洗衣机外桶模具设计（CAE分析+MPI/Flow模块）

摘 要

　　洗衣机外桶的成型方式为注塑成型，为了达到承载内筒、固定电机、搭载水管的目的，所以外桶一般尺寸较大，且本体上存在许多复杂的承载结构，致使制造模具的成型、浇注、冷却系统比较复杂，传统的注塑模具设计主要为模具设计结构工程师使用自己的模具设计经验来初步设计模具，然后使用自己的模具设计经验对关键结构进行校核，直到试模的时候才能确定模具的设计是否合理，一套模具一般要经过多次试模、修模才能达到设计要求，与利用 CAE 分析软件进行模具设计的现代模式形成鲜明对比，基于 Moldflow 模具设计分析软件对外桶模具进行分析，达到优化模具结构的目的，本文主要研究内容为：

　　（1）阐述了课题提出的目的和意义，对模具设计的国内外发展动态进行了分析，对国内模具设计存在的不足进行剖析说明，总结出我国模具设计与国外发达国相比存在的不足，确定了论文的主要研究内容。

　　（2）利用牛顿广义相对论对熔融状态下的塑料的填充过程进行理论说明，利用连续性方程搭建出流体的物理模型，阐述 CAE 分析理论依据；浇注系统、顶出系统、冷却系统是模具的三大系统，设计过程比较复杂，通过对文献的整理，对三大系统的设计标准做出总结。

　　（3）为确定模具的最佳热流道浇注系统，根据流变学设计，对热流道尺寸进行设计计算，然后利用 Moldflow 分析软件，对外桶的浇口位置进行预分析，并通过 MPI/Flow 模块对塑件的填充时间、气穴、熔接线、锁模力及体积收缩率的分析得出浇注系统的最佳方案。

　　（4）为提高冷却效率，利用 MPI/Cool 分析模块对外桶冷却系统进行优化分析，将滑块上的冷却系统改为多层的立体布置，外桶底部的冷却水道重新排列，缩短水道流程，增加冷却水道，优化后冷却用时 21.45s，较优化前 35s，提高冷却效率 38.7%。

　　关键词：洗衣机外桶，设计标准，浇注系统，冷却效率

Abstract

　　The washing machine outer tub forming method is injection moulding, in order to achieve the purpose of bearing inner tub,fixed motor, so outer tub general size is bigger and there are many complex bearing structure on the body, causing manufacturing mould, casting, the cooling system is more complex, traditional injection mould design mainly for the designers to rely on their own experience in the early stage of the preliminary design, and then using the empirical formula to check of the key structure, until the time of the test to determine whether the design of the mould is reasonable, a set of mould generally try to after many die, die can meet the design requirements, and the use of CAE analysis software for mold design in contrast to the modern model, based on Moldflow mould design analysis software external tube mould is analyzed, To optimize the mould structure, the purpose of this article main research content is: (1) Expounds the subject put forward the purpose and significance of dynamic development of mold design at home and abroad was analyzed, and the analysis of the defects in the domestic mold design, summarized our country of the defects in the mold design compared with the developed countries abroad, determine the main researching contents of the thesis.

　　(2) Using Newton's theory of relativity filling process of molten state of the plastic theory, using the continuity equation of fluid physical model setup, CAE analysis theory; Gating system, ejector system, cooling system is the mold of the three systems, the design process is more complex, through to the literature, design standards to make a summary of the three systems.

　　(3) In order to determine the best hot runner mould gating system, according to the rheological design, design for the hot runner size is calculated, and then using the Mold Flow analysis software, the gate location of external barrel carries on the preliminary analysis, and through the MPI/Flow module to fill time, gas hole and weld line, clamping force and volume shrinkage ratio analysis of the gating system of the best solutions.

　　(4) To improve the efficiency of cooling tube using MPI/Cool analysis module optimization analysis of the cooling system, the cooling system on the sliding block instead of multilayer three-dimensional layout, outer barrel at the bottom of the cooling water channel rearranging, shorten the channel flow, increase the cooling water channel, the optimized cooling takes 21.45 s, compare with the optimized before 35 s, improve the cooling efficiency is 38.7%.

　　Keywords: Washing machine outer tub, Design criteria, Gating system, Cooling efficiency

　　与国外工业发达国家相比，我国在注塑模具工业上的仿真分析技术研究起步较晚，80年代后期才在注塑模具CAD系统和二维CAE方面逐渐有研究成果发表，直到 90 年代在国外先进注塑模具 CAE 技术的影响下，才开始在复杂三维成型领域展开研究。

　　之后在国内一些高校的带领下，逐渐在注塑模具 CAE 仿真分析系统领域展开研究，其中具有代表性的有华中理工大学自行研发注塑模具 CAD/CAE 一体化系统HSC-O，该系统可针对注塑件在注射过程中的常见故障进行诊断[15]；郑州大学模具研究所研发的 Z—MOLD 系统，可对模具温度场、应力场、熔接线及气泡位置进行比较准确的预测[16]；除此之外中国科技大学、浙江大学、东南大学也对注塑模 CAE 技术进行了长期的研究[17]。

