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华东交通大学Moldflow实训报告11级材料成型及控制工程（模具）-1潘俊宇20110310040122目录一、 前言.3二、工艺设计与分析.32.1源文件32.2网格划分42.3浇口位置的确定82.4成型窗口分析92.5充填分析132.6流道系统的构建与优化172.7冷却分析及优化192.8保压分析及优化242.9翘曲分析及优化29三、 总结.30一、 前言本次Moldflow实训目的在于掌握、熟悉Moldflow2012软件，同时训练注塑模具的设计过程中相关的工艺参数的设定。要求掌握一定的高分子（塑料）知识和成型原理，同时必须掌握注塑模具的设计和原理。此次，我的“手机后盖的注塑成型”就是根据上述要求完成的。这次使用的实物原件是一个普通的手机后盖，使用Pro.e三维软件造型，在Moldflow2012中经历了网格划分及调整、成型窗口分析、浇口流道及冷却水路的创建、充填分析、冷却分析、保压分析、翘曲分析等等程序，在多次修改成型工艺方案后最终确定了能获得较好成型质量的相关工艺参数。二、工艺设计与分析 本次手机后盖的注塑分析是借助注塑模Moldflow软件对传统注塑生产注射工艺过程的模拟，为制品设计、材料选择、模具设计，注射工艺的制定及注射过程的控制提供科学依据。注塑模CAE技术借助于有限元法、有限差分法和边界元法等数值计算方法，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。2.1 源文件本次使用的是一个手机后盖，应用Pro.e软件经拉伸、倒角、打孔、去除、抽壳等等方法仿制实物而成。图2.1-1 三维实体零件图2.2 网格划分Moldflow网格模型是Moldflow分析的基础，良好的网格质量是获取准确分析结果的前提。Moldflow网格模型的准备包括网格类型的选择，网格的生成、网格质量诊断与修复1. 网格生成模型保存为igs格式后就可导入Mold flow。通常薄壁件选用双面网格，这里使用的是双面网格。图2.1-1 模型导入全局网格边长控制划分网格的大小（最大边长），全局网格边长选取越小，网格划分越细，模拟结果越准确，但是计算量增大。这里根据零件大小选择4mm。图2.2-2 网格划分2. 网格诊断与修复网格质量是分析精度的重要保证。其中包括纵横比、自由边、取向、相交单元和匹配率。这些可以通过“网格统计”进行查看。图2.2-3 网格统计其中要求只有一个联通区域。纵横比越小越好，通常小于10就可达到普通应用要求。自由边、取向不正确的单元、相交单元和重叠单元均为0。匹配率越大越好，通常要求大于85%。1) 自由边软件自动划分网格时有时候难免质量不高，在零件棱角处很容易出现自由边，如下图红色部分。图2.2-4 自由边自由边修复有两种方法，一种是系统自带的自动修复。另一种就是将涉及的三角形删除，然后自己手动创建。具体方法是：选中自由边涉及的三角形删除，打开节点，在工具中选择“创建三角形单元”然后依次选取三角形的三个顶点创建。图2.2-5 自动修复自由边和手动创建三角形2) 取向不正确网格取向影响着分析结果的准确性。网格取向决定了单元的上表面和下表面，相邻单元取向应一致。图2.2-6 取向不正确网格网格取向不一致的时候可以使用工具中的“单元取向”调整或者如同自由边应用“自动修复”进行调整。3) 纵横比纵横比是三角形单元最长边的长/高比柱单元的长/径比，对分析结果的准确性有着非常大影响，纵横比越小精度越高，一般要求10一下。图2.2-7 纵横比诊断如图，纵横比最大的单元用红色法线表示出来。通常对纵横比的调整是通过对节点的调整来实现的。比如“插入节点”、“合并节点”、“移动节点”等。当然也有“交换边”“创建三角形”等等其它手段。2.3 浇口位置的确定浇口位置的设定直接关系到熔体在型腔中的流动，从而影响聚合物分子的取向和产品成型后的翘曲，是决定产品质量的最重要因素之一，因此确定合理的浇口位置是合格产品的必要条件。使用“浇口位置分析”是为了从几何角度确定一个较为理想的浇口位置范围。但这只是一个参考，并不能起到决定性作用。