塑盆注塑模具設計

以上為資料預覽概圖，下載文件后為壓縮包資料文件。【清晰，無水印，可編輯】dwg后綴為cad圖，doc后綴為word格式，需要請自助下載即可，有疑問可以咨詢QQ 197216396 或 11970985 注塑模具的設計和熱分析S.H. Tang , Y.M. Kong, S.M. Sapuan, R. Samin, S. SulaimanDepartment of Mechanical and Manufacturing Engineering, Universiti Putra Malaysia, 43400 Serdang, Selangor, Malaysia摘 要本文介紹塑料注塑模具在生產(chǎn)翹曲測試樣品和進行模具內(nèi)模具熱殘余應力的影響的熱分析方面的設計。對在注塑模具設計中所需的技術，理論，方法以及應該考慮的因素進行描述。使用商業(yè)計算機輔助版本為13.0 Unigraphics設計軟件進行模具設計。由于試樣的不均勻冷卻，用于進行殘余熱應力分析模型使用被稱為LUSAS分析師，版本為13.5的商用有限元分析軟件進行建立和解決。該軟件通過塑料注塑成型周期為模型提供溫度分布的曲線圖和溫度變化程度，這個注塑成型周期通過繪制時間響應曲線得到。結果表明，相比其他區(qū)域來說，收縮可能發(fā)生在冷卻通道的附近。這種模具在不同區(qū)域的不平衡冷卻效果歸咎于翹曲.2005愛思唯爾B.V.版權所有。關鍵詞：塑料注塑模具設計;熱分析1 前言塑料工業(yè)是世界上增長速度最快的行業(yè)之一，位居少量的十億美元的產(chǎn)業(yè)之中。在日常生活中幾乎每一個產(chǎn)品都涉及到塑料的使用，并且大多數(shù)這些產(chǎn)品可以通過塑料注塑成型方法1進行生產(chǎn)。注塑成型工藝以利用較低的成本2創(chuàng)造具有各種外觀和復雜的幾何形狀的產(chǎn)品而著稱。注塑成型過程是一個循環(huán)的過程。在這個過程中有四個重要的階段。這些階段是：加料，注射成型，冷卻和推出。塑料注塑成型過程開始于將樹脂和合適的添加劑從注射機的料斗送到注塑機的注射系統(tǒng)3中。這是加料階段，在這個階段熱聚合物熔體在注射溫度下充滿型腔。在聚合物充滿型腔之后，在注射成型階段，額外的聚合物熔體在較高壓力作用下注入型腔，以補償由于熔體凝固而可能引起的收縮。緊接著的是冷卻階段”在這階段，模具被冷卻直到塑件有足夠的剛性被推出。最后一步是“推出階段”在此階段模具被打開，塑料制件被推出，之后模具關閉重新開始下一個周期4。設計和制造具有理想特性的注塑成型塑料制件一個昂貴的過程，這主要靠經(jīng)驗包括反復修改實際的工具。在模具設計任務中，設計通常在核心部位加一個特定幾何形狀想凸起和凹坑的模具是非常復雜，為了設計一套模具，許多重要的設計因素必須考慮。這些因素是模具大小，模腔的數(shù)量，腔的布局，熱流道系統(tǒng)，澆注系統(tǒng)，補縮和推出系統(tǒng)6。在模具的熱分析中，其主要目的是分析熱殘余應力或模壓對產(chǎn)品尺寸的影響。熱誘導應力主要發(fā)生在注射的冷卻階段，主要是低的熱導率和熔融聚合物與模具之間的溫度差異所導致的。在冷卻過程中在產(chǎn)品內(nèi)存在不均勻的溫度場。在冷卻過程中，靠近冷卻管道的地方比遠離冷卻冷卻管道的地方的受的冷卻程大一些。 這種溫度的不同，使得材料存在不同的收縮而引起熱應力。顯著的熱應力可以導致翹曲問題。因此，在冷卻階段對注塑成型塑件的殘余熱應力進行模擬是很重要的8。通過了解熱殘余應力的分布特點，能對其引起的變形進行預測。在本文中塑料注塑模具在生產(chǎn)翹曲測試樣品和進行模具內(nèi)部模具的熱殘余應力 影響的分析的設計得以描述。 2 方法論2.1 翹曲測試樣本的設計本節(jié)說明翹曲測試樣的設計將用于注塑模具。很明顯翹曲是一些薄的殼形件中存在的主要問題。因此，產(chǎn)品發(fā)展的主要目的是設計出一種塑料制件以確定出薄的殼形的注塑成型塑件翹曲問題的有效因素。