【《某凳子产品的塑件造型UG设计及模流分析案例》6800字】

模流分析前处理3.1Moldflow软件介绍Moldflow软件是欧特克公司开发的一款用于塑料产品相关的模具设计与制造的软件，其全名为AutodeskMoldflowAdviser。它作为Autodesk数字化样机解决方案，为客户提供了一个便捷的工具，将其融合在制品设计中，能够在加工制造前对设计方案进行模拟评估以及优化处理[30]。这可以减少可能存在的设计失误，并且能缩短产品的开发周期，还能降低开发成本。用户在设计产品时，Moldflow提供了两种分析模拟软件：AMA（Moldflow塑件顾问）和AMI（Moldflow高级成型分析专家）。AMA操作简单便捷，能够随着设计者的分析变更进行快速响应，因此该软件主要面向注塑产业相关的设计工程师、项目工程师和模具设计工程师，用于早期开发产品时对产品制造可行性进行模拟评估。AMA主要解决外观质量、材料选择、结构优化、浇口位置和流道优化等问题。AMI用于注塑成型的成果分析和优化，是全球应用最广的模流分析软件。3.2塑件材料的选择在本课题中，儿童凳所选材料为ASchulmanGMBH所生产的Polypropylenes(PP)。PP是一种热塑性塑料，具有较高的耐冲击性，能够抗多种有机溶剂和酸碱腐蚀，并且机械性质强韧。在工业界有广泛的应用，是常见的高分子材料之一。以下为PP材料成型时的推荐工艺参数，见表3.1。表3.1材料成型时的推荐工艺参数表工艺参数名称数值模具的表面温度60℃熔体的温度200℃模具的温度区间最大值：80℃最小值：40℃熔体的温度区间最大值：220℃最小值：180℃熔体的最大绝对温度230℃塑件顶出时的温度116℃最大剪切应力0.25MPa最大剪切速率100000s-1图3.1所示为所选PP材料的PVT曲线图，该曲线上有几处很明显的转折点，这些转折点是凝固态和熔融态的分界点，这些分界点在125℃之后开始转折。从图中可以看出，这个分界点随着压力的升高而逐渐降低。图3.1PP材料的PVT曲线图图3.2描述的是材料的粘度曲线，横坐标表示的是剪切速率(s-1)，纵坐标表示的是粘度(Pa/s)。从图中可以看出粘度曲线大致可以分为两个部分：第一部分较为平缓，随着剪切速率的增大，粘度开始缓慢下降；第二个部分随着剪切速率的进一步增大，粘度开始缓慢下降。这说明提高剪切速率，可以提高物料的流动性。根据图3.2可知，在不同温度下，曲线从平台区进入剪切速率区所需要的剪切速率不同，升高温度，在较小的剪切速率下，材料的粘度即开始迅速下降，这说明提高温度，可以增加物料的流动性。图3.2PP的粘度曲线图3.3优化制品成型3.3.1塑件结构将儿童凳的模型从UG中以STL格式导出，再导入到Moldflow中，网格类型为“双层面”。儿童凳的具体结构为300×300×160(mm)，如图3.3所示。(a)(b)图3.3儿童凳的三维造型图：(a)斜视图，(b)主视图将导入完成的儿童凳三维模型进行网格划分，进行网格划分后的网格模型，如图3.4所示。图3.4儿童凳网格图3.3.2网格诊断在网格划分结束之后，需要对儿童凳进行网格诊断和修复。首先对塑件的纵横比进行诊断，诊断结果如图3.5所示，由于并没有什么太大的问题，直接使用网格修复向导进行修复。网格修复后的再次统计的最大纵横比为5.04，与刚开始诊断的数据并无区别，而匹配度达到了90.9%大于85%,相互百分比达到了94.5%，如图3.6所示，满足模拟的要求。图3.5纵横比诊断结果图图3.6模型网格统计图3.4流道系统3.4.1浇口位置的确定如图3.7所示，儿童凳采用单浇口，流动阻力在上方小孔附件阻力最低，即图中蓝色区域。图3.7流动阻力指示器图3.4.2成型窗口分析一般将能够生产合格产品的成型工艺条件范围称为成型窗口。如果工艺参数在这个范围中，则可以生产出质量较好的塑件[31]。成型窗口参数设置如表3.2所示：表3.2成型窗口参数设置表工艺参数数值要分析的模具温度范围自动要分析的熔体温度范围自动要分析的注射时间范围自动选择型号为“Defaultmoldingmachine”的注塑机进行分析。