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湖北工业大学 硕士学位论文 基于CAE与RP的快速制造注射模具技术研究 姓名：王艳丽 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：钱应平 20090501 湖北工业大学硕士学位论文 摘要 经济的快速发展和日趋激烈的市场竞争，迫使制造业在不断改善产品性能与 品质的前提下，最大限度地缩短新产品的开发周期、降低成本，以便快速响应客 户需求。新产品的快速、高效开发涉及多领域的先进技术，如C A D 咄技 术的应用，新材料、新产品及相应工艺装备的快速成型制造等。其中以模具的快 速低成本开发最为关键。但是传统的模具开发方式周期长、成本高。模具的开发 是制约新产品开发与生产的瓶颈。 2 0 世纪8 0 年代后期出现的快速原型制造技术为模具的快速开发提供了可能。 但是快速制模技术目前还处于发展阶段，应用于实际生产中面临了许多挑战，其 中突出的问题就是模具表面质量及尺寸精度、综合机械性能难以满足高精度、高 表面质量的耐久模具的制造要求。本文即是针对快速制模尺寸精度及综合力学性 能不够的问题进行研究和探讨的。 本文以鼠标下盖为研究对象，提出了基于C A E 与R P 的集成快速制造注射模 具技术，模拟分析了鼠标的成形流动过程，优化了模具结构；实验研究了利用集 成技术快速制造注射模具的工艺。取得的主要研究成果如下： ( 1 ) 利用模流分析C A 软件M o l d f l o w 对鼠标下盖进行了最佳浇口位置及数 量分析、气穴、熔接痕位置分析以及冷却分析和翘曲分析，优化了成型工艺参数 和模具结构。特别是确定了模具的冷却方式，为后续快速模具制造过程中金属背 衬时冷却水道的预埋提供了科学依据。 ( 2 ) 将喷涂模和硅胶模的制作工艺结合起来，对传统的快速制模工艺进行了 改进。提出了“分型面”制作硅胶模的新方法，成功解决了传统硅胶模制造过程 中分型面难以制造，复制性差，精度低的不足。采用此方法制作硅胶模，不仅避 免了用小刀切割分型面所带来的误差，而且突破了传统方法必须使用高成本透明 硅胶材料的局限，为模具的低成本高精度快速制造提供了新的工艺。 ( 3 ) 提出了C A E 与快速模具集成的思想，为快速模具制造的进一步优化和 实用化提供了新的思路。 关键词：快速原型，快速模具，C A E ，结构优化，硅胶模 湖北工业大学硕士学位论文 A b s t r a c t W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h ei n c r e a s i n gf i e r c ec o m p e t i t i o no f m a r k e t ，t h em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s em u s ts h o r t e nt h et i m ea n dl o w e rt h ec o s to fn e w p r o d u c te x p l o i t a t i o na sm o r ea sp o s s i b l e ，b e s i d e si m p r o v i n g t h ep r o p e r t ya n dq u a l i t yo f p r o d u c tt om e e tt h ed e m a n do fc u s t o m e r s F a s t a n de f f i c i e n td e v e l o p m e n to fs e w p r o d u c t s i n v o l v e sal o to fa d v a n c e d t e c h n o l o g i e s i n m a n ya r e a s ，s u c h 硒 C A D C A E C A Mt e c h n o l o g y , n e wm a t e r i a l sa n dr a p i dm a n u f a c t u r i n go fn e wp r o d u c t s a n de q u i p m e n t s A m o n gt h e m t h er a p i dl O W c o s td e v e l o p m e n to ft o o li st h em o s t c r i t i c a l B u tt h e r ea r em a n yd r a w b a c k sw h e nu s 酮t h et r a d i t i o n a lm e t h o dt om a k e m o u l d ，s u c ha sl o n gp e r i o da n dh i g hc o s t A tp r e s 。