注射成型过程计算机模拟技术实验报告

实验报告
课程名称：注射成型过程计算机模拟技术姓名：
班级：
学号：
学院：机电工程学院
指导老师：
日期： 2018 年 5 月
实验一注射过程流动（Flow）分析实验
【实验目的】
●掌握MoldFlow软件的网格划分、网格诊断、网格修复等前处理操作技术；
●了解塑料材料在模具内流动中注射工艺参数对注射制品缺陷的影响，预测注射成型制品的缺陷，控
制塑料材料在模具中的流动方式，掌握保压工艺曲线的优化方法，改善成型制品的缺陷，提高一次试模的成功率。

【实验原理】
塑料在不同形状的模具流道和模具型腔中流动时，由于塑料本身特有的粘滞特性，塑料熔体内部具有粘滞力，管壁存在摩擦力，塑料熔体沿管道流动和在模具型腔中流动时会引起压力降和流速的变化，模具流道和模具型腔本身截面形状和尺寸的变化，也会引起流体压力、流速分布和流量的变化，将对塑料制品的性能产生重要的影响。

研究不同塑料材料的流动特性，涉及到流体力学、材料流变学、计算数学等知识，通过对塑料熔体在流动过程中建立相应的控制方程，根据对应的边界条件，对塑料熔体流动过程中的速度场、温度场以及剪切应力、剪切速率、体积流量、粘度等参数变化进行求解，从而预测注射成型制品的缺陷，改变注射工艺参数，改善成型制品的缺陷，提高一次试模的成功率。

Moldflow软件中MPI/Flow模块能够对注塑成型工艺过程提供全面的解决方案，主要体现在以下几个方面：
(1) 制品能否充满，特别是对于大型制品；
(2) 最佳的浇口位置与数量、类型；
(3) 流道系统的优化设计。

通过流动分析，帮助模具设计人员设计出压力平衡、温度平衡或者压力、
温度均平衡的流道系统，并最大程度地减少流道部分的体积；
(4) 通过对熔体温度、模具温度、注射时间等主要注塑加工参数对制品工艺性能提出一个目标趋势，
从而帮助注塑成型者确定各个加工参数的正确值并确定其可变化范围，得到更加稳定的成型工艺条件；
(5) 对于制品在预定的标称厚度的条件下，可以对两种以上塑料材料的成型性能进行比较，选择成
本、质量、可加工性较好的设计方案；
（6）通过填充过程的分析，进一步进行保压分析，根据保压分析的结果，检查制品出现的缺陷，包括熔接线长短、气穴大小与位置、是否短射、体积收缩的均匀性，优化出合适的保压工艺参数，改善成型制品的缺陷。

【实验内容】
1．建模
在SolidWorks2013中建模，通过STEP文件格式读入MPI，并选注射口位置，制件模型如图1所示。

图1
2．工艺条件
根据所选材料聚丙烯（PP）的工艺要求，工艺参数为：熔体温度265o C，型腔温度58o C，注射时间为1.5s。

如图2所示
图2
3．模拟结果
(1)填充过程
填充过程的模拟可得到填充时间、填充压力、熔体前沿的温度、熔体温度在制件厚度方向的分布、熔体的流动速度、分子趋向、剪切速率及剪切应力、气穴及熔接痕位置等，并直观地显示在计算机屏幕上，从而帮助工艺人员找到产生缺陷的原因，图3是填充过程模拟得到的部分结果。

(a) 填充过程中的压力分布(b) 填充过程中熔体前沿温度分布
(c) 填充过程中熔体温度分布(d) 顶出时的提及收缩率
图3 填充过程模拟得到的结果
4．注射口的优化：
（1）由单一的注射口改为2个注射口如图4所示：
图4
此时的两个注射口较为对称，再对图 4进行分析得出其压力分布图5，用图5与图3-a作比较发现压力明显分布更加均匀。

图5
但是如图6同时导致中间位置产生了更多的气孔，还是可能因为压力高，注射速度快。

图6
（2）由单一的注射口改为3个注射口如图7所示：
图7
再次对压力进行分析发现，压力分布更均匀，切压力更低，关键部位的气穴大幅度减少，试零件的寿命大大增加。

填充过程中的压力分布气穴分布
【结论】
在modflow中，改变在注射口的位置和数量可以直接影响产品的质量，所以合理的选择注射口的数量和位置是十分关键的。

而根据每个零件制定更合理的注射口，需要多次的模拟和大量的经验积累；另外注射时间，注射压力，保压条件都会直接影响最后的质量，所以在用modflow大量的模拟后，会得到更完善的工艺。

实验二塑料制品的翘曲分析实验
【实验目的】
●熟练掌握Moldflow软件的使用；
●使用Moldflow软件对模具制件发生翘曲的原因进行分析，采取改变工艺参数的方法，改善制件的翘
曲变形。

【实验原理】
翘曲变形是指注塑件的形状在制品脱模后偏离了模具型腔的形状，或稍后一段时间内产生旋转或扭曲现象，典型表现为制品平坦部分有起伏，直边朝里或朝外弯曲或扭曲，是塑件最常见的质量缺陷。

