1、汽车前照灯齿轮轴注塑工艺分析及模具毕业设计改进摘 要当今，随着塑料工业的迅速发展，塑料制品在许多工业部门的应用范围越来越广，这就使产品对注塑模具的要求越来越高，传统的注塑模具设计方法已无法适应产品更新换代和提高质量的要求、注塑模具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来代替实际的试模，预测设计中潜在的缺陷，突破了在传统的注塑机上的反复试模、修模的束缚。同传统的模具设计相比，CAE技术在提高生产率、保证模具设计和产品质量，降低成本、减轻劳动强度，起到了不可估量的作用。本论文主要针对汽车前照灯齿轮轴试模时的质量问题，使用Mold Flow对产品模具的结构进行了CAE分析
2、，找出该模具在设计过程中存在的不足，优化了设计参数，通过对浇口位置及流道的分析，优化了浇口与流道位置，解决了模具在设计过程中存在的问题，使模具更加完善，产品的质量和外观都得到了保证。关键词：CAE分析、Mold Flow、流道、模具设计目 录前 言 I摘 要 II第一章 概述 11.1 研究背景及意义 11.2 注塑工艺的发展 11.3 模具概况及其发展 11.4 国内外简况及发展趋势 11.5 研究内容 2第二章 注塑机和材料的选用 32.1 注塑机的组成 32.1.1 注射装置 32.1.2 锁模装置 32.1.3 液压传动装置 32.1.4 控制系统 42.2 注塑机的选用及基本参数 4
3、2.2.1注塑机分类 42.2.2 注塑机的基本参数 42.2.3 本设计注塑机的选用 4第三章 产品材料分析 53.1 塑料的概述 53.1.1 塑料的概念 53.1.2 塑料的分类 53.2 本设计的原料的选用及其性质 5第四章 应用Mold flow进行注塑过程分析 74.1 Mold flow的简介 74.2注塑产品的CAE分析原理 84.3 Mold flow的分析步骤 84.3.1塑件几何模型的建立 84.3.2 有限元网格的划分 94.4 结果分析及后期处理 104.4.1浇口位置分析 104.4.2、填充时间分析 114.4.3、熔接痕 124.4.4、气穴 12第五章 模具结
4、构的改进 135.1 产品不良的分析 135.1.1产品弯曲分析 135.1.2产品烧灼分析 135.2 模具浇口位置的改进 145.3 滑块成型部分自身留的改进 145.4模具滑块的改进 155.5最终模具三维结构 15第六章 结论与展望 18致 谢 19参考文献 20前 言模具是现代工业生产中的重要工艺装备之一，模具工业是国民经济中重要的基础工业。模具设计与制造水平的高低成为衡量一个国家综合制造能力的重要标志。模具生产水平的高低，在很大程度上决定着产品的质量，效益和新产品的开发能力。塑料注塑成型是生产塑料制品的主要手段，是塑料工业中极为重要的一种加工技术。它能成型形状复杂、精度要求高的制品
5、，具有生产效率高、成本低、产品质量好等优点。注塑成型工艺的日益发展，对注塑模具的设计和制造周期及其使用寿命和制作精度都有了更高的要求。传统模具设计主要通过经验丰富的设计人员依靠自身的直觉和经验进行设计，并通过多次的修模进行修正，同时设计人员还要处理大量的与技术，经济有关的因素，仅凭经验难以全面考虑这些因素，为了解决上述难题，CAE越来越被人们所重视了。本文通过Mold flow 分析软件对制件进行CAE分析，对实习工厂的一副注塑模具的结构进行了重新设计，解决了产品翘曲、烧灼等一系列问题。第一章 概述1.1 研究背景及意义注射成型应用广泛，是机械制造、汽车、摩托车、家用电器、电子通讯、建筑、仪器
