模具毕业设计35基于CAE-CAD技术的塑料模具设计毕业论文范例.doc
模具毕业设计35基于CAE-CAD技术的塑料模具设计毕业论文范例
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模具毕业设计35基于CAE-CAD技术的塑料模具设计毕业论文范例,机械毕业设计论文
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山东建筑大学毕业论文 - 1 - 第一章 绪 论 1 1 本设计的目的及意义 在 国民经济的各个部门中都广泛地使用着各种塑料制品。特别在办公用品、 照相机、汽车、仪表仪器、机械制造、交通、通信、轻工、建筑业产品、日用品以及家用电器行业中的电视机、收录机、洗衣机、电冰箱和手表的壳体等零件，都已经向塑料化方向发展。近几年来由于工程塑料制作的强度和精度等得到很大提高，因而各种工程塑料零件的使用范围正在不断扩大。预计今后随着微型计算机的普及和汽车的轻型化，塑料制件的使用范围将会越来越大，塑料工业的生产量也将会迅速增长，塑料的应用将会覆盖国民经济所有部门， 尤其在尖端科技领域中占有越来越重要的地位。 总之随着工业产品塑料化趋势的不断增强，塑料制件的应用范围不断扩大，对塑料制件的数量、质量、精度等方面均提出了越来越高的要求，并促使塑料成型技术不断向前发展，目前塑料成型技术正朝着精密化、微型化、轻大型化和自动成型化方向发展。一副好的注射模具可以成型上百万次，这与模具设计、模具材料以及模具的制造技术有很大关系。因此，塑料模具的设计在塑料成型技术中占据毋庸质疑的重要地位。 模具是工业生产的重要工艺装备，本课题的设计目的是所设计的注塑模具具有生产效率高，质量好，切削少， 节约能源和原材料，成本低等一系列模具普遍具有的优点，能高效地生产出外观和性能均符合要求的制件，在生产实践上能达到自动化、操作简单等要求。而且模具零件的加工工艺性良好，选材合理，热处理方便，对实际生产和模具工业的发展带来可观的经济和社会效益。 1.2 我国塑料模具技术的现状 近年来，我国塑料模有很大的进步，在大型塑料模方面，已能生产 34 寸大屏幕彩电塑壳模具， 6kg 大容量洗衣机全套塑料模具及汽车保险杠等塑料模具。在精密塑料模具方面，已能生产多型腔小模数齿轮模具和 600 腔塑封模具，还能生产厚度仅为 0.08nm的 1 模 2 腔的航空杯模具和难度较高的塑料门窗挤出模等。内热式和外热式热流道得以采用，少数单位采用了具有世界先进水平的高难度针阀式热流道模具，完全消除了制件的浇口痕迹。在精度方面，塑料模型腔制造精度可达 0.02nm-0.05nm（国外可达到 0.005-0.01nm）分型面接触间隙为 0.02mm， 模板的弹性变形为 0.05mm， 型面的表面粗糙度值为 Ra0.2-0.25 微米，塑料模寿命已达 100 万次（国内可达到 300 万次），nts山东建筑大学毕业论文 - 2 - 模具制造周期仍比国外长 2-4 倍。这些 都 标志着模具总体水平的参数指标与国外尚有较大差距。 注塑模具是 现代塑料工业生产中的重要工艺装备。注塑模具工业是国民经济的基础工业。用注塑模生产成型零件的主要优点是制造简单、材料利用率高、生产率高、产品的尺寸规格一致，特别是对大批量生产的机电产品，更能获得价廉物美的经济效果。因此，注塑模的现代设计与制造技术和现代塑料工业的发展有密切关系。 在 CAD 技术引入注塑模具设计领域后，模具设计发生了根本性的变革，同时也带来了巨大的经济效益，塑料模 CAD/CAE/CAM 技术的重要性正逐渐被模具界所认识，其中塑料注塑模具应用软件的发展引人注目，形成了 一枝独秀 的局面 。 据国外统计，注塑模 具 CAD 技术也在不断地应用和推广中。国外二十多年来注塑模具 CAD 技术发展相当迅速。 70 年代已开始应用计算机对熔融塑料在圆形、管型和长方形型腔内的流动情况进行分析。 80 年代初，人们成功采用有限元法分析三维型腔的流动情况，使设计人员可以根据理论分析并结合自身的经验，在模具制造前对设计方案进行评价和修改，以减少试模时间，提高模具质量。近十多年来，注塑模具 CAD 技术在不断进行理论和试验研究的同时，十分注意向实用化 ，商业化阶段发展， 一些商品化软件逐步推出，并在推广和实际应用中不断改进、提高和完善。 我国模具工业起步晚 、基础差，模具技术水平总体上比工业发达国家落后，CAD/CAM 技术在模具工业中的应用，主要集中于冲压模和注塑模具两大类。从CAD/CAM 技术的应用上说，在 90 年代中后期，美国和日本塑料模具行业应用CAD/CAM 技术的企业达 75%，采用 CAE 分析技术的企业约占 60%。而我国的模具企业应用 CAD/CAM 技术的仅占 5%左右，经济较发达的上海市模具企业中应用模具CAD/CAM 技术仅占 16%左右，与国外差距很远。在生产周期方面，国外一般模具要求 10-30 天，大型精密模具需 3-6 个月 ;国内一般模具需 60-90 天，较复杂 的模具需要10 个月以上。 1.3 塑料模具设计的发展与模具计算机辅助设计的优越性 塑料模具的现代设计与制造与现代塑料工业的发展有密切联系，塑料模具是现代塑料工业生产中的重要工艺装备，以型腔模具为代表的模具工业是国民经济的基础工业，受到政府和企业界的高度重视。