　　近年来随着高等院校、科研机构的深入研究，尤其在引入国外先进 CAE 软件之后，我国在注塑模具 CAD/CAE/CAM 技术上得到了快速发展，模具企业对 CAE软件分析的精确性、人性化要求越来越高，更加促进了我国模具 CAE 软件的发展。

　　目前随着我国加工制造业的迅猛发展，数控机床、线切割、电火花加工等先进计算机辅助制造技术的普遍应用，模具的制造精度也随之提高，生产周期也大幅降低，模具 CAE 分析已由前期的学术型研究加速向商业化转变。

　　洗衣机外桶作为全自动洗衣机中外形较大、自身结构较多、自身强度要求较高的零件，其自身及生产模具的设计与优化对整个洗衣机的成本影响比较大，科学性的设计外桶及生产模具不仅能提升产品的竞争力，更能推动企业向更加节能、更加高效的方向发展，为更好地完成洗衣机外桶模具的优化与设计，本论文主要研究内容如下：

　　1、利用牛顿广义相对论对熔融状态下的塑料的填充过程进行理论说明，利用连续性方程搭建出流体的物理模型，阐述 CAE 分析理论依据；浇注系统、顶出系统、冷却系统是模具的三大系统，设计过程比较复杂，通过对文献的整理，对三大系统的设计标准进行总结。

　　2、为确定外桶模具浇口位置及数量，先对外桶结构、装配关系进行分析，再使用注塑模具的分析软件 Moldflow 对模具的浇口位置进行初步分析，最终确定最佳浇口位置和浇口的使用数量。

　　3、为提高冷却效率，利用 MPI/Cool 分析模块对外桶冷却系统进行优化分析，将滑块上的冷却系统改为多层的立体布置，外桶底部的冷却水道重新排列，缩短水道流程，增加冷却水道，优化后冷却用时 21.45s，较优化前 35s，提高冷却效率38.7%。

　　洗衣机外桶模具设计细节：

冷却水道的分布

冷却水路排列变换

合理布置

不合理布置

断面内温度分布图

型芯冷却水道布置

其他冷却回路

目 录

　　摘 要
　　Abstract
　　目录
　　第 1 章 引 言
　　　　1.1 课题来源及研究目的与意义
　　　　1.2 课题研究背景
　　　　1.3 模具设计研究现状
　　　　　　1.3.1 国内外模具研究现状分析
　　　　　　1.3.2 注塑 CAE 技术发展状况
　　　　1.4 主要研究内容
　　　　1.5 本章小结
　　第 2 章 CAE 分析理论基础及模具设计标准
　　　　2.1 注塑过程模流分析理论基础
　　　　　　2.1.1 注塑流动过程中的假设
　　　　　　2.1.2 流体数学物理模型
　　　　　　2.1.3 充填流动模拟的数值求解方法
　　　　　　2.1.4 几何离散
　　　　　　2.1.5 压力场的数值计算
　　　　　　2.1.6 温度场的数值计算
　　　　2.2 模具设计标准
　　　　　　2.2.1 浇注系统
　　　　　　2.2.2 顶出系统
　　　　　　2.2.3 冷却系统
　　　　2.3 本章小结
　　第 3 章 外桶模具的结构设计及优化
　　　　3.1 外桶综合分析
　　　　　　3.1.1 产品基本形状
　　　　　　3.1.2 产品装配关系
　　　　　　3.1.3 外桶产品设计过程存在的问题
　　　　3.2 浇注系统的流变学设计
　　　　　　3.2.1 流变学设计方法概述
　　　　　　3.2.2 浇注系统的设计原则
　　　　3.3 基于 MOLDFLOW的浇口位置预测分析
　　　　　　3.3.1 浇口位置的确定
　　　　　　3.3.2 制定浇口设计方案
　　　　　　3.3.3 工艺参数设置
　　　　3.4 基于 MPI/FLOW 模块的模流分析
　　　　　　3.4.1 充填时间
　　　　　　3.4.2 气穴
　　　　　　3.4.3 熔接线
　　　　　　3.4.4 锁模力
　　　　　　3.4.5 体积收缩率
　　　　3.5 基于 MPI/WARP 模块的翘曲变形分析
　　　　3.6 工艺参数优化调整
　　　　3.7 本章小结
　　第 4 章 外桶模具冷却系统的设计
　　　　4.1 注塑模具温度调节系统的必要性
　　　　4.2 冷却系统设计原则
　　　　4.3 冷却系统的传热学设计计算
　　　　　　4.3.1 冷却时间
　　　　　　4.3.2 冷却水道的直径
　　　　　　4.3.3 冷却介质在冷却水道内的流速
　　　　4.4 模具冷却回路的布置
　　　　　　4.4.1 型芯冷却回路的布置
　　　　　　4.4.2 其他冷却回路布置
　　　　4.5 基于 MPI/COOL 模块的冷却回路分析
　　　　　　4.5.1 MPI/Cool 分析模块的作用.
　　　　　　4.5.2 基于 MPI/Cool 模块的冷却分析模拟
　　　　4.6 外桶模具实验研究
　　　　4.7 本章小结
　　第 5 章 总结与展望
　　　　5.1 总结
　　　　5.2 展望
　　参考文献
　　致 谢
　　攻读硕士学位期间发表的学术论文