基于Moldflow的联想手机外壳注塑成型_文档资料库
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基于Moldflow的联想手机外壳注塑成型
本科生毕业设计（论文）摘要基于 CAE 技术，以普通手机外壳为实例，介绍了 Moldflow Insight 软件在注 塑模具设计中的应用。首先，分析塑件的工艺性及注塑成型特点，而后应用 CAD 建立了产品的几何模型；运用 CAE 模流分析软件 Moldflow 进行有限元模型的前 期处理，其中包括导入三维模型、划分网格
、设置工艺条件和确定最佳浇口位置。 确保了浇注系统和冷却系统设计的合理性后，运用正交设计法安排实验方案，得 到各参数及其交互作用对翘曲的影响度，初步确定工艺参数最优组合方案，对影 响显著的因素作单因素影响模拟分析，研究翘曲和体积收缩率受单独影响的变化 趋势，结合正交试验结果，最终确定较合理的工艺参数优化组合。最后，采用优 化工艺方案进行模拟分析，得到最佳质量的制品。 关键词 注塑模具；正交试验；MoldflowI本科生毕业设计（论文）AbstractBased on the CAE technology,chosen ordinary mobile phone shell,paper introduced the application of the injection mould design with Moldflow Insight software . First of all, The paper analysed the plastic's manufaturability and features in it's injection molding process and established application of CAD product geometry model. It used CAE mold flow analysis software moldflow to simulate and analyse which including import 3D model, dividing into grid, setting up technological conditions and determining the best gate location. making sure the rationality of the design of cooling system and gating system.The paper got effect Factors of warping invarious parameters and interaction by arranging the plan using the orthogonal design method.What's more,it briefly determinated the technology parameters optimization combination scheme,simulated and analysed notable factors alone.In this way it worked out the change trend of warping and volumetric shrinkage which caused by parameters Combined with the orthogonal experiment results,it eventuallt determined the reasonable parameters.In the last,it got the better plastic product quality with the optimum process seheme. Key words: the o MoldflowII本科生毕业设计（论文）目录第 1 章 绪 论 .......................................................................................................... 1 1.1 本课题研究的目的和意义 ....................................................................... 1 1.2 CAE 技术的理论方法及应用 .................................................................. 2 1.3 模具国外 CAD/CAM/CAE 技术的发展 .................................................. 3 1.4 模具国内 CAD/CAM/CAE 技术的发展 .................................................. 3 1.5 模具 CAD/CAM/CAE 技术发展的趋势 .................................................. 4 1.6 本课题研究的主要内容 ........................................................................... 5 第 2 章 产品注塑方案的设计 ................................................................................ 6 2.1 注塑产品有限元模型的建立 ................................................................. 6 2.1.1 建立塑料零件三维模型 ................................................................ 6 2.1.2 模型导入前处理 ............................................................................ 7 2.2 制件有限元的初始化网格划分 ............................................................... 7 2.2.1 模型的导入 .................................................................................... 7 2.2.2 网格划分 ........................................................................................ 8 2.3 网格的修复 ............................................................................................... 9 2.4 纵横比的诊断及修复 ............................................................................... 9 2.5 配向诊断 ................................................................................................. 12 第 3 章 分析方案的确定 ...................................................................................... 13 3.1 浇注系统的作用 ..................................................................................... 13 3.2 最佳浇口位置分析 ................................................................................. 13 3.3 浇注系统的创建 ..................................................................................... 14 3.4 冷却系统方案的确定 ............................................................................. 15 3.5 流动结果分析 ......................................................................................... 