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南京理工大學泰州科技學院
畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯
系 部： 機械工程系
專 業(yè)： 機械工程及自動化
姓 名： 干瑞彬
學 號： 05010116
外文出處：Journal of Materials Processing
Technology 171 (2006) 259—267
附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
指導教師評語：
譯文語句通順，專業(yè)詞匯較準確，基本符合規(guī)范和畢業(yè)設計相關要求。
簽名：
年 月 日
附件1：外文資料翻譯譯文
注塑模具的設計及其熱分析
S.H. Tang ?, Y.M. Kong, S.M. Sapuan, R. Samin, S. Sulaiman
摘要：本文介紹注塑模具設計生產翹曲測試樣本以及為了獲得殘余熱應力的影響在模具中執(zhí)行熱分析。這項技術、理論、方法在注射模具設計中必須被考慮運用。在商業(yè)計算機上使用13.0版本的計算機輔助設計軟件UG進行模具的設計。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力的分析報告。該軟件提供模型的溫度等高線分布圖并通過注塑周期時間響應曲線繪制溫度變化曲線。結果表明與其它區(qū)域相比收縮更可能會發(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同區(qū)域翹曲的產生。
關鍵詞：注塑模具 設計 熱分析
1． 引言
塑料工業(yè)被列為一個數十億美元的產業(yè)，是世界上增長最快的行業(yè)之一。在日常生活中幾乎所有的用品都離不開塑料，而大多數這些塑料都可以用注塑的方法生[ 1 ]。 眾所周知注塑成型加工是以較低的成本生產各種形狀復雜的幾何體產品 [ 2 ]。
注塑成型加工是一個循環(huán)過程。在注塑過程中有四個重要的階段。這四個階段是加料階段、保壓階段、冷卻階段和頂出頂出。塑料注塑成型加工首先是往注射機料斗中添加樹脂和適當的添加劑，并加熱塑料注射機的料斗到噴嘴部分[ 3 ]。在注射溫度下模具型腔充滿熱聚合物熔體，在模具型腔填滿后的保壓階段，更高壓力下更多的聚合物熔體裝入型腔，以補償前期聚合物凝固引起的收縮。接下來是模具的冷卻階段，塑件在排出前被冷卻到足夠的強度。最后一步是頂出階段，模具開模同時頂出塑件， 然后模具再次合上并開始下一個周期。
事實證明設計和制造理想性能的高分子注塑成型零件是一個昂貴的工程，包括反復修改加工，在模具設計任務中，設計模具明確附加幾何結構，核心方面通常包括相當復雜的凸凹面[5]。
為了設計模具必須考慮許多重要的設計因素。這些因素分別是模具的尺寸、型腔數、型腔的布局、澆注系統(tǒng)、澆口系統(tǒng)、收縮和頂出機構[ 6 ]。
在模具的熱分析中，其主要目的是分析影響殘余熱應力或壓力對產品尺寸的影響。熱誘導應力主要發(fā)生在注塑成型的冷卻階段，主要是因為其熱傳導性低以及熔融樹脂與模具之間的溫差。在冷卻期間產品的冷卻腔周圍溫度存在不均衡 [ 7 ]。
在冷卻時，冷卻管道附近的冷卻效果比遠離冷卻管道區(qū)域的冷卻效果好。不同的溫度導致不同的收縮，不同的收縮導致熱應力而顯著的熱應力可能會導致翹曲問題。因此，在冷卻階段對注射工件進行殘余熱應力模擬分析是非常重要的[ 8 ] 。通過了解熱應力的分布特點，可以預測殘余熱應力引起的變形。
本文介紹了注塑模具設計生產翹曲試樣以及為了獲得殘余熱應力影響而在模具中執(zhí)行熱分析。
2. 方法
2.1 設計翹曲測試樣本
本節(jié)說明了用于注塑模具的翹曲測試樣品的設計。很顯然翹曲的主要問題存在于產品的薄殼特征。因此，產品開發(fā)的主要目的是設計一個塑件，以確定注塑工件薄殼翹曲問題的有效因素。
翹曲測試樣本是薄殼塑料。樣本的總體尺寸長120mm，寬50mm,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時間生產翹曲測試樣本。圖1顯示了翹曲測試樣本的制作
圖1 翹曲測試樣本制作
2.2 翹曲測試樣本注塑模具的設計
本節(jié)介紹了設計生產翹曲測試標本時，在模具的設計方面和其他方面的考慮因素。用于生產翹曲測試樣本注塑模具的材料是AISI1050碳鋼。在模具設計時考慮了四個構思，其中包括：
i. 三板式模具（構思1 ）有一個型腔兩個分型面。由于成本高，所以不適用。
