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1、浙江科技学院本科毕业设计（论文）气体辅助注射成型模具设计和CAE分析蒋晓锋（机械与汽车工程学院 指导教师：管爱枝）摘要：塑料产品和塑料模具工业在当前国民经济中占据重要地位，作为比较先进的气辅成型法对塑料产品质量的提升、成本的降低有着更为突出的优越性。本论文提出咖啡壶手柄的基于CAE分析的气体辅助注射成型模具设计，由于存在非常大的壁厚差异，且结构形状相当复杂，采用普通注塑工艺难以成型，所以必须采用气辅注射成型工艺。本文为咖啡壶手柄设计了一副气体辅助注射塑料模具。设计过程中主要利用Pro/E、Moldflow和AutoCAD工具软件，充分发挥计算机辅助设计的优越性，实现了模具设计设想。作者首先分析
2、塑件的结构工艺性，选择了单分型面模具，采用斜滑装置，并利用Pro/E模块完成了成型零部件的建模。然后，利用Moldflow对零件进行了CAE分析，得到一系列计算结果。并在这些计算结果的指导下，在Pro/E EMX模块中完成了模具的推出机构、导向机构和结构零部件等的建模。最后利用AutoCAD绘制了该副模具的总体装配图。总之，所设计的模具结构简单，机构运行可靠，所绘制的模具图纸对实际生产具有指导意义。关键词：CAE； 咖啡壶手柄； 气体辅助成型； 模具结构Abstract ：Plastic products, and plastic mold industry have occupied an
3、important position in the national economy, as more advanced gas-assisted injection molding of plastic method of upgrading the quality of products, cost reduction is even more pronounced superiority. In this paper, coffee pot handle CAE analysis is based on the gas-assisted injection mold design, an
4、d because of the very large differences in thickness, and structure of complex shapes, its difficult to use ordinary injection molding process. So we must adopt gas-assisted injection molding process. This paper is about coffee pot handle design of a gas-assisted injection mold plastic. During desig
5、n process we use mainly Pro / E, AutoCAD and Moldflow software tools, and give full play to the advantages of computer-aided design, to achieve the vision of mold design. The author analyzes the plastic parts of the structure, and then choices of a single-mold surface, using oblique-slip devices, th
6、en, use of Pro / E module completes molding parts modeling. Then, using Moldflow does CAE analysis on parts, and we can have a series of calculated results. And under the guidance of the results of these calculations, the Pro / E EMX module completes the introduction of the mold, oriented institutio
