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塑料注射模具設(shè)計(jì)及其熱分析
摘要
本文主要介紹一個(gè)生產(chǎn)翹曲測(cè)試樣件的注射模具設(shè)計(jì)并進(jìn)行熱分析以助于了解殘余熱應(yīng)力對(duì)模具的影響。提出了設(shè)計(jì)塑料注射模具所需的技術(shù)、理論、方法以及其它一些考慮因素。模具的設(shè)計(jì)部分可以利用裝在一般的商業(yè)電腦上的設(shè)計(jì)軟件Unigrafics，版本13.0來完成。對(duì)于由樣本的不均勻冷卻引起殘余熱應(yīng)力的模擬已經(jīng)逐步發(fā)展起來，并可以用一個(gè)商業(yè)的有限元分析軟件LUSAS Analyst, 版本13.5進(jìn)行模擬。這個(gè)軟件用輪廓繪圖模擬溫度分布情況以及繪制時(shí)間響應(yīng)曲線來表現(xiàn)在塑料注射模制模周期內(nèi)的溫度變動(dòng)情況。結(jié)果顯示，相對(duì)與其它區(qū)域來說冷卻通道旁邊的區(qū)域比較容易產(chǎn)生收縮。這種在模具不同區(qū)域不均勻冷卻就表現(xiàn)為翹曲。
關(guān)鍵詞 塑料注射模具 設(shè)計(jì) 熱分析
1.簡(jiǎn)介
塑料行業(yè)是世界上發(fā)展最快的行業(yè)之一，屬于少數(shù)億萬美圓的行業(yè)。在日常生活中幾乎所有的用品都離不開塑料并且大部分都可以用用塑料注射模具的方法生產(chǎn)[1]。注塑注射成型工藝也以利用低成本制作出各種各樣的形狀及復(fù)雜的幾何圖案著稱[2]。
注塑注射成型工藝是一個(gè)循環(huán)過程?？煞譃樘盍?、注射、冷卻、脫模四個(gè)重要階段。塑料注射成型過程開始于往料斗到注塑機(jī)的加熱或注射系統(tǒng)中填入樹脂和適量的添加劑[3]。灌漿階段就是在注射溫度下用融解的熱塑料注入模腔。模腔被填滿之后，適量的熔融塑料在一個(gè)較高的補(bǔ)償壓力下補(bǔ)充塑料凝固引起的收縮。跟著是冷卻階段，將模具冷卻至有足夠的剛度脫出模具。最后是脫模階段，即打開模具然后頂出零件，再合上模具開始下一個(gè)循環(huán)[4]。
需要注塑成型的塑料產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造與預(yù)期性能是要靠經(jīng)驗(yàn)控制的一個(gè)昂貴的過程，包括實(shí)際對(duì)封面壓花的修改。在模具設(shè)計(jì)之中，設(shè)計(jì)模具具體補(bǔ)充幾何，通常在核心邊，包括相當(dāng)復(fù)雜的投射和凹槽[5]。
設(shè)計(jì)模具時(shí)必須考慮到許多重要設(shè)計(jì)系數(shù)。?這些因素是模具的大小，型腔的個(gè)數(shù)及布局、流道系統(tǒng)，澆口系統(tǒng)、脫模系統(tǒng)和收縮率[6]。
對(duì)模具的熱分析，主要宗旨將分析殘余熱應(yīng)力的作用或產(chǎn)品直徑方向的壓注。熱感應(yīng)強(qiáng)度的增強(qiáng)主要在模塑零件的冷卻階段，主要因?yàn)樗牡蛯?dǎo)熱性和在溶融樹脂和模具之間的溫差。在冷卻期間產(chǎn)品模腔附近也會(huì)存在溫度不均勻的區(qū)域 [7]。
在冷卻期間，冷卻通道附近的區(qū)域比冷卻通道遠(yuǎn)處的區(qū)域冷卻得更快。這個(gè)溫差會(huì)造成材料的不均勻收縮從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。強(qiáng)熱應(yīng)力會(huì)引起翹曲問題。所以，它是模仿模塑零件在冷卻期間殘余熱應(yīng)力區(qū)域的重要階段[8]。通過了解熱應(yīng)力發(fā)生的特征，對(duì)其造成的變形可以預(yù)先模擬。
