大型注塑模具设计优化_图文

1、第15卷第3期现代塑料加工应用Modern Plastics Processing and Applications2003年6月大型注塑模具设计优化沈洪雷董祥忠(常州工学院,213002(四川大学,610065摘要:简要介绍了大型注塑模具的设计优化对象及浇注系统的优化方法,同时以一保险杠为例,对其浇注系统进行了cAE分析,以期为大型塑料模具的设计优化提供一定的借鉴作用。关键词:大型注塑模具保险杠浇注系统优化设计近年来,随着塑料工业与汽车、航天航空及家用电器行业的不断发展,使得大型塑件也正越来越受到广泛的重视和应用,相应地对大型模具的设计和制造也提出了更高的要求。但由于大型模具的结构复杂,制造

2、成本高,生产周期长,具有一定的风险,国外主要由模具专业厂家设计和制造,如美国的DME 公司、德国的HASC公司、日本的池上金型株式会社等1,面且在大型、精密和新型模具设计中已普遍采用了CAE技术;而国内在设计上仍普遍使用赁经验(型腔壁厚等的设定和试差(浇注系统的浇口尺寸的方法。目前,有些企业也逐渐开始运用CAE技术。另外在模具材料及制造技术上,国内与国外相比也还存在着一定的差距,所以,国内仍有很大一部分特大型、精密的注塑模具依赖于进口。1大型注塑模具优化对象大型注塑模具的优化包括浇注系统、成型零件尺寸、材料选取及制造、模具结构及动作特征等很多方面。根据大型注塑模具的结构特点和经常遇到的一些实际

3、问题,常常将模具的浇注系统、尺寸及其材料选取等作为优化的对象。1.1浇注系统由于塑料熔体在大型模具中的流程比(L/较大,所以,浇注系统的设计是否合理,将直接影响到熔体压力与温度的损失、充填流程、保压补料、制件内应力、熔接痕等很多方面,同时也会影响到制品的内外质量和模具使用的刚度、强度。所以,浇注系统常常成为大型注塑模具优化的主要对象。在浇注系统中,主要包括浇口的数目和位置主、分流道的尺寸、形状等几方面的优化。1.2模具尺寸一般对于大型注塑模具来说,它的强度问题不是很大,主要是它的刚度,而刚性形变会造成模具变形,甚至导致模具的损坏。因此,模具的关键部位和受力零部件(如型腔侧壁、型芯垫板等一定要严

4、格地进行科学计算,有条件的也可以进行相应的模拟分析。1.3模具材料模具材料的选取除考虑到制件的具体要求及其可加工性外,还要考虑它的力学性能。一般业说,由于大型注塑模具的结构复杂,相应地模具零件的受力状态也较复杂。很多大型模具在使用过程中,会经常出现成型零件的断裂或裂纹,这就与材料的选取及其热处理有着很大的关系。2浇注系统优化2.1浇口的数目和位置浇注系统优化的结果是能以最少的消耗获得最大的效益,所以,浇口的数量并不是越少越好。浇口数量的增多,虽有利于熔体的流动和熔接痕的牢度及温度分布的均匀性,但也会形成过多的熔接痕,而在一定程度上可能会影响到制件的局部强度,更重要的是对热流道而言会大大增加其制

5、造成本。相反,数量过少则会造成流动比过大、制件熔接痕牢度差,以及由于压力分布不均形成内应力,从而引起制件翘曲变形等现象。因此,对于大型塑件而言,很有必要通过优化以获得一个较为合理的浇口数目;浇口位置应根据制件结、形状及使用要求等而定。总之,浇口数量与位置的先取要充分考虑到制件强度、熔体的最大流程比以及尽量保证各浇口熔体能几乎收稿日期:2002一0919。作者简介:沈洪雷,2002年毕业于四川大学高分子材料学院。现于常州工学院机械系从事模具教学、研究和产品开发等工作。现代塑料加工应用第15卷第3期同时填充及同时充满最远端(等流程等原则。通过实际成型和模拟,可看到这样得到的注射压力值比较合理。2.

