毕业设计（论文）CAE在游戏手柄上盖注塑成型中的应用

毕 业 设 计 正 文 第23页摘 要 注塑CAE技术是注塑产品设计与工艺分析中一个重要的应用技术，它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流动、传热的物理和数学模型，利用计算机图形学技术直观地模拟成型中熔体的动态填充、冷却等过程，定量地给出成型过程中的状态参数。 论文首先深入研究了注射成型过程的流动及冷却数学模型及其分析理论基础，并应用CAE软件进行了相关的计算和分析，通过CAE数值模拟验证了在注塑模具设计及制造方面的相关关键参数。 论文以游戏手柄上盖为研究对象，应用CAE分析软件，探讨了有限元模型建立、塑料材料选择、浇注系统和冷却系统设计等方面应用CAE的方法。通过对游戏手柄上盖注塑成型过程的数值模拟，论证了浇口最佳位置以及塑料熔体的流动分析、冷却分析、翘曲分析、收缩分析和成型工艺条件。通过理论和模拟实验全面分析了各种工艺参数例如温度、浇口数量及位置、温度调节系统对塑质量的影响。针对零件质量缺陷或问题产生的原因，合理设计了模具的浇注系统和温度调节系统。获得了塑料在熔料温度、模具温度、保压压力、保压时间、冷却时间五因素。通过塑料CAE模拟计算。可最大 消除产品设计、 模具设计及产品制造成型过程中可能出现的不足，取代传统的反复试模、修模等过程，从而降低产成本，缩短产品开发周期。 关键词：注塑成型；CAE；注塑产品 CAE在游戏手柄上盖注塑成型中的应用绪 论 模具工业是国民经济各部门发展的重要基础，公认为：“模具工业是现代工业发展的基石”，“模具是促进社会繁荣富裕的动力”。据国际生产协会统计，近年来工业品。零件粗加工的70%精加工的50是由模具成型来完成的。这些年来，我国自主开发的塑料模CADCAM系统有了很大的发展，提高了模具的质量和生产的效益。但是遗憾的是，由于诸多原因，模具CADCAECAM技术在中国普及不够，尤其是跨多学科的CAE技术更是应用较少。目前我国模具标准化和商品化程度在30以下，和国外工业先进国家70-80相比，差距是明显的。近年来，随着塑料工业的飞速发展，通用与工程塑料在强度和精度等方面的不断提高，工业产品和日用产品塑料化明显，逐渐形成了以塑代钢、以塑代木的趋势。塑料制品的强劲发展势头，极大地带动了整个塑料模具工业的发展。由于高效率、高精度和低成本的显著特点，注塑成型成为批量生产塑料制品的首选方法。但是，注塑成型常常出现各种质量问题，例如，短射、飞边、翘曲、熔接痕和尺寸误差等。CAE软件能准确的分析模具的性能，从而不必像过去试模修模试模直到达到要求的过程，省下了很多人力物力，缩短了生产周期，大大提高了生产效率。一、游戏手柄上盖成型工艺分析 （一）塑料制品工艺分析 本次分析的塑料件，是一个对称的曲面较多的零件，X方向长度约为121mm,Y方向约为170mm,Z方向约为20mm。平均厚度为1.5mm.外表面质量要求较高。材料为ABS塑料。ABS塑料的性能为：优良的韧性、耐冲击和耐寒性，优良的刚性、光泽、电性能和加工性能，另外还有良好的阻燃性和通用性。ABS塑料由于具有较好的综合性能，冲击性能又十分突出，因而被大量使用代替金属材料。广泛应用于家电、电子电器、办公设备、汽车、机械等领域。 由于此制品表面质量要求较高，又有较多的曲面，因此在设计模具时应注意溶解痕的位置及填充效果。(二)游戏手柄上盖成品图 图1 游戏手柄上盖成品图二、选择注塑成型设备图2 注塑成型设备三、游戏手柄上盖的CAE分析 （一）外壳模型前处理 1制品网格划分为了使CAE分析结果更加准确，制品在导入CAE前必须在网格分析软件中进行网格划分.网格分析可以说是工作中最简单的工作，繁琐而且技术性不高，但是它却是CAE分析的基础。首先，将用UG制作的三位造型的零件图在UG环境中导出STL格式。然后，打开华塑网格管理器，将STL格式的三维模型导入，选择合适网格精度点击生成网格，如下图 图3图4（1） 进行相交单元检查若检查结果相交单元数量不为0，则需要利用删除单元，新建单元的命令进行修改，直到数量为0为止。（2） 孤立元素检查若数量不为0，则用删除命令将孤立元素删除到，直到数量为0。（3） 零面积单元检查。（4） 自由边界检查若数量不为0，则可利用如图所示的自动修复的命令进行修改。