基于MPI的吹风机盖体注塑工艺优化.docx

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基于MPI的吹风机盖体注塑工艺优化

南京大学

毕业设计说明书（论文）

作者：

学号：

240106638

学院（系、部）：

材料工程学院）

专业：

材料成型及控制工程（模具设计）

题目：

基于MPI的吹风机盖体注塑工艺优化

指导者：

评阅者：

2014年6月南京

基于MPI吹风机盖体注塑工艺优化

在吹风机盖体注塑成型过程中，工艺参数的设置直接影响熔体填充过程和最终的塑件质量，因此优化工艺参数的设置显的非常重要。

本文以正交矩阵和CAE模拟分析技术为理论基础，选取吹风机盖体作为本次课题的研究对象。

主要方法：

利用MOLdfLow软件分析出最佳浇口位置，确定浇口类型和排布冷却水道，并且结合正交试验完成对吹风机最优注塑工艺参数设计分析，对塑件成型后的翘曲变形量、体积收缩率和沉降斑进行全面分析和评定。

确定模具温度、熔体温度、注塑时间、保压时间、保压压力、冷却时间等工艺参数，对综合评判的具体影响,并绘制因素水平影响趋势图,得出最佳注塑工艺参数组合方案,并对该工艺参数组合方案进行模拟验证。

关键词:

Moldflow；注塑成型；正交试验；翘曲；收缩

毕业设计说明书（论文）中文摘要

毕业设计说明书（论文）外文摘要

TitleHairDryerMPICoverInjectionMoldingProcessOptimizationBasedOn

Abstract:

Thehairdryerofcoverbodyininjectionmoldingprocess，Processparametersdirectlyaffectthemeltfillingprocessandthefinalproductquality，Sotheoptimizationofprocessparametersisveryimportanttothesettingoftheshow.Themainmethod:

UsingMOLdfLowsoftwaretoanalyzethebestgatelocation,Determinethegatetypeandarrangementofthecoolingwaterchannel,Andcombinedwithorthogonaltestdesignandanalysisofblower,theoptimalinjectionmoldingprocessparameters,Aftertheplasticmolding,warpingdeformation,volumeshrinkageratioandsedimentationforcomprehensiveevaluation.Determinethemoldtemperature,Melttemperature,Injectiontime,Dwelltime,Dwellpressure,Coolingtime,etc.Theinfluenceofprocessparametersonthecomprehensiveevaluation，Mapfactorleveltrend，Itisconcludedthatthebestinjectionmoldingprocessparameterscombinationplan,Andthesimulatedverificationprocessparameterscombinationplan.

Keywords:

