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塑料
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moldflow
分析
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乐高塑料积木的MoldFlow分析,塑料,积木,moldflow,分析
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摘 要MoldFlow 模拟分析软件对乐高塑料积木的注射成型进行计算机的模拟和分析，根据结果进行数据的分析来优化设计模具的浇注系统。这样就可以对产品的质量有一定的保证。关键词：乐高塑料积木；浇注系统；MoldFlow目 录前 言 .11 产品的工艺分析 .21.1 产品的说明 .2产品介绍 .21.2 产品的材料 .31.2.1 材料的介绍 .31.2.2 材料的性能 .32 MoldFlow 的操作介绍 .42.1 MoldFlow 的简介 .42.1.1 软件的功能 .42.1.2 软件主要的分析模块 .42.2 MoldFlow 的操作界面展示 .42.2.1 MoldFlow 的模流分析流程 .42.2.2 塑件的分析过程 .43 浇口位置的分析 .63.1 二浇口位置遵循的七大原则 .63.2 乐高塑料积木的浇口位置分析 .64 浇注系统的确立与冷却系统的设计 .84.1 创建浇注系统 .84.1.1 浇注系统的简介 .84.1.2 浇注系统的创建过程 .84.1.3 注射的成型周期 .94.2 冷却系统的设计 .104.2.1 冷却系统的影响 .104.2.2 冷却系统的设计原则 .104.2.3 乐高塑料积木的冷却设计 .105 分析数据计算结果 .115.1 两种方案的数据 .115.1.1 材料的数据 .115.1.2 填充的数据分析 .155.2 材料的流动分析 .18总 结 .21致 谢 .23附 录 .24参考文献 .250前 言随着人类科技的不断进步，人类在各方面的需求也是急剧增长。在这种大环境下，模具工业迅速崛起，获得了前所未有的发展。现代工业的生产中，模具已经成为各个工业产品不可或缺的重要工艺设备。模具凭借着低成本、低消耗、优品质、高产量的特点，在各个领域得到了极其广泛的运用，被人们称为“工业之母” 。尤其是在塑料工业方面。塑料工业作为模具工业中的佼佼者，发展也是最为迅速。随着人类在化学领域的进步越来越大,各种性能的塑料产品也是不断的被开发出来。化学稳点性好，力学性能高，耐磨等优异性能，使注塑工艺越来越多的被各个制造领域用来成型各种性能要求的产品。随着人们的生活需求急剧增长，从而使得塑料产品的数量不断地增长。数量增长的同时，使得一些企业对成本及产品的质量也是愈发重视，MoldFlow 由此而生。1978 年，美国 MoldFlow 公司发行了世界第一套流动分析软件，几十年来不断改革技术，始终走在世界的最前沿。MoldFlow 总公司在世界各地建设了分公司，为了提高材料分析的准确度，公司在各地成立了 MoldFlow 的研发单位，并且建立了材料测试检验工厂，提供了 8000 余种材料的选择。正是公司的这种认真严谨的态度，使得 MoldFlow 成为全球主流分析软件。Moldflow 软件，可以模拟整个注塑过程以及过程中对产品的影响。其中包括模拟对型腔尺寸、浇口位置及尺寸、流道尺寸和冷却系统等进行优化设计，在计算机上进行试模、修模，可大大提高模具质量，减少试模次数，大大的节约了工作研发人员的时间与精力。因此本次用 MoldFlow 分析的产品就是市场上销量较好的塑料玩具乐高 2x3 塑料模具积木。首先使用软件对塑料积木进行仿真，建立不同的方案。然后再模拟过程中分析各种注塑工艺参数。比如浇口位置、流道尺寸、冷却系统等等。最后根据分析数据对方案进行比较并选择出最合适的方案。11 产品的工艺分析1.1 产品的说明产品介绍本次设计乐高塑料积木，结构简单、便于成型。设计图如下：图 1-1 乐高塑料积木草图图 1-1 乐高塑料积木立体图21.2 产品的材料1.2.1 材料的介绍材料的选择：ABS 塑料(A-丙烯腈;B-丁二烯;S-苯乙烯)ABS 塑料化学成分为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，五大树脂合成之一。ABS 塑料很容易加工，也因此在世界范围内都有很大的产量。1.2.2 材料的性能1)力学性能:抗冲击能力极好，可在极低的温度下使用。