畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）CAE在游戲手柄上蓋注塑成型中的應(yīng)用

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1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 正 文 第23頁(yè) 摘 要 注塑CAE技術(shù)是注塑產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝分析中一個(gè)重要的應(yīng)用技術(shù)，它是根據(jù)塑料加工流變學(xué)和傳熱學(xué)的基本理論，建立塑料熔體在模具型腔中流動(dòng)、傳熱的物理和數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)直觀地模擬成型中熔體的動(dòng)態(tài)填充、冷卻等過(guò)程，定量地給出成型過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù)。 論文首先深入研究了注射成型過(guò)程的流動(dòng)及冷卻數(shù)學(xué)模型及其分析理論基礎(chǔ)，并應(yīng)用CAE軟件進(jìn)行了相關(guān)的計(jì)算和分析，通過(guò)CAE數(shù)值模擬驗(yàn)證了在注塑模具設(shè)計(jì)及制造方面的相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)。 論文以游戲手柄上蓋為研究對(duì)象，應(yīng)用CAE分析軟件，

2、探討了有限元模型建立、塑料材料選擇、澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面應(yīng)用CAE的方法。通過(guò)對(duì)游戲手柄上蓋注塑成型過(guò)程的數(shù)值模擬，論證了澆口最佳位置以及塑料熔體的流動(dòng)分析、冷卻分析、翹曲分析、收縮分析和成型工藝條件。通過(guò)理論和模擬實(shí)驗(yàn)全面分析了各種工藝參數(shù)例如溫度、澆口數(shù)量及位置、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)塑質(zhì)量的影響。針對(duì)零件質(zhì)量缺陷或問(wèn)題產(chǎn)生的原因，合理設(shè)計(jì)了模具的澆注系統(tǒng)和溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。獲得了塑料在熔料溫度、模具溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間五因素。通過(guò)塑料CAE模擬計(jì)算?？勺畲?消除產(chǎn)品設(shè)計(jì)、 模具設(shè)計(jì)及產(chǎn)品制造成型過(guò)程中可能出現(xiàn)的不足，取代傳統(tǒng)的反復(fù)試模、修模等過(guò)程，從而降低產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周

3、期。 關(guān)鍵詞：注塑成型；CAE；注塑產(chǎn)品 CAE在游戲手柄上蓋注塑成型中的應(yīng)用 緒 論 模具工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門發(fā)展的重要基礎(chǔ)，公認(rèn)為：“模具工業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的基石”，“模具是促進(jìn)社會(huì)繁榮富裕的動(dòng)力”。據(jù)國(guó)際生產(chǎn)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)工業(yè)品。零件粗加工的70%精加工的50％是由模具成型來(lái)完成的。這些年來(lái)，我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的塑料模CAD／CAM系統(tǒng)有了很大的發(fā)展，提高了模具的質(zhì)量和生產(chǎn)的效益。但是遺憾的是，由于諸多原因，模具CAD／CAE／CAM技術(shù)在中國(guó)普及不夠，尤其是跨多學(xué)科的CAE技術(shù)更是應(yīng)用較少。目前我國(guó)模具標(biāo)準(zhǔn)化和商品化程度在30％以下，和國(guó)外工業(yè)先進(jìn)

4、國(guó)家70％-80％相比，差距是明顯的。 近年來(lái)，隨著塑料工業(yè)的飛速發(fā)展，通用與工程塑料在強(qiáng)度和精度等方面的不斷提高，，工業(yè)產(chǎn)品和日用產(chǎn)品塑料化明顯，逐漸形成了以塑代鋼、以塑代木的趨勢(shì)。塑料制品的強(qiáng)勁發(fā)展勢(shì)頭，極大地帶動(dòng)了整個(gè)塑料模具工業(yè)的發(fā)展。由于高效率、高精度和低成本的顯著特點(diǎn)，注塑成型成為批量生產(chǎn)塑料制品的首選方法。但是，注塑成型常常出現(xiàn)各種質(zhì)量問(wèn)題，例如，短射、飛邊、翹曲、熔接痕和尺寸誤差等。CAE軟件能準(zhǔn)確的分析模具的性能，從而不必像過(guò)去試?！弈！嚹Ｖ钡竭_(dá)到要求的過(guò)程，省下了很多人力物力，縮短了生產(chǎn)周期，大大提高了生產(chǎn)效率。 一、游戲手柄上蓋成型工藝分析 （一）塑料

