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摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1前言1
1.2模具发展现状及发展方向1
1.2.1国内外注塑模具的发展现状1
1.2.2国内外注塑模具的发展趋向3
1.2.3MOLDFLOW软件的简介3
1.3研究内容和意义4
参考文献4
第二章产品注塑方案的设计4
2.1引言4
2.2Moldflow的基础理论5
2.3注塑产品有限元模型的建立6
2.3.1建立产品的三维模型6
2.3.2注塑材料的选取6
2.4零件有限元的网格划分7
2.5本章小结9
参考文献9
第三章数值模拟分析9
3.1引言9
3.2最佳浇口位置分析9
3.3不同位置浇口方案的制定10
3.4不同方案流动结果分析12
3.4.1充填时间分析12
3.4.2流动前沿温度分析15
3.4.3熔接线分析17
3.4.4气穴分析20
3.4.5锁模力22
3.5保压和翘曲结果比较分析25
3.5.1体积收缩率25
3.5.2翘曲分析结果27
3.6浇口方案比较汇总30
3.7浇注系统设计30
3.7.1浇注系统的组成30
3.7.2浇注系统设计原则31
3.7.3流道系统的设计31
3.7.4浇口的设计32
3.7.5分流道确定32
3.8本章小结41
参考文献41
第四章结论42
致谢43
第1章绪论
1.1前言
塑料成型是制造业中的一个重要组成部分，而流动模拟对塑料成型具有重要意义。
随着人们对产品质量要求的不断提高，稳定的质量、优越的性能、准确的尺寸、合理的生产成本成为注射成型制品的优化目标。
模具设计决定着一个产品生产的成败，而工艺参数的优化能得到质量更优异的产品，这两个方面对最终产品的成功生产是缺一不可的。
传统的注射产品开发是以尝试法完成的，注射模具的设计主要依靠模具设计人员的直觉和经验，这种生产方式制约了新产品的开发。
解决这一难题的关键在于使注射模具的设计制造及注射成型工艺选择以科学分析为基础，突破经验的束缚。
随着数值计算技术的发展和计算机的广泛应用，计算机辅助工程（CAE）技术已逐步应用于注射成型领域，为模拟注射成型过程、优化成型工艺参数、提高模具质量、降低生产成本、缩短模具设计制造周期提供了有效的手段。
1.2模具发展现状及发展方向
1.2.1国内外注塑模具的发展现状
近年来我国的模具技术有了很大的发展，在大型模具方面，已能生产大屏彩电注塑模具、大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具。
机密塑料模具方面，已能生产照相机塑料件模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具。
当前国内外用于注塑模具方面的先进技术主要有以下几种：
a.热流道技术它是通过加热的办法来保证流道和浇口的塑料保持熔融状态。
由于在流道附近或中心设有加热棒和加热圈，从注塑机喷出口到浇口的整个流道都处于高温状态，使流道中的塑料成型可在保证产品质量的前提下，大幅度降低成本。
气体辅助注射成型比传统的普通注射工艺有更多的工艺参数需要确定和控制，而且常用于较复杂的大型制品，模具设计和保持熔融，停机后一般不需要打开流道取出凝料，再开机时只需加热流道到所需温度即可。
这一技术在大批量生产薄壁圆盘、原材料较贵和产品质量要求较高的情况下尤为适用。
热流道注塑成型技术应用范围很广，基本上，适用于冷流道模具加工的塑料材料都可以使用热流道模具加工，许多产品如手机壳、按键、面板、尺寸要求精密的机芯部件等都是采用热流道技术成型。
一个典型的热流道系统一般由如下几大部分组成：
