法兰轴的注塑模模具设计

学位论文I摘 要本课题主要是针对法兰轴的注塑模模具设计。该产品是 U 盘内部的一个关键部件，其作用是实现 U 盘旋转便携的功能，极具时尚气息。通过对U 盘法兰轴工艺的正确分析，设计一副一模四腔的塑料模具，详细地叙述了模具成型零件包括前模板、前模仁、后模板、后模仁、后模镶件、斜导柱、滑块等的设计过程，重要零件的工艺参数的选择与计算，以及推出机构与浇注系统以及其它结构的设计过程。针对塑件的具体结构，该模具采用点浇口的双分型面注射模具，且需要对开抽芯结构，并采用基于特征的三维设计软件 UG 对零件和模具开展了设计，完成了三维实体建模。运用有限元软件 Moldflow 对零件的填充、冷却、流动、翘曲等过程进行模拟分析，分析了成型过程中的填充时间、冷却效果、流动行为、成型压力等情况，获得了成型工艺随时间的变化规律，评估了模具设计的合理性。该设计方案缩短了产品的研发周期、模具设计周期和加工周期, 提高了产品设计的可靠性。关键词：注塑；模具设计；有限元；斜导柱 学位论文IIABSTRACTThis topic mainly aims at the flange shaft of U plate plastic mold design. The product is a key internal component in U plate, and its function is to achieve a portable and rotation effect ,and full of fashion. A set of mould with one module and four cavities has been designed through the correct analysis of the technology of insulated the flange shaft of U plate in the graduate design. The design and machining technology process of its molding part including the front moulding plate、front mould kernel、back mould plate、back mould kernel、 back mould set piece、incline guide pin、 slide steatite etc, and the choice and calculation of technology parameters of the impotent part, the design process of extrusion outfit, inject system and other makeup are specified in detail.UG software is selected for three-dimensional design of the part and mold process. Using the finite element software Moldflow ,which could analyze the process of the filling, the cooling, flow and warpage. In this way, many parameters, such as filling time, cooling effect, flow and molding pressure was obtained. Furthermore, the regularity of processes change with time was analyzed. Finally, the rationality of mold design was researched. This technology has shortened the time of the product development, the die design and the processing design, and also improved the reliability of the product design. Keywords: Injection; Die