图5（5） 长高比检查。若检查数量不为0，可利用“合并节点”和“添加节点”的命令进行修改。（6） 单元配对类型检查。（7） 连通性检查。（8） 网格评估：若全部通过则完毕，若有未通过的，在进行针对性修改。如图图6 （二） 制品初始方案确定图7方 案 一 图8方 案 二 （潜伏浇口） 基于此制品的性质和外壳质量要求，经讨论初步决定采用方案二。（三） CAE设计过程图81充模设计(1) 定义进料点，根据我们的设计点击确定浇口的位置。（2）设置流道参数。（浇口，分流道，主流道。）如下图：图9（3） 设置成型工艺参数。如下图图102冷却设计 （1） 设计虚拟型腔。如下图：图11（2） 设计参考平面。如图：图12（3） 新建直线。（4） 完成回路，选定新建的直线，设置冷却水路直径为8，如下图： 图13（5） 设置冷却工艺条件，如下图：图143翘曲设计。4开始分析，如下图：图15 （四）制品方案分析及比较 方案二 充模分析结果数据项数据充模时间(s)0.51浇口数量(个)2最大浇口进料差(%)0.01206熔体最大温差()1.1e+002最大注射压力(MPa)62表21充模分析及方案比较 方案一充模分析结果数据项数据充模时间(s)0.41浇口数量(个)2最大浇口进料差(%)0.01215熔体最大温差()84最大注射压力(MPa)61表1 方案一分析图片方案二分析图片图16 流动前沿（最后时刻）图17流动前沿（最后时刻）图18流动结束时温度场图19流动结束时温度场图20流动结束时压力场图21流动结束时压力场充填过程的模拟分析可以显示熔体从浇口逐渐充满型腔的动态过程，由此可判断熔体的流动形态是否理想，各个流动路径是否同时充满型腔的各个末端( 流动是否平衡)。经过比较方案一冲模时间比方案二短，最大注射压力小，最大剪切力小。 2熔接痕分析及方案比较（红色线为熔接痕）方案一方案二图22图23上图为熔接痕分布位置。经分析比较 方案二的熔接痕比方案一的少。3 气穴分析及方案比较（黄色点为气泡）方案一方案二图24图25上图为气泡位置分布图。经分析比较 方案二的气泡比方案一的少。4 锁模力分析及方案比较 方案一分析图片方案二分析图片图26 锁模力曲线图27锁模力曲线图为锁模力时间曲线。从图中得出最大锁模力约为13t，故可根据此值选择合适的注塑机以获得足够的锁模力。经分析比较方案一和方案二锁模力大小相差不大。5 .冷却分析及方案比较方案一分析图片方案二分析图片图28 稳态温度场 图29 稳态温度场方案一分析图片方案二分析图片图30冷却时间场图31冷却时间场图32冷却介质温度场图33冷却介质温度场图34可顶出区域图35可顶出区域在注塑成型过程中，横具的温度直接影响到凝件成型的质量和生产效率。由于各种塑料的性能和成型工艺要求不同，模具的温度也要求不同，一般注射到模具内的塑料温度为200左右，而塑件固化后从模具型腔中取出对其温度要低很多，这就需要在模具中通入冷却水，使模具降温。基于此制品的工艺特性及质量要求，可用如图所示的冷却管布置位置，由CAE分析此冷却管布置用于方案二更合适。6.应力翘曲分析及方案比较 翘曲交形是注塑成型中最主要的缺陷之一，它会影响产品的外观和使用性能，翘曲程度严重的制品甚至无法使用，变成不合格品。因此，对翘曲变形缺陷的控制一直受到工程师们的重视。为了使制品的质量更好，很有必要对产品进行翘曲分析。分析结果如下：方案一分析图片方案二分析图片图36翘曲结果 图37翘曲结果 经CAE翘曲分析,两方案翘曲程度都不是很明显。经过以上各个阶段的分析，方案一，虽然各个方面都很合理，从产品质量要求，表面精度，生产成本，模具的制造复杂程度等方面考虑，推荐使用方案二。四、游戏手柄上盖的模具设计成型部分，作为塑件的几何边界，包容塑件，完成塑件的结构和尺寸的成型，是注塑模的核心部分。成型通常是由定模、动摸、镶件、特殊成型零件及成型顶杆等组成。本制品采用一摸两腔。 应用UG制图软件，单击MoldWizard工具条中的模架图标，出现如38图所示的模架管理对话框。选用的模架是5050大水口，A类型，工字边，定模板（A）厚度为40mm，动模板（B）厚度为70mm，动模垫板厚度为60mm，托板（C）厚度为110mm。并把对话框中相应的数据改成：AP_h=60，BP_h=40，U_h=60，CP_h=110。