（1）热流道板（MANIFOLD）；
（2）喷嘴（NOZZLE）;
（3）温度控制器；
（4）辅助零件。
b.气体辅助注射成形技术它是向模腔中注入准确计量的塑料熔体，在通过特殊的喷嘴向熔体中注入压缩气体，气体在熔体内沿阻力最小的方向前进，推动熔体充满型腔并对熔体进行保压，当气体的压力、注射时间合适的时候，则塑料会被压力气体压在型腔壁上，形成一个中空、完整的薄壁圆盘，待塑料熔体冷却凝固后排去熔体内的气体，开模退出制品。
气体辅助注射成形技术的关键就是怎么合理的把握注入熔融塑料的时间与充入气体时间的配合。
气体辅助注射可以应用在除特别柔软的塑料以外的任何热塑性塑料和部分热固性塑料。
应用气体辅助注塑成型技术，可以提高产品强度、刚度、精度，消除缩影，提高制品表面质量；
降低注射成型压力以减小产品成型应力和翘曲，解决大尺寸和壁厚差别较大产品的变形问题；
简化浇注系统和模具设计，减少模具的重量，减少薄壁圆盘产品的重量，减少成型时间以降低成本和提高成型效率等。
气体辅助成形周期可分为如下六个阶段：
塑料熔体填充阶段、切换延迟时间、气体注射阶段、保压阶段、气体释放阶段、推出阶段。
c.共注射成形技术它是使用两个或者两个以上注射系统的注塑机，将不同品种或者不同色泽的塑料同时或者先后注射进入同一模具内的成形方法。
国内使用的多为双色注塑机。
采用共注射成形方法生产塑料制品时，最重要的工艺参数是注射量、注射速度和模具温度[1-9]。
在制造方面，CAD/CAM/CAE技术的应用上了一个新台阶，一些企业引进CAD/CAM系统，并能支持CAE技术对成形过程进行分析。
近年来我国自主开发的塑料膜CAD/CAM系统有了很大发展，如北航华正软件工程研究所开发的CAXA系统、华中理工大学开发的注塑模HSC5.0系统及CAE软件等[10]。
目前国际市场上主要流行的，运用范围最广的注射模流动模拟分析软件有澳大利亚的MOLDFLOW、美国的CFLOW等。
其中MOLDFLOW软件包括三个部分：
MOLDFLOWPLASTICSADVISERS（产品优化顾问，简称MPA），MOLDFLOWPLASTICSINSIGHT（注射成型模拟分析，简称MPI），MOLDFLOWPLASTICSXPERT（注射成型过程控制专家，简称MPX）[10]。
1.2.2国内外注塑模具的发展趋向
优化模具系统结构设计和型件的CAD/CAE/CAM，并使之趋于智能化，提高型件成形加工工艺和模具标准化水平，提高模具制造精度与质量，降低型件表面研磨、抛光作业量和缩短制造周期；
研究、应用针对各类模具型件所采用的高性能、易切削的专用材料，以提高模具使用性能；
为适应市场多样化和个性化，应用快速原型制造技术和快速制模技术，以快速制造成塑料注塑模，缩短新产品试制周期[11]。
这些是未来5～20年注塑模具生产技术的总体发展趋势，具体表现在以下几个方面：
a.提高大型、精密、复杂、长寿命模具的设计水平及比例。
b.在塑料模设计制造中全面推广应用CAD/CAM/CAE技术。
c.推广应用热流道技术、气体辅助注射成型技术和高压注射成型技术。
d.开发新的成型工艺和快速经济模具。
e.提高塑料模标准化水平和标准件的使用率。
f.应用优质材料和先进的表面处理技术对于提高模具寿命和质量显得十分必要。
1.2.3MOLDFLOW软件的简介
MoldflowPlasticInsight（MPI）是一个提供薄壁圆盘和模具设计分析的软件包，它使用户可以对薄壁圆盘的几何形状、材料的选择、模具设计及加工参数的设置进行优化，以获得高质量的产品。
MPI软件的中性层网格（Midplane）模块用于处理薄壁圆盘，可节省用户大量的CAE建模时间，使他们可以主要致力于CAE分析和优化。
