基于Moldflow的水杯盖优化分析（论文）
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基于Moldflow的水杯盖优化分析（论文）,基于,moldflow,水杯,优化,分析,论文
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摘 要本课题以水杯盖成型流动方案分析为例，运用 Moldflow 软件浇注系统优化设计，能够确定最佳浇口位置；对两种浇注系统方案进行分析设计，结果得知方案一的浇注系统结构更为简单，进料流动速度更快，受到压力较小，充分展现了浇注系统设计突发作用；塑件结构采用了一模两腔的设计，为了提高产品质量，降低制造成本，更多的企业使用Moldflow 技术进行工艺参数优化；分析结果和实践中一样，说明了 Moldflow 在注射模具优化设计中有一定的可靠性。关键词：水杯盖；Moldflow 优化系统；注塑成型目 录前 言 .11 绪论 .21.1 模流分析基础 .21.1.1 Moldflow 简介 .21.1.2 Moldflow 模流分析流程 .21.2 注塑成型基础知识 .21.2.1 注塑成型原理 .22 产品结构与工艺性 .32.1 塑件结构与工艺性分析 .32.1.1 塑件工艺分析 .32.1.2 主要性质 .42.2 注塑机的材料选择 .42.3 确定浇口位置 .52.3.1 点浇口和侧浇口分析 .52.3.2 分析结果 .53 塑件模流分析 .63.1 塑件结构分析 .63.1.1 网格划分 .63.1.2 网格修复 .73.2 浇注系统设计 .73.2.1 两种浇注方案 .73.2.2 创建冷却回路 .83.2.3 开始分析 .84 通过 Moldflow 软件模拟实验 .94.1 两种方案分析结果对比 .94.1.1 充填时间 .94.1.2 速度/压力切换时的压力 .104.1.3 锁模力 .104.1.4 顶出时体积收缩率 .114.1.5 模具温度 .114.1.6 气穴分布对比 .124.1.7 熔接痕 .134.2 实验结果 .135 注塑流动工艺分析结果 .145.1 流动分析的工艺参数 .145.1.1 填充工艺参数 .145.1.2 充填控制 .145.1.3 比热和热传导率数据 .155.2 注塑材料数据 .165.2.1 两个模型 .165.2.2 两个阶段 .165.2.3 其他数据 .165.2.4 模型细节 .175.3 工艺参数 .175.3.1 成型工艺参数 .175.3.2 矩阵求解器 .185.4 充填阶段结束结果 .18总 结 .19致 谢 .20参考文献 .210前 言随着现代人们广泛的需求越来越高，塑料制品在工业、农业和日常生活各个领域生产制造越来越多。对于塑料制品的生产中，生产出来的技术好坏关系到高质量的模具设计；为了达到国家的技术水平，我们做出先进的模具生产设备，合理的加工工艺，优越的快速发展到制造能力，提高生产效率。水杯盖在人们日常生活中无处不在，世界上的每个人都会用得到，然而每次走过的市场上也有各种各样的水杯盖，特别是看到惊奇灵巧又鲜艳的造型就能吸引消费者的眼球，为生产者们带来利润；因此，一个看似简单又富有无限的商机，引人深思。本次设计的水杯盖结构非常简单，它可以展现出一个人们最普通的生活用品的注塑成型过程，希望可以帮助能人们对身边事物的了解。在我们眼前的水杯盖，这就想到我们该如何用最快的效率做出来，并且降低成本，要考虑我们所学的模具基础知识的CAD，UG，MOLDFLOW 等这些软件技术，其中 MOLDFLOW 的应用软件最具有代表性，如今我国现代的模具行业有了新的发展特点的趋势，整体结构上取得不少成绩，社会经济全球化信息不断发展进程，模具行业发展趋势主要向着大型、精密、复杂及高效长寿命快速方面发展。