大学本科毕业设计：基于UG和Moldflow的电子产品面板注塑模具设计——文献综述

文献综述

我们都知道塑料的主要成分是合成树脂。树脂这一名词最初是由动植物分泌出的脂质而得名，如松香、虫胶等，目前树脂是指尚未和各种添加剂混合的高聚物。树脂约占塑料总重量的40%～100%。塑料的基本性能主要决定于树脂的本性，但添加剂也起着重要作用。有些塑料基本上是由合成树脂所组成，不含或少含添加剂，如有机玻璃、聚苯乙烯等。所谓塑料，其实它是合成树脂中的一种，形状跟天然树脂中的松树脂相似，但因又经过化学的力量来合成，而被称之为塑料。

塑料主要有以下特性：1.大多数塑料质轻，化学性稳定,不会锈蚀；2.耐冲击性好；3.具有较好的透明性和耐磨耗性；4.绝缘性好，导热性低；5.一般成型性、着色性好，加工成本低；6.大部分塑料耐热性差，热膨胀率大，易燃烧；7.尺寸稳定性差，容易变形；8.多数塑料耐低温性差，低温下变脆；9.容易老化；10.某些塑料易溶于溶剂。而塑料与其它材料比较有如下的特性：1.耐化学侵蚀；2.具光泽，部份透明或半透明；3.大部分为良好绝缘体；4.重量轻且坚固；5.加工容易可大量生产，价格便宜；6.用途广泛、效用多、容易着色、部分耐高温。塑料的优点：1.大部分塑料的抗腐蚀能力强，不与酸、碱反应；2.塑料制造成本低；3.耐用、防水、质轻；4.容易被塑制成不同形状；5.是良好的绝缘体；6.塑料可以用于制备燃料油和燃料气，这样可以降低原油消耗。鉴于塑料的这么多特点和优点，所以塑料广泛用于工业、生产生活的各个方面比如电子厂牌行业，汽车制造业以及农业的各个方面。如今，在我们身边能随处可见塑料制品，塑料在我们工农业和生活中有着广泛的应用，所以研究塑料注塑模具是非常有价值的。

塑料成型的一个重要成型技术是注塑成型。注塑又称注射成型。注塑是使用注塑机（或称注射机）将热塑性塑料熔体在高压下注入到模具内经冷却、固化获得产品的方法。注塑也能用于热固性塑料及泡沫塑料的成型。注塑的优点是生产速度快、效率高，操作可自动化，能成型形状复杂的零件，特别适合大量生产。

注塑成型离不开模具的设计，可以说模具设计质量的好坏直接关系到产品质量的好坏。所以模具在注塑成型中占有极其重要的地位。

模具是工业生产中使用极为广泛的基础工艺装备。在汽车、电机、仪表、电器、电子通信、家电和轻工业等行业中，60%～80%的零件都要依靠模具成形，并且随着近年来这些行业的迅速发展，对模具的要求越来越迫切，精度要求越来越高，结构要

求也越来越复杂。用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂性、高一致性、高生

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产效率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。模具生产技术的高低，已成为衡量一个国家产品的制造水平的重要标志【2】。

目前，国内外模具工业发展很快，其产值已超过机床产业的产值。我国模具工业作为一个独立的、新型的工业，正处于飞速发展阶段，已成为国民经济的基础工业之一，其发展的前景十分广阔。据预测，未来我国将成为世界的制造中心，这更加给模具工业带来前所未有的发展机遇和空间。但由于我国模具工业起步晚，底子薄，“九五”期间虽有较快发展，但与发达国家比，差距相当大，许多模具还需要进口，模具制造高级技能人才也供不应求。为进一步加快我国模具工业的发展，其基本任务之一就是加快人才的培养，普及先进的模具设计与制造技术，培养模具专业高级人才【2】。