Moldflow；Injectionmolding；Orthogonaltest；Warp；Shrinkage

目录

前言1

第一章概论2

1.1注塑成型的设备2

1.1.1注塑机2

1.1.2模具4

1.2注射成型工艺过程5

1.3注塑成型的工艺参数6

1.3.1温度6

1.3.2压力7

1.3.3时间7

1.4本文课题来源及研究的主要内容8

1.4.1课题来源8

1.4.2主要内容8

第二章注塑过程的CAE模拟9

2.1引言9

2.2MoldFlow软件简介9

2.3塑件CAE模拟实验10

2.3.1塑件建模10

2.3.2moldflow模拟分析及结果15

2.4本章小结20

第三章影响吹风机盖体质量的关键因素21

3.1引言21

3.2吹风机盖体注塑成型工艺主要特征及对塑件的影响21

3.2.1一般注塑成型的影响变量分析21

3.2.2影响吹风机盖体质量的主要工艺参数22

3.3吹风机盖体制品中常见缺陷原因分析24

3.4本章小结24

第四章基于正交试验对工艺参数的优化25

4.1正交试验简介25

4.2数值模拟与正交试验方法结合的多工艺参数优化26

4.3翘曲的工艺参数优化26

4.3.1试验指标的确定26

4.3.2设计变量及其取值范围的确定27

4.3.3关于翘曲的试验方案与仿真试验27

4.4收缩的工艺参数优化31

4.4.1试验指标的确定31

4.4.2关于收缩的正交试验模拟仿真32

4.5沉降斑的工艺参数优化36

4.5.1实验目的36

4.5.2关于沉降斑的正交试验模拟仿真36

4.6本章小结40

第五章注塑工艺参数单个因素的影响设计41

5.1关于考察翘曲变形的单个因素影响试验41

5.1.1熔体温度的影响41

5.1.2注射时间的影响42

5.1.3保压时间的影响43

5.2本章小结44

第六章总结与展望45

6.1总结45

6.2展望45

参考文献46

致谢47

前言

随着国民经济的快速发展，我国塑料模具行业得到了迅速增长，模具在现代工业生产中已然成为工业产品生产用的重要工业装备，60%~80%的工业产品的生产制造需要使用模具，模具工业已经成为工业发展的基础，很多新产品的开发和研制，在很大程度上都依赖于模具的生产制造，尤其对于汽车、摩托车、轻工、电子、航空等行业尤为显著。

塑料注塑成型是塑料制品的一种主要成型方法，它可以制造出形状复杂尺寸精度高及带有嵌件的各种塑料制品，据有关资料统计，塑料模具约占整个模具行业的35%~40%，因此，注塑模在整个模具行业担当着重要角色，显的特别重要。

注塑成型在工业制造中是一个非常重要组成部分，然而流动模拟对塑料成型具有十分重要意义，伴随着科技的飞速发展以及人们生活水平的不断提高，对塑料制件的外观和质量的要求越来越高，一些新的科技不断运用到注塑成型过程中来，其中moldflow软件就是CAE分析的典型代表，CAE技术主要应用于塑料产品设计模具设计和注塑成型，本文主要运用moldflow的注射成型方法，它可以给出更加宽广更加稳定的加工“裕度”减少塑件应力和翘曲、省料和减少过量充模以及采用最小的流道尺寸和用料成本，并结合田口玄一的正交试验表进行相关的试验，最后通过对相关数据的处理得出针对试验产品的最佳工艺参数组合，从而提高产品质量。

第一章概论

1.1注塑成型的设备

1.1.1注塑机

注塑机是注射成型的设备，注射成型是使热塑性或者热固性塑料在料筒中经过加热、剪切、压缩、混合和输送，熔融塑化使之均匀，通过柱塞或者螺杆对熔化后的物料施加压力，把其推射到模腔中的成型过程。

近年来注射机发展速度很快，类型也不断的增加，通过注射装置和合模装置的排列可以分为卧式注射成型机、角式注射成型机、立式注射成型机和多模注射机等。

（1）卧式注射机它是使用最为广泛的注射成型设备，它的优点便于操作和维修，机器重心低，比较稳定，成型后的塑件推出后可以利用自重自动降落，易于实现全自动操作，卧式注射机对于大、中、小型模具都适用，缺点是安装比较困难。

图1.1卧式注射机

1—塑化注射部分2—合模、制品成型部分3—液压传动工作部分

4—电加热控制部分5—操作控制台

（2）角式注射机它是注射装置与合模装置的轴线相互成垂直排列，一般为柱塞式注射机，角式注射机主要优点是适应于成型中心不允许留有浇口痕迹的制品，注射量是45cm3以下的小型注射机，大、中型注射机一般不会采用这一形式。

缺点是没办法准确可靠的注射和保持压力、锁模力，同时模具的受冲击和振动也较大。

图1.2角式注射机

1-锁模机构；2-料筒、加热器及注射液压缸；3-机体

（3）立式注射机优点是占地面积小仅有卧式注射机的一半、模具拆装方便、安装嵌件便利等，缺点：

塑件顶出后常需要用手或者其他方法取出，不易实现全自动化操作，机器重心较高，机器稳定性差，它主要适应于注射量在60cm3以下的小型注射机。

图1.3立式注射机示意图

（4）多模注射机它是一种多工位操作的注射成型机，是一种专用注射机，此类注射成型机充分发挥了塑化装置的塑化能力，缩短成型周期，适用于冷却定型时间较长、安放的嵌件比较多的以及生产辅助时间、需要有两种或者两种以上颜色的塑料制件的生产，另外，多模注射机也是可以将注射装置与合模装置进行多种形式的排列。

