本科毕业论文-儿童早教机模具的建模及装配有附录

山东科技大学学士学位论文PAGEPAGE79摘要传统的模具设计与加工方法，是以二维工程图为依据进行的，对设计者以及工人的经验有较高的要求，不仅周期长，需要反复试模，并且加工出来的模具成型质量较低。本论文所研究课题是借助于三维设计软件Pro/e，对儿童早教机模具进行设计、建模以及装配，在总体上实现了模具的结构合理性。然后通过对塑件的成型过程进行计算机有限元模拟分析，有效地预测了实际生产中可能出现的问题，确定了产品的最佳成型工艺参数。通过对相关工艺参数的调整，改善了原有模具设计方案中的不足之处。利用CAD/CAE技术对儿童早教机模具进行设计与计算机模拟分析，有效地缩短了产品的研发周期、模具设计周期和加工周期,提高了一次试模成功率。关键词：注塑模具；成型；模具设计；有限元模拟分析ABSTRACTThetraditionalmethodofmolddesignandmanufactureisbasedontwo-dimensionalengineeringdrawings;ithashighdemandontheexperienceofdesignersandworkers.Notonlyitscycleislong,requirestestingmoldsrepeatedly,andalsowithalowformingquality.Thetopicresearchedinthispaperisbymeansof3DdesignsoftwarecalledPro/e,whichcandesign,mouldandassembleforkid-learningmold;italsocanrealizetherationalityofmoldingstructureonthewhole.Thenthroughthecomputerizedfiniteelementsimulationanalysisfortheplasticpartsformingprocess,wecanpredictthepossibleproblemsofactualproductioneffectivelyandalsomakesureofthebestparametersofmoldingprocess.Throughtheadjustmentofrelatedparameters,wecouldimprovethedefectsoforiginalmoulddesignproject.TheusingofCAD/CAEtechnologyforkid-learningmolddesignandcomputersimulationanalysis,notonlyshortenstheproductdevelopmentcycle,molddesigncycleandprocessingcycleeffectively,butalsoimprovesthesuccessfulrateofoncemoldtesting.Keywords：Injectionmold;Forming;Moulddesign;Finiteelementsimulationanalysis目录TOC\o"1-2"\h\z\u1绪论 11.1我国注塑模具发展现状与发展趋势 11.2课题研究的目的与意义 42儿童早教机前壳模具设计 52.1塑件成型工艺性分析 52.2模具型腔与分型方案设计 82.3注塑机的初选型与校核 102.4浇注系统设计 132.5推出机构设计 192.6成型零部件设计 212.7结构零部件设计 252.8冷却系统设计 302.9本章小结 333模具三维实体造型 343.1塑件三维造型 343.2实体分模 343.3模架的创建 363.4本章小结 374塑件成型过程的计算机模拟分析 384.1有限元分析方法的基本思想和特点 384.2MOLDFLOW简介 394.3模拟分析计划与前处理 394.4最佳浇口位置分析 414.5现有方案的充填和流动分析 424.6产品成型分析 444.7本章小结 505总结与展望 516参考文献 527致谢 538附录一 549附录二 671绪论1.1我国注塑模具发展现状与发展趋势模具被称为工业产品之母，是现代工业必不可少的工艺装备。模具工业在经济发展中具有重要的地位，模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一。根据塑料成型工艺方法的不同，通常将塑料模具分为注塑模具、压缩模具、传递模具、挤出模具、中空吹塑模具、热成型模具等。目前，塑料模具在整个模具行业中约占30%左右，而在整个塑料模具市场中注塑模具的需求量最大。近年来国内注塑模具在质与量上都有了较大的提高，但是与国外的先进技术相比，我国的模具业还存在着精度低、结构欠合理、寿命短等一系列不足，许多企业依然处于需要技术改造、技术创新、提高产品质量、加强现代化管理以及体制转轨的关键时期。从全国塑料行业的区域分布上看，珠三角、长三角的塑料制品加工业位居前列，浙江、江苏和广东三省的塑料模具产值在全国模具总产值中的比例也占到70％。现在，这3个省份的不少企业已意识到塑料模具行业的无限商机，正积极组织模具产品的开发制造。目前，我国模具生产厂点约有3万多家，从业人数100多万人。2007年销售额365亿人民币，同比增长26%，出口9.78亿美元，同比增长33.4%，均居世界前列。在我国，广东、上海、浙江、江苏、安徽是主要的注塑模具生产中心，其中广东占我国模具总产量的四成，注塑模具比例进一步上升。从近几年的发展情况来看,我国注塑模具市场发展前景十分乐观。许多模具企业十分重视技术发展,增大了用于模具技术研发的投资,现今从事模具技术研究的机构和院校已有30余家，从事模具技术教育培训的院校已超过50家。我国最大的注塑模具单套重量己超过60吨，最精密的注塑模具精度己达到0.5微米。制件精度很高的小模数齿轮模具及达到高光学要求的车灯模具等也已能生产，多腔塑料模具已能生产一模7800腔的塑封模。模具寿命有了很大提高，己可以达到100万模次以上。高速模具方面也有较大发展。在CAD/CAM技术得到普及的同时，CAE技术的应用也越来越广，以CAD/CAM/CAE为核心的一体化技术得到了很大发展。模具新结构、新品种、新工艺、新材料的创新成果不断涌现，特别是汽车、家电等工业快速发展，使得注塑模的发展迅猛。从整体上来看我国塑料模具无论是在数量上，还是在质量、技术和能力等各方面都有了很大的进步，但是与国民经济发展的需求，以及世界先进水平相比，差距仍然很大。一些大型、精密、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍需大量进口。在总量供不应求的同时，一些低档塑料模具却供过于求，市场竞争激烈，还有一些技术含量不太高的中档塑料模具也有供过于求的趋势。

模具是工业的基础工艺装备，在电讯、汽车、摩托车、电机、电器、仪器、家电、建材等产品中，80%以上都要依靠模具成形，用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产力和低消耗，是其它加工制造方法所不能比拟的。因此，我们应该认清形势，认准方向加快发展速度，而不是永远依靠进口产品。当然，近年来我国的注塑模行业发展速度也不可小觑，塑料模具也已显示出一些新的发展趋势：