伴随着产品技术含量不断提高，模具向着信息化、数字化、精细化，自动化方面发展；模具企业向着技术集成化、设备精良化，产品品牌化、管理信息化、经营国际化方向发展。我国模具工业起步到飞跃发展，经历了半个世纪，模具专业有了很大发展并且有了很大的提高。对模具成型质量发展提出更高的要求，广泛的运用 CAD，UG，MOLDFLOW 技术，提高使用寿命还有许多人的使用数量，为了达到设计的目标，完成 MOLDFLOW 设计建模型腔，活块以及各种零件，并且生成分析。所做的设计可以通过各种各样的塑件的模具结构作参考，设计的是高压 PP，采用的是一模两腔注射。该产品采用点浇口注射和侧浇口注射设置。浇注系统设计，注射模的浇注系统由主浇道、分浇道、进料口等部分组成,当制件的分型面确定后，在制件上与开模方向垂直的内侧或外侧如果有侧孔或侧凹，会对制件的开模或脱模形成障碍;设计过程中大量用模具设计，节短开发周期，降低生产成本。11 绪论1.1 模流分析基础1.1.1 Moldflow 简介模流分析软件是全球注塑成型的解决生产方案的途径，它可以模拟注塑整个过程，主要对注塑件模拟分析，MPI（Moldflow Plastic Insight）具有强大的优化分析功能，对模具工艺参数设置进行优化，以获得高质量的产品。1.1.2 Moldflow 模流分析流程模流分析流程基本步骤：新建项目导入 CAD 模型划分网格网格诊断网格修复选择分析类型选择原材料创建浇注系统创建冷却系统设定工艺参数分析计算获取分析结果输出分析报告1.2 注塑成型基础知识1.2.1 注塑成型原理注塑成型的成型过程是先把材料从贮料室送入加热室，使材料熔融；在冷却和凝固之后，打开模具，取出制品，并在操作上完成一个塑模周期，并不断重复上述周期的生产过程。成型的过程可分为三个阶段：填充阶段，加压阶段，补偿阶段。22 产品结构与工艺性2.1 塑件结构与工艺性分析2.1.1 塑件工艺分析从图 2-1 可以看出，是水杯盖的主视图和俯视图，标注表达清楚。材料采用高压PP，图 2-2 就是水杯盖零件图。产品成型之后，表面光滑，无毛刺；从结构来看，形状简单均匀，虽然型腔不大，但零件是生活中不可缺少的水杯盖，大批量生产。图 2-1 水杯盖工艺图 2-2 水杯盖零件32.1.2 主要性质该塑件材料为 PP,是一种半结晶的热塑性塑料。具有较高的抗弯曲疲劳强度，耐磨、耐寒、耐水、耐油、化学稳定性和电性能。密度为 0.900.91g/cm3；注塑成型时，熔点粘度高，成型的适宜模温度 80C 左右，温度不低于 50C，温度过高会产生翘曲现象。2.2 注塑机的材料选择根据造出的模型，通过软件的计算得出 V 约为 37.7982 立方厘米。模具设计为一模两腔。所以加上浇注系统的凝料，总重 G 约为 137.7982 立方厘米。 对于柱塞式注塑机 GG 机 式中： G塑件总重量（包括浇注系统） G 机注射机的最大注射量 一般：G=G 机80% 从 MOLDFLOW 软件中选择热塑性塑料注射成型机的注塑机。如表 2-1：表 2-1 注塑机主要技术参数最大压力(mpa)螺杆增强比率注塑机最大锁模力(tonne)注塑机液压响应时间 （s）最大注塑机注射率 ( cm3/s)180 10 7000.2198 0.02 5.0000E+0032.3 确定浇口位置2.3.1 点浇口和侧浇口分析我们利用 moldflow 分析可以直接结果。如图 2-3：方案一：直浇口如图 2-3（a）所示。在单型腔模具中，可直接进入型腔，减少压力，注射速度很快，成型容易，模具简单。方案二：侧浇口如图 2-3（b）所示。该浇口相对于分流道来说截面积很小，侧浇口一般开在分型面上，从塑件的边缘进料。它优点是浇口易于机械加工，以保证加工精度，而且适用于各种塑料品种。4（a）直浇口 （b）侧浇口图 2-3 两种方案浇口位置2.3.2 分析结果在这里我们需要的是快速的确定注射时间，一般情况下，实际生产浇口在软件的最优势的区域，在薄壁注射很困难，需要更大的压力，很难达到要求，压力越大成本就越高。