基于Moldflow滑轮注塑模设计及优化分析

哈尔滨理工大学毕业设计(论文)开题报告学生姓名王强学号1730050327专业材料成型及控制工程班级材型17-3指导教师刘淑杰2020年2月3日课题题目及来源：题目：基于Moldflow滑轮注塑模设计及优化分析题目来源：自拟课题研究的意义和国内外研究现状：1.1课题研究的意义模具身为工业生产中重中之重的特殊基础工艺装备，其生产过程集精密制造、计算机技术、智能控制和绿色制造为一体，是高新技术的载体，又是高新技术产品。模具工业作为国家的基础制造工业，它的先进与否可以衡量整个国家制造水平[1]。

众所周知模具在国民经济中占有重要地位，其中注塑模具占具极大比例，而注塑模具的研发设计大环节在其生产过程中是非常重要的。模具的结构对产品加工、装配、工期、成本乃至注塑制品品质及生产效率等会产生极大的影响[2]。随着塑料制品在机械、电子、交通、国防、农业、医药等多个行业广泛应用，对塑料模具制品的需求也在不断增加，塑料模具在国民经济发展中展现除了日趋重要的地位。

注塑模具是一种生产塑料制品的工具，也是给予塑胶制品完整结构和精密尺寸的设备。注塑成型是批量生产某些形状复杂的塑料零件时用到的一种加工方法。具体是指将受热融化的塑料由注塑机高压射入模腔，经冷却固化后，得到成形品。

就目前市面上滑轮种类而言而言，主要可以分类为木热轧滑轮、钢滑轮和塑料滑轮，其钢滑轮工艺性能良好，对钢丝绳磨损小，但易碰碎轮缘，寿命极短[3]。而目前应用最为广泛的滑轮为塑胶滑轮，塑胶滑轮相较于其他材质滑轮拥有很多优势，目前滑轮零件要求外形美观，塑料的颜色多变，色泽鲜艳，能满足人们不同的喜好，且外表面没有斑点及熔接痕。塑料滑轮的韧性好，有较高的抗拉、抗压强度对冲击、应力振动的吸收能力强。同时塑料滑轮还拥有良好的电气性能，可作工频绝缘材料，尽管在高湿环境下仍具有较好的电绝缘性。有自熄性、无毒、无臭且耐候性好,对生物侵蚀呈惰性，有良好的抗菌、抗霉能力。塑料滑轮零件重量轻、易染色、易成型。因有较低的熔融粘度，能快速流动。易于充模,充模后凝固点高，能快速定型，所以成型周期短，生产效率高。在并不良好的工作环境中，相较于其他材质的滑轮，塑料滑轮更加耐腐蚀，十分耐碱和大多数盐液，还耐弱酸、机油、汽油，耐芳经类化合物和一般溶剂，对芳香族化合物呈惰性。从经济、成本的角度来看，塑料相对价格较低，滑轮的体积可以通过设计模具控制，一次注塑可得到多个制件，提高了生产效率，同时又缩短了生产周期。

本文将以滑轮生产为课题，塑料滑轮采用注塑工艺生产，模具的设计研发区别传统设计模具的方法，借助Moldflow对注塑滑轮注塑模具进行优化分析。利用Moldflow软件对模具成型过程进行优化分析，根据仿真结果还可以优化工艺参数，从而获得理想的浇注系统设计方案[4]。将CAD/CAE技术广泛地推广到注塑模具设计与制造过程中，可以大大节省企业资源，来缩短开发周期，降低成本，创造更大的社会效益，还可以不断壮大国内模具制造能力，这将成为未来模具工业发展的趋势。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状利用模具生产零件的方法已经成为工业上进行成批或大批生产的主要技术手段，它对保证制品质量，缩短试用周期，进而争先占领市场，以及产品更新换代和新产品开发都具有决定性的意义。因此德国把模具称为“金属加工中的帝王”，把模具工业视为“关键工业”，美国把模具称为“美国工业的基石”，把模具工业视为“不可估量其力量的工业”，日本把模具说成是“促进社会富裕繁荣的动力”，把模具视为“整个工业发展的秘密”。

经过近几年的发展，在塑料模具的开发、结构的调整以及企业管理等方面已显示出以下新的发展趋势：1、在模具质量、交货周期、价格、服务四要素中，越来越多的用户将交货周期放在首位；2、大力增强主动开发能力。模具企业不能等有了合同，才根据用户要求进行模具设计；3、随着模具企业的设计和加工水平的提高，模具的制造正在从过去主要依靠钳工的技艺而转变为主要依靠技术，促进了整个模具工业水平的提高；4、模具企业及其模具生产正在向信息化方向迅速发展。目前许多企业已经采用了CAE、PDM、CAPP、RE、CIMS、ERP等技术和虚拟网络技术；

