基于CAE的手机电池盖注塑分析和优化设计.docx

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基于CAE的手机电池盖注塑分析和优化设计

学号：

毕业设计说明书

题目

基于CAE的手机电池盖注塑分析和优化设计

学生姓名

XXXX

专业名称

模具设计与制造

指导教师

XXX

二0一二年六月五日

学号：

河源职业技术学院毕业设计

基于CAE的手机电池盖注塑分析和优化设计

指导教师：

专业名称：

论文提交日期：

论文答辩日期：

论文评阅人：

摘　要

近年来，我国电子工业的高速发展对模具工业，尤其是塑料模具提出了越来越高的要求，2004年，塑料模具在整个模具行业中所占比例已上升到30%左右，据有关专家预测，在未来几年中，中国塑料模具工业还将持续保持年均增长速度达到10%以上的较高速度的发展。

国内塑料模具市场以注塑模具需求量最大，其中发展重点为工程塑料模具。

注射成型是塑料成型的一种重要方法，它主要适用于热塑性塑料的成型，可以一次成型形状复杂的精密塑件。

本课题就是以某公司提供的手机电池后盖塑件样品及提供的具体参数标准和生产条件,对该样品进行测绘,并在测绘的基础上对该产品进行优化设计。

先在UG6.0上建模，再采用Moldflow6.1对制品的3D模型进行网格划分及优化、创建浇注系统,运用MPI对注射过程的填充、保压和翘曲进行模拟分析。

从而利用CAE的分析结果解决注塑模设计及成型加工中出现的问题，获得最优的成型工艺参数和模具设计方案,提高制品试模成功率,缩短制品开发周期,为企业节省制造成本。

在市场经济条件下，产品的质量与成本已成为企业生存发展的生命线。

实践证明，注塑CAE技术对加快新产品开发、提高产品质量、降低成本起着关键作用[1]。

手机电池盖对结构强度和外观质量有着严格的要求，是手机的重要部件。

本文主要从注塑分析（包括浇口位置优化分析、填充分析和翘曲分析）来对手机电池盖进行分析和设计优化。

关键词：

模具，CAE，Moldflow6.1，网格优化，注塑模拟分析，电池后盖

第1章绪论

1.1注射成型模具的地位及发展趋势

塑料是当今极具活力的一门产业。

塑料是现代主要的工业结构材料之一，广泛应用于汽车、宇航、电子通信、仪器仪表、文体用品、化工、纺织、医药卫生、建筑五金等各个领域。

1.1.1注塑成型模具的地位：

从2003年我国模具进口的海关统计资料可知，塑料模具占了模具进口量的57%，而注射成型模具在整个塑料模具中占据了很大的比例。

注射成型模具设计得好坏，决定着注塑成型制件的质量优劣及成品率高低，也就是说，是否能加工出优质价廉的塑料制件，在很大程度上要靠注塑成型模具设计的合理性和先进性来保证。

现代塑料制件的生产中，合理的注塑成型工艺、先进的注塑成型模具及高精度、高效率的注塑设备是当代塑料成型加工中必不可少的三个重要因素。

尤其是注塑模具对完成塑料加工工艺要求、塑料制件使用要求和造型设计起着重要作用。

高效的、全自动的设备也只有装上能自动化生产的模具才有可能发挥其效能，产品的生产和更新都是以模具制造和创新为前提的。

我国注塑模具产品水平自2004年以来也取得了长足的进步。

在大型注塑模具方面，可以生产1219mm电视机的塑料外壳模具、6.5kg大容量洗衣机洗衣桶的模具以及汽车保险杠、整体仪表板等塑料模具；在精密注塑模具方面，已能生产照相机塑料模具、多型腔中模数齿轮模具等。

这也显示了目前我国注塑模技术已达到了较高水平，并在国民经济中将发挥越来越重要的作用。

现在考察某个国家的科学与生产技术水平，塑料的生产与应用情况是重要标志之一。

塑料的加工与应用和塑料工业发展的快慢，对国家科技与生产，以及国民经济的发展的巨大影响是不言而喻的。

随着现代化技术的迅速发展，人们生存在“塑料世界”中，注塑模在国民经济发展过程中将处于十分重要的地位。

1.1.2注塑成型模具的发展趋势：

我国塑料模具工业起步晚，底子薄，与工业发达国家相比存在很大的差距。

但在国家产业政策和与之相配套的一系列国家经济政策的支持和改革开放方针引导下，我国注塑模得到迅速发展，高效率、自动化、大型、微型、精密、无流道、气体辅助、高寿命模具在整个模具产量中所占的比例越来越大。