对于薄壁实体，MPI的双层面网格（FUSION）模块基于Moldflow独家专利的DaulDomain分析技术，使用户直接进行薄壁实体模型分析，这就将原来需要几小时甚至几天的建模工作缩短为几分钟，无需进行中性面网格的生成和修改,而且双层面网格模块可以直接从薄壁圆盘顾问中读取模型并进行进一步分析[13]。
Moldflow作为NASDAQ上市的高科技公司，能够为全球塑料行业提供总体的解决方案，并逐步确立了全球行业标准的地位。
1.3研究内容和意义
（1）绘制零件的三维实体，并将其导入moldflow软件；
（2）利用Moldflow注塑模具分析软件，针对圆盘模具进行填充、保压、冷却、变形等流变进行分析，并进行工艺参数、浇口位置、浇注系统等方案的设计；
（3）研究分析结果，综合各方面因素分析其合理性；
（4）对产品成型方案的工艺参数、浇口位置、浇注系统等进行比较，并根据结果进行相应的优化，确定最终的成型方案；
（5）通过对薄壁圆盘注塑成型的数值模拟及分析，可为盘类零件注塑成型模具设计及工艺优化提供参考。
参考文献
1周其炎，《Moldflow基础与典型范例》，北京：
电子工业出版社，2007
2申开智，《塑料成型模具》，中国轻工业出版社，2006
3单岩、吴立军、徐勤雁，《模具分析技术基础与应用实例》，清华大学出版社，2012
4齐晓杰，《塑料成型工艺与模具设计》，北京：
机械工业出版社，2005
5谭雪松、林晓新、温丽，《新编塑料模具设计手册》，北京：
人民邮电出版社，2007
6高玉新、李丽华、戴晟，《模具设计教程》，北京：
机械工业出版社，2012
7王卫兵，《Moldflow中文版注塑流动分析案例导航视频教程》，北京：
清华大学出版社，2008
9张泊，李静，《模流分析入门》，人民教育出版社，北京
10陈艳霞，《Moldflow2012中文版完全学习手册》，电子工业出版社
11于卫东，《Moldflow技术在注塑成型过程中的应用》，计算机辅助设计与制造，2001（6）。
12吴崇峰，《实用注射模CAD/CAM/CAE技术》，北京：
轻工出版社，2000．
13单岩，王蓓，王刚，《Moldflow模具分析技术基础》，北京：
清华人学出版社，2004
第二章产品注塑方案的设计
2.1引言
注塑方案的设计首先需要对软件进行学习。
在熟悉了软件操作和三维图纸绘制方法之后，根据薄壁圆盘的性质和要求，利用moldflow软件进行选择注塑材料，绘制薄壁圆盘三维模型并转换格式进行导入。
根据分析流程对模型进行前处理即网格划分和修复，为下一步的分析做好准备
2.2Moldflow的基础理论
Moldflow作为成功的注塑产品成型仿真及分析软件，采用的基本思想也是工程领域中最为常用的有限元方法。
现代的有限元方法就是利用假象的线或面将连续介质的内部和边界分割成有限大小、有限数目、离散的单元来研究。
这样就把原来的一个连续的整体简化成有限个单元的体系，从而得到真实结构的近似模型，最终的数值计算就是在这个离散化的模型上进行的，直观上，物体被划分成网格状[14]。
Moldflow就是利用了有限元的方法，图2.1是分析流程图。
图2-1Moldflow软件分析流程图
2.3注塑产品有限元模型的建立
2.3.1建立产品的三维模型
a
b
图2-2a零件正面b零件反面
该塑件为薄壁圆盘，厚度均匀，约为2mm，表面要求光滑。
通过UG软件建模其三维图如图2-2所示。
2.3.2注塑材料的选取
HDPE是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂。
它具有良好的耐热性和耐寒性，化学稳定性好，还具有较高的刚性和韧性，机械强度好。
一般的HDPE熔点为142℃，分解温度为300℃；
注塑温度的可调区间较大。
注塑时，一般使用温度为180℃~230℃；
