毕业设计（论文）-基于CAE的手机外壳注射成型模拟分析.doc

2011届本科毕业设计（论文）资料第二部分 设计说明书（2011届）本科毕业设计（论文）基于CAE的手机外壳注射成型模拟分析学 院（部）：包装与材料工程学院 专 业：高分子材料工程 学 生 姓 名： 班 级：高071班 学号 指导教师姓名： 职称 工程师 最终评定成绩 2011 年 06 月湖南工业大学本科生毕业设计（论文） 湖南工业大学本科毕业设计（论文）基于CAE的手机外壳注射成型模拟分析学 院（部）：包装与材料工程学院 专 业：高分子材料与工程 学 号：07404300106 学 生 姓 名：周 旺 龙 指导教师姓名：黄宇刚工程师2011年 06月38摘 要 本文采用Pro/Engineer（Pro/E）进行手机外壳的computer-aided design（CAD）三维造型，且利用Moldflow Plastic Insight（MPI）软件对其注塑成型过程进行分析模拟，包括充填、流动、保压、冷却等各个方面，获得了最佳浇口位置、熔接痕位置、困气、流动时间、压力和温度分布的准确信息。对浇口位置进行优化，选出最佳的进浇位置方案。以优化后的进浇方案为进浇点，设计浇注系统，然后进行了翘曲变形分析的正交试验。翘曲变形是注塑成型过程的综合反映，文中的变形分析以翘曲变形量作为质量指标。采用多因素正交试验的方法进行变形分析，获得了塑料聚碳酸酯（PC）/丙烯腈-丁二烯,苯乙烯共聚物（ABS）在熔料温度、保压压力、冷却时间三个因素三水平下成型手机外壳，比较了不同工艺参数对翘曲变形量的影响程度，得到了优化的工艺参数组合。经过优化后的进浇位置和工艺参数方案，使得产品的翘曲变形量从0.2321mm降到0.1761mm；注塑冷却时间由20 s降到了15s；气泡问题也有了明显的改善。这对于提高塑件制品质量、缩短生产周期、提高模具设计水平等都具有重要的指导意义。关键词：moldflow，塑料，注射成型,工艺参数优化ABSTRACT In this paper, Pro / Engineer (Pro / E) for mobile phone shell computer-aided design (CAD) three-dimensional modeling, and the use of Moldflow Plastic Insight (MPI) software to analyze their simulation of the injection molding process, including filling, flow, pressure, cooling and other aspects, access to the best gate location, location of weld lines, air traps, flow time, pressure and temperature distribution of accurate information. Optimization of gate location, select the best location of the program into the water. To optimize the program after the injection into the pouring point, gating system design, followed by a Warp orthogonal test. Warpage is a comprehensive reflection of the injection molding process, the text in the amount of deformation of the warp as a quality indicator. Multi-factor orthogonal deformation analysis methods to obtain the plastic polycarbonate (PC) / acrylonitrile - butadiene, styrene copolymer (ABS) in the melt temperature, packing pressure, cooling time of three factors three levels forming cell phone case, comparison of different process parameters on the warp deformation