CAE在游戲手柄上蓋注塑成型中的應(yīng)用畢業(yè)論文

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1、 摘 要 注塑CAE技術(shù)是注塑產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝分析中一個(gè)重要的應(yīng)用技術(shù),它是根據(jù)塑料加工流變學(xué)和傳熱學(xué)的基本理論,建立塑料熔體在模具型腔中流動(dòng)、傳熱的物理和數(shù)學(xué)模型,利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)直觀地模擬成型中熔體的動(dòng)態(tài)填充、冷卻等過程,定量地給出成型過程中的狀態(tài)參數(shù)。 論文首先深入研究了注射成型過程的流動(dòng)及冷卻數(shù)學(xué)模型及其分析理論基礎(chǔ),并應(yīng)用CAE軟件進(jìn)行了相關(guān)的計(jì)算和分析,通過CAE數(shù)值模擬驗(yàn)證了在注塑模具設(shè)計(jì)及制造方面的相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)。 論文以游戲手柄上蓋為研究對(duì)象,應(yīng)用CAE分析軟件,探討了有限元模型建立、塑料材料選擇、澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2、等方面應(yīng)用CAE的方法。通過對(duì)游戲手柄上蓋注塑成型過程的數(shù)值模擬,論證了澆口最佳位置以及塑料熔體的流動(dòng)分析、冷卻分析、翹曲分析、收縮分析和成型工藝條件。通過理論和模擬實(shí)驗(yàn)全面分析了各種工藝參數(shù)例如溫度、澆口數(shù)量及位置、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)塑質(zhì)量的影響。針對(duì)零件質(zhì)量缺陷或問題產(chǎn)生的原因,合理設(shè)計(jì)了模具的澆注系統(tǒng)和溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。獲得了塑料在熔料溫度、模具溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間五因素。通過塑料CAE模擬計(jì)算。可最大 消除產(chǎn)品設(shè)計(jì)、 模具設(shè)計(jì)及產(chǎn)品制造成型過程中可能出現(xiàn)的不足,取代傳統(tǒng)的反復(fù)試模、修模等過程,從而降低產(chǎn)成本,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。 關(guān)鍵詞:注塑成型;CAE;注塑產(chǎn)品

3、 CAE在游戲手柄上蓋注塑成型中的應(yīng)用 緒 論 模具工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)各部門發(fā)展的重要基礎(chǔ),公認(rèn)為:“模具工業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的基石”,“模具是促進(jìn)社會(huì)繁榮富裕的動(dòng)力”。據(jù)國際生產(chǎn)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),近年來工業(yè)品。零件粗加工的70%精加工的50%是由模具成型來完成的。這些年來,我國自主開發(fā)的塑料模CAD/CAM系統(tǒng)有了很大的發(fā)展,提高了模具的質(zhì)量和生產(chǎn)的效益。但是遺憾的是,由于諸多原因,模具CAD/CAE/CAM技術(shù)在中國普及不夠,尤其是跨多學(xué)科的CAE技術(shù)更是應(yīng)用較少。目前我國模具標(biāo)準(zhǔn)化和商品化程度在30%以下,和國外工業(yè)先進(jìn)國家70%-80%相比,差距是明顯的。 近年來,隨著塑料

4、工業(yè)的飛速發(fā)展,通用與工程塑料在強(qiáng)度和精度等方面的不斷提高,,工業(yè)產(chǎn)品和日用產(chǎn)品塑料化明顯,逐漸形成了以塑代鋼、以塑代木的趨勢(shì)。塑料制品的強(qiáng)勁發(fā)展勢(shì)頭,極大地帶動(dòng)了整個(gè)塑料模具工業(yè)的發(fā)展。由于高效率、高精度和低成本的顯著特點(diǎn),注塑成型成為批量生產(chǎn)塑料制品的首選方法。但是,注塑成型常常出現(xiàn)各種質(zhì)量問題,例如,短射、飛邊、翹曲、熔接痕和尺寸誤差等。CAE軟件能準(zhǔn)確的分析模具的性能,從而不必像過去試?!弈!嚹V钡竭_(dá)到要求的過程,省下了很多人力物力,縮短了生產(chǎn)周期,大大提高了生產(chǎn)效率。 一、游戲手柄上蓋成型工藝分析 (一)塑料制品工藝分析 本次分析的塑料件,是一個(gè)對(duì)稱的曲面