因是烯烃类塑料，它不吸水，生产时，不需烘干，但为了产品质量，可用60℃温度烘干1h，以排出浮水；
聚乙烯的熔体粘度大，流长比小，薄壁制品可能缺胶，因此，浇口和流道相对较大[15]。
材料的选择的是HDPE12450N。
推荐的成型条件如下图2-3：
图2-3HDPE12450N推荐的成型条件
2.4零件有限元的网格划分
在将零件的三维模型导入之后，要对没有划分网格的模型进行网格划分。
使用Fusion格式网格，设置全局网格边长为3，对模型进行网格划分，划分结果如图2.5所示：
图2-5网格划分结果
网格划分网格后，紧接着就要进行网格信息统计，然后根据统计信息依次进行诊断，如果诊断结果显示存在不合理的网格，就要运用网格修复工具对网格进行修改，直到网格诊断结果合理为止[16]。
本次网格划分的信息统计如图2.6所示：
图2-6网格信息统计
由上面的统计结果可以看出：
表面三角形单元为13366个，节点为6683个，连通区域1个，共用边20049个，自由边、交叉边配向不正确单元、相交单元及完全重叠单元都为0，纵横比最大值为5，相互匹配百分比88.4%。
从以上数据可以得出：
最大纵横比小于6，匹配率大于85%，因此该零件的网格可以不用修复，可直接应用于后面流动、冷却和翘曲分析，并且可以得到比较精确的分析结果。
2.5本章小结
1根据薄壁圆盘的用途及形状，选择了HDPE12450N作为填充材料。
2利用三维建模软件绘制出薄壁圆盘的三维模型并将其转存为Moldflow软件可以打开的.stl格式。
3在将其成功导入Moldflow软件之后，使用软件的网格划分功能对零件进行成功的网格划分，为后面的进一步分析打下了良好的基础。
14王刚，单岩，《Moldflow模具分析应用实例》，北京：
清华大学出版社，2005
15龚浏澄，《塑料成型加工实用手册》，北京：
北京科技出版社，2005
16周其炎，《Moldflow5.0基础与典型范例》，电子工业出版社，2005
第三章数值模拟分析
3.1引言
浇口位置的选择相当重要，它将直接影响塑料熔体在模具型腔内的流动，从而关系到薄壁圆盘成型后是否会产生翘曲变形、熔接痕等缺陷[16]。
Moldflow可以根据薄壁圆盘的形状、材料参数以及工艺参数快速准确的分析出制品最佳的浇口位置，供设计人员参考，从而提高了模具设计的效率和薄壁圆盘的质量，大大降低了成本。
初步模拟所得的浇口位置可以作为实际的位置。
应用Moldflow对薄壁圆盘进行最佳浇口位置的分析，以及填充、流动和保压等模拟分析，得到的成型工艺参数和成型结果有助于工艺人员和模具设计人员有效地找出缺陷产生的原因，进而设计出最佳的方案，以达到优化注塑模具结构设计和注射成型工艺方案，最终为生产优质塑料制件提供指导。
3.2最佳浇口位置分析
浇口设计主要包括浇口的数量、位置、形状和尺寸的设计。
浇口的细微变化都会对零件熔体的填充产生非常大的影响。
设计浇口应保证提供一个快速、均匀、平衡、单一方向流动的充填模式，避免射流、滞留、凹陷等现象发生。
所以在选定方案之前应该对制品进行最佳浇口位置的预分析[17]。
图3-1是利用Moldflow得到的零件最佳浇口位置分析图，通过观察浇口匹配性的分析结果可知产品的中间圆孔附近为软件推荐的最佳浇口位置，蓝色区域为较理想的浇口位置，随着蓝色的依次变淡，浇口位置越来越差，红色区域为最差。
图3-1零件最佳浇口位置分析图
3.3不同位置浇口方案的制定
根据软件给出的最佳浇口位置分析结果，设计了如下四种浇口位置：
a浇口方案1
b浇口方案2
c浇口方案3
d浇口方案4
图3-2四种浇口方案
3.4不同方案流动结果分析