总体上来看注塑模具发展趋势，注塑成型模具正加深理论研究，加速推进标准化进程，扩大研究各种特殊结构注塑模具，全面推广CAD/CAE/CAM，进一步加强快速原型制造技术。

1.2毕业设计选题的背景、设计方法,目的和意义

1.2.1设计选题的背景和设计方法：

本次设计的手机电池盖是现代通讯工具手机的装配零件之一，在日常生活的电子产品中应用广泛。

由于它的生产批量大，精度要求高，且材料为ABS塑料，适合在塑料模具行业进行生产。

本设计中使用注射模具来生产该产品，其原理是将粒状塑料连续输入到成型机的料筒中加热熔融，然后由注射杆推进，由喷嘴和模具的浇注系统进入模具型腔中，经保压冷却，使之固化成型。

本设计是手机电池盖，运用UG6.0软件对塑件进行了实体造型、分模，对塑件结构进行了工艺分析。

明确了设计思路，确定了注射成型工艺过程并对各个具体部分进行了详细的计算和校核。

最后用autoCAD绘制了一套模具装配图和零件图。

1.2.2：

设计的目的与意义：

这次毕业设计，应达到学校对毕业设计的要求，同时其主要意义还有以下几点：

1.加深对塑料的组成及性能的了解。

2.深入了解塑料成型的基本原理及工艺特点，学会正确分析成型工艺对模具的要求。

3.掌握一类成型模具的结构特点及设计方法。

4.具有初步分析、解决模具现场技术问题的能力。

注塑成型是一门实践性很强的学问，若想对它融会贯通，还需要长期的生产实践经验。

在毕业设计中，需要对大学三年以来学过的知识进行综合应用，即可以加深对已学知识的理解，又可以从中发现不足同时，也可以加强创新以及动手能力的培养，加强独立分析和解决问题的能力，因此，本次的设计有非常重要的现实意义。

第2章手机电池盖测绘及建模

2.1注塑件要求

塑件要求表面光滑、平整、尺寸精度高,不得有扭曲、飞边、银丝、气泡等缺陷。

材料是（丙烯腈/丁二烯/苯乙烯）共聚物（ABS）/聚碳酸酯（PC）合金,其中ABS的比例占大多数。

一模一腔。

2.2建模

初始模型采用UG6.0建立,为了节省网格处理时间和分析计算时间,删除了后盖边缘的细小卡边、小圆角等,采用了不影响模拟分析效果的简化模型,如图1所示。

最后转化成IGES格式,即可在Moldflow/MPI中进行分析。

图1注塑件示意图

第3章手机电池盖注塑分析

手机电池盖结构设计合理性、模具设计合理性以及成型工艺等因素常常会导致产品研发周期延长，成本增加。

借助计算机辅助工程模拟流动分析软件Moldflow，在综合分析的基础上对塑料件几何尺寸和成型工艺进行优化，可以在设计阶段有效地解决可能出现的质量问题，降低研发成本。

手机壳体注塑分析包括：

浇口位置分析优化、充填分析和翘曲分析。

3.1划分网格

利用Moldflow/MPI对注塑件成型过程进行模拟分析的基本原理是采用有限元法,即将连续介质的内部和边界分割成有限大小，有限数目的离散三角形网格单元,使原来一个连续的整体简化成有限的单元体系,从而得到真实结构的近似模型,并在这个离散化的模型上进行数值计算。