16 3.5.1 充填时间 ...................................................................................... 16 3.5.2 熔接痕比较 .................................................................................. 17 3.5.3 气穴比较 ...................................................................................... 18 3.5.4 制件翘曲的比较 .......................................................................... 18 第 4 章 基于正交试验工艺参数优化分析 .......................................................... 20 4.1 优化目标设计 ......................................................................................... 20 4.2 正交试验的设计及参数设定 ................................................................. 20III本科生毕业设计（论文）4.3 基于正交试验多工艺参数优化 ............................................................. 21 4.4 基于 MPI 的产品工艺参数的单个因素数据分析 ................................ 26 第 5 章 结 论 ........................................................................................................ 33 参 考 文 献 .......................................................................................................... 34 致 谢 .................................................................................................................... 35 附 录 A 译文 ....................................................................................................... 36 附 录 B 英文材料 ............................................................................................... 40IV本科生毕业设计（论文）第1章 绪 论模具是以特定的结构形式通过一定方式使材料成型的一种工业产品，同时也 是能成批生产出具有一定形状和尺寸要求的工业产品零部件的一种生产工具，是 生产各种工业产品的重要工艺装备。随着塑料工业的迅速发展，以及塑料制品在 航空、航天、电子、机械、船舶和汽车等工业部门的推广应用，产品对模具的要 求也越来越高，传统的模具设计方法已无法适应当今的要求。与传统的模具设计 相比，计算机辅助工程技术无论是在提高生产率、保证产品质量方面，还是在降 低成本、减轻劳动强度方面，都具有极大的优越性。1.1 本课题研究的目的和意义随着科学的发展，各种产品的更新换代速度越来越快，而产品的更新是以新 产品的造型设计和模具的设计、制造与更新为前提的。模具的设计是模具更新的 基础，模具设计工作与产品的更新信息相关。传统的手工设计模式已经不能很好 地适应时代的需要， 计算机辅助设计与制造已成为许多大型 CAD/CAM/CAE 软件 追求的目标。而在众多辅助设计制造软件中 Pro/E 软件是当今世界较先进、面向 制造业的综合软件。Pro/E 软件在产品造型、注塑模设计和冲压级进模设计中的 应用将体现该软件在产品造型和模具设计中的强大功能，展现它的灵活性和工程 设计严谨性的特点和优点。 手机外壳模具在我国模具生产中占有不可或缺的地位。而近年来随着手机功 能的增加，手机外壳的结构越来越复杂，而出于便携性的考虑，手机的壁厚却越 来越小，加之各种新材料、新工艺的使用，使注塑成型的难度不断加大，在手机 外壳的设计和生产过程中引入 Moldflow 模拟具有重大的意义。 因为传统的注塑工 艺及注塑成型的实际生产主要靠经验来反复调试和修改，这样不仅生产效率低， 而且还浪费了大量的人力和物力。 注塑 Moldflow 技术能预拟注塑成型时塑料熔体 在模具型腔中的流动情况及塑料制品在模具型腔内的冷却、固化过程，在模具制 造之前就能发现设计中存在的问题， 改变了主要依靠经验和直觉， 通过反复试模、 修模来修正设计方案的传统设计方法，它可使设计人员避免设计中的盲目性，使 工程技术人员在模具加工前完成试模工作，也可使生产操作人员预测工艺参数对 制品外观和性能的影响，降低了模具的生产周期和成本，提高了模具质量。本文1本科生毕业设计（论文）利用 Moldflow 对手机外壳注塑成型中的浇口位置、充填、流动、冷却等过程进行 分析模拟，预测塑件可能产生的质量缺陷，并针对模拟结果分析缺陷产生的原因 和影响因素。根据分析结果对注塑工艺条件进行优化，得到比较合理的参数。1.2 CAE 技术的理论方法及应用由于塑料的种类和成型方法很多，塑料模CAE 技术的应用侧重面有所不同。 下面就常用的注射成型、气体辅助注射成型、挤出成型、吹塑成型和热成型等， 说明现有塑料模CAE 技术的理论方法及对工程实际的指导意义。塑料模CAE 技 术的应用无论在提高生产率、保证产品质量方面，还是在降低成本、减轻劳动强 度方面具有极大的优越性。 （1）注射成型 注射成型是热塑性塑料成型的一种主要成型方法。 注射模CAE 技术按成型工 艺过程的特点，分为流动、保压、冷却、残余应力及翘曲分析等软件模块。流动 模拟采用非牛顿流体非等温下广义的Hele-Shaw 模型描述注射充模过程；用有限 元/有限差分算法耦合求解动量守恒方程和能量守恒方程已获得压力场、温度场、 速度场；用控制体积法跟踪熔体的流动前沿；用人工智能技术自动识别熔接线和 气穴的位置。通过流动模拟可获得型腔内的温度、压力、速度及锁模力等信息， 帮助工程技术人员合理地设计浇注系统，优选注射工艺参数，发现可能出现的成 型缺陷并提出相应的对策。 （2）气体辅助注射成型 气体辅助注射成型是在传统的注射成型基础上发展起来的一种新的注射成型 工艺，特点在于：在充填阶段，当型腔充填至70%~95%时，向型腔内注入高压气 体，并使气体进入型腔；进入保压阶段，继续注入高压气体，以弥补因熔体冷却 而引起的收缩。在充填阶段，由于气体、熔体两种性质完全不同物质的动力学的 相互作用，使得成型过程的模拟非常复杂，控制方程仍采用非牛顿流体非等温下 广义的Hele-shaw 流动，但在气熔界面作了假设，认为气体、熔体两相介质不混 合。这样，流场的求解变为对熔体流动方程的求解，仅在气熔界面上加上气体压 力的边界条件。利用气体辅助注射成型过程的 CAE 技术，可帮助设计、工程人 员解决气穴、气体冲头等潜在的质量问题；确定熔体的最优体积、注入气体的最 佳切入时间等工艺参数； 获得多型腔系统在整个加工过程中的物料及气体的分布； 优化气道、浇注系统的尺寸、布置方案。此外，还有反应、挤出、热成型、压延、 流延模、纤维纺丝过程、吹塑模、涂覆等成型过程数值模拟也开展了广泛的工作， 对聚合物加工过程的分析和成型设备的设计都产生了相当大的影响[1]。2本科生毕业设计（论文）1.3 模具国外 CAD/CAM/CAE 技术的发展国外模具 CAD/CAM 技术的研究始于上世纪 60 年代，到 70 年代已经研制出 了模具 CAD/CAM 的专门系统， 推出了面向中小型企业的 CAD/CAM 的商业软件， 可应用于各种类型的模具设计和制造。 1973 年， 美国的 DIE COMP 公司率先研制成功 PDDC 连续模系统。 1977 年， 捷克斯洛伐克金属加工工业研究所研制成功 AKT 冲模 CAD 系统。 1978 年， 日本 机械工程实验室建立 ME1 连续模设计系统。1979 年，日本旭光学工业公司研究 成功的冲空模和弯曲模 PENTAX 的 CAD 系统。1985 年，日本 NISSIN 精密机器 公司采用了冷冲模 CAD/CAM 系统。到 80 年代末，美国、日本等工业发达国家 的模具生产已有近 50%采用了 CAD/CAM 技术。