e n t ，t h em o u l dm a n u f a c t u r eh a s b e c o m et h em a i nb a r r i e rt od e v e l o pn e wp r o d u c ta n dm a n u f a c t u r e T h er a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yp r o p o s e di n1 9 8 0 sm a k e si tp o s s i b l et of a b r i c a t e m o u l dr a p i d l y H o w e v e r , r a p i dt o o l i n gt e c h n o l o g yi ss t i l li nt h es t a g eo fd e v e l o p m e n t ， a n dt h e r ea r em a n yc h a l l e n g e sm a k i n gi tu s i n gi np r a c t i c e ，o n eo ft h em a i np r o b l e m si s t h a ts o m ep r o p e r t i e ss u c h 勰s u r f a c eq u a l i t y , a c c u r a c ya n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e c a n tm e e tt h em a n u f a c t u r i n gr e q u i r e m e n t so fm o u l d ，s u c h 弱h i g hp r e c i s i o n ，h i g h s u r f a c eq u a l i t ya n dl o n g e v i t y I nt h i sp a p e r , t h ea t t e m p ti sm a d et or e s e a r c ho nt h e d i m e n s i o n a la c c u r a c ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e si nr a p i dt o o l i n g I nt h i ss t u d y , t h et e c h n o l o g yo fr a p i di n i e c t i o nt o o l i n gi n t e g r a t i n gC A Ea n dR Pi s a d v a n c e d ，w h i c hi sb a s e do nt h er a p i dp r o t o t y p i n ga n dt h ed e v e l o p m e n to fr a p i dt o o l i n g T h em o u s eb o t t o mi su s e da sr e s e a r c ho b j e c t ，t h ef l o wp r o c e s so fm o u s eb o t t o mi s a n a l y z e db yt h es o f t w a r eM o l d f l o w , a n dt h em o u l ds t r u c t u r ei So p t i m i z e d F u r t h e r m o r e ， t h e p r o c e s so fr a p i di n j e c t i o nt o o l i n gu s i n gi n t e g r a t e dt e c h n o l o g y i ss t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y T h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sm a yb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) T h ef l o wp r o c e s so fm o u s eb o t t o mi Sa n a l y z e du s i n gt h es o f t w a r eM o l d f l o w , s u c h a st h eb e s tg a t el o c a t i o na n dq u a n t i t y , t h el o c a t i o no fc a v i t a t i o na n dt h ew e l d ，c o o l i n ga n d w a r p a g ea n a l y s i s T h ei n i e c t i o nm o u l ds t r u c t u r ea n dm o u l d i n gp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d E s p e c i a l l y , t h ec o o l i n