1、大力提高注塑模开发能力将开发工作尽量往前推，直至介入到模具用户的产品开发中去，甚至在尚无明确用户对象之前进行开发，变被动为主动。目前，电视机和显示器外壳、空调器外壳、摩托车塑件等已采用这种方法，手机和电话机模具开发也已开始尝试。这种做法打破了长期以来模具厂只能等有了合同，才能根据用户要求进行模具设计的被动局面。

2、注塑模具从依靠钳工技艺转变为依靠现代技术随着模具企业设计和加工水平的提高，注塑模具的制造正在从过去主要依靠钳工的技艺转变为主要依靠现代技术。这不仅是生产手段的转变，也是生产方式的和观念的转变。这一趋势使得模具的标准化程度不断提高，模具精度越来越高，生产周期越来越短，钳工比例越来越低，最终促进了模具工业整体水平不断提高。3、模具生产正在向信息化迅速发展在信息化社会中，作为一个高水平的现代模具企业，单单只是CAD/CAM的应用已远远不够。目前许多企业已经采用了CAE、CAT、PDM、CAPP、KBE、KBS、RE、CIMS、ERP等技术及其它先进制造技术和虚拟网络技术等，这些都是信息化的表现。向信息化方向发展这一趋向已成为整个模具行业的共识。4、注塑模向更广的范围发展随着市场的发展，塑料新材料及多样化成型方式今后必将不断发展，因此对模具的要求也越来越高。为满足市场需要，未来的塑料模具无论是品种、结构、性能还是加工都必将有较快发展。超大型、超精密、长寿命、高效模具；多种材质、多种颜色、多层多腔、多种成型方法一体化的模具将得到发展。各种模具型腔表面处理技术，如涂覆、修补和研磨等新工艺也会得到不断发展。由于塑料模具零配件形状复杂、设计灵活，对模具材料、设计水平及加工设备均有较高要求，并不是人人都可以轻易涉足的。专家认为，目前中国与国外水平相比还存在较大差距，眼前需尽快突破制约模具产业发展的三大瓶颈：一是加大塑料材料与注塑工艺的研发力度；二是塑模企业应向园区发展，加快资源整合；三是模具试模结果检验等工装水平必须尽快跟上，否则塑料模具发展将受到制约。1.2课题研究的目的与意义本课题的任务是设计一套儿童早教机前壳用注塑模具，并制定相应的产品成型工艺方案。模具要求结构合理，动作准确可靠，能够保证产品的尺寸精度及表面质量。然后根据设计结果绘制产品和模具的三维实体模型，并对塑件的成型过程进行计算机有限元模拟分析，找出设计方案中的不足之处予以改善。此次毕业设计实践过程旨在：综合运用大学四年来所学知识，锻炼提高自身分析和解决实际问题的能力；进一步巩固有关注塑成型的专业基础知识，加深对注塑模具设计过程的体会和了解；在模具设计过程中适当运用CAD软件进行建模和CAE软件进行有限元分析，巩固和提高自身应用软件的能力；适当查阅有关注塑模具的外语文献，了解国外模具行业的发展现状，提高自身的英语阅读水平和查阅外文文献的能力。为几个月后正式走上工作岗位做好铺垫。早教机是专门为儿童提供早期教育，促进孩子学习兴趣的教育类电子产品，兼具娱乐和学习双重功能。全方位训练儿童学习能力，帮助孩子培养兴趣，增加潜能，对幼儿注意力、思维能力等方面的提升有很大帮助。既能开启孩子内在潜能，又能教孩子挖掘自身爱好。中国有句谚语，“三岁看大，七岁看老”，这强调的就是儿童早期教育的重要性。在这个很重视儿童早期教育的时代，外形和功能各异的早教机无疑是一个潜力巨大的市场。但对于我们这些从事设计的人员来说，如何把产品和模具设计好，改善其缺陷，使其在市场竞争中占有一席之地才是最关键的，从这个角度看，这必然又是一个巨大的挑战。2儿童早教机前壳模具设计2.1塑件成型工艺性分析2.1.1塑件要求及结构工艺性分析1．塑件名称儿童早教机前壳2．塑件材料ABS工程塑料3．生产类型大批量生产4．精度等级一般精度MT3级（GB/T14486-93）5．外观要求产品外观精美，尽量不要有影响外观的痕迹6．塑件结构及工艺性分析儿童早教机外壳是典型的一般精度电子玩具类产品塑件，零件的正反面三维外观图分别如图2.1与图2.2所示：图2.1塑件正面图图2.2塑件反面图塑件的长宽最大尺寸均在220mm左右，属于中等尺寸产品。精度方面因为无特殊要求，产品采用一般精度等级MT3。塑件的精度虽然不高，但要与下壳体配合组装成完整产品，因此应该严格控制塑件相关尺寸的变形量，塑件的最大尺寸为225mm，查阅标准GB/T14486-93可知，为满足产品的精度要求，必须控制塑件在最大尺寸方向上的最大变形量不超过0.92mm。塑件的壁厚较为均匀，平均在2mm左右。塑件形状整体呈方形，虽然没有侧孔、凸台等结构，但塑件的曲面较多，属于中等复杂程度产品。表面质量方面，由于其内表面为非工作面，故无特殊要求，只要求外表面光滑无痕即可。综上所述，儿童早教机前壳属于电子玩具产品中尺寸精度要求、外观结构及表面质量要求都不太高的中型薄壁注塑件。但在模具设计过程中，也应综合考虑塑件要求与产品生产类型之间的关系，在保证产品质量的前提下尽量降低生产成本，提高生产效率。2.1.2产品材料特性分析产品原材料采用ABS（非结晶性）通用热塑性工程塑料，其全称为丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物，顾名思义它是丙烯腈（15%~35%）、1,3-丁二烯（5%~30%）、苯乙烯（40%~60%）三种单体的接枝共聚物，ABS是其英文名称AcrylonitrileButadieneStyrene的首字母缩写。ABS共聚物中三种单体的最常见比例为A:B:S=20：30：50，只要改变三者的比例、聚合方法、颗粒的尺寸，便可以生产出一系列具有不同冲击强度、流动特性的ABS品种。ABS树脂的三种单体分别具有不同的作用，丙烯腈为其提供硬度、耐热性、耐酸碱盐等化学性质；丁二烯为其提供低温延展性和抗冲击性；苯乙烯为其提供硬度、加工的流动性及产品表面的光洁度等性质。ABS树脂的使用性能和成形性能如下：1．综合性能较好，化学稳定性和电性能良好。2．冲击韧度、机械强度较高，尺寸稳定性好。广泛用于电子产品外壳、玩具以及日常塑料用品的成形。3．易于成型和机械加工，于372有机玻璃的熔接性良好，可作双色成形塑件，且表面可镀铬。4．无定型料，流动性中等，比聚苯乙烯差，但比聚碳酸酯、聚氯乙烯好，溢边值为0.04mm左右。5．吸湿性强，必须充分干燥，表面要求光泽的塑件须经长时间预热干燥。6．热稳定性好，成形时宜取高料温、高模温。其成形温度为180~250℃，但不宜超过240℃，因为料温过高易分解（分解温度为250℃）。ABS的流动特性属于非牛顿流体，其熔体粘度对加工温度和剪切速率都有关系，但对剪切速率更为敏感，ABS的熔体冷却固化速度较快。ABS的主要性能指标见表2.1。表2.1ABS树脂主要性能指标密度g/cm31.02~1.16线膨胀系数/（×10-5K-1）9.5~10.5弯曲强度/Mpa80抗拉屈服强度/MPa50吸湿率/%0.2~0.4洛氏硬度/R121R收缩率/%0.4~0.7热变形温度（1.85MPa）/℃83~1032.1.3注塑工艺参数的确定塑件采用螺杆式注塑机，其详细成型工艺参数如下：预热干燥：时间2~3h；温度80~85℃温度：（1）喷嘴温度：180~190℃，直通式（2）料筒温度：前段200~210℃，中段210~230℃，后段180~200℃（3）模具温度：60~80℃压力：（1）注射压力：70~90Mpa（2）保压压力：50~70Mpa时间：（1）注射时间：3~5s，取3s（2）保压时间：15~30s，取20s（3）冷却时间：15~30s，取20s成型周期：3+20+20=43s2.2模具型腔与分型方案设计2.2.1注塑模具的结构组成注塑模具可以分型面为界分为动模和定模两大部分，定模安装在注塑机的固定模板上，动模安装在注塑机的移动模板上，注射时动模和定模闭合构成浇注系统和型腔，开模时动模和定模分开，推出机构工作推出塑件。