本注塑件的平均厚度为1mm,比较薄,故可采用中性面网格。

平均边长为3mm,IGES合并公差为0.1mm,生成网格后,对原始网格进行纵横比、交叉单元、自由边等修正。

最后的理想网格文件见图2a。

有限元网格划分结果的数据如图2b所示,三角形单元个数为3374,节点数1685,完全重合单元个数0。

三角形单元的平均纵横比为2.0,最大纵横比是15.5,具有较好的精确性。

以下为：

图2网格划分模型及网格划分结果

3.2最佳浇口位置的确定及分析

浇口位置直接影响塑料熔体在模具型腔内的流动,从而关系到聚合物分子的取向和注塑件成型后是否翘曲变形,因此选择合理的浇口位置在模具设计中十分重要。

Moldflow根据模型的几何形状及相关材料参数、工艺参数对注塑件进行模拟分析,可快速而较为准确地得出最佳浇口位置,从而减少试模[4]次数,节约模具生产成本。

注塑件材料选用GE化学公司的PC+ABS,型号为C2950,其工艺参数为:

模温70℃,熔体温度275℃;填充控制、注塑压力及速度/压力控制转换均为默认设置。

分析结果如图3所示。

最佳浇口位置为深色显示区域,测试值为1,而浅色显示区域则不适合设置浇口。

图3最佳浇口位置分析

3.2.1初始方案

初始方案采用单个浇口进胶，如图4所示。

图4单个浇口进胶设计

对所采用浇口方案进行快速充填分析，部分分析结果如下：

①充填时间分析结果

图5充填时间分析结果

②V/P切换时压力分析结果

图6V/P切换时压力分析结果

3.2.2优化方案

优化方案采用2个浇口进胶，如图7所示。

图72个浇口进胶设计

对所采用浇口方案进行快速充填分析，部分分析结果如下：

1充填时间分析结果

图8充填时间分析结果

②V/P切换时压力分析结果

图9V/P切换时压力分析结果

3.2.2结论

由充填分析结果可以看出，初始方案虽相对于优化方案注射时间由0.67s缩小到0.46s，但由V/P切换时压力分析结果可以看出，优化方案相对于初始方案压力由78.19MPa缩小到73.77MPa，压力梯度比较均匀。

