塑料挡盖注射成型工艺分析及模具结构设计文献综述
2020-04-15 08:04
1.1 研究背景：
作为三大合成材料之一的塑料是以高聚物为主要成分，在其制造加工过程中的某一阶段能流动成型或聚合成型，并且在常温下保持形状不变的固体材料。作为塑料的一种，尼龙66的熔融温度虽然高，但当达到熔点后，溶体粘度低，流动性大，容易冲模成型。此外，尼龙66成型疲劳强度和刚性较高，耐热性能较好，摩擦系数较低，耐磨性能好，因此具有广泛的工业应用前景，通常应用于中等载荷，使用温度小于100度或少润滑条件下工作的零件[1]。
由于塑料注射成型广泛应用于成型热塑性和热固性塑料制品，因此注射成型在整个塑料制品生产行业占有非常重要的地位，据统计，注塑制品约占整个塑料制品总产量的30%，是空间三维塑料制品生产的主要方法之一[2]。但由于塑料注射成型过程中的复杂性，由于制品或模具设计不当的问题、塑料材料和成型工艺的选择不当，会使注塑制品出现翘曲，熔接痕等许多不良现象和缺陷。计算机辅助设计CAD和计算机辅助工程CAE技术的出现，改变了注塑模具传统的设计与制造方法，极大提高了产品的质量的同时使得模具的使用寿命也得到以一定程度的提高，加速了产品的研发，缩短了从设计到生产的周期，减少了试模和修模的次数，创造更大的社会效益。因此，全面推行CAD/CAE技术已成为注塑成型发展的趋势。
1.2 研究意义：
本课题的研究对象是深圳市某企业生产的挡盖（如图1所示），由于挡盖在日常应用广泛、易受腐蚀、机械性能要求不高，但有着较高的形状尺寸要求。由于尼龙66具有质量、耐腐蚀、价格低、成型性能好等优点，采用尼龙66作为塑料挡盖的成型物料。课题研究的内容是塑料挡盖的注射成型工艺分析和模具设计，用Pro/E5.0进行挡盖的注塑模具总体设计[3]；用MOLDFLOW中，对塑料挡盖注射成型工艺进行模流分析，提出了基于模流分析对塑胶产品模具浇口和冷却流道的优化设计方法[4]。相比于传统模式，在注塑模设计中采用CAD、CAE技术后，可通过数值模拟预测产品的成型缺陷以提高成型质量，使得成型工艺及模具设计建立在科学分析的基础上，为优化模具设计提供了科学的依据[5]。设计人员在模具设计中的避免了盲目性而有目的地修整设计方案和技术条件。结果表明，应用CAD/CAE可以缩短了挡盖注塑模具的开发周期，对于塑胶类产品模具的设计评估具有重要的工程参考意义和较好的应用价值。
图1. 挡盖三维模型：（a）正面（b）反面
1.3 注塑成型技术国内外研究现状：
近些年来，许多学者将CAD/CAE技术应用到了注塑模模具设计与优化中，进行了大量的理论和实践研究，缩短了注塑模具设计的研发周期，提高了塑料制件的质量，取得了很多重要的科研成果。用Moldflow的对塑件进行模拟分析和参数优化，然后通过UG进行塑料模具的整体设计，缩短了产品模具开发的周期，达到快速确定成型工艺的目的[6-7]。此外在浇注系统和冷却系统的设计与优化方面，陶筱梅等[8]以手机上盖为例，利用专业模流分析软件Moldflow对模具浇口位置和数量进行了优化设计，从而获得了预期的高质量塑件产品。董海军等[9]应用Moldflow对打印机上盖注射成型进行模拟后，优化了冷却水道直径、布局和浇注系统尺寸。谭景焕等[10]对叶轮塑件的结构分析,通过Moldflow软件对具有不同冷却水道的塑件进行模流分析，得到实验范围内最佳的冷却方案。SJ Liao，DY Chang，HJ Chen[11]结合有限元法、Taguchi’s法和外展网络对多腔模具浇口和浇道系统参数进行优化，降低了多模腔注塑模具的翘曲。Park H等[12] 采用解析法和CAE仿真相结合的方法汽车零部件的中型注塑模具的随形冷却通道，减少了成型件的冷却时间，提高了成型件的质量。