注塑模的设计应包括以下部分的设计、校核与优化：浇注系统的设计、成型零部件设计、合模导向机构设计、推出机构设计、排气系统设计、模架设计、温度调节系统的设计等，由于塑件不存在侧孔和凸台等结构，故无需设计侧向抽芯与分型机构。2.2.2分型面选择与型腔型腔数目的确定相比于多型腔模具，单型腔模具确实具有塑件制品形状和尺寸一致性好，成型工艺条件易于控制，模具结构简单、紧凑，模具制造成本低，制造周期短等一系列优点。但是在实际生产中除了大型塑件以外，均采用一模多腔的模具结构，因为在大批量生产的情况下，多型腔模具可以显著地提高生产效率，降低塑件的整体成本。实践证明，每增加一个型腔，塑件的尺寸精度约降低4%，因此型腔的数目也不宜过多，因为型腔数目越多，就越难以保证各型腔的成型条件一致。本课题所研究的儿童早教机壳体属于中等尺寸产品，尺寸精度和表面质量并无太高要求，塑件生产批量也较大；但塑件终为薄壁制品，且非细长件，若型腔数目太多一方面降低塑件的尺寸精度，另一方面也会给注塑机的选型带来难度。综合考虑各方面因素，拟采用一模两腔的模具结构。型腔的布局对于多型腔模具，由于型腔布置与浇注系统设计密切相关，在模具设计时应尽量平衡布置型腔，即应使每个型腔都能通过浇注系统从总压力中均等地分得所需的足够压力，以保证塑料熔体能同时均匀地充满每一个型腔，从而使每一个型腔中的塑件内在质量均匀稳定。本方案所采用的型腔布局方式如图2.3所示，该图只表示模具型腔的布局方式，并不代表浇口形式以及注塑机的形式（卧式与立式）。图2.3模具型腔布局示意图分型面的选择分型面是决定模具结构形式的一个重要因素，它与模具的整体结构、浇注系统的设计、塑件的脱模和模具的制造工艺有关，不仅直接关系到模具结构的复杂程度，也关系到塑件的成型质量。由于分型面受塑件在模具中的成型位置、塑件结构工艺性及尺寸精度、塑件的推出和排气等多种因素的影响，因此在选择分型面时应综合分析比较，选出较为合理的方案。选择分型面时，通常应遵循以下几项基本原则：分型面应选在塑件外形最大轮廓处；分型面的选择应有利于塑件顺利脱模；分型面的选择应保证塑件的尺寸精度和表面质量；分型面的选择应有利于模具的加工；分型面的选择应有利于排气。在本课题中，由于塑件的特殊形状，最大轮廓出现在上下壳体配合的端面处。综合考虑上述各因素，儿童早教机前壳塑件的分型面就选在此处，如图2.4所示：图2.4产品分型面位置2.3注塑机的初选型与校核模具设计时，设计者必须根据塑件的结构特点、塑件的技术要求确定模具结构，模具的结构与注塑机之间有着必然的联系，模具定位圈尺寸、模板的外围尺寸、注射量的大小、推出机构的设置及锁模力的大小等必然参照注塑机的类型及相关尺寸进行设计，否则模具就无法与注塑机匹配，注射过程就无法进行。2.3.1初选注塑机由于早教机外壳的形状较为复杂，要手工精确计算塑件体积比较困难，但三维软件Pro/e有计算塑件体积的功能，对塑件的三维实体模型进行体积分析得到单个塑件的体积=98.5cm³，按单个塑件体积的1/4粗略估算浇注系统凝料的体积=25cm³。由于采用一模两腔的模具结构，所以塑件和浇注系统凝料的总体积为=2+=222cm³。考虑到实际注射量为额定注射量的80％，所以所选注塑机的额定注射量要大于277.5cm³，所以本课题拟选型号为XS-ZY-500的注塑机。设备的主要技术规范如表2.2所示：表2.2XS-ZY-500注塑机额定技术参数注射装置额定注射量/cm3500螺杆直径/mmφ65注射压力/MPa145注射行程/mm200注射方式螺杆式最大成形面积/cm²1000喷嘴孔直径/mmφ7.5喷嘴球半径/mm18合模装置锁模力/kN3500最大开合模行程/mm500模具最大厚度/mm450模具最小厚度/mm300拉杆空间/mm540440动定模固定板尺寸/mm700850合模方式液压-机械其他电动机功率/kW22加热功率/kW14定位孔直径/mmφ150中心孔径/mmφ150顶出形式中心液压顶出，两侧顶杆机械顶出2.3.2注塑机有关工艺在多型腔模具的实际设计中，有的是首先确定注塑机的型号，再根据注塑机的技术参数和塑件的技术经济要求，计算出要求选取型腔的数目；也有先根据生产效率以及制件精度要求确定型腔数目，然后再选择注塑机或对现有的注塑机进行校核。本课题正是采用了后一种方案，既然型腔的数目已确定，就可据此校核注塑机的相关参数。按型腔数量校核注塑机的最大注射量nm+m≤km式2.1式中n模具型腔数量，n=2；m单个塑件的体积（=98.5cm³）；m浇注系统凝料的体积（m=25cm³）；m注塑机的最大注射量（m=500cm³）；k注塑机最大注射量利用系数，一般取0.8。把上述参数全部代入式2.1中，2×98.5+25=222≤500，所以注塑机的最大注射量符合要求。按型腔数量校核注塑机的锁模力（n+）p≤式2.2式中注塑机的额定锁模力（F=3500kN）；单个塑件在模具分型面上的投影面积（不超过50000mm²）；浇注系统在模具分型面上的投影面积（最大为500）；p塑料熔体对型腔的成型压力，对于ABS其值取p=30Mpa。把上述参数代入式2.2中，（2×50000+500）×30=3015kN≤3500kN上述计算中，值是按单个塑件在分型面上最大投影面积代入的，其实际值是小于50000的，所以注塑机的锁模力也符合条件。注塑机的注射压力校核塑料成型时所需的注射压力是由塑料品种、注塑机类型、喷嘴形式、塑件形状以及浇注系统的压力损失等因素决定的。按照经验ABS塑料成型时所需的注射压力为30Mpa，小于注塑机的额定注射压力145Mpa，因此注塑机的注射压力也是符合要求的。注塑机的开模行程校核由于注塑机是液压和机械联合作用的开合模机构，所以注塑机的最大开模行程与模具厚度无关，其校核方法如下：s≥++（5~10）mm式2.3式中s注塑机的最大开模行程（s=500mm）；推出距离（=24+6mm）；包括浇注系统在内的塑件高度（=130mm）。把所有参数代入式2.3中，500≥30+130+10=170，所以注塑机的最大开模行程也是符合要求的。2.4浇注系统设计2.4.1浇注系统的设计原则浇注系统的设计是模具设计的一个重要环节，设计合理与否对塑件的性能、尺寸、内在质量、外在质量及模具的结构、塑料的利用率等有较大影响。浇注系统一般由主流道、分流道、浇口和冷料穴四部分组成。对浇注系统进行设计时，一般应遵循以下几个原则：了解塑料的成型性能；尽量避免或减少产生熔接痕；有利于型腔中气体的排出；防止型芯的变形和嵌件的位移；尽量采用较短的流程充满型腔；流动距离比的校核。2.4浇口亦称进料口，是连接分流道与型腔的熔体通道。浇口的设计与位置的选择恰当与否，直接关系到塑件能否被完好高质量地注塑成型。浇口的设计主要包括浇口形式的选择和浇口位置的确定两部分内容。从塑件的结构特征可知，适用于该塑件的浇口形式有点浇口和侧浇口。选择浇口位置时，需要根据塑件的结构工艺性和成型质量要求，并结合塑料原材料的特性与塑料熔体在模内的流动状态等，综合进行考虑。由于塑件整体处在定模部分，因此浇口位置只能选在塑件的外表面。