近二十多年来，随着计算机硬件 的不断提升，工业发达国家的 CAD/CAM 技术不断创新、完善、逐步发展，已经 形成一个从研究开发、生产制造到推广应用和销售服务的完整的高技术产业。 国外在上世纪 60 年代开始开发有限元进行软件，1976 年发行了第一套流动 分析软件。 利用 CAE 技术可以在模具加工前， 在计算机上对整个成型过程进行模 拟分析，减少甚至避免模具返修报废、提高模具质量和降低成本等。目前国外的 模具 CAE 技术已经相当成熟，完全走向实用化阶段，并取得了显著效果。国外著 名的 CAE 软件有 NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、COSMOS 等。1.4 模具国内 CAD/CAM/CAE 技术的发展我国模具 CAD/CAM 技术开始于 20 世纪 70 年代末，与国外相比尚有一段距 离，但目前也趋于成熟，并在模具生产企业得到广泛应用。特别是 20 世纪 80 年 代后期，我国进入了 CAD/CAM 技术迅猛发展的时期，各大院校和科研单位不仅 自主研发适合国情、专业化极强的 CAD/CAM 实用系统，也引进国外先进 CAD/CAM，同时在国外的 CAD/CAM 系统之上进行二次开发。如吉林大学依托 一汽对汽车覆盖件 CAD/CAM 系统的研究已经取得显著成效，华中科技大学模具 技 术 国 家 重 点 实 验 室 在 AutoCAD 软 件 平 台 上 开 发 出 基 于 特 征 的 级 进 模 CAD/CAM 系统 HMJC，上海交通大学为瑞士法因托（Finetool）精冲公司开发成 功精密冲裁级进模 CAD/CAM 系统， 西安交通大学开发出多工位弯曲级进模 CAD 系统等，这些 CAD/CAM 系统的研发促进了国内模具行业快速发展[2]。 经过这十几年的发展，我国模具 CAD/CAM 软件的开发水平也逐渐接近国外3本科生毕业设计（论文）先进水平。 在政府的大力支持下先后出现了一批先进的模具 CAD/CAM 示范企业， 高校和企业也培养了一大批模具 CAD/CAM 软件开发及应用人才。但总的来说， 我国目前模具 CAD/CAM 软件不管是从产品开发水平还是从商品化、市场化程度 都与发达国家有不小的差距。1.5 模具 CAD/CAM/CAE 技术发展的趋势目前随着全球创新技术能力的提高和网络计算环境的普及针对高质量产品及 高生产效率的市场要求最大限度地提高模具制造业的应变能力满足用户需求模具 CAD/CAE/CAM 技术的发展总体上朝着集成化、网络化、标准化、专业化、开放 性、虚拟化、专业化和智能化方向发展[3]。 (1)集成化 CAD/CAE/CAM 系统集成化可以消除分散应用 CAD、CAE、CAM 单项技术 所形成的(信息孤岛)现象，最大限度地将计算机辅助设计所产生的实体模型被后 续的分析、加工、工艺和仿真所利用。 (2)网络化 随着计算机网络技术的不断完善 CAD/CAE/CAM 系统的网络化已成为不可阻挡 的发展趋势。网络化可以充分发挥系统的总体优势使一个项目在多台计算机上协 作完成，节省了大量的人力物力财力。借助现有的网络，用户可用高性能的 PC 机代替昂贵的工作站，不同设计人员可以通过网络交流设计数据，同时对模具的 设计与制造进行操作和评价。 (3)标准化 随着 CAD/CAE/CAM 系统的集成和网络化， 为保障数据传递、 转化过程中不丢失， 使模具 CAD/CAE/CAM 软件系统内部信息交流成为整体， 真正意义上实现模具制 造信息传递的畅通，建立产品数据转换标准 STEP 对企业发展尤为必要。 (4)开放性 CAD/CAM/CAE 系统目前广泛建立在开放式操作系统 Windows 和 UNIX 平台上， 为最终用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开发其内核源码，使用户可定制 自己的应用程序。 (5)虚拟化4本科生毕业设计（论文）虚拟制造(VM)以仿真技术、信息技术、虚拟现实技术为支撑，对产品设计、工艺 规划、 加工制造等生产过程进行统一建模。 现已在国外模具工业中有成功的应用， 如美国的 FoundryService 公司采用 VM 技术对整个工艺生产过程进行仿真，根据 仿真结果优化设备参数后成功地完成了生产系统的改造，节约了大量资金。 (6)专业化 针对性的开发专用模具 CAD/CAE/CAM 系统软件， 或根据模具生产企业自身的特 点对软件系统进行二次开发，这样才有可能发挥出软件的最大潜能，充分利用好 企业自身的设备，制造出高质量的模具产品。如日本 UNISYS 株式会社的塑料模 设计和制造系统 CADCEUS 等。 (7)智能化 随着计算机辅助设计系统智能化程度提高，原来繁琐的操作逐渐被计算机智能化 处理取代。如将 KF(KnowledgeFusion)引入 CAD/CAE/CAM 系统，使其具有专家 的经验和知识，具有专家的推理方式和控制策略，以及智能化的视觉、听觉、语 言的处理能力，从而达到设计自动化的目的[4]。1.6 本课题研究的主要内容本文以注塑分析系统 Moldflow 为工作平台，进行了应用研究。通过一年的 学习及应用，对手机外壳塑料件的成型状况进行模拟，利用CAE分析结果，对塑 料件的浇注系统、冷却系统、注塑工艺参数等各方面进行了优化，取得了比较满 意的优化结果，得出一些切实可行的解决方案。主要研究内容如下： （1）用三维造型软件Pro/E对手机外壳零件进行实体三维造型并导入到 Moldflow软件中。 （2）利用Moldflow注塑模具分析软件，针对手机外壳塑料模具进行填充、保 压、冷却、变形等流变分析，并进行工艺参数、浇口位置、冷却系统等方面的设 计。 （3）对温度、压力和时间等主要注塑工艺参数进行多种方案设计比较，利用 正交试验法探索出各个因素对塑料件成型的影响，合理选择最优的注塑方案。5本科生毕业设计（论文）第2章 产品注塑方案的设计2.1 注塑产品有限元模型的建立2.1.1 建立塑料零件三维模型a）手机外壳正面 图 2-1 手机外壳零件b）手机外壳反面本课题的研究对象是手机外壳注塑零件， 利用Pro/E三维制图软件建立手机外 壳模型。手机外壳的尺寸为97x50x6mm。如图2-1所示。 手机外壳质量要求为盒体使用表面光滑，无明显熔接痕、银丝、汽泡。手机 外壳的材料采用的是一种半透明、非结晶型塑料ABS。ABS是一种高分子的三元 共聚物材料。此三元分别为：丙烯腈、丁二烯及苯乙烯。ABS的良好性能与此三 种成分密切相关。本次设计手机外壳材料选用ABS材料，ABS材料学名丙烯脂― 丁二烯―苯乙烯共聚物，属于热塑性塑料，韧性大、脆性小，适用广泛，但是尺 寸稳定性差和热稳定性差，密度为1.02―1.05 g/cm3，收缩率0.3%―0.8%，流动性 中等，溢边值为0.04 mm，料筒温度前段190―200 ℃，中段200―220 ℃，后段 170―190 ℃，模具温度60―85 ℃，注射压力为60―100 MPa，保压压力为30― 60 MPa。6本科生毕业设计（论文）2.1.2 模型导入前处理塑料产品设计时，出于工艺性要求或者安全规范要求，在产品尖锐处及外表 面的棱边通常做倒圆角处理，倒圆角的存在对于实际注塑成型有利，但对 Moldflow 的网格划分却是不利的，尤其是对于 fusion 网格，会严重降低网格匹配 率及增加网格数量。此外，将零件一些不重要的小特征去掉对于分析结果来说微 乎其微，但却极大地提高了网格质量与分析运算效率。因此，在进行网格划分前 对模型的修复与简化是必要的，然而对大多数 Moldflow 工程师来说又是很困难 的，作为分析用的模型往往是非参数化的，即使参数化，也取决于设计者思维方 式的不同，建模顺序的差异，使得 Moldflow 工程师处理起来困难重重。所以必须 简化[5]。2.2 制件有限元的初始化网格划分2.2.1 模型的导入打开 Moldflow 后，创建新工程，输入工程名称及项目保存路径。 新建项目后导入 CAD 模型。在文件菜单下点击导入选项。将 Proe/E 三维制 图软件导出的 stl 格式模型导入工程。本次设计分析采用表面模型（双层面） ，表 面模型技术是指型腔或制品在厚度方向上分成两部分的注塑成型模拟技术。与中 面模型完全不同，它不再中面而是在型腔或制品表面产生有限网络，利用表面上 的平面三角网格进行有限元分析。如图 2-2 所示。a）手机外壳正面 图 2-2 零件导入 Moldflowb）手机外壳反面7本科生毕业设计（论文）2.2.2 网格划分导入零件后，对模型进行网格划分，选择网格工具栏生成网格命令，在项目 管理区的工具选项卡中会显示划分网格模型界面，全局网格边长设为 1.7mm，点 击立即划分网格。程序自动对分析模型进行网格划分，如图 2-3 所示。图 2-3 网格初始划分Moldflow 支持四种网格形式，即 Midplane、Fusion、Solid（3D）和 Beam， 分别是中性面网格、 双面流网格、 实体网格和一维单元。 而本零件所用的 Fusion 格 式网格统计各项参数如下。 通过网格统计可以清楚确定缺陷出现的位置。 Moldflow 自动对划分好的网格进行统计。如表 2-1 所示。