在本文中注塑模的設(shè)計(jì)是為了產(chǎn)生翹曲的測(cè)試樣本和能對(duì)呈現(xiàn)在模具上殘余熱應(yīng)力的作用執(zhí)行熱分析。
2.操作方法
2.1. 翹曲測(cè)試標(biāo)本的設(shè)計(jì)
這個(gè)部分說明用于注塑模的翹曲測(cè)試的標(biāo)本設(shè)計(jì)。它表明翹曲是存在于薄壁產(chǎn)品的主要問題。所以，產(chǎn)品開發(fā)的主要目的在于控制能影響薄壁注塑零件翹曲問題的有效的因素。
翹曲測(cè)試樣本是薄壁注塑零件。樣本的總體尺寸是長(zhǎng)120mm、寬50mm、厚1mm。為導(dǎo)致翹曲，測(cè)試標(biāo)本所用的材料是丙烯腈丁鄰二烯 (ABS)，射入溫度、時(shí)間和壓力分別為210℃， 3 s和60MPa。圖1顯示翹曲測(cè)試樣本。
2.2. 為翹曲測(cè)試樣本設(shè)計(jì)注塑模具
這個(gè)部分描述在設(shè)計(jì)模具和介入設(shè)計(jì)的其他考慮因素方面導(dǎo)致翹曲的測(cè)試樣本。用于生產(chǎn)翹曲測(cè)試樣本注塑模具的材料是AISI 1050碳鋼。在設(shè)計(jì)模具時(shí)可以考慮以下四種類型：
?????????? i.三板模（類型1）一個(gè) 型腔兩條分型線。費(fèi)用較高，不適用。
??????? ? ii.二板模（類型2）一個(gè) 型腔一條分型線，沒有澆注系統(tǒng)。每次生產(chǎn)數(shù)量少，不適用。
??????? iii.二板模（類型3）兩個(gè) 型腔一條分型線，帶有澆注和脫模系統(tǒng)。如果零件太薄有可能會(huì)被頂桿推破，不適用。
?????? iv.?二板模（類型4）兩個(gè) 型腔一條分型線，利用直澆口脫模以避免損壞零件。
在為翹曲測(cè)試樣本設(shè)計(jì)模具時(shí)宜選用第四種類型。設(shè)計(jì)時(shí)還有許多因素需要考慮。
首先，模具的設(shè)計(jì)基于選用的注塑機(jī)的壓板尺寸。壓板的最大區(qū)域取決于兩系桿之間的距離，這對(duì)于注塑機(jī)來說是一個(gè)限制。這里用的注塑機(jī)的兩系桿距離為254mm。所以模具板材的最大寬度不能超過這個(gè)距離。此外，還有4mm的空間留在系桿和模具之間以便模具的拆裝。這使模具的最大尺寸為250mm，可采用標(biāo)準(zhǔn)模具基體。并在模具基體的右上角和左下角用卡釘固定在壓板上。其他相關(guān)模板的尺寸見表1。
表1 各模板尺寸
零件
尺寸（mm）—長(zhǎng) 寬 高
頂部壓緊板
母模板
公模板
側(cè)板/底版
推桿固定板
推板
動(dòng)模座板
250×250×25
200×250×40
200×250×40
37×250×70
120×250×15
120×250×20
250×250×25
模具必須與夾壓力一同設(shè)計(jì)讓夾緊力比模腔內(nèi)作用力力更高 (反應(yīng)力) 從而避免塑料噴濺的發(fā)生。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模具提供的尺寸，公模板的寬和高分別為200mm和250mm。這些尺寸使水平地被安置的公模板上有足夠的空間來設(shè)計(jì)雙模腔，而母模板只需留有固定澆口套的空間以便注入溶融塑料。所以，在產(chǎn)品的表面只會(huì)留下一條分型線的痕跡。在開模時(shí)產(chǎn)品和流道將在分型面同時(shí)脫落。