但无论采用点浇口还是侧浇口，都难免产生浇注痕迹，从产品的美观性要求考虑，浇口位置的选择应尽量减少浇注痕迹的影响。综合各方面因素，如图2.4所示，现有两种浇口位置选择方案：1.可以将浇口选在图中的A位置，因为塑件出厂时要在此处贴上一层动画纸，它可以覆盖住浇口痕迹，因此浇口去除后不会影响产品的外观。理论上此处可以设计点浇口或直接浇口，但塑件壁厚太薄，若采用直接浇口不仅去除浇口困难，还容易损坏塑件。因此最佳的浇口形式为点浇口，去除容易，痕迹小。2.还可以把浇口选在图中所示的B位置，因为此处为塑件侧面，只要控制好浇口大小，也不会对塑件外观造成太大影响。理论上此处也可以有潜伏浇口和侧浇口两种选择，但采用潜伏浇口无疑会增加模具复杂程度，给加工带来困难。因此最佳的浇口形式为侧浇口。采用第一种方案，具有不影响塑件外观的优点，但要使用三板式注射模，而且会增加分流道长度；采用第二种方案，则相对缩短了熔体流程，对后期冲模有利，但塑件尺寸较大，若浇口太小，则把手位置可能会产生浇不到缺陷。两种浇口形式的优缺点还可以通过计算机有限元模拟分析来比较，我们可以更加直观的观察到产品可能产生气穴和熔接痕的位置，从而为浇口形式的选择提供更为充分的参考。本步骤的工作将在第4章中详细阐述。综合对比点浇口和侧浇口各自的优缺点，本课题拟采用第二种方案，并选用侧浇口中的扇形浇口，以加大浇口尺寸，以免充填不足现象的发生。图2.5扇形浇口示意图如图2.5所示为扇形浇口结构简图，浇口长l=1.2mm，深t=1.8mm，宽b=10mm，整个扇形浇口的长度L=8mm。2.4分流道是指主流道末端与浇口之间的一段塑料熔体流动通道，其作用是改变熔体流向，使其以平稳的流态均衡地分配到各个型腔。设计时应注意尽量减少流动过程中的热量损失与压力损失。分流道可开设在分型面的两侧或任意一侧，其截面形状应尽量使其比表面积（流道表面积与其体积之比）小，使温度较高的的塑料熔体和温度相对较低的模具之间提供较小的接触面积，以减少热量损失。常用的分流道截面形状有圆形、梯形、U形、半圆形及矩形等几种形式。本课题采用半圆形截面分流道，如图2.6所示，由于塑件面积较大，属于薄壁制品，且ABS树脂的熔体流动性亦属中等，故分流道的截面半径应取得略为大些，R=4mm。分流道平衡式布置，如图2.7所示，由于只有两个型腔，故只有一次分流道，其长度L=10mm；为了使靠近流道的熔体迅速冷却成绝热层，分流道的表面粗糙度值不可太低，取Ra=1.6um。图2.6分流道截面示意图图2.7分流道布局2.4主流道是指浇注系统中从注射机喷嘴与模具浇口套接触处开始到分流道为止的塑料熔体的流动通道，是熔体最先流经模具的部分，它的形状尺寸对塑料熔体的流动速度和充模时间有较大的影响，因此，必须使熔体的温度降和压力损失最小。在卧式或立式注塑机上使用的模具中，主流道垂直于分型面。主流道通常开设在模具的浇口套中，为了使主流道凝料能顺利从浇口套中拔出，主流道设计成圆锥形，锥角为。浇口套有多种结构形式，本课题拟采用贯穿式浇口套，其结构形式如图2.8所示：图2.8浇口套结构形式图中各参数确定方法如下：R=R+（1~2）mm；d=d+（0.5~1）mm；R注塑机喷嘴头部球面半径，R=18；d注塑机喷嘴前端孔径，d=7.5mm（R、d为注塑机参数，详见2.3节）。所以浇口套始端球面半径R=20mm，小端直径d=8mm，取主流道大端直径D=20mm。浇口套的长度L是由定模板厚度、定模座板厚度以及进入定位圈的长度（9mm）三部分组成的，L=134mm，详见2.7节。由此便可计算主流道的圆锥角=2.64°，在2°~6°范围之内。浇口套采用优质碳素具钢T10A制造，热处理硬度53-55HRC，主流道表面粗糙度。浇口套以基孔制H7/m6与定模板过渡配合，以基孔制H9/f9与定位圈间隙配合。根据主流道和分流道的设计结果可计算出浇注系统凝料总体积=21.7cm³,由此可见2.3节的估算结果也在合理范围之内。2.4.5拉料杆和冷料穴主流道拉料杆有两种基本形式，一种是推杆式的拉料杆，固定在推杆固定板上，其中Z字形拉料杆是典型的结构形式，工作时依靠Z字形钩将主流道凝料拉出浇口套，推出时，推出结构带动拉料杆将主流道凝料推出模外，推出后由于钩子的方向性而不能自动脱落，需要人工取出，其结构形式如图2.9a所示。还可以在动模板上开设反锥度冷料穴，它的后面设有推杆，分型时靠动模板上的反锥度穴的作用将主流道凝料拉出浇口套，推出时靠后面的推杆强制将其推出，其结构如图2.9b所示。另一种是仅适用于推件板脱模的拉料杆，固定在动模板上。其典型结构有球字头拉料杆和菌字头拉料杆两种，分别如图2.9c、d所示。他们是靠头部凹下去的部分将主流道凝料从浇口套中拉出来，然后推件板推出时，将主流道凝料从拉料杆上强制脱出。本课题采用图2.9c所示的球头拉料杆。（a）Z型（b）倒锥形（c）球头形（d）菌头形图2.9主流道拉料杆和冷料穴的形式冷料穴是浇注系统的结构组成之一。冷料穴的作用是容纳浇注系统流道中料流的前锋冷料，以免这些冷料注入型腔，既影响熔体的填充速度，又影响塑件的成型质量。主流道末端的冷料穴除了上述作用外，还便于在该处设置主流道拉料杆，注射结束模具分型时，在拉料杆的作用下，主流道凝料从定模浇口套被拉出，然后推出机构开始工作，将塑件和浇注系统凝料一起推出模外。本课题采用图2.9c所示的球头冷料穴形式。2.5推出机构设计每次注射成型后把塑料制件及浇注系统凝料从模具中脱出的机构称为推出机构或脱模机构。推出机构的动作通常是由安装在注射机上的顶杆或液压缸完成的。推出机构设计的合理性与可靠性直接影响到塑件的质量，因此推出机构的设计也是注射模设计中的一个重要环节。2.5.1推出机构推出机构一般由推出、复位和导向等三大元件组成。推出元件是与塑件和浇注系统凝料直接接触并将其推出模外的元件，像推杆、推件板、推管、拉料杆均属于这类元件；复位元件是为了使推出机构能回复到塑件被推出时的位置而设置的，复位杆就是典型的复位元件；导向元件是对推出机构进行导向，使其在推出和复位的过程中平稳地运动的元件，同时它还对推板和推杆固定板等零件起到支承作用，推板导柱和推板导套即为典型的导向元件。推出机构通常按推出元件分为推杆推出、推件板推出、推管推出等几种典型结构形式。推出机构的选择与设计通常有以下几点要求：1.推出机构设计时应尽量使塑件留于动模一侧。由于推出机构的动作是通过注射机动模一侧的顶杆或液压缸驱动的，所以推出机构应设置在动模一侧。2.塑件在推出过程中不发生变形和损坏。由于塑件属于薄壁制品，而且成型面积较大，若采用推杆推出机构则需要设置6根以上推杆，而且容易顶坏塑件，从这一点考虑比较适合采用推件板推出机构。3.不损坏塑件的外观质量。即推出位置应尽量设在塑件的内表面，结合2.2节的分型方案，塑件的内表面应向动模一侧，方能符合要求。若采用推件板推出机构则不需要考虑这一点。4.合模时应使推出机构正确复位。当采用推件板推出机构时，推杆可起到复位杆的作用，因此无需再设置复位杆。5.推出机构应动作可靠。这就要求在设计推出机构时应设置导向元件。综合考虑上述各种因素，本研究课题拟采用推件板推出机构。2.5塑件成型后在模内冷却定型时，由于体积收缩，对型芯产生包紧力，要把塑件推出模外就必须克服因包紧力而产生的摩擦力。由于塑件的尺寸较大，且形状复杂，因此塑件的脱模力不可忽略，需要进行计算。为保证塑件能够顺利脱模，通常在设计模具时在成型零件上沿脱模方向设计一定的脱模斜度。其大小与塑件的收缩率、形状、结构、壁厚及成型工艺条件有一定关系，通常取30′~1°30′。