模架具体订购代号为3225AI407060110。图38（一）浇注系统设计除两个型芯外，隐藏所有文件。单击MoldWizard工具条中的流道图标，出现如图39所示的对话框。单击点子功能，出现点构造器对话框，选择两个型芯最相近的点，单击确定。又出现如图40所示对话框，点选创建流道通道图标，选择圆型流道，横截面A改为10，如图41所示。单击确定，完成主流道的建立，再按以上方法完成全部流道的建立。点击建模，利用草图画出一个扇形浇口，调整大小。以同样的方法将另一个浇口加入。 图39 图40图41（二）推出系统设计1.建立拉料杆单击MoldWizard工具条中的标准件图标，出现如图42所示的对话框。在分类里点选Ejection，在列表框中点选Ejector PinStraight，如图43。将下方的尺寸改为：MATERIAL=NITRIDED；CATALOGDIA=8；CATALOGLENGTH=200；HEADTYPE=1。 图42 图432加入顶杆单击MoldWizard工具条中的标准件图标，出现如图所示的对话框。在分类里点选Ejection，在列表框中点选Ejector PinStraight。将下方的尺寸改为：CATALOGDIA=3；CATALOGLENGTH=250；HEADTYPE=3。 图44 图45（三）冷却系统设计 普通的模具通入水进行冷却，调节水的流量就可以调节模具的温度。这种冷却方式可以用于流动性较好的低熔点塑料的成型。本套模具的冷却水道的详细布局可以从模具的俯视图中看出。如下图： 图46（四）模具总体结构注塑模按照总体结构可以分为单分型面注塑模、双分型面注塑摸、和带有活动镶块的注塑模和带有侧向分型抽芯的注塑模具等。此制品整体结构如图47所示： 图47总装图 结 论随着塑料产品不断发展，人们对塑料产品要求也越来越高，很多注塑模的设计都是凭设计者的经验，缺乏科学依据，有很大盲目性，不仅使模具的生产周期加长，成本变高，而且质量也难以保证。针对生产中急需解决的问题，CAE软件可以说是不错的选择。本文是以游戏手柄上盖的制品为研究的对象，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料件仿真模型建立过程。对塑件的注射.保压.冷却.翘曲变形进行了模拟仿真，注塑制品的质萤受多种因素的影响，成型工艺的非线性、多变量特性，使得制品质量与各种影响因素之间的关系非常复杂。论文通过浇注系统数值模拟实验及冷却分析实验验证了浇注系统和温度调一仃系统对塑件质量、生产效率的重要性。 在模具产品设计开发过程中，如何降低成本、提高产品质量要求，使工艺流程能更加优化、合理，促使企业在整个产品生命周期中更多地使用数字化仿真技术是摆在模具企业面前的一项艰巨的任务。引入模具CAE技术，无疑是加快产品开发周期、降低开发成本的上策。参考文献1陈立亮材料加工：CADCAECAM技术基础【M】北京：机械l：业出版社，20072李名尧模具CADCAMM北京：机械工业出版社，20053杨宁注塑成型过程的数值模拟【D】：硕士学位论文长沙：中南工业大学材料加工工程学院，20014李德群注塑成型流动模拟技术的新进展EBoL】http：www55jxcomHtmlxjziliao0855 17623htm，20041216 致谢大学生活马上就要结束了，我的人生又进入了另一个阶段，“事业”，人生四大阶段，“学业”.“事业”.“婚姻”.“家庭”。我明白每个阶段都不能停留太长时间。毕业论文是我结束学校生涯的标志，所以我必须认真对待，在这重要的时期，指导老师帮了我大忙。首先，感谢我的指导老师宫老师，是您耐心的指导，指出我论文的不足之处，并细心帮我修改，查资料，我才能顺利的完成我的毕业论文。其次，感谢我大学的所有老师，你们不仅传授了书本知识和经验，而且还教会了人生的道理。感谢我们亲爱的张导，谢谢您给予的生活的上的帮助。您辛苦了。最后，感谢我亲爱的室友们，同学们，是你们让我明白朋友最珍贵是，谢谢大家的帮助与照顾，谢谢你们带给我的美好大学时光，我会记得你们一辈子的。我的大学生涯已接近尾声，我明白学无止境，需要学习的好有很多，人生的大课堂才刚刚开始，我会努力的。最后向我的老师们，室友们，同学们，衷心地说一声谢谢。 哈尔滨职业技术学院印制