耐油耐磨性好。2)电学性能:绝缘性比较好，可在大多数的情况下使用。3)环境性能:它的化学成分决定了它的环境性能。ABS 塑料不受无机盐、水、酸等影响，但是它的耐候性较差。32 MoldFlow 的操作介绍2.1 MoldFlow 的简介2.1.1 软件的功能MoldFlow 是全球领先的塑料注塑成型生产解决方案计算机设计软件公司和咨询公司。MoldFlow 软件包括 MoldFlow Plastic Advisers、MoldFlow Plastic Insight。前者简称 MPA，后者简称 MPI。这两种拥有着各自不同的作用。而本次设计使用的就是后者MPI，MPI 一般是用来对塑件进行一个模流分析，并且可以对塑件的形状、材料、模具的设计以及工艺参数设置进行优化，以此来获得高质量的产品。2.1.2 软件主要的分析模块MoldFlow 的分析模板较多，其中最主要的有:3D 技术、中性面、双层面、浇口位置的分析、成型窗口分析、流动模拟模块、冷却分析、翘曲分析等等。每个模块都有每个模块的作用，缺一不可。2.2 MoldFlow 的操作界面展示2.2.1 MoldFlow 的模流分析流程MoldFlow 的模流分析流程包括三大步骤：分析前处理、建模、分析后处理。分析前处理包括:新建项目、导入 CAD 模型、划分网络、网格的诊断与修复、选择分析类型和分析原材料。建模包括：创建浇注系统和创建冷却系统。分析后处理包括：设定工艺的参数、分析计算、获取分析结果和输出分析报告。2.2.2 塑件的分析过程首先建立网格模型，这包括新建一个工程项目、导入 CAD 模型和生成并检查网格。4如下图所示:图 2-1 生成网格接着就是设定浇口，创建浇注系统和冷却系统。如下图所示：图 2-2 浇口的位置设定图 2-3 浇注系统与冷却系统的创建5最后就是获取模拟分析的结果了，再根据数据进行分析。3 浇口位置的分析3.1 二 浇口位置遵循的七大原则注塑模具中，浇口是连接流道和型腔之间的一段西段通道，它是模具浇注系统的关键部位。浇口的位置对塑件的成型性能和质量有着很大的影响。所以在选择浇口的位置的时候，需要遵循如下原则：1)尽量缩短流动距离。2)浇口应选在塑件截面最厚处。3)必须尽量的减少或者避免产生熔接痕。4)有利于排气。5)不在承受弯曲或者冲击载荷的部位。6)注意塑件的外观质量。7)考虑塑件的受力情况。3.2 乐高塑料积木的浇口位置分析在设计过程中，我对浇口的位置进行了两种分析方案。第一种方案是浇口位置在塑件的中心，如下图所示：图 3-1 塑件的中心浇口位置第二种方案就是浇口位置在塑件的边缘，如下图所示： 6图 3-2 塑件的边缘浇口位置浇口位置设计好之后，就要创建浇注系统。74 浇注系统的确立与冷却系统的设计4.1 创建浇注系统4.1.1 浇注系统的简介所谓的浇注系统就是熔体从注射机喷嘴射出后到达型腔之前在模具内流经的通道。浇注系统有两个大类，分别是普通流道浇注系统和热流道浇注系统。普通流道浇注系统一般是由主流道、分流道、浇口和冷料井组成在注射模具设计中，浇注系统可以说是一个很重要的环节，是模具工作者必须重视的技术问题。设计要求如下：1)熔体通过浇注系统时，压力损失要小。2)便于模具加工、脱模和清除凝料。3)热损失要小。4)物料的使用量尽可能少，降低成本。5)工艺缺陷要少。4.1.2 浇注系统的创建过程浇注系统是十分重要的。在确定好浇口位置之后，就是生成主流道，然后再创建主流道与分流道的单元杆。这样浇注系统就创建完成了。具体如下图所示：8图 4-1 主流道的生成图 4-2 主流道、分流道单元杆的生成4.1.3 注射的成型周期注射的成型周期主要有三点。第一点：填充阶段。即材料经过高温加热熔后，以喷泉形式向前填充。第二点：保压阶段。即填充满的时候，螺杆在压力作用下仍向前推动着，由于材料的收缩，螺杆继续向前移动一段时间，直到最大压力出现时，增压阶段结束。第三点：补偿阶段。在这三个阶段之后就是冷却系统的设计了即螺杆继续向前运动，额外的料被挤入模腔，用来补偿塑料在熔融料温状态与室温固态之间的体积差。而在这三个阶段之后就是冷却系统的设计了。94.2 冷却系统的设计4.2.1 冷却系统的影响由于在注射成型过程中，冷却时间占成型周期的 2/3 以上，所以冷却系统的设计对塑件的生产效率起着至关重要的作用。设计合理的冷却系统，对模具温度进行有效的调节是十分必要的。4.2.2 冷却系统的设计原则冷却系统设计原则概括起来有九点:1) 冷却水道尽可能的多，孔径尽可能的大，但是还要考虑冷却液的流量，保证所需要的流速。2) 冷却水道之间的距离由塑件的壁厚进行确定。3) 浇口处应加强冷却。