摘要

　　模具是工業(yè)生產(chǎn)的主要工藝裝備，是國民經(jīng)濟的基礎工業(yè)。隨著(zhù)工業(yè)的發(fā)展，對模具的成型質(zhì)量要求越來(lái)越高，傳統憑經(jīng)驗，反復試模、修模的模具設計方法滿(mǎn)足不了當前模具設計的要求。采用 CAD/CAE 技術(shù)，能高效地完成模具的結構設計，通過(guò)模流分析軟件的模擬分析，可預測模具潛在的缺陷，重新設計模具結構，優(yōu)化工藝參數，減少試模次數，提高生產(chǎn)效率。

　　針對汽車(chē)膨脹水箱在實(shí)際生產(chǎn)中模具結構設計的不合理，及制品成型后出現的翹曲變形等缺陷問(wèn)題，本文結合注塑模具設計理論，對制品模具結構重新進(jìn)行了系統性設計與計算，利用 CAE 技術(shù)對注塑成型過(guò)程進(jìn)行模擬分析，對模具結構進(jìn)行了優(yōu)化設計，得到了合理的結構，并解決了制品中的存在的缺陷問(wèn)題。最后運用 CAD（計算機輔助設計）技術(shù)完成了模具總體的建模。本文所做的主要工作如下：

　　1、通過(guò)查閱大量相關(guān)文獻資料，介紹了本次設計的研究背景和模具 CAE 技術(shù)發(fā)展現狀及未來(lái)發(fā)展趨勢。

　　2、通過(guò)經(jīng)驗和理論公式計算，按照模具設計流程和原則，對模具的主要結構完成了初步設計，確定了模架大小、流道直徑大小、冷卻水路大小，為下一步CAE 模流分析和 UG 建模做好準備。

　　3、介紹了 Moldflow 注塑成型過(guò)程相關(guān)的基礎理論，通過(guò) Moldflow 最佳澆口位置分析，確定了澆口在制品的最佳進(jìn)料位置，為下一步流道系統優(yōu)化做準備。

　　4、利用 Moldflow 填充分析模塊，對初步設計的澆注系統進(jìn)行模擬分析，根據分析結果對流道尺寸進(jìn)行了重新設計，得到了平衡的流道系統。

　　5、利用 Moldflow 冷卻分析模塊，對初步設計的冷卻系統進(jìn)行模擬分析，根據分析結果，重新設計了冷卻系統，使制品達到了 均勻冷卻。并通過(guò)優(yōu)化冷卻時(shí)間，縮短了成型周期，提高了生產(chǎn)效率。

　　6、利用 Moldflow 翹曲分析模塊，對制品成型后的翹曲變形進(jìn)行模擬分析，找到了引起翹曲變形的主要原因，通過(guò)調整工藝參數，減少了制品的翹曲變形量。

　　7、利用UG的幾何造型功能，按照模具CAD設計流程，靈活運用軟件建模命令，完成了模具整體結構設計。

　　關(guān)鍵詞：Moldflow；CAD/CAE 技術(shù)；優(yōu)化設計；模具設計

Abstract

　　Mold is the main technological equipment of industrial production and also the basic industry of the national economy. Industrial development demands higher quality of the mold forming. The traditional mold design ways based on experience,repeated mold testing, mold repair cannot meet the current requirements of current mold design. CAD/CAE technology can efficiently complete mold design. Simulation analysis of mold flow analysis software can predict potential pitfalls of mold, re-design the mold structure, optimize the process parameters, reduce the tryout times and improve production efficiency.

　　As for the unreasonable mold structure design of expansion tank for the car in the actual production and the after molding defects such as warpage problem, this paper shows systematic design and calculation to products mold structure along with injection mold design theory, uses CAE technology for simulation analysis of injection molding process, optimizes the design of mold structure, obtains a reasonable structure and solves defects in products. Finally, the overall mold modeling is completed by CAD (computer aided design) technology. The main work of this paper is as follows,1.Through access to a large number of relevant literature materials, this paper describes the research background of this design and also the development status and future trends of mold CAE technology.

　　2.Through experience and theoretical formula, this paper completes the preliminary design to the main structure of the mold according to mold design process and principles, determines the size of the mold, flow channel diameter, the size of the cooling water and prepares for the next CAE mold flow analysis and UG modeling.