6、2流道及浇口尺寸对于流道及浇口尺寸的确定和优化,可用以下几种方法23。(1首先根据普通的经验假设或估算一个大概的浇注系统(冷流道部分的体积和一注塑时间,用算得的体积流率来计算各主、分流道尺寸,然后用算得结果再来计算总体积流率,如此反复迭代,当误差小于某证可值时,就可确定流道及浇口位置和尺寸的最终值。可以对其进行编程计算,以提高工作效率。(2用许可的压力损失来优化浇注系统:P。一P:一P。(1式中,P。,P;,P。分别为许可压力损失、机器注射许可压力和模具充模压力(P。常取大于35MPa。这样可以将注塑机富裕的压力分配到浇注系统上,以充分利用注塑机的许可压力值来优化浇注系统的普通取值,来达到节省

7、原料和降低机器设备动力损耗的目的。(3以假定总体积和注塑时间算得的流道尺寸对制件进行CAE充填模拟,利用模拟获得的体积和时间再求流道尺寸,经修氦后再模拟,如此反复直至前后两次优化充填的时间差小于某一许可设定值时,就可得到流道的最终尺寸。(4直接利用CAE分析软件中的模块(Runner Size和Gate Location Optimization来对主、分流道尺寸及浇口位置等进行模拟优化。但由于计算机在模拟过程中,不可能充分考虑到制件的具体使用要求和模具设计及制造中的实际情况,结果往往是在鞭理想的模型下得出的,不一定合理并符合实际要求,例如有时会得到浇口尺寸可能大于分流道尺寸的情况,需要反复设

8、定和再优化,才能得到最终满意的结果。3浇注系统CAE优化2朝以一保险杠为例,利用CMold相关模块对其模具浇注系统迸行相应的模拟和分析。3.1原料与注塑机保险杠总重39009,外形尺寸长×宽×高: 1800mm×650mm×290mm,前面有较多散热孔,且两侧各有一长方形通孑L,内侧加强筋若干,平均壁厚4.omm,最薄处为1.1mm,其外形见图1。其原料选用荷兰DSM公司的PP/EPDM(三元一丙橡胶改性PP合金,注塑机选用Mincinnati Milacron的Vistal500A140型,其主要参数分别见表1、表2。侧图1保险杠外形及流道分布简图1一

9、主流道;2一热分流道1;3一热分流道24一热分流道35一锥形冷流道;6一冷流道7一浇口表1PP/EPDM主要性能参数跫I号螺杆直最大注最大注射速最大锁一。径/mm射量/g率/(cm3s一1模力/MN其他部分参数设置中,熔体温度240,模具温度50,制件脱模温度65,模具材料为P一2l。3.2模拟结果与分析本制件浇注系统采用冷、热流道相结合的方法,其中主流道及1,2,3级分流道采用热流道,锥形流道部分的金属由于是与分型面的冷流道接触,它的温度介于冷热之间,而分型面的分流道和浇口则为冷流道。根据本制件的结构特点和外形、表面等要求,依照上述方法及原则对其多种方案进行优化。并分别进行模拟,对设置5,6

10、个浇口进行流道系统结构模拟时,发现只在上下两侧布置浇口(即保险杠面板两侧两长方孔中不设浇口情况下得到的注塑压力最小,因此采用了此种布置方案,其他情况则采用如图1所示的布置形式。具体模拟结果如表3及图2所示。 沈洪雷等.大型注塑模具设计优化表3不同数目浇口模拟的结果(浇口位置已经过优化充填时间/s最大注射压力/MPa最大锁模力/MN(冷流道+浇口体积/cm。总投影面积/mm23.7213.7353.7283.7313.7243,7473.7463.7433.7393.731 61.7856.7355.7255.5751.0952.9262.4763.4764.3762.91 8.9828.511

11、7.9078.0587.1367.1449.1179.2919.3409.43024.611.9613.1l24.2523.8624.9332.0729.4025.5626.96 2775.782782.932786.152782.502783.942786.582798.612800.972807.062809.65注:5,6两个浇口的方案与其他有所不同,经过流道系统结构的模拟分析,只在上下两侧布置浇口(即保险杠面板两侧两长方孔中不设浇口。囝2模拟结果曲线图(除5、6两个浇口的方案1一冷流道体积;2一填充时间;3一最大注射压力;4一最大锁模力注:冷流道体积每单位10cm。,填充时间单位为s。

