基于Pro/E塑料顾问分析的塑料盒盖注射模具设计 - 真空技术网
基于Pro/E塑料顾问分析的塑料盒盖注射模具设计
来源:真空技术网（）南京航空航天大学　作者:方军
　　针对传统模具设计的弊端，提出了采用模流分析技术对模具进行优化设计的思想。以Pro/E塑料顾问为平台，以塑料盒盖零件为实例，对其浇口位置进行计算机模拟分析，并在此基础上对塑料产品进行注射成型工艺模拟分析。综合分析结果有针对性地优化模具设计方案，避免了设计中的盲目性，提高了塑料产品的成型质量，减少了缺陷的产生，降低了生产成本，缩短了生产周期。
　　随着计算机软硬件的迅猛发展，模具CAD/CAE/CAM技术已经在众多模具企业得到推广和应用，然而很多模具企业仅停留在CAD/CAM的简单结合阶段，即用三维软件将客户提供的产品零件图进行三维建模，并自动转换成模具型芯、型腔，以及对模具零件进行数控编程加工[1-5]。而利用CAE技术进行模流分析来辅助模具设计的较少，还是沿袭传统模具设计手段，十分依赖技术员的丰富经验，模具通常经过反复的试模和修正才能投入生产，模具的设计水平低，周期长，产品更新换代慢以及成型工艺参数不稳定等制约着模具工业的发展。
　　以塑料盒盖为例，采用Pro/E软件自带的塑料顾问(Plastic Advisor)模流分析模块对盒盖零件进行模流分析，并利用塑料顾问提供的分析结果来指导Pro/E的模具设计。实践证明，该模具设计方案体现出来的优越性、可操作性，缩短了模具设计与制造的周期，提高了塑料产品的质量，降低了成本，从而提高了企业的市场竞争力。
1、塑件结构特性分析
　　塑料盒盖的外形如图1所示，其尺寸为160 mm&100 mm&25 mm，塑件含有4个侧凹，4个定位锁紧螺钉柱，螺钉柱上均布着厚度为1 mm的4个加强筋。塑件配合处有精度要求，表面要求光洁平整，无缩孔、飞边及毛刺。材料为丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)，其流动性好、强度高，易于成型。采用注射成型工艺，收缩率取0.5。塑件的最大壁厚为3 mm，最小壁厚为1 mm。
图1 塑料盒盖塑件
2、用塑料顾问进行模流分析
　　塑料顾问是Pro/E中自带的一种模流分析模块，它具有强大的分析、计算和动态模拟功能。利用塑料顾问可以直观地观测到塑料熔体的流动情况、塑件的填充状态、注射压力变化情况、温度变化情况等，可随时选择、设定及修改工艺参数、材料型号和浇口位置，自动选择注射相关参数，使设计者创造性理念得到快速验证，将问题消灭在设计初始阶段，提高了一次试模的成功率，其结果对优化模具结构和注塑工艺参数的选择有着重要意义。
　　2.1、浇口位置分析
　　浇口位置直接影响塑件熔体在模具型腔内的流动，选择合理的浇口位置在注射模具设计中十分重要，注塑制品质量可通过浇口位置的优化而得到显著提高。最佳浇口位置(Gate Location)是塑料顾问中用于分析最佳浇口位置区域的分析选项，可为设计分析过程找到一个初步的最佳浇口位置，即Gate Location的分析结果可为进一步进行完整的流动分析提供一个参考的浇口位置，该浇口位置可能不是最终设计结果，但对模具设计却有很好的参考价值。
　　在Pro/E Wildfire 4.0 中打开要分析的零件，选择&应用程序&菜单，单击&Plastic Advisor&，进入塑料顾问操作界面，进入&Analysis Wizard&(分析向导)后选择分析类型为&Gate Location&。选用材料为ABS，设置充模流动分析的成型条件为：模具温度为60 ℃，熔体温度为230 ℃，最大注射压力为180 MPa，其他工艺参数接受系统默认设置。完成分析前处理后，计算机开始对塑件进行合适浇口位置计算分析，结果如图2所示。可以看出，浇口设置在塑件的中心位置。
图2 最佳浇口位置
　　利用Pro/E软件中的塑料顾问模块的模流分析技术可以优化模具设计，能够把制造中将会产生的问题在设计阶段就得到有效解决，为模具设计及成型工艺提供合理的参考，最终缩短塑料模具设计制造的周期，提高塑料产品的质量，降低成本，从而增加企业的市场竞争力。实践证明，该模具结构合理，运行可靠。经一次试模后，塑件质量优良。
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重新安装浏览器，或使用别的浏览器MoldFlow分析软件解决塑胶产品变形的探讨
核心提示：X方向上的翘曲变形完全可以降低利用分析出来的温度场，采用特殊的水路设计完全可以改善产品的变形下面我们来看看除了MOLDFLOW之外还有其它分析软件来分析变形及改善变形的软件工具ANSYS+ FLUENT 或·CFX
ABAQUS+ ABAQUS CFD
ALGOR或ALGOR+ AUTODESK SIMULATION CFD
以及目前市面CAD集成软件的SOLD WORKS
这个CAD软件有流动分模块&MoldFlow分析软件解决塑胶产品变形的探讨
一. 产品变形的危害
1.会导致外观不符合原创设计的意图
2.导致装配不能很好得和其它两部件配合
3.导致产品功能上的降低.