gm e t h o di Sd e f i n e d ，w h i c hp r o v i d et h es c i e n t i f i cr e f e ：r e n c ef o r t h e c o o l i n go fm o u l d ( 2 ) An e wm e t h o do fs i l i c ag e lm o u l dm a n u f a c t u r i n gb yp a r t i n gf a c ei sp r o p o s e d ， w h i c hr e s o l v es u c c ：e s s f u l l yt h eq u e s t i o n so fl o wp r e c i s i o na n dd i f f i c u l t yt om a n u f a c t u r e a n dc o p yb yt h et r a d i t i o n a lm e t h o d T h en e wm e t h o dC a nn o to n l ya v o i dt h ee r r o r i n d u c e db yt h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g yw h i c hu s et h ek n i f et os l i c et h ep a r t i n gf a c eb u t a l s ob r e a kt h r o u g ht h el i m i tw h i c hm u s tu t i l i z et h ec o s t l yt r a n s p a r e n ts i l i c ag e lw h e n u s i n gt h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g y , w h i c hs u p p l yan e wp r o c e s st of a b r i c a t em o u l dr a p i d l y a n dh i g hp r e c i s i o na n dc h e a p l y ( 3 ) T l l et e c h n o l o g yi n t e g r a t i n gG 嗵a n dr a p i dt o o l i n gi sa d v a n c e d ，w h i c hp r o v i d ea n e w a p p r o a c ht oo p t i m i z et h em o u l ds t r u c t u r ea n da c c e l e r a t et h ea p p l i c a t i o n K e y w o r d s ：R a p i dp r o t o t y p i n g ，r a p i dt o o l i n g ，C A E ，o p t i m i z i n gs t r u c t u r e ，s i l i c am o u l d n 湖班二堂大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：互车幼鹕日期：冽罗年r 月户日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：多事参铂 帆1 年j 月肿 指导教师签名： 日期：溯尸年上月 | 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 快速模具制造技术概述 1 1 1 快速模具制造技术及其应用的重要性 经济的快速发展和日趋激烈的市场竞争，迫使制造业在不断改善产品性能与 品质的前提下，最大限度地缩短新产品的开发周期、降低成本，以便快速响应用 户需求。其中以模具的快速低成本开发最为关键。 传统的模具开发方式周期长、成本高，往往是整个产品开发时间与成本的主 要部分，既费时又费钱。例如，一副大型、复杂的模具的开发，一般需要6 个月 以上的时间与几十万至几百万元以上的费用，一副小型、中等复杂的模具的开发， 一般也需要3 个月以上的时间与几万元至几十万元以上的费用。根据美国汽车制 造业的统计，其平均6 7 以上的投资与模具有关。可见模具的开发是制约新产品 开发与生产的瓶颈，要缩短新产品的开发周期、降低成本，必须首先缩短模具的 开发周期，降低模具的开发成本，同时保证模具的使用寿命I l l 。 诞生于2 0 世纪8 0 年代后期的快速原型制造( R a p i dP r o t o t y p i n gM a n u f a c t u r i n g , R P M ) 技术为模具的快速、低成本开发提供了可能。经过近2 0 年的快速发展，R P M 系统的市场需求越来越广泛，结合R P M 技术的快速模具制造技术( R a p i dT o o l i n g ， R T ) 已表现出其突出的效率成本优势：制造时间减少1 3 ，成本下降2 0 - - - 3 0 ，并 能很好地解决模具生产赶不上产品开发需要的矛盾。