6、仪表、医药器材和日常用品等行业的塑料制件的主要成型方法。塑料不仅具有热塑性和再塑性特点，而且具有成型工艺简单、制造精密和成本低廉的特点，尤其对结构复杂及大批量的注塑件，注塑成型后无需过多的后加工工序就可直接投入到实际应用中。随着注塑技术和设备的不断发展，未来的塑胶制品应用会更加广泛并占据更多的运用领域。可以说，人类的文明生活离不开塑胶制品。通过这次毕业设计使我对注射模的设计全过程有一个总体的认识，对Mold Flow软件进行注塑过程的参数优化，同时也是对已学内容的一次总结。1.2 注塑工艺的发展随着塑料工业的发展和进步，人们对注射制件的要求越来越高。如何缩短成型周期，降低生产成本，提高制件精度
7、和使用范围，一直是塑料行业孜孜以求的目标。近二十年来注射成型工艺及模具新技术发展很快，新工艺和新结构层出不穷。新工艺包括新的注射成型技术如气体辅助注射成型技术（这种成型工艺是注射成型与中空成型的复合）等，与一些注塑成型工艺的分析与运用，注射成型工艺技术必须要充分运用温度，时间，压力，速度，位置切换这五种成型条件的内在联系和相互影响的作用，达到控制塑料原料在储料时的塑化程度和粘度，控制充模熔料在模具型腔内的流动速度，控制熔料在一定的压力下经过冷却定型，最后取得质量满意的塑件。1.3 模具概况及其发展随着塑料工业的飞速发展，注射模传统的手工设计与制造已无法适应当前的形势。近20年来的实践表明，缩短
8、模具设计与制造时间、提高塑料制件精度与性能的正确途径之一是采用计算机辅助设计（CAD）、辅助工程（CAE）和辅助制造（CAM）。现代科学技术的发展，特别是塑料流变学、计算机技术、几何造型和数控技术的突飞猛进为注射模设计与制造采用高技术创造了条件。20世纪80年代以来，注射模CAD/ CAE/ CAM技术已从实验室研究阶段进入了实用化阶段，并在生产中取得了明显的经济效益。注射模CAD/ CAE/ CAM技术的发展和推广被公认为CAD技术在机械工业中应用的一个典范。注射模CAD/ CAM的重点在于塑料制品的造型、模具结构设计、图形绘制和数控加工数据的生成。而注射模CAE包含的工程功能更为广泛。CA
9、E将模具设计、分析、和制造贯穿于注射制件研制过程的各个环节中，用以指导和预测模具在方案构思、设计、和制造中的行为。注射模CAD/ CAE/ CAM技术作为一种划时代的工具和手段，从根本上改变了传统的模具设计与制造方法。1.4 国内外简况及发展趋势自从20世纪70年代以来，注射模CAD/ CAE/ CAM技术已成为当今世界热门的研究课题。其主要标志为分散、零星的研究迅速发展为集中、系统的研制和开发，一些研究成果很快地转化为促进模具行业进步的生产力。国外的一些公司将注射模的CAE软件与CAD/CAM系统结合起来，采用模具CAD/ CAE/ CAM集成化技术后，制件一般不需要在进行原型实验，采用几何
10、造型技术，制件的形状能精确逼真的显示在计算机屏幕上，有限元分析程序可以对其力学性能进行预测。借助计算机，自动绘图代替人工绘图，自动检索代替手工查阅，快速分析代替手工计算，模具设计师能从繁琐的绘图和计算中解放出来，集中精力从事诸如方案构思和结构优化等创造性的工作，在模具投产之前，CAE软件可以预测模具结构有关参数的正确性。由此可见，模具CAD/ CAE/ CAM技术是以科学，合理的方法，能在模具制造之前借助于计算机对制件，模具结构，加工，成本等进行反复修改和优化，直至获得最佳结果。CAD/ CAE/ CAM技术能显著的缩短模具设计与制造时间，降低模具成本并提高制件的质量。1.5 研究内容本论文主
11、要对汽车前照灯齿轮轴制件进行CAE分析，对实习工厂的一副注塑模具的结构重新进行了设计，解决了产品翘曲、烧灼等一系列问题。产品涉及到注塑模具与注塑工艺，因此我选择边实习边作设计，总的安排是前一个月用来熟悉模具结构包括所有的注塑与注胶模具，以及所有的两板与三板模和全自动与半自动模具，第二个月则主要学习工艺方面的内容，主要学习成型缺陷方面的内容。例如，缩水，飞边成品变形，气泡缺料，成品表面光泽不良等方面的内容。第二章 注塑机和材料的选用注塑成型机是使用微电脑进行运算和控制，与其他配置的电子元件组合而成一个完整的自动化生产系统。通过操作人员的指令和设置条件控制终端执行部件（液压缸、液压马达）的动作，推
