畢業(yè)設計（論文）CAE在游戲手柄上蓋注塑成型中的應用

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1、畢 業(yè) 設 計 正 文 第23頁 摘 要 注塑CAE技術是注塑產品設計與工藝分析中一個重要的應用技術，它是根據(jù)塑料加工流變學和傳熱學的基本理論，建立塑料熔體在模具型腔中流動、傳熱的物理和數(shù)學模型，利用計算機圖形學技術直觀地模擬成型中熔體的動態(tài)填充、冷卻等過程，定量地給出成型過程中的狀態(tài)參數(shù)。 論文首先深入研究了注射成型過程的流動及冷卻數(shù)學模型及其分析理論基礎，并應用CAE軟件進行了相關的計算和分析，通過CAE數(shù)值模擬驗證了在注塑模具設計及制造方面的相關關鍵參數(shù)。 論文以游戲手柄上蓋為研究對象，應用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)設計等方面應用CAE的方法。通過對游戲手柄上蓋注塑成型過程的數(shù)值模擬，論證了澆口最佳位置以及塑料熔體的流動分析、冷卻分析、翹曲分析、收縮分析和成型工藝條件。通過理論和模擬實驗全面分析了各種工藝參數(shù)例如溫度、澆口數(shù)量及位置、溫度調節(jié)系統(tǒng)對塑質量的影響。針對零件質量缺陷或問題產生的原因，合理設計了模具的澆注系統(tǒng)和溫度調節(jié)系統(tǒng)。獲得了塑料在熔料溫度、模具溫度、保壓壓力、保壓時間、冷卻時間五因素。通過塑料CAE模擬計算?？勺畲?消除產品設計、 模具設計及產品制造成型過程中可能出現(xiàn)的不足，取代傳統(tǒng)的反復試模、修模等過程，從而降低產成本，縮短產品開發(fā)周

3、期。 關鍵詞：注塑成型；CAE；注塑產品 CAE在游戲手柄上蓋注塑成型中的應用 緒 論 模具工業(yè)是國民經濟各部門發(fā)展的重要基礎，公認為：“模具工業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的基石”，“模具是促進社會繁榮富裕的動力”。據(jù)國際生產協(xié)會統(tǒng)計，近年來工業(yè)品。零件粗加工的70%精加工的50％是由模具成型來完成的。這些年來，我國自主開發(fā)的塑料模CAD／CAM系統(tǒng)有了很大的發(fā)展，提高了模具的質量和生產的效益。但是遺憾的是，由于諸多原因，模具CAD／CAE／CAM技術在中國普及不夠，尤其是跨多學科的CAE技術更是應用較少。目前我國模具標準化和商品化程度在30％以下，和國外工業(yè)先進

4、國家70％-80％相比，差距是明顯的。 近年來，隨著塑料工業(yè)的飛速發(fā)展，通用與工程塑料在強度和精度等方面的不斷提高，，工業(yè)產品和日用產品塑料化明顯，逐漸形成了以塑代鋼、以塑代木的趨勢。塑料制品的強勁發(fā)展勢頭，極大地帶動了整個塑料模具工業(yè)的發(fā)展。由于高效率、高精度和低成本的顯著特點，注塑成型成為批量生產塑料制品的首選方法。但是，注塑成型常常出現(xiàn)各種質量問題，例如，短射、飛邊、翹曲、熔接痕和尺寸誤差等。CAE軟件能準確的分析模具的性能，從而不必像過去試模——修?！嚹Ｖ钡竭_到要求的過程，省下了很多人力物力，縮短了生產周期，大大提高了生產效率。 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，是一個對稱的曲面較多的零件，X方向長度約為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。廣泛應用于家電、電子電器、辦公設備、汽車、機械等領域。 由于此制品表面質量要求較高，又有較多的曲面，因此在設計模具時應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、選擇注塑成型設備 圖2 注塑成型設備 三、游戲手柄上蓋的CAE分析 （一）外殼模型前處理 1．制品網格劃分 為了使CAE分析結果更加準確，制品在導入CAE前必須在網格分析軟件中進行網格劃分.網格分析可以說是工作中最簡單的工作，繁瑣而且技術性不高，但是它卻是CAE分析的基礎。 首先，將用UG制作的三位造型的零件圖在UG環(huán)境中導出STL格式。 然后，打開華塑網格管理器，將STL格式的三維模型導入，選擇合適網格精度點擊生成網格，如下圖 圖3 圖4 （1） 進行相交單元檢查 若檢查結果相交單元數(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修復的命令進行修改。 圖5 （5） 長高比檢查。 若檢查數(shù)量不為0，可利用“合并節(jié)點”和“添加節(jié)點”的命令進行修改。 （6） 單元配對類型檢查。 （7） 連通性檢查。 （8） 網格評估：若全部通過則完畢，若有未通過的，在進行針對性修改。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） 基于此制品的性質和外殼質量要求，經討論初步決定采用方案二。 （三） CAE設計過程 圖8 1．充模設計 (1) 定義進料點，根據(jù)我們的設計點擊確定澆口的位置。 （2）設置流道參數(shù)。（澆口，分流道，主流道。）如下圖： 圖9 （3） 設置成型工藝參數(shù)。如下圖 圖10 2．冷卻設計 （1） 設計虛擬型腔。如下圖： 圖11 （2） 設計參考平面。如圖： 圖12 （3） 新建直線。 （4） 完成回路，選定新建的直線，設置冷卻水路直徑為8，如下圖： 圖13 （5） 設置冷卻工藝條件，如下圖： 圖14 3．翹曲設計。