图1.4多模注射机

1-料筒、加热器及注射液压缸；2-锁模机构；3-固定轴

1.1.2模具

随着塑料工业的快速发展，以及工程塑料在强度和精度等方面的不断提高，塑料制品的应用范围也在不断扩大，模具制品所占的比例正迅速增长，进入21世纪以来，模具行业更是得到了空前的发展，许多新产品的开发和研制在很大程度上都依赖于模具，特别是在汽车、摩托车、轻工业、电子、以及航空航天等领域尤为突出，模具工业已经成为国民经济的重要基石，同时也被称为不衰的工业。

模具的出现大大的提高生产效率，节约了原材料、能源及生产成本，此外，模具也具有结构复杂、分型面复杂、精度要求高、材料硬度高、制造周期短等特点，典型的注射模结构分为：

单分型面注射模和多分型面注射模，单分型面注射模也称为二板式注射模，多分型面也称为三板式注射模，结构如图1.5所示。

图1.5（左）两板模（右）三板模

1.2注射成型工艺过程

注射成型是塑料成型的一种重要方法，它主要适应于热塑性塑料的成型，首先把塑料原材料加入到注射机的料斗中，经过料筒外的加热器加热，塑料熔融变为粘流态，然后注射机将物料沿料筒内轴线向前推进，并采用高压把积存在头部的已经熔融成粘流态的塑料通过料筒端部的喷嘴和模具的浇注系统注射到模具的型腔中，充满型腔的塑料熔体在压力作用下经过冷却固化而形成模具型腔的形状的一种成型方法。

图1.6为注塑成型机基本组成及成型过程

（1）塑化阶段塑化是指在料筒中将塑料进行加热、把固体颗粒转变成具有良好的可塑性粘流态的整个过程。

决定塑料塑化性质的关键因素是塑料的受热和受到的剪切作用的情况，通过料筒对塑料进行的加热，使聚合物分子松弛，由固态转变为液态，通过螺杆推动其液态熔体充入型腔，但应该指出的是熔体的塑化温度应该小于熔体的分解温度。

（2）填充阶段充填过程即塑料充模的过程。

塑化好的熔体被柱塞或螺杆推挤至料筒的前端，经过喷嘴及模具浇注系统进入并填充型腔，直至型腔被塑料熔体充满为止。

充填过程是熔体在型腔中成型的初始步骤，所以，它是一个十分重要的过程。

由于熔体是非牛顿流体，因此粘度很大，所以在充填过程中的压力损耗、温度的变化以及熔接痕的形成等现象影响着塑件的最终质量。

（3）保压阶段为了使塑料熔体在冷却的过程中不至于产生回流，并且能够继续补充因塑料熔体冷却收缩而不足的空间，从而得到最佳的制品，由于熔体在冷却过程中会发生收缩，因此需要给予一个压力来阻止这种趋势，压实制件，避免影响到塑料制品的质量，这就叫保压压力，随着熔体的凝固，因此流动会越发困难，所以需要较高的压力来维持一直到浇口的凝固，注塑过程中，保压压力值设置过高，会容易造成制品毛边、过渡充填、制品粘模、浇口附近的应力集中等不良现象；保压压力值设置过低，又会容易造成收缩太大、尺寸不稳定等制品缺陷的现象，因此，必须设置一个适当的保压压力值，