4.增加大量的人力来人为的后期解决并修正变形，导致人工成本增高
二. 塑胶产品收缩变形的原理
塑胶产品是由高分子材料人工合成的，那我们就要对高分子材料的分子运动形式及收缩变形原理来做一次说明
1.高分子的收缩原理
大分子在微观下是不停的运动，形成卷曲的乱线团子，在注塑成型过程中，在热塑性塑料熔融状态充模时,在流动方向上产生剪切应力，迫使分子链取向，充模速度越高，则分子取向作用越强，分子链在流动方向上强行拉伸取向，在冷却时被冻结下来，但同时大分子又有重新恢复卷曲的趋势，因而在取向方向将要产生收缩，由于分子取向造成的收缩，由分子取向时产生的内部应力有关, 内部应力越大，则收缩越大
2. 变形原理
由于人为地造型和几何形状的不同，大分子在收缩过程中由于几何形状的不同，导致有的地方收缩小，有的地方收缩大，收缩大小不一致，收缩小的向收缩大的一侧弯曲
3. 内应力的产生
由于分子收缩造成的塑胶产品的变形，哪这个变形肯定会有一个力的作用的产生，这个力我们叫内应力
三. 典型的变形情况
1.收缩窄腰
2.翘曲变形
3.长形产品变形
四. 塑胶产品收缩变形的规律
1. 产品复杂结构部分收缩大，不是复杂的地方收缩小导致产品发生变形（大部分变形都是这种现象引起的变形）
2. 冷却不均匀引起的变形
冷却不均匀，造成大分子取向有的地方被冻结，有的地方还没冻结，没被冻结的地方大分子继续运动造成有的地方收缩大有的地方收缩小，会出现变形
产品的各个视角
其变形的趋势
背面有很多筋骨位，而正面只是一个平面，平面贴死在了模具表面，冷却的快，而凹槽部分，不能通冷却水，只能在凹槽的顶部通冷却水，造成热量集中
3. 填充比较勉强的制件
其原因是, 除了在浇口位置有密度差异以外, 还存在这棱柱位置有温度差异, 还有压力差异,所以会存在变形发生
4.注塑工艺调整造成过分填充出现变形
变形的结果是这个产品会弯曲
当采用一般的手法调整这样的模具时要特别注意物料优先会从中间处先进料，而两端浇口后进料而在保压阶段中间处密度大而两端密度小这样就会导致密度上的差异使产品弯曲变形，而我们又采用的是传统的单压单速，这样弯曲变形会更厉害.&
注塑工艺的解决的办法
速度要大于压力，速度为80%。而压力才38%，速度太大会出现产品烧焦现象，速度快是为了快速充满模具的流道使其两端也能像中间处一样同时进料，而压力低是为了将保压压力也降下来，不止于使产品中间处的密度大，注射时间相对降低，冷却时间相对延长至此解决了变形问题
五. 解决变形的方法
1. 充分和均匀的冷却
充分均匀的冷却, 使塑胶产品散热量均匀, 大分子运动不会因为有的地方散热不好 &分子继续运动 &而有的地方好限制了分子运动, 所导致的变形出现.
2. 增加保压压力
一般塑料都有压缩性，即在高压下比容发生变化，在一定温度下，提高压力会使塑料的比容减小，密度增加，线膨胀系数减小，收缩率下降
3. 改变浇口位置
这些年来很多论文都说改变浇口位置可以降低变形量，但是没有说为什么会降低变形量.
我们利用简单的案例来看看
从两张图片看出，浇口位置不同，造成的大分子排列取向不同，导致内应力方向不同，所以在很多时候改变浇口位置可以减少变形量.
改变浇口位置的实例
正常浇口位置变形量
采用浇口位置错开方式
我们看到Y方向的的变形大，这个在利用改性PP工程塑料来实现，即降低其PP料的结晶度和收缩率来解决.