综合考虑，由上述比较可以看出，第二种的优化方案在熔料流动、注射时间及压力等方面都取得了更好的结果，是一个优化的方案。

利用Moldflow的最佳浇口优化设计，可看出最佳浇口位置在塑件中心小部分范围内。

但是，考虑壳体结构较复杂而且是薄壁件，根据优化结果，模具设计采用2个浇口进胶，同时考虑产品对表面的质量要求高，采用针点浇口。

两浇口设计带来流体温度、注射压力、熔接痕等方面的改善，提高了塑件质量。

3.3填充分析

塑料熔体到达型腔末端所需最长时间与最短时间之差,反映了熔体在型腔中流动的不平衡程度,应使这个时间差最小化,尽可能使熔体流动过程平衡。

图10为填充时间模拟结果。

从图5的填充时间等高线图可以看出,在较短的时间内实现了制件的合理填充,并且填充时间分配均匀,注塑件边缘末端充满的时间在0.3～0.6s,只相差0.3s。

整个注塑件能在较短的时间内被充满,流动平衡性较好。

图10填充时间模拟结果

3.4流动充填分析

采用Moldflow默认浇注系统和注塑工艺设置，对模型进行充填分析，分析结果如下。

流动分析用于预测热塑性聚合物在模具内的流动行为。

Moldflow软件模拟熔体从注射点开始逐渐扩散到相邻点的流动前沿,直到流动前沿扩散并填充制件最后一个点为止,完成流动分析计算。

其最终目的是获得保压阶段最佳时间段的设置,从而尽可能地减小由保压引起的制件收缩、翘曲等质量缺[4]陷。

图11为前锋料的温度模拟结果。

由图11可见,注塑件的温度差为5.9℃,该值在推荐值控制范围（20℃）之内,表示温度差较小,意味着注塑件表面的质量可得到保证。

注塑件的体积收缩率如图12所示。

从图12可以看出,制件的收缩率集中在0.6519%～3.770%的范围内,收缩率小并且较均匀,从而有利于减小制件的翘曲变形。

图11　前锋料的温度

图12体积收缩率模拟结果

图13表示了熔接痕的分布情况。

可以看出，在图中圆圈标示处存在因熔接痕集中分布而使强度降低的危险截面。

图13 熔接痕分布

气穴位置分布图如图14所示。

熔体前沿汇聚在注塑件内部或型腔表层的气泡,基本上都在注塑件四周侧壁边,并且基本集中在分型面上。

因此,气体很容易通过模具分型面的间隙排出,没有困气现象,可有效地避免因气穴形成的注塑件表面瑕疵及焦痕等缺陷。

图14　气穴位置分布模拟图

注塑件在注射成型时注塑机的锁模力分布图如图15所示。

其最大锁模力为7.7tonne（约为77kN）,可以利用该分析结果,帮助设计人员选择不同型号的注塑机。

图15注塑机锁模力分布图

从流动充填分析结果可以看出，采用2个浇口后流动是平衡的，没有出现短射等成型问题，同时注射压力、锁模力也较低，降低了制件生产对注塑机的参数要求，但是，熔接痕分布不太理想，一些关键部位出现的熔接痕会削弱产品强度。

3.5翘曲分析

采用Moldflow默认浇注系统和注塑工艺设置，对模型进行翘曲分析，结果如下。

图16表示了x方向的翘曲情况，显示比例为10，x向最大翘曲值为0.24mm。

图17表示了y方向的翘曲情况，显示比例为10，y向最大翘曲值为0.16mm。

图18表示了z方向的翘曲情况，显示比例为10，z向最大翘曲值为0.19mm。

从翘曲分析结果可以看出，x向和z向翘曲较大，这是由于浇口位置有丝点右偏使料流动收缩不均造成的。

图16x方向翘曲

图17y方向翘曲

图18z方向翘曲

分析流动和翘曲结果，制品设计和模具需要进行以下几点变更：

（1）从熔接痕分布图可知，在制品运用滑块和斜顶的凹陷处，存在危险区域。

在产品设计和模具设计时，修改产品局部壁厚并调节浇口位置，使熔接痕分布于非危险截面，提高产品强度和外观质量。

（2）翘曲分析结果中，x向和z向翘曲较大，在模具设计时，调节冷却系统，使制品均匀收缩。

第4章模具结构的设计

注射模的结构设计包括：

分型面的选择、模具型腔数目的确定及型腔排列方式和冷却水道布局以及浇口位置的设置、模具工件零件的结构设计、侧向分型与抽芯机构的设计等内容。

4.1型腔数目的确定和排列方式：

该塑件采用一模一腔，排列方式如图2所示：

4.2分型面的选择：

分型面是指用于取出塑件和浇注系统凝料的可分离的接触表面。

分型面设计在注塑模的设计中有相当重要的位置，分型面对设计对塑件的质量、模具的整体结构、工艺操作的难易程度及模具的制造等均有很大影响。

注塑模可以有一个分型面，也可以有多个分型面，分形面应该尽可能简单，以便于塑件脱模和模具制造。

因此在选择分型面时应综合分析比较，从几种方案中优选出较为合理的方案。

选择分型面时一般应遵循以下几项原则：

1、分型面应选择在塑件外形最大轮廓处。

2、分型面应有利于塑件的脱模。

2.1分型面选择应使塑件在开模时留在有顶出机构的那侧，通常在动模一侧。

2.2当塑件外有凹凸槽，内有嵌件时，由于嵌件不收缩，会粘在型腔内，因

此应该考虑在动模一侧。

3、分型面的位置要有利于模具的排气。

4、对于有同心度要求的，选择分型面应尽可能将型腔设计在分型面同一侧。

5、不影响塑件的外观。

分型面对选择要满足塑件的使用要求。

6、分型面应有利于抽芯，便于模具的加工，特别是型芯的加工。

7、分型面应有利于成型，防止溢料，当塑件在分型面上投影面积大时，会造成锁模困难，产生严重溢料。

根据以上原则和结合实际情况下，本设计选用如图1所示分型面：

常用型腔成型尺寸的计算方法主要有两种：

平均收缩率法和公差带法，两种计算方法的区别在于平均收缩率法计算公式是建立在塑件的成型收缩率和成型零件工作尺寸的制造偏差及其磨损量分别等于它们各自平均值基础上，当塑件的尺寸精度要求较高或塑件尺寸比较大时，这种误差有可能会显著增加，这时一些模具设计单位就采用公差带法来进行尺寸计算，平均收缩率法计算简单无需验算而公差带法计算复杂需要经过多次初算验算，且考虑因素较多[9]。