（4）冷却脱模阶段是指浇口处的熔体冻结时，直到产品完全被从型腔中推出为止。

由于冷却时间占整个周期比较长，约70%～80%。

冷却不均匀会使塑件产生翘曲变形。

然而一个设计良好的冷却系统不仅可以大大缩短成型时间，而且还可以提高注塑生产率和降低生产成本。

设计不合理的冷却系统则会使成型时间变长，增加生产成本。

塑件在型腔中凝固后，需要使用脱模机构使其脱离模具。

脱模的方法主要有两种：

顶杆脱模、推件板脱模。

然而好的脱模机构可以使制件迅速脱离模具，并且能够保证塑件的外观质量。

1.3注塑成型的工艺参数

良好的注射成型工艺，可以保证塑料熔体具有良好的塑化，顺利冲模、冷却和定型，从而生产出合格塑料产品，其中温度、压力和时间是影响注塑成型工艺的重要参数。

1.3.1温度

注射成型过程中需要控制的温度主要有模具温度、喷嘴温度和料筒温度等。

模具温度主要影响塑料的流动和冷却成型，喷嘴温度和料筒温度主要影响塑料的塑化和流动，

（1）模具温度模具温度对于熔体的充模流动能力、塑件的冷却速度及成型后的塑件性能等有直接影响。

模具温度的选择取决于塑料的分子结构、塑件的结构和性能要求，熔体温度、注射速度、注射压力和模塑周期也对其有一定影响。

（2）喷嘴温度喷嘴的温度应稍低于料筒温度，温度过高，熔料在喷嘴处会产生“流涎现象”。

塑料容易产生热分解现象。

但喷嘴温度太低，则容易产生冷块或者僵块，使熔体产生早凝，其结果是塑料堵塞喷嘴，或是将冷料注入模具型腔，导致成品缺陷。

（3）料筒温度料筒温度选择与塑料的特性及种类有关，另外，料筒温度过高容易产生低分子化合物和分解产生气体，使塑料表面变色和产生气泡、斑纹等，导致性能下降，温度太高还会使模腔中的塑料内外冷却不一致。

从而塑件容易产生应力和凹痕。

此外，熔料的温度过高，流动性好，容易产生溢料、溢边等缺陷。

料筒的温度过低，熔体流动性差，容易产生熔接痕、充填不足、波纹等缺陷。

同时，因为料筒温度过低，塑料冷却时易产生应力，塑件容易产生变形或者开裂现象。

1.3.2压力

注射成型过程中的压力主要包括注射压力、塑化压力和保压压力，它们是影响塑件质量的重要参数。

（1）注射压力指柱塞和螺杆轴向移动时其头部对塑料体所施加的压力，其作用是克服塑料熔体从料筒流向型腔的流动阻力，给予熔体一定的充型速率以便充满模具型腔。

（2）保压压力指的是型腔充满后，继续对模内熔料施加的压力，其作用是使熔料在压力下固化，并在收缩时进行补缩，从而获得完整的塑件。

保压压力大小也会对成型过程产生影响，压力过高，容易产生溢料、溢边，增加塑件的应力；压力过低，则会造成成型不足。

（3）塑化压力指采用螺杆式注射机注射时，螺杆头部熔料在螺杆转动是所受到的压力，塑化压力的大小是可以通过液压系统中的液流阀调整的。

1.3.3时间

完成一次注射模塑过程所需要的时间称成型周期。

主要包括充模时间、保压时间、模内冷却时间、其它时间等。

（1）充模时间指注射开始到塑料熔体充满模具型腔的所用的全部时间。

充模时间越短，则注射速度越快。

快速注射可以减少模腔内的熔体温差，改善压力传递效果，可以得到密度均匀、内应力小的精密制品。

（2）保压时间指充满型腔后继续施加压力的时间。

保压时间的多少对塑件的质量有很大影响，如果保压时间过长，则会造成塑件的内应力过大、强度低、脱模困难。

如果保压压力过短，则会造成塑件的密度过低、尺寸偏小、容易出现缩口现象等。

（3）冷却时间指塑件保压结束至开模以前所需的全部时间。

其时间的设定主要取决于塑件的厚度、塑料的热性能、结晶性能及模具温度。

但冷却时间过长，不仅会降低生产效率，还会使复杂塑件制品脱模困难，假设强行脱模的话，将会产生较大的脱模应力，严重的话会摔坏制件。

因此要选择合适的冷却时间，来保证脱模时塑件不变形。

（4）其它时间主要是指开模、脱模、喷涂脱模剂、安放嵌件等时间。

1.4本文课题来源及研究的主要内容

1.4.1课题来源

本课题研究企、事业单位委托课题，题目性质为工程设计。

1.4.2主要内容

本课题的主要研究内容是根据吹风机盖体的结构，通过熟练运用Moldflow软件完成模流分析，确定注射温度、模具温度、注射时间、保压时间、保压压力等工艺参数对充填、保压、收缩、翘曲、沉降斑的影响。