12、动机械装置按预定的程序进行半自动或全自动循环生产，而且使每一个注塑周期及周期过程的每一个阶段都在时间上精密地重复，从而保证成型制件的的质量稳定，达到规定的使用要求。因此，注塑机是以准确的机械重复和时间循环的形式进行大批量塑料件生产塑的工业设备。2.1 注塑机的组成注塑机的组成主要有：注射装置、合模装置、液压传动装置和电脑控制系统。图2.1 注塑机的组成2.1.1 注射装置在注塑循环中，注射装置能在规定的时间内，将一定数量的塑料加热塑化后，在预定的压力和速度下，通过螺杆将熔融塑料注射到模具型腔中，注射结束后，对注射到模腔中的熔料保压定型。注射装置主要由螺杆、料筒、螺杆头、喷嘴、计量装置、加热装置
13、等组成。注射部分的工作过程：螺杆在传动装置的带动下，塑料从料斗经螺杆不断地向前输送，在加热电热圈及螺杆的剪切、混炼作用下，使塑料逐渐均匀地塑化熔融。同时，螺杆在螺杆头部熔料压力的作用下向后移动，退至额定的料量计量位置使螺杆停止转动，为注射做好准备。注射时，螺杆端部的止逆环直接作用于熔料上。防止熔料的回流，并以设定的注射压力和速度将熔料注入模腔。2.1.2 锁模装置锁模系统用来开启关闭模具，支撑与移动模具组件，产生足够的力量以防止模具被射出压力推开。锁模机构可以是肘节机构锁定、油压机构锁定、或是上述的两个基本型态的组合。2.1.3 液压传动装置射出机的液压系统提供开启与关闭模具的动力，蓄积并维持
14、锁模力吨数，旋转与推进螺杆，致动顶出销，以及移动公模侧。液压系统的组件包括液压泵、阀、液压马达、液压管件、液压接头及液压槽等。2.1.4 控制系统控制系统提供成形机一致性的重复操作，并且监控温度、压力、射出速度、螺杆速度与位置、及油压位置等制程参数。制程控制直接影响到塑件品质和制程的经济效益。控制系统包括简单的开关继电器控制到复杂的微处理器闭回路控制器。2.2 注塑机的选用及基本参数2.2.1注塑机分类根据功能区分，射出成形机的大致上有三个种类：1)一般用途射出机，2)精密、紧配射出机，3)高速、薄肉厚射出机。射出成形机的主要辅助设备包括树脂干燥机、材料处理及输送设备、粉碎机、模温控制机与冷凝
15、器、塑件退模之机械手臂、以及塑件处理设备。2.2.2 注塑机的基本参数 1.锁模系统参数(1)锁模力锁模力是用来表示机器所能提供的最大锁模能力，是表示注塑机规格大小的主要参数。(2)容模能力注塑机的拉杆内距，容模厚度，开模行程的技术参数决定了机器的容模能力。(3)移模速度移模速度表示模板可移动的最快速度，在一定程度上可反映出注塑机最大的生产效率，移模速度越快，相对生产效率越高。2.注射系统参数(1)注射量注射量是指注塑机在最大储料量时作一次最大的注射行程(2)塑化能力以及注射压力 3.其他参数(1)总功率 注塑机的用电总功率常用千瓦表示，是表示发热器功率，液压泵电动机功率和控制系统功率三部分的
16、最大用功功率之和。(2)机器尺寸和机器重量2.2.3 本设计注塑机的选用注塑模具的注塑机选用HT90，其具体参数如下：螺杆直径：40mm注射容量（理论）：320 cm3合模力：40t允许模具厚度（最小）：180mm开模行程：350mm顶出力量：3.3t顶出行程：140mm机器重量：2.2t机器外形尺寸：1.9*0.9*2.5m第三章 产品材料分析3.1 塑料的概述3.1.1 塑料的概念塑料是以高分子聚合物为主要成分，并在加工为制品的某阶段可流动成型的材料。所谓高分子聚合物，是指由成千上万个结构相同的小分子单体通过加聚或缩聚反应形成的长链大分子。它既存在于大自然中（称之为天然树脂），又能通过化学
