实验名称： 注塑成型 CAE 分析实验

一、实验目的

1、掌握注塑成型工艺中各参数如塑件材料、成型压力、温度、注射速度、浇注系统等因素对其成型质量的影响大小。

2、了解塑件各种成型缺陷的形成机理，以及各工艺参数对各种缺陷形成的影响大小。

3、初步了解注塑成型分析软件Moldflow的各项功能及基本操作。

4、初步了解UG软件三维建模功能。

5、初步了解UG软件三维模具设计功能。

二、实验原理

1、Moldflow注塑成型分析软件的功能十分齐全，具有完整的分析模块，可以分析出注塑成型工艺中各个参数如塑件材料、成型压力、温度、注射速度、浇注系统等因素对成型质量的影响，还可以模拟出成型缺陷的形成，以及如何改进等等，还可以预测每次成型后的结果。

2、注射成型充填过程属于非牛顿体、非等温、非稳态的流动与传热过程，满足黏性流体力学和基本方程，但方程过于复杂所以引入了层流假设和未压缩流体假设等。最后通过公式的分析和计算，就可以得出结果。

三、实验器材

硬件：计算机、游标卡尺、注塑机、打印机

软件：UG软件、Moldflow软件                

四、实验方法与步聚

1、UG软件模型建立和模具设计（已省去）；

2、启动Moldflow软件；

3、新建一个分析项目；

4、输入分析模型文件；

5、网格划分和网格修改；

6、流道设计；

7、冷却水道布置；

8、成型工艺参数设置；

9、运行分析求解器；

10、制作分析报告

11、用试验模具在注塑机上进行工艺试验（已省去）；

12、分析模拟分析报告（省去与实验结果相比较这一步骤）；

13、得出结论

五、前置处理相关数据

1.网格处理情况

1）进行网格诊断，可以看到网格重叠和最大纵横比等问题；

2）网格诊断，并依次修改存在的网格问题；

3）修改完后，再次检查网格情况。

2.材料选择及材料相关参数 

在在方案任务视窗里双击第四项材料，弹出如图材料选择窗

可直接选常用材料，也可根据制造商、商业名称或全称搜索

3.工艺参数设置 

双击方案任务视窗里的“成型条件设置”，这里直接用默认值。

4.分析类型设置 

（1）最佳浇口位置分析

分析结果：

理论最佳浇口在深蓝色区，但实际选浇口位置还需根据模具结构设计等综合因素考虑。在方案任务视窗里双击第三项，弹出选择分析系列窗口，选择浇口分析，最后选择如图位置。

（2）最佳浇口位置处的充填分析及分析结果说明

分析目的：浇注系统的性能直接影响到制件的填充行为，因此进行填充分析的最后目的是为了获得最佳浇注系统设计；

点击菜单里的文件另存方案为，在对话框输入 “填充分析”。在方案任务视窗里双击第三项，选择分析系列为“充填”，双击方案任务视窗的第五项 “设定注射位置”点击注射点，在充填控制中，按默认选项“自动”进行填充分析

                                    

双击方案任务视窗里的“立即分析”，在弹出窗口中，选择运行完整的分析，然后按“确定”。

结果分析：如图所示填充时间图

充填结束时如图所示压力分布图

                           

（3）设计浇注系统和冷却系统，并进行冷却、翘曲分析

浇注系统设计：

浇注系统的设计，采用双浇道口。

冷却分析结果分析：

冷却主要分析结果是制件上表面温度和冷却剂温度

翘曲分析结果分析：

翘曲是由收缩变化过大引起的制件缺陷。原则上，导致收缩变化过大的原因有：收缩不均、冷却不均、取向不均。本例主要是由制件不同区域收缩不均和冷却不均引起，因此需改进冷却系统和制件结构。

5、实验思考题

（1）网格划分情况对分析结果有何影响？

答：网格重叠可能导致后面的结果无法分析；三角形单元的纵横比是指三角形的长高两个方向的极限尺寸之比，而单元的纵横比对计算结果的精确性有很大的影响；自由边是指一个三角形或3D单元的某一边没有与其他单元共用，一般是不允许存在自由边的；没有配向网格：统计没有定向的单元数，该值一定要为0，否则对分析结果有直接影响。