利用正交试验方法对每个试验的变量水平组合进行有效的挑选，并得出最佳的优化方案，完成课题要求。

第二章注塑过程的CAE模拟

2.1引言

吹风机盖体注塑成型过程主要有加料、塑化、注射、充填、保压、冷却和脱模等几个环节。

本课题塑件在成型加工过程中，所使用的材料为PC，由于在成型过程中加工工艺会有所变化，可能会出现各种各样的缺陷。

本文就翘曲、收缩、沉降斑三个缺陷展开了分析与优化，得出工艺参数的最佳方案。

2.2MoldFlow软件简介

Moldflow软件最初是由Moldflow公司开发研制的，该公司是一家专业从事塑料成型计算机辅助工程分析的软件和咨询公司，自1976年发行世界上第一套流动分析软件以后，它一直主导着塑料CAE分析软件市场，直到2008年6月，moldflow公司被欧特克（Autodesk）公司完全收购,从那以后该软件就被命名为AutodeskMoldfiow。

通过不断的改进软件在性能、仿真分析的精度和计算机辅助设计软件的互操作性方面得到进一步提升，给予优化塑料产品设计、模具设计和模具制造提供了更加出色的解决方案。

Moldflow6.1软件的功能：

①优化塑件

运用Moldflow6.1软件可以优化塑件，得到塑件的最小实际壁厚，优化塑件结构，降低材料成本，缩短生产周期，保证塑件能全部充满。

②优化模具结构

运用Moldflow6.1软件，可以得到最佳的浇口位置和浇口数量，合理的流道系统与冷却系统，并对型腔尺寸、浇口尺寸、流道尺寸和冷却系统进行优化，在计算机上进行试模、修模，大大提高模具质量，减少实际修模次数。

③优化注塑工艺参数

运用Moldflow6.1软件，可以确定最佳的注射压力、琐模力、保压压力、注射时间、熔体温度、模具温度、保压时间和冷却时间，从而得到最佳的塑件。

因此，Moldflow6.1软件受到许多从事模具行业的公司欢迎。

以下是Moldflow进行有限元数值仿真试验的流程图如图2.1所示。

图2.1模拟实验流程图

2.3塑件CAE模拟实验

2.3.1塑件建模

1.CAD建模

常用的三维CAD软件有Pro/E、UG、Solidworks等。

本文采用UG6.0建立吹风机盖体模型，结果如图2.2所示。

图2.2吹风机盖体3D模型图

2.模型导入

Moldflow6.1与其它CAD系统有很好的兼容性，可以导入的模型文件格式有STL文件、STEP文件和IGES文件，或者由Pro/E生成的*.ANS文件、或者SDRC-Ideas生成的*.UNV文件等。

本课题采用的是由UG6.0导入的IGES文件格式，通过UG软件文件类型转换并导入到Moldflow软件中，本文塑件的尺寸为162mm×164mm×80mm,材料为PC,在moldflow中选择的是GenericShrinkageCharacterisedMaterial公司生产的，牌号为GenericPC（Lexan）的PC料。