5、制品工藝分析 本次分析的塑料件，是一個(gè)對(duì)稱的曲面較多的零件，X方向長(zhǎng)度約為121mm,Y方向約為170mm,Z方向約為20mm。平均厚度為1.5mm.外表面質(zhì)量要求較高。材料為ABS塑料。 ABS塑料的性能為：優(yōu)良的韌性、耐沖擊和耐寒性，優(yōu)良的剛性、光澤、電性能和加工性能，另外還有良好的阻燃性和通用性。ABS塑料由于具有較好的綜合性能，沖擊性能又十分突出，因而被大量使用代替金屬材料。廣泛應(yīng)用于家電、電子電器、辦公設(shè)備、汽車、機(jī)械等領(lǐng)域。 由于此制品表面質(zhì)量要求較高，又有較多的曲面，因此在設(shè)計(jì)模具時(shí)應(yīng)注意溶解痕的位置及填充效果。 (二)游戲手柄上蓋成品圖 圖1

6、游戲手柄上蓋成品圖 二、選擇注塑成型設(shè)備 圖2 注塑成型設(shè)備 三、游戲手柄上蓋的CAE分析 （一）外殼模型前處理 1．制品網(wǎng)格劃分 為了使CAE分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，制品在導(dǎo)入CAE前必須在網(wǎng)格分析軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格分析可以說(shuō)是工作中最簡(jiǎn)單的工作，繁瑣而且技術(shù)性不高，但是它卻是CAE分析的基礎(chǔ)。 首先，將用UG制作的三位造型的零件圖在UG環(huán)境中導(dǎo)出STL格式。 然后，打開(kāi)華塑網(wǎng)格管理器，將STL格式的三維模型導(dǎo)入，選擇合適網(wǎng)格精度點(diǎn)擊生成網(wǎng)格，如下圖 圖3 圖4 （1） 進(jìn)行相交單元檢查 若檢查結(jié)果相交單元數(shù)量不為

7、0，則需要利用刪除單元，新建單元的命令進(jìn)行修改，直到數(shù)量為0為止。 （2） 孤立元素檢查 若數(shù)量不為0，則用刪除命令將孤立元素刪除到，直到數(shù)量為0。 （3） 零面積單元檢查。 （4） 自由邊界檢查 若數(shù)量不為0，則可利用如圖所示的自動(dòng)修復(fù)的命令進(jìn)行修改。 圖5 （5） 長(zhǎng)高比檢查。 若檢查數(shù)量不為0，可利用“合并節(jié)點(diǎn)”和“添加節(jié)點(diǎn)”的命令進(jìn)行修改。 （6） 單元配對(duì)類型檢查。 （7） 連通性檢查。 （8） 網(wǎng)格評(píng)估：若全部通過(guò)則完畢，若有未通過(guò)的，在進(jìn)行針對(duì)性修改。如圖 圖6 （二） 制品初始方案確定 圖7方 案 一 圖8方 案 二 （潛伏

8、澆口） 基于此制品的性質(zhì)和外殼質(zhì)量要求，經(jīng)討論初步?jīng)Q定采用方案二。 （三） CAE設(shè)計(jì)過(guò)程 圖8 1．充模設(shè)計(jì) (1) 定義進(jìn)料點(diǎn)，根據(jù)我們的設(shè)計(jì)點(diǎn)擊確定澆口的位置。 （2）設(shè)置流道參數(shù)。（澆口，分流道，主流道。）如下圖： 圖9 （3） 設(shè)置成型工藝參數(shù)。如下圖 圖10 2．冷卻設(shè)計(jì) （1） 設(shè)計(jì)虛擬型腔。如下圖： 圖11 （2） 設(shè)計(jì)參考平面。如圖： 圖12 （3） 新建直線。 （4） 完成回路，選定新建的直線，設(shè)置冷卻水路直徑為8，如下圖： 圖13 （5） 設(shè)置冷卻工藝條件，如下圖： 圖14 3．翹曲設(shè)計(jì)。

