多型腔注塑模流动平衡分析与计算

. . . . 摘 要长期以来，我国的注塑模具设计主要依靠设计者的经验、直觉，通过大量的反复试模、修模，然后不断的修正改进原有的设计方案来完成的。这样就造成注塑成型工艺缺乏科学依据，具有很大的盲目性。这样不仅是模具的生产成本与生产周期增高增大，而且注塑模的质量也很难保证，由此带来的市场效应大幅度降低，从而丧失了竞争力。随着CAE技术的发展完善与应用到注塑成型上，带来了众多好处。CAE技术的应用不仅省时省力而且减少试模、修模次数、降低模具的报废率，缩短模具设计、生产周期，降低生产成本，提高产品质量。我国的塑料制品行业在设计和制造的手段上应加大投入与国际先进水平接轨。本论文探讨了CAE软件的注塑模拟原理，重点介绍了Moldflow系统结构与运用。阐述了如何使用Moldflow软件对注塑系统的设计与理论计算方法，包括浇口位置的选择与流动平衡的分析与计算等。从而选出最优化方案。此次分析研究将对注塑成型工艺的发展起到指导意义。关键字：CAE；Moldflow系统；工艺参数；注塑成型工艺；优化方案AbstractLong-term since, our country of injection mold design mainly rely on the designers experience, intuition, through a lot of repeated testing molds repairing mold, and then continuously modified to improve the traditional design scheme to finish. That would give injection molding process lack of scientific basis, have a lot of blindness. So not only is mould cost of production and production cycle increase increased, and it was difficult to ensure that the quality of injection mold, which has greatly reduce market effect, thus lost competitiveness. Along with the development of CAE technology improvement and application to the injection molding, and brought many benefits. The application of CAE technology not only saves time and effort and to reduce the number of mould, try mode, reduce scrap rate of the die, shorten the mould design, production cycle, reduce production cost, improve the quality of products. The plastic products industry in China in the design and manufacture of means should be increasing investment and the advanced international level standards. This paper discusses the CAE software simulation principle of plastic injection, this paper introduces the system structure and using Moldflow. Expounds how to using Moldflow injection system software to design and theoretical calculation methods, including gate location selection and flow analysis and calculation of balance, etc. So that choose the optimum scheme. The analysis and study of plastic moulding technology will play a guiding significance to the development of.Key Words:CAE; Of Moldflow System; Process Parameters; Injection Molding Process; Optimization Program目 录摘要1Abstract2引言5第一章绪论71.1 注塑成型CAE技术的作用与意义71.2 注塑模CAE技术的发展现状81.3 注塑模CAE技术的发展趋势101.4 注塑模CAE技术的理论方法与应用111.5 