Design; Finite Element; incline guide pin 学位论文III目录摘要 .IABSTRACT.II1 绪论 .11.1 我国塑料模具技术的现状及展望.11.2 注射模具的分类.41.3 毕业设计的目的和意义.52 U 盘法兰轴模具设计 .62.1 塑件的工艺性分析.62.2 法兰盘模具的结构设计.92.3 注射机的确定.112.3 侧向分型与抽芯机构的设计.152.4 浇注系统形式和浇口的设计.172.5 成型零部件的结构设计和计算.202.6 模架选择和标准件的选用.252.7 合模导向机构设计.262.8 脱模推出机构设计.272.9 排气系统设计.282.10 温度调节系统.282.11 模具 CAD 设计流程 .323 塑件成型过程计算机模拟 .363.1 有限元分析基础.36 学位论文IV3.2 Moldflow 简介.373.3 塑件计算机模拟.38总结与展望 .46参考文献 .47致谢 .48 学位论文11 绪论1.1 我国塑料模具技术的现状及展望1.1.1 塑料模具行业的现状在国际金融危机和节约能源的大前提下，中国塑料模具的逐渐转向了生产轻量化、节省资源、节省能源、能再生循环利用制品的专业化方向发展，其中模具 CAD/CAM 的低成本优势显得更为突出。中国逐渐成为全世界的制造工厂和世界代工的基地。工业产品无不需要借助模具进行大批量生产，生活中借助模具制造出来的产品更是无处不在。尤其是塑料发明和广泛使用，为人类的物质文明谱写了新的篇章，大大推动了人类社会的进步和繁荣。它以其独特的性能，亮丽的外观，低廉的价格等优点，在国民经济和人们的日常生活中占据了重要的地位。随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，塑料使用量已超过钢铁和木材，以塑代钢，以塑代木，已是大势所趋，同时对塑料制品的生产效率和制造质量也提出了越来越高的要求。在更加注重人性化的社会中，塑料产品的人机交互性显得越来越重要。而轴类零件的模具工艺好坏常常决定产品使用寿命。塑料工业是世界上增长最快的工业之一。随着科技日新月异的发展，塑料工业得到了前所未有的发展，从而使塑料的数量也不断上涨。当然塑料工业的发展离不开塑料模具设计，模具工业被誉为“工业之母”。随着模具技术的迅速发展，在现代工业生产中，模具已成为各种工业产品不可或缺的重要工艺设备。模具成型具有优质、高产、低消耗、低成本的特点。因而，在国民经济各个部门得到了极其广泛的应用。在模具成型中，塑料成型占很大的比重。由于塑料具有化学稳定性好，电绝缘性强，力学性能高，自润滑，耐磨及相对密度小等独特的优异性能，成为工业部分必不可 学位论文2少的新型材料。以上所体现的各个方面，都与模具设计有着非常密切的关系。一副设计合理的模具，就有 85成功的希望，其余就要靠设备和模具制造工人的熟练程度来达到，所以，提高塑料注射模具的设计水平尤为重要。本套模具在设计的中，结合前人的设计经验和这几年模具发展的新成果，采用了很多更合理的模具结构。如今，我国模具成型工业已形成了相当规模的完整体系，越来越多的新技术，新工艺，新材料诞生，并将应用在模具产业中，这将促使我国模具工业的飞跃发展。1.1.2 塑料模具的发展趋势1） 经过近几年的发展，塑料模具的开发、创新和企业管理等方面已显示出一些新的发展趋势：（1）在模具的质量、交货周期、价格、服务四要素中，已有越来越多的用户将交货周期放在首位。要求模具公司尽快交货，这已成为一种趋势。企业千方百计提高自己的适应能力、提高技术水准、提高装备水平、提高管理水平及提高效率等都是缩短模具生产周期的有效手段。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。（2）大力提高开发能力，将开发工作尽量往前推，直至介入到模具用户的产品开发中去，甚至在尚无明确用户对象之前进行开发，变被动为主动。目前，电视机和显示器外壳、空调器外壳、摩托车塑件等已采用这种方法，手机和电话机模具开发也已开始尝试。这种做法打破了长期以来模具厂只能等有了合同，才能根据用户要求进行模具设计的被动局面。（3）随着模具企业设计和加工水平的提高，模具的制造正在从过去主要依靠钳工的技艺转变为主要依靠技术。这不仅 是生产手段的转变，也是生产方式的转变和观念的上升。这一趋势使得模具的标准化程度不断提高，模具精度越来越高，生产周期越来越短，钳工比例越来越低，最终促 学位论文3进了模具工业整体水平不断提高。