of the degree of influence, has been optimized process parameters. The optimized process parameters into the pouring position and the program, allowing for reduced warping deformation from 0.2321mm 0.1761mm; injection cooling time from 20 s down to the 15s; bubble problem has also been significantly improved. Plastic parts for products that improve quality, shorten production cycle, improve the mold design level and so has important significance. Keywords：moldfolw, plastic, injection molding, process parameter optimization目 录 第1章 绪论11.1 引言11.1.1 研究背景11.1.2 研究意义11.1.3 发展趋势11.2 模拟过程的理论基础21.2.1 注射成型原理21.2.2 塑料的塑化31.2.3 螺杆式塑化过程31.2.4 注塑过程41.3 注塑CAE技术理论51.4 本论文主要任务6第2章 手机外壳建模72.1 手机产品造型72.2造型前工作设定72.3 实体的创建72.4实体造型的特征分析与优化设计8第3章 手机外壳注射成型预分析93.1 产品成型条件93.2 最佳进浇位置预分析123.3 最佳浇口位置成型分析133.3.1 Flow分析结果143.3.2 Cool分析结果15第4章 进浇位置优化174.1 进浇位置设计方案174.2 进浇位置方案分析结果比较194.3 小结26第5章 翘曲优化方案研究275.1 翘曲变形正交试验研究275.1.1 实验条件假设275.1.2 工艺参数275.1.3 浇注系统和冷却水路设置285.1.4 翘曲变形试验分析295.2 分析31结论33参考文献34致谢36第1章 绪论1.1 引言1.1.1 研究背景注射成型是聚合物材料的主要加工方法之一，其生产效率高，能成型外形复杂、尺寸精确或带嵌件的塑料件。该方法成型的制品约占塑料制品总量的20%30% ,其中工程塑料制品约80%是采用注射成型制得的1。伴随着注塑模具工业的飞速发展, 对塑料制品的质量要求越来越高，如塑件的高精度、轻量化、高强度等等，传统手工设计模具的方法已无法适应当前的形势对于任何注射成型模具来说，最重要的是控制熔融塑料在模具中的流动方式。产品的许多缺陷（如气孔、翘曲等）影响了制品的力学性能和外观质量，使制件难以满足现代工业的要求，而所有这些都与熔融塑料在模具中的流动方式有关。其相关模具及工艺技术逐步成为模具行业CADCAE技术研究的热点领域2。1.1.2 研究意义本论文主要针对注塑成型过程进行研究，通过对典型案例的分析，尝试利用CAE技术来寻求最佳解决方案。通过该毕业论文，综合所学专业知识，熟练的运用塑料成型的基本理论知识及各种专业软件，培养在实际生产中分析问题和解决问题的能力，加深理论知识的理解，强化实际中的感性认识。设计过程也是理论联系实际的过程，能培养理论联系实际的设计思想，并学会使用手册、查询相关资料等，为以后的工作奠定坚实的基础。1.1.3 发展趋势塑料产品从设计到注塑生产包括塑料制品设计、模具结构设计、模具加工制造和注塑成型等几个主要方面，它需要产品设计师、模具设计师、模具加工工艺师及注塑工艺师协同完成，是一个设计、修改、再设计的反复迭代、不断优化的过程2。传统的注塑模具设计主要依靠设计人员的直觉和经验，模具设计加工完以后需要经过反复的调试与修正才能正式投人生产，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，这种生产方式制约了新产品的开发。利用CAE技术分析软件在模具加工之前，在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析，包括填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力、收缩以及气辅成型和热固性材料流动分析，找出未来产品可能出现的缺陷，提高一次试模的成功率，以达到降低生产成本、缩短生产周期的目的。