注塑模具畢業(yè)設(shè)計(jì)---注塑模具設(shè)計(jì)及其熱分析

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1、注塑模具畢業(yè)設(shè)計(jì)---注塑模具設(shè)計(jì)及其熱分析 　集 美 大 學(xué) 　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）英文文獻(xiàn)翻譯 　譯文題目 注塑模具的設(shè)計(jì)及其熱分析 　專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí) 　姓 名 學(xué) 號(hào) 　指導(dǎo)教師 職 稱(chēng) 　機(jī)械工程學(xué)院 　注塑模具的設(shè)計(jì)及其熱分析 　

2、S.H. Tang ?, Y.M. Kong, S.M. Sapuan, R. Samin, S. Sulaiman 　摘要：本文介紹注塑模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)翹曲測(cè)試樣本以及為了獲得殘余熱應(yīng)力的影響在模具中執(zhí)行熱分析。這項(xiàng)技術(shù)、理論、方法在注射模具設(shè)計(jì)中必須被考慮運(yùn)用。在商業(yè)計(jì)算機(jī)上使用13.0版本的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件UG進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)。使用商用有限元分析軟件LUSAS分析家分析發(fā)現(xiàn)并揭示由于試樣的冷卻不均勻使塑件存在殘余熱應(yīng)力的分析報(bào)告。該軟件提供模型的溫度等高線分布圖并通過(guò)注塑周期時(shí)間響應(yīng)曲線繪制溫度變化曲線。結(jié)果表明與其它區(qū)域相比收縮更可能會(huì)發(fā)生在冷卻渠道附近。模具這種不平衡的冷卻效果有助于不

3、同區(qū)域翹曲的產(chǎn)生。 　關(guān)鍵詞：注塑模具；設(shè)計(jì)；熱分析 　引言 　塑料工業(yè)被列為一個(gè)數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)，是世界上增長(zhǎng)最快的行業(yè)之一。在日常生活中幾乎所有的用品都離不開(kāi)塑料[5]。 　為了設(shè)計(jì)模具必須考慮許多重要的設(shè)計(jì)因素。這些因素分別是模具的尺寸、型腔數(shù)、型腔的布局、澆注系統(tǒng)、澆口系統(tǒng)、收縮和頂出機(jī)構(gòu)[ 6 ]。 　在模具的熱分析中，其主要目的是分析影響殘余熱應(yīng)力或壓力對(duì)產(chǎn)品尺寸的影響。熱誘導(dǎo)應(yīng)力主要發(fā)生在注塑成型的冷卻階段，主要是因?yàn)槠錈醾鲗?dǎo)性低以及熔融樹(shù)脂與模具之間的溫差。在冷卻期間產(chǎn)品的冷卻腔周?chē)鷾囟却嬖诓痪?[ 7 ]。 　在冷卻時(shí)，冷卻管道附近的冷卻效果比遠(yuǎn)離冷卻管道區(qū)

4、域的冷卻效果好。不同的溫度導(dǎo)致不同的收縮，不同的收縮導(dǎo)致熱應(yīng)力而顯著的熱應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致翹曲問(wèn)題。因此，在冷卻階段對(duì)注射工件進(jìn)行殘余熱應(yīng)力模擬分析是非常重要的[ 8 ] 。通過(guò)了解熱應(yīng)力的分布特點(diǎn)，可以預(yù)測(cè)殘余熱應(yīng)力引起的變形。 　本文介紹了注塑模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)翹曲試樣以及為了獲得殘余熱應(yīng)力影響而在模具中執(zhí)行熱分析。 　2. 方法 　2.1 設(shè)計(jì)翹曲測(cè)試樣本 　本節(jié)說(shuō)明了用于注塑模具的翹曲測(cè)試樣品的設(shè)計(jì)。很顯然翹曲的主要問(wèn)題存在于產(chǎn)品的薄殼特征。因此，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的主要目的是設(shè)計(jì)一個(gè)塑件，以確定注塑工件薄殼翹曲問(wèn)題的有效因素。 　翹曲測(cè)試樣本是薄殼塑料。樣本的總體尺寸長(zhǎng)120mm，寬50mm,

