4”號(hào)碗注塑模具設(shè)計(jì)【說明書+CAD】
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4碗注塑模設(shè)計(jì)XXXXXXX UNIVERSITY本 科 畢 業(yè) 論 文(設(shè) 計(jì))題目: 4碗注塑模設(shè)計(jì) 學(xué) 院: 工學(xué)院 姓 名: XXXX 學(xué) 號(hào): 專 業(yè): 機(jī)械制造設(shè)計(jì)及自動(dòng)化 年 級(jí): 機(jī)制081 指導(dǎo)教師: XXXX 職 稱: 副教授 二一二 年 五 月江西農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書設(shè)計(jì)(論文)課題名稱4”號(hào)碗注塑模設(shè)計(jì)學(xué)生姓名歐陽勰院(系)工學(xué)院專 業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師XXXX職 稱副教授學(xué) 歷研究生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)要求:1、好學(xué)上進(jìn),能吃苦耐勞,刻苦鉆研,有相應(yīng)專業(yè)知識(shí),具備獨(dú)立工作能力;2、能及時(shí)地查閱到國(guó)內(nèi)外與本課題相關(guān)的資料和文件;3、會(huì)計(jì)算機(jī)繪圖,能通過計(jì)算機(jī)繪圖繪制相應(yīng)的零件、部件和組件,繪制出總裝配圖;4、工作量要符合我院畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求;5、根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成畢業(yè)答辯所需要的全部工作。畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)內(nèi)容與技術(shù)參數(shù):設(shè)計(jì)課題:4”碗注射塑模設(shè)計(jì)材料:ABS 板材厚度3mm 生產(chǎn)批量:大批量畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作計(jì)劃:第一階段:了解注塑模的生產(chǎn)過程;查閱國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料和文件分析注塑模的工藝特點(diǎn),查找相關(guān)的裝置;第二階段:研究其它注塑模的工作原理,提出注塑模的設(shè)計(jì)思想;第三階段:給出總體方案,畫出工作草圖,通過計(jì)算機(jī)繪圖繪制相應(yīng)的零件和部件,繪制出注塑??傃b配圖;第四階段:撰寫出設(shè)計(jì)說明書;根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成畢業(yè)答辯所需要的所有工作。接受任務(wù)日期 年 月 日 要求完成日期 年 月 日學(xué) 生 簽 名 年 月 日指導(dǎo)教師簽名 年 月 日系主任簽名 年 月 日摘要 在中國(guó),人們已經(jīng)越來越認(rèn)識(shí)到模具在制造中的重要擠出地位,認(rèn)識(shí)到模具技術(shù)技術(shù)水平的高低,已成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平高低的重要標(biāo)志,并在很大程度上決定著產(chǎn)品質(zhì)量,效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力。 通模具按制造的產(chǎn)品分類,可以分為塑料模具(又分為注塑模具,鑄壓模具和吹塑模具),沖壓模具,鑄造模具,橡膠模具和玻璃模具等。其中尤以注塑模具和沖壓模具用途廣,技術(shù)成熟,占據(jù)的比重重大。經(jīng)過對(duì)4碗工藝的正確分析,設(shè)計(jì)了一模四腔的塑料模具。詳細(xì)的敘述了模具成型零件包括型腔,型芯等設(shè)計(jì),重要的零件的工藝參數(shù)的選擇和計(jì)算,澆注系統(tǒng),冷卻系統(tǒng)以及其它結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程,模架的選擇原則。并利用PRO/E中的Plastic Advisor(塑料顧問)對(duì)設(shè)計(jì)完成的塑料模具進(jìn)行了塑料流動(dòng)分析。