注塑成型与模具组织一体化研究

1绪论     1.1模具工业的地位 模具工业在国际上被称为“工业之母，是衡量一个国家工业化水平的重要标志。对国民经济发展起着非常重要的作用。模具是工业生产的基础工艺装备，模具工业是机械工业的重要组成部分。世界各国都非常重视模具工业，它制约或推进着工业的发展。模具工业是国民经济各部门发展的重要基础之一。模具广泛应用于汽车、电子、电器、仪器、仪表、航空航天、家电等工业产品的生产之中，利用模具来生产产品具有很多优点:一，可以提高生产效率，节约大量的原材料;二，可以改善材料内部的结构和缺陷，提高制件的力学性能;三，经过模具生产出来的产品无需进行切削加工或进行少量的切削加工，因此可以减少工序，提高材料利用率;四，利用模具生产的制件精度稳定，适合大批生产。用模具生产的制件所达到的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低耗能、低耗材是其他加工方法所无法比拟的。其产品价值往往是模具本身价值的几十倍乃至上百倍。这使模具工业在制造业中的地位越来越重要。     1.2我国塑料模具工业的发展状况 我国塑料模工业从起步到现在，经历了半个多世纪，已经有了很大的发展，模具水平也有了较大提高。我国经济的快速发展对模具工业提出了较高要求，同时也为其发展提供了巨大的动力。近10多年来，我国模具工业一直以每年15%左右的增长速度快速发展。据统计，目前我国约有模具生产厂家2万多家，从业人员有50多万人，全年模具产值达534亿元人民币。 近年来，随着科学技术的进步以及人们对塑件质量要求的提高，模具行业也加快了结构调整的步伐，塑料模塑成型技术正向着高精度、高效率、自动化、大型、微型、精密、复杂、长寿命的方向发展。具体表现在以下几个方面l5]:一、塑料成型理论研究不断深入;二、新的成型方法不断涌现;三、塑件更趋向精密化、微型化及大型化;四、开发出新型模具材料;五、模具表面强化热处理新技术应用;六、模具CAD/CAE/CAM技术不断发展;七、模具大量采用标准化。 中国经济的持续高速发展，为模具工业的发展提供了广阔的空间。同时我国的模具工业也面临着一些挑战。一、外资企业不断进入我国模具市场。近年来，一些外国的模具制造企业在中国纷纷投资建厂，他们拥有先进的生产设备、先进的生产技术和先进的管理经验。二、国内企业存在着诸多问题。目前，我国共有生产模具的厂家2万多家，其中一半以上的模具厂家生产的模具都是自己使用，很少有独立的模具生产厂家，并且绝大部分模具厂都是中小型企业近年来，我国模具行业加快了结构调整和体制改革，但设计和制造水平在总体上要比西方发达国家落后许多。面对这些问题，我国的模具行业在今后的发展过程中，要更加注意其自身产品结构的调整，逐步转变现有的生产模式。在发展低端模具的同时，还要发展高端模具。生产出的产品要紧紧地跟着人们的需求和市场的需求。没有人们的需求就没有市场，没有市场就没有企业的发展。所以，我们在借鉴国外模具行业的先进管理经验的同时，还要加强我们自己的产学研合作，推进模具行业技术攻关工作等。     1.3CAE技术的发展及应用 CAE是指计算机辅助工程(ComputerAidedEngineering)。CAE技术主要是以有限元分析技术为基础，综合了迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程管理学与现代计算技术而形成的一门综合性学科。CAE软件能够对特定产品进行性能分析、预测和结构优化，也可以对通用产品进行力学性能分析、模拟、预测、评价和优化，以实现产品的技术创新。人们使用CAE软件可以建立计算模型，并对设计方案进行计算机仿真分析，及早地发现设计过程中出现的缺陷并对设计方案进行修改，这样可以提高设计的质量、降低研究开发成本，缩短开发周期等。     1.3.1CAE技术的发展过程 CAE技术的种类很多，主要包括有限元法、边界元法、有限差分法等。每一种方法都有其应用的领域，其中有限元法应用的最广。有限元的基本思想最早起源于20世纪40年代，在1960年，“有限单元”这一术语被美国加州大学伯克利分校的R.wClong教授第一次正式使用，同时他还提出这种离散系统的分析方法，这种方法被当时很多著名的有限元大师所推崇。随后，有限元法迅速发展到各个领域。1963-1964年J.F.Besseling、R.J.melosh、R.E.Jone、R.H.oallaher、工H.H.Pian等人经过努力，证明了有限元法是基于变分原理的里兹(形tz)法的另一种形式，从而使得用里兹法分析的所有理论都适用于有限元法，确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。1960-1970年，人们致力于有限元程序的开发，1963年由Dr.形ehardMacNeal和Mr.RobertSehwendle[2]成立了Mse开发了第一个结构分析软件，随后具有多种用途的有限元软件开始使用，如NASTRAN、SAKA、ANSYS、sTARDYNE、MARc、sAP、sEsAM。