实践证明，塑料注射成型模拟技术对加快塑料制品的新产品开发、提高塑料制品质量、降低成本起着关键作用3。，塑料产品、塑料模具的设计不但要采用CAD技术，而且还要采用CAE技术，这是必然的发展趋势。美国Moldflow公司是专业从事注塑成型 CAE软件开发的公司，自1976年发行了世界上第一套流动分析软件以来，一直主导着注塑成型CAE软件市场。Moldf1ow采用边界元法(BoundaryElement Method)对模具的温度场进行三维模拟，对于制品在其厚度方向上采用解析解来计算温度分布，并通过制品的热流量将二者完全耦合进行迭代求解。同时将模具的温度场与冷却管道中冷却介质的能量方程联立起来求解，因此可以可靠地计算制品模具及模具冷却介质间的界面温度4。近几年在汽车、家电、电子通讯、化工、日用品等领域得到了广泛应用。本文采用的CAE分析软件是著名注塑成型模拟分析软件 Mold Flow Plastics Insight 6.1（注塑成型模拟分析，简称MPI），利用其的流动（MPIFLOW）、冷却（MPICOOL）、翘曲（MPI/WARP）分析模块对一个手机外壳进行模拟流动分析，通过进浇位置、翘曲模拟分析优化设计。1.2 模拟过程的理论基础1.2.1 注射成型原理注塑是将塑料熔体以高压高速注入闭合的模具型腔内，经冷却定性后，得到和模具型腔一致的塑料制品的成型方法。用注塑的方法加工塑料制品，不仅精度高、质量好，而且生产效率高，可以加工出外形复杂、花纹精细的模制品。塑料因具有美观轻巧、耐磨耐腐蚀、优异的绝缘性能，已备受人们关注。随着经济的发展和科学技术的进步，使用塑胶制品的数量与日俱增，并且广泛应用于国民经济各个部门。注塑的必要条件为：a，塑料必须以熔融状态注入型腔；b，熔融塑胶必须具有足够的压力和速度，以保证能及时充满型腔。注塑机必须具备塑化、注射和成型三个基本功能。注塑机主要由注射装置和锁模装置两大部分组成。注射装置的主要功能是完成塑料的塑化和注射。因此注射装置应具有塑化良好、计量精确，且在注射时能给熔融塑胶提供足够的压力和速度。锁模装置应确保模具能可靠开合，使模具完成成型的基本功能。锁模装置还应具有足够的锁模力，以防止注射时，高压熔体将模具撑开，使制品产生溢边或精度下降。1.2.2 塑料的塑化注塑中的塑化过程是将固体状的塑料粒料（或粉状料）经过加热、压实、混炼，使之转变为均化的黏流态的过程。所谓均化，是指将塑料熔体混合起来，使温度达到均匀分布，并使塑料熔体具有均匀的密度，黏度和成分。因此在塑化过程中，最重要的是应该保证塑料熔体能达到要求的温度，并能保证塑料熔体的温度具有最大的均匀性。所以影响塑化过程的重要因素是热量导入和转换条件5。由于本文只涉及到螺杆式注塑机，所以下面我们来介绍一下螺杆式塑化过程。1.2.3 螺杆式塑化过程塑料通过转动的螺杆的输送作用，不断沿螺槽方向向前运动。塑料在这种运动的过程中，经历了料筒的加热、螺杆摩擦热及剪切热的共同作用，逐步受热软化，最后成为熔体（即处于熔融黏流状态）。熔体在螺杆的转动作用下被推至螺杆头部并储存在料筒前端的头部（即存料区），随着存料区熔体的增多，熔体在存料区内占用的空间也逐步变大，存料区中熔体对螺杆产生反作用力，反作用力作用于螺杆上推动螺杆往后退，螺杆能否后退及后退速度的大小取决于螺杆后退所要克服的各种阻力的大小（如摩擦阻力、注射油压缸内工作油的回泄阻力即注射油缸的背压）。螺杆后退至一定距离后，停止转动，存料区总熔体体积也就确定下来，此时预塑计量过程便结束。注射时，螺杆作轴向移动，将存料区中经计量好的熔料射入模腔中。综上所述，塑料在注塑螺杆中的塑化过程分为三段，依次为固体输料区、熔融区、熔体输送区。注塑螺杆的塑化过程主要发生在螺杆的熔融区。塑料熔体在螺槽内作横向流动，使塑料熔体在螺槽内产生翻转运动并形成环流，这样就促进了物料的混合，所以在径向上熔体温度可达到很大程度的均匀性。注塑螺杆工作时一边转动一边后退，注塑螺杆的塑料过程是螺杆轴向后退移动的计量过程，螺杆的后退使螺杆的有效工作长度减短，这样塑料在注塑螺杆的一次塑化过程中，先前和其后加入的塑料所受的热经历就存在明显差异。因为注塑螺杆的塑化能力随螺杆有效工作长度的缩短而逐渐下降，同时塑化了的熔体温度沿螺杆轴向长度上的分布是不均匀的。在轴向上仍然保持一定程度上的不均匀性。1.2.4 注塑过程已塑化的塑料以熔融状态储存于机筒的存料区中，在螺杆注射压力的作用下，熔料以一定的速率流经机筒、喷嘴、模具浇注系统等处儿注入模腔中。螺杆注射时作用在熔料上的压力因要克服熔料所流经的各部分流动阻力而逐渐下降。熔料能否充满型腔，主要取决于注射压力、注射速率、熔料温度、模具温度、浇口及喷嘴的形状与尺寸等因素。在其他工艺条件一定的情况下，熔料所能流过的路程长短，主要取决于熔料的压力和流动速度。