12、最大注射压力每单位为loMPa,最大锁模力单位MN。从表3及图2中可以看出,随着浇口数目的增加,注射压力因熔体流程逐渐减小而有所降低,但当因浇口数目的增加而使浇口尺寸减小到一定程度时,注射压力反而会呈略有升高的趋向,成型锁模力基本上与注射压力成正比变化的关系。当采用8个浇口时,其所需的注射时间、压力及锁模力均为最小。尽管较多浇口(如17浇口的前锋料流动、熔体温度、压力等分布状况要好于较少浇口,但是其熔接痕明显多于如8浇口的情况,分别见图3,4所示。通过综合比较,采用8个浇口来成型,其锁模力、螺杆推荐曲线分别见图5,6所示。8浇口浇注系统尺寸(均表示为直径mm如表4所示。实际上,虽然计算机模拟可

13、以使注射过程实现可视化,但计算机在进行数值模拟时,其本身的一些前提假设(例如对于结晶性料还不能很好地模拟以及在实体造型时的必要简化(如一些细微的实体细节没法表示出来,因而,它还不能完全代表实际成型过程,只能作为一种有力的辅助手段。在进行CAE优化时,只有充分了解那些假设和实体的实际细节问题,才能更正确地判断和分析模拟结果,为实际应用提供更可靠的依据。图3熔体前锋料前进分布图 圈4制件熔接痕分布圈52现代塑料加工应用第15卷第3期墨R辎帮时间/s图5锁模力随时间的变化(8浇口图6中厂是螺杆前进的行程占整个注射行程的百分比;g为螺杆推进速度是设定最大速度的百分比。020*g,%图6螺杆速率推荐曲线

14、(8浇口表48浇口浇注系统各段尺寸*冷分流道截面为半圆形,浇口截面为矩形,表中尺寸为其当量圆形直径尺寸。那么上述一些问题就会迎刃而解了,这些因素都会直接影响到模具具体尺寸的设计。4结语上面只是对大型模具的优化进行了一些初步的探讨,可以与实际应用还一定的差异。关于大型模具的设计优化还有很多工作需要进一步的探讨和深入,如怎样精确确定熔体在浇注系统各段的剪切速率以及型腔中的压力大小和分布等,如果在线检测技术能成功引入并应用到塑料实际加工过程中来,参考文献唐志玉.大型模具设计基础.成都:成都科技大学出版社,1987李伟,李荣勋,杨智明等.cAE在汽车保险杠浇注系统设计中的应用.中国塑料,2001,15

15、(1:48成都科技大学.塑料成型模具.北京:中国轻工业出版社,1983董祥忠.超大型塑料注射模的设计.塑料工业,1995,23(3:26林旭东,申开智.大型注塑模流道优化设计.塑料科技,1998, (1:28DESIGN OPTIMIZATIoN oF LARGE INJECTIoN MoLDShen Honglei Dong Xiangzhong(Changzhou Industry College(Sichuan UniversityABSTRACTThe objects and methods of optimization in design of large injection m0

16、1d were introduced.Taking the front_bumper for example,the application and analysis of CAE in design of runner systems was accomplished,and the number,location and dimension of gates were obtained suceessfully.Keywords:large injection mold;bumper;runner systems;optimization;design祭苕迎孓秘苕弛孓a滓牙啦瀚祭祭搴秘零祭

17、葛氧苕弛潞苔啦莽若皂茗氧祭祭髫啦孓苕潍牙啦器葛譬雾培黜零占氧岔弛孓苔滓g峪笞沁滓苕电孓表面硬化透明抗静电PET板材据“Plastics Age,2002,48(10:73”报道,塔基隆公司对原燃烧时不产生有害气体的PET抗静电板进行了改进,增加了PETND系列MRG20、MRG30和MRG80三种透明板新品种,并采用表面硬化处理技术开发出PETND A600。A600在温度、湿度变化大的环境下具有良好的抗静电性能,耐溶剂性能好,表面不易划伤。MRG20和MRG30具有良好的防紫外线透过功髓,适用于需防止紫外线辐射和防虫的净化室的隔板和窗户以及仪器罩子。A600光透过率大于85%,透明、耐溶剂,

