置以满足产品整体填充平衡。浇口设计应保证提供一个快速、均匀、平衡、单一方向流动的充填模式，避免喷射、滞流、凹陷等现象的发生，所以要在选定浇口方案之前，对制品进行最佳浇口位置的预分析。利用MPI软件中的Gate Location分析模块，在前处理中将分析类型设为Gate Location，并设置好工艺过程参数。运行Gate Location分析后，得到一个最佳的浇口位置区域，该浇口位置只是一个有很好的参考价值的参考位置。MPI系统中最佳浇口位置(Gate Location)分析模块，可以用来设计分析找到一个初步的最佳浇口位置。Gate Location的分析结果可以为进一步完整的填充、流动分析提供一个参考。具体分析过程如下：1）选择分析类型结合前面的浇口设计分析，在Moldflow软件中设置浇口位置分析序列如图所示：图3-7 浇口位置分析序列图2）材料参数 根据设计的需求，材料选择的是默认的pp材料：图3-8 注塑材料的选择 pp材料推荐的成型条件如图3-9所示：图3-9 pp推荐成型工艺参数这里选用pp塑料，主要工艺条件均采用默认值。3）最佳浇口位置分析结果经过Moldflow软件浇口位置分析结果得出最佳浇口位置区域如图3-10所示，图3-10中的蓝色区域是最佳浇口位置区域，红色区域是最差浇口区域。图3-10最佳浇口位置区域屏幕输出结果如图3-11所示：图3-11 浇口的匹配性能通过分析可知最佳浇口位置在节点506的附近。用“查找单元”功能找出该单元，如图3-12所示:图3-12最佳浇口位置图图3-13 产品浇口位置图浇口位置的选择对塑件质量的影响极大。结合模具结构及生产车间现状再确定浇口位置。浇口设计基本原则有：尽量在分型面上；位置与各型腔距离尽量一致，使熔融塑料填充行程最短，且保证熔融塑料顺利流入各型腔；浇口尽量设置在塑件截面最后位置，且要避免熔融塑料流入型腔时直接冲击型腔、型芯，使塑料尽快填充到型腔各部位；另外，浇口位置应避免制品产生熔接痕，如实际情况无法避免时应尽量使熔接痕在不重要部位等。图3-14 实际浇口位置3D图结论：根据Moldflow软件分析的结果并结合浇口设计原则和模具结构，虽然最后端软件分析为不利位置，但是从模具整体的设计来说，其有利于浇道的设计，使浇道更短，认为其利大于弊，所以最终确定实际浇口位置如图3-14所示。3.4 浇注系统的分析在实际生产中，对于小型塑件产品常采用一模多腔模具来生产。对于多型腔模具，为保证各型腔产品的重量、性能等质量指标达到要求，必须对模具的浇注系统进行平衡分析，保证培融塑料填充过程中在相同压力的条件下同时充满个型腔，避免出现填充不足或过保压的情况。通常多腔模具的排布方式，其绕注系统分为平衡和非平衡两种情况，如图3-15所示。其中，平衡布置的浇注系统，熔融塑料到各型腔的流动距离是相等的，如不考虑加工误差，则整个流动过程是自然平衡的，即注塑成型工艺参数如何选定，都可以保证各型腔在相同压力下同时充满。在实际生产中，为保证模具尺寸适中且尽量减少流道废料，常采用非平衡式的浇注系统。经过人工平衡在注塑成型工艺参数一定的情况下，通过调整流道和绕口尺寸使整个流道达到平衡状态。注塑模具在注射成型时，上下型腔的充填结果往往不同。通常会出现下部型腔充填量偏多的现象。（a）平衡布置（b）非平衡布置图3-15浇注系统的几何布局示意图3.4.1 流道平衡分析原理及优化路线本文利用Moldflow软件对游戏机外壳制品的浇注系统进行填充模拟，可以直观的体现熔融塑料在型腔内的流动过程。