1.2.4.1 熔体在喷嘴区中的流动喷嘴是注塑机的机筒于模具之间的连接装置，当注射时，在螺杆推力的作用下，熔体以很高的流动速度通过喷嘴而流入模腔。当熔体以高速流经小孔径的喷嘴时，会受到很大的剪切作用，此时有部分压力能经阻力损失而转变成热量，使熔体温度上升，并起到进一步塑化和均化的作用。此外，另一部分压力将转变成速度能，使熔体流速加快。因此，喷嘴结构及尺寸影响注射时熔体的压力损失和温度变化。1.2.4.2 熔体在模腔中的流动在塑料的注塑过程中，模腔压力随注射时间的变化而变化。由于影响模腔压力大小和分布的因素很多，诸如注射装置的类型、制品和模具结构、成型工艺条件等。所以在加工同一制品时，所使用的注射压力相差很大。成型制品的质量与熔料在注塑充模时的状态有密切的关系，而充模压力则是描述熔料流动及其状态变化的重要参数。根据注射过程模腔压力的变化情况，把注射过程划分为如下几个阶段：（1）充模阶段：塑料熔体经浇口注入模腔内并逐步充模模腔。（2）压实阶段：在注射压力的作用下，把模腔内的熔料压实增密，模腔压力急剧上升至最大值。（3）保压阶段：模腔内物料因模具的冷却作用而产生收缩，在保压压力作用下，少量的熔体流入模腔进行补料增密，此阶段的模腔压力开始缓慢下降。（4）倒流阶段：此阶段只发生在模具浇口没有封闭，而保压时间提前结束时的情况，此时模腔内高压熔体将向外倒流，模腔压力快速下降，直至浇口封闭时为止。（5）冷却阶段：因浇口已封闭，此时没有熔料进入或倒流出模腔，模腔压力随冷却而逐步下降，直至开模顶出制品为止。1.2.4.3 开模顶出制品 开模顶出制品是成型周期的最后一个阶段。开模顶出时间是影响注塑机生产效率的关键因素之一，同时对制品顶出后的后续变形和尺寸稳定性有着重要的影响。对于非结晶型材料，确定开模顶出制品的时间应同时满足以下两个条件：（1）压力条件：开模顶出时，模腔内压力应为零。（2）温度条件：模腔内制品截面的温度情况决定了制品的冷凝层厚度，为了提高制品尺寸稳定性，应把中心层温度达到玻璃化温度时的时间作为确定开模顶出时间的另一个条件。1.3 注塑CAE技术理论注塑CAE技术就是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论,建立塑料熔体在模具型腔中流动、传热的物理模型,并利用计算机理论构造其求解方程,最终利用计算机图形学技术在计算机屏幕上形象、直观地模拟出实际成型中熔体的动态充填、保压和冷却过程等,定量给出成型过程中的状态参数如压力、温度、速度等6。Moldflow软件根据高分子流变学、弹性力学和计算机技术采用有限元计算方法来模拟整个注塑过程及这一过程对注塑成形产品质量的影响7。Moldflow软件将试验数据用两种公式表示，变成计算机能够处理的数据形式，见式(1)、式(2)。= exp CT (1)其中，为粘度；为剪切率；T为温度；为粘度系数； 为剪切系数；C为温度系数=A1+A2X+A3Z+A4X2+A5XZ+A6Z2 (2)式中：为粘度；X为剪切率；Z为温度；A1A6是多项式的6个系数该软件用三维有限元迭代法来预测熔融体流动路线，即熔融体从模具浇口流动到模腔内最后充满的那一点的路线它通过对模具型腔进行液体的有限元网格划分，取得熔融体流动前锋位置的节点，计算时从原点已经计算出来的熔融体前锋某一节点开始，向与节点相连的另一组节点过渡。在计算过程中，自动调整迭代参数以及其他相关系数来求解非牛顿流体、非等温状态下的流动方程和热传递方程，完成一次计算，熔融体流动前锋的位置向前增加一点，最后模拟出熔融体的流动充型过程。它可以模拟塑料制品在注塑成形过程中的流动、保压和冷却过程以及预测制品中的应力分布分子取向收缩和翘曲变形等，帮助设计人员及早发现问题，及时修改模具设计，提高一次试模成功率，帮助企业缩短产品上市周期，增强市场竞争能力8。1.4 本论文主要任务 本课题的主要工作有以下几方面：1）运用三维软件pro/E进行手机外壳建模，并且将手机外壳模型转化成stl格式；2）了解成型手机外壳所用材料的特性参数；3）运用Moldflow软件对手机外壳模型进行浇口位置分析，得到成型的基本参数；4）对手机外壳模型的进浇位置进行优化，并进行分析，分析结果，选出进浇位置最佳的方案；5）以第四步优化后选出的进浇位置方案为进胶点，建立浇注系统和冷却系统，以保压力，熔体温度，冷却时间为变量进行正交实验，优化工艺参数，以获得翘曲量最小的工艺参数方案。第2章 手机外壳建模2.1 手机产品造型在传统的异型产品设计、模具设计和加工当中，往往是根据经验设计零件外形， 通过手工做模来进行模具设计和加工、加工出来的产品，往往一次不能满足要求。