发达国家有“模具主业是进入富裕社会的原动力”之说，可见其重视的程度。当今，“模具就是产品质量”、“模具就是经济效益”的观念已被越来越多的人接受。用塑料模具生产成形塑料制品的主要优点是制造简便、nts山东建筑大学毕业论文 - 3 - 材料利用率高、生产率高、产品的尺寸规格一致性好，特别是对大批量生 产的机电产品，更能获得价廉物美的经济效果。 塑料模具也是成型塑料制品的主要工具，它的结构和加工精度对塑件的质量和生产效率等有直接的关系。因而世界各国对塑料模具的现代设计 方向 与制造技术都极为关注。按照塑料模具设计的传统方法，常常依靠设计人员的经验、技巧和现有的设计资料，从对塑料模具的工艺计算到塑料模具的设计制图，全靠手工劳动，对塑料模具的制造就更需要专业人员付出大量的劳动，所以模具设计水平、交货要求等都远远满足不了生产发展的要求。因此，一些先进的工业国家对塑料的成形机理和塑料模具技术进行了大量的研究工作。如在 塑料学方面改进塑料的成分组织，以提高其成形性能 :研究材料的成形性能及其影响因素，以提高工艺分析和塑 料 模设计的可靠性 ;在模具设计制造方面针对不同批量、不同原材料、不同零件形状尺寸和不同的生产条件，研制出各种特殊的塑模结构、塑模材料和塑模制造方法等，使塑模生产在质量和数量上都有大的发展和提高。尽管如此，但是还是跟不上现代塑料工业生产高速度发展的形式，远远满足不了用户对塑模行业提出的“质量高、交货快和价格低”的要求。 塑模 CAD 的应用大大地提高塑模的设计、制造质量和速度。模具计算机辅助设计无论在提高生产率、改善质 量方面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面，都具有突出的优越性，因而成为解决上述问题的有效途径。采用塑模 CAD 技术可以提高模具质量。因为在计算机系统内储存了各有关专业的综合性的技术知识，为塑模设计提供了科学的基础。计算机与人交互作用，有利于发挥人、机各自的特长，使塑模设计更加合理化。计算机辅助设计系统中采用的优化设计方法可使某些工艺参数和塑模结构优化。不同部门都可以利用同一数据库中的信息，因而保证了数据的一致性，减少了文件的数量。由于这些因素 CAD 技术提高了塑模的质量，也提高了产品的质量。 利用算机辅助设计模 具可以节省时间，提高生产率。由于塑模制造精度高，塑模的可靠性增加，试模次数和装修时间明显减少。设计计算和图纸绘制的自动化大大缩短了设计时间。计算机辅助设计塑模可以较大幅度地降低成本。计算机的高速运算绘图机的自动工作节省了劳动力，优化设计带来了原材料的节省，因此较大幅度地降低了产品成本。计算机辅助设计塑模使生产准备时间缩短，加快了产品的更新换代，从而使产品的竞争力加强。 1.4 我国塑料模具工业今后的主要发展方向 (1)提高大型 、精密、复杂、长寿命模具的设计水平及比例。这是由于塑料模成型nts山东建筑大学毕业论文 - 4 - 的制品日渐大型化、复杂 化和高精度要求以及因高生产率要求而发展的一模多腔所致。 (2)在塑料模设计制造中全面推广应用 CAD/CAM/CAE 技术。 CAD/CAM 技术已发展成为一项比较成熟的共享技术，近年来模具 CAD/CAM 技术的硬件与软件价格己降低到中小企业普遍可以接受的程度，为其进一步普及创造良好的条件 ;基于网络的CAD/CAM/CAE 一体化系统结构初见端倪，其将解决传统混合型 CAD/CAM 统无法满足实际生产过程分工协作要求的问题 ;CAD/CAM 软件的智能化程度将逐步提高 ;塑料制件及模具的 3D 设计与成型过程的 3D 分析将在我国塑料模 具工业中发挥越来越重要的作用。 (3)推广应用热流道技术、气辅注射成型技术和高压注射成型技术。采用热流道技术的模具可提高制件的生产率和质量，并能大幅度节省塑料制件的原材料和节约能源，所以广泛应用这项技术是塑料模具的一大变革。制订热流道元器件的国家标准，积极生产价廉高质量的元器件，是发展热流道模具的关键。气体辅助注射成型可在保证产品质量的前提下，大幅度降低成本。目前在汽车和家电行业中正逐步推广使用。气体辅助注射成型比传统的普通注射工艺有更多的工艺参数需要确定和控制，而且常用于较复杂的大型制品，模具设计和控制的 难度较大，因此，开发气体辅助成型流动分析软件，显得十分重要。另一方面为了确保塑料件精度，继续研究开发高压注射成型工艺与模具也非常重要。 (4)开发新的成型工艺和快速经济模具。以适应多品种、少批量的生产方式。 (5)提高塑料模标准化水平和标准件的使用率。我国模具标准件水平和模具标准化程度仍较低，与国外差距甚大，在一定程度上制约着我国模具工业的发展。为提高模具质量和降低模具制造成本，模具标准件的应用要大力推广。为此 ,首先要制订统一的国家标准，并严格按标准生产 ;其次要逐步形成规模生产，提高商品化程度、提高标准件质 量、降低成本 ;再次是要进一步增加标准件的规格品种。 (6)应用优质材料和先进的表面处理技术对于提高模具寿命和质量显得十分必要。 (7)研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程。采用三坐标测量仪或三坐标扫描仪实现逆向工程是塑料模 CAD/CAM 的关键技术之一。