5、較多的零件,X方向長(zhǎng)度約為121mm,Y方向約為170mm,Z方向約為20mm。平均厚度為1.5mm.外表面質(zhì)量要求較高。材料為ABS塑料。 ABS塑料的性能為:優(yōu)良的韌性、耐沖擊和耐寒性,優(yōu)良的剛性、光澤、電性能和加工性能,另外還有良好的阻燃性和通用性。ABS塑料由于具有較好的綜合性能,沖擊性能又十分突出,因而被大量使用代替金屬材料。廣泛應(yīng)用于家電、電子電器、辦公設(shè)備、汽車、機(jī)械等領(lǐng)域。 由于此制品表面質(zhì)量要求較高,又有較多的曲面,因此在設(shè)計(jì)模具時(shí)應(yīng)注意溶解痕的位置及填充效果。 (二)游戲手柄上蓋成品圖 圖1 游戲手柄上蓋成品圖 二、選擇注塑成型設(shè)備 圖2

6、注塑成型設(shè)備 三、游戲手柄上蓋的CAE分析 (一)外殼模型前處理 1.制品網(wǎng)格劃分 為了使CAE分析結(jié)果更加準(zhǔn)確,制品在導(dǎo)入CAE前必須在網(wǎng)格分析軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格分析可以說是工作中最簡(jiǎn)單的工作,繁瑣而且技術(shù)性不高,但是它卻是CAE分析的基礎(chǔ)。 首先,將用UG制作的三位造型的零件圖在UG環(huán)境中導(dǎo)出STL格式。 然后,打開華塑網(wǎng)格管理器,將STL格式的三維模型導(dǎo)入,選擇合適網(wǎng)格精度點(diǎn)擊生成網(wǎng)格,如下圖 圖3 圖4 (1) 進(jìn)行相交單元檢查 若檢查結(jié)果相交單元數(shù)量不為0,則需要利用刪除單元,新建單元的命令進(jìn)行修改,直到數(shù)量為

7、0為止。 (2) 孤立元素檢查 若數(shù)量不為0,則用刪除命令將孤立元素刪除到,直到數(shù)量為0。 (3) 零面積單元檢查。 (4) 自由邊界檢查 若數(shù)量不為0,則可利用如圖所示的自動(dòng)修復(fù)的命令進(jìn)行修改。 圖5 (5) 長(zhǎng)高比檢查。 若檢查數(shù)量不為0,可利用“合并節(jié)點(diǎn)”和“添加節(jié)點(diǎn)”的命令進(jìn)行修改。 (6) 單元配對(duì)類型檢查。 (7) 連通性檢查。 (8) 網(wǎng)格評(píng)估:若全部通過則完畢,若有未通過的,在進(jìn)行針對(duì)性修改。如圖 圖6 (二) 制品初始方案確定 圖7方 案 一 圖8方 案 二 (潛伏澆口) 基于此制品的性質(zhì)和外殼質(zhì)量要求,經(jīng)討論初

8、步?jīng)Q定采用方案二。 (三) CAE設(shè)計(jì)過程 圖8 1.充模設(shè)計(jì) (1) 定義進(jìn)料點(diǎn),根據(jù)我們的設(shè)計(jì)點(diǎn)擊確定澆口的位置。 (2)設(shè)置流道參數(shù)。(澆口,分流道,主流道。)如下圖: 圖9 (3) 設(shè)置成型工藝參數(shù)。如下圖 圖10 2.冷卻設(shè)計(jì) (1) 設(shè)計(jì)虛擬型腔。如下圖: 圖11 (2) 設(shè)計(jì)參考平面。如圖: 圖12 (3) 新建直線。 (4) 完成回路,選定新建的直線,設(shè)置冷卻水路直徑為8,如下圖: 圖13 (5) 設(shè)置冷卻工藝條件,如下圖: 圖14 3.翹曲設(shè)計(jì)。 4.開始分析,如下圖: 圖15 (四)