这就要求不断修改产品设计，从而导致修模，甚至整个模具报废，致使产品开发周期加长， 成本大大增加；采用最新CAD /CAE /CAM - Pro /Engineer软件来实现三维设计； 可以大大缩短产品研究周期、模具设计和加工周期；提高产品设计的准确性,降低产品开发和模具成本。Pro /E是美国PTC公司开发CAD /CAM软件，它是新一代的产品造型系统，具有参数化设计，三维实体模型，特征驱动和单一数据库功能等特性。Pro /E软件采用面向对象的统一数据库和参数化造型技术，具备概念设计、基础设计和详细设计的功能，为模具的集成制造提供了优良的平台。它有如下功能:特征功能；参数化；通过零件的特征值之间；载荷/边界条件与特征参数之间的关系来进行设计；支持大型、复杂装配件的设计；贯穿所有应用的完全相关性，即任何一个地方的变动都将引起与之有关的其它功能变动。2.2造型前工作设定下面就以手机壳为例具体讲述Pro /E的CAD 技术在手机产品设计中的应用； 手机产品的三维造型设计。基本思路是由点线面实体；采用基于参数化、特征的三维实体造型技术完成整个产品的设计9，10。在造型前, 在硬盘上设立相应的工作目录， 之后在新建的零件目录下进行相应的设置，具体有下列项目：绘图精度的设定、单位设定、公差设置等， 具体的数据可视情况而定。2.3 实体的创建起先在基准平面下进行草绘：建立中心线，绘矩形135mm*55mm； 运用拉伸工具，拉伸高度30mm，生成最初模型长方体；在长方体直接采用切减或绘制一定的曲面外型合并再切减生成具体外型， 再进行相应的倒角；运用壳特征进行抽壳，使得变成有一定厚度的壳体；在此基础上运用打孔或者拉伸工具，并利用阵列等特性绘制手机按键； 屏幕区的绘制切除，不同的特征有不同的绘制方法，可根据自己所绘实体相应变动，总之具体方法大同小异，只是曲面的绘制有难易而已。对曲面特征的修改也是必不可少的, 因为对于工业产品来说, 一步到位是非常困难的,， 需要不断地修改；具体修改可借助Pro /E的参数化功能， 快速对手机壳子模型做修改，其操作非常方便。手机外壳体三视图： 图2.1手机外壳三视图2.4实体造型的特征分析与优化设计对工业产品来说，除了外观上的考虑， 还要对其特性做一些分析, 如模块的体积、表面积、重心等，也需要对模型中的点、线、面的位置特点做一些分析, 具体步骤如下： 在菜单栏的AnalysisMolding a2nalysisType中选取要分析的内容进行分析。接下来针对手机壳子作最优化设计, 目的是通过控制壳体的厚度来达到规定的模型质量。其具体步骤：( 1) 选取最优化参数的具体数据；( 2)设置具体的优化参数；( 3) 设置可控制的尺寸参数；(4) 通过软件优化，获取优化结果；( 5) 根据需要再次优化计。第3章 手机外壳注射成型预分析分析的基本流程包括建立新的工程项目，导入CAD模型，划分网格，诊断和编辑网格，选择分析类型，选择成型材料，选择浇口位置，工艺参数采用默认，创建冷却系统，然后开始分析，最后生成分析报告。由于是初步成型分析，所以在成型工艺参数设置过程中均保留程序默认设置。3.1 产品成型条件在上述pro/e软件建模的基础上,并删除不必要的细节如倒角,通过pro/e软件的导出工具，将手机外壳模型转变为stl 格式；运行Moldflow软件，将转换好的stl格式的手机外壳导入Moldflow进行分析。材料选择：标准材料库中的Cyeoloy C2950 HF标准；材料名称为：丙烯腈-丁二烯苯乙烯共聚物ABS+PC，属于无定型塑料。此ABS+PC的物理属性见表3-1：表3-1比热容cp (J/Kg)玻璃化温热扩散率Tg( ) 泊松导系数(pmm)弹性模量 E(MPa)泊松比 ，u 导热系数 K(wmoC)187014473.32.28*103 0.23 0.27此材料在MoldFlow材料库中推荐的模具温度和熔融温度：(a)模具温度范围在6082，推荐值为7l；(b)熔体温度范围在248285。推荐值为267，最大为325。另外，此材料最大剪切应力为0.4MPa；最大剪切速率为40000(1/s)。综合考虑注塑件尺寸和计算效率,采取fusion网格进行分析,设置Global Edge Length为2 mm,单击Mesh Now即可生成有限元模型,见图3.1。模型导人Moldflow后还需要网格划分，对于本实例利用了fusion(表面)网格进行划分。fusion网格是双层面网格，它创建在模型的上、下2层表面上，一般用于薄壁实体模型的分析。双层面网格采取了一系列相关的算法，将沿中面流动的熔体转化为上、下表面协调流动的双股流9-10，不过它必须将所有表面网格的节点进行厚度方向上的匹配，低于50的匹配率将会导致分析失败。