研究和应用多样、调整、廉价的检测设备是实现逆向工程的必要前提。 nts山东建筑大学毕业论文 - 5 - 第二章 注塑模设计规划与设计方案 2.1 模具的多种设计方案 通过查阅国内外有关注射模具设计的文献资料，较详细的了解了塑料模具所必需的设计资料和最新的塑料模具常用模具钢、标准件国家标准，以及设 计方法和公式、规则、表格等设计资料的使用方法。塑料注射模具设计内容包括塑料制品工艺分析，成型方法及工艺流程制定，模具类型及结构形式确定，成型工艺条件确定，工艺计算 (即注射量、注射压力、锁模力、成型零件工作尺寸、冷却参数、注射温度和注射时间等 )，浇注系统设计，分型面设计，成型零件设计，导向与定位机构设计，加 热与冷却系统设计，绘制模具装配图和非标准零件图，编写设计论文 等。 针对所设计的洗衣机面板 ,可考虑到多种方案 : （ 1） 洗衣机面板浇口的确定 ， 根据所设计的洗衣机面板的工件结构以及 Moldflow模拟分析出的最佳 浇口来确定。 （ 2） 注塑工艺参数的确定，以往的注塑模具设计中往往通过反复的试模来确定，这样就延长了生产周期，降低了生产效率。这次设计中，采用目前最流行的商业软件Moldflow 进行模拟来确定和优化工艺参数。 （ 3） 模具结构的设计，以往的模 具设计，主要通过查阅参考资料，确定标准件的尺寸，而且最后采用二维图纸反映 ，这样对于复杂的洗衣机面板来说，就不直观。这次设计采用目前工厂中广泛使用的 UG 中的 Moldwizard 模块进行三维模具设计。 本课题的关键问题在于通过 Moldflow 确定和优化塑料模具工艺参数，塑料模具 结构的选择 ，塑料成型零部件的设计， 脱模机构设计、 注塑机选用 、模具温度调节系统的设计以及运用 Auto CAD进行二维造型，利用 UG进行三维造型，以及利用 Moldwizard进行三维模具设计 。 本课题难点在于通过 Moldflow 软件 确定和优化塑料模具工艺参数 ,塑料模具结构的确定 ,以及用 Moldwizard 进行三维模具 设计。 传统的模具设计技术大都是依据手工的方法来设计模具的主要工作零件（凸、凹模或模具型腔、型芯）、手工绘制图纸。模具制作方法大都是采用原件改制或人工敲制、手工刻制，工艺落后，精度很低，制造周期长， 直接影响了模具的制造精度和生产效率。人们常认为模具制作精度低、生产周期长，只能应用于精度要求较低和批量少的生产场合。 nts山东建筑大学毕业论文 - 6 - 近年来 ,随着市场全球化和竞争的不断加剧 ， 注塑模具的型腔形状和模具结构越来越复杂 ， 模具精度要求越来越高 ,生产周期要求越来越短 。 为了适应这种发展趋势 ， CAD/ CAM 技术被逐渐应用于模具工业 ， 收到了良好的效果。 与其他工业相比 ,模具工业有其自身的特点 ， 模具的设计制造是从产品模型到生产装配的逆向过程。为了满足模具工业专业性要求 ， 各大软件厂商针对各类模具的特点推出了功能完善、操作简便的专用 CAD/ CAM 系统。比如 ， 美国 UGS 公司 ， 针对注塑模推出了注塑模设计向导 CAD 系统 (MoldWizard) ， 该系统无缝地集成 于 UGS 拳头产品三维机械 CAD/ CAM 系统 UG 中 ， 为用户提供了注塑模设计环境和工具 ， 封装了模具设计的专家知识 ,提供了标准化的模架库、零件库和嵌件库。 2.2 最佳模具方案的选定 经过以上的分析，本模具设计采用的方案如下： 模拟分析优化 ： 通过 Moldflow 模拟分析出的最佳浇口，使用 Moldflow 成型工艺分析功能确定初始工艺参数，如注射量、注射压力、锁模力、获得优化的 模具温度 和推荐熔 体温度等，并对工艺参数进行 分析，包括填充，流动，冷却，翘曲变形，然后根据分析结果对浇注系统进行优化。 模具设计 ： 采用 UG 中的 Moldwizard 模块进行工件布局，分型线、分型面的确定，型芯、型腔分型，模架的加载，浇道设计，温度调节系统（冷却系统）和顶出机构设计。 最终获得优化的注塑模工艺规划与模具设计方案，指导模具加工和塑料制品生产。 nts山东建筑大学毕业论文 - 7 - 第 3 章 Moldflow 数值模拟 3 1 MOLDFLOW软件介绍 3 1 1MOLDFLOW 软件的作用 该软件 是美国 MOLDFLOW 公司的产品，该公司自 1976 年发行了世界上第一套塑料注塑成型流动分析软件以来，一直主导塑料成型 CAE 软件市场。 2000 年 4 月，收购了另一个世界著名的塑料成型分析软件 C MOLD。 MoldFlow 软件在注塑模设计中的作用主要体现在以下几方面。 1、优化塑料制品 运用 MoldFlow 软件，可以得到制品的实际最小壁厚，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。 2、优化模具结构 运用 MoldFlow 软件，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。 3、优化注塑工艺参数 运用 MoldFlow 软件，可以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。 