本文研究的主要容12第二章注塑模拟CAE的原理142.1 Moldflow系统的结构14第三章实例：鼠标组合型腔流动平衡分析与计算163.1 概述163.2 上盖的浇口位置分析193.2.1 分析前处理193.2.1.1 项目创建和模型导入193.2.1.2 网格模型信息查看213.2.1.3 分析类型的设定223.2.1.4 材料选择223.2.1.5 工艺参数的设定233.2.2 分析计算233.2.3 结果分析243.3 下盖的浇口位置分析253.3.1 模型导入253.3.2结果分析263.4 组合型腔的填充分析273.5 组合型腔的流动分析（优化后）28第四章实验数据分析304.1 正交实验法304.2 实验分析与计算304.2.1 基本分析模型的导入304.2.2分析计算334.2.3分析结果354.3实验数据分析36第五章结论与展望48第六章主要参考文献50致52引 言塑料制品的高质量在实际生产与应用中具有重要意义，而影响塑料件质量的因素较多。当提出某一种塑料件的使用性能和其它有关要求后，首先应在经济合理和技术可行的原则下，选择最合适的材料、生产形式、注射设备与模具结构。当这些条件确定之后，工艺条件的选择和控制就是主要考虑的因素。注射成型工艺条件最主要的因素为温度、压力和时间。因此，如何合理的制定和控制工艺参数，达到保证制品质量和提高生产效率的目的，近年来已成为人们研究的重点。本文对主要的工艺条件如何影响塑料制品的质量作了探讨，借助注塑工程分析软件对塑料制品的成型过程进行模拟，可以合理确定这些工艺参数。注塑模拟分析软件Moldfow的造型功能较弱，难以对复杂制件进行造型。本文以鼠标为例，首先对于给定的塑料件进行分析，采用三维造型软Pro/E 造型，特征建模，生成IGS或STL格式文件，再将模具的特征模型送至数值分析部分，进行流动、保压、冷却、翘曲等分析。经多次模拟分析比较，得出合理的优化工艺参数，有效地改善了设计质量，对注塑模具的设计与塑料制品的生产具有重要指导意义。本文的研究方向：a对浇注系统优化设计的研究。主要阐述了如何使用CAE优化浇注系统，阐述了塑件浇注系统设计的理论计算方法，包括平衡布置流道系统、 非平衡布置和单型腔多浇口模具的流道系统，并就非自然平衡流道系统的情况作了举例分析。还阐述了浇口设计的相关准则，包括浇口的类型选择，浇口尺寸与浇口位置的确定，并通过举例作了分析说明。b对注塑工艺参数确定与对塑件质量的影响的研究。对模温控制系统作了介绍，并探讨了模具温度和注射温度对制品的影响；分析研究了压力对注射成型的影响，探讨了保压曲线的确定方法；讨论了时间参数的确定。通过模拟分析得出如下结论：欲防止收缩，需采用低模温，延长冷却时间，降低充填速度，增大保压压力；欲提高成型效率，可采用低模温，快速充填，但这样会导致温度分布不均，引起翘曲变形；为提高尺寸的稳定性，可保持高树脂温度，低模温，快速充填；对于注射加工薄壁长流程制件，要求高聚合物熔体有较好的流动性，以保证物料充满模腔，为此对不同物料须采取不同方法。c以鼠标为例，对塑料制品的成型工艺设计过程作了分析研究，并分析得到优化的工艺设计参数，对实际模具的制造和改进具有指导意义。但不同的塑料制品，不同的模具，其成型过程中出现的问题是不同的，须比较分析才能确定，还需根据生产现场的实际情况可加以修正，以符合实际生产的要求。第一章 绪论1.1 注塑成型CAE技术的作用与意义随着塑料行业的迅速发展，目前在我国的国民经济的各行各业中都广泛使用者各式各样的塑料制品，特别是在交通、通信、建筑行业、轻工业行业、日用品、办公室用品、汽车、仪器仪表机械制造以与家用电器等零部件1。由于塑料产品的质量轻捷便利、精度和强度得到了很大的提高，因此各种工业塑料零件的使用围在不断的扩大。预计以后随着卫星计算器和汽车的普与和轻型化，塑料制品的适用围将会越来越大。在国防和尖端科学技术领域中高新塑料占有很大的比重。同时，随着世界经济的迅速发展和人民生活水平不断提高，人民对塑料产品的品质要求将越来越高，而且将不断的更新换代。在短时间开发出复杂度和精度非常高的、质量高的、价格合理的塑料产品，才能占据有利的地位。塑料注塑成型工艺是生产塑料制品的主要手段之一。由于注塑模具适用于高效率、大批量生产、一次成型形状复杂、尺寸准确的产品，所以其适用围越来越广泛。据统计，塑料模具约占模具的40.0%以上。想要在成千上万种材料、千变万化的模具以与错综复杂的工艺中找到理想的组合，传统的注塑模设计是很难在短时间完成的，所以我们就要借助于高科技手法Moldflow系统来轻松完成。计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术能够使模具设计人员从繁重的劳动中解脱出来。多年来，人们一直期望能预测注塑成型时塑料熔体在模具型腔中的流动情况与塑料制品在模具型腔的冷却、固化过程，以便在模具制造之前就能够发现设计中存在的问题，以便修改图纸而不是返工修改模具。注塑模CAE技术的出现，使人们的这一愿望变成现实。计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）能迅速完成各种计算和分析。采用CAD/CAE技术，则会事半功倍，取得巨大的经济效益2，3。