图3.1 产品有限元模型然后用Mesh Statistics (网格状态统计)命令查看网格的状态信息,结果如下: 三角形单元13960个,节点单元6938个,连通域1 个,交叠边数量0个,模型体积10.3881 cm3 ,表面积157.539cm2 ,与PRO/e软件的计算结果(体积为10.3881cm3 ,表面积为157.556cm2 )基本一致。在自由边、交叉边和纵横比方面有些缺陷,可以用Moldflow自带的网格修复工具消除,然后进行注塑分析。图3.2 剪切速率黏度曲线如图3.2显示在四种温度下（每一种温度对应不同的颜色和图标形状），黏度和剪切速度的关系。在相同温度下，剪切速率越高，塑胶黏度越低；剪切速率相同时，温度越高，塑胶黏度越低。单击对话框左下角的查询按钮，当温度为285，剪切速率由1.000s-1增加至10000s-1时，黏度由174.64Pa/s降至36.6612Pa/s；在剪切速率接近100 s-1时，当温度由285降至272.7时，黏度由159.57Pa/s增到224.095Pa/s。所以在注射过程中，增加剪切率和提高熔体温度都是降低熔体黏度、改善塑胶流动性的途径。 图3.3PVT曲线如图3.3显示在五种不同载荷下（每一种载荷对应不同的图标形状），温度和体积比容的关系。在相同载荷下，塑胶体积会随着温度的升高而膨胀；温度相同时，载荷越大，塑胶的体积越小。单击对话框左下角的查询按钮，当载荷为100MPa，温度由25升至285时，塑胶的体积也0.875042 cm3/g由变为0.95297cm3/g；温度为269.082不变，载荷由0MPa增加至200MPa时，塑胶的体积由1.02044cm3/g缩小至0.907486cm3/g。在注射过程中，塑胶的体积会随着温度的降低而收缩；保压阶段在保压压力补缩的作用下降型腔内的塑胶压实；位置塑胶的体积不变；冷却阶段和开模后，在温度由高温降至室温这一段时间内，塑胶产品会继续收缩，直至产品尺寸稳定为止。3.2 最佳进浇位置预分析为了更好地设置浇口位置，利用MoldflowMPI软件中的Gate Location分析模块，在分析类型中设为“浇口位置”，进行浇口位置分析。实验步骤:1) 打开电脑，运行Moldflow软件；2) 点击“文件”，“新建工程”，输入工程名称；3) 点击“文件”,“导入”，选择手机模型文件，点击“打开”，手机外壳模型导入Moldflow软件中；4) 选择材料，材料类型为“Cyeoloy C2950 HF”；5) 选择分析类型，点击“分析”，在下拉菜单中选择“浇口位置”6) 工艺参数采用默认；7) 以上参数设置好后，点击“立即分析”，软件就开始进行分析。 图3.4 预分析最佳浇口位置如图3.4所示，根据此分析结果，我们可以来分析制品的最佳进浇位置（节点262）。在实际工作中，对模具设计者而言，经验往往占据着主导性，但是光凭经验来进行设计，是不能完全具备说服力的，所以我们应该借助软件的分析，再辅以足够的成型经验，那么我们的一定能得到最佳优化结果。可以看出，蓝色处属于最佳进浇点位置，浅蓝色和绿色处稍差些，红色处位于制件边缘，充型长度较大且流动不平衡，比较差。3.3 最佳浇口位置成型分析在上述的分析中，得到Moldflow软件分析的最佳浇口，预分析的浇口选择节点262作为浇口位置，建立浇注系统，运用建模工具，先建立点，再建立线，最后进行网格分析，浇注系统如图。图 3.5 浇注系统冷却系统采用两排冷却水管，水管数为8支，直径为8 mm,距离制品的距离为20mm ,水管之间的距离为15mm,冷却水管超出产品外20mm.冷却水温为25。图3.6冷却系统3.3.1 Flow分析结果Flow分析用于预测热塑性高聚物在模具内的流动，其分析结果主要有填充时间、速度/压力转换时的压力、气穴及熔接痕等。实验步骤如下:1） 打开电脑，运行Moldflow软件；2） 点击“文件”，“新建工程”，输入工程名称；3） 点击“文件”,“导入”，选择手机模型文件，点击“打开”，手机外壳模型导入Moldflow软件中，4） 建立浇注系统如图3.5，设置浇口；5） 选择材料，材料类型为“Cyeoloy C2950 HF”；6） 选择分析类型，点击“分析”，在下拉菜单中选择“冷却+流动+翘曲”；7） 建立冷却系统，按照图3.6中的冷却水路建立冷却系统，工艺参数采用默认；8） 以上参数设置好后，点击“立即分析”；软件就开始进行分析； 图3.7 填充时间 图3.8 V/P转换点压力 图3.9 气穴分布 图3.10 熔接痕分布如图3.7所示，手机前盖是在0.5529s的时间内完成熔体填充，熔体从浇口往两边同时流动。