4) 尽量使冷却水出入口的温差小，一般控制在 5-8。5) 冷却水道应该尽量沿着塑件收缩的方向来布置。6) 冷却水道应该尽量避免靠近熔接痕处。7) 保证冷却水道不发生泄露，密封性能好。8) 避免与模具结构的其他部位发生干涉。9) 冷却水道的布置应该方便与加工、清洗与安装。4.2.3 乐高塑料积木的冷却设计在遵循上述的原则之后开始冷却系统的设计，如下图所示:图 4-3 冷却系统的设计105 分析数据计算结果5.1 两种方案的数据5.1.1 材料的数据第一种方案： pvT 模型:两域修正 系数: b5 =443.1500 Kb6 =1.1200E-007 K/Pa液体阶段 固体阶段-b1m = 0.0013 b1s = 0.0012 m3/kgb2m = 1.0370E-006 b2s = 3.6310E-007 m3/kg-Kb3m = 8.4852E+007 b3s = 2.0838E+008 Pab4m = 0.0063 b4s =0.0024 1/Kb7 = 0.0001 m3/kgb8 = 0.0578 1/Kb9 = 1.1460E-008 1/Pa表 5-1 方案一比热温度 比热T(K) Cp(J/kg-K)305.1500 1786.0000347.1500 2130.0000381.1500 2531.0000392.1500 3033.0000395.1500 3704.0000399.1500 1.1723E+004402.1500 1.9706E+004404.1500 5834.000011407.1500 2614.0000415.1500 2547.0000436.1500 2622.0000533.1500 2887.0000表 5-2 方案一热传导率温度 热传导率T(K) K(W/m-K)309.9500 0.1889319.9500 0.1898339.9500 0.1915360.1500 0.1901380.3500 0.1894400.6500 0.1886439.6500 0.1717458.8500 0.1731478.5500 0.1726498.6500 0.1726518.9500 0.1759539.1500 0.1752粘度模型: Cross-WLF系数: n = 0.3083TAUS = 1.6834E+004 PaD1 = 6.7267E+013 Pa-sD2 = 263.1500 KD3 = 0.0000 K/PaA1 = 30.441012A2T = 51.6000 K转换温度=131.0000 C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 MPa E2 = 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/C Alpha2 =0.0002 1/C第二种方案：pvT 模型:两域修正 系数: b5=443.1500 Kb6=1.1200E-007 K/Pa液体阶段 固体阶段b1m = 0.0013 b1s =0.0012 m3/kgb2m = 1.0370E-006 b2s =3.6310E-007 m3/kg-Kb3m = 8.4852E+007 b3s=2.0838E+008 Pab4m = 0.0063 b4s =0.0024 1/Kb7 = 0.0001 m3/kgb8 = 0.0578 1/Kb9 = 1.1460E-008 1/Pa13表 5-3 方案二比热温度 比热T(K) Cp(J/kg-K)305.1500 1786.0000347.1500 2130.0000381.1500 2531.0000392.1500 3033.0000395.1500 3704.0000399.1500 1.1723E+004402.1500 1.9706E+004404.1500 5834.0000407.1500 2614.0000415.1500 2547.0000436.1500 2622.0000533.1500 2887.0000表 5-4 方案二热传导率温度 热传导率T(K) K(W/m-K)309.9500 0.1889319.9500 0.1898339.9500 0.1915360.1500 0.1901380.3500 0.1894400.6500 0.1886439.6500 0.1717458.8500 0.1731478.5500 0.172614498.6500 0.1726518.9500 0.1759539.1500 