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基于Moldflow的注塑模具设计方案优化研究
2013/10/10 13:31:50

 

基于Moldflow的注塑模具设计方案优化研究

Research on scenario optimization of Injection Mold design based on Moldflow

常州机电职业技术学院   张金标

ChangZhou Institute of Mechatronic Technology

 

摘要:

本文以模具设计对注塑产品生产成本及质量的影响为研究目标,Moldflow作为主要分析研究工具,采用正交试验法,建立了正交试验方案;确立了以型腔数、流道直径、浇口直径及流道布局为模具设计方案技术参数;通过模拟试验及结果解析,考察其在不同水平下对材料利用率、型腔压差比及单时出件数指标的影响,对其重要性进行了排序,应用综合加权评分法确定了设计方案技术参数的最佳组合,并进行了再模拟验证。

关键词:注塑模具设计 方案优化 Moldflow 正交试验法 CAE

Abstract

In this article, the impacting of mold design on injection molding products’ production cost and quality is as the study goal, Moldflow is as the primary analysis tool, Orthogonal test program is established using orthogonal test method; Cavity number, runner diameter, gate diameter and runner layout are as the technical parameters of mold design; Through simulation and results analysis, with technical parameters at different levels, studying the impacting on the material utilization factor, pressure ratio and product number produced per hour. Sorting these pionts based on their importance, setting down the optimum parameters’ combination of design scenario used intergrated weighted score method, and verifying them through re-simulation.

Keywords: Injection Mold design; scenario optimization; Moldflow; orthogonal test method; CAE;

1.引言

随着现代工业的飞速发展,塑料制品的用途日益广泛,依靠人工经验来设计模具已经不能满足需要,企业越来越多地利用注塑模流分析技术来辅助进行塑料模具的设计,指导注塑制品生产。

注塑CAE技术是多学科相互交叉的产物。注塑CAE分析是优化模具设计与产品成型工艺的最佳途径。其优点更体现在注塑产品的生产成本及质量控制中。在设计注塑模具时,可优化型腔及浇注系统的布置,确定流道、浇口的尺寸,利于选择合适的注塑机,保证塑件成型质量;在产品决策时,可根据分析结果合理确定注塑制品的成型周期,正确预测注塑制品的生产成本和产品价格,提高决策的可靠性;在制定注塑工艺时,可优化注射压力、注射时间、保压时间、模具温度等工艺参数,从而优化成型工艺,降低塑件成本。

Moldflow软件是一种注塑流动分析软件,几十年不断的技术改革和创新一直主导着CAE软件市场, Moldflow软件为优化塑件、模具设计和注塑生产工艺提供了一整套解决方案。

注塑模具是塑料成型加工的重要装备。利用现代的设计理论,并结合先进的计算机辅助技术进行注塑模的设计和优化,能够大幅度提高产品质量,缩短研发周期,降低生产成本,提升企业的核心竞争能力。

2试验方法及关键因素、指标

2.1正交试验法及正交实验设计要点

本项研究采用正交试验法。正交试验设计是试验设计中的一种方法,能做到在试验安排上尽可能地减少试验次数,并且在较少次数试验数据的基础上,分析出指导实践的正确结论 [1]它适用于多因素、多水平和具有随即误差的各种试验,它是解决多因素试验问题有效的统计方法。通过对正交试验结果分析,可以确定各因素及其交互作用对试验指标影响的主次关系,从而找出试验因素、水平的最佳组合方案。在进行正交试验设计时,采用正交表,常用的正交表有:L8(27)L12(211)L934)、L1645)等。对试验结果进行分析的方法有直观分析方法和方差分析法两种。直观分析法又称极差法。极差的大小反映了试验中各因素影响的大小,极差大表明该因素的影响大,是主要因素,相反,则是次要因素。直观分析法实用性强、应用广泛。

在进行实验方案的设计时,要针对要解决的问题确定出相应的实验因素和实验目标。实验因素的选择要尽可能的多,可以从实验结果中筛选出对实验目标影响较大的实验因素,如果实验因素太少,会使实验太片面。而且容易产生不正确的实验结果。