红色区域为最后填充区域，话筒部分和听筒部分的填充时间有一定，这说明不能够保证填充平衡。如图3.8所示，转换点浇口压力为76.24 MPa。图中浇口位置的压力在通过转换点后有76.24 MPa降低为保压压力62.99 MPa，在此压力控制下继续充满整个型腔，然后进入保压阶段。如图3.9，3.10所示，分析预测的产品上气穴非常明显，熔接痕也很明显，这样的模拟结果很不理想，在实际生产如真的产生这样的气穴和熔接痕，那么制件会很容易发生断裂现象。因此，在进一步的优化分析中需要努力修缮这些缺陷。3.3.2 Cool分析结果冷却分析用来分析模具内的热传递，主要包含塑件和模具的温度、冷却时间等。Cool阶段对制件质量影响非常大，冷却的好坏直接影响着制件的最终表面质量、制件残余应力和结晶度等。冷却时间的长短决定了制件脱模时的温度和成型周期的长短，直接影响到产品成本的高低。 图3.11冷却剂温度 图3.12 制件最高温度图 图3.13制件冷凝时间 图3.14 冷却剂流速如图3.11所示，冷却介质最低温度与最高温度之差为0.16，而最高温度与室温差不多，也就是说，整个冷却系统模拟所产生的效果是比较理想的。如图3.12所示，制件的最高温度为47.28，这比制件顶出时的默认设置温度90小得多，说明冷却有很大的调节空间。图3-13所示为制件冷凝时间，图3-14所示为冷却剂流速，这些数据可以作为调整工艺参数时的参考数据和判断依据。第4章 进浇位置优化填充分析主要根据动态的填充结果来查看填充行为是否合理，填充是否平衡，能否完成对制件的完全填充等。避免出现短射以及流动不平衡等问题，同时尽可能采用较低的注塑压力、锁模力，以降低制件生产对注塑机的参数要求。浇口位置和数目对流动平衡影响很大，对于复杂制件，往往无法确定合适的浇口位置和数目以保证型腔内的流动平衡，利用流动分析，可以很快地预测到不同浇口位置和数目对流动平衡的影响11。4.1 进浇位置设计方案浇口数量的多少影响产品的成型质量，浇口数量较多，熔体在型腔中流动的流程较短，所需注射压力较低，但可能会使熔接痕的数目增多；相反，如果浇口数量较少，尽管熔接痕的数目可能会减少，但由于流程较长，所需的注射压力较高，制品内的残余应力也相应增高，并可能会导致注塑件产生翘曲变形12，13。根据产品的表面质量和使用要求，按照前面分析得出的最佳浇口位置，根据产品和模具设计要求，设计了6种不同的浇口方案。方案1 单浇口 浇口位于预分析得到的最佳浇口位置（节点262）。方案2 双浇口 浇口分别设在预分析的最佳位置（节点262）和听话筒固定柱内（节点4798）。方案3 三浇口 浇口分别设置在预分析的最佳位置（节点262），听话筒固定柱内（节点4798）和按键固定板下边缘中点（节点2038）上。方案4 三浇口 浇口分别设置在显示屏的下边缘左侧（节点204），听话筒固定柱外（2283）和按键固定板下边缘右侧上（节点3079）。方案5 四浇口 浇口分别设置在按键固定板边缘（节点1046），按键固定板（节点1951），听话筒固定柱边（节点4610），支撑固定板边缘左侧上（节点1836）。方案6 四浇口 浇口分别设置在按键固定板边缘（节点3048），按键固定板（节点2283），听话筒固定柱边（节点103），支撑固定板边缘左侧上（节点1855）。浇注系统设置如下图： 方案1 方案2方案3 方案4 方案5 方案6 图4.1六个方案浇注系统设计4.2 进浇位置方案分析结果比较六种浇口方案的注塑工艺参数均设置相同，只是浇口位置和数目有所不同。进行MoldflowMPI软件中流动、翘曲模拟分析以后，得出以下主要的分析结果。实验步骤:1） 打开电脑，运行Moldflow软件；2） 点击“文件”，“新建工程”，输入工程名称；3） 点击“文件”,“导入”，选择手机模型文件，点击“打开”，手机外壳 模 型导入Moldflow软件中，4） 浇注系统按照图2.16中的各个方案，设置浇口位置；5） 选择材料，材料类型为“Cyeoloy C2950 HF”；6） 选择分析类型，点击“分析”，在下拉菜单中选择“冷却+流动+翘曲”；7） 建立冷却系统，按照图2.7中的冷却水路建立冷却系统；8） 工艺参数采用默认；9） 以上参数设置好后，点击“立即分析”；软件就开始进行分析。翘曲变形、气穴、溶解线分布图分别见以下： （a）填充时间图 （b）气穴分布图 （c）熔接痕分布图 （d）翘曲变形图 图4.2进浇位置方案1模拟结果充填模式如图所示，在结果表中，可以看出方案1的总质量为11.0142g，明显比其他方案的总质量少了1g,可以断定未充满，发生短射现象。短射是熔体无法充满整个模穴的现象，特别是薄肉厚或流动路径的末端区域。