9、 4．開始分析，如下圖： 圖15 （四）制品方案分析及比較 方案二 充模分析結果 數(shù)據(jù)項 數(shù)據(jù) 充模時間(s) 0.51 澆口數(shù)量(個) 2 最大澆口進料差(%) 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 方案一充模分析結果 數(shù)據(jù)項 數(shù)據(jù) 充模時間(s) 0.41 澆口數(shù)量(個) 2 最大澆口進料差(%) 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 流動前沿（最后時刻） 圖17 流動前沿（最后時刻） 圖18 流動結束時溫度場 圖19 流動結束時溫度場 圖20 流動結束時壓力場 圖21 流動結束時壓力場 充填過程的模擬分析可以顯示熔體從澆口逐漸充滿型腔的動態(tài)過程，由此可判斷熔體的流動形態(tài)是否理想，各個流動路徑是否同時充滿型腔的各個末端( 流動是否平衡)。 經過比較方案一沖模時間比方案二短，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（黃色點為氣泡） 方案一 方案二 圖24 圖25 上圖為氣泡位置分布圖。經分析比較 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以獲得足夠的鎖模力。經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 圖29 穩(wěn)態(tài)溫度場 方案一分析圖片 方案二分析圖片 圖30 冷卻時間場 圖31 冷卻時間場 圖32 冷卻介質溫度場 圖33 冷卻介質溫度場 圖34 可頂出區(qū)域 圖35 可頂出區(qū)域 在注塑成型過程中，橫具的溫度直接影響到凝件成型的質量和生產效率。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，一般注射到模具內的塑料溫度為200℃左右，而塑件固化后從模具型腔中取出對其溫度要低很多，這就需要在模具中通入冷卻水，使模具降溫。基于此制品的工藝特性及質量要求，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，它會影響產品的外觀和使用性能，翹曲程度嚴重的制品甚至無法使用，變成不合格品。因此，對翹曲變形缺陷的控制一直受到工程師們的重視。為了使制品的質量更好，很有必要對產品進行翹曲分析。分析結果如下： 方案一分析圖片 方案二分析圖片 圖36 翹曲結果 圖37 翹曲結果 經CAE翹曲分析,兩方案翹曲程度都不是很明顯。經過以上各個階段的分析，方案一，雖然各個方面都很合理，從產品質量要求，表面精度，生產成本，模具的制造

14、復雜程度等方面考慮，推薦使用方案二。 四、游戲手柄上蓋的模具設計 成型部分，作為塑件的幾何邊界，包容塑件，完成塑件的結構和尺寸的成型，是注塑模的核心部分。成型通常是由定模、動摸、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。 應用UG制圖軟件，單擊MoldWizard工具條中的模架圖標，出現(xiàn)如38圖所示的模架管理對話框。選用的模架是5050大水口，A類型，工字邊，定模板（A）厚度為40mm，動模板（B）厚度為70mm，動模墊板厚度為60mm，托板（C）厚度為110mm。并把對話框中相應的數(shù)據(jù)改成：AP_h=60，BP_h=40，U_h=60，CP_h=110。 模架具體