考虑到鼠标模具较简单制造成本低，设计时间短故按平均收缩率法计算成型尺寸比较简单易行[11]。

采用δZ,δC取固定值的平均收缩率法：

Lm---------型腔的径向工作尺寸Lm=[Ls+Ls×Scp-（3/4）△]

Ls---------塑件的径向图样尺寸

Scp--------收缩率的平均值，查表得ABS收缩率范围是0.03~0.08

△---------塑件尺寸公差

δZ--------型腔制造公差

δC--------型腔最大许用磨损量，δC取为塑件尺寸公差△的三分之一

表3.4:

公式表

δZ,δC取固定值的平均收缩率法

型腔内径尺寸

型芯外径尺寸

型腔深度尺寸

型芯高度尺寸

中心距尺寸

查手册得ABS塑料收缩率波动为0.4~0.8%。

第五章浇注系统的设计

浇注系统是指熔体从注射机喷嘴射出后到达型腔之前在模具内流经的通道。

浇注系统由主流道、分流道、浇口，冷料穴四部分组成，浇注系统是否合理直接关系到产品的成型质量和生产效率，因此浇注系统设计是模具设计的重要环节，对浇注系统进行总体设计时应该遵循以下原则：

1、塑料成型特性。

设计的浇注系统应适应所有塑料的成型特性的要求，以保证塑件质量。

2、塑件大小及形状。

根据塑件大小，形状、壁厚及技术要求等因素，结合选择分型面同时考虑设置浇注系统的形式，进料口数量及位置以保证正常成型。

3、塑件外观。

设计浇注系统时应该考虑到去除，修整进料口方便，同时不要影响塑件的外表美观。

4、成型效率。

大量生产时，设计浇注系统应该考虑到在保证成型质量的前提下，尽量缩短流程，减少断面积以缩短填充时间及冷却时间，缩短成型周期减少废料。

5、防止型芯变形和嵌件位移。

有利于排气。

5.1主流道的设计：

主流道士连接注射机喷嘴和注塑模具的桥梁，也是熔融的塑料进入模具型腔时流经的地方，是从注射机喷嘴与模具接触的部位起，到分流道为止的一段。

1、主流道尺寸

由注射机型号,查得注射机的喷嘴直径为2mm,喷嘴球面半径为10mm。

可根据[1]表5-2

喷嘴前端球面孔径：

d1＝3.5mm；

喷嘴前端球面半径：

SR1＝10mm；

SR2=SR1+（1-2）mm；

d=d1+（0.5-1）mm；

取主流道球面半径：

SR2=11mm；

取主流道的小端直径：

d=3mm；

定位环直径为100mm，定位环埋入3mm；

球面配合高度：

h＝3～5mm。

为了便于将凝料从主流道中拔出，将主流道设计成圆锥形，其斜度为a=20，经换算得：

主流大端直径：

D＝5mm;主流道长度：

L＝55mm。

其结构如下图所示：

5.2分流道的设计：

分流道是主流道与浇口的连接部分，其基本作用是在压力损失最小的条件下，将来自主流道的熔融塑料以较快的速度送到浇口处充模。

分流道设计原则如下：

1、尽量保证各型腔同时充满，并均衡地补料，以保证同模各塑件的性能、尺寸尽可能一致。

2、各型腔之间距离恰当，应有足够空间排布冷却水道、螺钉等，并有足够截面积承受注塑压力。

3、分流道的断面和长度设计，应在保证顺利脱模的前提下，尽量取小，尤其对于小型塑件更为重要，有利于降低浇注系统凝料的重量。

4、型腔和浇注系统投影面积的重心应尽量接近注塑机锁模力的中心，一般在模板的中心上。

5、分流道的表面不必很光，表面粗糙度一般为1.6um即可，这样可以使熔融塑料的冷却皮层固定，有利于保温。

6、当分流道较长时，在分流道末端应开冷料穴，以容纳冷料，保证塑件的质量。

7、分流道与浇口的连接处要以斜面或圆弧过渡，有利于塑件的流动及填充。

否则会引起反压力，消耗功能。

分流道的布置形式，取决于型腔的布局，其遵循的原则应是，排列紧凑，能缩小模板的尺寸，减小流程，锁模力求平衡。

本设计采用平衡式布局，如下图所示：

5.3浇口的设计：

浇口也称进料口或内流道。

浇口直接与塑件相连，把塑料熔体引入型腔

浇口是浇注系统的关键部位，浇口的形状和尺寸对塑件质量影响很大，浇口在大多数情况下是整个流道中断面尺寸最小的部分，对充模流动起着控制作用，成型后制品与浇注系统从浇口处分离对于浇口的高一般设计为0.25~1.5mm，我们常用的高度为0.5mm，0.8mm，1.2mm。