任何会增加熔体流动阻力，或是妨碍足量塑料流入模穴的因素，都可能造成短射，包括：(1)射出塑料剂量不足，进料遭异物阻塞、止回阀磨耗等造成注射压力不足或漏料；(2)流动阻力太大，可能是塑件肉厚太薄、浇口位爱不当、或是流道与浇口长度太长；(3)熔体流动性不足，可能是熔体温度或模具温度太低；(4)排气不良，排气孔不当，造成模穴压力高涨，无法充填完全；(5)注塑机注射压力不足、注塑体积不足、注塑速度太低、料筒温度太低、塑化能力不足。原因在于熔体流动阻力太大或流动路径阻塞。太低的注塑速度可能使塑料在充饱模穴之前就凝固；(6)迟滞效应使塑料提早凝固、不良的充填模式或是过长的射出时间。 （a）填充时间图 （b）气穴分布 （c）熔接痕分布 （d）翘曲变形图4.3进浇位置方案2模拟结果方案2减小了注塑压力，充填模式如图所示，不发生短射现象。图中从兰色到红色表示充填的先后次序。但是先后填充的时间间隔较长，为浇注不平衡的表现。评估充填情况质量的标准主要有两个：是流动是否平衡，二是各个参数是否超过材料的许可值。本方案的充填不均匀，注塑件上侧边沿部分比下侧边沿部分先充满。这将引起制品中间部分过保压，导致收缩不均匀。这是制品导致翘曲变形的三个原因之一。 （a）填充时间 （b）气穴分布 （c）熔接痕分布图 （d）翘曲变形图图4.4进浇位置方案3模拟结果图4.4为方案3充模注射压力为133.63MPa，制件的总质量达到12.4368 g，远超过其他方案的质量0.4g左右，发生过保压现象。引起体积收缩率不均匀，引起翘曲变形达0.7994mm；气泡分布也不是很理想，在正表面上存在气泡，影响表面质量。 （a）填充时间图 （b）气穴分布图 （c）熔接痕分布图 （d）翘曲变形图图4.5进浇位置方案4模拟结果图4.5(a)为充填模式，可以看出充填流动平衡，不发生过保压现象。如图4.5(d)所示为制品相对于图中所示坐标系总的变形量。但是体积收缩率有所增加，达到7.7960%。气泡分布也不是很理想，在正表面上存在气泡，影响表面质量。翘曲变形量较大，对外壳组装有一定的影响。 （a）填充时间 （b）气穴分布图 （c）熔接痕 （d）翘曲变形图4.6进浇位置方案5模拟结果图4.6(a)为充填模式，可以看出充填流动较为平衡，冷却后体积收缩率越大。如图4.6 (d) 所示为制品相对于图中所示坐标系总的变形量。最大变形有所减低，变形情况比实验四有所改善。 （a）填充时间图 （b）气穴分布图 （c）熔接痕 （d） 翘曲变形图4.7 进浇位置方案6模拟结果图4.7(a)为充填模式，可以看出在六中方案中，方案六的充填流动最为平衡。只要成型条件稍有变化，充填模式就可能改变，造成不平衡的充填口14。冷却后体积收缩率越较小。如图所示为制品相对于图中所示坐标系总的变形量。最大变形有所减低为0.2321mm，变形情况比实验五有所改善。表4.1 六种进浇位置方案模拟结果性能 方案1 方案2 方案3 方案4 方案5 方案6产品质量/g11.0142 12.0287 12.436812.0385 12.0881 12.0632 填充时间/s0.5533 0.5405 0.6516 s0.3231 0.4265 0.5189冷却时间/s20.1418.2519.5319.90 19.65 19.90 1835 1847 1012最大充模压 力/MPa76.518190.1540 133.6330 88.2453 99.4419 103.521 最大体积收缩率，%7.7879 7.3886 7.3886 7.7960 7.3830 7.4828总体最大变形量 /mm0.48960.32380.79940.3433 0.3089 0.2321手机外壳外观质量要求高，同时考虑到用要求，熔接痕和翘曲变形是主要综合考虑的缺陷。方案5、方案6跟方案1、方案2、方案3、方案4相比，熔接痕情况得到了很大的改善，绝大部分偏离了应力集中和结构薄弱的部位，而且气穴数量有所减少，并且向产品的外部边缘处移动，有利于排气。因此有望获得较好的外观质量。方案5跟方案6比较，熔接痕分布、气穴数目和气穴分布差不多，较为理想。但方案6对比方案5，有以下优点：总体最大变形量减少，外观质量可以改观；产品质量有所减轻，有利于节省原料，减少成本；最大充模压力降低，实际生产中有利于降低生产成本；填充时间有所降低，有利于均匀填充。综合以上分析结果，推荐方案6作为手机外壳的浇口方案，从而保证制品的质量。4.3 小结从以上分析可以看出，浇口的位置和数目对于产品的质量有很大的影响。浇口的数量并不是越多越好，也不是越少越好。应该综合考虑产品本身的特点和功能性使用要求，找出哪些缺陷是产品主要考虑解决的缺陷，然后提出不同的浇口方案，利用MoldflowMPI软件来进行模