在结果计算中要计算的内容有两个:①计算每一因素各个水平导致指标结果之和;②计算每一因素各个水平导致结果之和的极差。极差的大小说明相应因素作用的大小。极差大,说明该因素是活泼的,它的变化对结果影响很大。极差小,说明该因素是保守的,它的变化对结果的影响较小。

在注塑制品生产中,影响产品生产成本及质量的指标有多个,因此实验为多指标实验。在多指标实验中,各指标之间存在一定的制约关系,应兼顾各个指标,找出使每个指标都尽可能好的生产条件。多指标综合平衡分析对各指标实验结果计算每一因素各个水平导致结果之和、各个水平导致结果之和的极差,分别找出各个指标最优或较优的生产条件,然后将这些生产条件综合平衡,找出基本能兼顾每个指标的优化的工艺条件[2]

2.2 确定注塑模具设计方案关键因素及指标

注塑模具是一种复杂的工艺装备。在进行模具设计时,要考虑到设计方案对注塑制品生产的材料成本、质量系数及生产效率的影响,应满足企业产品技术与生产管理目标对模具设计的要求。本项研究确定模具设计方案的关键因素为型腔数、流道尺寸、浇口尺寸及流道布局[3]

如何考察关键因素对产品生产成本、质量及生产效率管理目标要求的影响?本项研究确定了以材料利用率、型腔压差比及单时出件数作为指标,考察其对管理目标的满足程度。其中材料利用率为单模制品体积与单模塑料总体积的比值;型腔压差比考察浇口凝固时各型腔浇口处压力值,取浇口处型腔最大压力值与型腔最小压力值比值;单时出件数考察模腔数及注射循环周期,一个注射循环周期为注射时间、冷却时间及开合模时间之和,冷却时间确定为制品100%凝固、流道50%凝固时需要的冷却时间,开合模时间含开模、取件及合模的时间[4]

3.模具设计方案模拟优化

3.1 试验模型及正交试验方案设计

1)试验模型

试验模型选择为20mm*20mm*2mm长方体塑件,材料为ABS(PA-756 ,Chi Mei Corporation)。该塑料是综合性能优良的工程塑料,应用广泛,具有良好的物化性能,制品尺寸稳定性好,表面光泽,可以抛光和电镀;该塑料成型性较好,具有较好的流动性,成型收缩率小,比热容较低,在模具中凝固也较快,模塑周期短。

2)确定正交试验方案

根据技术要求,确定正交表试验表,选用L934)正交表。

因素确定为型腔数、流道尺寸、浇口尺寸及流道布局,对该系列因素采用三水平,具体设定如表1所示。

1 L934)正交表因素及水平设定

     因素

水平

A-型腔数

B- 流道直径

C-浇口直径

D-流道布局

1(低水平)

16

8.0mm

1.0mm

非平衡流道

2(中水平)

32

5.6mm

0.7mm

亚平衡流道

3(高水平)

64

4.0mm

0.5mm

平衡流道

 

各正交试验方案示意图如图1所示。图中试验1到试验6、试验9中型腔出现次数为4,试验7、试验8中型腔出现次数为8

 

试验11111

试验21222

试验31333

试验42123

试验52231

试验62312

试验73132

试验83213

试验93321

1 各正交试验方案示意图

 

 

3.2 模拟及数据分析

应用moldflow软件,分别创建方案任务,进行9个试验号的分析模拟,观察各任务的分析结果,如图2所示为试验5冷却时间分析结果。

2  试验5冷却时间分析结果

 

将观察结果进行统计分析及计算,见表2、表3、表4、表5所示[5]

2  L934)正交表试验表

列号

A-型腔数

(个)

B- 流道直径

mm

C-浇口直径

mm

D-流道布局

Y-综合加权评分

试验号

1

16

8.0

1.0

非平衡流道

24.8

2

16

5.6

0.7

亚平衡流道

40.9

3

16

4.0


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