7、ns and structures parts modeling. Finally, draw die deputy general assembly with using the AutoCAD. In short, the mold design is simple, reliable operation of institution, drawing on the mold drawings actual production is instructive.Keywords：CAE； Coffee pot handle； Gas-assisted molding； Die structu
8、re第一章 绪 论1.1 引言气体辅助注射成型(Gas-Assisted-Injection Molding,简称GAIM)是一种新型的塑料加工技术。该项技术具有注射压力低、制品翘曲变形小、表面质量好、用料少、周期短以及壁厚差异较大、制品一件成型等优点。近年来,这项技术在发达国家已经得到广泛的应用。如美国、日本汽车注塑件的80%、大屏幕彩电机壳的90%均采用气体辅助注射成型技术。而在我国,气辅技术目前仅在大屏幕彩电机壳生产中获得应用。因此探讨气辅技术在汽车注塑件成型中的应用有一定的实际意义。GAIM 技术与传统注射成型技术有很好的兼容性,在现有的注射成型机上增加一套气辅成型装置即可实现气体辅助
9、注射成型。通过注射机喷嘴或模具上某部位可将气体注入到聚合物熔体的内部,推动熔体充满型腔,并实现气体均匀保压。GAIM 技术包括聚合物熔体注射和气体注入两部分。与传统的注射成型工艺相比,GAIM 技术需要确定和控制更多的工艺参数,如熔体/气体延迟时间、气体注射压力、气体保压压力、熔体的预注射量、熔体温度等。因而GAIM 技术对制品设计、模具设计和成型过程的控制都有特殊的要求,且难度较大。将计算机模拟技术用于气体辅助注射成型过程中的流动分析、预测熔体以及气体在熔体内的流动及穿透情况、作为新产品结构和模具的辅助设计和优化成型工艺参数等非常重要。目前,国内外市场上已有数十种商品化的聚合物流动分析软件,
10、应用于挤塑、注塑、吹塑、热成型、反应挤出和混炼等多种加工工艺中,但只有少数软件可以模拟气体辅助注射成型工艺过程。1.2 气体辅助注射成型概述1. 气体辅助注射成型过程 气体辅助注射成型过程是先向模腔中注入经准确计量的塑料熔体,再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,待塑料熔体冷却凝固后排去熔体内的气体,开模推出制品。与传统注射成型相比,气辅成型增加了一个气体注射阶段,且由气体而非塑料熔体的注射压力完成保压过程。制品中用于引导气体穿透的加强肋或成型后由气体形成的中空部分称之为气道。压缩气体一般选用氮气,因为氮气价廉、易得到且不与塑
11、料熔体发生反应。因工艺的不同,成型过程有压力控制和体积控制两种方式。前者是按一定的压力规则(如等压、分级、等变率方式)注射气体,后者是先将一定量的气体存入压力容器中,再由活塞的移动控制气体的注射。气体辅助成型周期可分为如下六个阶段。 塑料熔体充模阶段 这一阶段与传统注射成型相同,只是在传统注射成型时熔体充满整个型腔,而在气辅成型时熔体只充满局部型腔,余下部分要靠气体补充。 切换延迟时间 从塑料熔体注射结束到气体注射开始的一段延迟时间。这一过程非常短暂。 气体注射阶段 从气体开始注射到整个型腔被完全充满的时间。这一阶段相对于整个成型周期来说很短暂,但对于制品的质量却十分重要,控制不好会产生许多成
12、型缺陷,如气穴、吹穿、注射不足或气体向较薄部分渗透等。 保压阶段 气体保持不变或略有升高,使气体在塑料熔体内部继续穿透(称为二次穿透),以补偿塑料却引起的材料收缩。由于气体由内向外施压,可以保证制品外表面紧贴型腔壁。 气体释放阶段 气体入口压力降为大气压。 推出阶段 当制品冷却到具有一定的刚度和强度后开模将制品推出。2. 气体辅助注射成型工艺分类 根据具体工艺过程的不同,将气体辅助成型分为标准成型法、副型腔成型法、熔体回流法和活动型芯法四种。(1) 标准成型法 标准成型法是先往模具型腔中注入经准确计量的塑料熔体,再经过浇口和流道注入压缩气体,气体在型腔内塑料熔体的包围下沿阻力最小的方向扩散前进