注塑模CAE技术就是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论，建立塑料熔体在模具型腔中的流动、传热的物理数学模型，利用数值计算理论构造求解的方法，利用计算机图形学技术在计算机屏幕上形象、直观地模拟出实际成型中熔体的动态填充、冷却过程，定量的给出成型过程的状态参数,如压力、温度、速度等4。利用注塑模CAE技术可在模具制造之前，在计算机上对模具设计方案进行分析和模拟试模，预测设计中潜在的缺陷，突破了传统的在注塑机上反复试模、修模的束缚，为设计人员修改设计提供了科学的依据。CAE技术的应用带来的直接好处是省时省力、减少试模、修模次数和模具的报废率，缩短模具设计制造周期，降低成本，提高生产率和产品质量5。CAE软件的作用可概括如下：a优化塑料制品设计模具设计质量直接关系到塑料制品的质量、成本与生产周期，则制品可能出现明显的表面熔接痕、充填不足、凹痕、焦斑、翘曲与残余应力过大等缺陷。塑件壁厚、浇口数量与位置、注塑模流道系统的设计等对于塑料制品的成败和质量关系极大。以往完全依赖于设计者个人的经验，用手工方法去实现，往往费力、费时，设计出的制品不尽合理利用注塑模 CAE 系统，可以快速地设计出最优的塑料制品。b优化塑料模具设计每次试模不成功后，往往要修改的是浇注系统。利用注塑模 CAE 系统，可以对浇口位置与尺寸、流道尺寸、冷却管道尺寸、冷却管道布置与联接方式等进行定量分析，在计算机上模拟试模和修改设计方案，可以大大提高模具质量，减少实际试模次数。c优化注塑工艺参数注塑模 CAE 系统可以帮助注塑工艺人员确定最佳的注射压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压压力和时间、冷却时间等工艺参数，以便注射出最佳的塑料制品来6-8。1.2 注塑模CAE技术的发展现状近年来模具与塑料加工领域发展最快的是CAE技术，通过对成型加工过程进行数值模拟，研究加工条件的变化规律，预测制品的结构和性能，选择制品、模具设计与工艺条件的最佳方案，使成型加工从一项实用技术变为一门应用科学。如果在塑料的加工过程中的流动、传热以与在力场和热场作用下所出现的物理、化学变化没有深入的、科学的认识，就不能生产出质量优良的制品。所以各国都非常重视塑料模CAE技术9。目前注塑模CAD/CAM/CAE技术在美国、日本、欧洲等国应用较广泛。据有关资料统计,美国两万多家模具专业化厂约有50%采用了模具CAD/CAM/CAE技术，数控机床的占有率为70%。八十年代美国塑料工业协会对411家塑料模具厂的调查结果，有215家工厂分别采用CAD、CAM或CAD/CAM/CAE集成技术6-10。日本模具行业较早引用了模具 CAD/CAE/CAM 技术。1984 年日本长津机器厂采用CADIAN-Mold 系统设计照相机外壳等注塑模。该系统包括模架、标准件数据库、流动分析和冷却分析模块。设计者可以在屏幕上显示模具平面图、检查 NC 加工的刀具轨迹,并可用 NC 数据直接控制机床来加工模具。目前，日本采用模具 CAD/CAE/CAM 技术的工厂已达 5060%，数控机床的占有率以达到全部机床总数的 3/4 以上。德国的注塑模约有35%采用 CAD/CAM/CAE 技术，英国约有20%的模具厂采用CAD/CAM/CAE 技术。表 1.1 注塑模CAD/CAE技术应用状况Table 1.1 Application Status of Injection Molding CAD/CAE Technique技术名美国日本德国中国CAD应用80%80%75%10%-20%CAE应用60%60%60%5%-10%FLOW软件普与普与普与开始起步COOL软件普与普与普与开始起步RHD方法已编入CAD/CAE分析软件已有或开始起步LMD方法已进入商业化已有理论著作发表SPD方法已进入商业化在电子、机械业有应用1978年AustinC推出了第一个注塑成型充填阶段的模拟软件MOULDFLOW。80年代，随着C_MOLD软件的问世与其他一些软件广泛用于注射成型过程，模具设计才成为依赖于计算机预测的工程科学。80年代中期以来，国开始重视塑料模CAE技术，经过10余年的研究与开发，现有一些大学和研究院所已推出一些实用的、商品化软件。自80年代以来，北美和欧洲的许多研究小组对聚合物熔体流经管道、口模和成型设备的各个方面进行了深入的调查、研究，推出了关于聚合物流动的有限元分析软件FIDAP、POLYFLOW、NEKTON和POLYCAD等。90年代，已将研究重点置于材料的粘弹性、复杂三维模拟以与取向、残余应力和固化现象的研究。另外，计算方法在双螺杆挤出、热成型、薄模吹塑、反应注射成型和气体辅助注射成型的工艺条件设定方面的应用，也成为研究热点。可以预见，塑料模 CAE 技术将被广泛采用，成为解决塑料成型加工和模具设计中各类问题的标准工具和手段11-14。1.3 注塑模CAE技术的发展趋势随着科学技术的迅速发展，互联网技术的普与和全球信息化，塑料模 CAE 技术功能进一步扩充，性能也进一步提高，呈现如下的发展趋势。a数学模型、数值算法逐步完善塑料模CAE技术的实用性，取决于数学模型的准确与数值算法的精确。随着相关领域的技术进步，数学模型对成型过程的描述更准确、真实。