中国模具行业目前已有 10 多个国家级高新技术企业，约 200 个省市级高新技术企业。与此趋势相适应，生产模具的主要骨干力量从技艺型人才逐渐转变为技术型人才是必然要求。当然，目前及相当长一段时间内，技艺型人才仍十分重要，因为模具毕竟难以完全摆脱对技艺的依靠。（4）模具企业及其模具生产正在向信息化迅速发展。在信息社会中，作为一个高水平的现代模具企业，单单只是 CAD/CAM 的应用已远远不够。目前许多企业已经采用了CAE、CAT、PDM、CAPP、KBE、KBS、RE、CIMS、ERP 等技术及其它先进制造技术和虚拟网络技术等，这些都是信息化的表现。向信息化方向发展这一趋向已成为行业共识。（5）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。（6）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。2） 中国塑料模具行业和国外先进水平相比，主要存在以下问题： 学位论文4（1）发展不平衡，产品总体水平较低。虽然个别企业的产品已达到或接近国际先进水平，但总体来看，模具的精度、型腔表面的粗糙度、生产周期、寿命等指标 与国外先进水平相比尚有较大差距。包括生产方式和企业管理在内的总体水平与国外工业发达国家相比尚有 10 年以上的差距。（2）工艺装备落后， 组织协调能力差。虽然部分企业经过近几年的技术改造，工艺装备水平已经比较先进，有些三资企业的装备水平也并不落后于国外，但大部分企业的工艺装 备仍比较 落后。更主要的是，企业组织协调能力差，难以整合或调动社会资源为我所用，从而就难以承接比较大的项目。（3）大多数企业开发能力弱，创新能力明显不足。一方面是技术人员比例低、水平不够高，另一方面是科研开发投入少；更重要的是观念落后，对创新和开发不够重视。模具企业不但要重视模具的开发，同时也要重视产品的创新。（4）供需矛盾短期难以缓解。近几年，国产塑料模具国内市场满足率一直不足 74%，其中大型、精密、长寿命模具满足率更低，估计不足60%。同时，工业 发达国家的模具正在加速向中国转移，国际采购越来越多，国际市场前景看好。市场需求旺盛，生产发展一时还难以跟上，供不应求的局面还将持续一段时间。1.2 注射模具的分类根据所使用的塑料注射机的不同其结构形式也不相同，大体分为以下几种形式。立式注射模：它是竖直安装在立式注射机上浇口自上而下注射的。它的特点是在注射成型时，注射方向与开模方向一致。放置活动型芯和嵌块 学位论文5时比较方便，但塑件顶出后，必须用手取出，不易实现自动化生产，多在小型塑件的小型模具时采用。直角式注射模：它是平卧安装在立式注射机上，它的浇口也是自上而下注射成型，但与开模的方向垂直，一般也多在小型模具时使用。卧式注射模：它是安装在卧式注射机上的，是注射成型中最普及和常用的一种。1.3 毕业设计的目的和意义1.3.1 毕业设计的目的与意义本次毕业设计的课题是轴套塑料件的模具设计及其模拟分析，希望通过此次毕业设计过程锻炼以下能力：塑料制品的工艺性分析及成型工艺的选择；塑料制品的工艺改进、塑料模具结构设计的能力；了解和学习模具设计常用的三维设计软件以及培养自己理论学习与实践的能力；利用 Moldflow 对模具进行可行性的模流分析。从而在塑件结构设计、塑料成型工艺分析、塑料模具数字化设计与模拟、塑料模具零件的选材、热处理、塑料模具零件的制造，以及资料检索、英文翻译等方面获得综合训练，为将来所从事的事业做一定的积累。本次设计的模具产品为法兰轴，其侧面有两个凸起的倒钩，为了保证该零件的分型，需要在其侧面添加两个侧抽芯，即模具采用斜滑块抽芯机构，这是本模具设计的难点。抽芯机构的抽芯操作和塑件的顶出是同时进行的，为避免发生干涉，应进行优先复位的设计。此外，将零件模型网格化后再导入 Moldflow 进行模流分析，并对模具的合理性进行最终的论证。这将有助于理解 CAD、CAE 模具设计和分析的流程，并最终提高模具设计的质量和周期。 学位论文62 U 盘法兰轴模具设计2.1 塑件的工艺性分析2.1.1 塑件分析1)使用性能、制件技术要求和生产要求该塑件为轴盖式，用于固定和定位。根据要求，采用小批量生产，采用注塑成型。2)了解塑件材料ABS 属于热塑性无定型料，流动性中等，溢边值为 0.04 毫米左右，吸湿性强，成型前须充分干燥。3). 