Moldflow软件可以模拟各种分析，由于本设计是优化浇口位置流动分析，流动分析涵盖了填充大部分项目，翘曲分析可以观察其填充压力分布等情况，所以本试验选择流动分析、翘曲分析来判断最佳浇口位置。
流动分析：
不仅用于预测热塑性高聚物在模具内的流动；
分析获得最佳保压阶段设置，从而尽可能地降低由保压引起的薄壁圆盘收缩、翘曲等质量缺陷。
而且计算出从注射开始到模腔被填满整个过程中的流动前沿位置。
该分析用来预测制件、塑料材料以及相关工艺参数设置下的填充行为。
结果主要用于查看制件的填充行为是否合理，填充是否平衡，能否完成对制件的完全填充等。
用户可以根据动态的填充结果来查看填充阶段的熔体流动行为，判断填充流动行为是否合理[18]。
3.4.1充填时间分析
充填时间显示了熔体填充随时间变化而变化的情况。
从充填时间可以看出产品的充填是否平衡。
在填充开始时，显示为暗蓝色，最后填充的地方为红色。
如果产品短射，未填充部分没有颜色。
产品的良好填充，其流型是平衡的[19]。
充填时间结果如表3.2所示：
b浇口方案2
d浇口方案4
图3-3充填时间结果
从以上四幅图可以看出，四种方案均流动平衡，都表现出填充较好，无短射、迟滞现象。
方案1到方案4的填充时间成上升趋势，从生产周期角度来说，填充时间少是有好处的。
因此从填充时间来看，方案1效果最好。
3.4.2流动前沿温度分析
流动前沿温度是聚合物熔体充填一个节点时中间流温度。
因为它代表的是截面中心的温度，因此其变化不大。
流动静沿温度图可与熔接线结合使用。
熔接线形成时熔体的温度高，则熔接线的质量就好。
而在一个截面内熔接线首先形成的地方是截面的中心，因此，如果流动前沿的温度高，熔接线强度通常都高。
同时，流动前沿的温度接近熔体温度易于成型，但是严禁前沿温度超过熔体温度，如果超过熔体温度将会造成产品烧伤现象。
反之，如果前沿温度过低，将会导致产品成型困难[20]。
流动前沿温度分析如图3-4所示：
a浇口方案1
图3-4流动前沿温度
从图中可以看出四种方案流动前沿温度范围分别为：
206.5℃-210.1℃、205.8℃-210.0℃、204.2℃-210.0℃、202.7℃-210.0℃，均没有超出选用的塑料材料的使用温度范围（190℃-230℃），所以这四种方案均能满足塑料熔融体在成型过程中所要求的温度，能够很好满足产品的成型要求，同时又不会出现产品质量缺陷问题。
3.4.3熔接线分析
两股聚合物熔体的流动前沿汇集到一起，或一股流动前沿分开后又合到一起时，就会产生熔接线，如聚合物熔体沿一个孔流动。
有时，当有明显的流速差时，也会形成熔接线。
厚壁处的材料流得快，薄壁处流得慢，在厚薄交界处就可能形成熔接线。
熔接线为分流汇交部位，很难避免，但通过调整参数可以改变熔接线的位置，也可以通过产品设计时注意壁厚的均匀来减小熔接痕，同时要使熔接线处于受力较小、不能影响外观的位置。
熔接线对网格密度非常敏感。
由于网格划分的原因，有时熔接线可能显现在并不存在的地方，或有时在真正有熔接线的地方没有显示。
为确定熔接线是否存在，可与充模时间一起显示。
同时熔接线也可与温度图和压力图一起显示，以判断它们的相对质量[21]。
熔接线如图3-5所示：
图3-5熔接线分析结果
从四种方案的结果图上可以看出，后三种方案的熔接线很相似，就熔接线而言这三种方案基本相似，由于在进行注塑分析时，熔接线的形成是难以避免的，所以在相同成型条件下，但是方案4熔接线最少，方案1熔接线过于明显，使产品容易产生应力集中，影响产品总体强度。
3.4.4气穴分析
气穴也称气孔，它是在成型的注塑产品内部形成的空隙，是影响注塑产品成型质量的一个重要因素之一。
气穴一般发生在节点位置，当材料从各个方向流向同一个节点时就会形
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