9、制品方案分析及比較 方案二 充模分析結(jié)果 數(shù)據(jù)項(xiàng) 數(shù)據(jù) 充模時(shí)間(s) 0.51 澆口數(shù)量(個(gè)) 2 最大澆口進(jìn)料差(%) 0.01206 熔體最大溫差(℃) 1.1e+002 最大注射壓力(MPa) 62 表2 1.充模分析及方案比較 方案一充模分析結(jié)果 數(shù)據(jù)項(xiàng) 數(shù)據(jù) 充模時(shí)間(s) 0.41 澆口數(shù)量(個(gè)) 2 最大澆口進(jìn)料差(%) 0.01215 熔體最大溫差(℃) 84 最大注射壓力(MPa) 61 表1 方案一分析圖片 方案二分析圖片 圖16 流動(dòng)前沿(最后

10、時(shí)刻) 圖17 流動(dòng)前沿(最后時(shí)刻) 圖18 流動(dòng)結(jié)束時(shí)溫度場(chǎng) 圖19 流動(dòng)結(jié)束時(shí)溫度場(chǎng) 圖20 流動(dòng)結(jié)束時(shí)壓力場(chǎng) 圖21 流動(dòng)結(jié)束時(shí)壓力場(chǎng) 充填過程的模擬分析可以顯示熔體從澆口逐漸充滿型腔的動(dòng)態(tài)過程,由此可判斷熔體的流動(dòng)形態(tài)是否理想,各個(gè)流動(dòng)路徑是否同時(shí)充滿型腔的各個(gè)末端( 流動(dòng)是否平衡)。 經(jīng)過比較方案一沖模時(shí)間比方案二短,最大注射壓力小,最大剪切力小。 2.熔接痕分析及方案比較(紅色線為熔接痕) 方案一 方案二 圖22 圖23 上圖為熔接痕分布位置。經(jīng)分析比較 方案二的熔接痕比方案一的少。

11、3. 氣穴分析及方案比較(黃色點(diǎn)為氣泡) 方案一 方案二 圖24 圖25 上圖為氣泡位置分布圖。經(jīng)分析比較 方案二的氣泡比方案一的少。 4. 鎖模力分析及方案比較 方案一分析圖片 方案二分析圖片 圖26 鎖模力曲線 圖27 鎖模力曲線 圖為鎖模力——時(shí)間曲線。從圖中得出最大鎖模力約為13t,故可根據(jù)此值選擇合適的注塑機(jī)以獲得足夠的鎖模力。經(jīng)分析比較方案一和方案二鎖模力大小相差不大。 5 .冷卻分析及方案比較 方案一分析圖片 方案二分析圖片 圖28 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) 圖29 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)

12、 方案一分析圖片 方案二分析圖片 圖30 冷卻時(shí)間場(chǎng) 圖31 冷卻時(shí)間場(chǎng) 圖32 冷卻介質(zhì)溫度場(chǎng) 圖33 冷卻介質(zhì)溫度場(chǎng) 圖34 可頂出區(qū)域 圖35 可頂出區(qū)域 在注塑成型過程中,橫具的溫度直接影響到凝件成型的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。由于各種塑料的性能和成型工藝要求不同,模具的溫度也要求不同,一般注射到模具內(nèi)的塑料溫度為200℃左右,而塑件固化后從模具型腔中取出對(duì)其溫度要低很多,這就需要在模具中通入冷卻水,使模具降溫?;诖酥破返墓に囂匦约百|(zhì)量要求,可用如圖所示的冷卻管布置位置,由CAE分析此冷卻管布置用于方