如聚合物在三维复杂区域中的流动、传热过程的数值分析；以与入口收敛效应使模具三维流动和出模胀大所用的本构关系更加复杂，并应考虑粘弹性与非等温性。数值算法也由二维、二维半走向真三维，计算结果更为精确15，16。b用户界面互加好友使CAE技术更加方便由于计算机技术与多媒体技术的发展，用户界面具有更强的直观、直感和直觉性，用户能以较少的工程知识背景，利用“向导”或语音等信息提示，实现简单的“傻瓜”操作。注射模CAE技术涉与大量的设计方案、标准构件、行业性的标准、规以与大量的人类专家知识，利用模糊算法、人工智能与知识工程可自动选择合理的方案、判断计算结果的合理性，减少用户对计算程序的干涉16，17。c优化理论计算方法使CAE技术“主动”的优化设计现有的CAE技术是建立在科学计算的基础上，但仅仅是校验设计方案的合理性，优化仅是反复的校验、试凑，最终的设计方案仍需设计者的经验和技巧，通过对多个方案的反复计算、比较、分析和判断来确定，使设计和分析过程仍带有盲目性和随机性。利用现有的模拟结果，借助于优化理论构造有效的反问题算法，给出明确的改进方向和尺度，对优化模具设计参数和成型工艺参数十分重要。可从根本上解决依赖经验和技巧的方法和手段16-19。dCAE技术的集成化和网络化的发展随着互联网技术的普与，宽带通讯技术的突破，以与通讯、广播和计算机三网融合步伐的加快，计算机与网络正从社会的各个方面改变着人类的学习、生活。现代设计理论的应用，如并行工程等，用户将需要五峰连接的集成化的软件，具有专业特色的CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM/ERP产品将应运而生，逐步完成模具与成型加工全过程的模拟与控制，形成“过程工程与技术”的关键技术。该计算机与网络环境，实时设计与制造系统的全过程结合，建立整个制造过程的研究、开发、规划、设计、实施与控制与管理的新体系。为适应电子商务的发展要求，塑料模CAE技术，将立足于全社会的公开网络环境，实现异地的“协同设计”与“虚拟制造”，建立专业化的虚拟网络服务环境，并开发相关产品，实施网上经销、培训与服务20。1.4 注塑模CAE技术的理论方法与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 技术的理论方法与对工程实际的指导意义。a注塑成型注塑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、残余应力与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的温度、压力、速度与锁模力等信息，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21，22。b气体辅助注塑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，当型腔填充至70%-95%时，向型腔注入高压气体，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。气熔界面的确定采用粒子跟踪法或控制体积法23，25。利用气体辅助注射成型过程的CAE技术，可帮助设计、工程人员解决如下问题：发现气穴、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与气体的分布；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26。1.5 本文研究的主要容本文以注塑分析系统Moldflow为工作平台，进行了应用研究。通过一年多的学习与应用，对诸多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、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。在论文工作期间，作者进行了鼠标的成型过程的分析预测工作，对小型复杂与薄壁制件的注塑工艺调整积累了经验。主要研究容如下：a.注射成型是一个相当复杂的物理过程。一方面，非牛顿的高温塑料熔体在压力的作用下，注入温度较低的型腔；另一方面，由于熔体与模具型腔的温差导致使注入的熔体快速冷却，同时伴随固化、体积收缩与可能的结晶过程。本文基于注塑模拟CAE的流变学原理，对成型过程包括充模流动、保压与冷却三个阶段的模拟分析加以研究。b.浇注系统在注塑成型过程中起着极其重要的作用，浇注系统是否合理，直接影响到制品的表面质量，形位尺寸，制品物理力学性质，充模难易程度与熔料在充模时的流动状态。本文将针对这个问题加以分析，探讨流道与浇口的优化设计，以指导实际生产。c.温度、压力和时间是主要的注塑工艺参数，对制品的在性能和表观质量影响很大。在成千上万种材料、各种复杂的几何造型与各种不同的工艺中，要想找出理想的组合，传统的注射模设计方法是很难在短时间实现的。本文就此问题作分析研究，探索合理选择工艺参数的方法与针对不同质量问题的改进措施。d.通过实例，对CAE技术在塑料制品生产、塑料模设计与制造中的应用作分析研究，探讨其对薄壁塑料制品与几何结构复杂制品成型工艺的优化方法，通过分析比较流动、保压、冷却等模拟结果，确定生产高质量产品的工艺参数。