翹曲測試樣品來源于薄的殼形的塑料制品。樣本的外形尺寸長120毫米，寬50毫米和厚度為1毫米。 用于生產(chǎn)翹曲測試試樣材料是丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS），注射溫度，時間和壓力分別為210C，3秒和60兆帕。圖1顯示了翹曲測試試樣的生產(chǎn)。圖1 生產(chǎn)的翹曲測試樣品2.2 翹曲測試樣本塑料注塑模具設計本節(jié)介紹的設計方面和其他與設計生產(chǎn)翹曲測試樣品模具相關的因素。用于生產(chǎn)用于產(chǎn)生翹曲測試樣品的塑料注塑模具的材料是AISI 1050碳鋼。在設計模具 過程中四中設計方案被考慮包括：一，三板式（方案1）雙分型面一模一腔模具。由于成本高，不適用。二，雙板式（方案2）單分型面一模一腔無澆注系統(tǒng)模具，生產(chǎn)效率低，不適用。三，雙板式（方案3）單分型面一模二腔有澆注系統(tǒng)和推出機構，由于塑件過于薄，推桿可能會損壞產(chǎn)品。四，雙板式（方案4）單分型面一模二腔有澆注系統(tǒng)，利用澆口拉出器扮演推桿的角色避免在推出過程中產(chǎn)品受損。在設計得到翹曲測試樣品的模具中，第四種方案被應用，不用的設計因素在設計中已經(jīng)被采用。首先，模具的設計是基于注射機活動模板尺寸，所用的注射機是桿（BOY22D）。這種注射機有一個限制，那就是活動模板的最大面積通過兩根拉桿之間的距離決定，注射機的拉桿之間的距離是254毫米。因此，模具板最大寬度不能超過這個距離。此外，為保證模具的開啟和運轉(zhuǎn)，兩根拉桿與模具之間保留4毫米的距離，這使最終模具的最大寬度為250毫米。模具標準模架采用250毫米250毫米。模架通過壓板從模架或模板的右上角和左下角與注射機進行配合，其他與模板相關的尺寸如表1中所示。模具的設計要使得鎖模壓力產(chǎn)生的鎖模力高于內(nèi)部型腔的壓力（反壓力）以避免發(fā)生溢料?；谀＞邩藴始焯峁┑某叽?，型芯的寬度和高度分別為200和250毫米，這些尺寸使在型芯上設計兩腔時兩腔的位置能夠均衡的放置，這樣在凹模是空的時候模具有足夠的空間去容納塑料熔體注入腔內(nèi)用到的澆道襯套，因此，唯一的一個標準分型面設計在產(chǎn)品表面。表1 模具板尺寸(寬度高厚)頂部夾緊板25025025凹模20025040型芯20025040側板/支撐板3725070推桿固定板12025015推板板12025020底部夾緊板25025025在模具打開時，該產(chǎn)品和凝料在分型面被推出來。模具設有主澆口和側澆口。為了順利澆注，澆口的底部設計成傾斜角為20度，厚度為0.5毫米。并且為了塑料熔體能夠進入型腔，澆口設計成寬4mm,厚0.5mm。在模具設計中主流道,選用拋物線截面類型，這種截面優(yōu)點是在一套模具中可以使注射機簡化一半，在這種情況下，它就是型芯。然而這種類型的流道與圓截面的類型相比存在有更多的熱量損失和廢料的缺點。這可能會是塑料熔體凝固的更快。這個問題可以通過設計一個短和大的直徑的流道來緩解，流道的直徑是6mm。設計的流道要在同一時間，同一溫度和同等的壓力下將材料或者塑料熔體分流到凹模內(nèi)這一點是很重要的。由于這個原因，型腔布局設計成對稱形式。另一個應該被考慮的設計因素就是通風孔的設計，型芯和凹模的配合面是經(jīng)過非常的精細的加工以防止溢料的發(fā)生。然而這會導致當模具關閉時候空氣的進入并導致短射或有缺陷。為保證進入的空氣被釋放從而避免成型不完全，需要設計足夠的通風孔。冷卻系統(tǒng)沿著模腔開通，并且均衡的布置在模具中以確保均勻的冷卻。這些冷卻管道在凹模和型芯的兩側可設。它在湍流的情況下對模具進行充分的冷卻。圖2所示為通風孔和冷卻管道在型腔上的布局。圖2 通風孔和冷卻通道在型芯上的布局在模具設計中，推出機構僅僅有推桿固定板，推桿和推板組成。