3.1.2 MPI3.1 软件的主要模块 1、模型输入与修复 MPI3.1 有三种分析方法：基于中心面的分析、基于表面的分析与三维分析。中心面既可运用 MPI 软件的造型功能完成，也可从其它 CAD 模型中抽取，再编辑；表面分析模型与三维分析模型直接读取其它 CAD 模型，如快速成型格式（ STL）、 IGES、STEP、 Pro/E 模型、 UG 模型等。模型输入后，软件提供了多种修复工具，以生成既能得到准确结果，又能减少分析时间的网格。 2、塑料材料与注塑机数据库 材料数据库包含了超过 4000 种塑料材料的详细数据，注塑机数据库包含了 290 种商用注塑机的运行参数，而且这两个数据库对用户是完全开放的。 3、流动分析 分析塑料在模具中的流动，并且优化模腔的布局、材料的选择、填充和保压的工nts山东建筑大学毕业论文 - 8 - 艺参数。 4、冷却分析 分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管道的 布局和工作条件，与流动分析相结合，可以得到完美的动态注塑过程。 5、翘曲分析 分析整个塑件的翘曲变形，包括线形、线形弯曲和非线形，同时指出产生翘曲的主要原因以及相应的改进措施。 6、纤维填充取向分析 塑件纤维取向对采用纤维化塑料的塑件性能（如拉伸强度）有重要影响。 MPI 软件使用一系列集成的分析工具来优化和预测整个注塑过程的纤维取向，使其分布合理，从而有效地提高该类塑件的性能。 7、优化注塑工艺参数 根据给定的模具、注塑机、塑件材料等参数以及流动分析结果自动产生控制注塑机的填充保压曲线 ，从而免除了在试模时对注塑机参数的反复调试。 8、结构应力分析 分析塑件在受外界载荷情况下的机械性能，在考虑注塑工艺的条件下，优化塑件的强度和刚度。 9、确定合理的塑料收缩率 MPI3.1 通过流动分析结果确定合理的塑料收缩率，保证模腔的尺寸在允许的公差范围内，从而减少塑件废品率，提高产品质量。 10、气体辅助成型分析 模拟气体辅助注射成型过程，对整个成型过程进行优化。 11、特殊注塑成型过程分析 MPI3.1 可以模拟共注射、反应注射、微芯片封装等特殊的注射成型过程，并对其进行优化 。 3.2 模拟分析过程 3 2 1 前处理生成有限元网格 图 3.1 为洗衣机面板二维图，本 节将介绍 Moldflow 软件进行分析的操作基本流程 。根据图 3.1 的二维图采 用 UG2.0 对 洗衣机面板塑料件 进行三维造型 如图 3.2 所示 ,通过UG 造型出的工件格式为 prt 格式 ,而 Moldflow 中不识别这种格式 ,首先在 UG 中将文件nts山东建筑大学毕业论文 - 9 - 转化为 Moldflow 识别的 IGES 格式 ,并将 其导入 Moldflow 中 。 A向图 3.1 洗衣机面板二维图 在进行分析前首先要对工件进行网格划 分 , Moldflow 可以划分的网格类型有三种 :Midplane(中面网格 )、 Fusion （表面网格）、 3D（实体网格）。由于所要模拟分析的洗衣机面板壁厚为 2mm，而 Fusion 技术是基于 Moldflow 的独家专利分析技术，我们可以直接 采用 Fusion 技术 进行薄壁实体模拟分析。 图 3.2 洗衣机面板三维图 nts山东建筑大学毕业论文 - 10 - 在导入模型之后，需要进行前处理，对网格进行划分，检验以及修改。网格划分后的模型如图 3.3 所示该模型的网格划分采用的 Global edge length（柱面 长） 为 0.6mm。通常，随着模型的尺寸增大，复杂程度加深和网格密度增大，网格数目也相应增加。 图 3.3 模型的有限元网格 划分网格后，紧接着需要进行网格信息统计，然后根据统计信息依次进行诊断，如果诊断结果存在不合理的网格，可以运用 Mesh Tool 网格工具进行修改，直到诊断结果合理为止。 网格状态统计，网格信息包括实体个数，节点个数，连通域个数，单元边信息，自由边信息，交叠边，非交叠边信息，单元定向，单元交叉信息，最大，最小纵横比，平均纵横比，匹配率等。其中网格信息中的几个参数必须满足一定的要求才能使 注塑过程 模拟分析合理，其中统计模型网格划分后模型内独立的连通域，其值应为 1。在Fusion 和 3D 类型网格中不允许存在自由边，在 Fusion 类型网格中，只存在交叠边而不允许存在非交叠边，统计没有定向的单元数，该值一定为 0，并且表格中不允许存在相互交叉的单元，另外最大最小纵横比不能次相差太大，在网格匹配率方面，对于Fusion 表格，在 Flow（流动） 分析中，单元匹配率应大于 85%才可以接受，对于 Warp（翘曲） 分析，单元匹配率也应该超过 85%。网格信息如图 3.4 所示，修改后的网格经分析其中的各个参数均满足。 nts山东建筑大学毕业论文 - 11 - 图 3.4 网格信息统计表 针对网格诊断分析结果和网格信息统计结果，当诊断出的网格存在问题是就需要利用 Moldflow 提供的网格工具进行修补， Moldflow 提供了 18 种网格处理工具。其中最常用的就是自动修补，合并节点，交换共用边，对某区域重新划分网格等。 网格 缺陷 诊断，应用 Moldflow 对网格有限元进行诊断，网格诊断包括纵横比诊断，重叠单元诊断，连贯性诊断，自由边诊断，厚度诊断，出现次数诊断等。 （ 1）网格纵横比诊断如图 3.5，可以看出最大纵横比为 5.349,最小的为 1.164，两者相差不是很大，可以满足模拟分析的要求。这是经过网格工具修改后的结果，如果所显示的最大最小纵横比相差很大，则需要重新对网格进行修补，直到所显示的网格纵横比达到分析需要的程度。 图 3.5 网格纵横比诊断结果 （ 2） 定向诊断入图 3.6 所示，可以看出塑件上的网格定向一致，分析是可以达到nts山东建筑大学毕业论文 - 12 - 要求，如果网格定向不一致，可能是流动分析不准确，达不到用数值模拟代替理论计算的目的。 图 3.6 网格定向诊断结果 (3)网格 连通性诊断如图 3.7 所示，其诊断是通过任意选取一个单元， Moldflow 则从选取的单元开始检查整个网格的连通性，如果网格不连通则可能使有些单元无法填充，使分析无法进行。从图中看出该网格是连通的，分析可以顺利进行。 图 3.7 网格连通性诊断结果 （ 4）网格厚度诊断如图 3.8 所示，从图中可以看出网格厚度基本均匀，如果厚度 nts山东建筑大学毕业论文 - 13 - 图 3.8 网格厚度诊断结果 相差太大，则可能使流体在流动填充分析时造成流体滞留 ，过保压，和不平衡流动的错误分析。 （ 5） 出现次数诊断结果如图 3.9 所示，从图中可以看出各个网格的出现次数都为1，不会出现重复流动的现象。 图 3.9 网格出现次数诊断结果 （ 6）网格匹配率诊断如上图 3.10 所示，只针对 Fusion 网格，对于 Flow 分析，网格匹 配率应大于 85%，对于 Warp 分析，网格匹配率也应该大于 85%，否则影响分析的准确性，从图中可以看出网格基本匹配，明显大于 85%，可以保证模拟分析的准确性。 nts山东建筑大学毕业论文 - 14 - 图 3.10 网格匹配率诊断 通过以上的诊断，数值分析模型满足计算精度的要求，可以对洗衣机面板 进行模拟分析，下一节将针对洗衣机面板注塑成型过程进行大规模的数值计算，分析注塑工艺中的洗衣机面板最佳浇口位置，流动、填充、冷却、翘曲以及工艺参数 。 进而获得优化的工艺方案、模具设 计方案和工艺参数。 3 2 2 模拟分析过程 首先利用 Moldflow 来分析塑件的最佳浇口， 将分析类型设为最佳浇口，材料采用 ABS 塑料， （模具表面温度为 50，熔体温度为 240）， 进行 分析， 图 3-11 为 分析出的最佳浇口 ，从图可以看出，浇口的最佳位置应在洗衣机面板的中部侧面蓝色区域。 图 3.11 Moldflow 分析出来的最佳浇口 nts山东建筑大学毕业论文 - 15 - 考虑到洗衣机面板的日常应用，我们不能将浇口设 在面板表面，只能设在侧面（采用侧浇口）或是底面（采用潜伏式浇口） ，考虑到模具设计的问题和模具加工的可行性和方便 性，将浇口设在侧面（即图中的蓝色侧面区域）。 主要参数如下： 同时 也考虑到设计多浇口的模具，由于采用多浇口比较容易产生熔接痕，影响塑件质量， 并且两种方案产生的气孔分布如图 3.12 和 3.13,采用单浇口和多浇口的熔接痕情况如图 3.14 和 3.15 所示 ， 图 3.12 为 单浇口塑件气孔分布情况 ， 图 3.13 为 多浇口塑件气孔分布情况 ， 图 3.14 为 单浇口的熔接痕分布情况 ， 图 3.15 为 多浇口的熔接痕分布 情况 。 从两图形的比较可以明显看到，单浇口的塑件熔接痕少，并 且分布在洗衣机面板受力较少 区域，不影响洗衣机面板的使用性能。 因此，我们就确定采用单浇口，并将浇口设计在塑件的侧面， Moldflow 分析的最佳浇口位置， 如 图 3.12 所标的位置。 图 3.12 单浇口塑件 气孔 分布情况 nts山东建筑大学毕业论文 - 16 - 图 3.13 多浇口塑件 气孔 分布情况 从上面的两图比较可以发现单浇口的塑件气孔明显少于多浇口，且多浇口的气孔分布较集中，对塑件质量有很大影响，从这个方面看采用单浇口比多浇口有优势。 图 3.14 单浇口的熔接痕分布情况 图 3.15 多浇口的熔接痕分布情况 从上面两幅的不同浇口方案熔接痕比较可以看出，单浇口的熔接痕比多浇口的少，nts山东建筑大学毕业论文 - 17 - 而且分布在使 用时受力少的部分，从这个方面看单浇口也有优势。 由以上结论分析确定了采用单浇口和最佳浇口位置，然后在上述分析地基础上 进行浇注系统和冷却系统的创建，冷却管道直径为 10mm,采用冷却水为冷却剂，流量为6.2 立方米 /分钟。浇注系统采用 Moldflow 的建模功能画直线，并编辑直线属性来完成。 冷却系统和浇注系统如图 3.16 所示 图 3.16 浇注系统和冷却系统图 利用 Moldflow 的 Molding Window 功能来分析软件所推荐的分析工艺参数 ， 同时Molding Window 还分析出了注射压力与模具温度的关系 如图 3.17， 从图中可以看出随着模具温度的提高， 注射压力逐渐下降 ，即模具温度越高，注射压力越小，但模具温度过高，对塑件又有一定的影响 。 流动前沿最小温度与模具温度的关系如图 3.18， 从图中看出，随着模具温度下降，流动前沿最小温度也下降，即模具温度越低，流动前沿温度越小，要提高流动前沿温度，就要适当提高模具温度。 