xxx模流分析报告之欧阳化创编.docx

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xxx模流分析报告之欧阳化创编

时间：

2021.02.12

创作人：

欧阳化

第1章模流分析的概述1

1.1模流分析的原理1

第2章塑件的工艺性分析2

2.1原材料分析2

2.2结构分析3

2.3成形工艺分析4

第3章成形方案的设计与分析4

3.1成形方案的设计4

3.2初始方案的分析5

3.2.1侧浇口的特点5

3.2.2工艺参数的设置6

3.2.3网格模型的划分6

3.2.4流动+翘曲的分析7

3.2.5冷却分析9

3.3优化方案的分析10

3.3.1点浇口的特点10

3.3.2冷却分析13

第4章方案对比14

4.1浇口位置对比14

4.2工艺条件设定14

4.3实验结果对比14

第1章模流分析的概述

1.1模流分析的原理

1.粘性流体力学的基本方程1）广义牛顿定律，反映了一般工程问题范围内粘性流体的应力张量与应变速率张量之间的关系，数学表达式为本构方程。

2）质量守恒定律，其含义是流体的质量在运动过程中保持不变，动量守恒定律，其含义是流体动量的时间变化率等于作用于其上的外力总和，数学表达式为运动方程。

3）热力学第一定律，其含义是系统内能的增加等于对该系统所作的功与加给该系统的能量之和，数学表达式为能量方程。

2.塑料熔体充模流动的简化和假设

1）由于型腔壁厚（z向）尺寸远小于其他两个方向（x和y方向）的尺寸且塑料熔体粘性较大，z向的速度分量可忽略不计，且认为压力不沿z向变化。

2）充模过程中熔体压力不是很高，因此可视熔体为未压缩流体。

3）由于熔体粘性较大，对于粘性剪切应力而言，惯性力和质量力都很小。

4）在熔体流动方向（x和y方向）上，相对于热对流项而言，热传导项很小。

5）在充模过程中，熔体温度变化不大，可认为比热容和导热系数是常数。

1.2模流分析的作用

专业模流分析，可以预先发现模具可能存在的缺陷，节省试模、改模费用。

如最佳进浇方案优化，帮助确定最佳的热流道进点位置，帮助确认有无“缩水”现象，结合线的位置，减轻翘曲变形，提高冷却效率缩短成型周期等等，对高品质的模具制作有确实的好处。

总的来说，做模流分析的好处有以下几点：

1.省钱，节省不必要的试模、改模费用；

2.省时，缩短模具成型周期及制作周期，提升第一次试模成功率；

3.高质，预先发现模具可能存在的缺陷，避免试模后烧焊；

4.有利于树立良好的服务形象，增强信心，从而促使客人多下订单。

第2章塑件的工艺性分析

2.1原材料分析

1．材料品种：

聚乙烯，即PE。

2．PE特点：

乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂。

在工业上，也包括乙烯与少量α－烯烃的共聚物。

乙烯为结晶料，吸湿小，不须充分干燥，流动性极好流动性对压力敏感，成型时宜用高压注射，料温均匀，填充速度快，保压充分.不宜用直接浇口，以防收缩不均，内应力增大。

注意选择浇口位置，防止产生缩孔和变形。

收缩范围和收缩值大，方向性明显，易变形翘曲。

冷却速度宜慢，模具设冷料穴，并有冷却系统。

加热时间不宜过长，否则会发生分解。

软质塑件有较浅的侧凹槽时，可强行脱模。

可能发生融体破裂，不宜与有机溶剂接触，以防开裂

3.聚乙烯无臭，无毒,手感似蜡,具有优良的耐低温性能（最低使用温度可达-70～-100℃）,化学稳定性好,能耐大多数酸碱的侵蚀（不耐具有氧化性质的酸）,常温下不溶于一般溶剂,吸水性小,电绝缘性能优良。

4．成型温度为140-220℃。

5．注射工艺及模具条件

1）干燥处理：

通常不需要进行干燥处理

2）熔化温度：

121-141℃

3）模具温度：

20-50℃

4）注射压力：

可达到150MPa

5）保压压力：

可达到100MPa

6）注射速度：

为避免材料降解，一般要用相当低的注射速度。

7）流道和浇口：

可以采用所有常规的浇口，如果注射成型较小的塑料件，最好采用针状浇口或潜伏式浇口，对于较厚部件，最好使用扇形浇口或潜伏式浇口的最小直径应为1mm，扇形浇口的厚度不能小于1mm。