本方案根据经验取型腔脱模斜度=45′，取型芯脱模斜度=40′。脱模力的计算方法如下：式2.4式中脱模力（推出力）；A塑件包络型芯的面积，A≈42000mm²；塑件对型芯单位面积上的包紧力，对模内冷却的塑件，p取（0.8~1.2）×Pa，此处取p=Pa；塑件对钢的摩擦系数，一般为0.1~0.3，此处取=0.2；脱模斜度，=40′；塑件脱模推出时要克服的大气压阻力，由于塑件上有四个孔，所以无需克服大气阻力，=0。把相关参数代入式2.4中可计算出塑件所需的脱模力约为79.1kN。2.5推件板推出机构是由一块与型芯按一定配合精度相互配合的模板和推杆所组成的，其中推杆亦可起到复位杆的作用。本方案拟采用整块模板作为推件板，推出后推件板底面与动模板分开一段距离，清理较为方便，且利于排气。由于型芯形状不规则，所以推件板的配合轮廓就非规则形状，因此其加工有一定难度。推件板与型芯可采用H8/f7的间隙配合。另外，在设计模具时必须在动模部分设置导柱，用于对推件板的支承和导向。2.6成型零部件设计成型零部件是决定塑件几何形状和尺寸的零件，它是模具的主要部分，主要包括凹模、凸模及镶块、成型杆和成型环等。设计注射模的成型零件时，应根据成型塑件的塑料性能、使用要求、几何结构，并结合分型面和浇口位置的选择、脱模方式和排气位置等因素来确定型腔结构，然后根据塑件的尺寸计算成型零件的尺寸。由此可见注射模的成型零部件设计是注射模设计的一个重要组成部分。2.6凹模亦称型腔，是成型塑件外表面的主要零件，按结构不同主要可分为整体式和组合式两种结构形式：整体式凹模结构、组合式凹模结构。在本研究课题中，由于要加开冷却水道，因此采用整体式凹模，即直接在定模板上通过电加工方式加工出两个型腔。这种结构形式具有牢固、不易变形，不会使塑件产生拼接线痕迹的优点，符合儿童早教机外观精美的设计要求；而且还有利于型腔定位精度的保证，也提高了模具的装配效率和精度，以及塑件的成型精度和生产效率。凹模拟采用SM1（Y55CrNiMnMoV）钢制造，先油冷淬火，再高温回火，热处理硬度55~58HRC。SM1属于易切削调质预硬型塑料模具钢，具有良好的切削和锻造性能，综合力学性能优于45钢，使用寿命长。由于该种模具钢的易切削性，而且塑件高度不大，型腔较浅，正好弥补了整体式凹模的难加工特点。2.6.凸模亦称型芯，是成型塑件内表面的主要零件，同样可以分为整体式凸模和组合式凸模两种结构形式。其中组合式凸模又可分为整体嵌入式、局部镶嵌式和四壁拼合式几种结构形式。本方案拟采用整体嵌入式的组合式凸模，这种凸模又有多种结构形式，这儿采用通孔台肩式凸模，即把凸模从下面嵌入动模板，再用支承板和螺栓紧固。其结构形式如图2.10所示：图2.10凸模结构形式示意图型芯拟采用P20（3Cr2Mo）钢制造，P20属于预硬型塑料模具钢，出厂供货时已经处于预硬状态，无需在进行预硬热处理，可直接进行成形切削加工。型芯加工成形后需进行渗碳处理，表面硬度55~58HRC，然后再经油冷淬火和高温回火处理。2.6影响塑件尺寸精度的因素很多，概括地说，有塑件原材料、塑件结构和成型工艺、模具结构、模具制造和装配、模具使用中的磨损等因素。所以，塑件在成型过程中产生的尺寸误差是上述各种误差的总和：式2.5式中——塑件的成型误差；——模具成型零件制造误差；——模具成型零件的磨损引起的误差；——塑料收缩率波动引起的误差；——模具成型零件配合间隙变化误差；——模具装配误差。生产大型塑件时，由于收缩率波动对塑件尺寸公差的影响较大，仅仅依靠提高模具制造精度等级来提高塑件精度是困难和不经济的，所以应稳定成型工艺条件和选择收缩率波动较小的塑料；生产小型塑件时，模具制造公差和成型零件的磨损是影响塑件尺寸精度的主要因素，因此，应提高模具制造精度等级和减少磨损。型腔径向尺寸的计算式2.6式中—塑料平均收缩率，=0.55；—模具制造公差；—模具型腔径向基本尺寸；—塑件外表面的径向基本尺寸；—塑件外表面径向基本尺寸的公差；—修正系数，一般为0.5～0.75，塑件尺寸较大、精度级别较低时取小值，反之取大值。由于塑件尺寸较大而精度不高，、可忽略不计，x=0.5。型芯径向尺寸的计算式2.7式中—模具型芯径向基本尺寸；—塑件内表面的径向基本尺寸；—塑件内表面径向基本尺寸的公差；其他参数同上。型腔深度尺寸计算式2.8式中—模具型腔深度基本尺寸；—塑件凸起部分高度基本尺寸；—塑件凸起部分高度基本尺寸的公差；—修正系数，一般为1/2~2/3，塑件尺寸较大、精度级别较低时取小值，反之取大值。由于塑件尺寸较大而精度不高，x=0.5；其他参数同上。型芯高度尺寸计算式2.9式中—模具型芯高度基本尺寸；—塑件孔或凹槽深度尺寸；—塑件孔或凹槽深度尺寸的公差；其他参数同上。中心距尺寸的计算式2.10式中—模具中心距基本尺寸；—塑件中心距基本尺寸；其他同上。以上即为模具成型零件工作尺寸的计算方法，由于塑件形状较复杂，尺寸太多，此处不再一一代入计算。相关结果都以二维图的形式表现在模具总装配图和零件图中。2.7结构零部件设计注塑模具是由成型零部件和结构零部件组成的，结构零部件虽然不直接参与塑料制品的成型，但却起着对成型零部件进行支承、导向、定位以及固定的重要作用，因此结构零部件的设计也是注射模设计中的重要组成部分。这儿只对基本结构零部件：支承零部件和合模导向机构进行设计，两者组合起来可构成注射模的标准模架。2.7模架是注射模的骨架和基体，通过它将模具的各个部分有机地联系成一个整体。标准模架一般由定模座板、定模板、动模板、动模座板、垫块、支承板、推杆固定板、推板、导柱、导套及复位杆等组成。按照国标中小型模架有四种基本类型：A1、A2、A3、A4，其中前两种适用于推杆推出机构，后两种适用于推件板推出机构。由于本课题方案采用的是推件板推出机构，所以应从A3、A4两种模架中选择，型芯为通孔台肩固定方式，需有支承板加以固定，因此选择动定模均为两板的A4型标准模架。其结构形式如图2.11所示：图2.11A4型标准模架结构示意图由于所选注塑机的动定模固定板尺寸为700mm×850mm，因此标准模架的动定模座板尺寸要小于该尺寸，以便对模具进行固定。查阅模架标准拟采用尺寸为B×L=500mm×710mm的标准模架。2.7合模导向机构主要用来保证动模和定模能准确地对合，以确保塑件的形状和尺寸精度。主要由导柱导向机构和锥面定位机构两种形式，本方案拟采用较为常用的导柱导向机构。导柱结构设计本课题方案拟采用带头导柱的形式，其结构如图2.12所示。导柱端面制成半球形先导部分，以使导柱能顺利地进入导向孔。由于半球形加工困难，所以导柱端面形式以锥台形为多。导柱长度应比凸模端面高出6~8mm，以免导柱未导正方向而型芯先进入型腔与其相互碰撞而损坏。图2.12带头导柱结构示意图导柱的表面应具有较好的耐磨性，而芯部坚韧、不易折断，本方案拟采用碳素工具钢T8A制造，经淬火处理硬度为55~57HRC。导柱固定部分的表面粗糙度为Ra=0.8，导向部分的表面租糙度为Ra=0.8~0.4。本方案拟采用四个导柱，均布在模具分型面的四周，导柱中心至模具边缘应有足够的距离，以保证模具强度。导柱固定端与模板之间采用H7／k6的过渡配合。理论上导柱可以设置在任意一侧，但由于采用了推件板推出机构，所以导柱必须设置在动模一侧。导套结构设计由于产品要求大批量生产，所以采用带头导套的结构形式，如图2.13所示。为使导柱顺利进入导套，导套的前端要倒圆角R。