17、方法人工制取（称之为合成树脂）。合成树脂是塑料的主体。在合成树脂中加入某些添加剂，如稳定剂、填料、增塑剂、润滑剂、着色剂等，可得到各种性能的塑料品种。由于添加剂所占比例较小，塑料的性能主要取决与合成树脂的性能。3.1.2 塑料的分类目前，塑料品种已达多种，常见的约多种。我们可根据塑料的制造方法、成型工艺及其用途将它们进行分类。1按制造方法分类合成树脂的制造方法主要是根据有机化学中的两种反应：聚合反应和缩聚反应，因此，可将塑料划分成聚合树脂和缩聚树脂两累。2按成型性能分类根据成型性能，塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料的特点是受热后软化或熔融，此时可加工成型，冷却后固化，再加热仍可软化
18、。热固性塑料在开始受热时也可软化或熔融，但是一旦固化成型就不会再软化。3按用途分类按照用途塑料又可分为通用塑料、工程塑料以及特殊用途的塑料等。3.2 本设计的原料的选用及其性质本次设计产品为汽车前照灯齿轮轴，从外形上看上去，细而长，有侧凹。实物图如图3.1. 产品的材料为聚丙烯（PP）和色母按照一定的比例混合（白色为100:3和灰色为100:2），使之性能达到要求的一种材料，PP属于热塑性材料，具有光泽度好，着色性能佳的特点，可以满足制品光亮夺目、色泽鲜艳的特点。其密度为0.90.91,收缩率为1.0%3%，其平均密度为0.905,平均收缩率为2%。 图3.1 实物图PP具有以下工艺特性：（1
19、）结晶型塑料，吸湿性小，可能发生熔体破裂；（2）流动性极好，溢边值为0.03左右；（3）冷却速度快，浇注系统及冷却系统的散热应适度；（4）易发生填充不良、缩孔、凹痕、变形，取向性强；（5）料温低时取向性明显，尤其低温高压时更明显，模具温度低于50以下塑件无光泽，易产生熔接痕、流痕，90以上时易发生翘曲，变形；（6）壁厚不均匀，有缺口、尖角时易应力集中而开裂。齿轮轴的质量标准如下表：表3.1 齿轮轴材料标准材料成分PP聚丙烯色母比例1003重量（g）9.1550.275编号M19009(S700)黑M19950（9367-GN-80）表3.2 齿轮轴质量标准检测项目质量标准外观清洁，无污迹，无黑
20、点，无变形 颜色均匀，不发白，PP和TPE颜色不得超出标准毛边不允许有锋利，明显的毛边，毛刺存在水口水口冷料高度不能大于1.0mm冷料牙柄表面橡胶冷料不得超过1个，冷料最大尺寸不得超过2.0mm缩水牙柄正面不能有明显的凹陷，背面允许有轻微的凹陷，齿轮轴不能有缩水现象、第四章 应用Mold flow进行注塑过程分析在公司对汽车前照灯的齿轮轴产品模具进行试模时，产品合格率不高，不良率很高，主要问题有，烧灼如图3.2、变形如图3.3。 图3.2 烧灼 图3.3 变形我认为模具在设计时候就可能存在一定的问题。导致制造出来的产品没有达到预期的效果，本设计中我通过MOLDFLOW软件对此零件进行了CAE分
21、析，找出改进模具结构、解决问题的方案。4.1 Mold flow的简介Mold flow是注塑成型CAE分析软件中功能全面是一款软件。注塑成型CAE是根据连续介质力学、塑料加工流变学和传热学基本理论，建立塑料熔体在模具型腔中流动、传热的数学模型。对于厚度方向尺寸远小于其他方向尺寸的薄壁塑件，可以使用基于非稳态、非等温条件下的HeleShaw流动模型，建立描述该过程的连续性方程、运动方程和能量方程。由这些方程加上描述材料特性的本构关系和适当边界条件可以准确描述注射成型充填过程。运用有限元有限差分混合数值方法得到塑件在不同时间段压力场、温度场等的变化情况，从而模拟出实际生产情况。Mold flow