第二章 注塑模拟CAE的原理注塑成型能一次成型形状复杂，尺寸精度要求较高的塑料制品。适合高效率、大批量的生产方式，已发展成为热塑性塑料最主要的成型加工方法。注射成型是一个相当复杂的物理过程。一方面，非牛顿的高温塑料熔体在压力的作用下，注入温度较低的型腔；另一方面，由于熔体与模具型腔的温差导致使注入的熔体快速冷却，同时伴随固化、体积收缩与可能的结晶过程。其成型过程包括充模流动、保压与冷却三个阶段。注塑模的CAE是从狭义出发，主要是在设计模具之前对熔料的流动情况、压力分布和冷却过程等进行模拟，以获得实现最佳充填的模具结构21,27。2.1 Moldflow系统的结构在注塑成型中，如果模具设计不合理则可能在塑件表面出现熔接缝、充填不足、表面烧伤、翘曲、缩痕与残余应力等缺陷。一旦模具制造完成后发现上述缺陷，对模具进行修整非常麻烦，还要拖延模具的交货期，严重时会造成模具报废。成型条件数据形状数据材料数据注塑成型分析填充、保压、冷却几何品质预测外观尺寸（翘曲、缩痕）塑件性能预测精细结构预测a 分子取向b 结晶度c 形态d 残余应力图2.1预测注塑件性能的计算机模拟系统 Fig2.1Computersimulationcapacityofforecastingplasticsproperties现在可以利用计算机模拟功能对初步设计构思进行模拟。发现问题即对设计进行修改，直到成型过程满意为止28-31。 通常用于对决定注塑件品质的结晶度和分子取向等细微结构进行预测的计算机模拟系统如图2.1所示，Moldflow系统的结构如图2.2所示。它能正确的预测出塑件的性能32，33。塑料数据塑料数据热导率 不流动料温比热容 黏性系数密度 分配系数固化温度 温度系数设计流模具各部分压力/压力损失压力梯度熔料温度剪切应力剪切速率冷却时间由流动平衡法和压力梯度法得浇口直径/壁厚值成型条件模具温度熔料温度填充时间模具数据按流动路径设定的流动路径形状（浇道、浇口、行腔）塑件形状FEM流动分析程序FEM模型节点/元素内的压力、剪切力熔料温度、剪切速率、流动方向等压线图/流动模型等温线图图2.2MOLDFLOW系统的结构 Fig2.2StructureofMOLDFLOWsystem第三章 实例：鼠标组合型腔流动平衡分析与计算3.1 概述在实际生产中，为提高生产效率常采用一模多腔模具来生产中、小型塑料制件。对多型腔模具设计来说，为保证各型腔制件的件重、性能等质量指标均匀一致，必须对浇注系统进行平衡分析，以使浇注系统流动平衡，即各型腔在一样压力下同时充满。在一模多腔或者组合型腔的注塑模成型生产过程中，熔体在浇注系统中流动的平衡性是十分重要的。如果塑料熔体能够同时到达并充满模具的各个型腔，则称该浇注系统是平衡的。平衡的浇注系统不仅可以保证良好的产品质量，而且可以保证不同型腔产品的质量一致性。根据多型腔模具的几何布局，其浇注系统分为平衡布置和非平衡布置两类。对于平衡布置的浇注系统，熔体到各型腔的流动距离相等，如果忽略制造误差，则流动过程是自然平衡的，即不论成型条件如何变化，各型腔均会在一样的压力下同时充满。在实际生产中，为使模具结构不致过大并减少流道废料，常采用非平衡布置浇注系统，经过人工平衡，即在成型工艺参数一定的情况下，通过调整流道和浇口尺寸使熔体同时充满各型腔，达到流动平衡。（d）（c）（b）（a）图（a）所示的直线形型腔排列中，熔体在浇注系统中的流程相对较短，但是流动不平衡；图（b）所示的型腔排列能够保证熔体流动的平衡性，但是显然这种流道布局使得熔体在浇注系统中的流程较长；如果既要保证流动的平衡性，又要尽量缩短熔体的流程，则可以改变行腔的布局，采用图（c）和图（d）所示的布局方式。对于组合型腔的模具，由于各型腔几何形状和容积不同，浇注系统的平衡与否除了考虑型腔和流道的布局方式，还要考虑流道截面尺寸的设计。合理的流道尺寸能够保证熔体在模具型腔流动的平衡性。鼠标上下盖体的组合型腔模具。利用MPI进行分析的目的是分别确定通向上下盖体分流道的截面尺寸，从而保证熔体能够基本上在同一时刻充满型腔，实现熔体的平衡流动。由于给出的鼠标模型为非对称产品，因此在进行组合型腔布局设计之前，需要利用浇口位置Gate Location分析找出上下盖体的最佳浇口位置，初步保证熔体在单独型腔合理的流动和填充过程。具体需要以下容：a.利用浇口位置Gate Location分析找出上、下盖体的最佳浇口位置；b.初步创建完整的浇注系统进行填充Fill分析，以获得Runner Balance分析所需要的一些约束条件；c.设定约束条件，在初步模型Fill分析的基础上进行流道平衡Runner Balance分析，从而得到优化的流道设计；d.根据流动优化分析的结果，调整和修改设计方案，并对最后的方案进行分析验证。在Gate Location分析前所要完成的前处理工作主要包括以下容：a.项目创建和模型导入；b.网格模型的创建；c.分析类型的设定；d.材料选择和工艺过程参数的设定。根据产品初步设计的Fill填充分析结果，我们将对产品的浇注进行Runner Balance分析，目的是希望改善熔体在型腔流动的不平衡性，降低两个型腔的压力表，防止过保压等由于流动不平衡造成的情况出现。MPI的流道平衡Runner Balance分析，仅仅针对Midplane和Fusion两类网格模型，而且要求被分析产品的每个型腔都是单浇口注塑。