摄像头支架零件的注塑成型模拟分析毕业作品.docx

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摄像头支架零件的注塑成型模拟分析毕业作品

摄像头支架零件的注塑成型模拟分析

摘要

本此论文设计采用UG进行摄像头支架零件的三维建模，并转换成jgs格式。

利用MoldflowPlasticInsight（MPI）软件对部件注塑成型整个过程进行模拟分析、并改善塑件成型缺陷。

此软件分析过程总体包括充填、流动、冷却、翘曲等方面分析，从分析中获得最佳浇口位置、气穴、熔接痕、流动时间、残余应力、冻结时间、压力和温度分布的准确信息。

对摄像头支架零件的浇口位置进行模拟分析，通过显示结果的充填时间、压力、气穴、熔接痕等进行优化对比，选出最佳的进浇位置方案。

并以此进浇点设计出浇注系统，进行流动翘曲分析。

由于本此设计塑件材料采用塑料聚碳酸酯（PC）为原料，通过模流分析在充填时间、气压、气穴、熔接痕等工艺参数对比下得到优化参数，选出最佳方案进行注塑成型。

经过对比优化后的进浇位置，使注件充填时间得到改善，气穴问题明显减少，熔接痕也得到改善，优化后的冷却水路，使注塑件在加工过程中制品温度得到改善。

这些优化后的方案提高能够塑件质量，减少生产周期，这就是CAE技术在制造业广泛应用的原因之一。

关键词：

模拟分析；流动；翘曲；填充时间；气穴；压力；熔接痕

1.绪论

1.1研究背景

塑料模设计中的成型工艺有很多，其中包括压注、注塑、挤出、中空吹塑成型等[1]。

其中压缩成型在热固性塑料产品中应用广泛。

压注成型对塑料要求高，酚醛、环氧树脂等满足其注塑要求[2]。

而注塑成型工艺在热塑性材料中都可以适用，近年来，在热固性塑料中使用也较多。

注塑成型的成型周期短，适用范围广。

在此成型方法中加工出来的制品在塑料制品中比重较大。

在CAE技术出现之前，传统的设计流程是设计-试模-修改-试模-修改的循环过程，造成生产周期增加、原料的浪费。

而这些缺陷都是CAE技术需要研究和解决的热点话题。

1.1.1发展趋势

CAE技术出现之前，塑料产品的最终成型需要各个流程的设计师一起协商、讨论完成，从设计-试模-修改-试模不断循环，不断改善环节并最终完成的过程。

在以前的传统模具设计中，设计师靠自己的直觉和个人经验来完成模具设计。

在加工过程中出现什么缺陷就需要重新调整一些工艺参数甚至是模具结构。

在产品加工上浪费很多时间。

随着科学技术的发展，应对各个行业所需的程序软件慢慢出现并广泛应用。

Moldflow公司研发出的模流软件分析出生于1976年[3]，在你那个时代软件才开始慢慢流行，最先成形的Moldflow成为CAE软件市场上的领头羊。

成为注塑成型加工前必过的流程之一。

随着制造业的发展，CAE软件慢慢在汽车、手机、电脑等多个领域得到广泛应用。

本次论文将UG绘制的塑件采用CAE分析软件MPI，利用流动、冷却、翘曲三方面对一模两腔的摄像头支架零件进行模流分析，通过进浇口、冷却模拟分析优化产品设计参数，以得到最佳方案。

1.2模拟过程的理论基础

1.2.1塑料注塑成型原理

注塑成型又称注塑模具，是热塑性塑料制件的主要成型方法之一。

塑料注射成型所用的模具成为注射成型模，简称注射模（塑料模）[4]。

通常成型过程一般为：

合模—注射—保压—冷却—开模-顶出—开模停留时间。

注塑必要条件为：

（1）注入的塑料为熔融状态

（2）材料必须有足够压力和速度，保证及时充满型腔。

1.2.2CAE技术应用理论

CAE软件有Hyperworks、Pro/ENGINEER、Moldflow、Dyneform等[5]。

而Moldflow软件主要针对塑料模的设计进行模流分析，Dyneform软件是针对钣金冲压零件，特别是拉深件的分析。

在CAE软件中，有限元分析是其基础。

在注塑CAE技术中主要是利用所选材料的属性和传热学等的基本原理[6]，进行模拟填充、模拟注塑传热的实验，立即分析后计算机自动分析自己所设计塑料，可以从分析日志中看出分析结果，也可以生成报告更清晰的看出塑件的填充时间、气穴、压力等工艺参数。

本次毕业设计设计塑件利用Moldflow软件将摄像头支架型腔进行有限元网格划分，获得最佳进浇节点480。

然后模拟塑件在注塑成型过程中的冷却状况、产品温度等，得到一些工艺参数，发现制品注塑过程中的缺陷（气穴、压力、熔接痕等）[7]，帮助设计人员及时发现问题并改正，提高生产周期、制件质量。

