汽车膨胀水箱模具CAD/CAE技术设计

摘要

　　模具是工业生产的主要工艺装备，是国民经济的基础工业。随着工业的发展，对模具的成型质量要求越来越高，传统凭经验，反复试模、修模的模具设计方法满足不了当前模具设计的要求。采用 CAD/CAE 技术，能高效地完成模具的结构设计，通过模流分析软件的模拟分析，可预测模具潜在的缺陷，重新设计模具结构，优化工艺参数，减少试模次数，提高生产效率。

　　针对汽车膨胀水箱在实际生产中模具结构设计的不合理，及制品成型后出现的翘曲变形等缺陷问题，本文结合注塑模具设计理论，对制品模具结构重新进行了系统性设计与计算，利用 CAE 技术对注塑成型过程进行模拟分析，对模具结构进行了优化设计，得到了合理的结构，并解决了制品中的存在的缺陷问题。最后运用 CAD（计算机辅助设计）技术完成了模具总体的建模。本文所做的主要工作如下：

　　1、通过查阅大量相关文献资料，介绍了本次设计的研究背景和模具 CAE 技术发展现状及未来发展趋势。

　　2、通过经验和理论公式计算，按照模具设计流程和原则，对模具的主要结构完成了初步设计，确定了模架大小、流道直径大小、冷却水路大小，为下一步CAE 模流分析和 UG 建模做好准备。

　　3、介绍了 Moldflow 注塑成型过程相关的基础理论，通过 Moldflow 最佳浇口位置分析，确定了浇口在制品的最佳进料位置，为下一步流道系统优化做准备。

　　4、利用 Moldflow 填充分析模块，对初步设计的浇注系统进行模拟分析，根据分析结果对流道尺寸进行了重新设计，得到了平衡的流道系统。

　　5、利用 Moldflow 冷却分析模块，对初步设计的冷却系统进行模拟分析，根据分析结果，重新设计了冷却系统，使制品达到了 均匀冷却。并通过优化冷却时间，缩短了成型周期，提高了生产效率。

　　6、利用 Moldflow 翘曲分析模块，对制品成型后的翘曲变形进行模拟分析，找到了引起翘曲变形的主要原因，通过调整工艺参数，减少了制品的翘曲变形量。

　　7、利用UG的几何造型功能，按照模具CAD设计流程，灵活运用软件建模命令，完成了模具整体结构设计。

　　关键词：Moldflow；CAD/CAE 技术；优化设计；模具设计

Abstract

　　Mold is the main technological equipment of industrial production and also the basic industry of the national economy. Industrial development demands higher quality of the mold forming. The traditional mold design ways based on experience,repeated mold testing, mold repair cannot meet the current requirements of current mold design. CAD/CAE technology can efficiently complete mold design. Simulation analysis of mold flow analysis software can predict potential pitfalls of mold, re-design the mold structure, optimize the process parameters, reduce the tryout times and improve production efficiency.

　　As for the unreasonable mold structure design of expansion tank for the car in the actual production and the after molding defects such as warpage problem, this paper shows systematic design and calculation to products mold structure along with injection mold design theory, uses CAE technology for simulation analysis of injection molding process, optimizes the design of mold structure, obtains a reasonable structure and solves defects in products. Finally, the overall mold modeling is completed by CAD (computer aided design) technology. The main work of this paper is as follows,1.Through access to a large number of relevant literature materials, this paper describes the research background of this design and also the development status and future trends of mold CAE technology.

　　2.Through experience and theoretical formula, this paper completes the preliminary design to the main structure of the mold according to mold design process and principles, determines the size of the mold, flow channel diameter, the size of the cooling water and prepares for the next CAE mold flow analysis and UG modeling.

　　3.This paper introduces relevant basic theory of Moldflow injection molding process, determines the best feed entrance point of sprue in products by Moldflow best feed entrance point analysis and prepares for the next runner system optimization.

　　4.Make simulation analysis to the preliminary designed gating system by Moldflow fill analysis module. Based on the analysis results, re-design the size of runner and get the balanced runner system.

　　5.Make simulation analysis to the preliminary designed cooling module by Moldflow cooling analysis module. Based on the analysis results, re-design the cooling system and make products achieve uniform cooling. By optimizing the cooling time, shorten the molding cycle and improve production efficiency.

　　6.Make simulation analysis to warpage after products molding by Moldflow warpage analysis module and find the main cause of warpage. By adjusting the process parameters, reduce the warpage deformation value of products.

　　7.By geometric modeling function of UG and mold CAD design process, apply software modeling command flexibly and complete the overall structure design of the mold.