2.2结构分析

1.从图2-1分析，该塑件的外形整体结构特征较为简单，却带有曲面的特征，尺寸较小。

壁厚均匀，符合最小壁厚要求。

2.塑件内外壁成型不是直角，而是成圆角，主要是为了在成型后，脱模的时候塑件方便取出，不需要考虑侧抽芯装置。

图2-1塑料胶带圈的三维图

2.3成形工艺分析

1）结晶料,吸湿小,不须充分干燥,流动性极好流动性对压力敏感,成型时宜用高压注射,料温均匀,填充速度快,保压充分.不宜用直接浇口,以防收缩不均,内应力增大.注意选择浇口位置,防止产生缩孔和变形.2）收缩范围和收缩值大,方向性明显,易变形翘曲.冷却速度宜慢,模具设冷料穴,并有冷却系统.3）加热时间不宜过长,否则会发生分解.4）软质塑件有较浅的侧凹槽时,可强行脱模.5）可能发生融体破裂,不宜与有机溶剂接触,以防开裂.

第3章成形方案的设计与分析

3.1成形方案的设计

注塑模具的浇口是分流道与型腔之间的狭窄部分，它使由分流道输送来的熔融塑料产生加速，形成理想的流动状态而充满型腔。

它是整个浇注系统最关键的环节，它的形式、尺寸及位置会影响塑料流的充填模式，对塑件质量影响很大，其形式和尺寸可以通过试模后的修模过程来调整。

对于胶带圈的模流分析我采用了两种方案的对比，方案一（侧浇口）方案二（点浇口）

方案一采用侧浇口，一模四腔的布局形式，对胶带圈的成形进行模塑分析，通过分析胶带圈在成形过程中的体积收缩率、剪切速率等，发现可能出现的各种成型缺陷以及生产效率的高低，从而确定合理的浇口位置，优化模具设计。

方案二采用点浇口，一模两腔的布局形式，对胶带圈的成形进行模塑分析，并通过胶带圈的浇口位置、充填时间、充填压力、锁模力、熔接痕、气穴等分析，确定模具在充填过程中的利与弊，以及塑件的力学性能和外观质量，最后根据所出现的问题采用合理的设计方案，保证制品的质量。

3.2初始方案的分析

3.2.1侧浇口的特点

侧浇口，又叫边浇口，矩形浇口，是浇口种类中使用最多的一种，因而又称普通浇口，其截面形状一般加工成矩形，故又称矩形浇口。

它一般开在分型面上，从型腔外侧进料。

由于侧浇口的尺寸一般都较小，所以截面形状与压力、热量的关系可忽略不计。

矩形浇口的长一般为0.5~3mm,宽为1.5~3mm,浇口深为0.5~2mm.

1）侧浇口的优点

A、截面形状简单，加工方便，能对浇口尺寸进行精细加工，表面粗糙度值小。

B、可根据塑件的形状特点和充模需要，灵活地选择浇口位置，如框形或环形塑件，其浇口可设在外侧，也可设在内侧。

C、由于截面尺寸小，因此去除浇口容易，痕迹小，制品无熔合线，质量好。

D、对于非平衡式浇注系统，合理地变化浇口尺寸，可以改变充模条件和充模状态。

E、侧浇口一般适用于多型腔模具，因此生产率很高，有时也用于单型腔模具中。

2）侧浇口的缺点

A、对于壳形塑件，采用这种浇口不易排气,还容易产生熔接痕、缩孔等缺陷。

B、在塑件的分型面上允许有进料痕迹的情况下才可使用侧浇口，否则，只有另选浇口。

C、注射时压力损失较大，保压补缩作用比直浇口要小。

3）侧浇口的应用

侧浇口的应用十分广泛，特别适用于两板式多型腔模具，多用于中小型塑件的浇注成型。

3.2.2工艺参数的设置

表3-1PE的成型条件

熔体密度/（g·cm-3）

最大剪切

应力/MPa

最大剪切

速率/s-1

模具温

度/℃

熔体温

度/℃

顶出温

度/℃

1.4g/cm3

1.887

34149

25-39℃

180-226℃

35℃

完成分析后，选择注塑原料为PE，其材料参数及成型条件，见表3-1。

3.2.3网格模型的划分

网格模型的划分网格划分采用表面网格类型（Fusion），网格平均边长1.71mm，网格单元为11203个三角形，节点数为5642个，最大纵横比小于10，匹配率大于88.2%，此网格构造良好，完全能满足分析要求