18、表面不易损伤,且可以进行丝网印刷,或用水性油黑印字。(由扬子石化股份有限公司研究院孙履秦供稿 大型注塑模具设计优化作者:沈洪雷, 董祥忠, Shen Honglei, Dong Xiangzhong作者单位:沈洪雷,Shen Honglei(常州工学院,213002, 董祥忠,Dong Xiangzhong(四川大学,610065刊名:现代塑料加工应用英文刊名:MODERN PLASTICS PROCESSING AND APPLICATIONS年,卷(期:2003,15(3引用次数:2次参考文献(5条1.唐志玉大型模具设计基础 19872.李伟.李荣勋.杨智明.冯绍华.刘光烨CAE在汽车保险

19、杠浇注系统设计中的应用期刊论文-中国塑料 2001(13.成都科技大学塑料成型模具 19834.董祥忠超大型塑料注射模的设计 1995(35.林旭东.申开智大型注塑模流道优化设计 1998(1相似文献(8条1.学位论文王大中大型注塑模具CAE分析2004该文对桑塔纳轿车前保险杠特大型注塑模具的一些重要零件通过ANSYS进行了受力分析.该课题采用Pro/E软件对桑塔纳轿车前保险杠模具进行实体造型,建立零件实体模型,然后导入到ANSYS软件中进行CAE分析,并通过软件的接口设置,将模型导入有限元分析软件,进行前置处理,分析计算,后置处理等一系列工作.并根据分析结果对模具构件进行造型上的优化,或者调

20、整其尺寸.分析依据沈洪雷所作的桑塔纳轿车前保险杠注塑模具CAE优化一文所得的结论.该文在处理一些受力的情况时,还采用了解析法,鉴于计算过程的复杂,解析式的推导和计算运用了Mathematica和Matlab等软件.2.期刊论文钱宇强.肖小亭.孙友松.黄德强.杨国华.QIAN Yu-qiang.XIAO Xiao-ting.SUN You-song.HUANG De-qiang.YANG Guo-hua大型注塑模具的设计-塑料工业2007,35(11以汽车保险杠为例,阐述了大型模具设计的特点及应注意的问题.3.学位论文柳鹏CAD/CAE技术在大型注塑模具设计中的应用研究2009模具工业在国民经济

21、中占有非常重要地位。模具技术的进步,不仅关系到机械产品的开发和应用,还影响到汽车、家用电器、电子、化工等新产品、新技术的开发和应用。大型注塑模具的设计制造技术在这方面的影响更为突出。 针对大型注塑模具设计制造中遇到的各种问题。例如传统大型模具设计在理论上缺乏依据,流道系统的平衡以及冷却质量无法保证,制件的翘曲变形、气穴以及成型周期无法预测等等。本文通过总结大型注塑模具的设计原理和设计方法,并通过CAD/CAE软件实现了大型模具的的三维设计以及模具结构和注塑工艺的一系列优化。 本文通过利用Unigraphis(简称为UGCAD设计软件的建模模块和MoldWizard模块实现了产品和模具结构的三维

22、设计。并通过专业的模具CAE分析软件MoldFlow对模具结构实现了设计分析优化再设计修改的循环的设计过程。 本文所做的主要工作如下: 1.查阅了大量关于大型注塑模具设计以及CAD/CAE技术在大型注塑模具设计中应用的资料,分析了国内外CAD/CAE技术在模具设计中应用的现状及发展趋势。针对大型注塑模具的设计特点,提出了大型注塑模具具体的设计准则。并通过流变学以及传热学计算公式,对汽车后保险杠大型塑件的浇注系统和冷却传热系统的尺寸进行了初步确定。为后续CAE分析以及CAD设计做好了准备。 2.对注塑模CAE技术的内容和功能做了详细的介绍,并应用注塑模具分析软件MoldFlow软件对注塑模具浇口