　　Key words: Moldflow; CAD/CAE Technology; Optimization Design; Mold Design

　　模具是现代工业生产的主要工艺装备，是国民经济中的重要基础工业[1]。尤其是塑料模具，从小到钟表、玩具，大到汽车、飞机等行业中都有广泛的应用。

　　目前，我国有2万多家塑料模具生产企业，年产值超过600亿元，塑料模具占整个模具行业比重的40%。随着工业的发展，工业产品的形状结构越来越复杂，精度和质量要求也越来越高，对模具提出了更高的要求。模具企业在激烈竞争的环境下，怎样利用有限的人力资源以最低的生产成本和最短的生产时间，来提供高质量的模具，是一个急需要解决的问题。对传统的模具设计来说，以经验加上简单的公式计算反复试模和修模进行模具设计的方式，已经跟不上产品对于模具的高质量、高精密、大型复杂化的设计要求。而一套注塑模具结构、工艺参数的合理性对于塑料制品质量、生产成本和模具寿命都会产生极大地影响。特别是大型、精密注塑模具的造价都比较高，如果设计制造不合理造成反复试模和修模，势必增加模具成本和延长产品的生产周期，会带来很大的经济损失。随着科学技术的发展，计算机辅助CAD、CAE技术的不断应用，特别是CAE技术的应用，改变了传统模具设计的理论和方法，是解决前面问题最有效的途径。

　　注射成型 CAE 技术是以塑料加工过程中的热传导原理和流变学为理论基础[2]。通过数学或物理方法建立模腔中熔体的导热和流动模型，并以数学算法作为求解办法，在计算机上对成型过程中的熔体冷却和填充过程进行模拟，从而获得成型进程中的速度、压力和温度等相应参数。它可以利用在计算机上模拟设计方案，对可能出现的问题进行预测，这样就可以省去实际试模的步骤。CAE 技术已经得到广泛应用，并取代了以往通过注塑机进行试模和修模的方法，在模具设计过程中，它可以帮助设计人员合理地修改设计，降低修模和试模的频率，减少试验过程中报废模具的数量，能够有效缩短设计周期、降低制造成本和提升产品的品质。

　　通过注射成型 CAE 技术对塑料熔体流动进行模拟，可得到型腔中熔体的温度场、压力场、速度场、应力应变场，继而可以确定熔体的流动前沿位置、熔接线位置、缩孔位置，为合理选择成型工艺参数和设计模具结构参数提供了科学依据。通过模具冷却模拟可以得到模具的温度场及热流量场，其分析结果可用来优化冷却系统，提高制品的质量和生产效率。

　　成型模具制造出来后需要进行一系列调试。调试的目的：一是检查成型模具的结构是否正确、各组成机构的动作次序是否合理，以及运动是否顺畅；二是检验成型模具是否匹配成型设备和成型方案设计中拟定的工艺参数、能否生产出合格的制品。前者属于模具的结构性调试，后者则为模具与制品生产相结合的综合性调试。模具的物理调试或塑件的物理试成型是一个费时、费事的反复选代过程，利用 CAE 技术可以辅助现场人员迅速地、有针对性地发现和定位综合调试中存在的技术问题，提出解决方案，缩短综合调试周期。

　　塑件在批量生产过程中，由于材料批改、环境条件、设备控制、人员操作等原因，可能会出现产品的质量波动。对此，可利用 CAE 系统，模拟成型质量波动的生产现场，找出造成质量波动的关键因素，有针对性地进行成型质量控制。

　　同时，还可利用 CAE 优化塑件的现场成型工艺，改善产品质量，提高生产效率，降低设备能耗等。

　　在上世纪七十年代，该领域的研究主要集中在工艺的计算模型上，如挤出、注射等，不少企业和科研机构都曾在此方面展开研究，并取得一些成果，但却没能有效地促进加工技术的提升，这一情况直到 1978 年 Moldflow 的诞生才得到改变[3，4]。Moldflow 是首款能够对注塑成型填充阶段进行模拟的软件，继而到了八十年代，随着以 C-MOLD 软件为代表的能够模拟注塑成型过程的软件相继问世，计算机预测开始在模具设计中广泛应用。

　　在八十年代，一些欧美的科研机构通过研究注塑设备的结构和性能，以及聚合物熔体所通过的浇口套、管路，开发出了一系列能够对聚合物流动进行分析的有限元软件，如 POLYFLOW、FIDAP、POLYCAD 和 NEKTON 等。

　　到了九十年代，科研人员的关注的焦点问题开始转向残余应力、3D 复杂模拟、固化现象以及注塑材料的黏弹性等方面。同时，如何在不同的工艺参数要求下选择合适的算法，以实现注射成型，也被该领域的科研人员所广泛关注和研究，研究主要涉及气体辅助、薄膜吹塑、热成型、双螺杆挤出和反应等注射成型领域。