5、厚1mm. 用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）作為材料，在注射溫度為210℃，壓力為60MPa,持續(xù)3s時(shí)間生產(chǎn)翹曲測(cè)試樣本。圖1顯示了翹曲測(cè)試樣本的制作 　圖2-1 翹曲測(cè)試樣本制作 　2.2 翹曲測(cè)試樣本注塑模具的設(shè)計(jì) 　本節(jié)介紹了設(shè)計(jì)生產(chǎn)翹曲測(cè)試標(biāo)本時(shí)，在模具的設(shè)計(jì)方面和其他方面的考慮因素。用于生產(chǎn)翹曲測(cè)試樣本注塑模具的材料是AISI1050碳鋼。在模具設(shè)計(jì)時(shí)考慮了四個(gè)構(gòu)思，其中包括： 　i. 三板式模具（構(gòu)思1 ）有一個(gè)型腔兩個(gè)分型面。由于成本高，所以不適用。 　ii. 兩板式模具（構(gòu)思2 ）有一個(gè)型腔一個(gè)分型面但無(wú)澆注系統(tǒng)。由于單位時(shí)間內(nèi)注射生產(chǎn)量低，不適用。

6、 　iii. 雙板模具（構(gòu)思3 ）有一個(gè)分型面和兩個(gè)型腔，帶澆注和頂出系統(tǒng)。由于塑件的是薄殼的，頂桿可能破壞工件，所以不適用。 　iv. 雙板模具（構(gòu)思4 ）有一個(gè)分型面和兩個(gè)型腔帶澆注系統(tǒng)，只用拉料桿為頂出機(jī)構(gòu)，避免頂出時(shí)破壞塑件。 　翹曲測(cè)試樣本模具設(shè)計(jì)的第四個(gè)構(gòu)思被應(yīng)用。在模具設(shè)計(jì)中，還有許多因素需要考慮。 　首先，根據(jù)注塑機(jī)使用的壓板尺寸設(shè)計(jì)模具。注塑機(jī)行程是有限的，通過(guò)兩個(gè)拉桿間的距離確定注射機(jī)的最大行程。注射機(jī)兩個(gè)拉桿間的距離為254mm，因此，最大模板寬度不應(yīng)超過(guò)254mm這個(gè)距離。此外在模具和兩連桿中留出4mm的間隙便于模具的拆裝而只需留有固定澆口套的空間以便注入溶融塑

7、料6mm。 　材料或熔融塑料在同一溫度同一壓力下同時(shí)被送到個(gè)模腔對(duì)于流道設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是很重要的一點(diǎn)。基于這點(diǎn)，模腔的布局一般都是對(duì)稱(chēng)的圖2-2 凸模上氣孔和冷卻管道的布局 　在此模具設(shè)計(jì)中，頂出系統(tǒng)只由推桿固定板、拉料桿 　圖2-3 三維實(shí)體造型以及利用UG開(kāi)發(fā)的模具的線框模型 　3．結(jié)果和討論 　3.1塑件的制作生產(chǎn)及調(diào)整 　從模具設(shè)計(jì)和制作的角度看，在試運(yùn)行階段制作的翹曲測(cè)試樣本存在缺陷。該缺陷是注射不足，飛邊和翹曲。飛邊后來(lái)通過(guò)在型腔角上銑削額外的氣孔讓空氣排除的方法解決。同時(shí)，通過(guò)減小注塑機(jī)壓力減少了飛邊的產(chǎn)生。通過(guò)控制注射時(shí)間、注射溫度、熔融溫度等不同參數(shù)，控制翹曲變形。

8、　經(jīng)過(guò)這些修改，模具在低成本的情況下生產(chǎn)出了高質(zhì)量的翹曲測(cè)試樣本，這些試樣還需要修整。圖4顯示修整后的模具，這是加工額外的排氣孔可以消去注射不足。 　圖3-1 加工額外的排氣孔可以消去注射不足 　3.2.模具和產(chǎn)品詳細(xì)分析 　在塑料注射成型過(guò)程中，熔融ABS在210 ? C溫度下通過(guò)凹模上的澆口襯套直接注射到模具型腔，經(jīng)過(guò)冷卻，就成型ABS在注射溫度、時(shí)間、壓力分別為210℃，3秒和60MPa。用于生產(chǎn)翹曲測(cè)試樣本注塑模具的材料是AISI1050碳鋼。 　運(yùn)用有限元軟件分析材料性能在決定溫度上非常重要。表2列出了ABS以及AISI 1050碳鋼的性能。 　圖 　圖3-3 負(fù)載模型分