1.3本次毕业设计主要工作

本此设计分析主要工作有以下几步：

（1）运用UG进行摄像头支架建模并转换成igs格式；

（2）了解摄像头支架所用材料特性参数；

（3）使用MPI进行模型浇口位置分析，得到最佳浇口位置的基本参数；

（4）选择几腔方式进行浇注位置优化、分析、对比，选出最佳方案；

（5）以第（4）步优化后选出的最佳的方案建立多种冷却系统对比、分析，优化工艺参数最终获得最佳的方案。

2.摄像头支架实体

2.1摄像头产品造型

图2.1摄像头整体视图

此产品由三部分组成，分别为底座、支架、摄像头部分。

本次毕业论文就摄像头支架部分进行模流分析。

2.2产品设计三视图

图2.1摄像头支架三视图

设计塑件长度为110mm宽度60mm均匀壁厚处厚度2mm，其对于PC材料制其最小制品壁厚0.95，小制品壁厚1.35，中等制品壁厚2.30，大制品壁厚3.0~~4.5。

壁厚不均匀会导致塑件产生很多缺陷（如气泡、熔接痕、变形等）影响制件外形美观程度和塑件整体质量。

下面几章主要对此制件进行分析，以获得最佳制件方案，提高制件质量和提高生产效率。

3.摄像头支架注塑成型分析

在Moldflow软件分析中，首先要进行网格化分，有纵横比不好的地方要进行修改，然后选择分析类型、成型材料，选择浇口位置，工艺参数采用默认数据分析，在立即分析后，就会得到产品成型分析，并显示出塑件最佳浇口位置在哪一个范围内（通过报告看）。

3.1制件成型条件分析

图3.1pc塑料属性

由于本品采用PC作为材料，在材料库中推荐模具温度范围70~120℃，推荐值为95℃。

适合的熔体温度试用范围为260~340℃，推荐值300℃。

最大剪切应力0.5MPa,最大剪切速率40001/s。

3.2制件网格划分

在UG软件中设计出的摄像头支架部件是个实体，但在CAE有限单元中，整个部件都是由无数个线或面把连续的介质内部和它的边界分割成有限个大小、数目的离散小单元[8]。

使原来一个连续的整体简化成有限个单元的体系。

在导入模型后，首先要对此进行网格划分，全局网格变长取4.4mm，本制件为双层面分析，其他参数取默认数值，划分结果如图。

图3.1制件网格划分

3.1.1网格划分统计

上图3.2划分好的网格统计结果

图3.1.1网格统计

可以看出此模型三角形为2098个，节点为1047个，自由边为0，对于fusion和3D模型中不允许存在自由边，所以不需要对自由边进行修改。

最大纵横比为11.272个。

对于fusion模型最大纵横比要＜6，所以要对最大纵横比进行改善。

3.1.2网格修复

下面进行网格诊断、纵横比诊断，输入参数最小值为6，显示结果如图所示

图3.1.2纵横比诊断结果

模型顶部出现红色直线，表示纵横比较差，需要使用节点工具进行修改。

修改完的模型网格统计如图

图3.1.2网格统计

修改过的模型三角形为2062个，节点1029个，最大纵横比为5.332，符合分析条件。

3.3型腔数量选择

此部件模型壁厚较均匀，结构较简单，选择一模两腔方式进行注塑分析，这种注塑方式能够帮助塑料溶液顺利走胶，并能提高所设计的注塑件品质。

3.4最佳浇口位置分析

图3.2最佳浇口位置

根据最佳浇口位置分析结果可以看出，制品的最佳进浇位置（N480）。

对于有工作经验的模具设计师而言，经验加软件分析结果辅助，可以优化塑件质量，也减少生产周期的时间。

图中可以看出，蓝色处表示最佳浇注位置，分布在注件中心位置（大约）。

绿色、天蓝色处浇口位置稍差一些。

红色、黄色区域代表最差浇口位置，分别分布在注件边角处，充型长度过大溶液流动性不平衡，易出现缺陷。

4.进浇位置选择

4.1进浇位置设计方案

本次设计采用一模两腔浇口位置分析，按照分析结果显示出的最佳浇口位置和最大直径距离处进行分析，设计了2种不同浇注方案。

方案一：

点浇口最佳浇口处，节点N540和N1580

方案二：

侧浇口最大直径距离处，节点N2095和N2096

浇注系统设置方案如图：

图4.1方案一

图4.1.2方案二

4.2方案分析

对以上两个方案进行流动+翘曲分析，充填时间、熔接痕、气穴、压力分布图分别见以下：

（1）填充时间

（2）熔接痕

（3）气穴（4）压力

（5）翘曲变形

图4.1进浇位置方案一模拟结果

根据注塑最佳浇口位置，浇口选在最佳浇口位置的最大充填时间为2.201s,质量为29.0549g，熔接痕为129.1deg，可能是注塑件壁厚差异、转角、弯曲等原因造成的[9]。