（2）试分析塑件各种缺陷的形成机理，解释说明各因素对塑件各缺陷的影响大小。

答：翘曲：塑件未按照设计的形状成形，却发生表面的扭曲；成形塑件的不均匀收缩越大，翘曲越明显。

熔接痕：塑件表面的一种线状痕迹，系由注射或挤出中若干股流料在模具中分流汇合，熔料在界面处未完全熔合，彼此不能熔接为一体，造成熔合印迹，影响塑件的外观质量及力学性能；塑料温度的越低，注射压力的越小，模具温度的越低熔接痕越明显。

气穴：原料含水或塑料受热时间长产生气体；注射压力越小，注射速度越快，气穴越多。

（3）流动分析、冷却分析以及翘曲分析对网格纵横比例有何要求？常用的纵横比例修改有哪些方法？

答：一般要求三角形的α=a/h≤6，对于要求不严格的时候，也可以在10-16之间。

常用方法：

合并节点：将多个起始点向同一个目标点合并。首先输入目标节点，然后输入起始点；

插入节点：在两个节点之间创建一个新的节点，可以结合合并节点使用；

全部合并：如果最大纵横比超标的单元太多，可用全部合并功能。

第二篇：实验报告一 材料成形技术

实验一 材料成形技术

材料成形制造工艺多利用模型使原材料形成零件或毛坯。材料成形加工过程中，原材料的形状、尺寸、组织状态，甚至结合状态都会改变。由于成形精度一般不高，材料成形制造工艺常用来制造毛坯。也可以用来制造形状复杂但精度要求不太高的零件。材料成形工艺的生产效率较高。常用的成形工艺有铸造、锻压、粉末冶金等。

1、 不同类型成型技术

a.铸造成型：

卡特挖机CAT：

1、铸造成型：其原理是铸造是将所需的金属熔化成液体，浇注到铸型中，待其冷却凝固后获得铸件（毛坯）的。因此，铸造也可以称为液态成形。铸造是毛坯或机器零件成形的重要方法之一。

2、铸造成形优缺点：

优点：(1)适应性广泛，铸件材质、大小、形状几乎不受限制；不宜塑性加工或焊接成形的材料，铸造成形尤具优势。(2)可形成形状复杂的零件；(3)生产成本较低。铸造用原材料来源广泛，价格低廉。铸件与最终零件的形状相似，尺寸相近，加工余量小。由于铸造具有如此突出的优点，所以才会经久不衰，且不断发展，直到现在仍然在制造业中得到广泛应用。

缺点：涉及生产工序较多，过程难以精确控制，废品率较高；铸件组织疏松，晶粒粗大，铸件某些力学性能较低；铸件表面粗糙，尺寸精度不高。工作环境较差，工人劳动强度大。

3、主要工艺特点：

铸造是生产零件毛坯的主要方法之一，尤其对于有些脆性金属或合金材料（各种铸铁件、有色合金铸件等）的零件毛坯，铸造几乎是唯一的加工方法。与其它加工方法相比，铸造工艺具有以下特点：

(1)铸件可以不受金属材料、尺寸大小和重量的限制。铸件材料可以是各种铸铁、铸钢、铝合金、铜合金、镁合金、钛合金、锌合金和各种特殊合金材料；铸件可以小至几克，大到数百吨；铸件壁厚可以从0.5毫米到1米左右；铸件长度可以从几毫米到十几米。

(2)铸造可以生产各种形状复杂的毛坯，特别适用于生产具有复杂内腔的零件毛坯，如各种箱体、缸体、叶片、叶轮等。

(3)铸件的形状和大小可以与零件很接近，既节约金属材料，又省切削加工工时。

(4)铸件一般使用的原材料来源广、铸件成本低。

(5)铸造工艺灵活，生产率高，既可以手工生产，也可以机械化生产。

视频中，亚米特驻扎和机具公司锁铸造的是797b卡车的关键部位——车架。首先先把金属废料填进电弧炉，之后把三个电极伸入炉中，电极中通有强大的电流，碰到金属后便产生2200℃的高温的电弧，金属加热后起泡溶解，半小时后即可浇注。然后把将近2000℃的金属液体倒入空浇桶，之后再引导空浇桶到零