流道平衡分析希望通过优化流道Runner尺寸，达到以下一些目的：a.填充过程中每一条流道上都具有一样的压力差，从而保证在同一时刻充满各个型腔；b.减少流道由于摩擦产生的热量，从而保证在相对较低的料温下降低产品的应力水平；c.根据用户给出的压力约束条件，尽量减小浇注系统所消耗的材料。MPI系统在进行流道平衡分析计算之前，要完成的前处理主要包括以下容：a.网格模型的建立；b.浇注系统的建立；c.材料的选择；d.进料位置的设定；e.工艺过程参数（包括平衡约束条件）的设定；f.流道尺寸约束的设定。鼠标组合型腔的流道平衡分析是在初步设计的Fill填充分析基础上进行的，因此分析前处理要相对简化许多，主要包括以下容：a.从Fill填充分析（mouse_top_bottom_original_unbalanced）中复制基本分析模型；b.设定分析类型；c.设定平衡的约束条件；d.设定流道的尺寸约束条件。 成型条件对流动平衡的影响非平衡布置浇注系统的流动平衡是有条件的，当成型条件发生变化时，如流道和浇口尺寸保持不变，则原来流动平衡赖以维持的条件如注射时间、料温、模温等发生变化，流动平衡就会被破坏。为研究注射时间、料温和模温等成型条件变化对流动平衡的影响，注射时间、料温和模温各取3个水平，根据正交表L (3 )设计试验方案，利用zMOLD软件对模具型腔充填过程进行9次数值模拟试验，用充填结束时各型腔平均压力差的最大值表征流动的不平衡程度(即平均压力差的最大值越大，流动的不平衡程度越高)。为分析各因素的影响大小，对上述试验结果进行方差分析：结果所以注射时间的变化对流动平衡有显著影响，而模温和料温对流动平衡的影响并不显著。充模过程中熔体先流到距主流道最近的分流道末段，如果注射时间较长，即注射速率较低，不能迅速产生足够大的压力差使熔体克服浇口阻力快速通过浇口，则浇口处熔体温度可能迅速降低，甚至凝固，浇口处会产生更大的流动阻力，这样，熔体将先充满距主流道最远的型腔，然后再返回来依次冲破阻力最小的浇口并充满各型腔：如果注射时间较短，即注射速率较高，则熔体将先充满距主流道最近的型腔，最后充满距主流道最远的型腔。充填结束时，先充满的型腔压力较高，而后充满的型腔压力较低，使各型腔压力有较大差别，流动失去平衡。因此，与平衡布置的多型腔模具相比，非平衡布置的多型腔模具的充模过程更为复杂，实际生产中应严格控制成型条件，保证流动平衡，以使一模多腔模具所生产的各制件质量均匀一致。3.2 上盖的浇口位置分析由于鼠标模型是非对称产品，因此在进行组合型腔布局设计之前，需要利用浇口位置Gate Location分析找出上下盖体的最佳浇口位置，初步保证熔体在单独腔体合理的流动和填充过程。3.2.1 分析前处理3.2.1.1 项目创建和模型导入a.创建一个新的项目。选择File（文件）New Project（新建项目）命令，此时，系统会弹出项目创建路径对话框，在Project name栏中植入项目名称mouse，单击OK按钮，默认的创建路径是MPI的项目管理路径。如图3.1所示。图3.1 创建新项目b.从文件中导入创建好的鼠标上盖分析模具的sdy文件mouse_top_best_gate_location.sdy。选择File（文件）Import（导入）命令，在弹出的对话框中选择mouse_top_best_gate_location.sdy文件，单击“打开”按钮，如图3.2所示。图3.2 选择分析模型c.项目管理窗口Project View和分析任务窗口Study Tasks如图3.3所示，鼠标上盖的基本分析模型被导入，如图3.4所示。图3.3 基本分析模型导入图3.4鼠标上盖模型3.2.1.2 网格模型信息查看查看网格模型信息。选择Mesh（网格）-Mesh Statistics（网格状态统计）命令，网格信息如图3.5所示。图3.5网格信息3.2.1.3 分析类型的设定在导入的基本分析模型中，分析类型已经设置为Gate Location最佳浇口位置分析。3.2.1.4 材料选择鼠标采用的材料为GE Plastics（Europe）公司的ABS材料，其牌号为Cycolac T。在分析任务窗口Study Tasks中右键单击Cycolac T:GE Plastics（Europe），可以查看材料属性，如图3.6所示。图3.6查看材料属性3.2.1.5 工艺参数的设定工艺参数选用默认设置，如图3.7所示，各项参数的含义和设置如下：aInjection molding machine（注塑机）-默认设置为Default injection molding machine。bMold surface temperature（模具表面温度）-默认值为60oC。cMelt temperature（熔体温度）-默认值为240oC。图3.7 工艺参数3.2.2 分析计算在完成了分析前处理之后，即可进行分析计算，整个解算器的计算过程基本由MPI系统自动完成。双击任务栏窗口中的Analyze Now一项，解算器开始计算，任务栏窗口显示如图3.8所示。图3.8 分析结果选择Analyze（分析）-Job Manager（任务管理器）命令可以看到任务队列与计算进程。通过分析计算的输出信息Screen output，可以查看到计算中的相关信息。