实际产品图片
变形和不变形对比图片
按照其浇口位置的布置，其分子排布不是都是沿着流动方向排布，有沿着流动方向有垂直于流动方向，所以可以改善变形。
4.利用特种注塑工艺消除变形（注射发泡成型）
这个产品的壁厚最厚处达到了15mm
除了特种注塑工艺外，以上三种只是对产品变形进行改善
5. 最有效的消除变形是对产品结构进行改变，我们叫断筋动骨
美的电饭煲实际整体图片（变形的）
旧变形产品的面盖结构
这个产品其几何形状中间有一凹坑，产品的其它部位朝这个凹坑进行收缩，致使面盖产生收缩变形
由于几何形状的决定会造成制件的两端产生翘曲而这种翘曲是从工艺及模具方法上改善不了的&
解决的办法
只能从制件的原始设计来改善，而改善这种翘曲变形只能更改制件的断差来纠正翘曲变形，那麼用什么办法来改善这种翘曲变形呢，更改产品结构，利用断筋动骨的原理来消除变形，即增加面盖的边缘的壁厚，使之在边缘处形成很厚的筋来改善这种翘曲变形
消除变形的面盖结构
剖面情况（最薄处）
从断面情况来看侧面壁厚是顶部壁厚的3倍即顶部为2mm，侧壁为6mm，利用了断筋动骨办法，那在6mm的壁厚该用什麼工艺制造呢，即气体辅助注塑工艺技术来进行制造电饭煲的面盖. 困扰我国电饭煲面盖达5-6年之久的变形问题得到圆满的解决.
经济效益的体现
未改变结构之前其面盖变形造成的功能上的次品为百分之三 &每年生产100万台电饭煲既有三万台为面盖功能上的次品，而出现次品需要更换3万台，即6万台，其费用按照每台80元成本计算480万元
改进结构后，造成的功能残次品下降了到了百分之0.03节省费用将近几百万元.
从以上方案看出
增加浇口，改变浇口位置都不能彻底解决变形的问题，只有改变产品结构才能彻底消除变形
更改产品结构（断筋动骨）
更改前后的结构对比
更改后的变形分析
正常分析变形结果
利用断筋动骨
结构改变之后的分析
利用特殊的冷却水路解决变形
我们知道软件是一种数学模型，只有将要分析的问题建立数模型，我们才能在软件中用来分析并可见其分析的结果，就目前科学技术而言，还不能建立大分子收缩所造成，变形建立这个数学模型，而目前分析塑胶产品变形的分析，方案基本上是由温度场不同的温度分布。即温度场力，来描述塑胶产品变形的情况，但是这种温度场力的变形方向是不确定的，这也是为什么有的人分析变形后，有时候会和实际变形方向相反的因之一. 利用温度场力分析变形有如下几个CAE软件都可以分析，除Moldflow外还有 ANSYS &Abaqus &ALGOR 以及其它的CAE分软在这里我们只讨论Moldflow。
产品温度场力变形情况的对比图
变形的温度场分布
断筋动骨不变形的产品温度场分布
从上面两个图片的对比看不变形的温度场温度分布要比变形的温度场分布均匀
温度场是温度热力来描述塑胶产品内应力，这个温度场力也是符合高分子物理理论的描述，温度场温度高地方分子运动剧烈，收缩大，温度场低的地方，分子运动不剧烈，收缩小，收缩小的向收缩大的一侧弯曲.温度场的分布又合什么有关呢? &也就是说我们如何获得我们需要的温度场，温度场和如下的条件息息相关和产品的几何形状有关（就是产品的结构设计有关）和模具设计的浇口形式 浇口位置 浇口尺寸有关也就是说我们改变了浇口位置后，除了改变了趋向之外最主要的是改变了温度场的温度分布
浇口位置对温度场的影响
长边角部端进胶方式
长边角另外一端进胶方式
短边中间进胶方式
长边中间进胶方式
短边对角进胶方式
长边对角进胶方式
短边相对位进胶方式
长边相对位进胶方式
从以上的对比来分析我们看到的是长边中间对位进胶方式是最好的是最均匀的，温度场的不同造成的产品收缩也是不一样的浇口的大小对温度场的影响我们将产品转换为3D网格，设置浇口的大小，这里先设置5mm
其温度场的情况
当浇口大小为8.5mm时
位置不同的浇口其变形量也是不同的
短边端角浇口位置变形量
短边中间浇口位置变形量
根据前面温度场的分析，设计了一套特殊的水路
这次使用的材料选用默认的PP料
从上面的情况看，X方向上的翘曲变形完全可以降低利用分析出来的温度场，采用特殊的水路设计完全可以改善产品的变形下面我们来看看除了之外还有其它分析软件来分析变形及改善变形的软件工具+ FLUENT 或&CFX & ABAQUS+ ABAQUS CFD &ALGOR或ALGOR+ AUTODESK SIMULATION CFD &以及目前市面CAD集成软件的SOLD WORKS &这个CAD软件有流动分模块
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proe5.0出现错误的有限元分析结果我就想用PROE5.0做一个悬臂梁的固有频率分析,如下图所示,材料用的是steel,悬臂梁是一根实心轴,截面是直径为20mm的圆,长为100mm.但是最后算出来最小固有频率居然有1000多Hz（见下图）,这和45Hz左右的理论值相差也太大了.
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你是否有设置材料的相关参数，比如密度 强度等
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