因为浇口位置的确定还要考虑到很多其它因素。手机后盖浇口位置分析结果如图2.3-1。系统只考虑零件的几何形状和流动平衡来确定浇口的最佳位置，所以看到系统计算计算结果最佳浇口位置基本在零件的几何中心。图2.3-1 浇口位置分析结果但是考虑到手机后盖要求很高的表面质量，因此浇口不能设在外表面和边缘，只能设在内表面，否则会在表面留下痕迹。考虑到实际加工难度，浇口也不能设在内表面中心。同时如果在中心，流道太长，太曲折，会大大降低熔体的流动速度和温度，不利于充型。因此我觉得因采用潜伏式浇口，将浇口设在内表面中心靠近外边缘如图2.3-2。熔体从分流道出来后，经靠在边缘的顶杆向上进胶。图2.3-2 最终确定浇口位置2.4 成型窗口分析注射成型中主要的工艺参数有：模具温度、熔体温度及注射时间。成型工艺参数直接影响到制件的质量，成型窗口越宽，越容易得到合格的制件。Moldflow中的成型窗口分析可确定得到最优质量制件的工艺条件（模温、熔体温度和注射时间）及得到合格质量制件的工艺参数范围；成型窗口分析还可确定在选定的注塑机规格下制件能否顺利充填；能快速分析比较不同浇口位置对压力、剪应力、温度等的影响，优化浇口数量与位置；快速评估不同材料对成型的影响（成型压力、剪应力），优选材料；快速评估减少制件壁厚对更大充填压力、更快注射时间、更高的模温和熔体温度的要求，从而优化制件壁厚；快速查看制件壁厚、材料、工艺条件对冷却时间的影响。成型窗口分析前要确定使用的材料。考虑到手机后盖要求很高的精度，因此通过查找资料，选用强度较高、韧性好，同时收缩较小的PC材料作为注塑料（牌号为Tristar PC-10FRN-BK(V)）。图2.4-1 材料选择及其收缩率本次手机后盖厚度为1mm，根据所选材料特性参考图2.4-1，体积收缩率应小于1.64%，能较大限度的抑制收缩变形保证制件的制造精度。工艺设置中，设定注塑及最大注塑压力为140MPa。由于成型窗口分析中没有包括流道系统，所以将最大注射压力限制在注塑机最大注射压力的60%。同时要求流动前沿最大温度上升不能超过2，下降不能超过20。如图2.4-2。图2.4-2 成型窗口参数设置结果分析根据成型质量图，确定成型质量高的模具温度、熔体温度和注射时间。考虑到实际生产中温度控制和原料质量偏差，温度设定时不能达到或靠近材料允许的极限温度。方案一：模温85、料温300、注射时间0.63s。如图2.4-3图2.4-3 方案一方案二：模温80、料温300、注射时间0.63s。如图2.4-4图2.4-4 方案二相比方案一和方案二，除了模具温度方案一为85方案二为80以外，其它工艺参数均一致：熔体温度均为300，注射时间均为0.63s并且两者都能达到较好的成型质量。但是方案一的模温更高，因此需要的能量更多，同时需要的冷却时间更长，因此成型周期更长。在这个效率至上的时代，明显方案二效率更高。在成型区域中验证所选的工艺参数，如图2.4-5。图中红圈区域内即是方案一和方案二所在区域，均能达到较好的成型质量。图2.4-5 成型区域冷却时间是制件冷却所需的最长时间。如图2.4-5和2.4-6可以看出方案一和方案二结果有所不同。图2.4-5 方案一冷却时间 图2.4-6方案二冷却时间结果显示方案一冷却需要3.42s而方案二冷却需要3.24s。所以方案二在获得同等质量的条件下效率更高，符合前文的推论。最大剪切应力和最大剪切速率如图2.4-7方案一最大剪切应力 方案二最大剪切应力方案一最大剪切速率 方案二最大剪切速率图2.4-7可以看出方案一和方案二最大剪切应力差别不大均为0.31MPa，小于材料允许的0.5MPa。而最大剪切速率方案一是2639 1/s方案二是2651 1/s也小于材料允许的40000 1/s，都是可以接受的。综上所述，通过成型窗口的分析，方案一和方案二相比较成型质量都很好，但是方案二由于模具温度更低所需要的能量更少所以更经济，同时方案二成型周期更短，因此效率更高。所以方案二模具温度80、熔体温度300、注射时间0.62s是优选方案。2.5 充填分析充填分析是在成型窗口分析的基础上进行的模拟注塑，从结果可以分析确定很多工艺参数。充填工艺参数根据成型窗口得到的数据设为模温80、料温300、注射时间0.63s，在充填99%时速度压力进行切换进入保压。