快速模具制造系统分为直接 快速模具制造和间接快速模具制造2 1 。 1 。1 。2 快速模具的直接制造技术 直接快速模具制造D 1 ( D i r e c tR a p i dT o o l i n g ) 指的是利用不同类型的快速原型 技术直接制造出模具，然后进行一些必要的后处理和机加工以获得模具所要求的 机械性能、尺寸精度和表面粗糙度。目前能够直接制造金属模具的R P 工艺包括激 光选区烧结( S L S ) 、三维打印( 3 D P ) 、形状沉积制造( S D M ) 和三维焊接( 3 D - W e l d i n g ) 等。直接快速模具制造方法分述如下： 1 形状沉积制造( S D M ) I 艺 湖北工业大学硕士学位论文 P r i n zH 1 等采用S D M 工艺直接制造出含复杂内流道的多组原材料注射模，经 过定的后处理，模具的尺寸精度与表面粗糙度均达到要求。这种注射模由于包含 其他方法所不能做到的内流道，注射时的冷却效果非常好，因此受到人们的重视。 2 A I M 快速制模工艺 美国3 DS y s t e m s 公司开发的直接灿M 快速制模工艺，它使用立体光刻设备， 采用S L 工艺与特种材料，直接制造出A C E S ( A c c u r a t eC l e a rE p o x yS o l i d ) 注射模。这 种工艺的缺点主要是模具寿命较短，注射零件的复杂程度也受到限制。日本的N T T D a t aC M E T 公司的S O U P 设备也有类似工艺。 3 激光选区烧结( S L S ) I 艺 S L S 工艺开发更多“1 ，美国的D T M 公司推出了R a p i dT o o l 和铜一聚酰胺树脂 两种直接制模工艺，其中的R a p i dT o o l 采用D T M 公司自行开发的R a p i dS t e e l 粉末； 德国的E O S 公司也推出了E O S I N T 、D i r e c tM e t a lL a s e rS i n t e r i n g ( D M L S ) 直接制模 工艺。这些工艺还同设备的开发相结合，如E O S 公司与D M L S 工艺相配合，推出了 E O S I N T M 设备专门用于金属粉末的烧结。 4 三维打印( 3 D p ) i 艺 采用3 D P 工艺直接制造金属模具的例子有n P r o M e t a lI 艺，它是3 D PI 艺 专利拥有者美国麻省理工学院( M I T ) 推出的，设备的型号为R T S 3 0 0 。 5 L E N S 工艺 美国的O p t o m e cD e s i g nC o 自1 9 9 7 年起集中力量开发( L a s e rE n g i n e e r e dN e t S h a p i n g ，L E N S ) I 艺7 1 。这是一种直接由C A D 实体模型直接制造金属模具的工 艺，它将N d ：Y A G 激光束聚焦于由金属粉末注射形成层的表面，使焦点处金属粉末 熔化，通过激光束的扫描运动，使金属粉末材料逐点逐层熔化堆积，最终形成复杂 形状的模具。而整个装置处于惰性气体保护之下。迄今为止，可以采用3 1 6 与3 0 4 不锈钢、镍基超合金( 如l n c o n e l 6 2 5 、6 9 0 与7 1 8 ) 、H 1 3 工具钢、钨、T i 6 A 1 4 V 合 金、N i 渗舢等粉末材料，直接制造各种模具 尽管直接快速模具制造具有其独特的优点：制造环节简单，能够较充分地发挥 R P 技术的优势，特别是与计算机技术密切结合，快速完成模具制造。对于那些需要 复杂形状的内流道冷却的模具与零件，采用直接R T 有着其他方法不能替代的独特 优势。但是，它在模具精度和性能控制方面比较困难，特殊的后处理设备与工艺使 成本提高较大，模具的尺寸也受到较大的限制。 2 湖北5 - 业大学硕士学位论文 1 1 3 间接快速模具制造技术 间接快速模具制造8 1 ，即通过快速原型技术与传统的模具翻制技术相结合制造 模具。由于这些成熟的翻制技术的多样性，可以根据不同的应用要求，使用不同复 杂程度和成本的工艺，一方面可以较好地控制模具的精度、表面质量、机械性能与 使用寿命，另一方面也可以满足经济性的要求。因此，目前工业界多数使用间接快 速模具制造技术。这类技术包括喷涂模具、中低熔点合金模具、表面沉积模具、 电铸模、铝颗粒增强环氧树脂模具、硅胶模以及快速精密铸造模具等。具体制作 方法如下： 1 喷涂模具 喷涂模具包括金属冷喷模具和等离子喷涂( 熔射) 模具，金属冷喷模具D 采用 T A F A 等公司的喷涂设备用喷枪在R P 原型的表面上喷射上一层金属壳层，其厚度 可以达到2 I n m 甚至更厚，然后用铝颗粒与树脂混合材料作为背衬物并且埋入冷却 管道，涂层与背衬材料转移结合，去除R P 原型之后即可制得模具。喷涂表面的复制 性能非常好，尺寸精度足够高，还可以进行抛光以改善表面粗糙度。采用等离子喷 涂( 熔射) 技术，可以获得高熔点金属涂层( 如不锈钢涂层) ，这样制得的模具表面硬 度高、表面质量好、经济耐用、制作简单，使用寿命更是大大超过金属冷喷模具。 