表 2-1 网格统计参数 网格参数 三角形 节点 连通区域 网格体积 网格面积 自由边 共用边 交叉边 数值 11630 个 5743 个 1个 4.4758 cm3 110.912 cm2 0个 17445 个 0个 网格参数 相交单元 完全重叠单元 配向不正确的单元 最小纵横比 最大纵横比 平均纵横比 匹配百分比 相互百分比 数值 0个 0个 0个 1.16 59.6 2.26 86.8% 83.0%由初始网格统计信息可以看出初始网格划分主要问题出现在纵横比上（最大 纵横比远远大于 15） ，必须经过修复才能进行接下来的数据模拟。匹配百分 比&85%，可以做翘曲分析。8本科生毕业设计（论文）2.3 网格的修复由于 MPI 模块在生成网格时，由于模型的几何形状、大小等原因，会产生单 元的重叠和交叉，纵横比不合理，出现自由边和不连贯等问题，所以要对我网格 进行进一步的修改和调整。 第1章 修改较大单元纵横比 纵横比是一个很重要的因素，它影响到分析的精度。在一些敏感的区域，小 纵横比就显得更加重要。通常情况下，纵横比的平均值最大不得超过 6。修改纵 横比一般来讲用合并节点和交换边这两种方法来解决。合并节点顺名思义就是把 两个节点合并在一起，将纵横比较大的单元的两个节点合并为一个节点，从而消 除较大纵横比单元。交换边则是对相同公共边的两个单元，撤销公共边，以另一 对角边为公其边重新生产单元，从而减少纵横比。 (2)交叉单元的修改 交叉单元就是那北不在同平面上，却相互交叉的网格单元。一般来讲，无论 是网格重叠还是网格交叉，部直接把有问题的单元删除，然再把单元补上，从而 达到修复的目的。 (3)自由边的修改 自由边是指一个单元所拥有的边， 即它不被其它单元所共有。 Fusion 和 3D 有 类型的有限元划分中，应该将自由边修复．因为有自由边则意味者各个单元没有 正确的连接在一起，不能形成一个分析整体，从而影响以后的分析。修复自由边 可以合并节点，移动节点或重新划分该区域的单元。 (4)其它问题的修复 初始有限元划分的其它问题，如表面连贯性、单元的方向性等问题也可以通 过以上的方法根据实际情况进行解决。 但需要指出的是， 在进行模型修复的时候， 不可能一次就能达到预定的要求，一般来讲都要进行多次反复的修改才能获得满 意的结果。2.4 纵横比的诊断及修复本零件没有自由边和交叉边以及配向不正确单元的问题，唯一的缺陷是纵横比过 大，所以修复网格的主要任务是修复纵横比。9本科生毕业设计（论文）首先介绍一下纵横比的概念，所谓纵横比就是指模型的三角形单元的最长边 与该边所对应的三角形高度之比值，三角形单元的最长边为 a，对应边上的三角 形高度为 b，则该三角形的纵横比为 a/b，此数值越大，则说明该单元越尖锐，越 细长，这对分析结果是不利的。高的纵横比很可能对分析的结果产生负面影响。 流动分析对纵横比的敏感度最低，而冷却分析和翘曲分析对纵横比的敏感度是比 较高的。如果纵横比太高，分析将可能不收敛，而且有可能产生不合逻辑的结果， 甚至可能导致结算失败，当考虑到网格的质量时，低的纵横比是非常重要的。 诊断纵横比： 在方案任务窗口的工具选项卡中输入参数， 设置“最小值”为 15， 最大值不填，单击显示，诊断结果将以不同颜色的网格法线显示，如图 2-4 所示。图 2-4 纵横比诊断结果修复纵横比问题常用插入节点和交换边这两种方法来解决。插入节点就是在 一条共用边上的两个节点中间创建一个新节点，可以用来消除不良的纵横比。图 2-5 和 2-6 修改前后对比。图 2-5 修改前10图 2-6 修改后本科生毕业设计（论文）手动合并节点就是将一个或多个要合并的节点向一个目标节点合并。 如图 2-7 和 2-8 所示修改前后效果。图 2-7 修改前图 2-8 修改后交换边是对相同公共边的两个单元，撤销公共边，以另一对角边为公其边重 新生产单元。 利用交换对角线使纵横比提高。 如图 2-9 和 2-10 所示修改前后效果。图 2-9 交换前图 2-10 交换后经过修改之后， 所有纵横比大于 15 的单元都转化为了纵横比小于 15 的单元， 诊断栏自动消失。再次进行网格统计。统计结果如表 2-2。表 2-2 网格统计参数 网格参数 三角形 节点 连通区域 网格体积 网格面积 自由边 共用边 交叉边 数值 11630 个 5743 个 1个 4.4758 cm3 110.912 cm2 0个 17445 个 0个 网格参数 相交单元 完全重叠单元 配向不正确的单元 最小纵横比 最大纵横比 平均纵横比 匹配百分比 相互百分比 数值 0个 0个 0个 1.16 14.6 2.26 86.8% 83.0%11本科生毕业设计（论文）2.5 配向诊断在 MPI 的 Fusion 模型中，每个网格单元都存在一个规定的方向，即每个单 元都有一个顶面和一个底面，其中顶面的方向与网格模型中每个三角形单元的顶 点序列呈右手规则。MPI 要求在进行分析计算之前，模型中的每一个单元的顶面 都需要朝向外表面。对于未定向单元网格，也是通过网格诊断工具先找到他们所 在的位置。利用网格工具中的定向单元命令就能对其进行修改。如图所示配向检 查结果显示均成蓝色，说明模型表面配向良好。如图 2-11 所示。图 2-11 网格配向诊断结果12本科生毕业设计（论文）第3章 分析方案的确定3.1 浇注系统的作用浇注系统是指塑料熔体从注射机喷嘴出来后，到达型腔之前在模具中 所流经的通道，其作用是将熔融状态的塑料从喷嘴处平稳地引入模具型腔， 并在熔体填充和固化定型的过程中将注射压力和保 压力传递到塑料制品各 部分，以获得组织致密、外形清晰、表面光洁和尺寸精确的塑料制品。浇 注系统可分为普通流道浇注系统和无流道浇注系统两大类。浇注系统的设 计对注射成型效率和制件质量有直接影响，是获得优质塑料制品的关键 [7]。 浇注系统的作用是控制塑料熔体充填型腔的速度及充满型腔所需的时间；使 塑料熔体平稳地进入型腔，避免紊流和对型腔的冲涮；阻止熔渣和其他夹杂物进 入型腔；浇注时不卷入气体，并尽可能使制件冷却时符合顺序凝固的原则。内浇 口的总截面积、横浇口的总截面积和直浇口的总截面积是浇注系统的重要参数。 根据内浇口、横浇口、直浇口的各自总截面积的比例不同，浇注系统分为开放式 和封闭式两种。这里所说的截面积都是指与液流方向垂直的最小截面面积。当内 浇口的总截面积最小时，浇注开始后整个浇注系统很快就充满了塑料熔体，有利 于阻止熔渣及夹杂物进入型腔，这种浇注系统通常称为封闭式浇注系统，一般都 优先采用。当横浇口或直浇口的总截面积小于内浇口的总截面积时，浇注过程中 塑料熔体不会完全充满浇注系统，这种浇注系统通常称为开放式浇注系统，仅在 特殊工艺采用。3.2 最佳浇口位置分析最佳浇口位置分析可以找出产品上最佳进浇位置。如果产品上没有设定进浇 点，在已定塑胶材料的情况下，最佳浇口位置分析会产生一个最佳进浇位置；如 果产品上需要两个或几个浇口，在给定塑胶材料的情况下，最佳浇口位置分析会 多个最佳进浇位置，以满足产品整体填充平衡。 设置注塑材料：在分析栏中选择材料处进行修改。手机外壳所采用的材料为 Lanxess 公司的 ABS 材料，牌号为 Lustran ABS Elite HH 1827。工艺过程参数的13本科生毕业设计（论文）选用：注塑机采用默认注塑成型机，模具表面温度选用推荐值为 80 ℃ ，熔体温 度也采用推荐值为 260 ℃。 最佳浇口位置分析设置：1. 选择成型工艺。点击案例浏览区“分析”按钮， 点击“设置成型工艺”中“热塑性注塑成型” 。2. 点击菜单栏“分析”按钮，点 击“设置分析顺序”中“浇口位置” ，或直接点击案例浏览区“设置分析顺序”指 令按钮，选择浇口位置的分析。点击“确定” ，分析正式开始。勾选案例浏览区中 “日志” ，查看屏幕输出结果。如图 3-1 所示。图 3-1 最佳浇口位置查看分析日志可知推荐浇口位置在节点 2099 附近，结果显示中，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。3.3 浇注系统的创建根据最佳浇口位置分析结果，设计两个浇注方案。分别为双点进浇式浇注系 统、 （一模双腔）侧浇口式浇注系统。 主流道是浇注系统中从注塑机喷嘴与模具相接触的部位开始，到分流道为止 的塑料熔体的流动通道。主流道上的一些尺寸主要是由所选的注塑机决定的。主 流道的长度：小型模具 L主 应尽量小于 60mm，本次设计取 50mm 进行设计； 主流道小端直径：d=注射喷嘴尺寸+（0.5~1）mm=（2+0.5）mm=2.5mm； 主流道大端直径：d1=d+2 L主 tanα=7.74mm，式中 α=3°； 主流道球面半径：SRO=注射机喷嘴球头半径+（1~2）mm=13mm；14本科生毕业设计（论文）球面配合高度：h=3mm； 主流道入口直径 2.5mm 拔模角度 3 度，流道直径为 4mm，侧浇口入口直径 为 2mm。 方案一：采用流道系统向导创建双点进浇式浇注系统。如图 3-2 所示。方案 二：采用流道系统向导创建侧浇口式浇注系统。如图 3-3 所示。图 3-2 方案一图 3-3 方案二浇注系统的创建需根据中心线进行杆单元的网格划分，利用层管理工具，将 浇口、分流道、主流道分别归属到相应的层中，然后分别对浇注系统各部分进行 单元划分。