推桿位于型芯的中間位置，它不僅僅是作為一根推桿準確的固定塑料制品。同時在脫模階段，當模具打開時它也充當推出器將塑料制品推出模具。在型腔內(nèi)沒有使用和放置額外的推出裝置因為生產(chǎn)的產(chǎn)品非常的薄，即1mm。在型腔中加額外的推出裝置可能會使產(chǎn)品出現(xiàn)小孔并且在推出過程中損壞產(chǎn)品。最后，足夠的尺寸公差給予考慮以補償材料的收縮。圖3顯示了應用Unigraphics開發(fā)的模具的三維實體造型以及線框造型。 圖3 模具的三維造型和線框模型3 結果與討論3.1 產(chǎn)品的生產(chǎn)和修改結果在審核過程中，設計和制造的模具生產(chǎn)出來的翹曲測試樣品存在一些缺陷。這些缺陷只要是短射，溢料和翹曲。短射可以通過隨后在凹模的拐角處加工額外的通風孔以讓更多的進入里面的空氣溢出而得以消除。同時，溢料可以通過減小注射機的成型壓力而減少。翹曲可以通過控制各種參數(shù)比如注射時間，注射溫度和熔化溫度來控制。對這些進行修正之后，模具可以通過澆口以較低的價格， 較少的工序生產(chǎn)出高質(zhì)量的翹曲測試樣本。圖4為經(jīng)修改夠加工了額外的通風孔以消除短射的模具。圖4 額外的通風孔消除短射3.2 模具和產(chǎn)品的詳細分析模具和產(chǎn)品開發(fā)后，分析模具和產(chǎn)品開展了。在塑料注射成型過程中，熔融的ABS在210C通過凹模上澆道襯套被注入，直接進入型腔中，冷卻開始后，該產(chǎn)品就形成了。一個產(chǎn)品的周期大約需要35s包括20s的冷卻時間。用于生產(chǎn)生產(chǎn)翹曲測試試樣的材料是ABS，注射溫度，時間和壓力分別為210C，3秒和60兆帕。模具采用AISI 1050碳鋼作為材料。這些材料的性質(zhì)是非常重要的，它決定了模具中的溫度分布，可以利用溫度分布進行有限元分析。表2為ABS和AISI 1050碳鋼材料的性質(zhì)。表2 模具和產(chǎn)品的材料屬性屬性模具(碳鋼AISI 1050)產(chǎn)品（ABS聚合物）密度()7860 kg/m31050 kg/m3楊氏模量(E)208 Gpa2.519 Gpa泊松比()0.2970.4屈服強度(SY)365.4Mpa65 Mpa拉伸強度(SUTS)636Mpa636Mpa熱膨脹系數(shù)()6510-6K-111.6510-6K-1電導率(K)0.135 W/(m K)49.4 W/(m K)比熱(C)1250 J/(kg K)477 J/(kg K) 對模具最關鍵的分析部分是在凹模和型芯上，因為它們是產(chǎn)品成型的部位。因此熱分析來研究溫度的分布和在不同時間的溫度是使用商業(yè)的有限元分析軟件來完成，這款軟件叫做LUSAS Analyst版本為13.5.為了研究熱殘余應力對模具不同部位的影響，進行一次二維的熱分析。由于對稱性，熱分析通過凹模和型芯的垂直截面和側面的上半部分的這個模型來實現(xiàn)，凹模和型芯在注射階段就固定在一起了。圖5為無規(guī)律的配合分析的熱分析模型。圖5 熱分析模型該模型的建模還涉及分配屬性 ，工序或模型的周期。這需要有限元分析求解器來分析模具建模和繪出時間響應圖以便顯示在某一段時間不同區(qū)域的溫度變化。 針對產(chǎn)品分析利用版本為13.5LUSAS分析師進行一個二維的拉伸強度的分析?；旧鲜鰳悠诽幱谝欢耸芾硪欢斯潭ǖ臓顟B(tài)。增加載荷使模型達到塑性變形。圖6為受載荷作用的模型的分析。圖6 為分析產(chǎn)品所用的受載荷模型3.3 模具和產(chǎn)品分析的結果和討論 針對模具分析，對在不同時間間隔內(nèi)的熱分布進行了觀察。圖7為塑料注塑成型在一個完整的周期不同的時間間隔內(nèi)熱或熱量分布的等高線圖二維分析。 圖7 不同時間間隔內(nèi)的熱分布等高曲線對模具的二維分析，繪制了時間響應圖表以分析熱殘余應力對產(chǎn)品的影響。圖8為為繪制時間響應圖標而選取的點。圖9-17為在圖8中所示不同點溫度分布曲線。從圖9-17中繪制的溫度分布中可以看出，圖中的每一個點的溫度都在上升，即從環(huán)境溫度到某一高于環(huán)境溫度的溫度然后在某一段時間內(nèi)保持這個溫度不變。這種溫度的升高是由于產(chǎn)品熔體塑料進入型腔所致。在一段時間之后溫度繼續(xù)上升至最高溫度并且保持在最高溫度，這個溫度的升高與成型階段高的壓力有關。這個溫度一直持續(xù)到冷卻階段的開始，冷卻使得模具的溫度到一個較低的值且保持在這個水平。繪制的曲線并不光滑，這是因為缺少輸入塑料熔體填充和冷卻水冷卻速度的功能。圖表只顯示在這個周期內(nèi)溫度能夠達到的最大值。在熱殘余應力時至關重要的階段是冷卻階段。這是因為冷卻階段使材料從高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度到低于這個溫度。材料應成分收縮而產(chǎn)生熱應力。熱應力有可能造成翹曲。圖8 在產(chǎn)品內(nèi)部選擇的點作的時間響應圖圖9 第284點的溫度分布圖圖10 第213點的溫度分布圖圖11 第302點的溫度分布圖圖12 第290個點的溫度分布圖圖13 第278點的溫度分布圖圖14 第1838點的溫度分布圖圖15 第1904點的溫度分布圖圖16 第1853點的溫度分布圖圖17 第1866點的溫度分布圖從圖9-17所示的冷卻階段之后的溫度可以看出，靠近冷卻管道的區(qū)域由于溫度降低快而冷卻程度大一些，而遠離冷卻管道的區(qū)域冷卻程度要小一些。冷卻速度快，冷卻程度大意味著在這部分區(qū)域發(fā)生更多的收縮。然而最遠的點，第284點由于熱量散失到環(huán)境中而冷卻程度更大。結果，由于冷卻管道位于型腔的中間位置而使中間部分的溫度差異比其余的位置要大。由于收縮量大使得塑件中間部分產(chǎn)生壓應力。不均勻收縮導致翹曲。但是，冷卻之后各個點的溫度差異小了，翹曲變形就不會那么顯著了。對于一個設計師，設計一套具有高效冷卻系統(tǒng)和較小熱殘余應力的模具是很重要的。對于產(chǎn)品分析，從開展研究的第一步到分析注塑成型產(chǎn)品整個過程，產(chǎn)品在不同載荷因子作用下的應力分布都進行了二維觀察分析。圖18-21為在不同載荷作用下對應的應力等高線圖。一個至關重要的點127，這點處塑料制品收到最好的拉應力作用，這一點的應力-應變關系以及受力情況與應力的關系曲線都繪制在圖22和圖23中。從圖23中受力情況與應力關系的曲線來看，制品所受的拉力一直增加直到達到圖23中的載荷因子的值，這個值是1150N。這就意味著制品可以承受1150N的拉力。高于這個值的載荷會導致制品破壞。在圖23中，這種破壞更可能發(fā)生在試樣的固定端所在的區(qū)域，這個最大應力為3.27x107Pa.試樣應力分析由于產(chǎn)品是為了進行翹曲測試并且與拉力分析無關而使得其解釋非常有限的信息。然而在將來，研究者指出產(chǎn)品的所處狀態(tài)應該定下來以便于在不同的載荷作用下試樣的變形展開更深入的研究。圖18 載荷增量1作用下的相對應力圖 圖19 載荷增量14作用下的相對應力圖圖20 載荷增量16作用下的相對應力圖圖21 載荷增量23作用下的相對應力圖 4 結論設計出來的模具使生產(chǎn)高質(zhì)量的翹曲測試樣品成為可能。這種成為是樣品可以決定出影響翹曲的參數(shù)。這種測試樣品以較低的價格生產(chǎn)并且只需要比較少的加工。塑料注塑成型模具的熱分析使得熱殘余應力對產(chǎn)品的變形形狀的影響被理解，產(chǎn)品的拉伸應力分析能夠成功的預測翹曲測試樣品能夠承受的最大拉伸應力。 圖22 ABS材料的應力應變關系曲線圖23 ABS材料的應力載荷關系曲線致謝作者要感謝馬來西亞博特拉大學工程學院推出的本出版物。 參考文獻1 R.J. 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