9、 4．開(kāi)始分析，如下圖： 圖15 （四）制品方案分析及比較 方案二 充模分析結(jié)果 數(shù)據(jù)項(xiàng) 數(shù)據(jù) 充模時(shí)間(s) 0.51 澆口數(shù)量(個(gè)) 2 最大澆口進(jìn)料差(%) 0.01206 熔體最大溫差(℃) 1.1e+002 最大注射壓力(MPa) 62 表2 1．充模分析及方案比較 方案一充模分析結(jié)果 數(shù)據(jù)項(xiàng) 數(shù)據(jù) 充模時(shí)間(s) 0.41 澆口數(shù)量(個(gè)) 2 最大澆口進(jìn)料差(%) 0.01215 熔體最大溫差(℃) 84 最大注射壓力(MPa) 61 表1 方案一分

10、析圖片 方案二分析圖片 圖16 流動(dòng)前沿（最后時(shí)刻） 圖17 流動(dòng)前沿（最后時(shí)刻） 圖18 流動(dòng)結(jié)束時(shí)溫度場(chǎng) 圖19 流動(dòng)結(jié)束時(shí)溫度場(chǎng) 圖20 流動(dòng)結(jié)束時(shí)壓力場(chǎng) 圖21 流動(dòng)結(jié)束時(shí)壓力場(chǎng) 充填過(guò)程的模擬分析可以顯示熔體從澆口逐漸充滿型腔的動(dòng)態(tài)過(guò)程，由此可判斷熔體的流動(dòng)形態(tài)是否理想，各個(gè)流動(dòng)路徑是否同時(shí)充滿型腔的各個(gè)末端( 流動(dòng)是否平衡)。 經(jīng)過(guò)比較方案一沖模時(shí)間比方案二短，最大注射壓力小，最大剪切力小。 2．熔接痕分析及方案比較（紅色線為熔接痕） 方案一 方案二 圖22 圖23 上圖為熔接

11、痕分布位置。經(jīng)分析比較 方案二的熔接痕比方案一的少。 3． 氣穴分析及方案比較（黃色點(diǎn)為氣泡） 方案一 方案二 圖24 圖25 上圖為氣泡位置分布圖。經(jīng)分析比較 方案二的氣泡比方案一的少。 4． 鎖模力分析及方案比較 方案一分析圖片 方案二分析圖片 圖26 鎖模力曲線 圖27 鎖模力曲線 圖為鎖模力——時(shí)間曲線。從圖中得出最大鎖模力約為13t，故可根據(jù)此值選擇合適的注塑機(jī)以獲得足夠的鎖模力。經(jīng)分析比較方案一和方案二鎖模力大小相差不大。 5 .冷卻分析及方案比較 方案一分析圖片 方案二分析圖片

12、圖28 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) 圖29 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) 方案一分析圖片 方案二分析圖片 圖30 冷卻時(shí)間場(chǎng) 圖31 冷卻時(shí)間場(chǎng) 圖32 冷卻介質(zhì)溫度場(chǎng) 圖33 冷卻介質(zhì)溫度場(chǎng) 圖34 可頂出區(qū)域 圖35 可頂出區(qū)域 在注塑成型過(guò)程中，橫具的溫度直接影響到凝件成型的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。由于各種塑料的性能和成型工藝要求不同，模具的溫度也要求不同，一般注射到模具內(nèi)的塑料溫度為200℃左右，而塑件固化后從模具型腔中取出對(duì)其溫度要低很多，這就需要在模具中通入冷卻水，使模具降溫?；诖酥破返墓に囂匦约百|(zhì)量要求，可