保压10s，压力为最大压力80%，设备经过0.1s响应时间进入保压，如图2.5-1。图2.5-1 充填工艺设置充填结果：1. 充填时间如图2.5-2图2.5-2 充填时间从图可以看到实际充填时间最长为0.69s，比设定时间长了0.06s。可能是充填分析系统考虑的内容比成型窗口分析更多，计算内容更丰富，所以出现这种变差，其实是结果更准确。2. 达到顶出温度的时间如图2.5-3图2.5-3 制件达到顶出温度的时间明显可以看出靠近浇口位置需要更长时间，因为那里温度较高，散热困难；而壁薄区需要的时间更短，因为熔体少所含热量少，散失快。这都是符合常理的。3. 气穴如图2.5-4图2.5-4 气穴位置图中紫色部分就是软件分析结果中认为可能存在气穴的位置，可能原因是熔体流道这里时气体被集中在此无法排除而形成气穴。但由于在分型面，分型面具有一定的透气能力，所以此次的气穴实际上存在的可能性并不大。4. 剪切应力如图2.5-5图2.5-5 壁上剪切应力由图中我们看到剪切应力在上下两个部分不同。可能的原因是浇口稍微靠近下半部分一些，导致到上半部分距离更远，熔体到达时温度相对更低、粘度更大，在压力作用下就会造成剪切应力更大。其次，上半部分的截面积相对更小，因此在相同流量的情况下流速更快，这也是切应力更大的原因。由于制件壁厚很小，加之浇口位置偏离中心，所以这种情况不可避免。只是引起的应力分布不均可能引起制件变形，但可以通过后期保压进行一定的补偿，同时如果这种变形在可接受范围内便无伤大雅。另一个可能解决的是方法是进行多浇口进胶。多浇口进胶可以很好的解决应力不平衡的状况，但是容易造成明显并且范围很大的熔接痕，这将很严重的影响产品表面质量。同时多浇口进胶加工难度更大，相应的成本更高。因此，我认为不适合。5. 熔接痕如图2.5-6图2.5-6 熔接痕如图：熔接痕出现在两股料相会的地方，在孔、槽等地方不可避免，只是选择合理的浇口位置使熔接痕出现在影响最小的地方。2.6 流道系统的构建与优化流道系统分为主流道、分流道和浇口，是熔体流经的通道。流道系统创建的合理与否对制件质量有很大影响。本次手机后盖模具设计为一模两腔。主流道在中间，经分流道，通过潜伏式浇口进入型腔。如图2.6-1图2.6-1 流道系统1. 流道创建其中一模两腔是通过手动镜像创建的。流道则是先创建节点，由节点创建线，再对线进行属性定义，设定属性和几何尺寸，最后划分网格得到，如图2.6-2。由于圆形截面具有最大的水里半径，对熔体阻力小，散热面积也小，所以选用园截面的流道。如图2.6-3，主流道设置为正锥形，利于脱模和放在倒流。其中顶端直径为2.5mm，底端直径为4mm。网格划分时考虑到长径比不能太大而将网格边长设为8mm。图2.6-2 流道系统创建图2.6-3 主流道尺寸设置2. 流道优化工艺参数的设定同样是在前面分析结果的基础上得到的：模具温度80、熔体温度300、注射时间0.62s。其实流道平衡优化就是为了得到目标注射压力不断重复充填分析，并且根据分析结果调整流道截面尺寸。结果如图2.6-4.图2.6-4 流道平衡优化结果由图可知流道本来就是自然平衡，所以不存在两个型腔注射压力不对称。所以可以看到不论充填时间还是充填压力，两边型腔都是对称一样的。图2.6-5 流道体积更改基于前面结果，如图2.6-5，从分析结果可以看出，原来的截面尺寸比较合适能满足压力需求，所以不需要修改。2.7 冷却分析及优化模具设计中良好的冷却系统设计可以缩短制件冷却时间，提高生产率；还可以均匀冷却制件，降低其内部残余应力，保持尺寸稳定，提高产品质量。1. 水路创建水路的创建与流道创建类似，都是创建节点然后连线，定义属性设定尺寸后再划分网格就好了。同时，水路设计时，还要定义进水口，并且可以设定水温、雷诺数等相关参数。根据经验设定，壁厚小于4mm的制件冷却水路直径取810mm，这里取8mm，如图2.7-1。冷却水路离零件上表面距离为20mm距离下表面距离15mm。如图2.7-2。图2.7-1 冷却水路设置图2.7-2 冷却水路2. 模具表面创建如图2.7-3图2.7-3 模具表面模具表面的创建通过“建模”“模具表面设置向导”根据零件大小和所涉及模具尺寸设置。