塑件尺寸精度分析查文献2表（31）和表（32）知0.55 0+0.05，1.25 0+0.05，2.45 0+0.05，1.25 0+0.05，5.8 0+0.08，4.8 0+0.08，均为MT2 级精度，属“高精度尺寸”，在模具设计和制造中要确保其精度要求。其余的尺寸无特殊要求，其尺寸公差按 MT5 级精度查取。4)塑件表面质量分析必须避免在塑件的分型面处出现毛边；注意通孔处不出现溢边；表面粗糙度只有塑件外形要求 Ra3.2，其它部位没有较高粗糙度要求。5)塑件的结构工艺性分析 （1）塑件端部厚度为 0.55mm，轴部厚度为 0.5mm，壁厚均匀，塑件成型性能良好；（2）塑件本身有一定斜度，利于脱模；对于 ABS 塑料，凹模倾角 学位论文740120，凸模为 351。（3）从塑件结构看，设置一个分型面。图 2.1 U 盘法兰轴2.1.2 热塑性塑料（ABS）的注塑成型过程及工艺参数(1) 注射成型过程a) 成型前的准备。ABS 的吸湿性和对水分的敏感性较大，在加工前进行充分的干燥和预热，不单能消除水气造成的制品表面烟花状气泡带，银丝，而且还有助于塑料的塑化，减少制品表面的色斑和云纹。b) 注射过程。塑料在注塑机料筒内经过加热、塑化达到流动状态后，由模具的浇注系统进入模具型腔成型，其过程一般包括加料、塑化、注射、冷却和脱模几个阶段。c) 塑件的后处理。为了消除塑件内存在的应力、改善塑件的性能和提高尺寸的稳定性，注射成型的塑件经脱模或机械加工之后，常需要进行适当的后处理。主要的后处理方法有退火和调湿处理，本件采用调湿处理，处理温度为 70，保湿时间为 24h。(2) ABS 的注射工艺参数a) 注射机类型：螺杆式。 学位论文8b) 螺杆转速（r/min）3060 。c) 料筒温度（）： 前段 200210中段 210230后段 180200d) 喷嘴温度（）：180190；喷嘴形式：直通式。e) 模具温度（）： 5070。f) 注射压力（MPa ）：7090。g) 保压压力（MPa）：5070。h) 成型时间（s）：注射 35；保压 5070；冷却 1530；成型周期4070。2.1.3 ABS 的性能分析(1) 使用性能综合性能较好，冲击韧性，机械强度较高，尺寸稳定，耐化学性，电性能良好；易于成型和机械加工，适于制作一般机械加工零件，耐磨零件，传动零件和电讯结构零件。常用于水箱外壳、管道、电机外壳、仪表外壳等产品的制造。(2) 成型性能ABS 材料有一定的硬度和一定的尺寸稳定性，在成形时会在制品上产生斑痕，云纹，气泡等缺陷，吸湿性强，含水量应小于 0.3，必须充分干燥，要求表面光泽的塑件应要求长时间预热干燥。(3) ABS 的主要性能指标ABS 的主要性能指标见表 1.1 。 学位论文9表 1.1 ABS 主要性能指标密度（g/cm ）31.021.16 计算收缩率（%） 0.55比容(cm /g) 0.860.98 抗拉屈服强度（MPa）50吸水率（% ） 0.20.4 拉伸弹性模量（MPa） 1.8103收缩率（% ） 0.40.7 抗弯强度（MPa） 80熔点（） 130160 硬度(HB) 9.72.1.4 ABS 成型塑件的主要缺陷及消除措施(1) 缺陷：缺料（注射量不足） 、气穴、溢料飞边、着色不均匀、变形翘曲、熔接痕强度低等。(2) 消除措施：加大主流道、分流道、浇口，加大喷嘴，增加排气槽、改变冷却水道位置、增大注射压力、延长成型周期等。2.2 法兰盘模具的结构设计2.2.1 分型面位置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) 分型面的选择应有利于塑件顺利脱模。 (3) 分型面的选择应保证塑件的尺寸精度和表面质量。 (4) 分型面的选择应有利于模具的加工。 学位论文10(5) 分型面的选择应有利于排气。 本设计中塑件的分型面选在零件的最大截面处（即塑件的最底端）。方案 1 与方案 2 相比，方案 1 型芯设在动模，开模后塑件包在型芯上留在动模，符合分型面设计原则，简化了模具结构，且缩短了流道，节约材料，提高经济效益，故采用方案 1 设计。2.2.2 确定型腔数量及排列方式一般来说，大中型塑件和精度要求高的小型塑件优先采用一模一腔的结构，但对于精度要求较高的小型塑件（没有配合精度要求） ，形状简单，又是批量生产时，若采用多型腔模具可提供独特的优越条件，使生产效率大为提高。故由此初步拟定采用一模四腔结构。