以及最大冷却时间与模具温度的关系如图 3.19， 从图中可以看出，随着模具温度下降，冷却时间也跟着下降，即模具温度越低，冷却时间越短，但冷却时间越短，可能造成冷却不均匀等问题，影响塑件质量，在对注塑工艺进行 优化的过程中，这些 分析 结果 都有一定的价值。 要达到注塑工艺的合理优化，就要考虑这些工艺间的关系。 nts山东建筑大学毕业论文 - 18 - 图 3.17 注射压力与模具温度的关系 图 3.18 流动前沿最小温度与模具温度的关系 图 3.19 最大冷却时间与模具温度的关系 nts山东建筑大学毕业论文 - 19 - 从图 3.20 可以分析出 Moldflow 采用的工艺参数为最大设计锁模力为 7000.22toone,最大设计注射压力为 180MP,推荐的模具温度为 55.56 ,推荐的熔体温度为 260，推荐注射时间为 2.85s。 图 3.20Molding Window 分析推荐的工艺参数 接下 来针 对塑件进行 Fill+Cool+Flow+Warp 分析 ，动态分析结果 显示 了 分析过程和各个参数的变化情况，可以根据观察得知分析的详细情况。 Flow(流动 )分 析包括填充和保压分析结果，主要有填充时间、压力、熔体前沿温度、熔接痕、体积收缩率、冷凝 层 因子等。 (1)填充时间 如图 3.21 为填充时间分布图 ,从图中可以看到 :填充时间为 2.759s,熔体基本同时 达到模腔两端 ,可以满足要求。 在分析填充时间分布图时，应遵循的原则是： 充满，防止出现短射。 平衡填充，各填充末端在压力相同下同时充满。 均匀填充，流动速度前 锋保持一致，等值线间距保持一致。 nts山东建筑大学毕业论文 - 20 - 图 3.21 填充时间分布图 （ 2）压力 如图 3.22 为模腔内填充结束时压力分布图， 从图中可以看出，填充结束后，最大压力集中在浇口附近，为 79.6MP，最小压力在流体最后到达的地方，压力基本为0，其他部分压力分布较均匀。 在分析填充压力分布图时，应遵循： 压力等值线均匀分布，间距相等；防止出现在填充完成时，压力突然增高。 不能达到注射压力。 一腔多模时，某一模腔的压力不能高于其他的模腔压力。 图 3.22 压力分布图 （ 3）熔体前沿温度 如图 3.23 所示为熔体前沿温度分布图，从图中可以看出，前沿温度基本上都为nts山东建筑大学毕业论文 - 21 - 241.3 ,相差无几，小于允许值 20，在分析熔体前沿温度时，应遵循的原则： 避免前沿温度下降过快，防止发生短射，滞留。 再模腔填充完毕时，应尽可能均匀分布。 防止在 模腔填充过程中，温度低于材料的转换温度。 在填充完成时和刚入口的温度差小于 20。 开模之前，应降低到材料的转换温度以下，并且使制件表面均匀分布。 图 3.23 熔体前沿温度分布图 (4)腔体温度 如图 3.24 为腔体温度分布图，该结果为型腔刚充满时的温度分布，其值为厚度方向的平均值 。 从图中可以看出，型腔刚充满时，腔体温度分布较均匀，都为 27.1。 图 3.24 腔体温度分布图 nts山东建筑大学毕业论文 - 22 - (5)气穴 如图 3.25 为气穴分布图，从图中可以看到，气穴主要分布在塑件的边 缝处和分型面处，容易将气体排出，因此不必要在模具中添加排气孔。在分析气穴分布图时，应遵循的原则： 应发生在制件的外部边缘，利于排气。 避免被熔体包围。 图 3.25 气穴分布图 （ 6） 熔接痕 如图 3.26 为熔接痕分布图，熔接痕应避免发生在应力集中和结构较弱处，同时考虑熔接痕形成的熔体结合温度，温度越高，熔接痕强度越大。 从图中可以看出 ，熔接痕出现的部位，不用设计逃气，因其分布在分型面附近。 图 3.26 熔接痕分布图 nts山东建筑大学毕业论文 - 23 - 在分析熔接痕分布图时，应遵循的原则： 在高温下形成（大于材料的转换温度）。 在熔接痕两端可以设置逃气。 避免在结构较弱或应力集中处。 避免出现在制件面上无法逃气的地方。 避免出现在温度低于转换温度处。 （ 7）锁模力 图 3.27 为 锁模力曲线，从图中可以看出，在整个填充阶段， 锁模力稳定增加，保压力完成后，锁模力变为 0。 从图中可以分析出最大锁模力为 250.0tonne=2500KN，这个结果在后面注塑机校核中锁模力确定中代替理 论计算。 图 3.27 锁模力曲线 在分析锁模力曲线时，应遵循的原则： 应足够大，防止因熔体的作用被撑开。 所需力应小于机械上限的 70%。 从开始填充，锁模力应稳定的增加。 （ 8）注射点压力 图 3.28 为注射点压力分布曲线，在工艺条件设置时，发现 V/P 转换时的保压压力为注射压力的 80%，保压时间为 10s,成型周期为 35s,这些工艺参数在曲线中可以清楚的显示。 nts山东建筑大学毕业论文 - 24 - 图 3.28 注射点压力分布曲线 （ 9）体积收缩率 图 3.29 为体积收缩率分布图，从图中可以看出，体积收缩率比较均 匀。 在分析体积收缩率分布图时， 应遵循的原则： 体积收缩率尽可能低，整个制件均匀分布。 避免在保压压力释放后有增加现象和出现负值（即膨胀）情况。 图 3.29 体积收缩率分布图 nts山东建筑大学毕业论文 - 25 - （ 10）冷凝 层 因子 图 3.30 为冷凝 层 因子分布图， 从图中可以看出，冷凝层因子都为 1，比较均匀。