13、,对塑料熔体进行穿透和排空,最后推出塑料熔体充满整个型腔并进行保压冷却,待制品冷却带具有一定刚度和强度后开模推出。(2) 副型腔成型法 副型腔成型法是在模具型腔之外设置一个可与型腔相通的副型腔,首先关闭副型腔,向型腔中注射塑料熔体直到型腔充满并进行保压,然后开启副型腔,向型腔内注入气体,由于气体的穿透而多余出来的熔体流入副型腔,当气体穿透到一定程度时关闭副型腔,升高气体压力对型腔中的熔体进行保压补缩,最后开模推出制品。(3) 熔体回流法 熔体回流法与副型腔成型法类似,所不同的是模具不设副型腔,气体注入时多余的熔体不是流入副型腔而是流回注塑机的料筒。(4) 活动型芯法 活动型芯法是在模具型腔中设
14、置活动型芯,首先使活动型芯位于最长伸出位置,向型腔中注射塑料熔体直至型腔充满并进行保压,然后注入气体,活动型芯从型腔中逐渐退出以让出所需的空间,待活动型芯退至最短伸出位置时,升高气体压力实现保压补缩,最后制品脱模。3.气体辅助注射成型设备典型的气体辅助注射成型设备,主要包括注塑机、气体压力控制系统和供气、回收装置。注塑机 由于气体辅助注射成型通过控制注入型腔的塑料量来控制制品的中空率及气道的形状,所以气体辅助注射成型对注塑机的注射量和注塑压力的精度要求较高。一般情况下,要求注塑机的注塑量精度误差应在0.5以内,注射压力波动相对稳定,控制系统能和气体压力控制系统匹配。此外,气体辅助注塑成型有时要
15、求注塑机使用止逆喷嘴以防止熔体倒流,并通过反映螺杆形成的位移触发器触发气体压力控制单元。气体压力控制系统 气体压力控制系统包括压力控制阀和电子控制系统,有固定式和移栽式两种,固定式气体压力控制系统是将压力控制阀直接安装在注塑机上,将电子控制系统直接安装在注塑机控制箱内,即气体压力控制系统和注塑机连位一体。移栽式气体压力控制单元是将压力阀和电子控制系统做在一套控制箱内,使其在不同的场合和不同的注塑机上搭配使用。供气和回收装置 供气装置由备用氮气罐、氮气发生器、低压氮气罐、增压装置和高压氮气罐组成。氮气发生器制备的氮气首先进入低压罐,然后经增压装置进入高压罐,高压氮气再经气体压力控制系统按设定压力
16、进入模具。供气装置在模具方面还应包括进气喷嘴。喷嘴分为两类,一类是主流道喷嘴,即塑料熔体和气体共用同一喷嘴,塑料熔体注塑结束后,喷嘴切换到气体通路上实现气体注射；另一类是气体通路专用喷嘴,又分为嵌入式和平面式两种。 回收装置用于回收气体注射通路中残留的氮气,回收后的氮气进入低压罐。4.气体辅助注射成型技术的特点(1) 气体辅助注射成型技术的优点 注射压力较小 塑料熔体的流动速度、压力梯度和熔体的流动性成正比,因此,当熔体的流程增加而又要求流动速度不变时,应增加入口压力以便保持一定的压力梯度,这就是传统注射成型入口压力不断增加的原因,而用气体辅助注射成型时,由于气体是非黏性的,可以有效地把入口压
17、力传递到气体与熔体的交接面而不产生明显的压力降。因此,当气体推动熔体前进时,由于有效流程缩短,保持熔体前锋按一定速度前进所需的入口压力减小,所需锁模力也相应减小,可以降低对注塑机吨位的要求,成本下降,而且型腔压力较小还可以减小模具的损伤并降低对模具壁厚的要求,从而使模具成本降低。 制品翘曲变形小 注射压力较小且塑料熔体内部的气体各处等压,因此保压冷却过程中产生的残余应力较小,制品出模后的翘曲倾向减小。 制品表面精度提高 气辅注射成型的保压阶段,塑料的收缩可由气体的二次穿透予以补偿,且气体压力可使制品外表面紧贴模具型腔,所以制品表面不会出现凹陷。此外,采用气辅成型可将制品的较厚部分掏空以减小甚至
18、消除缩痕。 可形成壁厚差异较大的制品 采用气体辅助注射成型可以将制品较厚的部分掏空形成气道。因此采用气辅成型的制品在设计上的自由度较大,可以将采用传统注射成型时因厚薄不均而必须分为几个部分单独成型的制品合并起来,实现一次成型。 制品的刚度和强度增加 可以在不增加制品质量的情况下,通过加强肋内的气道改变材料在制品横截面上的分布,增加制品的截面惯性矩,从而增加制品的刚度和强度。这一优点对于汽车、飞机、船舶等交通工具的轻型化十分有利。 应用范围 气体辅助注射成型可适用于各种热塑性和一般工程塑料。(2) 气体辅助成型存在的主要缺点 设备投资大,因为需要增设供气和回收装置及气体压力控制系统,这就增加了成