2.2.3 模具结构形式的确定该塑件的质量要求较高，从该塑件的外部特征来看，塑件结构略复杂，需要在其侧面添加两个侧抽芯，这样也增加了模具的结构复杂度，采用两个斜导柱侧抽芯机构，本模具采用双分型面注射模具（三板式注塑模） ， 学位论文11并用顶杆顶出机构。图 2.2 斜导柱侧抽芯机构2.3 注射机的确定注射机是注射成型的设备，注射模是安装在注射机上使用的工艺装备。注射机选用的是否合理，直接影响模具结构的设计，因此，在进行模具设计时，必须对所选用活动注射机的相关技术参数有全面的了解。2.3.1 所需注射量的计算(1) 塑件质量、体积的计算根据建立的塑件三维模型分析得到：塑件体积 3126.mV浇注系统凝料体积可以按照塑件体积的0.6倍计算，由于模具采用一模四腔，所以浇注系统凝料体积为 ，故该312874.046.0cmV模具一次注射所需ABS为：体积 32108.4cmV质量 gM14.060 学位论文12(2) 注射机型号的确定根据以上的计算初步选定型号为SYS-10(立式)注射机，其主要技术参数如下：最大注射量：10 g 定位圈直径：55mm注射压力：150Mpa 螺杆直径：22mm最大注射面积：45 cm 锁模力：150kN 3拉杆内间距：214mm214 mm 最大开模行程：120mm最大模具厚度：180mm 最小模具厚度：100mm喷嘴口直径：2.5mm 喷嘴球半径：12mm顶出形式：四侧设有顶杆，机械顶出 2.3.2 型腔数量及注射机有关工艺参数的校核(1) 型腔数量的校核a) 按注射机的最大注射量校核型腔数量（2.3.2.1）21NKmn上式右边=321.25 4， 符合要求。式中 K-注射机最大注射量的利用系数，无定型塑料一般取 0.85；-单个塑件的质量和体积（g 或 ） ，取 0.4g；1m3cm1-浇注系统所需塑料质量和体积（g 或 ） ，取 0.6 4 ；2 1m-注射机允许的最大注射量（g 或 ） ，该注射机为 10g。N 3cb) 按注射机的额定锁模力校核型腔数量（2.3.2.2）zmjAPFn上式右边 10.12 4，符合要求。 学位论文13式中 F-注射机的额定锁模力（ ）,该注射机为 ；NN510.-塑件在模具分型面上的投影面积（ ） ；zA2m-浇注系统在模具分型面上的投影面积（ ） ；j-塑料熔体对型腔的成型压力，一般为注射压力的 ，mP 30%5ABS 的流动性好，该处取型腔平均压力为 35MPa。(2) 注射机工艺参数的校核a) 注射量校核注射量以容积表示，最大注射量为 3max 7.09.85cmV式中 -模具型腔和流道的最大容积（ ） ；maxV-注射机的注射量容积（ ）,该注射机为 10 ；3c3c-注射系数，取 0.750.85，无定型塑料取 0.85，结晶型塑料取0.75。倘若实际注射量过小，注射机的塑化能力得不到发挥，塑料在料筒中停留时间就会过长。所以最小注射量容积 。故每次3min64.109.5cmV注射的实际注射量容积 应满足 ，而 =2.34 ，符合要 iax求。注：注射量亦可以质量表示，计算方法相同。b) 最大注射压力校核注射机的额定注射压力即为该机器的最高压力 ，应该MPa150max大于注射成型时所需调用的注射压力 ，即0p 学位论文14max0pk式中 -安全系数，常取 =1.251.4。实际生产中，该塑件成型时所需k的注射压力 为 70 90 。一般取 =1.3， =80 ，满足要0pMPk0pMPa求。(3) 安装尺寸校核a) 喷嘴尺寸主流道的小端直径 D 大于注射机喷嘴 d,通常为(0.51)dm对于该模具 d=2.5mm，D=3.5mm，符合要求。主流道入口的凹球面半径 应大于注射机喷嘴球半径 ,通常为 R1R1(2)对于该模具 ，取 ，符合要求。mS12mS40b) 定位圈尺寸注射机定位孔尺寸为 ，定位圈尺寸为 ，两者之10.5m2.045间呈较为松动的间隙配合，符合要求。c) 最大与最小模具厚度模具厚度 H 应满足 minaxH式中 ， 。10min180ax而该套模具厚度 ，符合要求。m152049.32(4) 开模行程校核 aHs)105(21 学位论文15式中 -注射机最大开模行程（ ） ，取 ；sm120-定模板和中间板之间的分开距离（ ） ，取 ；a m36-塑件推出行程（ ） ，取 ；1H4-塑件高度（ ） ，其值为2 2代值计算，符合要求。(5) 模架尺寸与注射机拉杆内间距校核该套模具模架的外形尺寸为 ，而注射机拉杆内间距为m1965，因 ，符合要求。