成型窗口可以将一个变量固定为某一具体值并且能够用在许多变量上，然后显示一个XY图（其他两个变量位于X轴和Y轴上）来搜索加工条件（模具温度、熔体温度和注射时间）的最佳组合。图3.8显示的是注射时间为2.450秒时，熔体与模具温度范围。绿色是首选区，黄色是可行区域，红色为不可行区域。由图中可以看出，所有区域均为绿色，也因此工艺参数的选择比较容易。图3.8区域（成型窗口）：2D幻灯片图3.4.3浇注系统创建由于该塑件体积比一般塑料薄壁件大，考虑到实际结构以及浇注成型的需要，故采用一模一腔来进行浇注。经过软件分析，得到最佳浇口位置，在几何工具栏中选择创建流道系统，根据注射位置设置浇口和主流道尺寸，主流道入口直径为8mm，长度为20mm，顶部浇口直径为8mm长度为1mm。流道只要覆盖塑料，比塑料多出一点就行，就不设置分流道了，浇注系统如图3.9所示。图3.9浇注系统图3.5冷却系统的创建如图3.10所示，该图为设计好的冷却系统。考虑到塑件体型较大，有些地方无法充分冷却，故采用的水管直径为10mm，通过Y型排列，水管与零件间的距离为25mm。管道数量为15，管道间距为30mm，管道采用软管连接。图3.10冷却系统图第4章模流分析4模流分析在本章模流分析中，工艺参数按Moldflow的默认参数设置如下：熔体温度240oC，模温60℃，冷却介质为水，温度25℃，入口雷诺系数为10000，整体注射成型周期为35s，其中注射、保压及冷却时间为30s，开模时间5s。恒压的保压方式。4.1填充分析充填时间显示了模腔填充时每个时间段的料流前锋位置，每个等高线描绘了塑件不同部分在同一时刻的填充结果。在填充开始时，图中凳子中间显示为暗蓝色，即为填充开始位置，如图4.1所示，最后填充的地方为红色，也就是凳子脚位置，这表示了填充时间是最长的。一般来说填充时间不宜过长，由于充填时间过长会导致塑料熔体损失的热量增加、粘度增大，使得熔体的流动性变差，甚至可能出现充填不充分的情况。可以从图中看出，充填时间达到了1.846s，相对来说时间还是比较短的。图4.1充填结果图从图4.2可以看出，最大锁模力达到了16左右，要远远小于注塑机的最大锁模力，在实际的生产中注塑机可以很好的满足这样的锁模力的要求。图4.2锁模力曲线图如图4.3剪切速率，体积结果图。从图中可以看出，剪切速率为0~44159s-1，剪切速率相对来说适中，不会导致塑料形变、断裂、机械性能变差等，满足设计的要求。图4.3剪切速率，体积结果图4.2保压结果与分析如图4.4所示，残余应力在第一主方向上的取值范围为23.53~29.52MPa，可以看出在离浇注口较近的地方的残余应力比较小，而离浇口位置越远，相应的残余应力也差不多，并无太大变化。图4.4第一主方向上的型腔内残余应力结果图图4.5所示为顶出时的体积收缩率结果图。体积收缩是由于温度从熔体温度变化为环境温度而产生的聚合物收缩。体积收缩率应不大于材料的最大值。从图中可以看出，塑件的体积收缩率为12.48%~17.82%。图4.5顶出时的体积收缩率结果图4.3冷却结果与分析如图4.6所示，浇口附近的温度最高为38.28℃，冷却液入口的温度最低为25.60℃，温差为12.68℃。图4.6回路管壁温度结果图如图4.7所示，塑件的平均温度为217.2℃，该数值适中，高温部分主要集中在浇口附近的表面上，由于面积较大，故温度较高。\图4.7塑件平均温度结果图4.4翘曲结果与分析翘曲分析用于确定热塑性材料制成的塑件发生翘曲变形的程度。翘曲变形是指产品的形状在成型之后产生了改变，偏离了模具型腔的设计形状。在注射成型的模拟过程中，浇注系统设计、冷却系统设计或是成型工艺参数的设置不同都会使得塑件产生不同的翘曲变形。从结果来看，由于塑件体积较大，故最大翘曲变形量达到了6.594mm，可以看出最大翘曲主要集中在一个凳腿处，其他三处翘曲相对较低，如图4.8所示。图4.8变形，所有效应结果图5工艺参数优化5.1实验指标注塑成型质量的好坏主要取决于制品的翘曲变形、体积收缩率、气穴和熔接痕等缺陷。本次模拟将翘曲变形量和体积收缩率作为衡量注塑成型质量的实验指标，产生翘曲变形的原因为冷却不均匀、收缩不均匀和分子取向不一致，而注塑制品中翘曲变形的直接原因在于塑件的不均匀收缩。