3.2.3 结果分析计算结束后，MPI生成最佳浇口位置的分析结果，分析任务窗口Study Tasks。1Results Summary（结果概要）以文字的形式给出最佳浇口位置的分析结果。从Results Summary中可以看到：Recommended gate location（s）are：Near node=737推荐的浇口位置在节点N737附近。Execution time：CPUtime used 25.83s分析计算时间：COU运算时间25.83s。在鼠标上盖的网格模型中可以找到最佳浇口位置区域中心所在的节点，节点N737在鼠标上盖的背面。2.Best gate location最佳浇口位置Best gate location（最佳浇口位置）的图形显示如图3.9所示。图3.9 最佳浇口结果显示中蓝色的区域是最佳的交口位置区域，红色的区域是最不合理的交口位置区域，绿色的区域则介于两者之间。考虑到模具设计的合理性以与熔体在型腔流动的平衡性，将浇口位置设置在图3.9标记出附近区域。3.3 下盖的浇口位置分析3.3.1 模型导入在确定了鼠标上盖的浇口位置之后，接下来要分析鼠标下盖合理的浇口位置。下盖浇口位置分析前处理的操作步骤和参数设置与上盖的浇口位置分析基本一致，这里就不再赘述。如下图导入模型。图3.10鼠标下盖模型3.3.2结果分析前处理结果后，直接进行分析计算，MPI生成最佳浇口位置的分析结果。Results Summary（结果概要）以文字的形式给出的最佳浇口位置的分析结果。从Results Summary中可以看出：Recommended gate location（s）are：Near node=2295所以推荐浇口位置在节点N2295处附近。与上盖分析结果类似，结果显示中间蓝色位置是最理想的浇口位置，红色区域是最不理想区域，绿色的区域介于两者之间，如图3.11所示。图3.11最佳浇口位置同样考虑到模具设计的合理性以与熔体在型腔流动的平衡性，将浇口位置设定在如图3.11标注位置附近。3.4 组合型腔的填充分析鼠标组合型腔浇注系统的平衡设计，需要在初步设计的基础上进行。也就是说，需要设计者根据经验首先给出一个初步的设计方案，在对初步设计进行分析的基础上，寻找设计中存在的问题，从而进行设计方案的调整和修改。而且，经过对初步设计与方案的分析，可以为进一步的流道平衡分析提供必要的分析参数与约束条件。组合型腔的分析是在上、下盖体的最佳浇口位置的基础上进行的。将上、下盖体的模型导入，通过MPI系统中的建模功能，将上、下盖体的网格模型进行合理的布置。上、下盖体的基本位置关系如图3.12所示，两型腔间距为50mm左右。图 3.12 组合型腔3.5 组合型腔的流动分析（优化后）利用流道平衡优化方法，用户可以根据实际情况和优化结果来调整最初的设计方案，从而获得相对合理的设计方案。考虑到鼠标上盖的型腔容积比较小，为了保证熔体的平衡流动，我们不仅调整了流道的尺寸，而且对鼠标上盖型腔的浇口直径也做了相应的调整。经过多次的优化计算和尺寸修改，最终得到了比较合理的设计方案。为了验证调整后方案的可行性，需要对组合行腔调整后的设计方案进行流动保压分析。经过一系列的实验得到优化后的模型，如图3.13所示。图 3.13 优化后组合型腔第四章 实验数据分析4.1 正交实验法在生产实践中，为了得到好的产品，我们都会先做实验来确定生产的可行性。然而大量的实验总是要话费大量的人力、物力以与大量的时间等。所以人们总是想花费更少的时间、金钱来解决大量实验，那就需要以更少的誓言来体现出更准确的结果。为了达到这一要求，我们就必须对实验进行合理的安排、规划，这就是要进行试验设计。实际问题是复杂的，对实验有影响的因素往往是多方面的。我们要考虑各因素对实验影响的各种情况。在多因素、多水平试验中，如果对每个因素的每个水平都互相搭配进行全面试验，需要的实验次数就会很多。我们应当在不影响实验效果的前提下，尽可能的减少试验次数。正交实验法就是解决这一问题的有效方法。正交实验法主要工具是正交表，用正交表安排实验是一种好的方法，在实践中已有广泛的使用。根据正交实验法我们对本次试验进行了分析，确定了试验的相关容为三水平四因素两指标。要用到的表格为L9（34）表格。具体算法后文介绍。4.2 实验分析与计算根据图3.13的模型选取三水平四因素的数据（工艺参数）。如以下表所示：表4.2 工艺参数 因素ABCD水平模具表面温度（oC）熔体温度（oC）注塑时间（s）注塑压力（MPa）1502300.811026024011203702501.2130由正交实验法可知至少要做九组实验。4.2.1 基本分析模型的导入a在项目管理窗口（Project View）中右键选择分析子项mouse_top_bottom_runner_balance_5%(Runner Balance),选择Duplicate（复制）命令，如图4.1所示。图4.1复制基本模型b将新复制的分析模型重命名为mouse_top_bottom_final_balance，重命名之后的项目管理窗口和分析任务窗口如图4.2所示。图4.2基本分析模型设置c分析类型的设定将分析类型设计为Flow流道平衡分析，完成后分析任务窗口如图4.3所示。