m214注：对于上面 2、3、4、5 的内容是与后面的模具结构设计交叉进行的，但为了行文的整体形式和内容的统一，所以先将此部分内容整理于此。2.3 侧向分型与抽芯机构的设计当注射成型侧壁带有孔、凹穴、凸台等的塑料制件时，模具上成型该处的零件就必须制成可侧向移动的零件，以便在脱模之前先抽掉侧向成型零件，否则就无法脱模。带动侧向成型零件作侧向移动（抽拔与复位）的整个机构称为侧向分型与抽芯机构。由于本塑件结构的特殊性，塑件的成型机构大部分也就是抽芯机构。也可以说成型零件的设计基本上就是抽芯机构的设计。斜导柱的设计：斜导柱轴向与开模方向的夹角称为斜导柱的倾斜角 ， 的大小对斜导柱的有效工作长度、抽芯距和受力状况等起着决定性的影响。如图(51)的左边所示确定斜导柱工作部分长度：LS/sin （ 2.3.1） 学位论文16H=Sctg （2.3.2）式中： L斜导柱的工作长度；s抽芯距；斜导柱的倾斜角；H与抽芯距 s 对应的开模距。如上图的右边所示是斜导柱抽芯时的受力图，从图中可知：Fw=Ft/cos （2.3.3）Fk=Fttg （2.3.4）式中： Fw侧抽芯时斜导柱所受的弯曲力；Ft侧抽芯时的脱模力，其大小等于抽芯力 Fc；Fk侧抽芯时所需的开模力。 由（2.3.1） 、（2.3.2）可知， 增大，L 和 H 减小，有利于减小模具尺寸，但 Fw 和 Fk 增大，影响导柱和模具的强度和刚度；反之， 减小，斜导柱和模具受力减小，但要在获得相同抽芯距的情况下，斜导柱的长度就要增长，开模距就要变大，因此模具尺寸会增大。综合两方面考虑经过实际的计算推导， 取 2230。一般在设计时 更多”“更改窗口”选择“upan_prod_010” ，设置 冷却管道类型为“COOLING HOLE ”，直径为“M8” ，放置在工件面上。(9) 至此，模具设计的全部过程已经结束，最终的模具图如图 2.19 所示： 学位论文37图 2.19 法兰轴注塑模具图3 塑件成型过程计算机模拟3.1 有限元分析基础3.1.1 有限元分析方法的基本思想有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是 50 年代首先在连续体力学领域-飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元法的实质上是把具有无限个自由度的连续系统理想化为只有有限个自由度的单元个体，使问题转化为适合于 学位论文38数值求解的结构型问题。3.1.2 有限元法的特点有限元法的原理清楚，概念准确，使用者和学习者可以在不同的水平上建立起对该方法的理解。有限元法可以用来求解工程中许多复杂的问题，特别是采用其他数值计算方法（如有限元差分法）求解困难的问题，如复杂结构形状问题，复杂边界条件问题，非匀质、非线性材料问题，动力学问题，黏弹性流体流动问题等。有限元法采用矩阵形式表达，便于编制计算机程序，从而可以充分利用高性能计算机的计算优势。由于有限元法计算过程的规范化，国内外有许多通用程序可以直接套用，非常方便。目前，有限元法在理论上和应用上还在不断发展，今后将更加完善，使用范围也会更加广泛。Moldflow 正是成熟的注塑成型的有限元工程分析软件。3.2 Moldflow 简介Moldflow 公司总部位于美国波士顿，是一家专业从事塑料成型计算机辅助工程分析（CAE）的软件开发和咨询公司，是塑料分析软件的创造者。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 CMOLD，这就更加确定了在该领域的领导地位。MoldFlow 软件包括 MoldFlow Plastics Advisers（产品优化顾问，简称MPA） 、MoldFlow Plastics Insight（注塑成型模拟分析，简称 MPI）和MoldFlow Plastics Xpert（注塑成型过程控制专家，简称 MPX）三个部分。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， 学位论文39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。