在现代工业生产中，产品零件广泛采用冲压、锻压成形、压铸成形、挤压成型、塑料注塑或其它成形加工方法，与成形模具相配套，是坯料成形加工成符合产品要求的零件，如汽车覆盖件、发动机的轴、电视机外壳、洗衣机内筒的制造等，都离不开模具。许多工业品的发展和技术水平的提高，在很大程度上取决于模具工业的发展水平，国民经济的五大支柱产业——机械、电子、汽车、石化、建筑，都要求模具工业的发展与之相适应。因此，模具对国民经济和社会发展将起到越来越大的作用，模具工业的薄弱将严重影响工业产品造型的变化和新产品的开发【2】。

随着现代化工业和科学技术的发展，人们对工业产品的品种、数量、质量及款式的要求愈来愈高，模具的应用也就愈来愈广泛，其适应性也愈来愈强，已成为工业国家制造工艺水平的标志和独立的基础工业体系【2】。

我国对模具工业的发展十分重视，国务院于1989年就将模具技术的发展作为机械行业的首要任务，我国模具工业也取得了较大的发展，但仍然不能满足国民经济高速发展的需要【2】。

模具的类型较多，按照成形件的材料不同，可分为冲压模具、塑料模具、锻造模具、压铸模具、橡胶模具、粉末冶金模具、玻璃模具和陶瓷模具等，其中应用广泛的就是冲压模具和塑料模具【2】。

随着制造业的发展，模具于20世纪20～30年代，特别是美国于20世纪30年代制定了第一部模具零部件的标准后，进入产业化生产。模具产业化生产经历了作坊式和工业化生产两个阶段，直至20世纪80年代初计算机工业和数控机床的广泛应用，特别是模具标准化程度与水平的提高，模具生产开始进入现代化生产时代，各工业国家才形成现代模具工业体系。我国，随着现代制造业的发展，在学习工业国家建设模具工业基础上，经过20多年的努力与进步，于20世纪90年代，在制定、完善模具技术标准体系，并实行标准件专业化生产的条件下，创建了20余个集群式模具生产

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基地，从而形成了模具类别齐全、具有近两万个模具生产能力，以及与之相关的企业的模具工业体系。其中，有近20%的模具生产企业，已实现了现代化模具生产方式。但是，国内在模具制造方面仍需继续努力【4】。

制造业师体现综合国力的基础工业。模具是制造业的核心技术装备，是需要进行专门设计与制造的制造业中的技术型产品。因此，提高模具的标准化程度与水平，是改善模具制造精度与质量，提高模具生产能力和生产效率，实现数字化、信息化设计与制造的技术基础【4】。

计算机辅助设计（CAD）是企业应用计算机辅助技术的基础。UGS公司是全球领先的产品周期管理（PLM）软件和服务供应商，在全球拥有近46000家客户，全球装机量超过400万台/套。UG软件倡导的开发性与标准化，并也使用者密切协作，提供产品数据管理、工程协同和产品设计、分析与加工的完整解决方案，本毕业设计运用UG软件进行电子产品面板的三维造型，以及利用UG/MoldWizard模块对模具的三维造型和模具工程图纸的输出【10】。

模具设计已经由传统的靠经验设计到靠软件设计。Unigraphics NX是当今世界上最先进、最流行的工业设计软件之一。Unigraphics NX具有强大的建模工具、分析模块和其他相应的多种应用模块。UG/MoldWizard是Unigraphics系列软件中一个独立的应用各模块，也是运用于注塑模具自动设计的专业应用模块。它应用知识嵌入的基本理念，按照注塑模具设计过程的一般顺序来实现模具设计的整个过程。在此过程中只需根据一个产品的三维实体造型，建立一套与产品参数相关的三维实体模具即可。它不但能自动设计一般模具，还能结合运用Unigraphics软件的其它应用模块拓展其功能，设计出复杂程度较高的模具。全三维模具设计师当前模具设计的方向，当前广泛使用的UG/MoldWizard由于其功能强大、稳定性好，所以，在实际生产中越来越多地受到专业人士的青睐。UG/MoldWizard模块能让我们对模具设计的整个过程（产品装载、坐标系、收缩率、布局分型、模架、顶针、镶块、浇口、流道、冷却、电极、腔体、材料清单、模具二维图）有一个详细的了解，以及帮助我们进行模具的设计。运用UG可以进行制品的三维造型，从二维到三维，使设计更直观的了解制品的结构。