19、本。 采用气体辅助成型技术时,对注塑机的注射量和注射压力的精度有较高的要求。 制品在注入气体忽然未注入气体的表面会产生不同的光泽。 制品质量对工艺参数更加敏感,增加了设计难度,主要体现在以下几点： .确定熔体和气体的最佳注射量、注射压力和注射时间； .确定注射熔体和氮气的切换时间； .确定注入氮气的压力控制曲线； .预测熔体在型腔内的流动及气体的穿透情况； .计算所需锁模力和保压时间。1.3 气体辅助注射成型CAE应用现状与趋势气体辅助注射成型（Gas -Assisted Injection Molding）是在传统注射成型的基础上发展起来的一种创新技术，其基本工艺过程是先向模具型腔里预注入部
20、分或全部聚合物熔体，随后注入高压的惰性气体（一般为氮气）， 气体沿着阻力最小方向流向制品的低压和高温区域；当气体在制品中流动时，它通过置换熔融物料而掏空厚壁截面；这些置换出来的物料填充制品的其余部分，当填充过程完成以后，由气体继续提供保压压力， 解决物料冷却过程中体积收缩的问题。 气体辅助注射成型技术克服了传统注射成型的局限性，具有很多优点，该工艺可以减轻制件重量，加快冷却速度，降低注射压力和锁模力，从而大大降低生产成本；在产品质量方面，它可以消除表面缩痕，减小制件的内应力和翘曲变形，并且能够通过设置附加气道的加强筋，提高制件的强度和刚度，而不增加制件的重量。 因此，气辅成型已在汽车、家电、大
21、型家具以及其它一些大型或超厚塑件等生产领域广泛应用。 气辅注射成型较之传统注射成型过程而言，需要考虑更多的工艺参数，如气体注入点、气体压力、熔体注射量、熔体/ 气体注射之间的延迟时间、气体保压时间等，产品成型质量更难掌控。 气辅工艺的复杂性，使得以前适用于传统注射成型的经验和知识，对解决这一创新的工艺问题是远远不够的。 因此气体辅助注射成型CAE 技术日益受到人们的重视， 工程技术人员可以设定不同的材料及成型条件来模拟具体的成型案例， 进而通过计算机模拟结果的分析找出产品设计、模具设计、成型材料选择及成型工艺参数设置等方面可能存在的问题，优化气辅成型工艺。 气辅注射成型CAE的作用：由于气辅成
22、型的CAE 模拟建立在相对准确的数学模型基础上，所以，利用计算数学、计算机图形学等先进技术，可以直观地揭示气辅件成型过程，从而获得对实际生产有指导意义的分析结果。 气体辅助注射成型的计算机模拟，可以为设计者和工程人员提供以下帮助： （1）可视化地显示出熔融树脂的流动行为与气体注入和辅助成型过程。（2）发现潜在的问题，例如气穴、不均衡的气体注入、气体穿透、指形效应等。 （3）确定塑料熔体的最优体积或重量，以及注入气体的最佳切换时间。 （4）获得整个型腔或多型腔系统在整个加工过程中的物料及气体的空间分布。 （5）在考虑机械强度和结构分析等因素下判断最终的聚合物厚度分布。（6）在改变浇注系统或气道的
23、尺寸、位置、气道的相互连接时，重复进行设计直到达到满意的效果。正是基于此，气体辅助注射模塑的计算机模拟日益受到人们的重视。目前，国内外均推出了针对气辅成型的商品化CAE软件，例如美国C-Mold公司的GASMOLD和澳大利亚Moldflow公司的MPI/Gas；华中科技大学的HSCAE 3DRF 5.0等软件，这两个软件的共同特点是根据设定的气体注入节点与注入压力，可以计算并可视化地显示出熔融树脂的流动行为与气体注入和辅助成型过程，根据计算结果可以分析注入点的位置，气压与注入时间等的设定值，可以预测气体注入后可能发生的吹破现象，树脂的厚度分布，气体的通道分布以及气体前锋的边界温度等，从而确定合
24、适的工艺参数，在实际试模前对于整个气辅成型充模流动过程进行评估直至优化。荷兰飞利浦公司利用MOLDFLOW分析软件对生产的光驱托盘的气辅成型进行模拟，找出了最佳工艺参数，并通过对气体喷嘴的位置优化设计以及调整截面形状使气体流动容易，解决了原塑件因所受压力不均而造成的制品翘曲的问题，使制品的最大变形量在0.1mm以内，且表面光洁度良好，没有缩痕，成品合格率几乎是100%。再如日本佳能公司利用GASMOLD软件对公司原生产的传真机基座进行气辅成型的计算机模拟后，改变了一些工艺参数和使用材料，把传真机加强筋的厚度从1.3mm增加到2.0mm，材料由PC/ABS换成抗冲PS，结果使制品的刚度提高，生产