　　3.This paper introduces relevant basic theory of Moldflow injection molding process, determines the best feed entrance point of sprue in products by Moldflow best feed entrance point analysis and prepares for the next runner system optimization.

　　4.Make simulation analysis to the preliminary designed gating system by Moldflow fill analysis module. Based on the analysis results, re-design the size of runner and get the balanced runner system.

　　5.Make simulation analysis to the preliminary designed cooling module by Moldflow cooling analysis module. Based on the analysis results, re-design the cooling system and make products achieve uniform cooling. By optimizing the cooling time, shorten the molding cycle and improve production efficiency.

　　6.Make simulation analysis to warpage after products molding by Moldflow warpage analysis module and find the main cause of warpage. By adjusting the process parameters, reduce the warpage deformation value of products.

　　7.By geometric modeling function of UG and mold CAD design process, apply software modeling command flexibly and complete the overall structure design of the mold.

　　Key words: Moldflow; CAD/CAE Technology; Optimization Design; Mold Design

　　模具是現代工業(yè)生產(chǎn)的主要工藝裝備，是國民經(jīng)濟中的重要基礎工業(yè)[1]。尤其是塑料模具，從小到鐘表、玩具，大到汽車(chē)、飛機等行業(yè)中都有廣泛的應用。

　　目前，我國有2萬(wàn)多家塑料模具生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)值超過(guò)600億元，塑料模具占整個(gè)模具行業(yè)比重的40%。隨著(zhù)工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)品的形狀結構越來(lái)越復雜，精度和質(zhì)量要求也越來(lái)越高，對模具提出了更高的要求。模具企業(yè)在激烈競爭的環(huán)境下，怎樣利用有限的人力資源以最低的生產(chǎn)成本和最短的生產(chǎn)時(shí)間，來(lái)提供高質(zhì)量的模具，是一個(gè)急需要解決的問(wèn)題。對傳統的模具設計來(lái)說(shuō)，以經(jīng)驗加上簡(jiǎn)單的公式計算反復試模和修模進(jìn)行模具設計的方式，已經(jīng)跟不上產(chǎn)品對于模具的高質(zhì)量、高精密、大型復雜化的設計要求。而一套注塑模具結構、工藝參數的合理性對于塑料制品質(zhì)量、生產(chǎn)成本和模具壽命都會(huì )產(chǎn)生極大地影響。特別是大型、精密注塑模具的造價(jià)都比較高，如果設計制造不合理造成反復試模和修模，勢必增加模具成本和延長(cháng)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，會(huì )帶來(lái)很大的經(jīng)濟損失。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機輔助CAD、CAE技術(shù)的不斷應用，特別是CAE技術(shù)的應用，改變了傳統模具設計的理論和方法，是解決前面問(wèn)題最有效的途徑。

　　注射成型 CAE 技術(shù)是以塑料加工過(guò)程中的熱傳導原理和流變學(xué)為理論基礎[2]。通過(guò)數學(xué)或物理方法建立模腔中熔體的導熱和流動(dòng)模型，并以數學(xué)算法作為求解辦法，在計算機上對成型過(guò)程中的熔體冷卻和填充過(guò)程進(jìn)行模擬，從而獲得成型進(jìn)程中的速度、壓力和溫度等相應參數。它可以利用在計算機上模擬設計方案，對可能出現的問(wèn)題進(jìn)行預測，這樣就可以省去實(shí)際試模的步驟。CAE 技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應用，并取代了以往通過(guò)注塑機進(jìn)行試模和修模的方法，在模具設計過(guò)程中，它可以幫助設計人員合理地修改設計，降低修模和試模的頻率，減少試驗過(guò)程中報廢模具的數量，能夠有效縮短設計周期、降低制造成本和提升產(chǎn)品的品質(zhì)。

　　通過(guò)注射成型 CAE 技術(shù)對塑料熔體流動(dòng)進(jìn)行模擬，可得到型腔中熔體的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、應力應變場(chǎng)，繼而可以確定熔體的流動(dòng)前沿位置、熔接線(xiàn)位置、縮孔位置，為合理選擇成型工藝參數和設計模具結構參數提供了科學(xué)依據。通過(guò)模具冷卻模擬可以得到模具的溫度場(chǎng)及熱流量場(chǎng)，其分析結果可用來(lái)優(yōu)化冷卻系統，提高制品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