這套模具的澆口形式是標(biāo)準(zhǔn)澆口或側(cè)澆口。澆口是位于流道和產(chǎn)品之間的。澆口的底部被設(shè)計(jì)成只有0.5mm厚并有20°的斜度目的是為了更容易注入塑料。澆口的另一頭也就是溶融塑料注入的一側(cè)則有4mm寬0.5mm厚。
設(shè)計(jì)這個(gè)模具時(shí)，選用了截面為拋物面形式的流道，可以只在公模板上方便的加工。但是，這種形式的流道與圓形流道相比有更多的熱量損失和廢料。這可能使熔融塑料冷卻過快。所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使流道比較短且至少要有6mm的徑向尺寸。
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)來說是很重要的一點(diǎn)?；谶@點(diǎn)，模腔的布局一般都是對(duì)稱的。
另外，氣孔的設(shè)計(jì)也是模具設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的方面。公模板和母模板的配合表面有很高的加工精度以防止注塑時(shí)泄露的發(fā)生。但是，這會(huì)使空氣被封閉在閉合模腔內(nèi)從而導(dǎo)致短射或使零件不完整。合適起氣孔設(shè)計(jì)可以使空氣釋放出來不會(huì)出現(xiàn)零件不完整的現(xiàn)象。
冷卻系統(tǒng)是沿模腔長(zhǎng)度方向在模具上打出的水平孔，只起冷卻作用。在湍流情況下，水線可以充分冷卻模具。圖2顯示了在公模板上氣孔、水線以及模腔的布局。
圖2 在公模板上氣孔、水線以及模腔的布局
在這個(gè)設(shè)計(jì)中，脫模系統(tǒng)只有推桿固定板、澆口套和推板。交口套的位于公模的中心，它的作用不僅是將產(chǎn)品固定在合適位置，在開模是還起到將產(chǎn)品拉出模腔的作用。因?yàn)楫a(chǎn)品非常薄，通常為1mm，所以不需要設(shè)計(jì)其附加的推桿。模腔里的推桿反而有可能在脫模的時(shí)候在零件上推出破孔。
最后，還要根據(jù)材料的收縮率留出足夠的公差補(bǔ)償。
圖3所示的是用Unigraphics設(shè)計(jì)的模具三維模型以及線框模型。
3.結(jié)果與討論
3.1. 產(chǎn)品的生產(chǎn)及改良
模具的設(shè)計(jì)和制造完成后，試模注塑出來的翹曲試樣會(huì)存在很多缺陷。包括短射、噴濺和翹曲。短射的解決可以通過在模腔的角落里銑出附加的氣孔來排出被困的空氣。同時(shí)，減小注射壓力可以減小噴濺的發(fā)生。對(duì)于翹曲的控制可以通過控制很多因素，例如注射時(shí)間、注射溫度和溶料溫度。
經(jīng)過這些修整之后，模具可以生產(chǎn)出低成本高質(zhì)量的翹曲試樣，這些試樣需要經(jīng)過簡(jiǎn)單的拋光處理。圖4顯示的是修整后的模具，加工出附加的排氣孔可避免短射現(xiàn)象的發(fā)生。
圖4 附加氣孔以避免短射
3.2. 模具及產(chǎn)品的詳細(xì)分析
模具和試樣都準(zhǔn)備好之后，就可以對(duì)其進(jìn)行分析了。在注塑的過程中，210℃熔融的ABS通過母模上的澆口套直接注入模腔，經(jīng)過冷卻，制件就成型了。制件的生產(chǎn)周期為35s，包括20s的冷卻時(shí)間。用來制造模具的材料是AISI 1050碳鋼。表2列出了ABS以及AISI 1050碳鋼的性能。
表2 ABS以及AISI 1050碳鋼的性能
模具，AISI 1050碳鋼
試樣，ABS
密度 7860 kg/m3
彈性模量 208 GPa
泊松比 0.297
屈服強(qiáng)度 365.4MPa
抗拉強(qiáng)度 636MPa
熱膨脹率 65×10?6 K?1
電導(dǎo)率 0.135 W/(m K)
比熱 1250 J/(kg K)
1050 kg/m3
2.519 GPa
0.4
65MPa
?