日本中川威雄及其合作者在这一领域取得了很好的成果“盯。 2 中低熔点合金模具 锌基合金为典型的中熔点合金，B i S n 合金为典型的低熔点合金。铸造中低熔 点合金模具以R P 原型为母模，将R P 原型翻制为硅胶模，再由硅胶模翻制石膏模， 通过石膏模精铸得到锌基合金模具。针对不同的汽车车身覆盖件，可以选用不同的 R T 工艺( 如L O M 工艺) ，再与中低熔点合金快速制模技术相结合，使之更加适合大 型件的拉延、翻边等成形。清华大学开发的新工艺采用无焙烧精密陶瓷型技术，完 成L O M 原型到陶瓷型的转换，再进行低熔点合金( B i S n 合金) 的精密铸造获得金属 模具。B i S n 合金的熔点为1 3 8 ，而且调整B i 与S n 的比例可以控制在凝固时微缩 或微涨的量值，因而不会引起残余应力而发生变形，可保证高精度。工艺路线为1 1 1 ： 根据C A D 模型制造L O M 原型，将它翻制为具有足够尺寸精度的陶瓷型，对于陶瓷 型进行特殊处理后，在约1 4 0 的温度下，浇铸出B i S n 低熔点合金汽车覆盖件拉延 模具。此拉延模具可以制造1 0 0 - 3 0 0 件汽车覆盖件零件，完全可以满足汽车试制 模具的需要。当模具精度丧失后，可重熔此材料制造新的拉延模具，因而极大地降 低了模具制造的成本。 3 沉积技术制造的模具 湖北工业大学硕士学位论文 美国爱达荷国家工程与环境实验室( I d a h oN a t i o n a lE n g i n e e r i n ga n dE n v i r o n m e n t a lL a b o r a t o r y , I N E E L ) 研制的R S P ( R a p i dS o l i d i f i c a t i o nP r o c e s s ) 快速制模技术的 原理是1 2 1 采用普通的工具合金( 如P 2 0 、H 1 3 与D 2 工具钢或其他合金) 粉末，通过 沉积技术在R P 原型的表面形成一层具有足够厚度的沉积层，在增压的作用下，熔 融金属液通过喷头，在高速气体的带动下，以增原子的方式沉积在表面上，能够把 R P 原型表面极细微的特征复制下来。表面粗糙度可以达到3 m ，沉积率为2 2 7 k g h ， 适用于此项工艺的材料不仅有金属，而且包括陶瓷、聚合物等各类材料。 4 电铸模 电铸模是一种结合快速原型和传统电铸的快速模具技术。它的基本过程为“3 1 ： 首先对R P 原型表面进行必要的处理，如打磨、抛光、涂敷导电层等；然后置入电 铸槽中，通过常温电铸获得金属壳层，该壳层的内表面精确地复制出了R P 原型的 外表面；通过中高温烧结去除金属壳内的原型；最后在模具框和金属壳外侧之间 浇铸低熔点合金或铝粉一树脂混合材料背衬，即可得到电铸模。 5 铝颗粒增强环氧树脂模具 铝颗粒增强环氧树脂模具采用环氧树脂作为模具主要材料，以R P 原型为母模， 在原型表面涂一层环氧树脂，再在后面填充混有铝粒( 或者全部为金属颗粒) 的环 氧树脂作为背衬，脱模得到铝基环氧树脂模。它主要用作注塑模，其寿命一般为 5 0 0 - 2 0 0 0 件。工艺步骤为n 钉：制作R P 母模；画出分型线；设计制造套装夹具( 通 常为木制) ；固定R P 原型，木制夹具被切割成几块( 固定复杂的原型要切割成1 0 - - 1 5 块) ；将石蜡灌注到切割间隙或裂缝中；然后将3 5 的环氧树脂和6 5 的增强铝 颗粒混合后涂抹于原型的表面上；固化后进行修整制成铝颗粒增强环氧树脂模具。 6 硅胶模 硅胶模广泛用于快速制造小批量塑料零件或者被其他模具制造技术用作复制 复杂形状零件的中间转换体，其主要优点是成本低、工艺简单。硅胶模通常采用室 温固化的硅橡胶作为模具材料，它的制作流程为1 钉：打磨和表面处理R P 原型，使其 具有较高的表面质量，同时配制硅胶；然后以原型为芯浇注硅胶，凝固后成模为了 使硅胶能够完全充填型面，可以将R P 原型和模框置于真空装置中，在浇注的同时 抽真空，等硅胶静置后完全凝固，开模即可获得硅胶模。硅胶模开模的方式一般需 要考虑随后零件的浇铸要求，同时零件越复杂，开模面也必然越复杂。硅胶的凝固 还可以通过加入固化剂实现，也可以通过紫外线照射实现，取决于所用硅胶的类 型。硅胶模具有很好的弹性、复印性和一定的强度，便于脱模，可用作试制及小批 量生产用注塑模、精铸蜡模和其他间接快速模具制造技术的中间过渡模，用作注塑 4 湖北工业大学硕士学位论文 模时其寿命一般为1 0 , - 一8 0 件。 7 硅胶一陶瓷型橡胶模 将R P 原型翻制的硅胶型，通过涂层转移获得精密陶瓷型，浇铸铝或黑色金属， 可以制作子午线轮胎模。也可采用类似于此工艺的使用石膏型的工艺路线快速制 造模具盯。首先由C A D 模型制造出L O M 的模具原型，然后由R P 原型翻制硅胶型， 再通过涂层转移获得精密石膏型，增压振动进行浇铸，得到轮毂的模具。 8 快速精密铸造模具 采用快速精密铸造的方式得到快速模具有许多方法“Q u i c kC a s t i n g 是美国 3 D S y s t e m s 公司推出的一种工艺 ，它利用立体光刻( S L A ) 工艺获得零件模具的 半中空I 冲原型，然后在原型的外表面挂浆，得到有一定厚度和粒度的陶瓷层，它紧 紧地包裹在原型的外面，再放入高温炉中烧掉S L A 半中空原型，得到中空的陶瓷型 壳，即可用于精密铸造。