所以使用直浇口尽量往上面放，所以直浇口这是合理的最佳位置。53 塑件模流分析3.1 塑件结构分析3.1.1 网格划分在网格划分设计中，表面网模型是三角形单元组成的， 3D 网格实体适用于厚壁之处。这次我们使用的 3D 网格实体进行划分分析得如下有图 3-1 网格统计数据和图 3-2 三维结构和网格模型：图 3-1 网格统计数据（a）网格模型 （b）三维结构图 3-2 三维结构与网格模型63.1.2 网格修复网格划分网格之后，就要进行信息统计。如图 3-3 修复数据，网格分析结果没问题。图 3-3 修复数据3.2 浇注系统设计3.2.1 两种浇注方案该模型设计为 1 模 2 腔结构，根据最佳浇口位置的位置，设计两种方案，如图 3-4所示：一种是在水杯盖的正中间，优点是中间浇口进料，模具结构简单，进料速度快；另一种是在侧浇口，但是制品成型过程中受压力，时间长，会出现一个小的浇口痕迹，处理不当在使用时会有割手的情况发生，影响外观质量，增加成本。（a ） 方案一（b）方案二图 3-4 浇注设计方案73.2.2 创建冷却回路冷却下图 3-5 所示：图 3-5 冷却回路3.2.3 开始分析然后进行分析，如下图 3-6 得知：图 3-6 开始分析84 通过 Moldflow 软件模拟实验4.1 两种方案分析结果对比4.1.1 充填时间方案一型腔充填时间 0.2367s，每段时间相差 0.06 s 左右，熔体流动平衡；方案二型腔充填时间需要 2.903s，每段时间相差 0.7s 左右，熔体流动平衡，然而我们从两种方案对比得知，方案一由于浇口进料型腔压力小，所用充填时间较短，成型方案合理。（a）方案一（b）方案二图 4-1 型腔充填时间94.1.2 速度/压力切换时的压力从图 4-2 看出方案一的压力达到 22.51MPa，方案二的压力达到 12.41MPa，方案二在初始射压过高时，容易使塑件内应力增加，剪切速率过高，超过材料许可范围。为了能够保证型腔完全充填，方案一未充填区域比方案二要小的多。（a ）方案一（b）方案二图 4-2 注射位置压力4.1.3 锁模力锁模力如图 4-3 所示，方案一在 0.25s 左右锁模力最大值 5tonne，方案二在 3s 左右锁模力最大值不到 5tonne。10（a）方案一 （b）方案二图 4-3 锁模力4.1.4 顶出时体积收缩率顶出时体积收缩率如 4-4 所示，方案一，在 0.2367s 时间内最大收缩率为 17.72%；方案二，在 2.903s 时间内最大收缩率为 17.24%。两个数据都差不大，因此收缩率的改变可以调整保压曲线使收缩率均匀一些。结果方案一比方案二合理。（a）方案一 （b）方案二 图 4-4 顶出时体积收缩率4.1.5 模具温度温度如图 4-5 所示，方案一，在 0.2367s 之间模具温度在表面上最高达到 255.3C；方案二，在 2.903s 之间模具温度在表面上最高达到 225C。两种方案都低于推出温度，可以顺利推出制品。两种都可以。11（a）方案一 （b）方案二图 4-5 模具温度4.1.6 气穴分布对比可以从两种方案对比分析，如图 4-6 所示，方案一，气穴分布在分型面上；方案二，分布在塑件的两侧，这些气穴都可以顺利推出。（a）方案一（b）方案二图 4-6 气穴分布124.1.7 熔接痕熔接痕又称熔接线，熔接痕是两股平行流动的溶胶波前之间的结合线。如图 4-7 所示，此处设置在中间承受力较强，不容易产生裂纹。方案二是因为表面上浇注口较小，产生有压力，容易堵塞，会使流道管崩裂。（a ）方案一（b）方案二图 4-7 熔接痕4.2 实验结果通过水杯盖的模拟优化分析结果可知，本题设计采用的 1 模 2 腔，点浇口的成型方案。因此结构简单，外观光滑，吸引眼球；水杯盖成为我们日常生活中不可缺少的制品，所以用方案一较为合适。虽然浇注系统简单，但是可以大批量生产，充填型腔速度快。