模具表面的创建更加接近真实，结果也更具参考性。3. 分析结果1) 冷却液温度上升如图2.7-4图2.7-4 冷却液温度上升由图2.7-4可以看出，冷却液温度上升了0.3和0.4，还算不错。2) 顶出时间如图2.7-5。图2.7-5零件达到顶出温度时间从图中可以看到零件达到顶出温度的时间基本在1.2s以下，部分薄壁区更短。3) 模具表面温度如图2.7-6图2.7-6 模具表面温度由图可以看到零件四周，特别是耳机口附近温度较低在33左右，而浇口附近较高，基本在37左右，差异较小不容易引起收缩不均而变形。4) 零件温度曲线xy图，如图2.7-7图2.7-7 零件温度曲线xy图由图我们可以看到零件内表面和外表面温度并不平衡。所选择的5个点中，除了蓝色点外表面温度高内表面温度低，其余点都是内表面温度高外表面温度低，其中温差最大的蓝色点处达到2.4。这很可能造成冷却不平衡，收缩不均而变形。原因就是冷却系统设置不平衡，导致散热不平衡。方案优化：为了减小零件内外表面温度差异，就得在冷却水路上下手。这里的改进方案是：修改内表面水路形状以配合外表面；其次，根据零件特征零件内表面散热相对困难，所以适当将内表面水路靠近零件，使内表面水路距离零件15mm而外表面水路距离零件仍为20mm。如图2.7-8、2.7-9：图2.7-8 原始冷却水路图2.7-9 优化冷却水路优化结果：模具表面温度变化，如图2.7-10 图2.7-10 模具温度 优化前（左） 优化后（右）可以看到，优化结果是模具内表面温度分布更加均匀，基本控制在4以内。这对一直冷却不均变形有着重要的意义。零件温度曲线xy图，如图2.7-11： 图2.7-11 零件温度曲线xy图 优化前（左）优化后（右）可以看到，选取零件上相同的五个点，优化效果很明显：优化前，零件内外表面温度差异最大达到2.4，而优化后零件内外表面最大温度差异只有0.6。因此优化方案能很好的抑制冷却不均变形。2.8 保压分析及优化保压是充填结束后一个重要阶段。良好的保压力控制有助于减小塑件收缩，提高塑件的外观质量。保压时间过长或过短都对成型不利。过长会使得保压不均匀，残余应力增大，塑件容易变形，甚至应力开裂；过短则保压不充分，塑件体积收缩严重，表面质量差。根据前面分析结果，工艺设置为，模温80、料温300、注射时间0.62s，经过0.1s设备响应时间进入保压，保压时间为10s压力为最大压力的80%。如图2.8-1：图2.8-1 保压分析工艺参数设置分析结果：1. 顶出时刻收缩率如图2.8-2：图2.8-2 制件顶出时刻收缩率可以看到，在零件边角处收缩率较大，在1.55%左右，在零件浇口处收缩率在0.1%左右。而在主流道和潜伏式浇口部分位置收缩率为负，也就是说这部分料会有轻微膨胀，但是幅度不大。也就是说主流道浇口处可能有过保压，而浇口远端（零件四角处）保压力相对较小导致收缩率较大。也有可能是收缩率为负部分剪切过大，泄压后恢复膨胀。但对比材料允许的收缩率，这些都是是可以接受的。2. 冻结层因子如图2.8-3：图2.8-3 冻结层因子可以看到在3.4s左右零件基本都已固化，浇口和流道还没固化。这说明浇口最后固化，对于保压来说是合理的。3. 压力xy图，如图2.8-4：图2.8-4压力xy图从图中可以看到，所选择的四个点整个注射过程中压力变化。其中浇口附近注射结束后保压力最大，而其它三个边角位置保压力最小。所以浇口附近收缩最小，而边角位置收缩较大。符合前面体积收缩结果。4. 收缩痕估算如图2.8-5：如图2.8-5 收缩痕估算可以看到，收缩痕基本没有，所以说明当前的工艺设置是合理的。保压优化：根据前面结果，零件充填末端收缩率大，所以欲减小充填末端收缩率可以延长恒压保压时间。因此对保压曲线进行修改。根据前面数据，充填末端在0.83s压力达到最大，4.3s压力将为0，如图2.8-6。取中间值3.5s作为恒压降压转换点。图2.8-6 充填末端压力变化图而整个注射过程中，在0.72s进行速度压力切换，所以取2.8s作为恒压时间。同时通过冻结层因子可以看到浇口在4.3s凝固，如图2.8-7。所以取0.8s时间泄压。同时要考虑0.1s设备响应时间。图2.8-7 浇口凝固时间优化