關(guān)鍵詞:4碗;注塑模具;PRO/E;CADAbstract In china, people tend to recognize the important tool in the manufacture of mould, recognizing the status of those technical skills, and has become a country level of the manufacturing industry, and a large extent on product quality, efficiency and the new product developing ability. Die by manufacturing the product category, can be divided into plastic molds ( also divided into injection mold, pressure casting mold and blow mold), stamping die, die casting, rubber molds and glass molds. Especially in the injection mold and die stamping uses, technology is mature, occupied by major. After the4 bowl of the correct analysis of the technology, designing a mold four cavity mold. A detailed description of the mold of molding parts includes a cavity, core design, an important part of the process parameter selection and calculation, pouring system, cooling system and other structural design process, the choice of mold principle. And the use of PRO / E Plastic Advisor ( Plastic Advisor ) on the finished design plastic mold of plastic flow analysis.Key words :4bowl;injection mould;pro/e;cad22目錄摘要IAbstractII1、制品成型工藝分析11. 材料選擇11.1.1 PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)11.1.3 GPPS(通用級(jí)聚苯乙烯)11.1.4 AS(苯乙烯-丙烯腈共聚物)11.1.5 PP(聚丙烯)11.1.6 ABS(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物)21.1.7 綜述21.2 注塑模工藝21.3 ABS塑料的成型工藝參數(shù)31.4 塑件的尺寸選擇31.4.1 塑件的尺寸32 注射成型機(jī)及標(biāo)準(zhǔn)模架的選擇42.1 產(chǎn)品立體圖42.2 注塑機(jī)的確定52.3 模架的初步選型63 型腔布局與分型面設(shè)計(jì)63.1 型腔的數(shù)目63.2 型腔的布局63.3 分型面的設(shè)計(jì)64 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)74.1 主流道設(shè)計(jì)74.2 主流道尺寸計(jì)算84.3 分流道的設(shè)計(jì)94.4 澆口的設(shè)計(jì)94.4.1 澆口的選用94.4.2 澆口位置的選用94.4.3 澆注系統(tǒng)的平衡104.4.4 排氣的設(shè)計(jì)104.5 澆口板的設(shè)計(jì)104.6 定位圈115 成型零件的設(shè)計(jì)125.1 成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)125.1.1 凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)125.1.2 型芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)135.2 成型零件工作尺寸計(jì)算135.2.1 影響工作尺寸的因素135.2.2 凹、凸模的工作尺寸計(jì)算145.2.2.1 凹模的工作尺寸146 合模導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)146.1 導(dǎo)柱導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)146.2 帶頭導(dǎo)柱156.3 帶頭導(dǎo)套157.脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)167.1 脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體原則167.2 推件力的計(jì)算167.3 復(fù)位桿167.4 推板177.5 推桿固定板177.6 推料板187.7 墊塊187.8 澆注系統(tǒng)凝料脫模機(jī)構(gòu)188.注塑模溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)199.注塑模排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)1910. 注射機(jī)工藝參數(shù)的校核1910.1、注射量1910.2 注射壓力1910.3 鎖模力1910.4 開模行程2010.5 最大流程比20參考文獻(xiàn)21致謝221、制品成型工藝分析1. 材料選擇制作塑料碗要考慮的因素主要有:是否符合食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn),是否環(huán)保,耐高溫性,塑料的韌性,耐候性,經(jīng)濟(jì)性。查閱資料,可選材料有PET,GPPS,AS,ABS,PP等,現(xiàn)分析如下1.1.1 PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)PET 是乳白色或淺黃色、高度結(jié)晶的聚合物,表面平滑有光澤。在較寬的溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能,長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)120,電絕緣性優(yōu)良,甚至在高溫高頻下,其電性能仍較好,但耐電暈性較差,抗蠕變性,耐疲勞性,耐摩擦性、尺寸穩(wěn)定性都很好。 1.1.2 PET的優(yōu)點(diǎn)有良好的力學(xué)性能,沖擊強(qiáng)度是其他薄膜的35倍,耐折性好。 耐油、耐脂肪、耐稀酸、稀堿,耐大多數(shù)溶劑。 具有優(yōu)良的耐高、低溫性能,可在120溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用,短期使用可耐150高溫,可耐-70低溫,且高、低溫時(shí)對(duì)其機(jī)械性能影響很小。 氣體和水蒸氣滲透率低,既有優(yōu)良的阻氣、水、油及異味性能。 透明度高,可阻擋紫外線,光澤性好。 無毒、無味,衛(wèi)生安全性好,可直接用于食品包裝。1.1.3 GPPS(通用級(jí)聚苯乙烯) 通用級(jí)聚苯乙烯,可用于日用品、電氣、儀表外殼、玩具、燈具、家用電器、文具、化妝品容器、室內(nèi)外裝飾品、果盤、光學(xué)零件(如三棱鏡、透鏡)透鏡窗鏡和模塑、車燈、電訊配件,電頻電容器薄膜,高頻絕緣材料、電視機(jī)等集裝箱、波導(dǎo)管,化工容器等。懸浮聚合樹脂可制成不同密度的泡沫塑料,用作絕熱、隔音、防震、漂浮、包裝材料,軟木代用品,預(yù)發(fā)泡體可作水過濾介質(zhì)及制備輕質(zhì)混凝土,低發(fā)泡塑料可制成合成木材做家具等經(jīng)常被用來制作各種需要承受開水的溫度的一次性容器,以及一次性泡沫飯盒等1.1.4 AS(苯乙烯-丙烯腈共聚物) AS,亦稱SAN,苯乙烯-丙烯腈共聚物,比聚苯乙烯有更高的沖擊強(qiáng)度和優(yōu)良的耐熱性,耐油性,耐化學(xué)腐蝕性。如它能很好地耐某些使聚苯乙烯應(yīng)力開裂的烴類。而彈性模量是現(xiàn)有熱塑性塑料中較高的一種。 AS為苯乙烯-丙烯腈共聚體,不易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力開裂。透明度很高,其軟化溫度和搞沖擊強(qiáng)度比PS高。物化性能 SAN(AS)具有很強(qiáng)的承受載荷的能力、抗化學(xué)反應(yīng)能力、抗熱變形特性和幾何穩(wěn)定性。SAN(AS)中加入玻璃纖維添加劑可以增加強(qiáng)度和抗熱變形能力,減小熱膨脹系數(shù)。SAN(AS)的維卡軟化溫度約為110。載荷下?lián)锨冃螠囟燃s為100。SAN(AS)的收縮率約為0.3-0.7%。SAN(AS)是一種堅(jiān)硬、透明的材料。苯乙烯成份使SAN(AS)堅(jiān)硬、透明并易于加工;丙烯腈成份使SAN(AS)具有化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。 