13、案二更合適。 6.應(yīng)力翹曲分析及方案比較 翹曲交形是注塑成型中最主要的缺陷之一,它會(huì)影響產(chǎn)品的外觀和使用性能,翹曲程度嚴(yán)重的制品甚至無法使用,變成不合格品。因此,對(duì)翹曲變形缺陷的控制一直受到工程師們的重視。為了使制品的質(zhì)量更好,很有必要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行翹曲分析。分析結(jié)果如下: 方案一分析圖片 方案二分析圖片 圖36 翹曲結(jié)果 圖37 翹曲結(jié)果 經(jīng)CAE翹曲分析,兩方案翹曲程度都不是很明顯。經(jīng)過以上各個(gè)階段的分析,方案一,雖然各個(gè)方面都很合理,從產(chǎn)品質(zhì)量要求,表面精度,生產(chǎn)成本,模具的制造復(fù)雜程度等方面考慮,推薦使用方案二。 四、游戲手柄上蓋的

14、模具設(shè)計(jì) 成型部分,作為塑件的幾何邊界,包容塑件,完成塑件的結(jié)構(gòu)和尺寸的成型,是注塑模的核心部分。成型通常是由定模、動(dòng)摸、鑲件、特殊成型零件及成型頂桿等組成。本制品采用一摸兩腔。 應(yīng)用UG制圖軟件,單擊MoldWizard工具條中的模架圖標(biāo),出現(xiàn)如38圖所示的模架管理對(duì)話框。選用的模架是5050大水口,A類型,工字邊,定模板(A)厚度為40mm,動(dòng)模板(B)厚度為70mm,動(dòng)模墊板厚度為60mm,托板(C)厚度為110mm。并把對(duì)話框中相應(yīng)的數(shù)據(jù)改成:AP_h=60,BP_h=40,U_h=60,CP_h=110。 模架具體訂購代號(hào)為3225—AI—40—70—60—110。

15、 圖38 (一)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì) 除兩個(gè)型芯外,隱藏所有文件。單擊MoldWizard工具條中的流道圖標(biāo),出現(xiàn)如圖39所示的對(duì)話框。 單擊點(diǎn)子功能,出現(xiàn)點(diǎn)構(gòu)造器對(duì)話框,選擇兩個(gè)型芯最相近的點(diǎn),單擊確定。又出現(xiàn)如圖40所示對(duì)話框,點(diǎn)選創(chuàng)建流道通道圖標(biāo),選擇圓型流道,橫截面A改為10,如圖41所示。單擊確定,完成主流道的建立,再按以上方法完成全部流道的建立。 點(diǎn)擊建模,利用草圖畫出一個(gè)扇形澆口,調(diào)整大小。以同樣的方法將另一個(gè)澆口加入。 圖39 圖40 圖41 (二)推出系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1.建立拉料桿 單擊MoldWizar

16、d工具條中的標(biāo)準(zhǔn)件圖標(biāo),出現(xiàn)如圖42所示的對(duì)話框。在分類里點(diǎn)選Ejection,在列表框中點(diǎn)選Ejector Pin[Straight],如圖43。 將下方的尺寸改為: MATERIAL=NITRIDED; CATALOG_DIA=8; CATALOG_LENGTH=200; HEAD_TYPE=1。 圖42 圖43 2加入頂桿 單擊MoldWizard工具條中的標(biāo)準(zhǔn)件圖標(biāo),出現(xiàn)如圖所示的對(duì)話框。在分類里點(diǎn)選Ejection,在列表框中點(diǎn)選Ejector Pin[Straight]。 將下方的尺寸改為:

17、 CATALOG_DIA=3; CATALOG_LENGTH=250; HEAD_TYPE=3。 圖44 圖45 (三)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì) 普通的模具通入水進(jìn)行冷卻,調(diào)節(jié)水的流量就可以調(diào)節(jié)模具的溫度。這種冷卻方式可以用于流動(dòng)性較好的低熔點(diǎn)塑料的成型。本套模具的冷卻水道的詳細(xì)布局可以從模具的俯視圖中看出。如下圖: 圖46 (四)模具總體結(jié)構(gòu) 注塑模按照總體結(jié)構(gòu)可以分為單分型面注塑模、雙分型面注塑摸、和帶有活動(dòng)鑲塊的