135 注塑流动工艺分析结果5.1 流动分析的工艺参数5.1.1 填充工艺参数所分析要充填的最大体积为 4.000 %，每个时间段的最大迭代是 50，收敛公差是 1，所用的流动前沿方案是水平集；填充时间显示了模腔填充时每隔一定间隔的料流前锋位置。每个等高线描绘了模型各部分同一时刻的填充。中间结果:中间结果类型= 恒定间隔写入充填阶段中间结果数量=5保压阶段中间结果数量= 5冷却阶段中间结果数量=35.1.2 充填控制分析结果主要通过不同的颜色显示熔接痕流动的状况和充填满的过程。从查看结果得知， （* 警告 302104 * 此时间段的流动解决方案已偏离。 ）流动过程中偶尔出现情况，需要解决问题。可以看出充填时间相差不超过 0.01，总体充填时间为 0.237s。如图5-1 所示：图 5-1 充填阶段145.1.3 比热和热传导率数据比热和热传导率都是热学性能的指标。如表 5-1 所示，随着温度的增加，比热就越增加，而热传导率降低。表 5-1 比热和热传导率数据温度 T (K) 比热 Cp (J/kg-K) 温度 T (K) 热传导率 K (W/m-K)305.1500 1786.0000 309.9500 0.1889347.1500 2130.0000 319.9500 0.1898381.1500 2531.0000 339.9500 0.1915392.1500 3033.0000 360.1500 0.1901395.1500 3704.0000 380.3500 0.1894399.1500 1.1723E+004 400.6500 0.1886402.1500 1.9706E+004 439.6500 0.1717404.1500 5834.0000 458.8500 0.1731407.1500 2614.0000 478.5500 0.1726415.1500 2547.0000 498.6500 0.1726436.1500 2622.0000 518.9500 0.1759533.1500 2887.0000 539.1500 0.17525.2 注塑材料数据5.2.1 两个模型表 5-2 PVT 和粘度材料数据模型 材料 系数pvt 两域修正 Tait b5 = 443.1500 Kb6 = 1.1200E-007 K/Pa粘度 Cross-WLF n = 0.3083TAUS = 1.6834E+004 PaD1 = 6.7267E+013 Pa-s15D2 = 263.1500 KD3 = 0.0000 K/PaA1 = 30.4410A2T = 51.6000 K5.2.2 两个阶段表 5-3 比热和热传导率数据液体阶段 固体阶段数据 b1m = 0.0013b2m = 1.0370E-006 b3m = 8.4852E+007b4m = 0.0063 b1s = 0.0012 m3/kgb2s = 3.6310E-007 m3/kg-Kb3s = 2.0838E+008 Pab4s = 0.0024 1/K5.2.3 其他数据表 5-4 计算方程数据接合点损失法方程 DPe = c1 * TAUWc2其中 c1 = 0.0035 Pa(1-c2)c2 = 1.7000机械属性数据 E1 = 1574.7700 MPaE2 = 1530.8600 MPav12 = 0.3580v23 = 0.4400G12 = 523.9000 MPa热膨胀(CTE)数据的横向各向同性系数：Alpha1 = 0.0001 1/CAlpha2 = 0.0002 1/C5.2.4 模型细节在模型细节设计中,使用 3D 网格实体进行划分。