为了便于排出孔内的空气，导向孔做成通孔。图2.13带头导套结构示意图导套采用与导柱相同的材料制造，但其硬度要略低于导柱，以减轻磨损，防止导柱或导套拉毛，其硬度53~55HRC。导套与模板采用H7／m6的过渡配合。导柱与导套的配合导柱固定于动模板，导套固定于定模板，两者采用H7/f7的间隙配合。2.7.由于采用B×L=500mm×710mm的标准模架，各模板尺寸如下：定模座板（500mm×710mm、H=45mm）定模座板是模具与注射机固定模板连接的底板，材料为55钢。通过4个M18的普通螺栓与定模板连接；定位圈通过4个M8的普通螺栓与其连接；浇口套与定模座板为H7/m6过渡配合。定模板（450mm×660mm、H=80mm）由于型腔要开设在定模板上，所以采用SM1（Y55CrNiMnMoV）钢制造，热处理硬度60~63HRC。SM1属于易切削调质预硬型塑料模具钢，具有良好的切削和锻造性能。另外需在定模板上开设冷却水道，详见2.8节。推件板（450mm×660mm、H=27mm）材料为45钢，热处理硬度40~42HRC。由于推件板要靠导柱支承和导向，所以应开设四个直径25mm的导向孔，以H8/f7与导柱间隙配合。另外还需开设直径18mm的拉料杆孔和球形冷料穴。动模板或型芯固定板（450mm×660mm、H=48mm）材料采用45钢，热处理硬度42~45HRC。由于型芯、导柱、拉料杆都固定在动模板上，而且推杆也穿过此板，所以要加工出相应的台肩孔和导向孔；推杆与导向孔采用H8/f7间隙配合。支承板（450mm×660mm、H=57mm）支承板垫在动模板下面，承受固定部件传递的压力，因此须有较高的平行度、刚度和强度。材料采用45钢，热处理硬度45~46HRC。垫块（450mm×660mm、H=120mm）垫块的主要作用是在动模座板与支承板之间形成推出机构所需的动作空间，另外也起到调节模具的总厚度的作用。有平行垫块和拐角垫块两种结构形式，本方案采用平行垫块，垫块材料选用45钢。动模座板（500mm×710mm、H=48mm）材料采用55钢，其上须开设螺栓的台肩孔、支承柱和推板导柱的安装孔以及注塑机的顶杆中心孔。推板（420mm×485mm、H=25mm）材料采用45钢，用4个M8的内六角螺钉与推杆固定板固定。其上需开设推板导套的安装孔。推杆固定板（420mm×485mm、H=25mm）材料也采用45钢，其上须开设推杆和推板导套的台肩孔。2.7模具厚度H应满足由注塑机参数得=450mm，=300mm，把各个模板的厚度值加起来得到模具厚度：H=45+80+27+48+57+120+48=425mm<H<，QUOTE符合要求。2.8冷却系统设计注射模具的温度对塑料熔体的充模流动、固化定型、生产效率、塑件的形状和尺寸精度都有重要的影响。注射模具中设计温度调节系统的目的，是通过控制模具温度，使注射成型具有良好的产品质量和较高的生产力。温度调节系统包括冷却系统和加热系统，由于要求的模具温度不高，所以无需设计加热系统。2.8模具冷却装置的设计与使用的冷却介质和冷却方法有关。因为水的比热容量大，传热系数大，成本低，所以本方案用水作为冷却介质。水冷就是在模具型腔周围开设冷却水道，利用水循环带走热量，维持所需温度。冷却回路所需的总表面积式2.11式中A—冷却回路总表面积，m²；M—单位时间内注入模具中的树脂质量，kg/h；q—单位质量树脂在模具内释放的热量（q=4×J/kg）；—冷却水的表面传热系数，W/m²K；—模具成型表面的温度（60℃）；—冷却水的平均温度（30℃）。冷却水的表面传热系数可用下式计算：式2.12式中—冷却水的密度，取1000kg/m³；v—冷却水的流速，取1.5m/s；d—冷却水孔直径，取推荐值d=10mm；—与冷却水温度有关的物理系数，=8.4。所以=7330W/m²K。设注射时间为1s，塑件与冷却系统总体积为222cm³，塑件密度为1.08g/cm³，则单位时间内注入模具的塑料质量为=280kg/h把以上个参数代入式2.11，得到冷却回路所需总表面积：=0.141m²。冷却回路的总长度式2.13式中L—冷却回路总长，m；d—冷却水孔直径，d=10mm。所以冷却回路总长度L=4.49m。冷却管道数目的计算由于冷却回路的总长度为4.49m，而定模板的宽度为450mm，所以冷却管道的总数目为：n=4.49/0.45≈10由于冷却回路只设置在定模板上，模具又采用一模两腔的结构，因此可在每个型腔周围适当位置分别开设5条冷却管道。冷却水体积流量的计算式2.14式中—冷却水体积流量，m³/min；—冷却水的比热容，c=4200；—冷却水的出口温度（30℃）；—冷却水的进口温度（25℃）；其他参数同上。所以=8.89×m³/min2.8冷却系统的设计应能使冷却介质及时有效地带走热量，实现均一的快速冷却，否则模内就不能维持周期性热平衡，会使塑件内部产生应力而导致产品的变形或开裂。因此应根据塑件的形状、壁厚及塑料的品种等因素设计出能实现高效、均一冷却的回路。冷却水回路的布置冷却回路的布置应遵循冷却水道尽量多、水孔尽量大；冷却水道至型腔表面的距离应尽量相等；浇口处加强冷却；冷却水道出入口的温差尽量小；冷却水道应沿着塑件收缩的方向设置；冷却水道的布置应避开塑件易产生熔接痕的部位等几个基本原则。冷却水道至型腔表面的距离应在12~15mm左右。冷却系统结构设计常用的冷却系统有直流式、直流循环式、循环式和喷流式等多种结构形式。由于循环式冷却水道加工费时，难度较大；而直流循环式冷却效果又较差，所以本课题方案拟采用直流式冷却水道结构，如图2.14所示：图2.14直流式冷却水道2.9本章小结本章通过传统的模具设计方法，首先对儿童早教机前壳塑件进行了工艺性分析，然后根据选定的注塑机对儿童早教机模具的成型零部件和结构零部件进行了详细的设计计算，并对浇注系统、推出机构和冷却系统等进行了具体设计。通过这些相关工作，确定了儿童早教机前壳模具的整体设计方案，并绘制了模具的二维总装配图和定模板、主型芯以及动模板等几个重要零件的零件图。为后续的三维建模工作奠定了理论基础。3模具三维实体造型本章内容就是介绍如何借助于Pro/e软件对模具进行三维实体造型。主要分为以下三部分内容：塑件三维造型、实体分模、创建模架完善模具。3.1塑件三维造型由于早教机外壳形状十分复杂，若直接建模则不仅要分别创建成型零件的复杂外形，还必须考虑到塑件的收缩以及成型零件的尺寸变化，过程很繁琐，而且还难以保证型芯和型腔成型形状的一致性。如果先对塑件产品进行三维实体造型，再借助于Pro/e软件的分模功能创建成型零件，则相对会简单许多。如上所述，正因为塑件形状的复杂性，尤其是一些曲面根本无法测量，仅仅依靠现有的工具就难以保证塑件模型和产品实体吻合一致。因此在实际造型时只能尽量向产品实体靠拢，但这并不影响我们对模具的三维造型。另外由于在Pro/e分模方面的知识有限，因此在产品的造型过程中也对塑件进行了适当简化，以减小造型和分模难度。上一章的图2.1和图2.2就是产品的三维模型效果图。3.2实体分模完成了塑件的三维造型，接下来就是模具分模工作了，这儿只对一个型腔进行分模，另外一个型腔可以在后续的工作中通过镜像等工具加以补充。分模的步骤如下：导入塑件参照模型选择模具模型>装配>参照模型，把塑件的三维模型导入进去，约束方式选择缺省，其余接受默认设置。创建模具工件选择创建>工件>手动，创建选项选择创建特征>加材料，其余默认。