件模，注入零件模中，浇注完成。经过36小时的冷却后，铸件就可脱模。

宝马BMW：

真空密封造型主要用于生产汽油机缸体、缸盖及铁路机车配件等。真空密封造型是一种全新的物理造型方法，其原理真空密封造型是利用真空吸力将加热呈塑性的塑料薄膜吸附在模型和模板上,向特制的砂箱内填入干砂,再用塑料薄膜将砂箱顶面密封,抽真空,借住砂型内外压力差,使型砂紧实,并具有一定硬度然后除去吸膜的真空起模后制成铸型。下芯、合型后即可浇注，待铸件全部凝固后，除去铸型中的真空铸型自行溃散而获得铸件的一种特种铸造方法因不使用粘结剂，无污染、干砂重复利用率高、劳动条件好、劳动强度低，是一种很有发展前途的先进铸造工艺，被当今国际称为最绿色环保的铸造技术。由于视频资料中并无详细说明，我只能根据内容判断得出铸造该曲轴箱采用的技术与此方法相类似，或是基于此方法的改进升级的技术。

真空密封造型又称V法，用于生产面积大、薄壁的铸件。

优点：(1)铸件尺寸精确，能浇出2~3mm的部分；(2)铸件缺陷少，废品率可控制到1.5%以下；(3)砂芯成本低，损耗少，回用率在95%以上(4)噪声小，粉尘少，工作环境好，劳动强度低。

缺点：对形状复杂的的铸件成型较为困难，工艺装备比较复杂，造型生产率比较低。

视频中将要运用成型技术成型的是Z4跑车的发动机曲轴箱。该曲轴箱在德国兰休特浇注成型。其过程为：先把700℃的液态铝灌进铸造机里保持温度，接着由工人把熔炉表面的杂质去除。接着在铸造机深处液态铝被射入模子中，等几分钟后铝冷却凝固后就完成的最初的嵌体，即曲轴箱的中心部分。

b.冲压成型

强鹿联合收割机 JohnDeer

冲压成型：压力加工是利用金属在外力的作用下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的生产方法。其中视频中采用的是冲压成型的方法来制造所需要的钣金部件。

1、原理：其原理是靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的工件（冲压件）的成形加工方法。冲压和锻造同属塑性加工（或称压力加工），合称锻压。冲压的坯料主要是热轧和冷轧的钢板和钢带。全世界的钢材中，有60～70％是板材，其中大部分经过冲压制成成品。汽车的车身、底盘、油箱、散热器片，锅炉的汽包，容器的壳体，电机、电器的铁芯硅钢片等都是冲压加工的。仪器仪表、家用电器、自行车、办公机械、生活器皿等产品中，也有大量冲压件。

2、优缺点

优点：(1)冲压加工的生产效率高，且操作方便，易于实现机械化与自动化。这是因为冲压是依靠冲模和冲压设备来完成加工，普通压力机的行程次数为每分

钟可达几十次，高速压力要每分钟可达数百次甚至千次以上，而且每次冲压行程就可能得到一个冲件。(2)冲压时由于模具保证了冲压件的尺寸与形状精度，且一般不破坏冲压件的表面质量,而模具的寿命一般较长,所以冲压的质量稳定,互换性好,具有“一模一样”的特征。(3)冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件，如小到钟表的秒表，大到汽车纵梁、覆盖件等，加上冲压时材料的冷变形硬化效应，冲压的强度和刚度均较高。(4)冲压一般没有切屑碎料生成，材料的消耗较少，且不需其它加热设备，因而是一种省料，节能的加工方法，冲压件的成本较低。