0.1752粘度模型:Cross-WLF系数: n = 0.3083TAUS = 1.6834E+004 PaD1 = 6.7267E+013 Pa-sD2 = 263.1500 KD3 = 0.0000 K/PaA1 = 30.4410A2T = 51.6000 K转换温度=131.0000 C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 =0.00011/CAlpha2 =0.00021/C5.1.2 填充的数据分析第一种方案：充填阶段: 15状态: V = 速度控制P = 压力控制V/P= 速度/压力切换表 5-5 方案一填充阶段表时间 体积 压力 锁模力 流动速率 状态(s) (%) (MPa) (tonne) (cm3/s)0.235 5.80 0.20 0.00 36.80 V0.424 10.33 0.31 0.00 37.11 V0.677 16.37 0.49 0.02 37.01 V0.898 21.65 0.64 0.04 37.02 V1.045 25.16 0.73 0.06 37.03 V1.266 30.41 0.88 0.10 37.04 V1.486 35.65 1.02 0.14 37.05 V1.707 40.88 1.17 0.18 37.05 V1.862 44.47 1.90 0.38 36.50 V2.069 49.34 2.34 0.54 36.99 V2.281 54.32 2.59 0.68 37.04 V2.486 59.12 2.78 0.81 37.09 V2.686 63.79 2.93 0.92 37.10 V2.897 68.73 3.08 1.04 37.11 V3.115 73.79 3.24 1.19 37.11 V3.310 78.30 3.38 1.32 37.12 V3.526 83.32 3.52 1.47 37.13 V3.729 88.00 3.67 1.62 37.13 V3.932 92.64 3.89 1.88 37.14 V4.132 97.20 4.18 2.24 37.15 V4.214 99.07 4.40 2.54 36.81 V/P4.225 99.28 3.52 2.13 18.48 P4.281 99.84 3.52 2.63 15.10 P164.287 100.00 3.52 2.67 15.10 已填充充填阶段结果摘要 :最大注射压力(在 4.2145 s) = 4.4020 MPa充填阶段结束的结果摘要 :充填结束时间 = 4.2873 s总重量(零件 + 流道) = 115.1531 g最大锁模力 - 在充填期间 = 2.6688 tonne第二种方案：充填阶段: 状态: V = 速度控制P = 压力控制V/P= 速度/压力切换表 5-6 方案二填充阶段表时间 体积 压力 锁模力 流动速率 状态(s) (%) (MPa) (tonne) (cm3/s)0.209 5.57 0.15 0.00 35.27 V0.413 10.56 0.30 0.00 35.09 V0.642 16.47 0.43 0.01 35.20 V0.794 20.40 0.52 0.02 35.21 V1.032 26.52 0.67 0.05 35.22 V1.197 30.74 0.77 0.06 35.22 V1.354 34.76 1.05 0.12 34.77 V1.538 39.37 1.77 0.27 35.06 V1.732 44.30 2.03 0.35 35.18 V1.924 49.18 2.23 0.43 35.19 V2.115 54.01 2.40 0.52 35.21 V2.304 58.79 2.55 0.60 35.24 V2.496 63.63 2.73 0.71 35.23 V172.694 68.58 2.97 0.87 35.20 V2.883 73.28 3.28 1.10 35.22 V3.074 78.04 3.61 1.38 35.27 V3.263 82.72 3.94 1.68 35.26 V3.453 87.42 4.25 1.99 35.27 V3.649 92.24 4.61 2.39 35.30 V3.836 96.80 5.03 2.87 35.31 V3.927 99.01 5.39 3.34 34.91 V/P3.940 99.27 4.32 2.78 17.44 P3.985 99.84 4.32 2.86 18.29 P3.989 100.00 4.32 2.89 18.29 已填充充填阶段结果摘要 :最大注射压力(在 3.9272 s) =5.3948 MPa 充填阶段结束的结果摘要 :充填结束时间 = 3.9890 s总重量(零件 + 流道) = 101.5604 g最大锁模力 - 在充填期间 = 3.3379 tonne5.2 材料的流动分析1)填充时间。