22、软件是澳大利亚MOLDFLOW公司的产品，该公司自1976年发行了世界上第一套塑料注塑成型流动分析软件以来，一直主导塑料成型CAE软件市场。Mold flow软件包括3部分：Mold flow Plastics Advisers(产品优化顾问，简称MPA)：在完成塑料制品设计后，运用MPA软件模拟分析，在很短的时间内，就可以得到优化的产品设计方案，并确认产品表面质量。Mold flow Plastics Insight(注塑成型模拟分析，简称MPI)：对塑料制品和模具进行深入分析的软件包，它可以在计算机上对整个注塑过程进行模拟分析，包括填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力和收缩，以及气体
23、辅助成型和热固性材料流动分析等，使模具设计师在设计阶段就找出未来产品可能出现的缺陷，提高一次试模的成功率。Mold flow Plastics Xpert(注塑成型过程控制专家，简称MPX)：集软硬件为一体的注塑成型品质控制专家，可以直接与注塑机控制器相连，可进行工艺优化和质量监控，自动优化注塑周期、降低废品率及监控整个生产过程。一般情况下，最常用的是MPI，主要用来对注塑过程进行模拟分析，从而得到最佳的浇口数量与位置，合理的流道系统与冷却系统，并对型腔尺寸、浇口尺寸、流道尺寸、冷却系统尺寸和注塑工艺进行优化，从而提高一次试模成功率，降低生产成本、缩短生产周划。4.2注塑产品的CAE分析原理注
24、塑成型CAE技术主要由3个部分组成：(1)根据连续介质力学、塑料加工流变学、传热学基本理论建立型腔内熔体流动、传热的数学模型；(2)根据成型过程中压力场、温度场、速度场等的分布，运用数值计算理论建立定量求解方法，(3)依据上述模型与计算方法，运用计算机图形学，在计算机屏幕上形象、直观地显示出实际成型中熔体的动态充填冷却过程。其中建立可靠的数学模型及与之对应的数值计算方法是该技术的核心。对于齿轮轴这种塑件，可采用基于非稳态、非等温条件下的HeleShaw流动模型，并结合描述注塑过程的基于连续介质力学理论的连续性方程、运动方程和能量方程，以及描述材料特性的本构关系、边界条件，对注塑充填过程进行准确
25、描述(一般需结合注塑成型特点，对上述方程进行合理的简化与假设，以得到最能反映该过程且便于数值计算的控制方程)由此建立的模型为中面模型，结合流动分析网络法，运用有限元有限差分混合数值方法进行求解，从而得到实际注塑过程中不同时间段的压力场、温度场等的变化情况模拟结果(该求解方法在流动平面内采用有限元近似，厚度方向和时间导数采用有限差分近似，集中了二者的优点，适用于对平面任意形状型腔的模拟)。通过以上方法可得到下面几个直角坐标系的控制方程。连续性方程： X方向动量方程：Y方向动量方程：能量守恒方程： 式中：b为型腔半厚，分别为X、Y方向的平均速度，P、Cp、k，T别为密度、比定压热容、热导率、时间，
26、p、T别为熔体的压力和温度，、分别为黏度和剪切速率。4.3 Mold flow的分析步骤与其他CAE分析软件一样，采用Moldflow对塑件进行CAE分析的过程分为3个阶段：前置处理，计算机模拟，后置处理。前置处理是指塑件几何模型的建立及有限元网格的划分和修改，注塑材料特性参数及注塑工艺条件的交互输入，为注塑过程的计算机模拟创造必要的条件。计算机模拟是整个分析过程的主体，常用的分析模式为确定浇口的位置、设计浇口、进行产品的Filling和packing模拟和分析，从而对浇口设计进行优化I对冷却系统的设计，进行冷却模拟和分析等。后置处理是指注塑过程模拟结果的表格化和图形化。主要有最大压力、最高最