11.65×10?6 K?1
49.4 W/(m K)
477 J/(kg K)
由于對(duì)稱，在注塑過程中只需對(duì)公模和母模垂直截面的上半部分進(jìn)行熱分析。 圖5所示的是多層模板閉合的熱分析模型。
建模包括分配各部分的性能以及模型的循環(huán)周期。這樣可以用有限元分析軟件用造型模擬模具模型進(jìn)行分析，還可以繪制時(shí)間響應(yīng)曲線顯示再某段時(shí)間內(nèi)特定區(qū)域的溫差變化。
對(duì)試樣的分析可以用LUSAS分析員13.5.版本分析雙向拉伸應(yīng)力。一般只需在試樣的一端施加拉力另一端則固定住，然后慢慢增加拉力一直到達(dá)塑性極限。
圖5 熱分析模型 圖6 試樣分析的加載模型
3.3. 模具及試樣分析的結(jié)果及討論
模具分析過程對(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。
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8所示是繪制時(shí)間響應(yīng)曲線所選的節(jié)點(diǎn)。
圖9—17所示的是圖8中各節(jié)點(diǎn)的溫度分布曲線。
圖7 不同時(shí)間段的熱量等高線分布圖
圖8 在制件上為繪制時(shí)間響應(yīng)曲線選擇的節(jié)點(diǎn)
圖9 節(jié)點(diǎn)284的溫度分布曲線
從圖9—17中的溫度分布曲線可以清楚的看出每個(gè)節(jié)為曲線圖選擇計(jì)畫翻譯經(jīng)歷溫度的增加, 也就是從那對(duì)特定的溫度周圍超過溫度比較高的周圍溫度然后在這保持持續(xù)一段特定時(shí)間的溫度。?這些增加溫度是由溶化塑料的注入產(chǎn)品的型腔所引起的。
在一段特定時(shí)間之后, 溫度更進(jìn)一步增加達(dá)成最高的溫度，然后保持該溫度。?這里的溫度增加是由于包裝階段相關(guān)的高壓導(dǎo)致的。?這個(gè)溫度一直持續(xù)到冷卻階段的開始。?計(jì)畫翻譯的曲線圖不是平滑適當(dāng)?shù)牡侥禽斎肴芑说某涮钗锫实娜鄙俟δ芩芰虾屠鋬鰟┑睦鋮s比率。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。這條曲線僅反應(yīng)了一個(gè)周期里可以達(dá)到的最高溫度。
熱殘余應(yīng)力的分析中最關(guān)鍵的階段在冷卻階段。這是因?yàn)槔鋮s階段導(dǎo)致材料冷卻從高溫到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度的低溫。?物質(zhì)的不均勻收縮可能產(chǎn)生熱應(yīng)力從而引起翹曲。
圖10 節(jié)點(diǎn)213的溫度分布曲線
圖11 節(jié)點(diǎn)302的溫度分布曲線
圖12 節(jié)點(diǎn)290的溫度分布曲線
如圖9-17中所示冷卻階段后的溫度顯示，離水線越近的地方冷卻效果越好，相反則越差。冷卻越快收縮也越大。雖然，節(jié)點(diǎn)284離水線最遠(yuǎn)，卻冷卻得很快，那是因?yàn)闊崃勘会尫诺街車沫h(huán)境中了。
圖13 節(jié)點(diǎn)278的溫度分布曲線 圖14 節(jié)點(diǎn)1838的溫度分布曲線
圖15 節(jié)點(diǎn)1904的溫度分布曲線 圖16 節(jié)點(diǎn)1853的溫度分布曲線
圖17 節(jié)點(diǎn)1866的溫度分布曲線
根據(jù)以上所述，水線位于產(chǎn)品型腔的中心引起了中心周圍的溫度高于其他區(qū)域。因此，中心區(qū)域會(huì)由于受到收縮力的作用產(chǎn)生更大的收縮從而產(chǎn)生翹曲。?然而, 冷卻溫度在不同的節(jié)點(diǎn)處的不同很小，翹曲效果不非常明顯。設(shè)計(jì)一個(gè)有比較小的殘余熱應(yīng)力作用和一個(gè)有效率的冷卻系統(tǒng)的模具對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)者來說是很重要的。
對(duì)于產(chǎn)品分析, 從被實(shí)行開始到分析塑料產(chǎn)品,在產(chǎn)品上不同負(fù)荷因素的狀態(tài)下的應(yīng)力分配情況可以通過觀察生成的二維曲進(jìn)行線分析。
分析的時(shí)候選擇了一個(gè)臨界節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)127，這是拉應(yīng)力最大的時(shí)候。此時(shí)參考負(fù)載應(yīng)力曲線如圖23,它很清楚表明產(chǎn)品在增加拉力負(fù)荷，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。
4.結(jié)論
經(jīng)過翹曲測(cè)試試樣的分析確定影響翹曲的參數(shù)來設(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)過很少的表面處理。
通過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。
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