　　我国开始对 CAE 注塑模方面进行研究的时间晚于国外，但由于善于借鉴国外成熟的技术和开发经验，发展也比较快，并有相应的产品问世，比较有代表性的是华中科大研发的 HSCAE 3DRF 注射模 CAE 系统，其性能参数已经可以媲美国际上的同类产品。郑州大学橡塑模具国家研究中心开发的具有自主知识产权的注射成型系统 Z-Mold 和 Part Molding，它能预测熔接痕、排气孔的位置、锁模力的大小及预测速度、压力、温度、应力的大小和变化规律，优化工艺参数。中国台湾的清华大学和台湾科盛技术公司合作研发的Moldex3D注塑模CAE软件，能够解决客户的产品开发障碍，协助排除设计问题，优化设计方案，缩短开发时间。其他的还有像浙江大学、上海交大、大连理工大学、郑州大学、北京化工大学、四川大学和合肥工大等大学也已经展开了在 CAD/CAE/CAM 注射模系统领域的研究。

汽车膨胀水箱模具CAD/CAE技术设计：

型腔排位

分型面

模具型芯

模具型腔

模架选择界面

模架

水路

后模俯视图

前模仰视图

模具的主视图

目 录

　　摘要
　　Abstract
　　第一章 绪论
　　　　1.1 课题背景
　　　　1.2 注塑模 CAE 技术国内外发展现状
　　　　1.3 注塑模 CAE 技术发展趋势
　　　　1.4 本文主要研究内容
　　第二章 膨胀水箱模具设计
　　　　2.1 膨胀水箱的工艺性分析
　　　　2.2 注塑模具基本结构
　　　　2.3 模具设计流程
　　　　2.4 分型面的确定
　　　　2.5 制品排位及模仁大小的确定
　　　　　　2.5.1 制品排位的一般原则
　　　　　　2.5.2 模仁大小确定
　　　　2.6 成型部件设计
　　　　　　2.6.1 成型零件工作尺寸计算
　　　　2.7 注塑机的选择
　　　　2.8 侧抽芯机构设计
　　　　2.9 浇注系统设计
　　　　　　2.9.1 主流道设计
　　　　　　2.9.2 分流道截面形状和尺寸的设计
　　　　　　2.9.3 浇口的设计
　　　　　　2.9.4 冷料井设计
　　　　2.10 冷却系统设计
　　　　　　2.10.1 冷却系统的初步计算
　　　　　　2.10.2 冷却水路结构形式的设计
　　　　2.11 推出机构设计
　　　　　　2.11.1 推出机构的分类
　　　　　　2.11.2 推出机构设计原则
　　　　　　2.11.3 推块机构设计
　　　　　　2.11.4 推块机构计算
　　　　2.12 模架设计
　　　　　　2.12.1 型腔侧壁和底板厚度的校核
　　　　2.13 注塑机的校核
　　　　2.14 本章小结
　　第三章 膨胀水箱注塑模的 CAE 分析
　　　　3.1 Moldflow 软件简介
　　　　3.2 注塑成型模拟分析理论基础
　　　　　　3.2.1 充填流动过程基本理论
　　　　　　3.2.2 保压过程基本理论
　　　　　　3.2.3 冷却过程基本理论
　　　　　　3.2.4 制品应力应变及翘曲分析基本理论
　　　　3.3 Moldflow 分析流程
　　　　3.4 Moldflow CAE 分析前处理
　　　　　　3.4.1 模型的转换和导入
　　　　　　3.4.2 网格的划分和修复
　　　　3.5 最佳浇口位置分析
　　　　3.6 流道平衡分析
　　　　3.7 填充分析
　　　　　　3.7.1 气穴分析
　　　　　　3.7.2 熔接痕分析
　　　　　　3.7.3 锁模力分析
　　　　3.8 冷却分析
　　　　　　3.8.1 冷却系统初始方案分析
　　　　　　3.8.2 冷却系统优化方案分析
　　　　3.9 翘曲变形分析优化
　　　　　　3.9.1 翘曲变形原因
　　　　　　3.9.2 翘曲变形初始方案分析
　　　　　　3.9.3 翘曲变形优化方案分析
　　　　3.10 本章小结
　　第四章 基于 UG NX6.0 的膨胀水箱注塑模具建模
　　　　4.1 注塑模具结构 CAD 设计的主要内容
　　　　4.2 膨胀水箱注塑模具 UG 建模
　　　　4.3 本章小结
　　第五章 结论与展望
　　　　5.1 结论
　　　　5.2 展望
　　参考文献
　　发表论文和参加科研情况说明
　　致谢

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