产品模型网格划分

3.2.4流动+翘曲的分析

图3-2变形

变形是薄壳塑料制品注塑成形过程中常见的缺陷之一，不同材料，不同形状制品的翘曲变形规律差别很大，图3-2中最大的变形比例为0.1912,最小的比例为0.0711。

　剪切速率是指流体的流动速相对圆流道半径的变化速率。

塑料熔体注塑时流道的剪切速率一般不低于1000ˉS浇口的剪切速率一般在100000ˉS—1000000ˉS。

公式：

剪切速率=流速差/所取两页面的高度差

表3-5剪切速率

剪切速率

最大值

34149/s

剪切速率

第95个百分数

300001/s

剪切速率

平均值

5.18141/s

剪切速率

标准差

5.29721/s

图3-9缩痕指数

缩痕的定义及有关研究缩痕指的是注塑制品表面产生凹坑、陷窝或者收缩痕迹的现象,缩痕深度一般比较小,并不影响使用性能,但是由于它使光线朝不同方向反射,使得产品在外观上不可接受。

如图3-9所示画圈的地方即为制品上产生的缩痕。

表3-6缩痕指数

缩痕指数

最大值

0.2542%

缩痕指数

第95个百分数

0.213%

缩痕指数

最小值

-0.1395%

缩痕指数

标准差

0.2232%

图3-10体积收缩率

体积收缩率是保证塑件尺寸的重要因素，同时它也影响模具推出机构推出件力的大小，如图3-10胶带圈的收缩率为20.18%,那么模具的型芯也就根据收缩率的大小相应变大，这样尺寸才能在规定公差范围之内。