目前，结合 CAE 仿真对注塑成型工艺参数优化，并以获得质量高注塑成型产品，也正成为国内外注塑成型新工艺新方法的研究热点，孙蒙蒙等[13]结合 Taguchi DOE 及 Moldflow 数值模拟技术，研究相关工艺参数对收缩率变化和翘曲量的影响，并得到了试验范围内各工艺参数水平的最优组合。李瑞娟等[14] Moldflow对注塑成型工艺参数进行仿真出了一种结合 Tugachi 正交试验法、BP 神经网络、Matlab 数值分析改善产品翘曲变形的注塑成型工艺参数寻优方法，基于此方法对注塑成型工艺参数进行了多次优化。Chaofang Wang[15]等针对长条形注塑件，结合有限元的方法，提出了一种新的预测注塑件翘曲变形的方法，并与实际情况吻合较好。
在本研究的注塑模设计过程中，采用CAD和CAE相结合的方法，用模流分析软件Moldflow分析了产品的注塑成型工艺分析，用Pro软件设计了模具的各零部件，这将缩短注塑模的设计周期，对塑胶类模具的设计与优化具有一定的参考意义。
{title}2. 研究的基本内容与方案
{title}2.1 基本内容
本课题以某企业生产的挡盖为研究对象，将CAD和CAE技术应用到注塑模工艺分析和模具设计中，主要研究内容有：
1.利用Pro/E5.0软件，根据挡盖二维零件图完成三维模型的建立。
2.将三维模型导入Moldflow软件中，运用Gate Location模块对挡盖进行模流分析，找到一个充填性能最佳的浇口位置区域；根据模具设计时浇口位置的可行性，提出3个方案，方案1：单个浇口，方案2和方案3：两个浇口，但位置不同。对这三种方案进行成型过程中的模拟分析，综合预测塑件缺陷再进行对比以确定最佳的浇口方案。之后对塑料冷却过程中温度变化进行分析，设计出的满足冷却要求的冷却系统。
3.根据Moldflow的分析所得的浇注系统和冷却系统的方案，应用到Pro注塑模设计中。完成塑件模架设计及其它模具元件的设计，主要包括模具的结构系统零件、复位系统零件、紧固零件、推出系统等。最后用Pro/E5.0根据模具的三维装配，绘制模具三维装配图以及零件图。
2.2 研究目标
1、通过Pro建立挡盖塑件的三维模型，导入Moldflow软件进行数值模拟分析后，获得了理想的挡盖注塑件的浇口位置区域。在此基础上，又设计出３种合理的浇注系统方案。通过对比模流分析结果，最终确定理想的浇注、冷却系统设计方案；
2、将Moldflow数值模拟分析结果应用到Pro模具设计中的浇注系统和冷却系统的设计，用Pro完成模具的整体设计、成型零部件的设计、脱模机构的设计、顶出机构的设计等，最后绘制出模具总装图和各零部件的工程图。
2.3技术方案
3. 参考文献
[1]冯爱新.塑料模具工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2009.
[2]杨永顺.塑料成型工艺与模具设计[M].北京：机械工业出版社，2011.
[3] 詹友刚.Pro/ENGINEER5.0 模具设计教程[M].北京.机械工业出版社，2010.
[4] 单岩，蔡玉俊，罗晓晔等. MOLDFLOW立体词典：塑料模具成型分析与优化设计[M]. 浙江：浙江大学出版社，2011.
[5]陈晖,周细应,李名尧.模具CAD/CAE/CAM技术的应用及其发展趋势[J].铸造技术,2010,31(11):1454-1456.
[6]张丽. 基于UG和Moldflow注塑模设计和CAE实例分析[D].武汉：湖北工业大学,2017 .
[7]李国辉. 基于实例的注塑模设计与成型工艺优化[D].武汉：湖北工业大学,2017.
[8] 陶筱梅，杜小清.基于 Moldflow 的注塑模具浇口优化设计[J]. 模具技术，2007,(4)：40-43.