9、析的產(chǎn)品。 　3.3. 模具及試樣分析的結(jié)果及討論 　模具分析過(guò)程對(duì)不同時(shí)間段的熱量分布作了觀測(cè)。圖7所示是在一個(gè)完整的注塑周期中不同時(shí)間段的二維等高線熱量分布圖。 　圖3-4 不同時(shí)段溫度分布圖 　對(duì)模具進(jìn)行二維分析后，可繪制出時(shí)間響應(yīng)曲線以分析殘余熱應(yīng)力對(duì)制件的影響。圖3-5所示是繪制時(shí)間響應(yīng)曲線所選的節(jié)點(diǎn)。 　圖3-6到圖3-7顯示了在圖3-8中被標(biāo)注的不同節(jié)點(diǎn)的溫度分布曲線 　圖3-5 繪制時(shí)間響應(yīng)曲線所選的節(jié)點(diǎn) 　圖3-6 節(jié)點(diǎn)284溫度分布 　圖3-7 節(jié)點(diǎn)213溫度分 　圖3-8 節(jié)點(diǎn)302溫度分布 　圖3-9 節(jié)點(diǎn)290溫度分布 　圖3-10 節(jié)

10、點(diǎn)278溫度分布 　圖3-11 節(jié)點(diǎn)1838溫度分布 　圖3-12 節(jié)點(diǎn)1904溫度分布 　圖3-13 節(jié)點(diǎn)1853溫度分布 　圖3-14 節(jié)點(diǎn)1866溫度分布 　從圖中,也。繪制的曲線是不平滑的，因?yàn)樽⑷肴廴谒芰系乃俾屎屠鋮s速率是相應(yīng)的。物質(zhì)的不均勻收縮可能產(chǎn)生熱應(yīng)力從而引起翹曲。如圖中所示冷卻階段后的溫度對(duì)于產(chǎn)品分析,從被實(shí)行開(kāi)始到分析塑料產(chǎn)品,在產(chǎn)品上不同因素的狀態(tài)下的應(yīng)力分配情況可以通過(guò)觀察生成的二維曲進(jìn)行線分析。 　圖3-18 荷載增量1下的等效應(yīng)力圖 　圖3-19 荷載增量14下的等效應(yīng)力圖 　圖3-20 荷載增量16下的等效應(yīng)力圖 　圖3-21 荷載增量23下的

11、等效應(yīng)力圖 　在關(guān)鍵的127節(jié)點(diǎn)，選定產(chǎn)品的最大拉應(yīng)力進(jìn)行分析。應(yīng)力應(yīng)變曲線和應(yīng)力負(fù)載增量曲線。如圖3-22和3-23 　圖3-22 應(yīng)力應(yīng)變曲線 　圖3-23 應(yīng)力與負(fù)載增量曲線 　參考負(fù)載應(yīng)力曲線如圖23,它很清楚表明產(chǎn)品在增加拉力，直到它達(dá)到了23的負(fù)載因數(shù),這意謂產(chǎn)品能抵抗的1150 N的拉力。由圖23可知,對(duì)產(chǎn)品的固定端以施加最大應(yīng)力3.27 107 Pa時(shí)損壞可能發(fā)生在其附近區(qū)域。經(jīng)過(guò)翹曲測(cè)試試樣的分析確定影響翹曲的參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)的模具已經(jīng)使產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到最高。生產(chǎn)測(cè)試試樣所需的成本很低而且只需經(jīng)過(guò)很少的表面處理。 　通過(guò)注塑模的熱分析得出殘余熱應(yīng)力對(duì)試樣的影響，對(duì)加載拉應(yīng)力的

12、分析也可以預(yù)測(cè)到翹曲測(cè)試試樣所能承受的最大拉力。 　 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,

13、 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′?o ?glu, Development of an Expert System for the Determination of Injection Moulding Parameters of Thermoplastic Materials: EX-PI

14、MM, 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) 275.