23、位置以及数量进行优化分析,最终确定最佳的浇口位置和数量。 3.针对通过经验公式初步设计出的冷却系统,运用MoldFlow/Cool分析模块进行了模拟优化,并针对分析结果对冷却系统进行了合理的优化,重新设计了模具冷却的结构,从而得到比较合理的冷却系统。 4.通过MoldFlow/Warp分析模块,对后保险杠制件成型后的翘曲情况进行了模拟,找出造成制品翘曲过大的原因,提出了有针对性的解决措施,对注塑模具的成型工艺进行了优化,从而解决了制品成型后翘曲过大的问题。 5.在对模具的成型工艺以及整体结构确定以后,通过UG的建模模块和MoldWizard模块对模具进行三维设计,针对大型模具结构非常复杂的特点

24、,通过以上两个模块的有机结合,并灵活运用其中的各项命令。最终实现了汽车后保险杠模具的整体三维设计。通过将CAD/CAE技术引入注塑模具设计尤其是大型注塑模具的设计中,能够在很大程度上提升产品的质量,提高生产效率。为生产出优质的模具打下了坚实的基础。4.会议论文董祥忠.李年伟.沈洪雷奥拓轿车前保险杠注塑模浇注系统的CAE分析2001针对奥拓轿车前保险杠大型注塑模具,采用CAE分析软件进行了优化设计.重点对注塑原料、设备和工艺进行了选择,并建立了制品的三维几何模型(包括浇口、气道的开设以及网格的划分等,成功地完成了熔体动态充模CAE模拟分析.分析结果表明,热流道四点进浇、四根气道及四个气体入口的对

25、称布置方案是最理想的设计方案,热流道技术和气体辅助成型技术在大型注塑模上具有极大的应用前景.5.会议论文董祥忠.林旭东.姜朝东.马春文采用气辅成型技术及CAE分析优化保险杠注塑模浇注系统2000本文针对日本丰田皇冠轿车前保险杠特大型注塑模具浇口数目多、所需锁模力大、成型制品表面易收缩变形等缺点,采用气辅成型技术对其浇注系统进行了改进设计,并应用CAE分析软件C-Mold对改进的设计方案进行了优化.结果表明:利用气辅成型技术能大为减少模具浇口数目、节省原料、降低锁模力,并明显地减少了制品的表面收缩和变形.该研究成果显示,气辅成型技术在大型模具上具有极为广阔的应用前景.6.学位论文许振珊基于Web

26、的大型注塑模报价系统研究2007模具是生产各种工业产品的重要工艺装备,现代工业中60%90%的产品要靠模具生产。随着现代工业发展和产品更新换代周期急剧缩短,模具的需求量大幅度增加。另一方面,我国对国外先进模具技术的不断消化吸收,使得模具工业水平与国外的差距愈来愈小,模具出口业务也日益增多。而模具报价是模具制造企业技术、经济、效率和管理的综合反映,是模具企业和客户接触的关键环节,也决定着企业能否获得订单并从中获利。市场经济条件下,客户对模具制造商的要求越来越高,企业之间的竞争日趋激烈,这些都使传统的依据经验进行报价的方法已不能满足现在的报价要求。随着现代社会计算机技术、网络技术以及数据库等高新技

27、术的发展,开发一套能够满足实际报价要求的模具报价软件已成为模具制造商和客户所共同关心的问题。 本文围绕广东省关键领域重点突破项目“汽车大型精密复杂注塑模具数字化制造”(项目编号:2004A104O2001,选取以汽车保险杠模具为代表的大型注塑模为研究对象,开发了一套基于Web的大型注塑模报价系统,旨在给企业提供一种快速、准确地进行模具报价的工具。本文的主要工作包括以下几个方面: (1 分析了模具报价的常用方法和特点以及计算机辅助报价系统的研究现状,通过对模具价格构成的分析,总结了大型注塑模的制造特点以及价格构成与中小型注塑模的不同之处,构建了大型注塑模的价格构成公式。 (2 将模糊数学理论应用于模具报价中,构建了大型注塑7.2.10 Web开发组件和MSSQL Server 2000数据库平台，开发了基于Web的大型注塑模报价系统，以实例验证了软件的实用性，实现了大型注塑模具报价 的软件化和网络化应用。 (4将系统与大型注塑模设计知识管理软件集成起来，完善