翘曲变形量和体积收缩率越小表示注塑成型质量越好。5.2Taguchi实验Taguchi实验是日本田口玄一博士在统计学的基础上发明的一种实验方法，所以又称为田口实验法。该方法是一种研究和处理多因子试验的实验方法，与传统的分析方法采用多次单因子实验相比，试验设计方法可以在一个实验中加入多个变量，能够很大程度上提高实验的效率并且还可以降低成本。通过Taguchi方法可以计算出哪些变量对零件质量标准的影响较大，如表5.1、表5.2和表5.3所示。表5.1体积收缩率的影响表因素影响占比持续时间53.23%熔体温度27.49&充填压力10.67%冷却介质雷诺数4.38%生产周期2.02%冷却介质入口温度1.90%注射时间0.21%开模时间0.11%表5.2翘曲：变形的影响表因素影响占比熔体温度58.94%冷却介质入口温度19.86%生产周期11.96%开模时间5.53%冷却介质雷诺数3.51%注射时间0.12%充填压力0.04%持续时间0.03%表5.3因素对全局加权质量影响占比表因素影响占比熔体温度43.22%持续时间26.63%冷却介质入口温度10.88%生产周期6.99%充填压力5.36%冷却介质雷诺数3.95%开模时间2.82%注射时间0.17%从表5.3中可以看出熔体温度、持续时间、冷却介质入口温度和生产周期的影响占比较高，因此选择这4个变量作为正交实验的四个实验因素，每个因素选取三个水平，因素与水平设置见表5.4。表5.4因素和水平设置表水平生产周期A(S)熔体温度B(℃)持续时间C(S)冷却介质入口温度D(℃)12422082023024010253362601230根据表5.4中设置的因素和水平中的数据可以进行正交实验，在通过对相应数据的组合后，得到了翘曲量与收缩量的数值，见表5.5。表5.5正交实验表试验号ABCD翘曲量(mm)收缩量%111116.56816.66212226.31517.83313336.10418.96421236.36016.57522316.33917.74623126.12019.03731326.40316.53832136.15217.85933216.15818.945.3结果分析根据表5.5的数据，可以计算出翘曲和体积收缩的信噪比，见表5.6。表5.6翘曲和体积收缩的信噪比表试验号结果yS/N翘曲量(mm)收缩量%翘曲收缩16.56816.66-16.23819961-24.4334999426.31517.83-16.00746710-25.0230268636.10418.96-15.71229050-25.5567666646.36016.57-16.06914231-24.3864501756.33917.74-16.04041504-24.9790723166.12019.03-15.73502844-25.5887757776.40316.53-16.12767004-24.3654570786.15217.85-15.78032654-25.0327644196.15818.94-15.78879369-25.547599495.3.1工艺参数对翘曲变形的影响实验结果的分析方法主要包括均值分析和变量分析。(1)均值分析(ANOM)根据Taguchi方法，将实验结果转化为信噪比S/N： SN=-10一般来说，翘曲值越小越好。在得到各组实验S/N的基础上，可以计算出各个工艺参数对质量指标的主效应和所有S/N的平均值，各个因素在三个水平的均值见表5.7。表5.7翘曲变形的均值分析表因素均值ABCDM1-16.004-16.193-15.966-16.071M2-15.948-15.942-15.960-15.957M3-15.899-15.745-15.950-15.854M-15.958用图5.1表示各因素的信噪比均值可以更明显地说明各种工艺参数对翘曲变形的影响。从图中可以看出A3B3C3D3为使得翘曲信噪比最大的工艺组合，它代表的生产周期为36S，熔体温度为260℃，持续时间为12S，冷却介质入口温度30℃。