[9] 董海东，史妮君. 打印机上盖注塑成型的缺陷分析与工艺改进[J]. 模具技术，2012, ：56-60.
[10]谭景焕,刘斌,吴成龙.基于Moldflow和3D打印的注塑模具随形冷却水道设计[J].塑料工业,2015,43(12):45-48 77.
[11] SJ Liao，DY Chang，HJ Chen. Design of therunner and gating system parameters for a multi-cavity injection mould usingFEM and neural network [J]. Int J Adv Manuf Technol 2006, 27: 1089–1096.
[12] Park H, Dang X.Development of a Smart Plastic Injection Mold with Conformal CoolingChannels[J]. Procedia Manufacturing, 2017: 48-59.
[13]孙蒙蒙，丁武学，曹春平，杨成福. 基于 Taguchi DOE 和 Moldflow 的汽车内饰件注射成型工艺参数优化[J]. 工程塑料应用，2012，40(10)：43-46.
[14]李瑞娟,黄力.基于BP神经网络的汽车内饰面板注塑成型工艺参数优化[J].塑料,2016,45(03):81-85 35.
[15]Chaofang Wang,MingHuang,Changyu Shen,Zhenfeng Zhao.Warpage prediction of the injection-moldedstrip-like plastic parts[J].Chinese Journal of ChemicalEngineering,2016,24(05):665-670.
1．目的及意义1.1 研究背景：
作为三大合成材料之一的塑料是以高聚物为主要成分，在其制造加工过程中的某一阶段能流动成型或聚合成型，并且在常温下保持形状不变的固体材料。作为塑料的一种，尼龙66的熔融温度虽然高，但当达到熔点后，溶体粘度低，流动性大，容易冲模成型。此外，尼龙66成型疲劳强度和刚性较高，耐热性能较好，摩擦系数较低，耐磨性能好，因此具有广泛的工业应用前景，通常应用于中等载荷，使用温度小于100度或少润滑条件下工作的零件[1]。
由于塑料注射成型广泛应用于成型热塑性和热固性塑料制品，因此注射成型在整个塑料制品生产行业占有非常重要的地位，据统计，注塑制品约占整个塑料制品总产量的30%，是空间三维塑料制品生产的主要方法之一[2]。但由于塑料注射成型过程中的复杂性，由于制品或模具设计不当的问题、塑料材料和成型工艺的选择不当，会使注塑制品出现翘曲，熔接痕等许多不良现象和缺陷。计算机辅助设计CAD和计算机辅助工程CAE技术的出现，改变了注塑模具传统的设计与制造方法，极大提高了产品的质量的同时使得模具的使用寿命也得到以一定程度的提高，加速了产品的研发，缩短了从设计到生产的周期，减少了试模和修模的次数，创造更大的社会效益。因此，全面推行CAD/CAE技术已成为注塑成型发展的趋势。
1.2 研究意义：
本课题的研究对象是深圳市某企业生产的挡盖（如图1所示），由于挡盖在日常应用广泛、易受腐蚀、机械性能要求不高，但有着较高的形状尺寸要求。由于尼龙66具有质量、耐腐蚀、价格低、成型性能好等优点，采用尼龙66作为塑料挡盖的成型物料。课题研究的内容是塑料挡盖的注射成型工艺分析和模具设计，用Pro/E5.0进行挡盖的注塑模具总体设计[3]；用MOLDFLOW中，对塑料挡盖注射成型工艺进行模流分析，提出了基于模流分析对塑胶产品模具浇口和冷却流道的优化设计方法[4]。相比于传统模式，在注塑模设计中采用CAD、CAE技术后，可通过数值模拟预测产品的成型缺陷以提高成型质量，使得成型工艺及模具设计建立在科学分析的基础上，为优化模具设计提供了科学的依据[5]。设计人员在模具设计中的避免了盲目性而有目的地修整设计方案和技术条件。结果表明，应用CAD/CAE可以缩短了挡盖注塑模具的开发周期，对于塑胶类产品模具的设计评估具有重要的工程参考意义和较好的应用价值。