　　成型模具制造出來(lái)后需要進(jìn)行一系列調試。調試的目的：一是檢查成型模具的結構是否正確、各組成機構的動(dòng)作次序是否合理，以及運動(dòng)是否順暢；二是檢驗成型模具是否匹配成型設備和成型方案設計中擬定的工藝參數、能否生產(chǎn)出合格的制品。前者屬于模具的結構性調試，后者則為模具與制品生產(chǎn)相結合的綜合性調試。模具的物理調試或塑件的物理試成型是一個(gè)費時(shí)、費事的反復選代過(guò)程，利用 CAE 技術(shù)可以輔助現場(chǎng)人員迅速地、有針對性地發(fā)現和定位綜合調試中存在的技術(shù)問(wèn)題，提出解決方案，縮短綜合調試周期。

　　塑件在批量生產(chǎn)過(guò)程中，由于材料批改、環(huán)境條件、設備控制、人員操作等原因，可能會(huì )出現產(chǎn)品的質(zhì)量波動(dòng)。對此，可利用 CAE 系統，模擬成型質(zhì)量波動(dòng)的生產(chǎn)現場(chǎng)，找出造成質(zhì)量波動(dòng)的關(guān)鍵因素，有針對性地進(jìn)行成型質(zhì)量控制。

　　同時(shí)，還可利用 CAE 優(yōu)化塑件的現場(chǎng)成型工藝，改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低設備能耗等。

　　在上世紀七十年代，該領(lǐng)域的研究主要集中在工藝的計算模型上，如擠出、注射等，不少企業(yè)和科研機構都曾在此方面展開(kāi)研究，并取得一些成果，但卻沒(méi)能有效地促進(jìn)加工技術(shù)的提升，這一情況直到 1978 年 Moldflow 的誕生才得到改變[3，4]。Moldflow 是首款能夠對注塑成型填充階段進(jìn)行模擬的軟件，繼而到了八十年代，隨著(zhù)以 C-MOLD 軟件為代表的能夠模擬注塑成型過(guò)程的軟件相繼問(wèn)世，計算機預測開(kāi)始在模具設計中廣泛應用。

　　在八十年代，一些歐美的科研機構通過(guò)研究注塑設備的結構和性能，以及聚合物熔體所通過(guò)的澆口套、管路，開(kāi)發(fā)出了一系列能夠對聚合物流動(dòng)進(jìn)行分析的有限元軟件，如 POLYFLOW、FIDAP、POLYCAD 和 NEKTON 等。

　　到了九十年代，科研人員的關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題開(kāi)始轉向殘余應力、3D 復雜模擬、固化現象以及注塑材料的黏彈性等方面。同時(shí)，如何在不同的工藝參數要求下選擇合適的算法，以實(shí)現注射成型，也被該領(lǐng)域的科研人員所廣泛關(guān)注和研究，研究主要涉及氣體輔助、薄膜吹塑、熱成型、雙螺桿擠出和反應等注射成型領(lǐng)域。

　　我國開(kāi)始對 CAE 注塑模方面進(jìn)行研究的時(shí)間晚于國外，但由于善于借鑒國外成熟的技術(shù)和開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，發(fā)展也比較快，并有相應的產(chǎn)品問(wèn)世，比較有代表性的是華中科大研發(fā)的 HSCAE 3DRF 注射模 CAE 系統，其性能參數已經(jīng)可以媲美國際上的同類(lèi)產(chǎn)品。鄭州大學(xué)橡塑模具國家研究中心開(kāi)發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權的注射成型系統 Z-Mold 和 Part Molding，它能預測熔接痕、排氣孔的位置、鎖模力的大小及預測速度、壓力、溫度、應力的大小和變化規律，優(yōu)化工藝參數。中國臺灣的清華大學(xué)和臺灣科盛技術(shù)公司合作研發(fā)的Moldex3D注塑模CAE軟件，能夠解決客戶(hù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)障礙，協(xié)助排除設計問(wèn)題，優(yōu)化設計方案，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。其他的還有像浙江大學(xué)、上海交大、大連理工大學(xué)、鄭州大學(xué)、北京化工大學(xué)、四川大學(xué)和合肥工大等大學(xué)也已經(jīng)展開(kāi)了在 CAD/CAE/CAM 注射模系統領(lǐng)域的研究。