25、能力提高33%，制品成本降低24%。总体而言，气辅注射成型CAE的应用可以对气体辅助注射成型工艺的分析，帮助工艺人员制定合理的注射工艺和气体注入工艺，以及制品最终的质量。这对于优化工艺，降低制品成本，提高制品质量，具有重要的指导意义。气辅注射成型CAE国内外的研究现状 由于气辅注射成型CAE在实际生产中发挥了良好的指导作用，并产生了预期的经济效益，已经引起越来越多的国内同行都进行了较为深入地研究，也取得了阶段性的成果，并应用到实践之中。 SC Chen等人利用同一个几何模型应用CAE软件对气辅注射成型中的充摸和保压阶段进行数值模拟，同时也应用在冷却分析中。分别对薄板上加肋，环行圆管等气辅制件进
26、行了气辅注射主要穿透和二次穿透的理论和实验研究。从制件的结构性能、注塑压力及温度影响、气道形状设计、数值计算方法等多方面研究了气辅注射成型流动过程的规律和特点，取得了较好的研究成果。 S.M.FCHAO等人研究了在气辅控制单元中的气体成型压力动态模型。首次引入了线性动态模型并得到实验认证；在预测和检测方面，非线性动态模型可以很好预测气辅注射成型中各种现象，其结果对工艺特征和不同工艺参数之间关系理解很有帮助，但实用性差。因此，又提出了基于非线性动态模型基本特征的两次模型，实验结果表明该模型能够精确预测气体注射压力短暂变化。 上海交通大学国家模具CAD工程研究中心的辛勇教授利用计算机模拟，针对电视
27、机外壳的气辅成型开展研究，在广义Hele-Shaw流动模型基础上，通过引入合理的简化和假设，建立了气辅充摸的数学方程和气体穿透的边界条件，针对薄壁气辅塑件沿圆形截面气道穿透推进，形成模壁表层熔体的充模流动过程中的气体注射压力、熔体温度、非牛顿指数影响气体穿透充模过程进行了实例数值模拟研究，同时还对模具中的浇口数、气道数及其布局等进行了优化，得到了质量更优的塑件。 华中科技大学的周华民等人在研究熔体流动和气体穿透数值模拟时，把一种类似于传统注射成型模拟的混合有限元法用于气体辅助注射充模分析，并利用研究成果对带有3个52mm圆形肋骨零件的成型过程进行了实地考察，改进了成型方案，结果获得了较为均匀的
28、气体穿透壁厚。 华中理工大学模具重点实验室基于修正CROSS粘度模型和非牛顿、非等温状态下的定义Hele-Shaw流动模型，研究了薄壁制件的气辅成型充模流动规律，并经适当假设和简化，建立了求解本构方程。在开发注射模CAD/CAM系统HSC基础上研究开发了专用气辅分析系统。 目前，从国内外的气辅成型CAE技术研究和应用的情况来看，在近10年内都取得了飞速的进步，逐渐在模型建立、数值方法上日趋完善，已经成为气辅成型设计优化的重要手段之一。气辅注射成型CAE技术的发展趋势：尽管在气辅注射成型的计算机模拟的基础上，可以了解各种工艺参数对成型的影响规律、获得工艺参数的匹配设置，借此达到对气辅成型工艺进行
29、优化，但要想更加有效地将这种技术应用于实践中，指导实际生产， 仍有很多方面需要继续探讨和研究，今后气体辅助注射成型CAE技术的发展趋势主要为以下几个方面： （1）采用更加简单的单元技术和合理高效的网格划分方法，提高分析的准确性)例如改善在分析形状复杂，多型腔结构的制件时，对于厚度突变的制品，只有当厚度变小区域的网格细化的情况下才能得出合适的结果，加大分析难度，增加计算资源支出的情况。 （2）目前商品化气辅CAE软件与CAD/CAM软件之间数据传递主要依靠文件的转换，容易造成数据的丢失和错误； 因此在设计制造过程中采取单一的模型，建立CAD/CAE/CAM系统的统一数据库，加强三者之间的联系是今
30、后的发展方向。 （3）引人更多更好的概率统计、优化方法，使设计加工中的人工经验量化。 （4）逐渐实现和完善实体建模零件的气辅成型数值模拟研究的应用。 （5）Auto-CAE 概念的引入，将人工智能技术，如专家系统等加入设计计算中，使模拟程序能智慧地选择气辅工艺参数，提供修正制品尺寸,气体流道布置方案，改变目前CAE， 分析仍“被动”依靠人的经验提供设计方案的局面。近年来的理论及试验研究表明，借助气体辅助注射成型CAE 技术的分析和模拟，就能及时地发现产品结构及尺寸设计，成型材料选择和成型工艺参数设置中可能出现的问题，方便工作人员做出相应地修改和调整，能够最大限度地降低风险，提高效率，降低成本，