浇注系统网格划分。 在浇注系统网格划分结束后，一定要进行浇注系统与产品网格模型的连通性 诊断，防止出现不连通的情况，从而导致分析计算得失败。浇注系统与产品网格 连通性检查，显示所有产品三角形单元和浇注系统杆单元。选择任一个单元作为 起始单元，得到网格连通性诊断结果。经诊断，两种方案的连通性均无问题。3.4 冷却系统方案的确定冷却系统是直接影响注塑制品质量和生产效率的重要因素，模具冷却装置的 设计与使用冷却介质、冷却方法有关。本模具设计是用纯水来冷却。纯水冷却较 为普遍。因为水的热容量大、传热系数大、成本低廉。冷却水回路开设在模具型 腔周围和型芯内，使纯水或者冷凝水在其中循环带走热量，维持模具注塑时所需 的温度[8]。 冷却回路的设计应做到回路系统内流动的介质能充分吸收成型塑件所传导的 热量，使模具成型表面的温度稳定地保持在所需的温度范围内。而且要做到使冷 却介质在回路系统内流动畅通，无滞流位。冷却浇注系统的冷却一般采用不对称15本科生毕业设计（论文）的形式，常采用的结构形式有两种，一是型腔冷却系统结构，常常采用环形冷却 水槽的形式，这种结构有很好的密封性。二是型芯的冷却系统结构，其根据塑件 的深度和宽度不同而异， 一般采用喷射式循环水路。 其冷却水通过模具带走热量， 是高效的、最常用的方法。 本次研究采用手工创建冷却系统。水管的直径为 8 mm，水管与制品间的距 离为 25 mm，管道数量为 6 条，管道中心之间的距离为 20 mm，管道超出制品边 缘的距离为 30 mm。管道之间的衔接适用软管。冷却管布局如图 3-4；3-5 所示。图 3-4 方案一的冷却回路图 3-5 方案二的冷却回路3.5 流动结果分析对于塑料注射成型来说，最重要的是控制塑料在模具中的流动方式。制品的 许多缺陷，如气穴、熔接痕、短射乃至制品的变形、冷却时间等，都与树脂在模 具中的流动方式有关。MPI/Flow 通过对熔体在模具中的流动行为进行模拟，可以 预测和显示熔体流动前沿的推进方式、填充过程中的压力和温度变化、气穴和熔 接痕的位置等，帮助工艺人员找出缺陷产生的原因并加以改进工艺参数。 选择分析类型为冷却+填充+保压+翘曲。3.5.1 充填时间充填时间为聚合物熔体从进入模具到充填满模具的时间。分析结果主要通过 不同的颜色显示了熔接痕流动时的形状变化以及充模过程，查看该结果可以知道 型腔是否充满， 充模过程是否平衡等。 充填时间是一项非常重要的结果， 从图 3-6； 3-7 分别看出每种方案的充填时间。16本科生毕业设计（论文）图 3-6 方案一：填充时间 0.7838s图 3-7 方案二：填充时间 0.6373s3.5.2 熔接痕比较两个方案的熔接痕如图 3-8；3-9 所示。图 3-8 第一方案熔接痕图 3-9 第二方案熔接痕由于制品结构的复杂性，熔接线/熔接痕常常很难避免，改善熔接线缺陷可以 从以下几个方面入手:通过改变浇口位置、型腔的壁厚及流道系统的设计等改变熔 接线的位置，尽量将其置于制品中不醒目而且强度要求不太高的地方；通过调整 熔体交汇时的温度，提高熔接线的抗拉/抗压强度，并尽量使痕迹不明显；通过调 整浇口位置、数目等减少熔接线/接痕条数；温度对熔接线/熔接痕的影响特别大， 提高熔体的温度可以提高熔接线的质量；如果熔体交汇时的温度与注射温度相差 不到20度，熔接线的质量都可以接受(最理想的情况是熔体交汇时的温度等于注射 温度)。提高型腔内熔体温度的方法很多，提高模壁温度、注射熔体温度及调整流17本科生毕业设计（论文）道的尺寸(提高摩擦热)等都可以达到目的 。 对熔接痕/熔接线改善，可参考以下几项措施: (1)调整成型条件，提高流动性。 (2)调整模具方面，增设排气槽，在熔接痕的产生处设置顶杆也有利于排气。 (3)尽量减少脱模剂的使用。 (4)设置工艺溢料并作为熔接痕的产生处，成型后再予以切断去除。 (5)若仅影响外观，则可改变浇口位置，以改变熔接痕的位置。或者将熔接痕 产生的部位处理为暗光泽面等，予以修饰。 通过对比两种方案熔接痕可观察到，第二方案产生的熔接痕较多。对产品表 面质量有较大影响。[9]3.5.3 气穴比较气穴是指由于熔体前沿汇聚而在塑件内部或者模腔表层形成的气泡。 气穴的出现会在最终的制件表面留下瑕疵，甚至可能由于气体压缩产生热 量出现焦痕。气穴的显示结果如图 3-10；3-11 所示，它可以和填充的动态结果 叠加。图 3-10 方案一气穴分布图 3-11 方案二气穴分布通过气穴数量和位置分析，第二方案由于流动前沿温度高产生的气穴较多并 且位置处于表面难排气的位置。3.5.4 制件翘曲的比较所谓翘曲，就是不均匀的内部应力导致的制件缺陷。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18本科生毕业设计（论文）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。各种不同的浇注系统可能引起的翘曲也会有很大的 区别，另外加大冷却也可以降低翘曲的程度，在这一小节中我们主要从在 相同冷却条件下分析 2 种方案的翘曲情况，以找到最佳的浇注系统。 如图 3-10；3-11 所示。图 3-10 方案一总翘曲量图 3-11 方案二总翘曲量翘曲变形在成型条件设定因素中，主要取决于:1，保压时间及压力；2，塑料 熔体温度；3，模具温度；4，其它因素 (流动充模时间等 )。其中，保压时间及 压力的影响最明显。保压压力能使型腔内熔体在完全凝固前始终获得充分的压力 和补料，从而出现熔体的流动，特点是流速慢。 根据图上显示方案一总翘曲量为 0.2116mm，方案二总翘曲量为 0.3173mm， 单从翘曲量来看，方案一更好一些。由于二方案采用侧浇口一定程度上会影响制 件表面质量，并且会出现少量的气孔，综合分析决定采用第一方案进行生产分析 及接下来的正交分析。19本科生毕业设计（论文）第4章 基于正交试验工艺参数优化分析正交试验设计是利用规格化的正交表，恰当地设计出试验方案和有效地分析 试验结果，提出最优配方和工艺条件，进而设计出可能更优秀的试验方案的一种 科学方法 HJ。注塑工艺是一个复杂的过程，影响塑件的工艺参数很多，为了减少 试验次数，同时获得足够的参数，模拟试验采用正交试验法，通过分析试验结果， 提出最优的注塑工艺条件[10]。4.1 优化目标设计对于某些注塑产品，翘曲、收缩、表面沉降、飞边和尺寸变化等缺陷是一些 无法彻底消除的问题，只能通过对工艺参数的优化，减轻塑件的这些缺陷，从而 满足塑件的设计要求。成型过程中制品在型腔中非均匀的体积收缩率是引起制品 翘曲的主要原因。翘曲变形是指注塑制品从型腔脱模后由于制品内残余应力的存 在而使制品的形状产生变形，它是注塑制品最常见的缺陷之一。如果注塑制品结 构中壁厚不均和不对称，浇口位置、流道系统和冷却系统设计不当，或成型工艺 参数不合理等均会使注塑制品收缩不均而产生翘曲变形。本研究仅针对最大翘曲 变形量这个指标的综合值，讨论如何使综合指标达到最优的工艺参数组合。4.2 正交试验的设计及参数设定分析的目标是确定体积收缩率变化、表面缩痕指数和最大翘曲变形量三个指 标的综合值。为保证产品外观质量和使用要求，体积收缩率变化、表面缩痕指数 和最大翘曲变形量影响注塑成型质量的因素很多，选取对注塑成型过程影响较大 的 6 个因素，每个因素安排 3 个水平。 1）注塑温度(熔体温度)―T1 塑件采用的 ABS 材料，其牌号为 Lustran ABS Elite HH 1827 在 Moldflow 的 材质库中提供了所选取材料的注塑温度范围：T1=220 ℃ ~280 ℃ ，推荐值是 260 ℃ ， 在这个推荐值区间，取 3 个值，选取 T1=250 ℃ ，260 ℃ ，270 ℃ 。 2）模具温度―T2 在 Moldflow 的 材 质 库 中 提 供 了 所 选 取 材 料 的 的 模 具 温 度 的 为 范 围 ： T2=60 ℃ ~90 ℃ ，推荐值是 80 ℃ ，在这个推荐值区间，取 3 个值，选取 T2=70 ℃ ，20本科生毕业设计（论文）80℃ ，90℃ 。 3）注射时间―t1 根据实际情况和模拟分析，注射时间 t1=0.712~0.894 s 之间任取 3 个值，则 t1=0.7 s，0.8 s，0.9 s，其中开模时间固定在 5 s 不变。 4）保压时间―t2 根据实际情况和模拟分析，保压时间 t2=12.46~18.95 s 之间任取 3 个值，则 t2=12 s，15 s，19 s。 5) 保压压力―P 根据实际情况和模拟分析，保压压力 P，根据分析结果显示 V/P 转换点压力 为 136 MPa 注射后期压力保持在 108 MPa 左右， 所以保压压力选择 110 MPa， 120 MPa，130 MPa 三个数值。 6）冷却时间―t3 根据实际情况和模拟分析，冷却时间 t3=15.53~24.87 s 之间任取 3 个值，则 t3=15 s，20 s，25 s。4.3 基于正交试验多工艺参数优化利用流体分析软件 Moldflow 模拟成形及翘曲过程， 对塑件注塑成形过程中的 多因素进行了优化设计，以减小翘曲变形提高成形精度。利用正交表安排试验确 定如下试验指标、设计变量、以及约束条件。