1.1.5 PP(聚丙烯) 主要應(yīng)用于汽車工業(yè)(主要使用含金屬添加劑的PP:擋泥板、通風(fēng)管、風(fēng)扇等),器械(洗碗機(jī)門襯墊、干燥機(jī)通風(fēng)管、洗衣機(jī)框架及機(jī)蓋、冰箱門襯墊等),日用消費(fèi)品(草坪和園藝設(shè)備如 剪草機(jī)和噴水器等)。PP是一種半結(jié)晶性材料。它比PE要更堅(jiān)硬并且有更高的熔點(diǎn)。由于 均聚物型的PP溫度高于0以上時(shí)非常脆,因此許多商業(yè)的PP材料是加入14%乙烯的無規(guī)則共聚物或更高比率乙烯含量的鉗段式共聚物。共聚物型的PP材料有較低的熱扭曲溫度(100)、低透明度、低光澤度、低剛性,但是有有更強(qiáng)的抗沖擊強(qiáng)度。PP的強(qiáng)度隨著乙烯含量的增加而增大。PP的維卡軟化溫度為150。由于結(jié)晶度較高,這種材料的表面剛度和抗劃痕特性很好。PP不存在環(huán)境應(yīng)力開裂問題。通常,采用加入玻璃纖維、金屬添加劑或熱塑橡膠的方法對(duì)PP進(jìn)行改性。PP的流動(dòng)率MFR范圍在140。低MFR的PP材料抗沖擊特性較好但延展強(qiáng)度較低。對(duì)于相同MFR的材料,共聚物型的強(qiáng)度比均聚物型的要高。1.1.6 ABS(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物) ABS樹脂(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物,ABS是Acrylonitrile Butadiene Styrene的首字母縮寫)是一種強(qiáng)度高、韌性好、易于加工成型的熱塑型高分子材料。 隨著三種成分比例的調(diào)整,樹脂的物理性能會(huì)有一定的變化: 1,3-丁二烯為ABS樹脂提供低溫延展性和抗沖擊性,但是過多的丁二烯會(huì)降低樹脂的硬度、光澤及流動(dòng)性; 丙烯腈為ABS樹脂提供硬度、耐熱性、耐酸堿鹽等化學(xué)腐蝕的性質(zhì); 苯乙烯為ABS樹脂提供硬度、加工的流動(dòng)性及產(chǎn)品表面的光潔度。ABS樹脂是微黃色固體,有一定的韌性,密度約為1.041.06 gcm3。它抗酸、堿、鹽的腐蝕能力比較強(qiáng),也可在一定程度上耐受有機(jī)溶劑溶解。 ABS樹脂可以在-2560的環(huán)境下表現(xiàn)正常,而且有很好的成型性,加工出的產(chǎn)品表面光潔,易于染色和電鍍。因此它可以被用于家電玩具等日常用品。常見的樂高積木就是ABS制品。 ABS樹脂可與多種樹脂配混成共混物,如PCABS、ABS/PVC、PAABS、PBTABS等,產(chǎn)生新性能和新的應(yīng)用領(lǐng)域,如:將ABS樹脂和PMMA混合,可制造出透明ABS樹脂。1.1.7 綜述 ABS樹脂具有突出的力學(xué)性能和良好的綜合性能,ABS塑料的表面可以電鍍,無毒無味。故擬定本次設(shè)計(jì)采用ABS生產(chǎn)塑料碗。1.2 注塑模工藝干燥處理:如果儲(chǔ)存適當(dāng)則不需要干燥處理。熔化溫度:220275,注意不要超過275。模具溫度:4080,建議使用50。結(jié)晶程度主要由模具溫度決定。注射壓力:可大到1800bar。注射速度:通常,使用高速注塑可以使內(nèi)部壓力減小到最小。如果制品表面出現(xiàn)了缺陷,那么應(yīng)使用較高溫度下的低速注塑。流道和澆口:對(duì)于冷流道,典型的流道直徑范圍是47mm。建議使用通體為圓形的注入口和流道。所有類型的澆口都可以使用。典型的澆口直徑范圍是11.5mm,但也可以使用小到0.7mm的澆口。對(duì)于邊緣澆口,最小的澆口深度應(yīng)為壁厚的一半;最小的澆口寬度應(yīng)至少為壁厚的兩倍。PP材料完全可以使用熱流道系統(tǒng)。成型時(shí)間:注射時(shí)間 20s60s 高壓時(shí)間 0s3s 冷卻時(shí)間 20s90s 總周期 50s160s1.3 ABS塑料的成型工藝參數(shù)ABS塑料的成型工藝參數(shù)如表1所示:參數(shù)取值范圍選取數(shù)值密度1.021.05g/cm1.03g/cm收縮率S0.3%0.8%0.5%溫度/噴嘴180-190180料筒210-230220模具50-7060壓力MPa注射70-9080保壓50-7060時(shí)間/S注射3-53保壓15-3020冷卻15-3025總計(jì)40-7048表1 ABS塑料工藝參數(shù)1.4 塑件的尺寸選擇1.4.1 塑件的尺寸塑件尺寸的大小受制于以下因素:a) 取決于用戶的使用要求。b) 受制于塑件的流動(dòng)性。c) 受制于塑料熔體在流動(dòng)充填過程中所受到的結(jié)構(gòu)阻力。根據(jù)日常需要,取碗的碗口直徑為128mm,碗底直徑為57.9mm,碗高42mm,碗壁厚3mm。如圖1圖1 塑件尺寸1.4.2 塑件尺寸公差標(biāo)準(zhǔn)a) 影響塑件尺寸精度的因素主要有:塑料材料的收縮率及其波動(dòng)。