31、得到结构合理的模具、设置优化的工艺参数和高质量的成型零件。 随着气辅成型机理研究的深入、数学模型的完善和CAE 技术的发展，气辅成型CAE 技术将更加成熟、更贴合实际，其应用范围也会不断拓展，为用户带来更大的经济效益。 1.4 本文主要研究内容本文是运用计算机辅助设计、辅助分析技术进行气体辅助注射成型注塑模具的设计。首先，运用PRO/E三维设计软件设计进行三维造；然后运用Moldflow软件对所设计的产品进行CAE分析，最后用PRO/E软件对所设计的产品进行凹凸模设计，并完成模架的装配。最后，对所设计的产品极其模具进行计算机生产模拟，并利用AutoCAD完成相应的图纸设计。第二章 咖啡壶手柄的
32、三维建模2.1 三维CAD软件的介绍随着计算机技术的飞速发展,CAD/CAM技术的广泛应用,机械行业也越来越多地采用CAD技术,给产品的设计和制造带来了巨大变革。目前普遍使用的三维设计软件是PORE/ENGINEER、SOLIDWORKS、CATIA、UG还有常用的AutoCAD等。以下是对本次设计用到的2个软件的介绍：1. AutoCADAutoCAD系列软件是Autodesk公司的产品，也是最早进入国内市场的CAD软件之一。AutoCAD软件最早是针对二维设计绘图而开发的，随着其产品的日益成熟，在二维绘图领域该软件已经比较的完善，而且随着产品设计的发展需要，越来越多的产品设计已经不在停留在
33、二维的设计领域，正在越来越多的朝着三维的产品设计发展，因此在AutoCADR12，R13的版本中已经加入了三维设计的部分，而且随着版本的不断更新三维设计的部分也在越来越多的发展，由于该软件开发中的自身原因，使的该软件存在一些的不足之处，比如，该软件在二维设计中无法做到参数化的全相关的尺寸处理；三维设计中的-实体造型能力不足。但是由于该软件进入国内市场较早，价格较便宜，对使用的微机要求较低，使用比较简单，因此使用者还是比较多，该软件为中国的CAD软件发展还是起到了一定的贡献。总的来说该软件作为一套二维的绘图软件还是非常好用的。2. PRO/E Pro/Engineer是由美国参数技术公司推出的一
34、套三维CAD/CAM参数化软件系统，它的内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的输出、到生产加工成产品的全过程，其中还包括了大量的电缆和管道布线、模具设计与分析等实用模块。应用领域包括航空航天、汽车、机械、NC加工、电子等诸多行业。ParametricTechnologyCrop公司（PTC）的Pro/Engineer以其参数化、基于特征、全相关等概念闻名于CAD界。该公司新推出的Pro/Engineer野火版是在原Pro/E的产品上新增了柔性工程技术，包括可视化检查（VisualSearch），行为建模技术（BehaviorModeling），形状索引（Sh
35、apeIndexing），特征灵活性（FeatureAgility），CDRE渲染（CDRERendering），疲劳预测（FatiguePnediction）。这些针对用户的人性化的设计技术可以使得设计人员把主要的精力集中到优化设计及产品的创新上，从而提高设计效率。该软件的参数化特性造型的功能是它的一个主要功能，它贯穿与整个系统，包括特征、曲面、曲线以及线框模型等。而且系统经过多年的努力，已经把参数化的造型技术应用到工程设计的各个模块，如绘图、工程分析、数控编程、布线设计和概念设计等。总的来说，PRO/E作为三维的造型、设计软件还是相当的方便灵活好用的。Pro/Engineer的基本模块：
36、基于参数化特征零件设计 基本装配功能 钣金设计 工程图设计及二维图绘制 自动生成相关图纸明细表 焊接模型建立及文本生成 Web超文本链接及VRML/HTML格式输出 标准件库优点： 功能强大的建模能力 开放，柔性 独立拥护易于快速实施此外，还有还有工业外观造型强有力的工具（CDRS），复杂零件的曲面设计工具及一系列的分析工具，这里不做详细介绍。2.2 咖啡壶手柄三维造型图 2.1 咖啡壶手柄2.2.1 咖啡壶手柄结构分析图2.2 咖啡壶手柄结构特点 设计时首先从基本特征入手，产生一个合理的造型“基体”或称之为“大体”。然后在“大体”上完成细节部分（如倒角，孔及抽壳等）,如图2.2,红色区域内部