然后借助于拉伸工具创建模具工件，长度为定模板的一半（330mm），高度为定模板和推件板厚度之和（107mm），宽度和定模板相同（450mm）。塑件在工件中位置如图3.1所示：图3.1塑件在工件中的布置图3.2分型曲面创建分型面选择分型曲面工具，把模具工件隐藏，然后复制粘贴整个塑件内表面，并填补上面的按键孔。然后沿着塑件的分型面拉伸一个贯穿模具工件平面。分割模具体积快选择分割模具体积块工具，选择步骤3所创建的平面作为第一分型面，其余接受默认选择。然后再次进行模具体积块分割，选择分割模具体积快，选择塑件一侧的那个体积快，然后选择图3.2所示的分型曲面作为第二分型面，其余接受默认退出。模具元件的抽取选择模具元件>抽取，选取全部体积块，完成模具元件的抽取。然后选择模具进料孔>定义间距>定义移动，分别把模具元件向相反的方向移动一定距离，查看一下是否分模成功。成型零件的完善虽然完成了模具的分模工作，但只是单个型腔的分模，还必须把模具元件加以后续处理，才能成为完整的成型零件。完善后的定模板和型芯分别如图3.3和图3.4所示：图3.3定模板图3.4型芯3.3模架的创建结构零部件大都是形状规则的模板和杆类零件，虽然其造型相对简单，但难点在于统观整体，准确把握有装配要求零件的定位问题。这儿只简单介绍一下其中几个比较重要零件创建的注意事项，包括动模板（型芯固定板）、推件板和浇口套。图3.5动模板动模板由于型芯固定在动模板上，而型芯的固定部分又不是规则的圆形，而是在圆形轮廓的基础上“切了一刀”（为了避免与浇口套干涉），如图3.4所示，所以动模板的相应固定轮廓也必须一致，而且还需要画出台肩部分以及推杆导向孔、导柱固定孔、拉料杆固定孔和螺纹孔。动模板的三维模型如图3.5所示。推件板由于本课题方案采用了推件板推出机构，推件板沿着型芯推出，所以推件板的导向孔轮廓必须与型芯相同。浇口套浇口套应穿过定模座板和定模板，与定位圈配合，而且还要在其一端开设分流道，另一端开设与注塑机喷嘴相配合的球形凹面。3.4本章小结本章简要地介绍了如何运用Pro/e软件对模具成型零件进行分模和结构零件进行三维造型，使设计更加直观、形象。模具CAD技术的运用，改变了传统的仅依靠二维图纸设计模具的方法，有效地保证了注射模设计的准确性,提高了设计效率。4塑件成型过程的计算机模拟分析4.1有限元分析方法的基本思想和特点基本思想有限元法是适应电子计算机的使用而迅速发展起来的一种比较新颖和有效的数值计算方法。它起源于20世纪50年代航空工程中飞机结构的矩阵分析，随后很快地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元法的基本思想是把具有无限个自由度的连续系统，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题转化为适合于数值求解的结构型问题。特点（1）概念清楚，容易理解。可以在不同的水平上建立起对该方法的理解。（2）适应性强，应用范围广。有限元法可以用来求解工程中许多复杂的问题，特别是采用其他数值计算方法（如有限元差分法等）求解困难的问题。如复杂结构形状问题，复杂边界条件问题，非匀质、非线性材料问题，动力学问题等。（3）有限元法采用矩阵形式表达，便于编制计算机程序，从而可以充分地利用高速数字计算机优势。由于有限元法计算过程的规范化，国内外有许多通用程序，可以直接套用，非常方便。著名的有SAP系列，ADINA，ANSYS，ASKA，NASTRAN，MARK，ABAQUS等。（4）有限元法的缺点是解决工程问题的计算量相当大，必须首先编制计算机程序，必须运用计算机求解。目前，有限元法还在不断发展，今后将会更加完善，使用范围也会更加广泛。Moldflow正是一种比较成熟的，用于注塑成型有限元分析的软件，下面将对其做简单介绍。4.2Moldflow简介Moldflow软件是美国MOLDFLOW公司的产品，该软件包括MoldflowPlasticsAdvisers（产品优化顾问，简称MPA）、MoldFlowPlasticsInsight（注塑成型模拟分析，简称MPI）和MoldFlowPlasticsXpert（注塑成型品质控制专家，简称MPX）三个部分。本章要应用和介绍的是MoldFlowPlasticsInsight模块。MPI解决方案可以对塑料产品和模具进行深入的分析，它可以在计算机上对整个注塑过程进行模拟分析，包括充填、流动、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力和收缩，以及气体辅助成型分析等，使模具设计者在设计阶段就可以找出未来产品可能出现的缺陷，提高一次试模的成功率。4.3模拟分析计划与前处理分析计划本次计算机模拟分析的计划是：首先分析塑件的最佳浇口位置，并与已有方案进行比较；然后对现有方案进行充填和流动分析；最后对塑件产品的成型工艺进行冷却+流动+翘曲分析，并根据分析结果对现有方案进行工艺参数的优化。前处理产品导入Moldflow软件与其他CAD系统具有良好的数据接口，可以从外部导入STL、IGES等格式的CAD模型文件。只需在Pro/e中把塑件的三维模型以STL文件的格式导出，然后把模型导入Moldflow即可（必须先新建一个工程），在导入选项对话框中，网格类型选择Fusion，单位选择毫米，其余默认。然后就可以在图形窗口看到塑件模型。网格划分与修复模型导入后，需对其进行网格划分。首先打开网格划分菜单，全局网格边长改为6，选中使用弦高复选框，弦高值默认0.1；然后就可以进行网格划分了。网格划分完成后还要再对其进行检查和修复，最终应保证自由边、交叉边、配向不正确的单元、相交单元、完全重叠单元的数目值都为零。三角形纵横比的值应保持在6到8之间，最大值不应超过20。网格的匹配率则应保持在85%以上，以便能得到准确的结果。网格的划分结果如图4.1所示：图4.1塑件网格划分结果图4.2分析类型及顺序设置分析类型及顺序网格划分和修改完成后，需要根据具体的分析目的来设置分析类型及顺序。Moldflow提供的分析类型有充填、流动、冷却、冷却+流动+翘曲、流动+翘曲、实验设计（充填）、实验设计（流动）、成型分析、浇口位置和快速充填。分析类型及顺序选项如图4.2所示。材料选择在完成分析类型和顺序的设置以后，需要选择产品注塑成型的材料，可直接在Moldflow提供的材料库中选择。本课题采用LGChemical公司的ABS塑料，其牌号为AF303。4.4最佳浇口位置分析概述塑件浇口是模具设计者根据自身经验人为选择的一个进料口位置，虽然多数情况下也能符合要求，完成塑件的充填和成型，但却并不一定是最佳的浇口位置。Moldflow的GateLocation（最佳浇口位置）分析模块可以根据塑件的形状、厚度、选择的材料以及设定的成型工艺条件初步寻找一个最佳的浇口位置，以供用户参考。本课题方案采用的是侧浇口，是根据塑件的要求、型腔布局以及塑料的流动性等因素选定的。对于一个经验不足的设计者来说，浇口位置选择的是否合理将直接关系到塑件能否顺利充填、成型以及成型的质量。下面就借助于Moldflow软件对塑件的最佳浇口做一下分析。最佳浇口位置分析因为型腔的数目和布局直接关系到塑件最佳浇口位置的选择，因此在分析之前须预先处理成一模两腔的布置形式：划分完网格进行镜像处理即可。本次分析步骤比较简单，无需设置浇口位置，划分完网格、选择好材料和分析顺序后即可进行分析。