浇铸后得到的金属模具还要进行必要的机加工，使得其表 面质量和尺寸精度达到要求。该方法的优点是用S L A 原型代替原来精密铸造中的 蜡型，从而大大提高铸造原型的精度，并且大大加快制造速度。清华大学首先提出 无焙烧陶瓷型制模( U n b a k e dc e r a m i cm o u l dt o o l i n g ) ，该技术首先以R P 原型为母模， 将R P 原型翻制为硅胶模，再由硅胶模翻制陶瓷型，通过陶瓷型精铸得到金属模具。 9 粉末冶金快速模具 美国3 D S y s t e m s 公司还推出了一种粉末冶金快速模具工艺，这种工艺称作 “3 D K e l t o o l 。它的制作过程为n 阳：首先用S L A 原型翻制出硅胶模作为中间转换 模；然后将用树脂粘结剂混合的工具钢粉末灌注到中间模具中，待材料凝固后得到 模具生坯件；通过烧结去除粘结剂，得到内部疏松结构( 约3 0 孔隙率) 的模具熟坯 件；最后经过渗铜处理增加材料的致密度和机械强度；通过简单机加工进一步保 证模具的精度( 可达0 0 4 m m ) ，即得K e l t o o l 模具。该模具7 0 为钢，3 0 为铜，其特 性与P 2 0 工具钢模具类似，可以承受2 0 - - 2 5 K P a 的压力和6 5 0 的高温。 1 2C A E 在模具结构优化上的应用 C A E 技术是以计算机模拟为手段分析塑料加工过程并完成模具优化设计的塑 料模具计算机辅助工程1 1 9 1 0 它是进行产品设计、制造、工程分析、仿真、试验等 信息处理，并包含相应数据与数据管理系统在内的计算机辅助设计综合系统，主 要包含两个方面的内容： ( 1 ) 产品几何形状的模型化； ( 2 ) 工程分析、计算、仿真及优化。 5 湖北工业大学硕士学位论文 蔓! ! ! ，曼，皂_ 曼鼍_ _ _ _ _ _ - _ 曼鼍- -= - _ I _ 一I _ 一 注塑模C A E 技术可以帮助解决以下问题啪1 ：通过最佳浇口位置分析，可以 确定浇I l l 的位置和数目，保证填充过程熔体流动场的均匀和注射压力的降低； 预测熔接线的位置，并通过比较确定更为合理的工艺参数，使熔接线处在理想的 位置；预测可能存在的气泡位置，以确定正确的排气位置：预测制品中的分 子流动或纤维取向，并使之处于预先设想的状态；估算锁模力和优化成型工艺 参数。 传统方法制作注射模具之前，采用注塑模C A E 软件对最佳浇口位置、浇口数 量、浇口尺寸、流道尺寸、冷却系统尺寸等参数进行优化，指导模具设计人员对 模具结构进行优化，这对提高模具质量和一次试模成功率有很大的帮助，在实际 的模具生产和开发中已经得到广泛的应用，许多专业的模具厂在开模之前都要进 行C A E 分析。但是对于采用快速原型的方法来快速制模之前采用C A E 分析以优 化模具结构，这在以往的研究及实际生产中还没有出现过。以往的研究主要集中 在制模工艺上，从制模的工艺上进行改进，来提高模具的精度、强度及使用寿命。 而这样导致了研究具有很大的盲目性，一味地追求工艺方法的改进，而对采用什 么样的浇口形式，浇口尺寸多大，塑件在什么地方容易产生气泡及熔接痕，采用 什么样的冷却方式，塑件在冷却后的翘益变形量怎样等这些问题都没有一个直观 的认识。而这些问题对快速制模的模具结构有非常大的影响，进而影响最终塑件 的质量。鉴于此，本文将快速制模技术与C A E 技术结合起来，提出了一种集成快 速制造注射硬模工艺。此工艺的实施不仅能够对模具结构进行优化，而且能够显 著提高模具精度。 1 3 集成快速制造注射硬模简介 集成的快速制造注射硬模的工艺结合了快速原型技术( R P ) 和注塑成型流动 分析技术( C A E ) ，不仅发挥快速制造技术制模周期短、成本低、精度与寿命又能 满足生产使用要求的优势，而且充分利用模流分析( C A n ) 技术，在快速模具制 造之前模拟塑料在型腔中由熔融态到凝固态过程，预测塑料填充效果( 如填充不 满、气泡、结合线、熔接痕、应力集中、翘曲变形等各种缺陷) ，从而优化模具结 构。其工艺流程如图1 1 所示。 6 湖北工业大学硕士学位论文 l 产品实物 模型修改广V I ”19 “ 上弓彳rJ 多 l 数据采集 导入 c 鳓析吲臻豁 M o l d f l o w 由 之弓彳广 ，一一| 之弓 旧转换吲3 。模型号垆鬻的吲雠献模 一乡 制作 l 一喷涂锌合金I 一在基模上喷d翻制陶瓷模 I 模具框架r 广1 作为过渡层| 、厂_ | 涂不锈钢粉 J 弓 I 背衬材料广叫I 表面抛光广I 4 砜瞒 图1 1 集成快速制造注射硬模的工艺流程 1 4 课题来源及研究意义 本课题来源于湖北工业大学青年人才基金和湖北省教育厅科研项目。本课题 的研究结合C A E 分析技术和铁系金属硬模的制造方法，有望在快速模具制造方面 取得如下突破： ( 1 ) 利用C A E 进行模拟分析，得到最佳的成型工艺参数及优化的模具结构，这 对提高模具成型产品质量和简化快速制模工艺有很大的指导意义。 ( 2 ) 利用C A E 分析结果，采用新的分模方法快速制造模具成型部分，可以大大 提高模具的成型精度和效率。 1 5 本文研究的主要内容 本文研究内容共分五章，具体如下： 第一章为绪论部分。主要介绍了快速模具制造技术应用的重要性以及分类， 同时介绍了此技术国内外研究现状。论述了C A E 在快速模具制造中应用的可行性， 提出一种集成快速制造注射硬模的新工艺。 第二章介绍了注射成型计算机模拟分析中流动过程模拟、冷却过程模拟以及 翘曲过程模拟的原理。为后续的C A E 分析奠定理论基础。 第三章是C A E 分析部分。以鼠标下盖作为研究对象，用M o l d f l o w 软件对其 进行最佳浇口位置及数量分析、气穴及熔接痕分析、冷却及翘曲分析，找到了一 7 湖北工业大学硕士学位论文 组塑件成型的最佳工艺参数，同时根据这些参数来优化模具结构，得到最优的模 具结构。 第四章介绍模具制作的试验过程。从原型到模具的制作都进行了详细的介绍， 其中最主要介绍了硅胶模制作的新工艺“分型面法制作硅胶模。对比分析 了传统方法制作硅胶模和“分型面”法制作硅胶模的优缺点，得出采用“分型面 法制作硅胶模不仅在模具的精度上超过传统方法，而且节约成本，有很好的应用 前景。 第五章是结论及展望部分。总结了本课题的研究结论，同时也提出了研究过 程中存在的不足及对未来研究方向的展望。 8 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章注射成型计算机模拟分析理论基础 塑料注塑成型是一个复杂的物理过程，非牛顿塑料熔体在压力驱动下通过流 道、浇口向较低温度的型腔充填，熔体一方面由于模具传热而快速冷却，另一方 面因高速剪切产生热量，同时伴随有熔体固化、体积收缩、分子取向和可能的结 晶过程。本章主要介绍注塑成型计算机模拟分析相关理论。 2 1 流动模拟基本原理 2 1 1 充模过程塑料熔体的流变学黏度模型 为了定量的分析塑料在加工过程中的流动行为，需要建立和求解描述这个过 程的数学方程。它包括连续性方程、动量方程和能量方程等守恒方程，以及描述 塑料流体加工性质的本构方程，这些方程一般称为基本方程组。 1 、守恒方程 流体运动通常是遵循质量、动量和能量守恒方程的。 ( 1 ) 连续性方程 表达质量守恒的数学方程称为连续性方程。所谓质量守恒眨就是在空间任何 给定体积中流体质量的增加速率等于流进这个体积的质量流量。 直角坐标系内的连续性方程为： 望+ v ( p v ) = 0 ( 2 1 ) a t 对于不可压缩流体，即质点的密度在运动过程中不变的流体，D p D t = 0 ，于是 由式( 2 1 ) 得到不可压缩流体的连续性方程为： V v = 0 或塑+ 塑+ o v z = 0 ( 2 2 ) 缸 砂 钯 ( 2 ) 动量方程 表达动量守恒的数学方程称为动量方程，即运动方程。根据动量守恒原理1 2 2 J 9 在固定体积中，流体动量的变化率必须等于作用其上的质量力和面力的总和。 p 告- 一V p + f 】+ P g ( 2 3 ) 在柱坐标系下可表示为 9 湖北工业大学硕士学位论文 r 分量： 秒分量： z 分量： 鬟蓑童馨乱 仁q 一詈+ 陋) + 鲁一嚣+ 鲁卜 p ( 堕O t + 竹堕O r + 睾堕0 0 + 半叱堕O z1。I rr 。 ；引净t e ) + 10 f o o 一+ 针o z 腭 一 Q 5 p ( 等鲁+ 睾等叱鲁) -一粤+睁)+亟00+一a-rzzOz rO rO z1 愧 一 l r l 一 对于聚合物熔体，j o g 比作用在熔体上的其他力小得多，可以忽略。再假设熔 体不可压缩，能使动量方程简化，可用来求解流动问题。 ( 3 ) 能量方程 表达能量守恒的数学方程称为能量方程。根据能量守恒原理 2 3 1 在固定体积 中总能量的变化率，等于进入该体积的总能量的净流量、热流的净流量和对该体 积所作功之功率之和。 采用流体的温度( T ) 和热熔( G ) 表示内能，则能量方程为： 肚( v q n ( 乳h ) 如V ，) ( 2 7 ) 在直角坐标系下可表示为： 肛V 旧帆罢u 争y z 鼍) - 一 等+ 詈+ i O q z 】 一z ( 筹) P ( 鲁+ 鲁+ 鲁) + 取鲁蔷警) c 2 固 + 。y ( 鲁+ 鲁) 岷( 警+ 鲁) 螺：( 鲁+ 鲁) ) 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 2 、广义牛顿流体的本构方程 反映物质宏观性质的数学模型称为本构关系，把本构关系写成具体的数学表 达形式就是本构方程1 2 4 1 。广义牛顿流体的本构方程为： 飞= ，7 矿u ( 2 9 ) 常用的经验表达式： ( 1 ) 幂律模型 矿= f m( 2 1 0 ) 式中，m 为流动指数，其值为1 n ，对于牛顿流体，m = 1 ；对于膨胀性流体， m l 。而m 为流动度，它与k 值的关系是k = 中- 1 垭。幂律 模型的主要优点是比较简单，在中等剪切速率范围内，在工程计算中得到广泛应 用。 ( 2 ) E l l i s 模型 此方程是用剪切应力表达粘度巩的： 耥小一 式中，r o 是零剪切黏度，f 。，：是叩- ，7 0 2 处的剪切应力值，口一1 是l o g ( r r 。