15、訂購代號為3225—AI—40—70—60—110。 圖38 （一）澆注系統(tǒng)設計 除兩個型芯外，隱藏所有文件。單擊MoldWizard工具條中的流道圖標，出現(xiàn)如圖39所示的對話框。 單擊點子功能，出現(xiàn)點構造器對話框，選擇兩個型芯最相近的點，單擊確定。又出現(xiàn)如圖40所示對話框，點選創(chuàng)建流道通道圖標，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。 點擊建模，利用草圖畫出一個扇形澆口，調整大小。以同樣的方法將另一個澆口加入。 圖39 圖40 圖41 （二

16、）推出系統(tǒng)設計 1.建立拉料桿 單擊MoldWizard工具條中的標準件圖標，出現(xiàn)如圖42所示的對話框。在分類里點選Ejection，在列表框中點選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工具條中的標準件圖標，出現(xiàn)如圖所示的對話框。在分類里點選Ejection，在列表框中點選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)設計 普通的模具通入水進行冷卻，調節(jié)水的流量就可以調節(jié)模具的溫度。這種冷卻方式可以用于流動性較好的低熔點塑料的成型。本套模具的冷卻水道的詳細布局可以從模具的俯視圖中看出。如下圖： 圖46 （四）模具總體結構 注塑模按照總體結

18、構可以分為單分型面注塑模、雙分型面注塑摸、和帶有活動鑲塊的注塑模和帶有側向分型抽芯的注塑模具等。此制品整體結構如圖47所示： 圖47總裝圖 結 論 隨著塑料產品不斷發(fā)展，人們對塑料產品要求也越來越高，很多注塑模的設計都是憑設計者的經驗，缺乏科學依據(jù)，有很大盲目性，不僅使模具的生產周期加長，成本變高，而且質量也難以保證。針對生產中急需解決的問題，CAE軟件可以說是不錯的選擇。 本文是以游戲手柄上蓋的制品為研究的對象，，完成了從CAD建模、模型導入CAE、網格劃分、

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程。對塑件的注射.保壓.冷卻.翹曲變形進行了模擬仿真， 注塑制品的質螢受多種因素的影響，成型工藝的非線性、多變量特性，使得制品質量與各種影響因素之間的關系非常復雜。論文通過澆注系統(tǒng)數(shù)值模擬實驗及冷卻分析實驗驗證了澆注系統(tǒng)和溫度調一仃系統(tǒng)對塑件質量、生產效率的重要性。 在模具產品設計開發(fā)過程中，如何降低成本、提高產品質量要求，使工藝流程能更加優(yōu)化、合理，促使企業(yè)在整個產品生命周期中更多地使用數(shù)字化仿真技術是擺在模具企業(yè)面前的一項艱巨的任務。引入模具CAE技術，無疑是加快產品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本的上策。

20、 參考文獻 [1]陳立亮．材料加工：CAD／CAE／CAM技術基礎【M】．北京：機械l：業(yè)出版社，2007 [2]李名堯．模具CAD／CAM[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005 [3]楊寧．注塑成型過程的數(shù)值模擬【D】：[碩士學位論文]．長沙：中南工業(yè)大學材料加工工程學院，2001 [4]李德群．注塑成型流動模擬技術的新進展[EB／oL】．http：／／www．55jx．com／Html／xjziliao／0855 17623．htm，2004—12．16 致謝 大學生活馬上就要結束了，我的人

21、生又進入了另一個階段，“事業(yè)”，人生四大階段，“學業(yè)”.“事業(yè)”.“婚姻”.“家庭”。我明白每個階段都不能停留太長時間。畢業(yè)論文是我結束學校生涯的標志，所以我必須認真對待，在這重要的時期，指導老師幫了我大忙。 首先，感謝我的指導老師宮老師，是您耐心的指導，指出我論文的不足之處，并細心幫我修改，查資料，我才能順利的完成我的畢業(yè)論文。 其次，感謝我大學的所有老師，你們不僅傳授了書本知識和經驗，而且還教會了人生的道理。感謝我們親愛的張導，謝謝您給予的生活的上的幫助。您辛苦了。 最后，感謝我親愛的室友們，同學們，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時光，我會記得你們一輩子的。 我的大學生涯已接近尾聲，我明白學無止境，需要學習的好有很多，人生的大課堂才剛剛開始，我會努力的。最后向我的老師們，室友們，同學們，衷心地說一聲謝謝。 哈爾濱職業(yè)技術學院印制