缺点：其缺点主要表现在冲压加工时产生的噪音和振动两种公害，而且操作者的安全事故时有发生。不过，这些问题并不完全是由于冲压加工工艺及模具本身带来的，而主要是由于传统的冲压设备及落后的手工操作造成的。随着科学技术的进步，特别是计算机技术的发展，随着机电一体化技术的进步，这些问题一定会尽快而完善的得到解决。

3、工艺特点：冲压件与铸件、锻件相比，具有薄、匀、轻、强的特点。冲压可制出其他方法难于制造的带有加强筋、肋、起伏或翻边的工件，以提高其刚性。由于采用精密模具，工件精度可达微米级，且重复精度高、规格一致，可以冲压出孔窝、凸台等。冷冲压件一般不再经切削加工，或仅需要少量的切削加工。热冲压件精度和表面状态低于冷冲压件，但仍优于铸件、锻件，切削加工量少。

冲压是高效的生产方法，采用复合模，尤其是多工位级进模，可在一台压力机（单工位或多工位的）上完成多道冲压工序，实现由带料开卷、矫平、冲裁到成形、精整的全自动生产。生产效率高，劳动条件好，生产成本低，一般每分钟可生产数百件。

c.液压成型

哈雷机车 Harley-Davidson

液压成型是指利用液体作为传力介质或模具使工件成型的一种塑性加工技术，也成为液力成形。板料和壳体液压成型的所需压力比较低，而管材液压成型使用的压力较高，又称内高压成型。

视频中应用到成型技术的是V-rod车型的关键零件——车架。该车架与以往的车型不同，以往的造型是车架隐藏在油箱底下，在中央形成长形支柱；而V-rod设计思路是让车架在外面包住引擎，创造出一种全新的造型，更有该车型的特色。但车架是弯折的，如果用焊接就不能显示出车架与整体的美感，因此车架的造型就要十分平顺，于是就用到了液压成型这种新技术。其步骤为先用C&C弯管机把钢管弯成预定形状，但在弯折处会出现凹痕，这不要紧，接着就要用到液压成型机床来造型。然后把弯管放进机床的预定位置处，把一边堵住，从另一边压入每平方厘米2500公斤的水压，水压在钢管内部的压力迫使弯管凹陷处扩张，形成平滑的表面，使其符合设计要求。

1、技术原理：管件液压成形技术，适用于不同厚不同形状的中空结构管件，顾名思义是先将管材置于具形状的模具中，藉由管件内部加入高压流体(目前主要以水为主)，搭配轴向施加压力补偿管料，把管料压入到模具腔体内成形。其成形所需之液压力一般约2000Bar，特殊状况下甚至高达4000Bar。适用材料和应用范围：具备优良的可延伸性为液压成形法的关键，原则上适用于冷间成形加

工的材料均适用于管件液压成形技术，目前主要以：碳钢、特殊钢、不锈钢、铝合金、铜合金等为主。

2、技术特点及优势：

工艺特点：液体作为传力介质具有实时可控性，通过液压闭环伺服系统和计算机控制系统可以精确控制压力，确保工艺在设定数值内，并且随时间可变可调，大大提高工艺柔性。

优点：(1)减轻重量节约材料；(2)减少零件和模具数量，降低模具费用。液压柔性成形件通常仅需要一套模具，而冲压件大多需要多套模具；(3)可减少后续机械加工和组装焊接量；(4)提高强度与刚度，尤其是疲劳强度；(5)降低生产成本。根据德国某公司对已应用零件统计分析，管材液压柔性件比冲压件平均降低15~20%，模具费用降低20~30%。；(6)成形零件的精度提高。成形零件的尺寸精度从原来的IT14提高到IT10。管材液压柔性成形适用于制造航空、航天和汽车领域的各种异形的空心构件，在汽车领域，德国处于世界研究的最前沿。德国于70年代末开始管材液压柔性成形基础研究，并于90年代初率先开始在工业生产中采用管材液压柔性成形技术制造汽车轻体构件；(7)创新性。克服传统制程限制，应用于新产品设计开发。

缺点：该技术较先进，所需设备技术含量较高，因此设备成本较高，若不是大批量的加工零件，不建议采用此种设备进行加工铸造。

2、 不同类型成型技术不同点