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應(yīng)用熱工程 對(duì)聚合物的溫度和凝固冷卻系統(tǒng)在注射成型的影響 哈姆迪哈桑 尼古拉斯雷尼爾 塞德里克雷伯特 西里爾等人著 摘要 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是通過注塑成型塑料制品業(yè)極為重要因?yàn)樗侵匾牟粌H 是為了減少成型周期時(shí)間也顯著影響產(chǎn)品顯著意義及產(chǎn)品的生產(chǎn)率和質(zhì)量 進(jìn) 行塑料部件具有四 T 型結(jié)晶器冷卻通道的數(shù)值模擬 一個(gè)循環(huán)瞬態(tài)冷卻分析采 用有限體積法進(jìn) 模具的冷卻研究的目的是確定溫度沿腔壁以提高冷卻系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 冷卻通道的形成及其對(duì)溫度的模具和凝固陽(yáng)離子聚合度的分布位置的影 響的影響 提高生產(chǎn)性的過程中 冷卻時(shí)間應(yīng)盡量減少同時(shí)均勻冷卻應(yīng)為產(chǎn)品 的質(zhì)量是必要的 結(jié)果表明 冷卻系統(tǒng) 導(dǎo)致最小的冷卻時(shí)間不在模具實(shí)現(xiàn)均 勻冷卻 1 介紹 塑料工業(yè)是當(dāng)今世界上發(fā)展最快的行業(yè)之一 列為數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè) 注 塑件的需求逐年增加 塑料注射成型過程是眾所周知的最有效及高效經(jīng)濟(jì)地生 產(chǎn)制造技術(shù)的各種形狀和低成本 1 幾何形狀復(fù)雜的精密塑件 塑料注射成型過 程是一個(gè)循環(huán)的親塞斯在聚合物注入模具型腔 和固化 形成一個(gè)塑料部分 有三個(gè)重要的階段 在每個(gè)斜面賽揚(yáng) 第一階段的鈴腔在注入高溫熔體熱聚合 物 鈴和后鈴期 其次是帶走了聚合物的熱的冷卻通道 冷卻階段 最后凝 固部分彈出 射血期 冷卻階段是最重要的因?yàn)樗囊饬x明顯影響了生產(chǎn)效率 和產(chǎn)品質(zhì)量的 這是眾所周知的 比在注射成型過程中的周期時(shí)間的百分之七 十是花在冷卻熱聚體融化后地使部分可以彈出無任何意義傾斜變形 2 有效的 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)冷卻通道以減少周期時(shí)間必須盡量減少縮痕等缺陷 不均勻收縮 熱熱殘余應(yīng)力組合和翹曲變形 后填滿型腔注塑成型和冷卻階段 熱熔融聚合 物接觸冷模壁 和一個(gè)固體層上形成壁 當(dāng)物質(zhì)冷卻下來 堅(jiān)實(shí)的皮膚開始隨時(shí)間的冷卻 直到整個(gè)材料的凝固成 長(zhǎng) 多年來 許多研究對(duì)優(yōu)化問題的冷卻系統(tǒng)布置在注塑成型工藝優(yōu)化及相變 已通過各種形式的研究和的聚焦強(qiáng)度在這些議題 將用于在我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和 驗(yàn)證的 3 6 本文的主要目的是研究的冷卻通道的位置和截面形狀對(duì)模具和聚 合物 溫度分布的影響 因此 他們對(duì)凝固陽(yáng)離子度的聚合物的影響 一個(gè)短 暫的模具冷卻分析使用一個(gè) T 形塑料模具與類似尺寸 5 的有限體積法進(jìn)行的 如圖 1 所示 不同的冷卻通道的位置和形式的研究 圖 1 2 數(shù)學(xué)模型 熔融聚合物的熱是通過強(qiáng)制對(duì)流對(duì)冷卻液進(jìn)行冷卻通道和通過自然對(duì)流在 外模具表面的空氣帶走 冷卻液是通過由于信道在一個(gè)給定的流量和一個(gè)給定 的溫度被認(rèn)為是恒定的整個(gè)長(zhǎng)度的通道 在這項(xiàng)工作中 隨時(shí)間變化的二維模 型被認(rèn)為是由空腔的整個(gè)計(jì)算域 模具和冷卻通道的表面 的模具和聚合物的 T 型循環(huán)瞬態(tài)溫度分布可以通過求解瞬態(tài)能量方程 為了考慮到凝固 源項(xiàng)添加到相應(yīng)的吸熱或放熱 7 的能量方程 并考慮 吸收或通過相變過程中的熱耗散 該技術(shù)是適用于固定節(jié)點(diǎn) 在這種情況下 能量方程表示如下 和源項(xiàng) SC 代表 在 FS t 0 T TF 全液相區(qū) 0 FS 1 在 t TF ISO 熱相變區(qū) F t 1 T TF 全固態(tài)區(qū) 在整個(gè)域 下面的邊界條件的應(yīng)用 3 數(shù)值解釋 執(zhí)政行為的物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的數(shù)值解的有限體積法計(jì)算 方程的方程 系統(tǒng)的不同方面的隱式處理解決 當(dāng)我們?cè)诳紤]凝固的影響 隨著固相分?jǐn)?shù)的 一個(gè)固定點(diǎn)算法求解能量方程 每個(gè)固定點(diǎn)迭代法 說 我們使用離散時(shí)間混 合清楚 隱式技術(shù)已經(jīng)在以前的研究中驗(yàn)證了文森特 8 和 9 博特是基于技術(shù) 的新來源 沃勒爾 10 該方法提出了保持節(jié)點(diǎn)發(fā)生相變時(shí)的熔化溫度 這種 方法是重復(fù)直到與源項(xiàng)的溫度收斂等于潛熱 源項(xiàng)的離散化 圖 2 圖 3 這是溫度的函數(shù) 固相分?jǐn)?shù)線為 然后 我們力的溫度趨于熔化溫度在源項(xiàng)是不是通過更新源項(xiàng)空 他的能量方程離散如下 這個(gè)過程可以區(qū)分溫度場(chǎng)等蓋分?jǐn)?shù)在同一時(shí)刻計(jì)算和線性系統(tǒng)的離散化方 法解決 11 中心 每個(gè)內(nèi)部迭代 該方程的解提供了公式 達(dá)到收斂時(shí)的固相 分?jǐn)?shù)和溫度的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了驗(yàn)證 在數(shù)值模型及其驗(yàn)證進(jìn)一步的細(xì)節(jié)在 9 4 結(jié)果與討論 一個(gè)完整的二維隨時(shí)間變化的模具注塑冷卻分析是在圖 1 顯示的 T 型塑料 模具和四的冷卻通道的一種板模模型進(jìn)行 由于對(duì)稱性 半模的建模與分析 所有的冷卻通道具有相同的尺寸和他們有 10 毫米每循環(huán)通道直徑 冷卻的操作 參數(shù)和材料屬性列在 TA 和 1 和 2 分別 他們被認(rèn)為是恒定的在所有的數(shù)值結(jié) 果 7 每個(gè)計(jì)算周期分為兩個(gè)階段 冷卻階段 腔內(nèi)充滿熱聚合物最初在聚合 物注入溫度 噴射階段 腔內(nèi)充滿空氣的最初在環(huán)境溫度 無 3 和 4 顯示有 16 的模具冷卻時(shí)間地點(diǎn)時(shí)間模具溫度循環(huán)瞬態(tài)變化 P1 P2 P3 P4 在模具 壁和 P5 P7 模具內(nèi)的墻壁 分別為 圖 1 在應(yīng)用的實(shí)例和不施加凝固凝固 它們是模擬的最初 30 個(gè)循環(huán)在循環(huán)冷卻通道的位置的情況下 A5 D3 如圖 2 所示 我們發(fā)現(xiàn) 模擬計(jì)算結(jié)果與循環(huán)模具溫度變化 5 中描述的瞬態(tài)特性的 好協(xié)議 它被發(fā)現(xiàn)有一個(gè)稍微不同的溫度值的兩個(gè)結(jié)果之間 從而導(dǎo)致數(shù)值方 法和精度在數(shù)值計(jì)算中的差異 數(shù)據(jù)顯示 相對(duì)地靠近型腔表面溫度波動(dòng)是最 大和減少離型腔表面 我們發(fā)現(xiàn) 最大的溫度波動(dòng)的振幅在穩(wěn)定的周期可以不 施加凝固在應(yīng)用凝固 15 例 LC 達(dá)到 10 LC a 冷卻通道形成的影響 一個(gè)有效的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供溫度分布均勻的整個(gè)部分在冷卻過程中應(yīng)防 止收縮內(nèi)應(yīng)力 保證產(chǎn)品質(zhì)量 和脫模的問題 證明的冷卻通道形成的溫度分 布在模具和產(chǎn)品的凝固過程的影響 我們提出三種不同截面形式的冷卻通道 圓形 方形 長(zhǎng)與寬 0 25 比 0 5 和 2 比 r 矩形寬度 兩起案件進(jìn)行了研究 第 一種情況 所有的冷卻通道具有相同的橫截面面積 和第二種情況下 它們具 有相同的周長(zhǎng) 比較的是相同的冷卻通道的位置進(jìn)行 A5 D3 圖 4 圖 5 圖 5 顯示了凝固成 數(shù)值計(jì)算為每個(gè)元素乘以該元素的區(qū)域產(chǎn)品的總面積的固 相分?jǐn)?shù)的總和 耳鼻喉科形式和不同的冷卻時(shí)間不同 數(shù)字表明冷卻通道形成 的冷卻速率的增加而減小 冷卻時(shí)間的影響 它也表明 冷卻通道形成矩形 2 案例 1 最大凝固成 并在案例 2 中的冷卻通道形式的變化沒有對(duì)凝固率的影響 結(jié)果是相同的當(dāng)我們比較凝固在產(chǎn)品和模具的溫度分布雖然不同形式的相同的 橫截面面積在冷卻階段結(jié)束時(shí)的冷卻時(shí)間 24 秒冷卻循環(huán)中獲得 25 如圖 6 和 7 分別 結(jié)果表明 冷卻過程中的冷卻通道往往以產(chǎn)品的形式的改進(jìn) b 冷卻通道的位 討了冷卻通道的位置的影響 我們提出的位置分為四組 A 組和 B 對(duì)底部 冷卻通道的不同位置 與一個(gè)固定的 PO 的頂部冷卻通道位置 和反之亦然 C D 組相同的冷卻通道 圓形 作為圖 2 所示 圖 8 表示不同的冷卻通道的位置上的凝固率在 A 與 B 組第二十五冷卻周期 結(jié)束的影響 降低冷卻通道的影響 C 和 D 上部冷卻通道效應(yīng) 與冷卻時(shí)間 結(jié)果表明 較低的冷卻通道的位置效應(yīng) 冷卻速度增加 因此增加的聚合物的 凝固率在垂直方向上的冷卻通道的聚合物的方法 位置 B 有凝固率大于位置 并與相同的位置 C 和 D 圖中顯示也最有效的冷卻速率得到冷卻通道需要 20 和 50 之間的位置 通過產(chǎn)品的長(zhǎng)度為水平方向 B2 和 B5 之間的位置或 位置 A2 和 A5 已凝固的最大百分比 當(dāng)我們比較凝固率對(duì)上位置 C 和 D 的不 同的位置 我們發(fā)現(xiàn) 作為信道的方法在水平方向上的凝固率增加產(chǎn)品 和冷 卻速率迅速增加與較低的位置的效果比較 我們發(fā)現(xiàn) 影響的冷卻通道的位置 上的溫度分布和凝固的冷卻時(shí)間增加到更高的價(jià)值和對(duì)產(chǎn)品的冷卻速率的影響 是不相同的不同位置降低 圖 6 圖 3 在位置 P1 到 P4 的前 30 個(gè)周期的溫度歷史 一 沒有凝固陽(yáng)離子 B 與固化陽(yáng)離子 圖 7 圖 4 在位置 P5 到 P7 的前 30 個(gè)周期的溫度歷史 一 沒有凝固陽(yáng)離子 B 與固化陽(yáng)離子 圖 8 與不同的冷卻通道的冷卻時(shí)間的變化形式的凝固 陽(yáng)離子聚合物部分的百分之 圖 9 圖 6 凝固陽(yáng)離子百分比分布通過產(chǎn)品不同的冷卻通道的形式 一 矩形 2 和 b 循環(huán)具有相同的橫截面面積 凝固陽(yáng)離子度分布通過產(chǎn)品在冷卻時(shí)間 24 秒和第二十五冷卻的冷卻通道的 不同位置周期如圖 9 所示的末端冷卻階段結(jié)束 和溫度分布在模具和在不同的 冷卻通道同速溶聚合物如圖 10 所示 當(dāng)我們審視凝固陽(yáng)離子度的產(chǎn)品和溫度分 布在不同位置的模具 我們找到冷卻通道的位置移向產(chǎn)品的同質(zhì)化 及溫度分 布在整個(gè)聚合物和模具在凝固過程陽(yáng)離子減少例如位置 B2 D3 和 B2 C3 該圖表明 在水平方向和垂直方向的通道的產(chǎn)品的方法 溫度分 布在整個(gè)聚合物分為兩個(gè)區(qū)域在冷卻過程中 B7 D3 B2 D3 C5 B2 C3 B2 從而對(duì)凝固陽(yáng)離子親塞斯相同的效果 這兩個(gè)地區(qū)的 溫度分布 DIF 不同冷卻速率通過冷卻過程導(dǎo)致在最終產(chǎn)品對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量不 同嚴(yán)重的翹曲變形和殘余熱應(yīng)力 圖 10 圖 7 通過模具溫度分布不同的冷卻通道的形式 一 圓形和矩形 2 B 具有 相同的橫截面面積 圖 11 圖 8 與不同的冷卻通道的位置改變凝固冷卻時(shí)間的百分之陽(yáng)離子聚合物部分 一 下的冷卻通道的位置 A 和 B 和 B 上的冷卻通道的位置 C 和 D 圖 12 圖 9 凝固陽(yáng)離子百分比分布通過產(chǎn)品不同的冷卻通道的位置 冷卻時(shí)間 24 秒 和第二十五的冷卻時(shí)間 一 a B7 D3 B B2 D3 C B2 C5 和 D B2 C3 圖 13 圖 10 通過模具溫度分布不同的冷卻通道的位置 冷卻時(shí)間 24 秒和第二十五 的冷卻時(shí)間 一 B2 D3 和 b B7 D 5 結(jié)論 變化的模具的溫度通過民誤碼率的成型周期進(jìn)行 模擬計(jì)算結(jié)果與循環(huán)模 具溫度變化 5 中描述的瞬態(tài)特性和良好的協(xié)議發(fā)現(xiàn)稍有不同的溫度值的模擬結(jié) 果和那些在 5 描述之間 冷卻通道的形態(tài)和溫度分布在整個(gè)聚合物和產(chǎn)品的固 化陽(yáng)離子位置的影響進(jìn)行了研究 結(jié)果表明 隨著冷卻通道 以產(chǎn)品的形式 冷卻速率是可以提高的 冷卻通道的位置對(duì)冷卻過程的溫度分布影響很大 通 過模具和聚合物 結(jié)果表明 冷卻執(zhí)行不必要的最低冷卻時(shí)間達(dá)到最佳的溫度 分布在整個(gè)產(chǎn)品的 和系統(tǒng)的布局必須進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到目標(biāo) 參考文獻(xiàn) 1 S H Tang Y M Kong S M Sapuan Design and thermal analysis of plastic injection mould J Mater Process Technol 171 2006 259 267 2 Li Q Tang C Chassapis S Manoochehri Optimum cooling system design for multi cavity injection molding Finite Elem Anal Des 26 1997 229 251 3 M R Barone D A Caulk Special boundary integral equations for approximate solution of Laplace s equation in two dimensional regions with circular holes Q J Mech Appl Math 34 3 1981 265 286 4 J C Lin Optimum cooling system design of a free form injection mold using an aductive network J Mater Process Technol 120 2002 226 236 5 H Qiao Transient mold cooling analysis using the BEM with the time dependent fundamental solution Int Com Heat Mass Transf 32 2005 315 322 6 C S Li C F Hung Y K Shen Finite element analysis for phase change problem in polymer processing Int Com Heat and Mass Transf 22 1995 167 177 7 O Bertrand Ph nom nes de s gr gation et contraintes thermom caniquesassoci s Au processus de changement 8 S Vincent E Arquis numerical modeling of cooling and solidi cation of molten particles impacting a solid substrate Soci t fran aise de thermique 8 2000 371 375 9 Le Bot Impact et Solidi cation de Gouttes M talliques sur un Substrat Solide Th se de doctorat Universit Bordeaux 2003 10 V R Voller Fast implicit difference method for the analysis of phase change problems Numer Heat Transf 17 part B 1990 155 169 11 S V Patanker Numerical Heat Transfer and Fluid Flow Hemisphere Publishing Cooperation New York USA 1980