翘曲变形不仅影响产品装配和使用性能，而且影响产品外观质量，所以翘曲变形程度已成为评定产品质量的重要指标之一。

制品的翘曲变形根据制品是否失稳分为稳定翘曲和
非稳定翘曲变形两种形式，如图8所示。

1）稳定翘曲（图8a）：翘曲变形与收缩应变成正比。

2）非稳定翘曲（图8b）：翘曲变形是由于制品弯曲
而产生的。

在这种情况下，收缩应变表现为平面应变，
由于平面应变过大导致制品失稳而弯曲。

一般，这种翘
曲变形很大。

(a) 稳定翘曲(b) 非稳定翘曲
图8 翘曲种类在注塑过程中，翘曲是由于制品收缩率不均匀而产生的，收缩率不均匀表现在以下几方面：
1）制品不同部位的收缩率不一样；
2）沿制品厚度方向收缩率不同；
3）与分子取向平行和垂直方向的收缩率不同。

翘曲的发生主要与产品结构、模具设计以及成型工艺三方面因素有关，研究不同塑料材料的流动特性和冷却特性，涉及到流体力学、材料流变学、传热学等知识。

据结果分析，翘曲产生的原因可以归结为以下三点：
1）冷却不均匀；
2）收缩不均匀；
3）分子取向不一致。

在注塑过程中，每个注塑周期都包含有充填、保压、和冷却三个阶段，在充填和保压阶段中，塑料熔体经历了大的变形，同时有轻微的冷却，冷却时间的长短是决定模具生产率的重要参数，冷却不均匀很容易引起翘曲变形和制品内部的残余应力，根据传热原理确定最佳冷却时间，对冷却系统进行优化设计，对翘曲变形的减少具有重要意义。

热胀冷缩是材料的热力学特性，由于材料本身的性能和水分含量的变化，材料的熔化和着色剂混合不均匀；注射工艺条件的变化，如保压不一致，模温和熔化温度变化；另外，注塑机控制器的不稳定等因素都会造成收缩的不均匀，根据材料的流变特性和收缩特性，优化保压工艺参数，从而达到减少翘曲变形的目的。

分子取向会导致平行流动方向和垂直流动方向的收缩不一致，从而产生翘曲。

特别是对纤维增强的塑料制品，取向效应是导致制品翘曲的主要原因之一，通常，不含充填物的材料在平行于流动方向的收缩大于垂直于流动方向的收缩，而含充填物的材料收缩情况正好相反。

可以通过改变浇口位置及形状、更改制件的壁厚等措施来减少翘曲变形。

【实验步骤】
1 分析流程的确定
CFW在进行冷却分析时假设熔体的前沿温度不变，而FCFW在进行流动分析时假设模壁温度不变。

对于翘曲分析，假设熔体的前沿温度不变计算的结果更精确，所以，最好选择Cool - Flow – Warp分析
流程如图。

2 FUSION模型分析步骤
对于FUSION网格模型，MPI/W ARP还不能进行弯曲分析，选择Cool - Flow - Warp分析流程后，在设置工艺参数（菜单命令Analysis下的Process Settings命令）的第三步，选取Isolate cause of warpage 如图
选项，该选项的作用是判断产生翘曲变形的主要原因。

如果网格数量大于50000个，选取Use iterative solver选项，可显著减少计算时间，因为本次的单元数
为，所以没有必要。

有一FUSION模型如图1所示，采用四条冷却水道。

图1 FUSION模型
设计要求是：侧面的边变形小于0.5mm。

分析结果如图2所示。

图2 FUSION模型分析结果
首先该制品的变形能达到设计要求，其中对于变形部分比较大的地方是左右两边。

而产生翘曲变形的主要原因是收缩不均匀，因为收缩不均匀产生的翘曲变形达到了0.3875mm，而所有变形为0.3837，所以，对于这个制品，如果想进一步优化减少翘曲变形，首先应考虑优化冷却水道的布置。

改进后如下：
分析后得：
3 MIDPLANE模型分析步骤
对于Midplane网格模型，在工艺参数设置第三步，有四种翘曲分析模型可供选择，选择设计要求托盘底部四个角必须在同一平面，且底部向上翘曲小于0.5mm。

图11 MIDPLANE模型
分析步骤如下：
1）选择分析流程
2）设置工艺参数，在第三步，选择
如果对塑料制品的翘曲变形非常严格，进行翘曲分析时，采用MIDPLANE网格模型，分析结果更精确。

虽然此次变形程度小于0.5，所以再常识进行一次关于注射口的优化。

4 翘曲变形的改善
把注射位置改为如图所示两个：
其他参数不变，再次分析：
四个角的变形程度任然变化不大，且因为1·距离变形较大的角很近就有水管道，所以产生变形主要因为收缩不均匀，故提出解决方案如下：
1优化保压参数，把单一压力保压改为分段保压效果明显。

2尽量使制品壁厚均匀，适当增大此处壁厚，缩小圆角，这与前面改善分子取向不均匀的措施矛盾，所以需要具体情况具体分析。