表3-7体积收缩率

体积收缩率

最大值

20.18%

体积收缩率

第95个百分数

18．85%

体积收缩率

第5个百分数

3.45%

体积收缩率

最小值

0.027%

体积收缩率

平均值

13.4636%

体积收缩率

标准差

2.7272%

3.2.5冷却分析

图3-11温度

图3-11为注塑过程中模具的温度分析，从分析图中来看，模具内部温度较高，最大温度为38.51C。

分析数据如下：

表3-8型腔表面温度

型腔表面温度

最大值

38.51℃

型腔表面温度

最小值

25℃

型腔表面温度

平均值

30.13℃

平均模具外部温度

25℃

循环时间

35.0000s

3.3优化方案的分析

3.3.1点浇口的特点

点浇口又叫橄榄形浇口或菱形浇口，是截面尺寸很小的圆形截面浇口，是应用较广泛的一种小浇口，其结构和尺寸如图3-1所示。

点浇口的特点是浇口位置可根据工艺要求灵活地确定，浇口附近塑件变形小，去浇口容易，可自动拉断，有利于自动化操作。

点浇ロ适于成型低黏度塑料及黏度对剪切速率敏感的塑料，如PE、PP、ABS等。

变形是薄壳塑料制品注塑成形过程中常见的缺陷之一，不同材料，不同形状制品的翘曲变形规律差别很大，图3-2中最大的变形比例为0.1912,最小的比例为0.0711。

图3-3填充结束时的压力

通过填充结束时的压力分布情况，分析充模压力分布是否平衡，在最后充型的部分压力较低，见图3-3。

注塑过程中的最大充填压力为40.21MPa，在充填结束后制品应处于保压阶段。

表3-3保压阶段结果

压力峰值-最小值（在13.561s）

40.21MPa

锁模力-最大值（在15.061s）

3.0tonne

总重量-最大值（在22.699s）

2.484g

表3-4保压阶段结束的结果

保压结束时间

30.02s

总重量（制品+流道）

4.53g

图3-4熔接痕

熔接痕会影响制品的力学性能和外观质量，但可以通过采用提高模具温度|、加大浇口尺寸、降低锁模力或在熔接缝处开设排气系统等措施来解决，从而降低废品率。

根据图3-4分析结果，因没有大面积熔接痕，塑件表面质量不会受到影响。

图3-5锁模力

在注塑过程中，当熔体充满整个模具型腔，会产生使模具分型面胀开的力，导致飞边的产生，因此注射机合模机构必须有足够的锁模力，且锁模力必须大于胀开力。

一般在满足要求的前提下，锁模力应尽可能的小，有利于节约能源、降低成本，延长注射机及模具的使用寿命，有利于模具的排气，控制填充状态。

此胶带圈通过分析计算填充时所需的锁模力为3.0tonne。

从图3-5可以看出，建议选用锁模力为1800kN以上的注射机。

图3-6气穴

气穴导致的制品表面瑕疵及焦痕等缺陷，见图3-6。

从图3-6可以看出，图中为塑件的气穴位置，非常容易产生困气的现象，模具设计时尽量靠近这些区域排布顶针、镶件等，以避免困气，以确保模具设计的合理性。

3.3.2冷却分析

图3-7冻结时间

图3-7为点浇口时的产品所需冻结时间，其中最上面部分最快冻结，中部最后冻结，整个过程大约需要1.561s；

第4章方案对比

4.1浇口位置对比

方案一侧浇口方案二点浇口

从理论上讲，本产品最佳浇口位置应该在产品中央，但受产品表面质量的要求，是不能在产品中央设置浇口的。

方案一采取侧浇口一点注射，一模两腔。

而方案二点浇口一模四腔，通过模拟模流充填过程的数据分析比较，判断这四个浇口位置的优劣，为生产实际提供理论依据。

4.2工艺条件设定

冷却水道布置在模具上下位置，即定模和动模部分，水管直径为8mm，冷却水温度为25℃。

。

本实验采用PE材料，模流分析序列采用“冷却＋流动＋翘曲”进行模拟分析。

设置模具表面温度为50℃，熔体温度为230℃，开模时间为5s，设置充填自动控制，速度/压力自动切换，保压控制由充填压力与时间决定，顶出温度为88℃，顶出时的冻结百分比为100％，并将翘曲原因分离，矩阵求解器为自动求解。

4.3实验结果对比

本实验从模流充填过程的三个方面对浇口位置的选择进行分析对比：

流动分析、冷却分析、翘曲分析，并且在每个方面只选择对产品质量影响最大的因素进行分析

流动分析对比

方案一图4-3方案二图4-4

流动分析选择对产品表面的熔接痕进行分析对比。

熔接痕是出现在产品的表面，产品的外观要求是平整光洁，保证熔接痕处强度，不能开裂，浇口的位置的设计要尽量避免熔接痕的出现。

图4-3所示是浇口设计在产品的侧面，从产品侧面进料，可以看到产品的侧面和上面都产生了熔接痕，其中产品侧面的熔接痕影响美观；图4-4所示是浇口设计在产品的上面，从产品上面的转轴上进料，则只在产品后面的避空处的转角产生熔接痕，并不影响产品的美观。

充填结束压力对比

方案一图4-5

方案二图4-6

图4-6为点浇口注射时所需的充填压力，它充填结束时所需的充填压力为40.21。

图4-5为侧浇口所需的注射压力，它充填结束时所需的充填压力为38.19。

充填压力是选用注射机型号的重要因素，充填结束时的压力越大，所需的注射机的注射压力越大，成本越高。

通过比较点浇口充填结束时所需的压力比侧浇口要大，因此所需的成本也较高。

冷却分析对比：

方案一图4-7

方案二图4-8

在相同的冷却条件下，产品的散热快、冷却效率高，产品冻结时间就会短，成型周期就会短，可以提高生产效率。

图4-8为点浇口时的产品所需冻结时间，其中上间部分最快冻结，中部为最后冻结，整个过程大约需要1.56s；图4-7为侧浇口时的产品所需冻结时间，冻结的顺序与前面基本一样，整个过程大约需要4.21s。

比较二个过程，点浇口比侧浇口节省时间2.65s，以及综合制品的充填时间对比来看，点浇口充填时间为0.4577s，侧浇口的充填时间为0.3668，通过对比侧浇口比点浇口提高生产效率。

翘曲分析对比

方案一图4-9

方案二图4-10

产品的总变形量显示的是模型上每一点空间的变形量，以所有变形前的节点为参照，显示模型变形后的形态。

引起翘曲变形有多种因素，这里只考虑综合各种因素的总变形量的对比。

如图4-9所示，侧浇口所产生的最大翘曲总变形量约为0.1912mm，而图4-10所示的点浇口所产生的最大翘曲总变形量约为0.1975mm，二者相比，最大翘曲总变形量下降了0.063mm，翘曲变形减少32％，提高了产品精度。

所以，确定最终使用方案二作为最终方案。

时间：

2021.02.12

创作人：

欧阳化