，：) 作图 的斜率。 ( 3 ) C a r r e a u 模型 此模型用四参数来描述黏度： 尘生【1 + ( A 矿) I “。1 ) 7 2 ( 2 1 2 ) t 7 0 一，7 。 式中，r 。是零剪切黏度，卵。是无限剪切速率黏度，A 是流体的特性时间，n 是幂律指数。 ( 4 ) H e r s c h e l B u l k l e y 模型 此模型成功地描述了屈服极限的聚合物的流动性质，它是简单宾汉模型与幂 律相结合的模型，表示为： z f 。1 1K 矿。( 2 1 3 ) 湖北工业大学硕士学位论文 _ _ _ I I I I I 一 式中，f ，是屈服应力。当z ，= 0 时即得到幂律方程；当n = l 时则得简单的宾汉 模型。 本文采用幂律模型来描述塑料成型的熔体黏度。 2 1 2 充填过程塑料熔体的流动行为 1 、充填阶段 材料进入模具，在速度的控制下填充模具，模具刚好充满时填充阶段结束。 填充时，材料进入模腔，凝固并粘在模壁上，材料以喷泉形式向前填充，由于剪 切作用产生热量。 2 、加压阶段 模腔填充满时，螺杆在压力作用下仍向前推动，由于材料的收缩，螺杆还可 以继续向前移动一段时间，到填充末时刻最大压力出现时，增压阶段结束。材料 的流动与填充阶段很相似，但凝固层迅速加厚，流动速度迅速降低。 3 、补偿阶段 此阶段机器螺杆由压力控制继续向前移动，额外的料被挤入模腔，以补偿塑 料在熔融料温状态与室温固态之间的体积差。在补偿阶段，由于温度不稳定，所 以流动也不稳定，这将会导致产品局部取向性较强，可能引起翘曲。 2 1 3 充模流动过程的简化分析 充模所需注射压力是注射过程的一个重要参数。如果注射压力不够，则充不 满模腔而“缺料”；如果注射压力过大，则会溢料而形成“飞边 。B a r r i e 瞄1 提出 的估算注模中非等温流动的简化方法是以中心进料的圆盘形模腔( 图2 2 ) 中的经 验观察为基础的；即认为充模瞬间，在模腔表面已凝固的聚合物熔层是近似均匀 的。这意味着熔体仍在厚度近似均匀的模腔中流动，只是空间比原来小。这样， 就可用等温剪切流动的压力降方程( 2 1 4 ) 来描述注塑模中非等温流动行为。 舻( 割击备陋一R 0 1 “ ( 2 1 4 ) 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 r = R 。 R - f r Z 熔形务，j 一 。 J 前缘模壁C T - ) 凝固层i T s ) - r - 司 图2 2 冷却的中心进料圆盘模腔的流动状态 ( 1 ) 充模一瞬间在模腔表面形成近似均匀的凝固层，其厚度为H ，则剩余的有 效模腔厚度为 日雒一H 一脯( 2 1 5 ) ( 2 ) 凝固层厚度是充模时间( t ) 、模温( T w ) 、熔体温度( T 0 ) 、熔体凝固温度( T S ) 和熔体扩散系数( 口) 的函数。根据经验观察，则得 A H c t l 归 ( 2 1 6 ) 其中， c = 2 a 1 7 2 陋一瓦) ( 瓦一瓦) 】( 2 1 7 ) ( 3 ) 简化有效模腔厚度适用于等温流动方程( 2 1 4 ) ( 4 ) 圆盘形型腔的充模时间是用模腔容积( 积2 H ) 和充模速率( Q ) 之比计算 的，即 t ；a R 2 H I Q( 2 1 8 ) 非等温流动方程是将代入式川经简化卜( 丢) 。一L 。 R 。卜 理后得到的，即 耻 Q 1 9 ) 。伽卜耐邝I 充模最小压力降( P o I I l i 。) 可将式( 2 1 9 ) 右边对Q 微分，并令其等于零，即得 P 0 m 蛔= f ( n ) K C 抽( 鬻) ( 2 2 0 ) 4斗 湖北工业大学硕士学位论文 式中， ，= 罢( 等八等) 1 + 2 n 式( 2 2 0 ) 中k “R 1 + 。) 旧1 椭) J 依赖于模腔的几何形状。 2 1 4 充模过程的数学模型 ( 2 2 1 ) 1 、充模流动过程的假设与简化 注塑模的最大特点是型腔的几何形状复杂，对于复杂形状的模腔，可用圆管 中的轴向流动、圆盘形模腔中径向展开流动和矩形模腔中的二维流动等三种基本 流动形式进行模拟。应用于这种模腔中流动的最典型的模型是以H e l e S h a w 流动 为基础的。要导出控制方程必须作如下的假设和简化K 2 6 1 ：模腔间隙的尺寸比沿 主流道方向的尺寸小得多( H L ) ；流体为不可压缩流体，并具有广义牛顿流 体行为；忽略惯性及自身重力；在模壁上无滑动；在熔体流动方向，热对 流是主要的；忽略熔体前沿“喷泉效应 的影响等。 2 、型腔充填分析的控制方程 大多数注塑模的型腔可看成狭窄的缝隙模腔( 图2 - 3 ) 。根据假设和简化，对 于广义牛顿流体在缝隙模腔的流动，则可推导出控制方程： 连续方程： 一O p + 型+ 型。o ( 2 ，2 2 ) 0 t t 3 x 毋 、。 动量方程： 竺0-(1m10 x 0 z 盟0 z1 二。II Z Z jJ J 、 蔷；孙鲁】 仁2 4 ， 面4 面l 叩iJ q 2 4 ， 能量方程： p v 。( 詈+ V ，要+ V ，茜) 一言( K 笔) + 刁( 誓) 2 + 叼( 鲁) 。( 2