比较分析结果选择填充均匀、平稳，熔接痕深度较浅，翘曲较小的绕注系统为最佳结构方案。该产品采用的塑料为pp，为了使pp熔体能尽快充满模腔的各个部分，要求流道的直径不小于5mm,浇口的厚度为制品厚度的30%以上，平直部分（指将要进入型腔的部分）的长度约为1mm左右。浇口的位置应根据制品的要求和料流方向而定，对于需作电镀处理的制品，一般不允许浇口存在于镀层附着面。通过Moldflow模流分析选择一个较好的浇口位置，尽量使熔接痕的数量减少。本套模具结构中有长径比较大的型芯或嵌件，故不需考虑溶融的塑料正面冲击模腔内长径比较大的型芯或嵌件。本模具采用推杆推出机构，在本文中会通过模流分析来选择较好的绕注系统，避免排气不畅可能会导致制品中出现缺胶、气泡的现象。浇注系统的合理性对制品质量有很大的影响，特别对模具生产中的注射压力、锁模力、熔接痕的形成及注塑后的冷却和翘曲变形都有很大影响14。所以，只有合理确定浇注系统中的浇口位置、数目及流道直径，才能保证熔接痕具有合理的成型温度，且保证溶体填充均匀冷却，从而减少制品成型厚度翘曲变形。3.4.2 浇注系统分析过程 针对本文中的产品游戏机外壳，我们采用2模穴，即一模成型二穴不同产品。使用对浇注系统进行“冷却+填充+保压+翘曲”优化分析。1）填充分析本文利用Moldflow软件的动态填充结果查看填充过程是否合理、平衡、完全等，避免出现短射及流动不平衡等问题，同时，尽可能采用较低的注射压力、锁模力，以降低产品对注塑参数的要求。通过填充分析，可以模拟从注射开始到型腔被充满整个过程的，通过该分析结果可以用来预测制件的填充动作是否合理，填充是否平衡、填充完全等。我们可以根据动态的填充时间结果查看填充阶段的熔体流动，同时，利用等高线显示结果可以更好的判断填充流动过程是否合理。了解充填时间有助于理解溶接线与气孔是怎样形成的，也可以个从充填的动态过程将滞流、过保压、赛马场效应、潜流等缺陷提前进行分析。游戏机外壳产品填充动态过程如图3-16所示： 从图3-16可以看出，产品的流动前沿基本上同时在1.324s完成汇合，说明浇口填充平衡。其1.324s的填充时间也符合车间的要求。图3-16二腔模穴动态填充2）气泡分析气泡是指熔融塑料填充时多股熔体前沿包裹形成的空腔，或者融料填充末端时因气体无法排出而导致填充不完全的现象15。此缺陷通常发生在空气无法从排气槽或镶件缝隙处排出时，一般出现在最后充填的区域。如果这些区域的排气机构不良就会产生气穴，使制品内部产生空洞或气泡、短射或表面缺陷。软件分析本产品气穴结果如图3-17所示：图3-17 气穴分布图从分析结果可以看出气泡主要集中在型腔壳体外部和结束填充的区域，所以我们应该在这些区域设置排气机构，否则可能会因为传递到此处的压力不够高而无法将气体排出或形成死角，导致塑件在这些区域产生缩水。另外，在分流道末端也应该开始排气槽，不要把流道内的气体挤到型腔里，避免熔融塑料在流动过程中受到较大的阻力。3）熔接线分析在塑料熔体填充模具型腔时，如果两股或更多的熔体在相遇时前沿部分已经冷却，使他们不能完全融合，便会在汇合处产生线性凹槽而形成熔接线。熔接线不仅影响注塑件外观，另外，由于其微观结构比较松散，易造成应力集中，使得该区域的强度降低而发生断裂16。图3-18熔接痕结果图熔接痕分析结如图3-18所示，由图中结果可以看出熔接痕主要集中在产品的边缘、外部和弯曲的部位。通过对产品性能