导入的模型如图2.3所示。

图2.3UG模型导入结果

3.网格划分

应用Moldflow6.1之前需要进行创建网格模型。

网格划分是优化分析的基础，Moldflow中，分析模型的网格类型主要有三种。

（1）中面模型网格（Midplane）

是由三节点三角形单元组成，网格的创建在模型壁厚的中间处，其优点是分析速度快、效率高，主要用于薄壁塑料产品。

（2）表面模型网格（Fusion）

表面模型网格是进行分析的基础，也是由三节点三角形单元组成，但是它的网格创建是在在模型的上、下表面。

因此叫表面网格。

（3）实体模型网络（3D）

实体网格是流动+保压分析的基础，它是由四个节点和四面体单元组成的，每一个四面体单元又是由四个中面网格模型中的三角单元组成的，可以进行真实三维模拟分析主要用于厚壁塑件和厚度变化较大的塑件，利用三维网络模型可以更为精确的进行三维流动仿真。

本文采用的是双层面网格模型（Fusion）进行网格划分，如图2.4所示。

图2.4模型网格划分结果

4.网格缺陷修改

通过网格诊断可以查找模型网格中存在网格缺陷，网格质量的优劣直接影响着模流分析的最终结果，因此，对网格缺陷的修复就显的十分重要。

Moldflow6.1提供了几十种修复工具。

本文主要运用了“自动修复”功能和“合并节点”来修复网格中存在的重叠单元、交叉边、自由边、共用边、相交单元、配向不正确单元等问题，这两种功能对修改纵横比十分有效，运用这两种功能可以修复到要求值。

修复后的网格统计信息如图2.5所示。

图2.5网格统计

5.确定最佳浇口位置

利用Moldflow6.1软件对最佳浇口位置进行自动分析。

在注塑模具设计中，浇口位置的设计是非常重要的。

浇口位置的设定直接影响到熔体在型腔内的充填时间，从而影响聚合物分子的取向和产品成型后的翘曲，因此，选择合理的浇口位置直接关系到塑件能否被高质量地注射成型。

浇口位置的选择需要考虑以下几点：

1　尽量缩短流动距离；

2　浇口开设在工件的厚壁处；

3　需要考虑分子的定向影响；

4　减少熔接痕提高熔接强度；

通过分析得到的最佳浇口位置如图2.6所示。

图2.6最佳浇注位置

6.确定冷却浇注系统

（1）浇注系统的确定

浇注系统是指从注塑机喷嘴进入模具到型腔入口位置的那一段流道。

是型腔熔体的通道。

本文由于考虑到工件的具体性能及合理性，浇口位置设置吹风机的出风口位置，并且采用的轮辐式浇口，轮辐式浇口是根据环形浇口改进而来，由原来的圆周进料改进成几个小段圆弧进料，浇口的尺寸和侧浇口相似，这种形式的浇口耗料比环形浇口少得多，且去除浇口容易。

浇注系统如图2.7所示。

（2）冷却系统

本文采用的材料为PC，属于热塑性塑料，因此，塑件的注塑时间约占整个周期的大部分时间，设计优良的冷却系统可以大大缩短塑件的冷却时间，提高生产效率，降低内部残余应力，保证尺寸的稳定性等，冷却系统是用来冷却塑件、液压油、浇注系统及模具的系统，冷却效果的好坏对成型效率和塑件的质量影响很大。

它是一个封闭的循环系统，将冷却介质分配到各个独立的回路上并对其流量进行控制。

由于模具的冷却时间约占整个注射循环周期的2/3以上，所以模具的冷却系统的创建十分重要。

由于本塑件外形结构相对简单，塑件尺寸相对较小，因此采用的是两组串联式冷却水道，冷却水管的直径为D＝8mm，水管间距为SH＝25mm,水管到型腔的距离为SM＝25mm.本文采用了如图2.7所示的冷却浇注系统。

图2.7冷却浇注系统

2.3.2moldflow模拟分析及结果

1.分析过程

（1）Gatelocation最佳浇口位置的分析，完成前期工作可以自动分析出最佳浇口位置，如图2.6蓝色阴影部分。

（2）Flow流动（充填&保压）分析

充填+保压分析的目的是用来模拟塑料熔体从注射点进入型腔开始，直到充满整个型腔的流动过程，目的是为了获得最佳的保压阶段设置，从而尽可能的