分析结果如图4.3所示：图4.3塑件最佳浇口位置分析结果从图中可以看出，蓝色区域是最佳的浇口位置，也就是在塑件的底部侧面，与本方案所选的浇口位置吻合。4.5现有方案的充填和流动分析前面几章完成了现有方案的模具设计和三维造型，本章前几节又完成了塑件最佳浇口位置确定等准备工作，现在我们就要对所设计的方案进行充填和流动分析。分析的目的是查看塑件气穴和熔接痕的分布情况、体积收缩等情况，以及找出其他可能出现的缺陷。浇注系统的建立浇注系统的建立本属于前处理的内容，之所以放到此处是因为要首先分析最佳浇口的位置。由于浇注系统较为简单，可使用浇注系统向导建立，参数与设计一致，主流道入口直径8mm，长度130mm，拔模角2.62°；分流道直径8mm，长度10mm；浇口可简化为直径4mm的圆形浇口。浇注系统创建结果如图4.4所示；图4.4浇注系统示意图建立好浇注系统后就可以分别对塑件进行充填和流动分析了，划分网格、选择成型材料、设置分析类型和工艺参数等前处理过程此处不再赘述，而重点讨论一下其分析结果。充填分析结果分析结果显示塑件的充填时间为1.217s，塑件熔接痕和气穴的分布情况分别如图4.5和图4.6所示：图4.5熔接痕分布图图4.6气穴分布图从图中可以看出，熔接痕和气穴集中分布在把手中间和下面的环形区域，以及按键孔周围，因为这些地方都是熔体汇合处，产生熔接痕在所难免，但气穴较多，应加强排气设计以便气体的及时排出。流动分析结果通过流动分析得出的充填时间为1.282s，与充填分析差别不大；而且气穴和熔接痕的分布情况也与之相似，这儿就不再示意以图了。图4.7锁模力XY图图4.7为塑件成型过程中锁模力随时间变化的示意图，从图中可以看出单型腔的最大锁模力为1600kN左右，由此推算两个型腔的锁模力之和最大不会超过3200kN，小于所选注塑机的额定锁模力3500kN。图4.8塑件体积收缩率示意图图4.8为塑件的体积收缩率示意图，离浇口越远的地方收缩越大，把手位置由于最后浇到所以收缩率最大，达6.127％左右。4.6产品成型分析在对产品进行了充填和流动分析后，接下来就需建立起冷却系统对产品进行“冷却+流动+翘曲”分析了。Moldflow的Cool分析模块能模拟模具内的热传递情况，根据冷却分析的结果，来优化冷却管道的设置，确定合理的冷却时间，提高制件成型的质量和效益。冷却系统是一个封闭的循环系统，它是将冷却水分配到几个独立的回路上并能对其流量进行调节的系统。冷却系统性能的高低决定了冷却的效果和制件的最终质量。如果不能实现均匀快速的冷却，则会使塑件内部产生过大的残余应力而导致产品变形或开裂。4.6要进行产品的成型分析，除了网格划分、浇注系统、成型材料等基本设置外，还需要创建冷却系统。本节采用Moldflow提供的冷却系统创建向导创建冷却系统，单击建模>冷却系统创建向导，弹出冷却系统创建对话框，设置冷却管道直径10mm，冷却管道距离模型上下面的距离为15mm，根据冷却管道的实际排布情况选择其放置方向为Y方向，完成冷却系统的创建，如图4.9所示：图4.9浇注系统与冷却系统示意图4.6.2产品成型工艺在进行成型分析前，还需要设置其初始的成型工艺参数。成型材料ABSAF303的推荐成型工艺参数为：模具温度60℃，熔体温度200℃，模具温度范围40~80℃，熔体温度范围180~220℃，最大熔体温度240℃，顶出温度85℃。本节中模具温度与熔体温度采用其推荐值，开模时间5s，其它参数如表3.1所示：表3.1初始成型参数总时间保压压力保压时间顶出温度自动80％注射压力10s75℃产品的初始成型分析中,主要对其熔接痕分布、气穴分布、体积收缩率、产品总变形量、注射压力、回路冷却介质温度等做详细分析。熔接痕与气穴分布塑件的熔接痕和气穴位置分布分别如图4.10和图4.11所示，从图中来看，二者的情况都不甚理想，熔接痕的数量有所增加，冷却水道加强了冷却，同时也冷却了料流前锋，导致了熔接痕的增多。4.10熔接痕分布4.11气穴分布体积收缩率塑件的体积收缩率如图4.12所示：图4.12塑件的体积收缩率从图中可以看出，与上一节单纯的流动分析的体积收缩率相比，塑件的收缩明显减小，这是因为添加了冷却系统，塑件得到及时的冷却，使收缩率下降。总变形量产品的总变形量如图4.13所示，从图中可以看出塑件的最大变形量为0.99mm，超出了产品要求的最大尺寸方向上的公差值0.92mm。导致产品变形超差的主要原因可能有：材料选择不当导致所选材料不能够很好满足塑件要求的公差等级；保压时间和保压压力设置不当使产品在冷却过程中不能很好补缩；产品设计不当使产品保压压力不能够很好传递，产品收缩超差；冷却管道布置不当，使产品冷却不均，发生翘曲变形。产品变形量需要在后续成型参数的优化过程中，通过增加保压压力和保压时间改善。图4.13产品的总变形量注射压力图4.14注射压力XY图上图为注射压力XY图，由分析结果可知，注射过程的最大压力为100MPa左右。此值小于注射机的额定注射压力145Mpa，因此在控制产品变形的过程中可以适当提高产品的保压压力，使其变形量在公差范围之内，但同时要保证塑件成型后残余应力的值不至于过大。回路冷却介质温度图2.15为回路冷却介质温度分布图，入口处冷却水的温度为25℃，出口温度为25.89℃，出入口温差不到1℃，说明符合要求。图4.15回路冷却介质温度4.6.3产品成型工艺参数根据初步分析的结果，对产品成型工艺参数进行调整，具体调整方案如表3.2所示：表3.2改进后的成型工艺参数保压压力熔体温度保压时间顶出温度注射时间90％注射压力210℃14s80℃1.6s调整成型工艺参数后，再次对产品进行“流动+冷却+翘曲”分析。通过分析，结果明显改善，这儿只就产品的总变形、熔接痕位置分布、气穴位置分布做一下简单分析，其结构分别如图4.16、图4.17和图4.18所示：图4.16塑件总变形量图4.17熔接痕分布图图4.18气穴分布图从图4.16可以看出，塑件的总变形量有所降低，最大变形量约为0.82mm，小于最大变形量的允许值，由此可见调整了保压压力和时间等参数，有助于减小产品的变形量，而且熔接痕，气穴的分布情况也有所改善。优化后的产品成型工艺参数如表3.3所示：表3.3优化后的成型工艺参数注射压力保压压力模具温度熔体温度110Mpa100Mpa60℃210℃注射时间保压时间冷却时间顶出温度2s15s20s80℃4.7本章小结本章首先对有限元法、Moldflow软件及其分析步骤作了一下简单介绍；其次对塑件进行了最佳浇口位置分析，并与原方案作了对比，然后对初始设计方案进行了充填和流动分析,从理论上验证了方案的可行性；最后对产品进行了冷却+流动+翘曲成型分析，找除了方案中存在的不合理之处，并根据分析结果对成型工艺参数进行了优化。通过计算机模拟分析，从理论上确保了本课题所设计方案的实际可行性，提高了一次试模成功率。由于初学软件，所以分析中难免有许多不到之处，但在学习和应用过程中，确实体会到了其功能的强大，Moldflow软件对注射模设计无疑是一个十分有用和有效的工具。5总结与展望本次对儿童早教机前壳模具的设计，充分体现了CAD/CAE技术在注射模设计和塑料制件生产中的优势。前半部分主要通过所学专业知识和已有的经验设计公式，并查阅模具设计手册等参考资料，确定了儿童早教机模具的总体设计方案，和注塑机的初步选型；根据这些理论基础又展开了对模具成型零部件和结构零部件的详细设计，最终确定了完整的模具设计方案，并绘制了模具及其零件的二维图。后半部分则以计算机为基础，借助于Pro/e和Moldflow