任何产品都是随着生产或生活的需要而产生的，Moldflow软件也不例外。随着塑料工业的快速发展，塑料制品的结构越来越复杂，伴随而来的问题是塑料件的设计及其成型生产难度越来越大。传统的塑件生产中，对设计人员和一线工人的经验要求较高，当然这也是有其原因的。如果经验不足，则可能产生较多的缺陷或废品。应该指出，传统经验在模具中仍占有一定的位置。但是，经验法的缺点也是很明显的，主要体现在劳动强度偏大，周期长，产品的质量稳定性不高。为了解决这些问题，人们从

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多方面进行探索。基本思想是希望拿到产品的图样或制品后，先对生产工艺和成型模具进行初设计，然后利用仿真手段对产品成型的各工序半成品以及最终成品的生产效果（包括可否成型、质量如何、缺陷产生的类型与可能发生的位置等）进行预测。模拟结果中，如果出现了这些问题，则及时调整工艺参数及模具的结构，重启仿真程序，重新考察模拟结果，直到得到满意答案为止。仿真是一种重要的科学研究方法，有人称它是人们认识世界和改造世界的第三种方法。尽管对这一论断仍有争议，但由于其具有便捷、低成本、高效等优势，故在理论分析和实验研究中占有重要的地位。仿真方法多种多样，其中，在有限元理论的基础上，编制仿真程序或者开发应用软件，对分析对象进行仿真，是一种便捷且行之有效的仿真方法。Moldflow就是一套针对塑件注射成型过程进行仿真分析的软件。它主要是以塑料件成型过程为对象，以塑料流动理论、有限元和数值模拟等理论为支撑，以计算机为运行载体的仿真软件。它一便携高效的方式对塑料成型过程进行模拟，模拟的结果可为生产实践提供参考。

我国的塑料行业发展迅速，在国民经济中占据十分重要的地位【7】。尤其是塑料成型加工模拟技术的快速发展，涌现出很多优秀的商品化CAE软件。塑料成型CAE软件可以以数值模拟方法，协助技术人员预测产品成型质量，使用模拟软件可以发现制品结构。模具和成型工艺等方面存在的问题，从而改进产品工艺和模具设计方案，有效地缩短生产周期，降低生产成本。在现有塑料成型加工模拟软件中，Moldflow和POLYFLOW是两款应用较为广泛的模拟软件【6】。

在注射成型过程中，塑料熔体在模具型腔内的流动、传热是非常复杂的物理过程。电子产品面板由许多复杂的自由曲面构成，这就使得电子产品面板注塑模具的注射成型过程更加复杂。按照传统的模具设计方法，只能凭借经验设计模具，制造出模具后还要进行试模，不合理的地方需反复进行调整。这一过程缺乏科学的理论指导，造成模具设计周期长、成本高而且质量还难以保证。

我们也知道塑料在注塑成型过程中会出现很多缺陷，短射（Short Shots）是指由于模具型腔填充不完全造成制品不完整的质量缺陷，即熔体在完成填充之前就已经凝结；气穴是指由于熔体前言汇聚而在塑件内部或者模腔表层形成的气泡；熔接痕和熔接线，在两个或多个流动前言融合时，会形成熔接痕和熔接线；滞流是指某个流动路径上的流动变缓甚至停止；飞边是指在分型面或者顶杆部位从模具型腔溢出的一薄层材料；跑道效应指在制件薄壁区域位充满之前熔体已经完成了对厚壁区域的充填；过保压（over-pack）是指当一个流程还在进行填充的时候，另一个流程已经开始压实过多填充的材料；色差是指由于成型材料颜色发生变化而出现的制件色彩缺陷；喷射但熔体以高注塑速率经过流动受限的区域如喷嘴、浇口，进入面积较大的后壁模腔时，