气穴在制件表面也有分布，影响制品表面质量。

翘曲变形为0.2914mm，说明塑件体积收缩较好。

（1）充填时间

（2）熔接痕

（3）气穴（4）压力

（5）翘曲变形

图4.1.2进浇位置方案二模拟结果

根据结果显示，制品注塑时的压力减少很多，产品质量为29.6211g，体积收缩率不均，造成翘曲变形为0.3591mm，气穴分布与方案一相差不大，影响制品表面质量，熔接痕变大，说明制品结构、厚度不均，会造成制品出现缝隙，应注意。

4.3方案分析结果比较

以上分析结果可以看出，两种方案都有一些缺陷，相比较而言，方案一翘曲变形量较小，熔接痕也较少，气穴分布与方案二相差不大，综合报告结果来看，设计的浇注系统可行，产品质量损失小。

综合分析得出方案一较为合理。

4.4小结

从上述模拟分析可以得出，浇口位置选择不同对制件质量、温度等影响很大。

对此选择浇口位置时应该综合考虑制件本身功能特点和材料属性，进行软件分析，找出缺陷并修改参数以得到实际加工过程中的最佳方案。

5.冷却水路优化

5.1冷却水路结果分析

从上面分析中得到较好的浇注系统如图5.1

图5.1浇注系统

5.1.1冷却水路设计

下面进行冷却水系统的设置和分析，开始选用两个冷却回路。

水管直径为6，水管与制品间距离为12，排列方式为x轴，管道数量为6，管道中心之间距离为25，制品外距离为20，冷却材料为25℃的水，模具雷诺数为10000。

工艺设置模具表面温度为70℃，熔体温度为230，开模时间为5s.

图1模具温度图2最高温度位置

图3模具温度

图5.1.1冷却水管模拟结果

根据分析结果可以看出，模具温度64.54℃最大温度分布在圆柱内部，，最高温度处在浇口位置周围，水管内温度在最初进水口水温低，冷却管道布局未达到很好的冷却效果，需要改进。

5.1.2优化水路分析

改进的方案采用三个冷却回路，管道直径为8，管数为13，管道之间距离适中即可。

X轴、Y轴分别设有水路。

冷却材料为25℃的水，模具雷诺数为10000。

工艺设置模具表面温度为70℃，熔体温度为230，开模时间为5s.

图1模具温度图2最高温度位置

图3模具温度

图5.1.2优化冷却水管模拟结果

此次优化在壁厚处增加水路，模具温度最高为62.22℃，制品最高温度区域较前面的水路设计方案明显减少，水管内温度无明显变化。

整体温度降低，冷却水路起到冷却效果。

结论

在本次的研究中，CAE软件模拟分析技术对制件注塑模拟分析，使制件存在的缺陷用图片和数据表现出来，经过改善工艺参数来提高制件的产品质量、降低零件的生产成本。

从上述模流分析中得到以下结论：

（1）从最初网格化分开始，对制件进行网格修复，减少制件在后面的流动、冷却、翘曲分析出现错误，及时修改工艺参数，使最大纵横比减少。

（2）从上文对冷却水路优化设计方案中，优化后的制品温度有所下降，最高温度区域减少，起到冷却作用。

（3）从上文两种进浇位置方案中，方案一即点浇口选在节点N540和N1580的充填时间较短，翘曲量较少，相比方案二较为理想，所以选用方案一作为最佳方案。

科学技术的飞速发展，软件技术也在进步和改善，本软件还存在缺陷，有时会少分析一些，分析时需要注意。

参考文献

[1]甘辉、黄志高等塑料模具设计基础及项目实践杭州：

浙江大学出版社，2015.1

[2]俞芙芳，刘琼塑料成型工艺与模具设计武汉：

华中科技大学出版社2007

[3]张智勇Moldflow6.1塑料成型从入门到精通北京：

电子工业出版社2009

[4]张琼塑料Moldflow实用教程北京：

机械工业出版社2008

[5]张金标注塑CAE及Moldflow软件应用北京：

机械工业出版社20011.07

[6]吴梦陵塑料成型CAEMoldflow应用基础北京：

电子工业出版社2010.06

[7]常旭睿模具设计基础与应用实例北京：

机械工业出版社2011.11

[8]钱欣，金杨福塑料注塑制品缺陷与CAE分析北京：

化学工业出版社2010.01

[9]赵龙志，付伟，赵明娟现代注塑模具设计实用技术手册北京：

机械工业出版社2013.01

[10]傅建，姜勇道Moldflow设计指南成都：

四川大学出版社2010.11