数值模拟与正交试验方法结合的注 塑工艺参数优化实施方案。 (1) 试验指标 定义工件的总翘曲变形量为考察指标。 (2) 设计变量 注射温度 T 1 ，模具温度 T 2 ，注射时间 t 1 ，保压时间 t 2 ，保压压力 P， 冷却时间 t 3 。 (3) 约束条件 注塑成型过程中避免填充不满、注射压力小于 200 MPa，锁模力小于 500 T，开模时间锁定为 5 s。 (4) 确定影响翘曲指标的因子及水平 影响塑料件注塑成形后翘曲变形量大小的主要因素为：注射温度 T 1 ， 模具温度 T 2 ，注射时间 t 1 ，保压时间 t 2 ，保压压力 P，冷却时间 t 3 。将它们 简称为因子 A、B、C、D、E、F，并假设各因子之间不存在交互作用。在 各因子的取值范围内，每个因子均匀地取 3 个水平，如表 4-1 所示。21本科生毕业设计（论文） 表 4-1 影响翘曲指标的因子及水平 A 注射温度 T1℃ 250 260 270 B 模具温度 T2℃ 70 80 90 C 注射时间 t 1 /s 0.7 0.8 0.9 D 保压时间 t 2 /s 12 15 19 E 保压压力 P/MPa 110 120 130 F 冷却时间 t 3 /s 15 20 25因素水 平 1 2 3根据因素及水平划分，采用六因素三水平的正交实验矩阵设计实验，采用正 交表 L18(37)， 并且按照表 4-1 设置的参数作模拟试验同时取得考核指标最大翘曲 表形量，得到相应得正交表。如下表（正交实验表 4-2） 。表 4-2 L 18 (3 7 )实验表及 翘曲表形量总数值 因素 实验1 实验2 实验3 实验4 实验5 实验6 实验7 实验8 实验9 实验10 实验11 实验12 实验13 实验14 实验15 实验16 实验17 实验18 模具温度 70 70 70 80 80 80 90 90 90 70 70 70 80 80 80 90 90 90 注射温度 250 260 270 250 260 270 250 260 270 250 260 270 250 260 270 250 260 270 注射时间 0.7 0.8 0.9 0.7 0.8 0.9 0.8 0.9 0.7 0.9 0.7 0.8 0.8 0.9 0.7 0.9 0.7 0.8 保压压力 110 120 130 120 130 110 110 120 130 130 110 120 130 110 120 120 130 110 保压时间 12 15 19 15 19 12 19 12 15 15 19 12 12 15 19 19 12 15 冷却时间 15 20 25 25 15 20 20 25 15 20 25 15 25 15 20 15 20 25 实验结果 0.5 0.7 0.0 0.2 0.7 0.8 0.1 0.8 0.422本科生毕业设计（论文）在表 4-2 中考察了六因素三水平对塑料件注塑翘曲变形量的影响，其所有不 同的试验条件共有 36 个，根据正交试验设计，现在安排 18 次试验，试验的目的 是为了找到哪个工艺参数对翘曲量的影响最大，以及各个工艺参数对翘曲量影响 程度的顺序，最后得出最佳参数组合。把各参数不同水平下试验结果均值的最大 值和最小值之差称为“极差”，若该值大，改变因子的水平会引起指标发生较大的 变化，即该因子对指标的影响大，反之，影响就小。把各影响参数在不同水平下 模拟试验的翘曲量均值(即表 4-2 中的 A，B，C，D，E，F)用因子水平与极差的 关系图来表示， 如图 4-1 所示， 从中可以明显地看出各参数对指标(翘曲量)的影响 大小。即 RE&RA&RC&RD&RB&RF（注：A―注射温度，B―模具温度，C―注射 时间，D―保压时间，E 一保压压力，F―冷却时间） 。图 4-1 效应曲线图工艺参数对翘曲变形量影响的数据模拟分析可就因子水平的极差进行分析， 见表 4-3。表 4-3 因子水平的极差分析 因素 实验1 实验2 实验3 实验4 实验5 实验6 实验7 实验8 实验9 实验10 实验11 实验12 实验13 模具温度 1 1 1 2 2 2 3 3 3 1 1 1 2 注射温度 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 注射时间 1 2 3 1 2 3 2 3 1 3 1 2 2 保压压力 1 2 3 2 3 1 1 2 3 3 1 2 3 保压时间 1 2 3 2 3 1 3 1 2 2 3 1 1 冷却时间 1 2 3 3 1 2 2 3 1 2 3 1 3 实验结果 0.5 0.7 0.0 0.2 0.7 0.8 0.193823本科生毕业设计（论文） 实验14 实验15 实验16 实验17 实验18 均值1 均值2 均值3 极差 2 2 3 3 3 0.206 0.202 0.204 0.004 2 3 1 2 3 0.221 0.202 0.188 0.033 3 1 3 1 2 0.196 0.203 0.212 0.016 1 2 2 3 1 0.227 0.202 0.182 0.045 2 3 3 1 2 0.202 0.204 0.205 0.003 1 2 1 2 3 0.203 0.205 0.203 0.002 0.2 0.1 0.2114方差分析偏差平方和、自由度等影响图，见表 4-4。表 4-4 因子方差、自由度表 因素 模具温度 注射温度 注射时间 保压压力 保压时间 冷却时间 误差 偏差平方和 0.000 0.003 0.001 0.006 0.000 0.000 0.01 自由度 2 2 2 2 2 2 12 F比 0.000 1.800 0.600 3.600 0.000 0.000 F临界值 3.890 3.890 3.890 3.890 3.890 3.890 显著性从上表可以看出对产品影响最大的是保压压力， 其次是注射温度和注射时间。 通过方差分析，表明： (1) 影响翘曲的最重要的因子是保压压力和注射温度，注塑时间、模具温度 和保压时间影响性不大。 (2) 最优方案是 A3B2C1D1E3F1，即选用注射温度 270 ℃ 、模具温度 80 ℃ 、注 射时间 0.7 s、保压时间 12 s、保压压力保压开始阶段的压力为 130 MPa 压力、冷 却时间 15 s。 在最优工艺参数条件下分析得到翘曲变形量， 4-3 是总翘曲变形量； 4-4 图 图 是由不均匀冷却原因引起的翘曲变形量、图 4-5 是由不均匀收缩原因引起的翘曲 变形量。最优工艺参数下得到的总翘曲变形量为 0.1579 mm，与做过的试验结果 来比较，确实获得了最小的翘曲变形量，通过比较可以看出翘曲变形主要是由收 缩不均匀作用的结果。而由于取向原因引起的翘曲变形量不存在。24本科生毕业设计（论文）图 4-3 总翘曲变形量图 4-4收缩不均引起的翘曲量25本科生毕业设计（论文）图 4-5冷却不均引起的翘曲量4.4 基于 MPI 的产品工艺参数的单个因素数据分析选用一种浇口方案，使用上面的六种参数，然后每种分别选定 10 组数 据。数据如 4-5 表：表 4-5 模具温度 （℃） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 58 62 66 70 74 78 82 86 90 94 注塑温度 （℃） 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 六个参数表 保压时间 （s） 4 6 8 10 12 14 18 22 26 30 保压压力 （MPa） 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 冷却时间 （s） 8 11 14 17 20 23 26 29 32 35 注射时间 （s） 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.426本科生毕业设计（论文）(1) 注射温度的影响 单独改变注射温度的数值，其他参数不变进行数值模拟分析，得到各 自翘曲量数值，见表 4-6。表 4-6 单独改变注射温度得到的翘曲量 注射温度（℃） 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285总翘曲量 （mm） 0.6 0.2 0.7 0.3 0.1 X 方向（mm） 0.8 0.3 0.8 0.1 0.2 Y 方向（mm） 0.9 0.1 0.3 0.1 0.3 Z 方向（mm） 0.4 0.6 0.6 0.1 0.3通过图 4-5 变化趋势可以看出， 熔体温度在 285 ℃左右时， 翘曲量最小。 过低或过高的熔体温度时翘曲量比较大。图 4-5 注射温度变化时翘曲量的变化趋势对非结晶型或结晶倾向小的塑料，注射温度主要是影响熔体的粘度、流动性 及分子取向程度，对成型收缩率的影响不大。提高注射温度，熔体体积膨胀而使 进入型腔的物料数量减少，熔体的保压效率降低，因而导致取向方向上聚合物成 松弛状态，提高了大分子的取向能力，这样造成收缩率增大。