13、用如圖所示的冷卻管布置位置，由CAE分析此冷卻管布置用于方案二更合適。 6.應(yīng)力翹曲分析及方案比較 翹曲交形是注塑成型中最主要的缺陷之一，它會(huì)影響產(chǎn)品的外觀和使用性能，翹曲程度嚴(yán)重的制品甚至無(wú)法使用，變成不合格品。因此，對(duì)翹曲變形缺陷的控制一直受到工程師們的重視。為了使制品的質(zhì)量更好，很有必要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行翹曲分析。分析結(jié)果如下： 方案一分析圖片 方案二分析圖片 圖36 翹曲結(jié)果 圖37 翹曲結(jié)果 經(jīng)CAE翹曲分析,兩方案翹曲程度都不是很明顯。經(jīng)過(guò)以上各個(gè)階段的分析，方案一，雖然各個(gè)方面都很合理，從產(chǎn)品質(zhì)量要求，表面精度，生產(chǎn)成本，模具的制造

14、復(fù)雜程度等方面考慮，推薦使用方案二。 四、游戲手柄上蓋的模具設(shè)計(jì) 成型部分，作為塑件的幾何邊界，包容塑件，完成塑件的結(jié)構(gòu)和尺寸的成型，是注塑模的核心部分。成型通常是由定模、動(dòng)摸、鑲件、特殊成型零件及成型頂桿等組成。本制品采用一摸兩腔。 應(yīng)用UG制圖軟件，單擊MoldWizard工具條中的模架圖標(biāo)，出現(xiàn)如38圖所示的模架管理對(duì)話框。選用的模架是5050大水口，A類型，工字邊，定模板（A）厚度為40mm，動(dòng)模板（B）厚度為70mm，動(dòng)模墊板厚度為60mm，托板（C）厚度為110mm。并把對(duì)話框中相應(yīng)的數(shù)據(jù)改成：AP_h=60，BP_h=40，U_h=60，CP_h=110。 模架具體

15、訂購(gòu)代號(hào)為3225—AI—40—70—60—110。 圖38 （一）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì) 除兩個(gè)型芯外，隱藏所有文件。單擊MoldWizard工具條中的流道圖標(biāo)，出現(xiàn)如圖39所示的對(duì)話框。 單擊點(diǎn)子功能，出現(xiàn)點(diǎn)構(gòu)造器對(duì)話框，選擇兩個(gè)型芯最相近的點(diǎn)，單擊確定。又出現(xiàn)如圖40所示對(duì)話框，點(diǎn)選創(chuàng)建流道通道圖標(biāo)，選擇圓型流道，橫截面A改為10，如圖41所示。單擊確定，完成主流道的建立，再按以上方法完成全部流道的建立。 點(diǎn)擊建模，利用草圖畫出一個(gè)扇形澆口，調(diào)整大小。以同樣的方法將另一個(gè)澆口加入。 圖39 圖40 圖41 （二

16、）推出系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1.建立拉料桿 單擊MoldWizard工具條中的標(biāo)準(zhǔn)件圖標(biāo)，出現(xiàn)如圖42所示的對(duì)話框。在分類里點(diǎn)選Ejection，在列表框中點(diǎn)選Ejector Pin[Straight]，如圖43。 將下方的尺寸改為： MATERIAL=NITRIDED； CATALOG＿DIA=8； CATALOG＿LENGTH=200； HEAD＿TYPE=1。 圖42 圖43 2加入頂桿 單擊MoldWizard工具條中的標(biāo)準(zhǔn)件圖標(biāo)，出現(xiàn)如圖所示的對(duì)話框。在分類里點(diǎn)選Ejection，在列表框中點(diǎn)選Eject

17、or Pin[Straight]。 將下方的尺寸改為： CATALOG＿DIA=3； CATALOG＿LENGTH=250； HEAD＿TYPE=3。 圖44 圖45 （三）冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì) 普通的模具通入水進(jìn)行冷卻，調(diào)節(jié)水的流量就可以調(diào)節(jié)模具的溫度。這種冷卻方式可以用于流動(dòng)性較好的低熔點(diǎn)塑料的成型。本套模具的冷卻水道的詳細(xì)布局可以從模具的俯視圖中看出。如下圖： 圖46 （四）模具總體結(jié)構(gòu) 注塑模按照總體結(jié)

