基于Moldflow的联想手机外壳注塑成型

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；Moldflow 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 plastics manufaturability and features in its 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.Whats 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: injection mould; the orthogonal experiment; Moldflow目 录第1章 绪 论1 1.1 本课题研究的目的和意义11.2 CAE技术的理论方法及应用21.3 模具国外CAD/CAM/CAE技术的发展31.4 模具国内CAD/CAM/CAE技术的发展31.5 模具CAD/CAM/CAE技术发展的趋势41.6 本课题研究的主要内容5第2章 产品注塑方案的设计62.1 注塑产品有限元模型的建立62.1.1 建立塑料零件三维模型62.1.2 模型导入前处理72.2 制件有限元的初始化网格划分72.2.1 模型的导入72.2.2 网格划分82.3 网格的修复92.4 纵横比的诊断及修复92.5 配向诊断12第3章 分析方案的确定133.1 浇注系统的作用133.2 最佳浇口位置分析133.3 浇注系统的创建143.4 冷却系统方案的确定153.5 流动结果分析163.5.1 充填时间163.5.2 熔接痕比较173.5.3 气穴比较183.5.4 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204.1 优化目标设计204.2 正交试验的设计及参数设定204.3 基于正交试验多工艺参数优化214.4 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40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。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。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图2-1 手机外壳零件a）手机外壳正面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1.021.05 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190200 ，中段200220 ，后段170190 ，模具温度6085 ，注射压力为60100 MPa，保压压力为3060 MPa。 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。 图2-2 零件导入Moldflowa）手机外壳正面b）手机外壳反面 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 网格初始划分表2-1 网格统计参数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。网格参数数值网格参数数值三角形11630个相交单元0个节点5743个完全重叠单元0个连通区域1个配向不正确的单元0个网格体积4.4758 cm3最小纵横比1.16网格面积110.912 cm2最大纵横比59.6自由边0个平均纵横比2.26共用边17445个匹配百分比86.8%交叉边0个相互百分比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。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。有Fusion和3D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。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 修改前图2-6修改后 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。网格参数数值网格参数数值三角形11630个相交单元0个节点5743个完全重叠单元0个连通区域1个配向不正确的单元0个网格体积4.4758 cm3最小纵横比1.16网格面积110.912 cm2最大纵横比14.6自由边0个平均纵横比2.26共用边17445个匹配百分比86.8%交叉边0个相互百分比83.0%表2-2 网格统计参数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+（0.51）mm=（2+0.5）mm=2.5mm；主流道大端直径：d1=d+2tan=7.74mm，式中=3；主流道球面半径：SRO=注射机喷嘴球头半径+（12）mm=13mm；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3-3 方案二图3-2 方案一 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。图3-7 方案二：填充时间0.6373s图3-6 方案一：填充时间0.7838s3.5.2 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道的尺寸(提高摩擦热)等都可以达到目的9。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。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。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 ，80，90。 3）注射时间t1 根据实际情况和模拟分析，注射时间t1=0.7120.894 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=12.4618.95 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=15.5324.87 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T1，模具温度T2，注射时间t1，保压时间t2，保压压力P，冷却时间t3。(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T1，模具温度T2，注射时间t1，保压时间t2，保压压力P，冷却时间t3。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。表4-1 影响翘曲指标的因子及水平因素水平A注射温度T1B模具温度T2C注射时间t1/sD保压时间t2/sE保压压力P/MPaF冷却时间t3/s1250700.712110152260800.815120203270900.91913025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 L18(37)实验表及翘曲表形量总数值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实验结果实验1702500.711012150.2356实验2702600.812015200.2015实验3702700.913019250.1766实验4802500.712015250.2087实验5802600.813019150.1787实验6802700.911012200.2160实验7902500.811019200.2458实验8902600.912012250.2082实验9902700.713015150.1591实验10702500.913015200.2127实验11702600.711019250.2219实验12702700.812012150.1868实验13802500.813012250.1938实验14802600.911015150.2321实验15802700.712019200.1802实验16902500.912019150.2268实验17902600.713012200.1711实验18902700.811015250.2114图4-1 效应曲线图在表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RERARCRDRBRF（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）。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模具温度注射温度注射时间保压压力保压时间冷却时间实验结果实验11111110.2356实验21222220.2015实验31333330.1766实验42112230.2087实验52223310.1787实验62331120.2160实验73121320.2458实验83232130.2082实验93313210.1591实验101133220.2127实验111211330.2219实验121322110.1868实验132123130.1938实验142231210.2321实验152312320.1802实验163132310.2268实验173213120.1711实验183321230.2114均值10.2060.2210.1960.2270.2020.203均值20.2020.2020.2030.2020.2040.205均值30.2040.1880.2120.1820.2050.203极差0.0040.0330.0160.0450.0030.002 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、自由度表因素偏差平方和自由度F比F临界值显著性模具温度0.00020.0003.890注射温度0.00321.8003.890注射时间0.00120.6003.890保压压力0.00623.6003.890保压时间0.00020.0003.890冷却时间0.00020.0003.890误差0.0112 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，图4-3是总翘曲变形量；图4-4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。图4-3 总翘曲变形量 图4-4 收缩不均引起的翘曲量 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 六个参数表模具温度（）注塑温度（）注射时间（s）保压时间（s）保压压力（MPa）冷却时间（s）1582400.5410082622