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会形成蛇形喷射流；不平衡流动指在其他流程还未填满之前，某些流程已经完全充满。当树脂材料注塑成型时，熔融的聚合物熔体被注入到模腔中，冷却固化成型【8】。

随着计算机仿真技术的发展，出现了一批注塑模具仿真分析软件，典型的有 MoldFlow软件，利用该软件可在模具制造之前，对模具设计方案进行分析和模拟来代替实际的试模，预测设计中潜在的缺陷并及时修改。通过仿真模拟分析，最大限度地预测并修正产品设计、模具设计及制品成型过程中可能出现的不足，取代传统的反复试模、修模等过程，从而能够降低产品制造成本，缩短产品开发周期，提高产品质量【11】。

Moldflow软件是美国Moldflow公司研发的用于注塑成型分析的软件，在注塑成型分析领域享有很好的声誉，并且在国内外拥有大量的用户。Moldflow公司的主要产品有MPA(Moldflow Plastics Advisers)、MPI(Moldflow Plastics Insight)、MMS(Moldflow Manufacturing Solutions)【6】。

由于Moldflow软件的优点：提供了最为优秀的CAE模型获取集成方案；拥有广泛、深入的模拟分析工具等，给我们注塑模具设计提供了很好的一个平台。Moldflow软件有很多模块，比如：MPI/Synergy是一个前置和后置处理器，支持MPI系列产品的所有分析模式；MPI/Midplane不仅大大缩短了对塑件产品进行造型的时间，而且可以自动产生网格化的实体中型面，使我们可以致力于深入的工艺分析；MPI/Fusion是处理CAD模型最方便的方法，在保证流动、保压、优化、冷却和翘曲等分析的基础上，能够减少处理模型时间；MPI/3D技术解决的是一类以前用传统的有限元方法无法解决的问题。即在厚的部件中，熔融的塑料向各个方向上流动的这类问题；流动分析模块MPI/Flow可以模拟注射的充模和保压阶段，以预测热塑性材料的流动性，以便高效地得到高质量的产品；冷却分析模块MPI/Cool通过分析冷却系统对流动过程的影响，达到优化冷却管路的布局和工作条件。Cool与Flow模块相组合，可以产生十分完美的动态注射过程分析结果；翘曲分析模块MPI/Warp可使我们了解在注射成型过程中制品收缩和翘曲的原因，并且能预测变形发生的区域；结构应力分析模块MPI/Stress用来分析塑件产品在受外界载荷情况下的机械性能，在考虑到注射工艺的条件下，能够优化塑料制品的强度和刚度；模腔尺寸确定模块MPI/Shrink可以通过对聚合物的收缩数据和对流动模拟结果的分析来确定模腔尺寸大小；注塑机参数优化MPI/Optim根据给定的模具、注塑机、注塑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，用于对注塑机参数的设置，从而免除了在试模时对注塑机参数的反复调试；气体辅助注塑分析模块MPI/Gas模拟目前市场上常见气体辅助注塑机的注塑过程，对整个气体辅助注塑成型过程进行优化；塑件纤维取向分析模块

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MPI/Fiber能预测纤维取向和塑料/纤维组合件的机械性能。理解和控制含纤维塑料中的纤维取向是重要的，这可以减小收缩变化，从而减小或消除制品的翘曲；热固性塑料的流动及融合分析反应注射成型模块MPI/Reactive Molding可以使我们模拟热固性树脂的流动和固化，并深入理解这些复杂的处理过程。这些优点给我们设计注塑模具时，对成型过程进行模拟分析，从而给我们的设计带来很大的方便。同时也给我们生产的企业带来很大的收益【9】。

虽然注塑成型工艺过程看似简单，但其涉及注塑成型条件、模具和制件集合形状、材料性能等多方面因素之间复杂的相互作用，这些因素的相互作用决定了制件的最终成型质量，很难得到成型质量最优的制件。因此，注塑成型工艺的计算机模拟越来越重要【8】。所以我的毕业设计选择这个课题做研究有很好的实际意义和相当大的价值，我相信这对我以后的工作和学习都有大的启发和帮助。

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参考文献

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