这些程序在可用性、可靠性和计算效率上已经基本成熟，为以后开发商用有限元软件奠定了基础。     2注塑成型分析和结构分析理论     2.1注塑成型分析 注塑成型的充模过程一般属于非牛顿、非等温、非稳态的流动过程。一般采用Hele-shaw模型。根据流体力学、塑料加工流变学和传热学理论我们可以推导出塑料熔体在注塑成型充模阶段的控制方程: 当前，注塑成型分析软件很多，应用比较广泛的有MOLDFLOW、C-MOLD、POLYFLOW、M01dCAE等。本文工作是以郑州大学橡塑模具国家工程研究中心研发的注塑成型分析软件z-MOLD为平台开展的。Z-MOLD软件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、翘曲等)，指导模具在方案构思、设计制造中的行为，了解产品结构、模具设计和工艺参数对注塑成型过程的影响，帮助模具生产企业在模具制造前借助于计算机对制品、模具结构和加工等进行反复修改和优化，以获得最佳结果。     3 统一网格的生成 ...................29-39      3.1 统一网格生成的方法.................. 29-33      3.2 实例分析 ..................33-39          3.2.1 面窗型腔模具统一网格的生成.................. 33-35          3.2.2 面窗型芯模具统一网格的生成.................. 35-36          3.2.3 法兰模具统一表面网格的生成.................. 36-39  4 注塑成型和模具结构一体化研究 ..................39-67      4.1 塑件的注塑成型分析 ..................39-41          4.1.1 注塑成型分析的类型 ..................39-40          4.1.2 注塑成型工艺设置.................. 40          4.1.3 注塑成型分析结果..................40-41      4.2 数据的无缝输入.................. 41-43      4.3 热力耦合分析.................. 43-45          4.3.1 压力对模具型腔尺寸的影响.................. 43-44          4.3.2 温度对模具型腔尺寸的影响.................. 44-45      4.4 算例分析.................. 45-67          4.4.1 面窗型腔模具的热力耦合分.................. 45-58          4.4.2 面窗型芯模具的热力耦合分析 ..................58-64          4.4.3 法兰的刚度分析.................. 64-67     结论     本文通过CAE软件Z-MOLD和ANSYS对塑料熔体的注塑成型过程和模具结构进行了模拟，分析了注塑成型过程中模具型腔的压力和温度分布以及模具的变形情况。在研究过程中得到以下结论: 1.本论文利用ANSYS软件强大的网格划分功能和数据输出功能，成功的将ANSYS中的网格数据输入到Z-MOLD软件中，开发了成型分析的中面网格和表面网格与模具结构分析的三维网格的数据接口，实现了二维网格节点和三维网格节点的对接，解决了网格模型在不同CAE软件上的数据调用问题，为以后数据的无缝输入提供参考。 2.利用ANSYS的参数化语言实现了在不同节点施加不同的压力值和温度值。可以将注塑成型过程的真实压力和温度施加到模具型腔表面，使分析结果更加接近实际。 3.通过分析注塑成型过程中压力对模具型腔和型芯的影响。校核了型腔的刚度，为以后的模具设计提供参考。 4.开展了对面窗型腔和型芯的热力藕合分析，在特定成型工艺下，预测出模具在真实成型压力、温度作用下的型芯、型腔变形，为实际生产中模具刚度校核和尺寸的确定提供了指导。     参考文献 1温灿华.汽车工业与模具工业的发展〔J〕.模具工业，2005，(2):5-6 2王卫卫.材料成型设备〔M〕.北京:机械工业出版社，2006.1-3 3刘向阳，屈平.我国模具工业发展现状〔J〕.世界制造技术与装备市场，2004，(2):58-60 4中国模具工业每年150/0速度增长.中国塑料模具网，2009.10.24. 5叶久新，王群.塑料制品成型及模具设计〔J〕.长沙:湖南科技技术出版社，2004.1-3;84-86 6我国模具企业存在的诸多问题分析.中国市场研究网.2009.6 7夏玉海.模具产业的现状及发展趋势〔J〕.现代制造技术与装备。2007，(6):1-5 8中国模具材料及相关技术落后问题函待解决.中国质量新闻网.2009.8. 9中长雨，李海梅.塑料模具CAE技术概况及发展趋势〔J〕.工程塑料应用，2001，29(2):40-43 10练章华.现在CAE技术与应用教程石油工业出版社2004，2-5