网格的状态统计表 5-5：表 5-5 模型细节模型细节 数据值 模型细节 数据值网格类型 3D 四面体 四面体单元数 1027552四面体细化层 (指定的最小值)6 主流道/流道/浇口单元数3616跨柱体单元半径的层12 总体积 37.7982 cm3零件节点总数 零件节点总数 主流道/流道/浇口单元的体积4.7798 cm3四面体节点数 200630 最初充填的体积 0.0000 cm3柱体节点数 35 要充填的体积 37.7982 cm3柱体-四面体连接节点数2 要充填的零件体积 33.0184cm3m3注射位置节点总数 1 要充填的主流道/流道/浇口体积 4.7798 cm3注射位置节点数是 556731 分型面法线： (dx) = 0.0000 (dy) = 0.0000 (dz) = 1.0000单元总数 1027588 总投影面积 87.6769 cm2零件单元数 10275885.3 工艺参数设置5.3.1 成型工艺参数1.模具温度：模具温度表面，所选择材料（PP ）的温度设置为 50.00C。2.熔体温度：熔体这方面选择材料选择温度是 220.00C。3.模具熔体热传导系数：填充 = 5000.0000 W/m2-C保压 = 2500.0000 W/m2-C分离 = 1250.0000 W/m2-C大气温度 = 25.00 C4.模拟运用“自动”进行，充填时间为 0.2367s。5.速度/压力切换控制：切换时间: 0.2352 s切换压力: 22.5089 MPa切换体积: 99.5186 %6.保压控制：采用的是充填压力百分比与时间的关系进行控制，保压控制类型 = %充17填压力与时间，所以保压控制类型 = 80%充填压力与时间,保压时间可以选择 10s。7.零件体积、行程和最大锁模力：零件和冷流道的总体积: 37.7982 cm3所需的最大锁模力: 5.0823 tonne5.3.2 矩阵求解器AMG 矩阵求解器选择 = 自动 使用的矩阵求解器 = AMG并行的线程数 = 自动 分析中使用的初始线程数 = 25.4 充填阶段结束结果从循环开始的当前时间 = 0.2367 s总质量 = 28.7030 g零件质量 = 25.1289 g主流道/流道/浇口质量 = 3.5740 g冻结体积 = 2.1808 %注射压力 = 21.8125 MPa最大锁模力 - 在充填期间 = 5.0823 tonne速度/压力切换的时间 = 0.2352 s速度/压力切换时的注射压力 = 22.5089 MPa速度/压力切换时充填的体积 = 99.5186 %18总 结本次对水杯盖的模具的设计，经过这么多天的努力，终于完成了毕业设计，虽然我尽了自己的最大的努力，但是还有许多不足的地方，请老师们指导。在设计的过程中，发现自己做这个任务时开始头脑一点头绪一点都没有，积累的知识还不够深，书到用时方恨少，由于没有足够的理论知识和平时上课的知识，比如在模流分析手动划分网格许多次的试验才得出结果，由于之前并没有经验，以至于无法动手，最终还是查阅了大量的 Moldflow 设计实例之后，才有动力。所以我的毕业设计如此艰难，一次一次的重复做毕业设计，一次次的失败多次是因为 WORLD 不够完美，使用掌握不透，文章内容顺序混乱，对于分析不知道该从哪里开始，因此我抽空时间去图书馆查询了很多资料，还是自己的理解能力不够好，我学会 AutoCAD、UG、Moldflow 这些软件，但是这些都不是本身的特长。本次做的设计要知道浇口的位置正确是与否，影响塑件的成型质量很大，所以合理选择浇口位置和数量是提高塑件的质量重要环节。应用MoldFlow 软件对塑件注塑成型过程模拟，预测在不同浇口位置和数量情况下的成型是否缺陷，确定最佳浇口设计方案，从而为模具开发、产品生产提供了很好的效果作用。用这个软件优化注塑模具浇口设计，减少成本的报废率，提高塑件质量，缩短产品周发期，大大提高模具企业的竞争力。希望以后的模具行业提高操作能力和掌握注塑的工艺性。对今后的发展起到足够的支持作用。不过也就靠这些难题，我发现自己的缺陷很多，通过这次老师对我们的一次考验，也是最后一次的深入的综合复习，也是
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