18、構(gòu)可以分為單分型面注塑模、雙分型面注塑摸、和帶有活動(dòng)鑲塊的注塑模和帶有側(cè)向分型抽芯的注塑模具等。此制品整體結(jié)構(gòu)如圖47所示： 圖47總裝圖 結(jié) 論 隨著塑料產(chǎn)品不斷發(fā)展，人們對(duì)塑料產(chǎn)品要求也越來(lái)越高，很多注塑模的設(shè)計(jì)都是憑設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)依據(jù)，有很大盲目性，不僅使模具的生產(chǎn)周期加長(zhǎng)，成本變高，而且質(zhì)量也難以保證。針對(duì)生產(chǎn)中急需解決的問(wèn)題，CAE軟件可以說(shuō)是不錯(cuò)的選擇。 本文是以游戲手柄上蓋的制品為研究的對(duì)象，，完成了從CAD建模、模型導(dǎo)入CAE、網(wǎng)格劃分、

19、澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的建立，工藝參數(shù)的確定等完整的塑料件仿真模型建立過(guò)程。對(duì)塑件的注射.保壓.冷卻.翹曲變形進(jìn)行了模擬仿真， 注塑制品的質(zhì)螢受多種因素的影響，成型工藝的非線性、多變量特性，使得制品質(zhì)量與各種影響因素之間的關(guān)系非常復(fù)雜。論文通過(guò)澆注系統(tǒng)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)及冷卻分析實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了澆注系統(tǒng)和溫度調(diào)一仃系統(tǒng)對(duì)塑件質(zhì)量、生產(chǎn)效率的重要性。 在模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，如何降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量要求，使工藝流程能更加優(yōu)化、合理，促使企業(yè)在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中更多地使用數(shù)字化仿真技術(shù)是擺在模具企業(yè)面前的一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。引入模具CAE技術(shù)，無(wú)疑是加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)成本的上策。

20、 參考文獻(xiàn) [1]陳立亮．材料加工：CAD／CAE／CAM技術(shù)基礎(chǔ)【M】．北京：機(jī)械l：業(yè)出版社，2007 [2]李名堯．模具CAD／CAM[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005 [3]楊寧．注塑成型過(guò)程的數(shù)值模擬【D】：[碩士學(xué)位論文]．長(zhǎng)沙：中南工業(yè)大學(xué)材料加工工程學(xué)院，2001 [4]李德群．注塑成型流動(dòng)模擬技術(shù)的新進(jìn)展[EB／oL】．http：／／www．55jx．com／Html／xjziliao／0855 17623．htm，2004—12．16 致謝 大學(xué)生活馬上就要結(jié)束了，我的人

21、生又進(jìn)入了另一個(gè)階段，“事業(yè)”，人生四大階段，“學(xué)業(yè)”.“事業(yè)”.“婚姻”.“家庭”。我明白每個(gè)階段都不能停留太長(zhǎng)時(shí)間。畢業(yè)論文是我結(jié)束學(xué)校生涯的標(biāo)志，所以我必須認(rèn)真對(duì)待，在這重要的時(shí)期，指導(dǎo)老師幫了我大忙。 首先，感謝我的指導(dǎo)老師宮老師，是您耐心的指導(dǎo)，指出我論文的不足之處，并細(xì)心幫我修改，查資料，我才能順利的完成我的畢業(yè)論文。 其次，感謝我大學(xué)的所有老師，你們不僅傳授了書本知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，而且還教會(huì)了人生的道理。感謝我們親愛(ài)的張導(dǎo)，謝謝您給予的生活的上的幫助。您辛苦了。 最后，感謝我親愛(ài)的室友們，同學(xué)們，是你們讓我明白朋友最珍貴是，謝謝大家的幫助與照顧，謝謝你們帶給我的美好大學(xué)時(shí)光，我會(huì)記得你們一輩子的。 我的大學(xué)生涯已接近尾聲，我明白學(xué)無(wú)止境，需要學(xué)習(xí)的好有很多，人生的大課堂才剛剛開(kāi)始，我會(huì)努力的。最后向我的老師們，室友們，同學(xué)們，衷心地說(shuō)一聲謝謝。 哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院印制