当冷凝 层 因子为 1 时，应停止保压，所以冷凝因子决定保压时间的长短。 在分析冷凝 层 因子分布图时，应遵循的原则 : 在多浇口系统中， 各浇口的 冷凝 层 因子 应相同 整个制件应有均匀的冷凝层。 图 3.30 冷凝层因子分布图 Cool（冷却） 分析主要包括：制件上侧温度分布、制件下侧温度 分布、制件上下温度差、制件平均温度分布、制件最大温度分布、制件冷冻时间、冷却剂温度、冷却剂流速、冷却管道温度等。 注意：制件定模侧温度分布、制件动模侧温度分布、制件上下表面温度差只针对Midplane 网格模型，对于所模拟的洗衣机面板采用的是 Fusion 网格，对于 Fusion 网格模型，只有制件上侧温度分布。 制件上侧温度分布 如图 3.31 为制件上侧温度分布图，从图中可以看出制件上侧的温度分布比较均匀，基本为 43.17。 nts山东建筑大学毕业论文 - 26 - 图 3.31 制件上侧温度分布图 冷却剂温度 如图 3.32 为冷却剂温度分布图，冷却剂进 出口温度差应小于 3，而从图中可以看出进出口温差温度大于 3，说明冷却剂的冷却能力没有问题。 图 3.32 冷却剂温度 冷却管道温度 如图 3.33 所示为冷却管道温度分布图，冷却管道的管壁温度与模壁温度的差应小于 5。 从图中可以看出冷却管道的温度差为 3.49，满足要求。 nts山东建筑大学毕业论文 - 27 - 图 3.33 冷却剂温度分布图 制件冻结时间 如 图 3.34 为制件冻结时间分布图，制件冻结时间应尽量小，从而实现均匀冷却。 从图中可以看出，制件的冷却时间大部分为 8.005s,冷却时间较长，说明冷却系统存在问题， 需要改进。 图 3.34 制件冻结时间 改进冷却 系统可以通过增加冷却管道、更换冷却剂和增加冷却剂雷诺数来改进，我们用增加冷却管道来改进（考虑到更换冷却剂会增加生产成本，增加冷却剂雷诺数会增加功耗 ） .因此 将原来才采用的三组冷却管道改为四组，增加冷却管道的数量，并改变冷却管道的布局。 nts山东建筑大学毕业论文 - 28 - 改进后的制件冻结时间分布图如图 3-35 所示从图中可以看出改进后的制件冻结时间基本上是 7.788s,比原来有所改进，且 改进后洗衣机面板 的最小冷却时间比以前的冷却方案时间短，有利于实现均匀冷却。 图 3.35 改进后的冷却系统制件冻结 时间分布图 Warp（翘曲） 分析包括总体变形、冷却因素导致变形、收缩因素导致变形、分子取向导致变形，每一类又分为总体变形量和 X、 Y、 Z 各个方向上的变形量。 收缩因素主要影响总体变形，冷却和分子取向因素影响较小。我们在这里只分析总体变形量和X、 Y、 Z 各个方向上的变形量。 所谓翘曲，就是不均匀的内应力导致的塑件缺陷。注塑过程中，塑件翘曲产生的原因主要是注射过程中塑件收缩率不均匀 ,其表现在以下方面 : (1) 塑件不同部位的收缩率不一样。 (2) 沿塑件厚度方向收缩率不同。 (3) 与分子取向平行和垂直方向收缩率不同 。 MF/ Warp 模块把翘曲产生的原因归结为以下 3 点 : 冷却不均匀。 收缩不均匀。 分子取向不一致。 从图 3.36 到图 3.39 可以看出总体变形及各个方向上的变形情况，从图中可以看出最大变形量为 1.920mm,其中在 X方向的变形量为 1.664mm,其他两个方向上的变形量相对较小。 nts山东建筑大学毕业论文 - 29 - 图 3.36 为洗衣机面板的总体翘曲变形，从图中可以看出，最大翘曲量为 1.920mm，发生在塑件的 两个 末端， 最小翘曲量发生在塑件中间部分， 不影响外形美观。 图 3.36 总体变形量 图 3.37 为洗衣机面板 X 方向的变形量，从图中 可以 看出， 塑件的最大变形翘曲量为 1.664mm， 发生在洗衣机面板 左侧 末端， 最小变形量为 -1.007mm。 图 3.37 X 方向的变形量 图 3.38 为洗衣机面板 Y 方向的变形量，从图中可以看出，该方向上的变形量较小，图中可以很明显地看到洗衣机面板的变形最大为 1.17mm,且分布在塑件的两个末端，其他部分变形量很小 。 nts山东建筑大学毕业论文 - 30 - 图 3.38 Y 方向上的变形量 图 3.39 为洗衣机面板 Z 方向的 变形量，从图中可以发现，该方向的变形量也比较小，最大的才为 0.4900mm，且分布在塑件末端。可以认为塑件在该方向上不发生翘曲。 图 3.39 Z 方向上的变形量 nts山东建筑大学毕业论文 - 31 - 第四 章 模具设计 近年来 ,随着市场全球化和竞争的不断加剧 ， 注塑模具的型腔形状和模具结构越来越复杂 ， 模具精度要求越来越高 ,生产周期要求越来越短。为了适应这种发展趋势 ，CAD/ CAM 技术被逐渐应用于模具工业 ， 收到了良好的效果。与其他工业相比 ,模具工业有其自身的特点 ， 模具的设计制造是从产品模型到生产装配的逆向过程。为了满足模具工业专业性要求 ， 各大软件厂商针对各类模具的特点推出了功能完善、操作简便的专用 CAD/ CAM 系统。 比如 ， 美国 UGS 公司 ， 针对注塑模推出了注塑模 设计向导CAD 系统 (MoldWizard) ， 该系统无缝地集成 UGS 拳头产品 三维机械 CAD/ CAM 系统 UG 中 ， 为用户提供了注塑模设计环境和工具 ,封装了模具设计的专家知识 ，提供了标准化的模架库、零件库和嵌件库。 