同时，注射温度增 大，使熔体粘度减少，若维持注射压力和保压压力不变，则导致熔体剪切速率提27本科生毕业设计（论文）高，更有利于向型腔内传递压力，这种现象造成收缩率减少。一般而言，粘度对 温度敏感的塑料，后一种效应影响大，反之，前一种效应影响更大。ABS 的粘度 对温度不太敏感，所以，熔体温度升高，总体来说，会使收缩增加。另外，熔体 温度增加，使熔体粘度减少，剪切速率提高，更有利于向型腔内传递压力，减少 收缩和变形;宽浇口尺寸较大， 也有助于压力的传递， 提高模腔压力， 增大补料量， 降低平板的收缩，减少了翘曲变形。因此，熔体温度对翘曲变形的影响是这些因 素的综合结果[11]。 (2) 模具温度的影响 单独改变模具温度的数值，其他参数不变进行数值模拟分析，得到各自翘曲 量数值，见表 4-7。表 4-7 单独改变模具温度得到的翘曲量 模具温度（℃） 58 总翘曲量 （mm） 0.8 0.8 0.8 0.9 0.9 62 66 70 74 78 82 86 90 94X 方向（mm） 0.6 0.6 0.6 0.5 0.5 Y 方向（mm） 0.8 0.8 0.8 0.7 0.7 Z 方向（mm） 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5通过图 4-6 变化趋势可以看出，模具温度对翘曲量和体积收缩的影响很小， 几乎可以忽略不计。图 4-6 模具温度变化时翘曲量的变化趋势28本科生毕业设计（论文）提高模具温度后制品的冷却时间将会延长且生产率也会下降，但是为了改变 聚碳酸酯等高粘度塑料的流动和充模性能，使它们获得致密的组织结构，需要采 用较高的模具温度。模具温度的升高有助于改善制品表面粗糙度，减少制品内应 力和取向度，提高熔接缝强度和制品密度等，但会降低流线方向冲击强度。模温 低，对低粘度的塑料是合适的，但当模具温度较低时，会导致过冷度增大，使粘 度增大，分子取向增加，制件变形增大，影响制品质量[12]。 (3) 保压时间的影响 单独改变保压时间的数值，其他参数不变进行数值模拟分析，得到各自翘曲 量数值，见表 4-8。表 4-8 单独改变保压时间得到的翘曲量 保压时间（s） 4 6 8 10 12 14 18 22 26 30总翘曲量（mm） 0.2 0.9 0.9 0.9 0.9 X 方向（mm） 0.4 0.5 0.5 0.5 0.5 Y 方向（mm） 0.9 0.7 0.7 0.7 0.7 Z 方向（mm） 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5从图 4-7 变化趋势可以看出，保压时间对非结晶型塑料塑件的翘曲变形有一 定的影响，随着保压时间的增加，塑件的变形逐渐减少，直至基本保持不变。图 4-7 保压时间变化时翘曲量的变化趋势保压时间增加，浇口冻结温度低，补缩作用强，有利于更多的熔体流入型腔 以弥补因冷却收缩而产生的空隙，平板更加密实，使收缩率减少，从而减少翘曲29本科生毕业设计（论文）变形。但是如果保压时间超过一定时间，足够使浇口凝固，则可降低体积收缩； 浇口凝固后，保压就无效果。保压阶段初期，随着保压时间延长，制品的密度迅 速增大，但当保压时间达到一定值后，制品的密度就会停止增长了。保压时间如 果够长，足够使浇口凝固，则可降低体积收缩；浇口凝固后，保压时间就无效果[13]。 (4) 保压压力的影响 单独改变保压压力的数值，其他参数不变进行数值模拟分析，得到各自翘曲量数值，见表 4-9。表 4-9 单独改变保压压力得到的翘曲量 保压压力（MPa） 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145总翘曲量（mm） 0.6 0.2 0.3 0.2 0.4 X 方向（mm） 0.5 0.8 0.3 0.6 0.2 Y 方向（mm） 0.9 0.9 0.2 0.7 0.2 Z 方向（mm） 0.9 0.8 0.1 0.8 0.6从图 4-8 可以看出，随着保压压力的增加，翘曲变形大幅的减少，但到一定 的压力时，翘曲变形的趋势降低，甚至有所回升。图 4-8 保压压力变化时翘曲量的变化趋势高的保压压力能够降低产品收缩的机会，补充模穴的塑料越多，越可避免产 品的收缩。 但是太高的保压压力会造成产品不均匀收缩， 而导致产品的翘曲变形。 对于薄壳件而言，由于压力将更明显，这种情况更严重。在较高的保压压力作用 下，可使制件得到较大的密度，使收缩率减小，表面质量提高。高中粘度的塑料30本科生毕业设计（论文）（如聚碳酸酯、聚乙烯等）且制品壁厚小、流程长、精度要求较高时，要求高的 保压压力。但保压压力过高，使制件残余应力增加，变形增大[14]。 (5) 注射时间的影响 单独改变注射时间，其他参数不变进行数值模拟分析，即选择不同的注射时 间看对翘曲变形的影响，见表 4-10。表 4-10 调整不同注射时间得到的翘曲量 注射时间（s） 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4总翘曲量（mm）0.2 0.6 0.3 0.9 0.5 X 方向（mm） 0.3 0.2 0.9 0.3 0.4 Y 方向（mm） 0.1 0.9 0.2 0.1 0.2 Z 方向（mm） 0.1 0.4 0.7 0.6 0.1从图 4-9 可以看出，总的来说，注射时间对非结晶型塑料塑件变形有一定影 响，但不象保压压力、冷却时间对翘曲变形的影响那样有明的趋势。随着注射时 间的增加，塑件的变形基本不变。图 4-9 注射时间变化时翘曲量的变化趋势熔体在型腔中的流动速度基本上由注射速率所控制。在型腔结构一定和其它 条件相同的情况下，减少注塑时间相当于提高注射速率，注射速率越高，熔体在 型腔中流动越快。注射速率对翘曲变形的影响比较复杂，主要是由于注射速度决 定着熔体的充模速率，而充模速率对塑料产品性能的影响也比较复杂。 根据在 Moldflow 分析过程中指导建立的浇注系统和冷却（保温）系统，以及31本科生毕业设计（论文）在模温、料温、填充时间与压力（保压曲线）等工艺参数的设置，从而在模具设 计上为其提供充分的参考和方案[15]。 (6) 冷却时间的影响 单独改变冷却时间的数值，其他参数不变进行数值模拟分析，得到各自翘曲 量数值，见表 4-11。表 4-11 调整不同冷却时间得到的翘曲量 冷却时间（s） 8 11 14 17 20 23 26 29 32 35总翘曲量（mm）0.1 0.9 0.9 0.9 0.9 X 方向（mm） 0.6 0.5 0.5 0.5 0.5 Y 方向（mm） 0.3 0.7 0.7 0.7 0.7 Z 方向（mm） 0.6 0.5 0.5 0.5 0.5从图 4-10 可以看出，总的来说，冷却时间几乎没有影响。图 4-10 冷却时间变化时翘曲量的变化趋势32本科生毕业设计（论文）第5章 结 论本次研究完成了从 CAD 建模、模型导入 CAE、网格划分、浇注系统和冷却 系统的建立、工艺参数的确定等完整的塑件仿真模拟过程。对塑件的填充、冷却、 流动、 翘曲变形进行了模拟仿真， 并利用正交试验法， 改善了制件的翘曲变形。 本 文对手机外壳塑件翘曲变形问题作了深入研究，得出以下结论： (1)应用正交试验方法，以较少的试验获得足够的信息，与 CAE 技术相结合， 可以方便的实现成型工艺的优化。确定了最佳工艺参数为注射温度 270 ℃ 、模具 温度 80 ℃ 、注射时间 0.7 s、保压时间 12 s、保压压力保压开始阶段的压力为 130 MPa 压力、冷却时间 15 s。 (2) 通过极差分析，得出工艺参数对手机外壳翘曲变形的影响由大到小为： 保压压力、注射温度、注射时间、保压时间、模具温度和冷却时间。其中影响最 显著的是保压压力，其次是注射温度，其余工艺参数的影响很小，几乎可以忽略。 (3)通过单因素试验，研究了单个因素的改变对手机外壳翘曲变形的影响，为 后续的模具设计提供充分的参考和方案。33本科生毕业设计（论文）参 考 文 献[1] 黄虹. 塑料成型加工与模具[M]. 化学工业出版社,2003. [2] 余小鲁, 曹志敏. 基于 Moldflow 的手机外壳注塑成型分析[J]. 塑料工业,~48 [3] 屈华昌. 塑料成型工艺与模具设计[M] . 北京: 高等教育出版社, 2007. [4] 付秀娟. 壳体制品注塑工艺参数 CAE 优化分析[J]. 工程应用, 2008, (6): 43-45 [5] 李荣勋. CAE 在注射模具缺陷分析中的应用与研究[J]. 塑料工业, 2000, 29, (6): 28-31. [6] 项辉宇. 计算机辅助塑料模具设计和工艺改进[J]. 模具技术, 2000, (1):73-78 [7] 赵明娟. 基于 Moldflow 的安全带护盖支架注射成型流动分析[J]. 塑料工业, 2008, 36, (12): 28-31 [8] 陶筱梅, 杜小清. 基于 Moldflow 的注塑模具浇口优化设计[J]. 模具技术, 2007, (4): 40-43 [9] 罗宇玲, 曾亚森. 基于 Moldflow 软件的注塑产品熔接痕分析及优化设计[J]. 模具 CAD/CAM, 2006, (11): 17-19 [10] 张祥杰. 