ii. 兩板式模具（構思2 ）有一個型腔一個分型面但無澆注系統(tǒng)。由于單位時間內注射生產量低，不適用。
iii. 雙板模具（構思3 ）有一個分型面和兩個型腔，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（構思4 ）有一個分型面和兩個型腔帶澆注系統(tǒng)，只用拉料桿為頂出機構，避免頂出時破壞塑件。
翹曲測試樣本模具設計的第四個構思被應用。在模具設計中，還有許多因素需要考慮。
首先，根據注塑機使用的壓板尺寸設計模具。注塑機行程是有限的，通過兩個拉桿間的距離確定注射機的最大行程。注射機兩個拉桿間的距離為254mm，因此，最大模板寬度不應超過254mm這個距離。此外在模具和兩連桿中留出4mm的間隙便于模具的拆裝。這最終使模具最大寬度250mm。250X250的標準模架最終被使用。其他有關模板的尺寸則列于表1
成分
規(guī)格（ mm ）寬×高度×厚度
頂端夾緊板
定模座板
動模座板
支承板
推桿固定板
推板
夾緊板底
250 × 250 × 25
200 × 250 × 40
200 × 250 × 40
37 × 250 × 70
120 × 250 × 15
120 × 250 × 20
250 × 250 × 25
模具已設計了夾緊壓力，鎖模力應高于內部腔力（反作用力）以避免飛邊的發(fā)生。
以提供的標準模架尺寸為根據，凹模的寬度和高度的分別是200和250毫米，使得模板上的這些尺寸有足夠的空間設計兩個水平的型腔，而凸模只需留有固定澆口套的空間以便注入溶融塑料。因此，在產品的表面只設計了一個分型面。在開模的時候，塑件和流道在分型面上被分開。
模具設計了直接澆口或側澆口。澆口位于流道和塑件之間。為了便于注入塑料澆口底部設計了一個20°的錐角斜度和0.5mm的壁厚。為了熔融塑料的流入，還設計了4mm寬，0.5mm厚的澆口。
在模具設計時，選定了拋物面類型的流道。在這種情況下，它的優(yōu)點是僅需簡單的加工模具凸模部分。然與圓形截面類型相比，這種類型的流道有不利之處，如更多的熱量損耗和廢料。這可能會導致熔融塑料更容易固化。所以在設計時應縮短流道長度并增大流道直徑至少有6mm。
材料或熔融塑料在同一溫度同一壓力下同時被送到個模腔對于流道設計來說是很重要的一點?；谶@點，模腔的布局一般都是對稱的。
另一個設計方面是考慮到了氣孔設計。凹模和凸模配合面之間有非常好的修整，以防止飛邊的發(fā)生。然而當模具閉合時，可能會導致空氣閉于型腔內，導致塑件注射不足或不完整。設計足夠多的通風孔以確保型腔內的空氣可以被釋放，避免不完整的塑件發(fā)生。
為了讓冷卻更均勻，冷卻系統(tǒng)沿著模具型腔水平設置。在紊流的情況下，冷卻渠道提供了足夠的冷卻水冷卻模具。圖2顯示了在凸模上氣孔和冷卻管道的布局。
圖2 凸模上氣孔和冷卻管道的布局
在此模具設計中，頂出系統(tǒng)只由推桿固定板、拉料桿，澆口套組成。拉料桿設置與凸模的中心位置，在模具打開時不僅承擔拉著塑件到適當的位置，而且在頂出階段，作為推桿從模具中推出塑件。因為生產的產品僅有1毫米非常薄的，所以沒有額外推桿被使用或設置。在頂出階段額外的推桿可能會造成塑件產生孔或破壞塑件。
最后，為補償材料的收縮足夠的尺寸偏差被考慮。 圖3顯示三維實體造型，以及利用UG開發(fā)的模具的線框模型
圖3 三維實體造型以及利用UG開發(fā)的模具的線框模型
3．結果和討論
3.1塑件的制作生產及調整
從模具設計和制作的角度看，在試運行階段制作的翹曲測試樣本存在缺陷。該缺陷是注射不足，飛邊和翹曲。飛邊后來通過在型腔角上銑削額外的氣孔讓空氣排除的方法解決。同時，通過減小注塑機壓力減少了飛邊的產生。通過控制注射時間、注射溫度、熔融溫度等不同參數，控制翹曲變形。
經過這些修改，模具在低成本的情況下生產出了高質量的翹曲測試樣本，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4 加工額外的排氣孔可以消去注射不足
3.2.模具和產品詳細分析
在塑料注射成型過程中，熔融ABS在210 ? C溫度下通過凹模上的澆口襯套直接注射到模具型腔，經過冷卻，塑件就成型了。塑件的生產周期需要花35秒，包括20秒冷卻時間。
用于生產翹曲測試樣本材料的是ABS在注射溫度、時間、壓力分別為210℃，3秒和60MPa。用于生產翹曲測試樣本注塑模具的材料是AISI1050碳鋼。
運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。