37、为中空。2.2.2 设计要点及流程设计要点： 1.对产品进行剖析，确定产品结构的主要特征和合理的建模顺序。 2.从模具角度考虑，绘制线框及曲面造型。 3.“基体”创建好后对其进行细化设计，如壁厚，孔等。设计流程：1旋转，如图2.3所示。 图2.3 旋转2实体切除，如图2.4所示。 图2.4 切割3倒角R80，如图2.5所示 图2.5 倒角4抽壳，壁厚1.5mm,如图2.6所示。 图2.6 抽壳5完成手柄-手把部分实体,包括倒角等,如图2.7所示。(a) (b)(c) (d)(e) (f)(g) (h)图2.7 手柄的造型过程2.2.3 咖啡壶效果图图2.8 咖啡壶效果图2.3 小结本章主要是对
38、现在制造业界应用比较广泛的几种三维造型软件进行优缺点分析，从而选择一种合适的软件完成本设计的三维造型部分。第三章 气辅注射成型的CAE分析3.1 Moldflow 软件简介 MoldFlow软件是美国MOLDFLOW公司的产品，该公司自1976年发行了世界上第一套塑料注塑成型流动分析软件以来，一直主导塑料成型CAE软件市场。2000年4月，收购了另一个世界著名的塑料成型分析软件CMOLD。MoldFlow软件包括三部分：MoldFlow Plastics Advisers（产品优化顾问，简称MPA）：塑料产品设计师在设计完产品后，运用MPA软件模拟分析，在很短的时间内，就可以得到优化的产品设计
39、方案，并确认产品表面质量。MoldFlow Plastics Insight（注塑成型模拟分析，简称MPI）：对塑料产品和模具进行深入分析的软件包，它可以在计算机上对整个注塑过程进行模拟分析，包括填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力和收缩，以及气体辅助成型分析等，使模具设计师在设计阶段就找出未来产品可能出现的缺陷，提高一次试模的成功率。MoldFlow Plastics Xpert（注塑成型过程控制专家，简称MPX）：集软硬件为一体的注塑成型品质控制专家，可以直接与注塑机控制器相连，可进行工艺优化和质量监控，自动优化注塑周期、降低废品率及监控整个生产过程。 MoldFlow软件在注塑模设
40、计中的作用主要体现在以下几方面。1、优化塑料制品 运用MoldFlow软件，可以得到制品的实际最小壁厚，优化制品结构，降低材料成本，缩短生产周期，保证制品能全部充满。2、优化模具结构 运用MoldFlow软件，可以得到最佳的浇口数量与位置，合理的流道系统与冷却系统，并对型腔尺寸、浇口尺寸、流道尺寸和冷却系统尺寸进行优化，在计算机上进行试模、修模，大大提高模具质量，减少修模次数。3、优化注塑工艺参数 运用MoldFlow软件，可以确定最佳的注射压力、保压压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压时间和冷却时间，以注塑出最佳的塑料制品。MPI软件的主要模块：1、模型输入与修复 MPI有三种分
41、析方法：基于中心面的分析、基于表面的分析与三维分析。中心面既可运用MPI软件的造型功能完成，也可从其它CAD模型中抽取，再编辑；表面分析模型与三维分析模型直接读取其它CAD模型，如快速成型格式（STL）、IGES、STEP、Pro/E模型、UG模型等。模型输入后，软件提供了多种修复工具，以生成既能得到准确结果，又能减少分析时间的网格。2、塑料材料与注塑机数据库 材料数据库包含了超过4000种塑料材料的详细数据，注塑机数据库包含了290种商用注塑机的运行参数，而且这两个数据库对用户是完全开放的。3、流动分析 分析塑料在模具中的流动，并且优化模腔的布局、材料的选择、填充和保压的工艺参数。4、冷却分