Moldflow公司是专业从事注塑成型CAE软件和咨询的公司，自1976年发行了世界第一套流动分析软件以来，就一直主导塑料成型CAE软件市场。几年在汽车、家电、电子通讯、化工和日用品等领域得到了广泛应用。Moldflow拥有大量专业的模拟分析工具，能够对绝大多数热塑性塑料和热固性塑料的注塑成型过程进行模拟，不仅可以模拟塑料制品成型过程中的充填、保压及冷却阶段，还能预测出制品成型后的缺陷，甚至能够分析纤维增强材料的流动过程，预测纤维的流动取向，对改善成型工艺，提高制品质量提供了科学的依据。

在中国，人们已经越来越重视到模具在制造中的重要的基础地位，认识到模具技术水平的先进与否，已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，并在很大程度上决定着产品质量、效益和新产品的开发能力[5]。许多模具企业十分重视技术发展，加大了用于技术进步的投资力度，将技术进步视为企业发展的重要动力。此外，许多研究机构和大专院校开展核具技术的研究和开发。目前，从事模具技术研究的机构和院校已达30余家，从事模具技术教育的培训的院校已超过50余家。其中，获得国家重点资助建设的有华中理工大学模具技术国家重点实验室，上海交通大学CAD国家工程研究中心、北京机电研究所精冲技术国家工程研究中心和郑州工业大学橡塑模具国家工程研究中心等。经过多年的努力,在模具CAD/CAE/CAM技术、模具的电加工和数控加工技术快速成型与快速制模技术、新型模具材料等方面取得了显著进步;在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面做出了贡献[6]。虽然在这十多年中注塑模具工业取得了非常瞩目的成绩,但很多方面与工业发达的国家相比仍然有很大的差距。精密加工设备在模具加工设备中的比重还比较低，CAD/CAE/CAM技术的普及率不高,许多先进的模具技术应用还不够广泛等。特别在大型、精密、复杂和长寿命模具技术上存在明显差距，这些类型模具的生产能力也不能满足国内需求，因而需要大量从国外进口[7]。

展望中国未来的注塑模具发展前景，CAD/CAM/CAE技术已广泛应用于模具研发设计和制造，这几个技术已经成为我国模具制造重要帮手。如若没有这几项技术加持，我国的模具加工发展得如此顺利。CAD/CAM/CAE是制造设计的创新发展方向也是得到了目前众多模具企业的验证。目前,我们国家大多数模具公司与企业都已经在用CAD\CAM工具进行研发模具，极少数企业已经应用CAE技术。因为我国模具生产的停滞制约，设计软件的产生还是国外占据主导地位，国产软件相对来讲较少。一些技术较为成熟的企业已经该开展软件的培训和应用训练，把软件学习熟知，再进行强化应用，成为真正促进企业高速发展的催化剂[8]。1.2.2国外研究现状国外注塑模具制造行业的最基本特征是高度集成化、智能化、柔性化和网络化。追求的目标是提高产品质量及生产效率。国外发达国家模具标准化程度达到70%-80%，实现部分资源共挛,大大缩短设计周期及制造周期，降低生产成本.最大限度地提高模具制造业的应变能力满足用户需求。模具企业在技术上实现了专业化,在模具企业的生产管理方面,也有越来越多的采用以设计为龙头、按工艺流程安排加工的专业化生产方式,降低了对模具工人技术全面性的要求,强调专业化。国外注塑成型技术在也向多工位、高效率、自动化,连续化、低成本方向发展。因此,模具向高精度复杂、多功能的方向发展。例如:组合模、即饭金和注塑一体注塑铵链一体注塑、活动周转箱一体注塑;多色注塑等;向高效率、高自动化和节约能源,降低成本的方向发展。例如:叠模的大量制造和应用，水路设计的复杂化,装夹的自动化、取件全部自动化。注塑模CAD/CAE技术的应用主要体现在软件的开发上，如知名的商业化软件Moldflow、美国的C-MOLD、I-DEAS软件以及德国的CAD、Moldflow软件等[9]。

在欧美等工业发达国家模具工业被称为“点铁成金”的“磁力工业”，美国工业界认为“模具工业是美国工业的基石”，德国则认为是所有工业中的“关键工业”，日本模具协会也认为“模具是促进社会繁荣富裕的动力”。美国、日本、法国和瑞士等国每年出口的模具约占其模具总产值的l/3左右美国、日本、法国和瑞士等国每年出口的模具约占其模具总产值的l/3左右[10-13]。日本模具产业年产值达到13000亿日元，远远超过日本机床总产值9000亿日元[14]。二十多年来，国外的注塑模CAD技术发展相当迅速。70年代已开始应用计算机对熔融塑料在圆形、管形和长方形型腔内的流动情况进行分析[15]。