填充时间实际上是一种动态结果，主要显示从进料开始到充模完成整个的注塑过程。如下图所示的，第一种方案的填充时间为 4.287s，第二种的填充时间为 3.989s。从结果来看，第二种方案时间略短。18图 5-1 填充时间2)流动前沿温度。下图为两种方案塑件的熔体流动温度结果。从下图中可以看出，方案一的熔体前沿温度为 218.4 至 220，方案二的熔体前沿温度为 218.2 至 220。第二种的温度差异较大，因此第一种方案较好。图 5-2 流动前沿温度3)熔接线。熔接线会让产品强度降低，特别是在塑件的受力部位。熔接线会对产品的结构与外观造成影响。塑件熔接线如下图所示：19图 5-3 熔接线4)末端填充压力。末端填充压力主要显示填充结束时型腔内及流道内的压力分布，如下图所示，第一种方案此时的最大压力为 3.522MPa，第二种的压力为 4.316MPa。从结果看，第一种方案的较好。图 5-4 末端填充压力5)注射位置处压力。注射位置处压力为塑件进料口位置的压力、保压、冷却整个过程中的变化图。如下图所示:20图 5-5 注射位置处的压力经过填充时间、流动前沿温度、熔接线、末端填充压力和注射位置处压力的比较数据来看，第一种方案比较适合。21总 结光阴似箭，日月如梭。转眼间，三年的大学生活即将结束。说句心里话，有点舍不得。在三年来结交了很多的朋友，一起经历了很多，有苦也有甜，这些将成为我记忆中不可磨灭的一部分。可是我知道，天下没有不散的宴席。当我写完这篇总结的时候，也就完成了最后的毕业设计论文，也就预示着离开学校的日子不远了。独自一人背着行囊外出闯社会，进入到新的环境，从头开始新的生活。所以，我格外珍惜写论文的这段时光。我所选的论文题目就是“乐高塑料积木的 MoldFlow 分析” 。之所以选择这个题目，是因为 MlodFlow 所演的角色越来越重要。现代的科技飞速发展着，对模具的要求也是愈来愈高，而对 MlodFlow 的需求也是急剧增加，人们已经离不开它了。对于 MlodFlow，我对它的理解与掌握只是一些最基本的。但是，我喜欢挑战，我要学会去尝试！在写论文的过程中，我遇到了很多的困难。我没有退缩，一点点的去克服它。碰到自己不了解的东西，我都会向老师和同学请教。渐渐的，我攻克了一个又一个的难题，在此谢谢那些帮助过我的人！感谢的话我会在下面的致谢处说出来。接下来，我就说一说我的设计过程。首先是收集资料。在指导老师的指点下，通过各个渠道进行资料的收集，比如:相关的书籍、网络以及相关的学术论文等等。老师还帮助我们上了一个多月的 MlodFlow 课程，让我们更加方便的去了解 MlodFlow。指导老师还推荐了中国知网，推荐了别人的专业论文，让我们从中学习一些平时学不到的东西，积累经验。接着是整理资料与课题的研究。当资料收集的差不多的时候，老师帮我们摒弃了一些不需要的资料，取其精华，去其糟粕。根据我的课题，我在草稿纸上写出大致的提纲，然后接着开始课题的研究。首先，我用 UG 画出产品的三维图。然后用 UG 将三维图导出CAD 变成二维图并且进行必要尺寸的标注。这些完成之后就是最最重要的 MlodFlow 分析了。分析过程中，我分析了各方面的数据，也记录了一些方案并且对这些方案进行了各种各样的比较，最后选择一个最合适的方案。到此，MlodFlow 的分析也就结束了。分析结束之后，我用邮件将初稿发给了指导老师。老师指出了我的许多不当之处。理论的错误、文字的错误以及论文格式的错误等等。在修改的过程，我也产生了些许的浮躁之气。自己努力了一个月，竟然还出现这么多的错误。感觉自己不适合这些。不过，老师对我说这是很正常的事情，不必要这样。身边22的同学也在安慰我，帮助我调节自己的心态，最终我完成了自己的这一次设计。通过这一次的经历，我懂得了互相学习的重要性。其实，最好的学习方式就是互相学习，越是不懂得越是要去学习，这样自己才能变得越来越强大，才能更好的在社会上立足。23致 谢写到这里，就代表着我的论文将要完成了，心里有着难以言表的喜悦。这篇设计论文注入了我大量的心血！尽管其中遇到些挫折，但是都一一
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