汽車(chē)膨脹水箱模具CAD/CAE技術(shù)設計：

型腔排位

分型面

模具型芯

模具型腔

模架選擇界面

模架

水路

后模俯視圖

前模仰視圖

模具的主視圖

目 錄

　　摘要
　　Abstract
　　第一章 緒論
　　　　1.1 課題背景
　　　　1.2 注塑模 CAE 技術(shù)國內外發(fā)展現狀
　　　　1.3 注塑模 CAE 技術(shù)發(fā)展趨勢
　　　　1.4 本文主要研究?jì)热?br /> 　　第二章 膨脹水箱模具設計
　　　　2.1 膨脹水箱的工藝性分析
　　　　2.2 注塑模具基本結構
　　　　2.3 模具設計流程
　　　　2.4 分型面的確定
　　　　2.5 制品排位及模仁大小的確定
　　　　　　2.5.1 制品排位的一般原則
　　　　　　2.5.2 模仁大小確定
　　　　2.6 成型部件設計
　　　　　　2.6.1 成型零件工作尺寸計算
　　　　2.7 注塑機的選擇
　　　　2.8 側抽芯機構設計
　　　　2.9 澆注系統設計
　　　　　　2.9.1 主流道設計
　　　　　　2.9.2 分流道截面形狀和尺寸的設計
　　　　　　2.9.3 澆口的設計
　　　　　　2.9.4 冷料井設計
　　　　2.10 冷卻系統設計
　　　　　　2.10.1 冷卻系統的初步計算
　　　　　　2.10.2 冷卻水路結構形式的設計
　　　　2.11 推出機構設計
　　　　　　2.11.1 推出機構的分類(lèi)
　　　　　　2.11.2 推出機構設計原則
　　　　　　2.11.3 推塊機構設計
　　　　　　2.11.4 推塊機構計算
　　　　2.12 模架設計
　　　　　　2.12.1 型腔側壁和底板厚度的校核
　　　　2.13 注塑機的校核
　　　　2.14 本章小結
　　第三章 膨脹水箱注塑模的 CAE 分析
　　　　3.1 Moldflow 軟件簡(jiǎn)介
　　　　3.2 注塑成型模擬分析理論基礎
　　　　　　3.2.1 充填流動(dòng)過(guò)程基本理論
　　　　　　3.2.2 保壓過(guò)程基本理論
　　　　　　3.2.3 冷卻過(guò)程基本理論
　　　　　　3.2.4 制品應力應變及翹曲分析基本理論
　　　　3.3 Moldflow 分析流程
　　　　3.4 Moldflow CAE 分析前處理
　　　　　　3.4.1 模型的轉換和導入
　　　　　　3.4.2 網(wǎng)格的劃分和修復
　　　　3.5 最佳澆口位置分析
　　　　3.6 流道平衡分析
　　　　3.7 填充分析
　　　　　　3.7.1 氣穴分析
　　　　　　3.7.2 熔接痕分析
　　　　　　3.7.3 鎖模力分析
　　　　3.8 冷卻分析
　　　　　　3.8.1 冷卻系統初始方案分析
　　　　　　3.8.2 冷卻系統優(yōu)化方案分析
　　　　3.9 翹曲變形分析優(yōu)化
　　　　　　3.9.1 翹曲變形原因
　　　　　　3.9.2 翹曲變形初始方案分析
　　　　　　3.9.3 翹曲變形優(yōu)化方案分析
　　　　3.10 本章小結
　　第四章 基于 UG NX6.0 的膨脹水箱注塑模具建模
　　　　4.1 注塑模具結構 CAD 設計的主要內容
　　　　4.2 膨脹水箱注塑模具 UG 建模
　　　　4.3 本章小結
　　第五章 結論與展望
　　　　5.1 結論
　　　　5.2 展望
　　參考文獻
　　發(fā)表論文和參加科研情況說(shuō)明
　　致謝

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