经过近几年的发展，国外模具发展现状主要表现在以下三个方面[16]：1、集成化。模具制造系统的集成化主要体现在数据库集成和模具管理的集成。数据集成、行业集成、互联网信息集成，用此共同来满足模具制造系统的需要。2、智能化。智能化包含着生产周期智能化、模具制造设备智能化还有人工和设备的融合。在汽车、航空航天、电子等领域也有着越来越广的应用，因此向大型化、微型化两向发展也是科技发展的必然需求。3、标准化。目前国外注塑模具制造行业有非常明确具体的生产、制造以及使用标准，模具制造的专业化较强。80年代初，人们就成功运用有限元法分析三维型腔流动过程，使得设计人员可以依据理论分析并结合自身的经验，在模具制造前对设计方案进行评价和修改，以减少试模时间，提高模具质量[17]。近十多年来，注塑模CAD技术在不断进行理论和试验研究的同时，十分注意向实用化阶段发展，一些商品软件逐步推出，并在推广和实际应用中不断改进[18]。通过引进国外先进的CAD/CAE/CAM软件，并在此软件基础上对其进行消化吸收与进一步的二次研发，通过实践证明这些先进软件是提高我国模具研发设计水平的重要途径之一[19]。利用CAD/CAE/CAM技术来改变注塑模传统的研发设计方案，可以显著提高模具设计效率以及质量，缩短模具研发设计周期，能尽快缩小国内模具水平与国外的差距。据统计，采用模具CAD/CAE/CAM技术进行模具设计、制造，设计时间缩短了50%，制造时间缩短了30%，模具成本下降了10%[20-21]。由于模具设计质量提高，可靠性增强，零件加工精度得到保证，模具装配与返修时间能大幅度地缩短。课题研究的内容，拟解决的主要问题。2.1课题研究的主要内容

零件原材料为POM，POM是一种坚韧有弹性的材料，即使在低温下仍有很好的抗蠕变特性、几何稳定性和抗冲击特性。塑件要求外形美观，色泽鲜艳，外表面没有斑点及熔接痕,精度为IT9，塑件内部无粗糙度要求。零件整体高度为18mm，上、下圆盘直径为34.5mm，厚度为2.4mm。中间部分有大径13.2mm、小径9.6mm的盲孔和直径6mm的通孔。中间滚轮部分圆角部分半径为3mm。

图1产品三维模型

（a）剖视图（b）俯视图

图2滑轮零件图据本次模具设计研究内容有：

1、阐述课题研究意义和背景，对国内外相关研究现状进行总结和分析

2、根据零件画出UG三维图，简要分析滑轮的工艺要求；进行材料的选择，分析性能的要求；模拟模具结构型式的确定、分型面位置的确定、型腔数量的确定、型腔排列方式及注射机型号的确定。3、利用Moldflow分析塑件最佳浇口，确定浇注系统；成型零件的结构设计及计算；脱模推出机构的设计、脱模力的计算、推出方式的确定、模架的确定、排气槽的设计。4、利用Moldflow软件，对注塑模具的冷却效果及浇铸效果进行分析，从而进行优化。

2.2课题拟解决的主要问题1、由于零件的壁厚不一，需要确定最佳浇口位置及种类；2、因为零件的结构及形状特点，考虑是否会塑件是否会发生收缩及塑件边缘翘曲以及此类问题的解决办法。研究的步骤、方法及措施：3.1研究的步骤绘制零件三维图绘制，绘制产品零件图绘制零件三维图绘制，绘制产品零件图模具结构设计分型面选择、抽芯机构的设计与计算型腔数目确定及排布、浇注系统设计、脱模机构设计导向机构的设计成型零件的设计及计算通过MOLDFLOW进行模流分析，

确定浇注系统。分析塑件结构、工艺性能分析确定浇口最佳位置、浇口数量、流道、冷却系统。

通过MOLDFLOW进行模流分析，

确定浇注系统。分析塑件结构、工艺性能分析确定浇口最佳位置、浇口数量、流道、冷却系统。模架及标准件的选择模架及标准件的选择注塑机、模具、零件结构校核注塑机、模具、零件结构校核绘制模具总装图、零件图绘制模具总装图、零件图

3.2方法及措施3.2.1研究的方法1、文献综述法：针对研究课题，对与之相关的各种文献资料进行收集整理，对所负载的知识信息进行归纳鉴别、清理与分析，并对所研究的问题在一定时期内已取得的研究状况和成果存在的问题以及发展的趋势进行系统而全面的叙述。2、计算法：根据产品的需求，设计并获得产品的相关参数，利用参数计算出凹凸模尺寸，注塑机压力大小等一系列数据，根据数据设计模具。利用UG进行三维建模，计算零件的各类参数，通过数值计算完成模具结构设计和模具校核。

3.2.2解决问题的措施1、浇口的最佳位置外观要求、零件功能要求、模具加工要求、浇口是否容易去除以及成形工艺掌控程度，同时对比不同浇口优缺点以及使用Moldflow软件选择出最佳浇口位置以及适合的浇口种类。2、利用Moldflow软件进行优化分析，进行冷却系统的确定，在塑件薄厚不同的地方控制冷却时间和冷却温度以防止零件收缩以及边缘翘曲。3.、多在网上及教材上查找抽芯机构设计的内容，完成侧向分型抽芯机构的设计

工作进度安排：第1周：查阅文献，了解国内外研究现状；第2周：完成开题报告；第3周：确定总体设计方案分析、论证和确定；第4周：确定分型面；第5周：确定浇口位置、浇注系统、冷却系统；第6周：确定顶出装置；第7周：确定模具零件尺寸；第8周：完成论文初稿以及装配草图；第9周：完成外文翻译（不少于3000字）并准备期中答辩材料；第10-12周：完成装配图及零部件图；第13-16周：完善说明书及相关资料，准备答辩。 课题研究所需的参考文献：[1]刘来英．注塑成型工艺[M]．机械工业出版社，2011.[2]曹艳丽，范希营，李赛等．具有快速斜上抽芯机构的音响壳体注塑模具设计[J]．制造技术与机床，2020年，第1期：70-75[3]韩佳．浅谈塑料模具加工工艺[J]．技术与市场，2018年，第56卷，第8期：30-35[4]刘荣进，王海雄．基于MoldFlow的四通塑料管注射模设计[J]．模具制造，2018年，第18期，第7卷：49-53[5]梁丰.河源模具行业发展现状及对策研究[J].现代企业教育，2013年，第16期，第8期：331-332.[6]郝彦琴．汽车滑动支座模具设计研究与工艺参数优化[D]．长沙理工大学，2013.[7]王小明，赵明娟，陈炳辉等．Moldflow在注塑成型翘曲优化中的应用[J]．塑料工业，2011年，第39期，第4卷：49-51[8]刘世革，袁长勇．注塑模具制造产业的发展现状及未来趋势研究[J]．内燃机与配件，2019年，第15卷：200-201[9]罗超，龙侃．CAE技术在注塑模具上的应用[J]．煤矿机械，2011年，第32期，第5期：195-196[10]刘承杰．注塑模具CAD、CAE、CAM的发展现状和趋势[J]．南方农机，2019年，第50期，第14卷：181[11]邱德琴.基于Pro/E和Moldflow注塑模具设计与CAE实例分析[D].南京:南京理工大学,2014.邱德琴.基于Pro/E和Moldflow注塑模具设计与CAE实例分析[D].南京:南京理工大学,2014.[12]曹艳丽，范希营，李赛等．具有快速斜上抽芯机构的音响壳体注塑模具设计[J]．制造技术与机床，2020年，第1期：70-75[13]徐慧民.模具制造工艺学[M].北京:北京理工大学出版社2007.[14]李彬,陶筱梅.Pro/E参数化设计在鼠标上壳注塑模设计中的应用[J门．制造技术与机床，2008(10):168-170.[15]屈华昌.塑料成型工艺与模具设计[M].北京:高等教育出版社,2007[16]ZhuH，WangCandShenJ．Analysisofinjectionmoldingofthin-walledpartsbasedonmoldflow[C]．SecondInternationalConferenceonDigitalManufacturing&Automation，IEEEComputerSociety，2011[17]MuC，JianZandJiaoL．Flowanalysisofreactioninjectionmoldingnylon6basedonmoldflow[J]．2009：700-706[18]LiuXF，HuYHandHuangWJ．OptimumdesignofplasticinjectionmouldgatebasedonmoldFlow[J]．AdvancedMaterialsResearch，2011：239-242+2541-2544[19]G.M.Kim，P.J.Cho,C.N.Chu.Cuttingforcepredictionofsculpturedsurfaceball-endmillingusingZ-map[J].Internationaljournalofmachinetools&manufacture,2000,3(2):277-291.[20]LiPang,Kamath