本次毕业设计主要是应用 MoldFlow Plastics Insight（注塑成型模拟分析，简称 MPI） ，对 U 盘下盖的整个注塑过程进行模拟分析，包括填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力和收缩等，使模具在设计阶段就尽可能找出未来产品可能出现的缺陷，提高一次试模的成功率。3.3 塑件计算机模拟(1) 导入 CAD 模型划分网格将 UG 设计的零件模型导出*.stl 格式，名称为 upan.stl。打开 Moldflow,新建一个管理项目（New Project） ，设项目名称为 upan，导入 upan.stl（网格划分形式选择 Fusion） 。划分网格，如图 3.3： 学位论文40图 3.3 划分网格(2)网格状态统计划分网格后，紧接着就要进行网格信息统计，然后根据统计信息依次进行诊断，如果诊断结果显示存在不合理的网格，便运用 Mesh Tool 网格工具进行修改，直到网格诊断结果合理为止。(3) 网格缺陷修改为了更好地对网格存在的缺陷进行处理，Moldflow 提供了丰富的网格缺陷诊断工具，将它们和网格处理工具相结合，可以很好地解决网格缺陷问题。网格诊断工具包括：纵横比诊断、重叠单元诊断、网格定向诊断、网格连通性诊断、网格自由边诊断、网格厚度诊断、网格出现次数诊断和网格匹配诊断等。网格信息必须满足一下原则；Connectivity regions（联通域）的个数应该为 1；Free edges(自由边)和 Non-manifold edges(非交叠边)个数应该为 1；Elements not oriented(未定向的单元)应该为 0；Element intersections(交叉单元)个数应该为 0；Fully overlapping elements(完全重叠单元)个数应该为 0； 学位论文41Aspect ratio（单元纵横比）数值视具体情况而定，一般最大值应该控制在 1020 之间；Match ratio（网格匹配率）应大于 85%；Zero area triangle elements（零单元面积）个数应该为 0；图 3.4 所示为网格修改后的信息：图 3.4 网格统计信息检查和修改后即可进行最佳浇口位置分析，若再往下进行分析，需添加浇注系统和冷却系统。对于流动（Flow）分析单元匹配率（Match ratio）应大于 ，低于 50%时无法计算。如果单元匹配率太低，就应该85%重新划分网格。(5) 产品注塑原料的选择，工艺参数的设定U 盘下盖所用的材料为 GE(USA)公司的 ABS 材料，其牌号为 Cycoloy C2950。模具表面温度和熔体温度都为默认值，分别为 75，275。(6) 最佳浇口位置分析 学位论文42图 3.5 Best gate location如图 3.5 最佳浇口位置，图 3.6 结果显示中，推荐的浇口位置在节点N284 附近，蓝色的区域是最佳的浇口位置区域，浇口设在该区域可以保证注塑过程的熔体流动的平衡性。(7)浇注系统及冷却系统的建立图 3.7 创建后的结果(8) 填充（Fill）分析Fill 分析要得到一个合理的填充结果，才能保证后序的分析在实现制件填充的基础上进行。填充分析结果主要用于查看制件的填充行为是否合理，填充是否平衡，能否完成对制件的完全填充等。根据动态的填充时间结果查看填充阶段的熔体流动行为，并判断填充流动行为是否合理。填充分析的最终目的是为了获得最佳浇注系统设计。通过对不同浇注系统流动行为的分析比较，选择最佳浇口位置、浇口数目和最佳浇注系统布局。填充分析结果包括填充时间、压力、流动前沿温度、分子趋向、剪切 学位论文43速率、气穴、熔接痕等。填充分析结果主要包括以下几个：图 3.8 填充时间结果在图 3.8 填充时间的结果显示中，浇口两侧方向上的填充时间相差很小，几乎同时填充完，满足要求。图 3.9 流动前沿温度合理的温度分布应该是均匀的，即这个模型的温差不能太大，而且都应该在 255和 295之间，从图 3.9 看出满足要求。(9) 流动（Flow）分析流动分析用于预测热塑性高聚物在模具内的流动，模拟从注塑点开始逐渐扩散到相邻点的流动前沿，直到流动前沿扩展并填充完制件上最后一个点，完成流动分析计算。进行流动分析是为了获得最佳保压阶段设置，从而尽可能地降低由保压引起的制品收缩、翘曲等质量缺陷。图 3.10 为气穴分布图： 学位论文44图 3.10 Air traps 气穴分布计算机模拟的结果是出现了气穴，原因可能是浇口位置不合适、注射速度过快、保压时间不长和料温模温控制不当等因素引起的。