图5.1翘曲变形的各因素信噪比均值图由于最优的注射工艺参数并不在已有的实验中，需要使用Moldflow对这些工艺参数组合进行模拟验证。得到翘曲变形见图5.2，可以发现此时的翘曲变形量为6.008mm，数据优于任何一组实验结果。图5.2优化后的翘曲变形分析结果图(2)变量分析(ANOVA)可以利用变量分析定量估计各参数对质量指标的相对影响，从而进一步了解工艺参数对翘曲变形的影响程度，方差分析情况见表5.8。表5.8各因素对翘曲变形的影响程度表因素自由度方差影响程度/%A30.0171.992B30.30335.268C30.49958.238D30.0394.502总计120.858100可以从表5.8中看出，工艺参数对翘曲变形的影响程度：持续时间C>熔体温度B>冷却介质入口温度D>生产周期A。从表5.8中可以看出对翘曲变形影响较大的是持续时间和熔体温度，这说明持续时间和熔体温度对翘曲变形起主导作用，而剩下的冷却介质入口温度、生产周期对翘曲变形的影响几乎可以忽略不计，因此改变持续时间和熔体温度对减小翘曲变形更加有效。5.3.2工艺参数对体积收缩率的影响(1)均值分析(ANOM)从Taguchi正交实验的特点中可以看出，信噪比与各个因素水平是一一对应的，信噪比的数值大小与各水平下的均值有一定关系[32]。因此可以使用均值分析来确定各个实验因素对实验目标的影响，同时可以预测出与实验目标响应相对应的最优实验因素水平组合，因而就工艺参数优化而言，均值分析是很有必要的。可以通过求出包含该实验因素水平的所有实验的信噪比均值得到各个实验因素的不同水平对实验目标的影响，如表5.9所示。表5.9体积收缩率的均值分析表因素均值ABCDM1-25.004-24.394-25.018-24.987M2-24.985-25.012-24.989-24.995M3-24.982-25.565-24.970-24.992M-24.987将表5.9中的数据用图5.3表示，可以更直观的说明各工艺参数对体积收缩率的影响。图5.3各工艺参数对收缩变形的影响图由此可知，最大信噪比的工艺组合为：A3B1C3D1，此时的生产周期为36S，熔体温度为220℃，持续时间为12S，冷却介质入口温度为20℃。由于优化的注射工艺组合不包括在已有的实验中，因此，要对该组工艺参数使用Moldflow进行模拟验证。如图5.4所示，此时体积收缩率为16.51%，由于塑件体积较大，导致冷却不均匀，所以体积收缩稍微有些大。图5.4优化后的体积收缩率分析结果图(2)变量分析(ANOVA)可以利用变量分析定量估计各参数对质量指标的相对贡献，从而进一步了解工艺参数对体积收缩的影响程度，因素的方差分析见表5.10。可以从表中得出，工艺参数对制品收缩变形的影响程度：熔体温度B>持续时间C>生产周期A>冷却介质入口温度D。从表5.10中可以看出对体积收缩影响较大的是熔体温度，这说明熔体温度对体积收缩起主导作用，而持续时间、冷却介质入口温度和生产周期对体积收缩的影响几乎可以忽略不计。因此改变熔体温度对减小体积收缩更加有效。表5.10各因素对体积收缩的影响程度表因素自由度方差影响程度/%A30.0010.043B32.05999.760C30.0037620.182D30.000310.015总和122.06411005.3.3综合质量评价从上面的分析中可以看出，对于考察指标翘曲量和收缩率的要求侧重点有很大的不同，因此最佳工艺参数组合不一样，有时候甚至互相矛盾。由之前的分析可知，翘曲变形在最大信噪比下的工艺组合是A3B3C3D3，而体积收缩在最大信噪比下的工艺参数组合是A3B1C3D1，为了找出同时兼顾翘曲变形和体积收缩两个指标的最优工艺，就必须对其进行综合评分，将多个不同的指标综合变化为单指标。在这里采用加权综合评分法，对正交实验数据进行处理，从而达到实现多项考察指标下的工艺参数优化。将加权综合评分法的计算结果汇总到表5.11中。表5.11数据归一化表实验序号实验S/N比极差变换处理综合评分Yi翘曲变形收缩形变翘曲变形收缩变形1-16.23819961-24.4334999400.94447.22-16.00746710-25.023026860.5600.46251.13-15.