b) 塑件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。c) 模具因素(含模具制造、模具磨損及壽命、模具的裝配、模具的合模及模具設(shè)計(jì)的不合理所可能帶來的形位誤差等)。d) 成型工藝因素(模塑成型的溫度T、壓力p、時(shí)間t及取向、結(jié)晶、成型后處理等)。e) 成型設(shè)備的控制精度等。其中,塑件尺寸精度主要取決于塑料收縮率的波動(dòng)及模具制造誤差。題中沒有公差值,則我們按未注公差的尺寸許偏差計(jì)算,查表取MT5。1.4.3 塑件的表面質(zhì)量塑件的表面質(zhì)量包括塑件缺陷、表面光澤性與表面粗糙度,其與模塑成型工藝、塑料的品種、模具成型零件的表面粗糙度、模具的磨損程度等相關(guān)。模具型腔的表面粗糙度通常應(yīng)比塑件對(duì)應(yīng)部位的表面粗糙度在數(shù)值上要低1-2級(jí)。2 注射成型機(jī)及標(biāo)準(zhǔn)模架的選擇2.1 產(chǎn)品立體圖本課題設(shè)計(jì)的塑料制品為4碗,本實(shí)體如圖2圖2 塑料實(shí)體圖2.2 注塑機(jī)的確定 該產(chǎn)品的材料為ABS,查手冊(cè)克制起密度1.031.07g/cm,收縮率為0.4%0.7%,計(jì)算出其平均密度為1.05g/cm,平均收縮率為0.55%。 使用PRO/E軟件計(jì)算出圖形的體積,可以得出塑料的體積為V件=64.6cm,根據(jù)塑件的密度可以計(jì)算出塑件的質(zhì)量為M件 =V件=1.0564.610-3=67.83g 澆注系統(tǒng)內(nèi)的凝料的體積計(jì)算大約為V注14.46cm,可以計(jì)算出澆注喜用內(nèi)凝料的質(zhì)量為M注=V注=1.0514.4615g,由此可以看出所需塑料的總體積和總質(zhì)量為V總=4V件+V注=464.6+14.46=272.86cm M總=4M件+M注=467.83+15=286g 根據(jù)所需塑料的總體積查表可以選擇注射機(jī)的型號(hào)為:XS-ZY-500(螺栓式)注射機(jī)的參數(shù): 注射容量:500cm 注射壓力:145MPa 合模力:3500KN 最大成型面積:1000cm2 模具最大厚度:450mm 模具最小厚度:300mm 最大開(合)模行程:500mm 動(dòng)定模固定板拉桿尺寸:600550mm 噴嘴球半徑:R=18mm 噴嘴的孔徑:5mm 定位圈的直徑為:125mm2.3 模架的初步選型寬400mm,長(zhǎng)460mm, 一模四腔根據(jù)GB/T 12555-2006,W 500初選DD5050-400*387*460定模板厚度:A=130mm動(dòng)模板厚度:B=52mm墊塊厚度:C=135mm模具厚度:H=70+A+B+C=(70+130+52+135)=387mm3 型腔布局與分型面設(shè)計(jì)3.1 型腔的數(shù)目 根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇一模四腔3.2 型腔的布局 考慮到模具成型零件和抽芯結(jié)構(gòu)以及出模方式的設(shè)計(jì),模具的型腔排列方式如下圖所示: 圖(1)3.3 分型面的設(shè)計(jì) 分型面位置選擇的總體原則,是能保證塑件的質(zhì)量、便于塑件脫模及簡(jiǎn)化模具的結(jié)構(gòu),分型面受到塑件在模具中的成型位置、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)、塑件的結(jié)構(gòu)工藝性及精度、嵌件位置形狀以及推出方法、模具的制造、排氣、操作工藝等多種因素的影響,因此在選擇分型面時(shí)應(yīng)綜合分析比較具體可以從以下方面進(jìn)行選擇。a) 分型面應(yīng)選在塑件外形最大輪廓處。b) 便于塑件順利脫模,盡量使塑件開模時(shí)留在動(dòng)模一邊。c) 保證塑件的精度要求。d) 滿足塑件的外觀質(zhì)量要求。e) 便于模具加工制造。f) 對(duì)成型面積的影響。g) 對(duì)排氣效果的影響。h) 對(duì)側(cè)向抽芯的影響。 主要有以下幾種分型面形式:平面分型面,傾斜分型面,階梯分型面,曲面分型面,互垂直分型面,為操作簡(jiǎn)單,節(jié)約經(jīng)濟(jì),選用平面分型面圖(2)分型面4 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 主流道設(shè)計(jì) 主流道是一端與注射機(jī)噴嘴相接觸,可看作是噴嘴的通道在模具中的延續(xù),另一端與分流道相連的一段帶有錐度的流動(dòng)通道。形狀結(jié)構(gòu)如圖(3)所示,其設(shè)計(jì)要點(diