馬達(dá)蓋注塑模具設(shè)計,馬達(dá),注塑,模具設(shè)計 注塑模具的設(shè)計與熱分析 摘 要:本文介紹了用于生產(chǎn)熱變形測試樣品的注塑模具的設(shè)計，這種模具能為自身實現(xiàn)熱分析，從而得到模具的熱殘余應(yīng)力的影響。文章對技術(shù)，理論，方法以及在注塑模型設(shè)計中需要的考慮的因素也進行了介紹。模具設(shè)計是通過商用計算機輔助設(shè)計軟件Unigraphics系統(tǒng)的13.0版本實現(xiàn)的。這種用于分析因樣品不均勻冷卻產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力的模具，已經(jīng)通過使用13.5版的被稱作LUSAS分析員的商業(yè)有限元分析軟件得到了開發(fā)，而且存在問題也已經(jīng)解決。該軟件通過繪制相應(yīng)的時間反應(yīng)曲線為模具提供了溫度分布等高線圖以及注塑周期中的溫度的變化。結(jié)果表明，與其他區(qū)域相比，收縮可能更容易發(fā)生在冷卻渠道附近的區(qū)域。熱變形就是這種在模具的不同區(qū)域的不均衡降溫效果引起的。 關(guān)鍵詞：注塑模具；設(shè)計；熱分析 1. 引言 塑料業(yè)是世界上發(fā)展最快的工業(yè)之一，被列入產(chǎn)值達(dá)數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)。幾乎每一個在日常生活中使用的產(chǎn)品都涉及塑料的使用，這些產(chǎn)品大部分可通過注塑成型方法生產(chǎn)［1］。注塑成型工藝因其制造過程是以較低的成本生產(chǎn)各種形態(tài)和復(fù)雜幾何形狀的產(chǎn)品而眾所周知［2］。 注塑成型工藝是一個循環(huán)工藝，整個過程分為四個重要的階段，即：充模，保壓，冷卻和噴射。在注塑成型過程是從漏斗中把樹脂和適當(dāng)?shù)奶砑觿┳⑷氲阶⑺艹尚蜋C的加熱/注射系統(tǒng)開始的［3］。這就是“充模階段”，在這個過程中，模腔填充了達(dá)到注射溫度的熱聚合物熔體。在模腔填充后的 “保壓”階段，更多的是聚合物熔體在更高的壓力下被裝進腔體，以補償因聚合物固化引起的預(yù)計萎縮。接下來便是冷卻階段，在此過程中模具會冷卻，直到有足夠的剛性部分被彈出。最后一個階段是“彈射階段”，這個階段模具被打開，成型部分被彈出，過后，模具會再次被關(guān)閉開始下一個循環(huán)［4］。 因為主要是靠經(jīng)驗，包括了實際工具的反復(fù)修改，所以設(shè)計和制造所需性能的注塑成型聚合物部件的過程很昂貴的。在模具設(shè)計任務(wù)中，由于包含了噴射和氣壓因素，通常來說，在核心區(qū)為模具設(shè)計特別附加的幾何結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜［5］。 為了設(shè)計出模具，許多重要的設(shè)計因素必須加以考慮。這些因素是模具的大小，模腔的數(shù)量、布局，熱流道系統(tǒng)，門控系統(tǒng)，收縮和彈射系統(tǒng)［6］。 在模具的熱分析中，其主要目的是分析熱殘余應(yīng)力或模壓對產(chǎn)品尺寸方面的影響。熱誘導(dǎo)應(yīng)力主要發(fā)生在注塑零件的冷卻階段，主要是由于其較低的熱傳導(dǎo)率和熔融樹脂和模具之間的溫度差異。在場冷卻過程中的產(chǎn)品腔的溫度是不平衡的［7］。 冷卻過程中，離冷卻通道越近的地方能更大程度的冷卻下來。這種溫度的不同引起了材料的異收縮，從而帶來熱應(yīng)力。明顯的熱應(yīng)力可能會引起變形問題。因此，在注射成型過程的冷卻階段對熱殘余應(yīng)力場進行模擬是非常重要的［8］。通過了解熱殘余應(yīng)力的分布特點，我們就可以預(yù)測熱殘余應(yīng)力引起的變形。 在這篇論文中，為生產(chǎn)翹曲測試樣本設(shè)計的提出了這樣一種注塑模具設(shè)計：它能對模具實現(xiàn)熱殘余應(yīng)力對其的影響實現(xiàn)熱分析。 2. 方法 2.1 翹曲測試樣本的設(shè)計 這一部分介紹了用于注塑模具設(shè)計的翹曲測試樣本的設(shè)計。對于外殼很薄的產(chǎn)品來說，很明顯翹曲是存在其中的主要問題。因此，產(chǎn)品開發(fā)的主要目的就是設(shè)計一個塑件能為外殼很薄的注塑模具的翹曲問題確定影響因素。翹曲測試樣本是由薄塑料殼而開發(fā)的。樣本的總體尺寸是長120毫米，寬50毫米，厚1毫米。生產(chǎn)翹曲測試樣本所用材料是丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）注塑的溫度、時間和壓力分別是210 ?C, 3 s 和 60MPa,圖1表示翹曲測試樣本。 圖1 翹曲測試樣本 2.2 翹曲測試樣本設(shè)計注塑模具 本節(jié)介紹了用于生產(chǎn)翹曲測試樣本的模具的設(shè)計部分和設(shè)計中其他需要考慮的因素。用于生產(chǎn)翹曲測試樣本注塑模具的材料是美國國家鋼鐵學(xué)會的1050碳鋼。在模具設(shè)計中考慮到的四個設(shè)計概念包括： I. 三板模具（概念1）有兩個分模線單腔，由于成本高所以不適用。 ii. 二板模具（概念2）有無澆注系統(tǒng)的一個分模線單腔。由于每注的低生產(chǎn)率而不適用。 iii. 二板模具（概念3）有一分模線與門控噴射系統(tǒng)的雙腔。由于產(chǎn)品太薄，頂針可能損害它，因此也不適用。 iv. 二板模具（概念4）有一分模線與有門控系統(tǒng)的雙腔，只用直澆口拉出器作為噴射器，來避免在噴射過程中對產(chǎn)品的破壞。在翹曲樣本的模具設(shè)計中第四個設(shè)計概念已經(jīng)得到應(yīng)用。 各種設(shè)計根據(jù)都已經(jīng)在設(shè)計中得到應(yīng)用。 首先，模具的設(shè)計是基于所使用注塑機器的壓盤尺寸(BOY 22D)。這個機器是有一定限制的，這就是兩個拉桿之間的距離定出的壓板機的最大面積在機器拉桿之間的距離為254毫米。因此，模具板最大寬度應(yīng)不能超過這個距離。此外，為了達(dá)到調(diào)定和處理模具的目的，在兩個拉桿和模具之間保留了4毫米的空間。最終這使模具的最高寬度為250毫米。標(biāo)準(zhǔn)模具基地有250×250毫米的使用面積。模具基底是用美得麗鉗安裝在模具基座或模具壓板右上角和左下角的。其他相關(guān)模具板的尺寸見表1。 設(shè)計了夾緊壓力的模具具有高于內(nèi)部空腔力（反應(yīng)力）的夾緊力來避免發(fā)生突然的活動。 表1 磨具板尺寸 部件 尺寸：寬度×高度×厚度 頂部壓緊板 250×250×25 腔板 200×250×40 核心板 200×250×40 側(cè)板，支撐板 37×250×70 排出維持板 120×250×15 推出器 120×250×20 底部固定板 250×250×25 基于標(biāo)準(zhǔn)模具系列給出的尺寸，寬度和核心板的高度分別是200和250毫米 這些尺寸使核心板兩腔的設(shè)計是水平放置的，因為腔板為空時有足夠的空間，為了填充熔融塑料，只是用澆口襯瓦來固定因此，在產(chǎn)品表面只設(shè)計了一個標(biāo)準(zhǔn)分型線。在模具打開的過程中，產(chǎn)品和滑行裝置放置在通過分型面的一個平面上，標(biāo)準(zhǔn)門或側(cè)門就是轉(zhuǎn)為這個模具設(shè)計的。門就處在滑道和產(chǎn)品之間。在門底部的土地，設(shè)計了20?傾斜，而且厚度只有0.5毫米以便于清鏟。 這個門還設(shè)計了四毫米寬0.5毫米厚的熔融塑料入口。在模具設(shè)計中，選擇了滑道的拋物線交叉部分的類型，因為他有一個好處，那就是一模只需一半的簡單加工，即這一例子中的核心板。 盡管如此，與圓截面類型相比這種滑道有諸如更多的熱流失和廢料。這可能會引起熔融塑料更快的凝固。這個問題通過使用更短，直徑更大的滑道得以減少，它的直徑是6毫米。非常重要的一點是滑道的設(shè)計要同時在相同的壓力和溫度下把材料或熔融塑料分送到腔體中。由于這一點，腔體的布局設(shè)計成了對稱形式。設(shè)計中另一個需要考慮的方面就是通氣孔的設(shè)計。 為了防止發(fā)生滑動，核心和板腔之間的配合面板加工非常精細(xì)。但是，這可能導(dǎo)致在模具關(guān)閉時空氣被封在里面，而使產(chǎn)品出現(xiàn)噴丸不足或部分不完整。為了確保鎖住的空氣能被排出來而避免部分不完整的發(fā)生，我們設(shè)計了足夠多的通氣孔。冷卻系統(tǒng)是沿著模具的長度鉆出來的，在與模具水平的位置使其更好的冷卻這些冷卻渠道在兩鉆腔和和核心板上都有。它們使模具在湍流的情況下能夠充分的被冷卻。圖2 給出了通氣孔和核心板上的冷卻渠道在腔里的布局。 圖2 氣孔在腔中的布局及冷卻通道 在這個模具設(shè)計中，彈射系統(tǒng)包括彈射版，直澆口拉出器以及噴射器。位于核心板中心位置的直澆口拉出器的作用不只是作為模具打開時固定產(chǎn)品位置的拉出器，而且在噴射階段作為噴射器把產(chǎn)品從模具中推出來。在產(chǎn)品腔中沒有放置和使用附加的噴射器，因為產(chǎn)品生產(chǎn)的非常薄，即1毫米。 產(chǎn)品腔中額外的注射器可能會在噴射階段給產(chǎn)品增加洞眼和損害。最后，要對尺寸容差進行足夠的考慮來補償材料的收縮。圖3顯示了利用unigraphic系統(tǒng)建立的三維實體造型以及線框模型 圖3 模具的三維實體建模和線框模型 圖4 用于避免欠注的額外的通風(fēng)孔 3. 結(jié)果和討論 3.1 生產(chǎn)和調(diào)整產(chǎn)品的結(jié)果 從設(shè)計和制作的模具來看，生產(chǎn)的翹曲測試樣本在實驗跑中有一些缺陷。這些缺陷是短射，溢料和翹曲。短射隨后被彎道腔排氣孔的邊緣消除來使被困住的空氣能出來。與此同時，溢料也通過減少保壓機器的壓力得到降低。變形可以通過控制諸如注射時間，注射溫度和融融溫度等各種參數(shù)來得到控制。經(jīng)過這些修改，模具生產(chǎn)了高品質(zhì)低成本的翹曲測試樣本同時需要盡快完成小門控。圖4顯示了模具的修改，正在加工消除短射的額外排氣孔。 3.2 模具和產(chǎn)品的細(xì)節(jié)分析 模具和產(chǎn)品開發(fā)出來以后, 就進行對模具和產(chǎn)品的分析t. 在注塑成型額過程中, 210度的熔融ABS通過腔板上的澆口套注入模具直接即進入到產(chǎn)品腔。冷卻發(fā)生后，產(chǎn)品就成型了One 產(chǎn)品的周期大約需要35秒，而其中冷卻的時間就有20秒。生產(chǎn)翹曲測試樣本的材料是ABS，其注塑溫度，時間，和壓力分別是210度，3秒和60MPa。 模具選的材料是1050碳鋼，這些材料的性能在有限元素分析開發(fā)的模具中決定溫度分布的方面是非常重要的。表2顯示了ABS和AISI1050碳鋼的性能。對模具進行分析的關(guān)鍵部分在于腔體和核心板，因為這是產(chǎn)品成型的地方。 所以熱分析來知道溫度分布和不同時間的不同溫度是通過采用商業(yè)有限元素分析軟件即所謂的LUSAS分析員的13.5版本來實現(xiàn)的。為了研究在不同地區(qū)熱殘余應(yīng)力對模具的影響，進行了二維的熱分析，由于是對稱的，熱分析只要通過垂直截面的上半部分或者在注射階段被夾住的兩腔的側(cè)面和核心板塊。圖5顯示了用不規(guī)則網(wǎng)格分析的熱分析模型。 圖5 熱分析模型 建模還涉及到性能分配和模型的程序或周期的時間。這使得有限求解分析模具模型建立，并且繪制了時間反應(yīng)圖來顯示在特定階段的不同地區(qū)的溫度變化。對于產(chǎn)品的分析，是通過利用LUSAS分析員的13.5版本實現(xiàn)了一個二維拉伸應(yīng)力分析?；旧显诒痪o緊地加載在一端，而另一端是被鎖住的。負(fù)荷會一直增長知道模型達(dá)到可塑性。圖6顯示了分析的加載模式。 表格2 模具和產(chǎn)品的材料性能 圖6 分析的加載模式 圖7 不同時間間隔的二維熱分布等高線圖 3.3 對模具和產(chǎn)品分析的結(jié)果和討論 對于模具分析來說，可以觀察到不同的時間間隔中的熱量分布。圖7顯示了一個完整注塑模型周期中不同時間間隔的熱分布二維分布等高線圖。 對于模具的分析來說，在不同熱量或熱能分布等高線繪制圖上 ，熱量分布在一個完整的注塑周期中。為了實現(xiàn)對于模具的二維分析，繪制了時間反應(yīng)曲線圖來分析熱殘余壓力對產(chǎn)品的影響。圖8顯示了為了繪制時間反應(yīng)曲線選出的結(jié)點。 圖8 時間反應(yīng)曲線圖選出的結(jié)點 圖9.17顯示了圖8 所示不同節(jié)點上的溫度分布曲線。 從繪制出的溫度分布曲線圖來看，圖9.17中，為繪制曲線圖選擇的每一個結(jié)點在溫度上會經(jīng)歷上升。即，從其周圍的溫度到比其周圍溫度高的特定溫度，然后在特定的一個時間里，在這個溫度上保持不變。這個溫度增長是由于熔融塑料被注入產(chǎn)品腔引起的。From the temp一段特定的時間.過后，溫度會進一步升高直到最高溫度，然后保持在那個溫度上。溫度增長歸因于引起高壓的保壓階段。這個階段上引起溫度上升。這個溫度會一直維持到冷卻階段開始，這個階段上把模具的溫度降并維持到一個較低的值。繪制的曲線由于沒有熔融塑料的注入率以及冷卻劑的制冷率，他是彎曲的。繪制的曲線只是顯示了在周期中能夠達(dá)到的最大值。熱殘余應(yīng)力分析的最關(guān)鍵步驟是冷卻階段。這是因為，冷卻階段引起了材料從高于玻璃轉(zhuǎn)化溫度到低于它的轉(zhuǎn)化。材料經(jīng)歷了可能導(dǎo)致翹曲的引起熱應(yīng)力的不同的收縮。從圖9.17所示的冷卻以后的溫度中，由于溫度進一步降低冷卻管附近的溫度會很明顯的受到更大的冷卻效果，而遠(yuǎn)離冷卻管的地方則有較小的冷卻效果冷卻率越大，冷卻效果越多意味著在這個地方發(fā)生跟大的收縮。盡管如此，最遠(yuǎn)的地方，第284結(jié)點，盡管遠(yuǎn)離冷卻管，由于向環(huán)境中損失的熱量，經(jīng)歷更大的冷卻力。結(jié)果是，產(chǎn)品腔中心位置的冷卻管引起中間高于其他地方的部分的溫度不相同.。由于更大程度的收縮，中間部分產(chǎn)生了壓縮，同時由于收縮不均等引起了翹曲。盡管如此，冷卻后，不同結(jié)點的溫度差異很小，翹曲影響也不明顯。 對設(shè)計師而言，設(shè)計一個有較少熱殘余應(yīng)力及及有效的冷卻系統(tǒng)的模具是非常重要的。對產(chǎn)品的分析，從開始進行分析注塑產(chǎn)品的階段，不同的負(fù)載因子在產(chǎn)品上的壓力分布在這兩個尺寸分析中得到觀察。圖18—21顯示了不同負(fù)荷應(yīng)力增量的等高線圖。一個臨界點，即127節(jié)點上，產(chǎn)品的最大拉應(yīng)力被選定出來進行分析。在圖22和23 中繪制了這一點上的壓力應(yīng)變曲線和負(fù)載應(yīng)力曲線從圖23繪制的這一點上的負(fù)載應(yīng)力曲線，很清楚的看到產(chǎn)品經(jīng)受很大的負(fù)荷，直到23的負(fù)載力，即1150牛。這意味著產(chǎn)品能夠承受最大在1150牛的拉伸力。高于這個值的負(fù)荷會引起產(chǎn)品的失靈?；趫D23，失靈很可能會發(fā)生在產(chǎn)品的固定端附近的區(qū)域，這里最大應(yīng)力是3.27×107 Pa 。由于該產(chǎn)品的生產(chǎn)是以為了翹曲測試，也沒有分析與拉伸荷載的關(guān)系，所以其應(yīng)力分析揭示的是很有限的信息。未來，盡管如此，建議產(chǎn)品服務(wù)條件應(yīng)該確定，以便能夠進行各種其他的負(fù)載下的進一步分析。 圖9 284結(jié)點溫度分布圖 圖10 213結(jié)點的溫度分布圖 圖11 302結(jié)點的溫度分布圖 圖12 290結(jié)點的溫度分布圖 圖13 278結(jié)點的溫度分布圖 圖14 1830結(jié)點的溫度分布圖 圖15 1904結(jié)點的溫度分布圖 圖16 1853結(jié)點的溫度分布圖 圖17 1866結(jié)點的溫度分布圖 圖18 在荷載增量為1時的等效應(yīng)力圖 圖19 在荷載增量為14時的等效應(yīng)力圖 圖20 在荷載增量為16時的等效應(yīng)力圖 圖21 在荷載增量為23時的等效應(yīng)力圖 圖22 ABS的應(yīng)力與應(yīng)變曲線 圖23 ABS樹脂的應(yīng)力與荷載增量曲線 4. 結(jié)論 設(shè)計的模具可以生產(chǎn)用于確定影響翹曲參數(shù)的高質(zhì)量的翹曲測試樣本。該測試樣本生產(chǎn)成本低，只涉及很少德控門的修整。注塑模具的熱分析提供了熱殘余應(yīng)力對標(biāo)本的變形后形狀的影響的解釋另外對產(chǎn)品拉伸應(yīng)力的分析成功的預(yù)測翹曲測試樣本在出現(xiàn)失靈之前的拉伸載荷。 鳴謝：作者向發(fā)起本文出版的馬來西亞博特拉大學(xué)工程學(xué)院致謝。 參考文獻 [1] R.J. Crawford, Rubber and Plastic Engineering Design and Applica- tion, Applied Publisher Ltd., 1987, p. 110. [2] B.H. Min, A study on quality monitoring of injection-molded parts, J. Mater. Process. Technol. 136 (2002) 1. [3] K.F. Pun, I.K. Hui, W.G. Lewis, H.C.W. Lau, A multiple-criteria envi- ronmental impact assessment for the plastic injection molding process: a methodology, J. Cleaner Prod. 11 (2002) 41. [4] A.T. Bozdana, O¨ . Eyerc′?og? lu, Development of an Expert System for the Determination of Injection Moulding Parameters of Thermoplastic Materials: EX-PIMM, J. Mater. Process. Technol. 128 (2002) 113. [5] M.R. Cutkosky, J.M. Tenenbaum, CAD/CAM Integration Through Concurrent Process and Product Design, Longman. Eng. Ltd., 1987, p. 83. [6] G. Menges, P. Mohren, How to Make Injection Molds, second ed., Hanser Publishers, New York, 1993, p 129. [7] K.H. Huebner, E.A. Thornton, T.G. Byrom, The Finite Element Method for Engineers, fourth ed., Wisley, 2001, p. 1. [8] X. Chen, Y.C. Lam, D.Q. Li, Analysis of thermal residual stress in plastic injection molding, J. Mater. Process. Technol. 101 (1999)