为了加工和维修，这个尺寸偏低一点好。

对于浇口的宽一般可设计为0.5～2mm，我们通常的为0.5mm，0.8mm，1.2mm。

同样，这个尺寸应偏小一点。

对于流道至产品边沿之间的距离一般可设计为0.3～3mm。

常用尺寸为1.2mm，1.5mm，2mm，2.5mm，3mm。

这个尺寸应偏大一点为好。

终上所述，选择浇口高2.0mm，宽1.2mm，流道至产品边沿之间的距离2.5mm。

具体尺寸如下图：

第六章顶出系统设计及模架的选用

6.1脱模机构的设计：

注射成型机的动模部分没有脱模推出机构，有的使用液压推动，也有

用机械推动。

在塑件成型后，动模后退到一定距离，就开始由注射机的脱模机构推动模具的底板和顶针固定板，是塑件和浇注系统的凝料从模具中脱出。

脱模机构是注塑模具的重要组成部分，他的形式和方式与塑件的形状、结构和塑件的性能有关，其设计基本要求如下：

1、保证塑件开模后塑件留在动模上，简化顶出机构；

2、保证塑件变形，不损坏，顶出平衡，脱模力足够；

3、保证塑件外观质量，顶出痕迹不能伤及塑件外观，特别是透明件；

4、保证顶杆的强度和刚度足够，在推出动作时不产生弹性变形；

5、脱模机构的运动要保证灵活可靠，不发生误动作。

根据此次设计的塑件的形状，外观要求及实用性能，选用顶针推出。

顶针是将塑件从动模芯内顶出。

顶针推出是顶出机构中常用的顶出零件，使用方便，放置的位置自由度大，常用来顶出各种塑件。

而顶针设计原则如下：

1、为防止顶出时制品发生变形，顶针应尽量靠近型芯或难于脱模的部位；

2、顶针应尽量分布在承受力最大的部位，如筋位、凸台的壁缘等部位；

3、顶针应尽量避免分布在制品的薄品面上，防止顶破、顶白或变形；

4、顶针的设计应该注意与其他机构的干涉，在非封胶部位应该尽量避空；

5、在保证推出的前提下顶针能少则少能大则大，尽量采用标准件。

结合顶针设计原则及塑件的形状结构使性能，顶针、滑块和斜顶设计如下图所示：

6.2模架的选用：

1、在满足强度的条件下应尽量选择较小的规格；

2、选择时应该考虑所用注塑机的容模量，一般情况下优先选择工字模，如果大于注塑机容量时可选择直身模架；

3、根据制品进浇方式和模具结构需求来选择合理的模架类型，优先选用大水口模架，不能满足时选择简化型细水口模架或细水口模架；

4、选择模架时尽量用标准型号，对于非标准模架一定要在图纸上注明。

结合考虑模具结构，进浇方式以及注射机容模量等因素确定选用龙记大水口DCI-2930-A60-B80-C90标准模架如下图所示：

第七章冷却系统的设计

注塑模具型腔壁的温度高低及其均匀性对成型效率和制品的质量影响很大，一般注入模具的塑料熔体的温度为200℃～300℃，而塑件固化后从模具中取出的温度为60℃～80℃以下，视塑料的品种不同有很大差异。

为了调节型腔的温度，需在模具内开设冷却水通道，通过模具调节机调节冷却介质的温度。

7.1冷却系统设计原则：

1、冷却水道直径一般取；

2、冷却水道接水管，间距保证30mm；

3、冷却水道要均匀，分布要合理。

运水不能做在天地方向，不能做在天方向是为了避免水滴到内模，而导致内模腐蚀：

不做在地方向是为了卸模具忘记拆水管时，避免压断