27、低温度，锁模力、浇口数目、浇口位置、总体积、流动率、模具温度、熔体温度、注射时间、保压时间、冷却时间、开模时间、注塑材料牌号等。4.3.1塑件几何模型的建立塑件几何模型的建立可以利用ProE、UG等软件进行处理，非常方便有效。图4.l为在UG中建立的齿轮轴三维图。由于齿轮轴的曲线结构和刷空处密集的排列，当进行网格划分时，会带来非常复杂的大量工作，所以在导入之前对模型进行合理的简化和处理，从而在不影响分析结果的基础上，方便了网格的划分和后期的处理。图4.l 产品UG图4.3.2 有限元网格的划分有限元网格划分把ProE中创建的台历架模型STL文件导入Moldflow时，网格类型选择Fusion(
28、表面网格)，单位为mm。在划分网格时，采用的网格单元边长参数值为3mm，因为导入格式非IGEs，所以IGESmerge tolerance(合并容差)不起作用，不需填写。单击GenerateMesh(生成网格)即可。需要注意的是在划分网格前，由于模型的圆角特征对分析影响不大，需去掉，否则会影响网格的质量，增加了修改网格的工作量。划分好网格后，选择Mesh菜单中的Mesh Statistics(网格状态统计)，得出网格统计信息如图4.2所示，制件网格如图4.3所示。图4.2 网格统计信息 图4.3 制件网格图从图4.2以看出，三角形单元4336个，节点单元2170个，连通域1个，共用边数量650
29、4，模型体积2.8418cm3，表面积30.0828cm2，与UG的计算结果一致，除了纵横比的极大值外，其他信息符合进行分析的条件。这次以3mm划分网格，纵横比出现较大值29.859，这是三角形单元不均匀的体现，通过选择Mesh菜单中纵横比诊断(Aspect Ratio Diagnostic)命令，输入最大值10mm，系统将用不同颜色的引出线指出纵横比大小不同的单元，利用网格工具(Mesh Tools)对其进行修改，修改的工作量并不多，但是由于修改后的模型同样有多出圆角等，导致网格效果并不是十分的理想。4.4 结果分析及后期处理分析计算结束后，MPI会生成大量文字、图形和动画结果，并且分类显示
30、在任务栏StudyTasks窗口中，有关于各个分析过程的大量信息，下面只是分析一些相关的结果。做分析和一些简单处理和对比，从而达到优化参数和结构的目的。4.4.1浇口位置分析模具设计时，浇口的位置及尺寸要求比较严格，初步试模后还需进一步修改浇口尺寸，无论采用何种浇口，其开设位置对塑件成型性能及质量影响很大，因此合理选择浇口的开设位置是提高质量的重要环节，同时浇口位置的不同还影响模具结构。总之要使塑件具有良好的性能与外表，一定要认真考虑浇口位置的选择，通常要考虑以下几项原则：1) 尽量缩短流动距离。2) 浇口应开设在塑件壁厚最大处。3) 必须尽量减少熔接痕。4) 应有利于型腔中气体排出。5) 考
31、虑分子定向影响。6) 避免产生喷射和蠕动。7) 浇口处避免弯曲和受冲击载荷。8) 注意对外观质量的影响。由于塑件的形状千变万化，且塑料材料不同，因此浇口位置的设计是一个较困难的过程。运用CAE软件如MoldFlow可以模拟塑料熔体在型腔中的填充、保压、冷却过程，其结果对优化模具结构和注塑工艺参数有重要的指导意义，可提高一次试模的成功率。M0ldn004J软件中的MPLGate L0cation模块分析最佳浇口位置区域，可为注塑模具的设计找到一个初步的最佳浇口。最佳浇口确定后可进一步进行填充(Fiu)分析。MPLFiU模块是MoldFhv中用于分析塑件的充型行为，填充分析的最终目的是为了获得最佳浇注系统。通过对不同浇注系统的分析比较，选择最佳的浇注系统布局。利用MPLGate kation和MPLFiu分析模块对注塑件进行模拟分析，可快速而又较为准确地得到最佳的浇口位置，从而大大减少试模次数，节省模具制造成本。经过分析，可以得出最佳浇口位置，如图4.4中蓝色处。 图4.4 最佳浇口位置4.4.2、填充时间分析填充分析主要计算出从注射开始到模腔被填满整个过程中的流动前沿位置。该分析用来预测制件、塑