图 4.3 分析窗口d浇注系统尺寸的调整浇注系统尺寸的调整流道平衡优化的分析结果为重新调整流道尺寸提供了可靠的参数，结合实际情况，我们调整了鼠标上盖型腔浇口的横截直径尺寸，以与通向鼠标上、下盖体的分流道直径。如图4.4所示。图4.4 调整后的浇注系统方案保持鼠标上盖型腔的浇口形状，将其端口直径调整为（1mm，2.2mm）。通向鼠标下盖分流道的杆单元直径设定为6mm，上盖分流道的杆单元直径设定为2.9mm。e工艺参数的调整与Runner Balance流道平衡优化分析不同，在对调整后的设计方案进行最后的Flow分析时，工艺过程参数设置如图4.5所示。图4.5 工艺参数4.2.2分析计算完成了鼠标上、下盖体组合型腔设计方案的调整和分析前处理之后，双击任务栏窗口中的Analyze Now！一项，计算机开始计算。在分析计算过程产生的输出信息Screen output中，我们比较关系组合型腔在填充过程中的压力情况，因为压力变化可以从侧面反映流道的平衡型。图4.6 填充分析过程信息从图4.6可以发现，在填充过程中，压力的变化比较平稳，从侧面说明流道相对平衡。V/P转换发生在型腔97.29%被充满的时候，此时的填充压力在78.06MPa左右。在1.07s左右完成组合型腔的填充。4.2.3分析结果在分析结果中，我们主要关注熔体在组合型腔的填充情况是否平衡、填充过程中的压力变化情况以与填充完成后的产品表面质量。aFill time填充时间从填充时间中最容易直观的看出熔体流动平衡是否平衡，如图4.7所示，鼠标上、下盖型腔在1.395s同时完成了填充。图4.7 Fill time填充时间b填充结束时的压力图4.8 填充结束时的压力4.3实验数据分析通过以上理论知识后我们进行Moldflow模拟实验，此次试验由于时间和水平的有限暂做9组，通过这9组试验完全可以体现出鼠标模型的流动平衡分析。实验具体步骤在此我就不再赘述，主要通过实验图表体现出来。a.（1）工艺参数图 4.9.1 工艺参数（2）填充时间：图4.9.2 填充时间（3）填充结束时的压力：图4.9.3 填充结束后的压力b（1）工艺参数：图 4.9.4 工艺参数（2）填充时间：图4.9.5 填充时间（3）填充结束时的压力：图4.9.6 填充结束后的压力c（1）工艺参数：图 4.9.7 工艺参数（2）填充时间：图4.9.8 填充时间（3）填充结束时的压力：图 4.9.9 填充结束后的压力 d（1）工艺参数：图 4.9.10 工艺参数（2）填充时间：图4.9.11 填充时间（3）填充结束时的压力：图 4.9.12 填充结束后的压力 e（1）工艺参数：图 4.9.13 工艺参数（2）填充时间：图4.9.14 填充时间（3）填充结束时的压力：图 4.9.15 填充结束后的压力 f（1）工艺参数：图 4.9.16工艺参数（2）填充时间：图4.9.17 填充时间（3）填充结束时的压力：图 4.9.18 填充结束后的压力g（1）工艺参数：图 4.9.19 工艺参数（2）填充时间：图4.9.20 填充时间（3）填充结束时的压力：图 4.9.21 填充结束后的压力 h（1）工艺参数：图 4.9.22 工艺参数（2）填充时间：图4.9.23 填充时间（3）填充结束时的压力：图 4.9.24 填充结束后的压力i（1）工艺参数：图 4.9.25 工艺参数（2）填充时间：图4.9.26 填充时间（3）填充结束时的压力：图 4.9.27 填充结束后的压力表 4.1 三因素四水平 因素ABCD水平模具表面温度（oC）熔体温度（oC）注塑时间（s）注塑压力（MPa）1502300.811026024011203702501.2130表 4.2 正交实验数据 因素1234各指标试验结果实验号ABCD充填时间s充填压强MPa111110.23347.154212220.312544.256313330.384141.428421230.304241.245522310.381840.932623120.222649.844731320.380238.576832130.220948.455933210.296942.831K10.92960.91740.67650.9117填充时间K20.90860.91520.91360.9153K30.89800.90361.06610.9092k10.30990.30580.22550.3039k20.30290.30510.30450.3051k30.29930.30120.35540.3031极差0.01060.00460.12990.0020优方案A3B3C1D3K1132.838126.975145.453130.917填充结束时的压力K2132.021133.643128.332132.676K3129.862134.103120.936131.128k144.27942.32548.48443.639k244.00744.54842.77744.225k343.28744.70140.31243.709极差0.9922.4768.1720.586优方案A3B1C3D1K1这一行的4个数，分别是因素A,B,C,D的第一水平所在实验中对应的充填时间之和。K2、K3同理分别是因素A,B,C,D的第二、第三水平所在实验中对应的填充时间之和。k1、k2、k3这3行的4个数，分别