42、析 分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管道的布局和工作条件，与流动分析相结合，可以得到完美的动态注塑过程。5、翘曲分析 分析整个塑件的翘曲变形，包括线形、线形弯曲和非线形，同时指出产生翘曲的主要原因以及相应的改进措施。6、纤维填充取向分析 塑件纤维取向对采用纤维化塑料的塑件性能（如拉伸强度）有重要影响。MPI软件使用一系列集成的分析工具来优化和预测整个注塑过程的纤维取向，使其分布合理，从而有效地提高该类塑件的性能。7、优化注塑工艺参数 根据给定的模具、注塑机、塑件材料等参数以及流动分析结果自动产生控制注塑机的填充保压曲线，从而免除了在试模时对注塑机参数的反复调试。8、结构应力分析 分析塑件
43、在受外界载荷情况下的机械性能，在考虑注塑工艺的条件下，优化塑件的强度和刚度。9、确定合理的塑料收缩率 MPI通过流动分析结果确定合理的塑料收缩率，保证模腔的尺寸在允许的公差范围内，从而减少塑件废品率，提高产品质量。10、气体辅助成型分析 模拟气体辅助注射成型过程，对整个成型过程进行优化。11、特殊注塑成型过程分析 MPI可以模拟共注射、反应注射、微芯片封装等特殊的注射成型过程，并对其进行优化。3.2 MoldFlow软件在气体辅助成型中的应用MPI/Gas简介：与普通注射成型相比，气体辅助注射成型的工艺难度大，要求严格。由于气体的注入，使得塑料熔体在模腔中的成型行为发生显著变化，气体注入对塑料
44、熔体的填充形式、模具冷却、制品的收缩和翘曲及最终的使用性能产生很大影响。 MPI/Gas能够充分考虑注入气体对制品的填充、保压、冷却、翘曲、应力的影响。气体辅助注射成型技术中，选择合适的气体注入位置、延迟时间及压力是保证制品质量的关键因素。MPI/Gas能够对制品和浇注系统中设置单个或多个气体注入位置的情况进行分析，当通过多个位置注入气体时，可以设定相同或不同的延迟时间。对于气体注入的控制方法，MPI/Gas提供了压力控制和体积控制两种方法供用户选择。 MPI/Gas通过对气辅成型过程进行模拟计算，能够确定合适的注射量以避免吹穿，同时，确定避免短射、熔体前沿粘滞所需气体压力。考虑气体注入前的延
45、迟时间以便使薄壁凝固，确定合适的气道尺寸，以优化填充工艺和气体注入工艺，并确定最佳的气道布局及控制气室长度。可以确定气体注入不良时的气室长度或其他与气体注入有关的质量问题。在此基础上，进一步确定气体穿透后制品最终的壁厚及制品最终的重量。 目前，气辅成型采用中性面模型进行分析，气辅成型的分析方法与普通注射成型的分析方法基本相同，本文不再赘述。与普通注射成型分析不同的是，在进行分析前，需要设定气体注入位置、延迟时间和气体压力。此外，由于制品的最终形状与气体注入工艺条件有关，这将必然影响制品的冷却、翘曲及制品的使用性能，因此，在进行冷却、翘曲、应力等分析前，首先要进行填充和保压分析。 MPI/Gas
46、的作用 ： MPI/Gas除了提供普通注射成型分析所得到的分析结果（在本讲座其他文章中已有专门论述）外，还为用户提供以下一些气体辅助注射成型所特有的结果。 (1) 气体的体积分数：在填充和保压过程中气体在模腔中的体积分数随时间的变化关系。 (2) 气体穿透时间： 注入气体到达制品各部位的时间，是优化气体注入工艺的主要依据。 (3) 制品中塑料层的厚度： 制品厚度方向上塑料占整个厚度的比例随时间的变化关系。由于采用了中性面模型，软件还提供了制品的中性面两侧塑料层的厚度随时间的变化关系。这些结果为确定制品的质量（如是否存在手指效应、是否存在吹穿等）以及制度合理的注射工艺（如注射位置、熔体预注射量等
47、）和气体注入工艺（如延迟时间、气体压力、注入位置等）提供依据。综上所述，MPI/Gas通过对气体辅助注射成型工艺的分析，帮助工艺人员制度合理的注射工艺和气体注入工艺，以及制品最终的质量。这对于优化工艺，降低制品成本，提高制品质量，具有重要的指导意义。3.3 分析前处理(气体辅助注射成型分析) 前处理的最终目标是创建如图所示的包括浇注、冷却系统在内，并且模型网格划分、修改完成的一模一腔整体模型。其具体过程如下：3.3.1 项目创建及模型的导入1. 在Pro/E里做好手柄模型，导出成stl格式。 图3.1 手柄的stl格式2. 在MPI中新建一个项目project-handle，然后双击导入import part项，选取要导入的stl文件（handle)。 图3.2 选择文件新建项目命令