针对上述情况，可以通过调整注射和保压时间、加强冷却效果、充分干燥原料和改善模具排气状况。而上图中气穴分布在顶杆顶出和分型面的附件，因此可以通过分型面和顶杆排气。图 3.11 熔接痕分布从图 3.11 中可以看出，塑件壁薄处容易产生熔接痕。故在设计过程中，要保证塑件的一定壁厚，并尽量保持塑件壁厚的一致性，而且要适当降低和模力，以方便模具的排气。(10) 冷却（ Cool）分析冷却分析用来分析模具内的热传递，主要包括塑件和模具的温度、冷 学位论文45却时间等。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。定义入口处的冷却水温度为 25。冷却后，进出口冷却水的温差不超过 3。冷却水道的温度变化如下：图 3.12 冷却介质温度从图 3.12 中可以得出，该模具水道进出口温差为 0.05，显然符合条件。通过冷却分析结果判断制件冷却效果的优劣，根据冷却效果计算出冷却时间的长短，确定成型周期所用时间。在获得均匀冷却的基础上优化冷却管道布局，尽量缩短冷却时间，从而缩短单个制品的成型周期，提高生产效率，降低生产成本。(11) 翘曲分析翘曲分析用于判定采用热塑性材料成型的制件是否会出现翘曲，注塑成型的制件产生翘曲的原因在于收缩不均匀。制件上不同区域的收缩不均匀、厚度方向上的收缩不均匀或者在与材料分子取向平行和垂直的方向上收缩不均匀都会导致翘曲的产生。 学位论文46图 3.13 Z 轴方向的总变形量显示 图 3.14 X 轴方向的总变形量显示图 3.15 Y 轴方向的总变形量显示 图 3.16 综合因素引起的总体偏差从图可以看出翘曲最大值为 0.1169mm，发生在 X 方向上。而且 Z 轴方向上的翘曲大小不对称，很可能是由于冷却效果不对称引起的。为了进一步分析翘曲产生原因，修改工艺条件，选中工艺条件设置第三个页面中的 Isolate the cause of warpage，再次分析。本次分析得到更为详细的翘曲结果。分析数据知，由收缩引起的翘曲如图 3.19 所示，最大值为0.0156mm，其中仅 X 方向上的翘曲就为 0.0153mm。因此收缩是引起翘曲的主要原因。 学位论文47总结与展望“事无巨细，事必躬亲”，在对 U 盘法兰轴的整个模具设计过程中，在杨老师的悉心指导下，我明白了任何一个课题都是从细节做起，亲力亲为，这样才能领会设计的实质，掌握设计的理念。此外，要注重团队意识，学会沟通，加强信息沟通和交流，只有这样才能更有效的完成本次设计。在专业方面，通过对此塑件模具的设计，使我系统和深入地学习了模具设计的理论，更加熟练了对 UG、AutoCAD 以及 Moldflow 软件的运用，在此过程中，我遇到了不少困难，如设计初期经验不足，考虑不全面，没有对工作资料进行备份，由于失误丢失前期工作，只能重做等等。这些困难有专业性的也有非专业性的，解决专业性难题，让我更加深刻的掌握了模具设计的基础知识，而解决那些非专业性的难题，学会了做事缜密，锻炼了自己的耐心和毅力。总之，通过毕业设计的又一次锻炼完全清楚：充分利用 CAD 技术进行设计，在模具符合使要求的前提下尽量降低成本。同时在实际中不断的积累经验，以设计出价廉物美的模具。从设计角度看，本论文应用 UG 软件进行塑件和模具的三维实体建模，并应用 Moldflow 软件对塑件成型的填充、流动和冷却等过程进行了有限元分析，以优化模具结构，提高塑件成型质量。注射成型作为塑料成型的主要方法，注射模具的设计和制造以及成形过程分析是一项复杂的任务。仅靠设计人员的经验，很难保证注射模具的设计和制造质量。而计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工程（CAE）技术在塑料注射成型领域的逐步应用，必将展现出一个新的天地。随着计算机软件的发展和进步，CAD/CAE/CAM 技术也日臻成熟，其现代模具中的应用将越来越广泛。可以预料不久的将来，模具制造业将从机械制造业中分离出来，而独立成为国民经济中不可缺少的支柱产业，也进一步促进了模具制造技术向集成化、智能化、益人化、高效化方向发展。 学位论文48参考文献1 屈华昌主编.塑料成型工艺与模具设计.高等教育出版社， 2005，52 李秦蕊主编.塑料模具设计.西北工业大学出版社，1995 ，93 张维合编.注塑模具设计实用教程.化学工业出版社，2007,94 邓昆，杨攀编著