模具分析主要是凹模和凸模，因為他們是形成塑件的地方。因此，使用13.5版本的商用有限元分析軟件LUSAS分析家研究不同時段溫度的分布。使用二維熱分析研究殘余熱應力在不同區(qū)域對模具的影響。
由于對稱性，只要通過凸模的垂直斷面或在注射階段當凸凹模合在一起時的側面圖建立模型執(zhí)行熱分析。圖5所示的是模板的熱分析模型。
圖5 模具熱分析
建立模型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行分析，還可以繪制時間響應曲線顯示再某段時間內特定區(qū)域的溫差變化。
對試樣分析，使用13.5版本的LUSAS分析家進行雙向拉伸應力分析。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塑性極限。圖6所示的是分析的負載模型。
圖6 負載模型分析的產品。
3.3. 模具及試樣分析的結果及討論
模具分析過程對不同時間段的熱量分布作了觀測。圖7所示是在一個完整的注塑周期中不同時間段的二維等高線熱量分布圖。
圖7 不同時段溫度分布圖
對模具進行二維分析后，可繪制出時間響應曲線以分析殘余熱應力對制件的影響。圖8所示是繪制時間響應曲線所選的節(jié)點。
圖8 繪制時間響應曲線所選的節(jié)點
圖9到圖17顯示了在圖8中被標注的不同節(jié)點的溫度分布曲線
圖9節(jié)點284溫度分布
圖10 節(jié)點213溫度分
圖11 節(jié)點302溫度分布
圖12 節(jié)點290溫度分布
圖13 節(jié)點278溫度分布
圖14 節(jié)點1838溫度分布
圖15 節(jié)點1904溫度分布
圖16 節(jié)點1853溫度分布
圖17 節(jié)點1866溫度分布
從圖9—17中很顯然被選擇用來繪制曲線的每一個節(jié)點的溫度都是遞增的,也從室溫到高于室溫，然后再次溫度下保持一段時間。這些溫度上升是由于塑料溶液注入到了塑件的型腔內造成的。
經過一段時間后，溫度進一步上升直至達到最高溫度，然后保持在最高溫度下。由于保壓階段涉及高壓導致溫度上升。溫度保持不變直到冷卻階段開始，從而導致模具溫度減小到一個低值，然后保持該低值。繪制的曲線是不平滑的，因為注入熔融塑料的速率和冷卻速率是相應的。繪制的曲線圖僅僅顯示了在周期內溫度能達到的最大值。
冷卻階段是決定殘余熱應力的最關鍵階段。這是因為冷卻階段，材料冷卻從上面到下面玻璃化轉變溫度。物質的不均勻收縮可能產生熱應力從而引起翹曲。
如圖9-17中所示冷卻階段后的溫度，很明顯在冷卻管道附近的塑件由于溫度減小的更多，塑件獲得了更好的冷卻而遠離冷卻管道區(qū)域的塑件冷卻效果差。冷卻效果好、冷卻速度快意味著在該區(qū)域發(fā)生更多的收縮。最遠的區(qū)域節(jié)點284，雖然遠離冷卻管道，但由于向空氣中散熱冷卻更快。
因此，冷卻通道設在產品型腔的中心，造成冷卻管道附近和其他區(qū)域間產生溫差。由于發(fā)生收縮使得在塑件的中心區(qū)域產生壓應力以及由于發(fā)生不均衡的收縮導致翹曲。然而，在冷卻后不同節(jié)點的溫差很小，翹曲變形也不是很明顯。對設計師來說設計一副殘余熱應力效果小和高效的冷卻系統(tǒng)是非常重要的。
對于產品分析,從被實行開始到分析塑料產品,在產品上不同載荷因素的狀態(tài)下的應力分配情況可以通過觀察生成的二維曲進行線分析。圖18—21顯示了不同荷載增量下的等效應力圖。
圖18 荷載增量1下的等效應力圖
圖19 荷載增量14下的等效應力圖
圖20 荷載增量16下的等效應力圖
圖21 荷載增量23下的等效應力圖
在關鍵的127節(jié)點，選定產品的最大拉應力進行分析。應力應變曲線和應力負載增量曲線。如圖22和23
圖22 應力應變曲線
圖23 應力與負載增量曲線
參考負載應力曲線如圖23,它很清楚表明產品在增加拉力載荷，直到它達到了23的負載因數,這意謂產品能抵抗的1150 N的拉力。由圖23可知,對產品的固定端以施加最大應力3.27 ×107 Pa時損壞可能發(fā)生在其附近區(qū)域。
該產品應力分析資料十分有限，因為生產產品的目的是為了翹曲測試，所以沒必要進行拉伸負載分析。但是在未來，應當確定產品情況，以便在其他各種負載情況下執(zhí)行進一步的分析。
4．結論
經過翹曲測試試樣的分析確定影響翹曲的參數來設計的模具已經使產品質量達到最高。生產測試試樣所需的成本很低而且只需經過很少的表面處理。
通過注塑模的熱分析得出殘余熱應力對試樣的影響，對加載拉應力的分析也可以預測到翹曲測試試樣所能承受的最大拉力。
鳴謝
作者要感謝馬來西亞博特拉大學工學部發(fā)行出版了本文。
參考文獻
附件2：外文原文（復印件）