18、注塑模和帶有側(cè)向分型抽芯的注塑模具等。此制品整體結(jié)構(gòu)如圖47所示: 圖47總裝圖 結(jié) 論 隨著塑料產(chǎn)品不斷發(fā)展,人們對(duì)塑料產(chǎn)品要求也越來越高,很多注塑模的設(shè)計(jì)都是憑設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn),缺乏科學(xué)依據(jù),有很大盲目性,不僅使模具的生產(chǎn)周期加長(zhǎng),成本變高,而且質(zhì)量也難以保證。針對(duì)生產(chǎn)中急需解決的問題,CAE軟件可以說是不錯(cuò)的選擇。 本文是以游戲手柄上蓋的制品為研究的對(duì)象,,完成了從CAD建模、模型導(dǎo)入CAE、網(wǎng)格劃分、澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的建立,工藝參數(shù)的確定等完整的塑料件仿真

19、模型建立過程。對(duì)塑件的注射.保壓.冷卻.翹曲變形進(jìn)行了模擬仿真, 注塑制品的質(zhì)螢受多種因素的影響,成型工藝的非線性、多變量特性,使得制品質(zhì)量與各種影響因素之間的關(guān)系非常復(fù)雜。論文通過澆注系統(tǒng)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)及冷卻分析實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了澆注系統(tǒng)和溫度調(diào)一仃系統(tǒng)對(duì)塑件質(zhì)量、生產(chǎn)效率的重要性。 在模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中,如何降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量要求,使工藝流程能更加優(yōu)化、合理,促使企業(yè)在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中更多地使用數(shù)字化仿真技術(shù)是擺在模具企業(yè)面前的一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。引入模具CAE技術(shù),無疑是加快產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本的上策。 參考文獻(xiàn) [1]陳立亮.材料加工:

20、CAD/CAE/CAM技術(shù)基礎(chǔ)【M】.北京:機(jī)械l:業(yè)出版社,2007 [2]李名堯.模具CAD/CAM[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005 [3]楊寧.注塑成型過程的數(shù)值模擬【D】:[碩士學(xué)位論文].長(zhǎng)沙:中南工業(yè)大學(xué)材料加工工程學(xué)院,2001 [4]李德群.注塑成型流動(dòng)模擬技術(shù)的新進(jìn)展[EB/oL】.http://www.55jx.com/Html/xjziliao/0855 17623.htm,2004—12.16 致謝 大學(xué)生活馬上就要結(jié)束了,我的人生又進(jìn)入了另一個(gè)階段,“事業(yè)”,人生四大階段,“學(xué)業(yè)”.“

21、事業(yè)”.“婚姻”.“家庭”。我明白每個(gè)階段都不能停留太長(zhǎng)時(shí)間。畢業(yè)論文是我結(jié)束學(xué)校生涯的標(biāo)志,所以我必須認(rèn)真對(duì)待,在這重要的時(shí)期,指導(dǎo)老師幫了我大忙。 首先,感謝我的指導(dǎo)老師宮老師,是您耐心的指導(dǎo),指出我論文的不足之處,并細(xì)心幫我修改,查資料,我才能順利的完成我的畢業(yè)論文。 其次,感謝我大學(xué)的所有老師,你們不僅傳授了書本知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),而且還教會(huì)了人生的道理。感謝我們親愛的張導(dǎo),謝謝您給予的生活的上的幫助。您辛苦了。 最后,感謝我親愛的室友們,同學(xué)們,是你們讓我明白朋友最珍貴是,謝謝大家的幫助與照顧,謝謝你們帶給我的美好大學(xué)時(shí)光,我會(huì)記得你們一輩子的。 我的大學(xué)生涯已接近尾聲,我明白學(xué)無止境,需要學(xué)習(xí)的好有很多,人生的大課堂才剛剛開始,我會(huì)努力的。最后向我的老師們,室友們,同學(xué)們,衷心地說一聲謝謝。 哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院印制

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