实战 Pro/Engineer2001――模具设计. 中国铁道出版社, 2003, (5): 10-12 [11] 朱光力, 万金保. 塑料模具设计[M]. 清华大学出版社, 2003, (1): 22～25 [12] 张芳. 模具 CAD/CAM 技术的应用.呼和浩特科技[M], 2002, (2): 68～69 [13] 罗晓晔. 塑料成型工艺与模具设计[M]. 浙江大学出版社, 2006 [14] 王华山. 塑料注塑技术与实例[M]. 化学工业出版社, 2006 [15] 宋满仓, 黄银国, 赵丹阳, 等. 注塑模具设计与制造实践[M]. 机械工业出版 社, 200334本科生毕业设计（论文）致谢毕业设计即将结束,在老师的指导和同学的帮助之下，我对于 CAE 技术有了 更多新的认知，对零件设计有了更深一步的认识，对零件的整体分析了解得更加 的清晰透彻。通过毕业设计，我意识到自己大学四年以来所学的知识有着多么重 要的作用。 本文是在李明老师的精心指导下完成的。在撰写论文的过程中，我自始至终 得到了李老师的悉心指导，从论文选题，到收集资料、论文成稿，李老师都给了 我很大的帮助，使我在此期间学到了许多有用的东西。李老师严谨的学术作风、 渊博的学识、平易近人的待人方式都给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅，在 此向李老师表示衷心的感谢！向四年来一直关心和支持我学习的领导、同学 和朋友们表示衷心的感谢！35本科生毕业设计（论文）附 录 A 译文注射成型工艺优化摘要：注射成型工艺的优化服务是指通过观察尺寸形状和性能，在生产过程 中，发现理想条件下的形状和性质。通过它可以确定及优化注射压力，速度，保 压压力和时间等参数。本文根据 Moldflow 塑料专家描述的（MPX）系统，在其 生产注塑过程中对真实零件进行优化并投入使用。 关键词：缺陷，注塑，优化，聚合物，过程 1. 引言 注塑成型是制造塑料零件中最重要的过程。由于原材料可以通过一个单一的 过程转换成一个成型模具，所以这篇文章适合于大规模生产。在大多数情况下， 精加工操作是没有必要的。注塑成型的一个重要的优点是，在一个自动化的过程 中通过一个生产步骤完成复杂的几何形状。注射成型技术既能满足需求量不断上 升时产品的高质量（包括消费特性和几何方面的）又能保证其经济的价格。 只有 注塑流程能够被有效控制的工艺才是可行的，如果该部分的配置用于成型材料的 特性及相应的转换技术， 则模具可达到要求， 并且可重复尺寸精度和表面质量。典 型的注射模塑制品在日常生活中随处可见；例如玩具，汽车配件，家用物品和消 费电子产品。 手稿于 2011 年 6 月 29 日收到；2011 年 6 月 28 日获得修订版。 2. Moldflow Plastics Xpert（MPX） Moldflow Plastics Xpert（MPX）是一个软件和硬件的解决方案，接口可直接 与注塑机控制器在商店的地板上连接。 MPX 结合流程设置来实时优化过程， 并在 一个系统中设置工艺参数以便生产控制。 MPX 是一种用来优化注塑机的工艺窗口监控而自动建立的先进控制方案。 它不同于其他的控制方案，它利用 Autodesk Moldflow 软件顾问先进的仿真能力36本科生毕业设计（论文）（AMA）和 Autodesk Moldflow Insight（AMI）软件来提供初始工艺配置。MPX 接口直接与注塑机相连而且为注塑行业专门地提供在线校正技术。如今，成型机 操作员可以在系统构建过程中，执行一个自动 DOE（实验设计）来确定一个强大 的处理窗口，并自动修复在生产过程中产生的堆积和失控。 优化过程包括三个主要部分：工艺参数，控制优化过程和过程控制。 流程设置允许用户自动设置注射成型工艺，通过一系列的速度和压力程序的 设置来解决修复塑件系统缺陷。目的是在一个良好的成型部分实现工艺参数的结 果组合。 优化过程中很容易让用户运行的实验设计（DOE） ，它自动确定一个强大的 “优秀零件” 处理窗口以弥补正常工艺变化、 确保质量合格的零部件生产的继续。 过程控制的目的是保证优化的工艺条件和工艺优化的确定， 从而降低废品率， 提高质量，更有效的利用机器时间。过程控制可以自动纠正过程，即使是堆积或 失去控制，也可以发送中继信号报警运营商。 A. 程序安装（安装向导） 安装向导会对工具或机器初始轮廓的相关基础参数进行自动计算。可以从三 个安装向导的方法中选择：自动设置――计算初始轮廓的上材料和操作员输入的 注射速度，部分厚度和模具布局。操作员也可以计算出最佳温度来对螺杆转速和 背压进行设定。辅助设置――创建初始配置文件，操作员输入速度行程，注射速 度，保压压力，冷却时间。手动设置――创建初始配置文件，您输入速度行程， 注射速度，保压压力值和冷却时间。速度行程，注射速度和保压压力必须以最大 能力的百分比输入。 使用安装向导，需要运营商提供注塑参数或参数的初始信息，根据选项选择 安装向导，然后计算一个初始速度和基于此信息作的压力分布。安装向导进行初 步调整行程长度和缓冲的大小来保证足够的缓冲，然后做出一个基本的未经优化 的轮廓，它可以通过 MPX 流程的设置进一步细化。运营商还可以计算出最佳的 温度，进行螺杆转速和背压的设置。 B. 工艺优化37本科生毕业设计（论文）MPX 过程优化的目的是建立一个强大的处理窗口，要求产生的质量达到标 准，同时最大限度地减少零件的废料。这是通过实施一个自动化的实验设计 （DOE） ，传统上需要几个小时，现在可以在几分钟内完成。 MPX 过程： 优化能源产生一系列使用不同配置文件的部分。 该过程的改变量 是由生产的零件数量和测量部分零件的质量以及工艺的条件来确定的。 MPX 过程 优化移动配置文件设置点， 它们通常放在窗口程序最强大的位置。 当意外发生时， 他们可以在公差带边界的工艺窗口的已知剖面设置点来修改边界。这意味着在此 过程中能够较好地处理小变量的变化， 如原材料的变化和环境温度的变化。 此外， 该过程可以用于监测和保持能源部的规格参数。 在生产过程中，加工条件会有所不同。对于一套好的配置文件，这些小的变 化不会影响零件质量。MPX 过程优化使用实验设计（DOE）能通过寻找一个会产 生优秀条件部位的处理窗口来确保典型工艺波动不影响零件的质量。美国能源部 可以从 MPX 过程设置配置文件中把每个配置文件少量更改，或直接从配置文件 向导中使用一系列不同的配置文件。 经营者掌握了一系列资料和这部分缺陷记录。 MPX 过程优化使用此信息来调整所产生的配置文件设置的 MPX 过程，使配置文 件位于程序窗口最强大的位置。使用 MPX 过程优化可以消除翘曲和优化重缺陷。 不同的加工条件下，系统地变化取决于被确定的设置。 C. 过程控制 MPX 过程控制有助于在生产过程中保持最佳的机器操作条件。MPX 过程控 制图形显示器的注射成型工艺具体变量和自动确定可接受的质量控制界限。一旦 加工条件的组合建立，则可以使用软件过程控制监控关键参数定义的配置文件来 生产。 MPX 过程控制检测到任何倾向于过程漂移远离窗口的中心的现象就能产根 据漂移的原因给予纠正的建议并产生一个警告行动加以改正。 MPX 过程控制主要有两个作用： 它显示过程参数的控制图， 监控发生的任何 变化。 控制图是工艺工程师想要知道部分质量变化的原因的一种便利工具。 例如， 控制图的检查显示控制器的性能指标稳步下降， 可能是由于没有定期维修。 另外， 材料、工具和环境变化都可能导致过程中的变化。它也可以自动微调注塑机的设 定点补偿工艺参数中的任何变化。这将保证加工条件的逐渐变化不会导致零件或38本科生毕业设计（论文）注塑机损坏。 3. 注射成型工艺优化 这将在下一章的注塑成型工艺优化的程序中描述。 这将是真正选择使用 MPX 软件和直接连接到注塑机的部分。 A. 注塑件――方块。 一腔的注射模与凸轮引脚用于成型零件的生产。 方块是 汽车装配的一部分，它可以协助车体固定其他零件。产品的材料是聚合物 PC + ABS。 B. 从 MPI 分析过程设置。方块的注射成型工艺在 Autodesk Moldflow Insight （AMI）软件分析中得到。这个分析值已被用于优化值的比较和上传为下一部分 的 MPX 软件过程优化。 C. 注射成型过程。优化注塑模具的冷却用的是循环温度为 50°C 的水。 D. 自动设置 E. 辅助装置 F. 手动安装 G. AMI 分析数据 H. 通过试验设计的注塑成型工艺优化。 速度和压力分布的变化都记录在对话 框中。 由于试验设计的注塑成型工艺优化有着许多外观的缺陷，所以更适合于困难 和复杂的零件。这很难在这种情况下找到手动优化的设置。 4. 结论 这项工作涉及的优化及注射周期都是利用 MPX 软件，系统使喷射过程得到 非常有效的优化，确保最佳的工艺参数，消除可能导致的产品缺陷。优化的目的 不仅是正确工艺条件的设定和消除在生产过程中的所有缺陷，也使注射周期具有 重要的经济影响。39本科生毕业设计（论文）附 录 B 英文材料40本科生毕业设计（论文）41
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