4 1 UG 软件 MoldWizard 介绍 MoldWizard 是 UG 软件用于注塑模具自动化设计的专业应用模块 ,运用知识嵌入的基本理念 ， 只需根据产品的三维实体造型 ( Solid) ， 按照模具设计的流程建立一套与产品造型参数相关的三维实体模具。 MoldWizard 是 UG 软件中的一个模具设计模 块 ， 它可以指导模具的设计过程 ， 应用模具向导技术一般能够将生产力提高 1 10 倍乃至更多。 MoldWizard 提供给用户一个逻辑过程 ,指导用户一步步地完成模型设计。在这个优化的环境中提供了很多自动化的功能 :如数据的读入和零件建模、家族模具、缩放控制、自动的模腔布局、分模功能、模架工具和库及标准件工具和库。分别对应于 MoldWizard 工具条中的各个图标 ,并且图标的排列顺序与实际的模具设计过程相似。 模具的三维设计是依据模具加工工艺和产品的三维模型 ,通过分模 ,获得模具的型腔、型芯、滑块、镶块等 ,并与模架和其他零 件进行装配 ,最后制成模具。在注塑模具三维设计中 ,其 关键 技术 是分模。 注塑模具的分模过程为 : （ 1） 建立产品的模具状态模型 (即添加产品的收缩率等 ) 。 （ 2） 确定模具的开模方向。 （ 3） 设置毛坯 (workpiece) 。 （ 4） 分析产品 ,寻找分模线 ( Parting Lines) 。 （ 5） 对 靠破孔 部分进行修补。 nts山东建筑大学毕业论文 - 32 - （ 6） 对分模线采用拉伸或延拓等方法 ,构建分模曲面。 （ 7） 缝补面 ,共同组合成模具型腔或型芯零件表面。 （ 8） 利用分模面分割型腔或型芯模块。 （ 9） 对于必须侧向分型抽芯的产品 ,相当于模具开模方向 产生变化 ,可借助以上方法设计侧型芯分模面来完成型腔和侧型芯模块分割。 完成了分模，就需要 进行模架的选用和加加载标准件，包括定位圈， 浇口套、 浇道，冷却管道，顶杆等。 4 2 模具的三维设计 4 2 1 零件介绍 （ 1） 零件名称：洗衣机面板 （ 2）材料： ABS （ 3）三维零件图：如图 4.1 和图 4.2 所示 图 4.1 三维零件图正面 图 4.2 三维零件图反面 nts山东建筑大学毕业论文 - 33 - 4 2 2 塑性工艺分析 （ 1） 塑件使用材料的种类及工艺特性分析 本零件源 于工厂的实际 产品 中， ABS 塑料为通用的热塑性塑料，成型性能较好，流动性好；成 型收缩率较小一般为（ 0.3 0.8）；比热容较低，密度为 1.03 1.07g/cm3，在料筒中塑化效率高，成型周期短，缺点是吸水性较大，因此，成型前必须充分干燥。 （ 2） 塑件的结构工艺性分析 塑件尺寸较大，外部结构较为复杂，除了外形不规则外，塑件上没有侧孔或侧凹，塑件内部也没有倒扣， 因此不需要 安排侧向抽芯机构和斜顶机构，其它结构设计特征要符合塑件的设计要求 4 2 3 制定工艺方案 1产品质量： 根据塑件的形状在 UG 中可得到单件产品的体积 V 263.3cm3， ABS 的密度取1.05g/cm3，得到产品质量为 ： m 1.05 263.3=276.465g。 2 分型面的确定 如何确定分型面，需要考虑的因素比较复杂。由于分型面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，因此在选择分型面时应综合分析比较，从几种方案中优选出较为合理的方案。选择分型面时一般应遵循以下几项原则： （ 1）分型面应选在塑件外形最大轮廓处。 （ 2）便于塑件顺利脱模，尽量使塑件开模时留在动模一边。 （ 3）保证塑件的精度要求。 （ 4）满足塑件的外观质量要求。 （ 5）便于模具加工制造。 （ 6）对成型面积的影响。 （ 7）对排气效果的影响。 （ 8）对侧向抽芯的影响。 考虑到以上因素，采用与注塑机开模方向垂直的平面分型面，沿着零件的边缘作分型面。 我们采用 通过 UG 的 MoldWizard 自动分模。 3模具型腔、型芯及其工作部位尺寸的确定： ABS 的收缩率取为 0.5，因此在 UG 中，将零件尺寸放大 1.005 倍后，用一毛坯nts山东建筑大学毕业论文 - 34 - 如图 4.3 所示，将零件包在其中然后沿分型面分模，即可得到模具初步的型腔和型芯尺寸。 图 4.3 包罗零件毛坯 由于零件尺寸较大，采用的方法是将型芯 型腔 部 分做成两个镶块单独加工，然后在将镶块固定在模板上，这样既节省模具钢和又方便了加工。为便于安装和分模，根据零件尺寸，镶块四边长度和厚度方向比零件尺寸大 40 50mm，厚度比零件总高度大45mm，然后再将镶块从中间一分为二。模具的前模部分应包含型芯镶块组成的型腔部分，根据经验，为了满足强度和安装要求，型腔的侧壁厚度应比型腔大 70 90mm，高度方向的壁厚大于 50mm，因此前模宽度取 200mm，长度 750mm，厚度取 120mm。这样模具的前模和后模部分组成的长方体可确定为 700mm 200mm 240mm。 根据 以上计算将此长方体分模并经过修改后 ，建立的型芯、型腔 镶块部分如图 4.
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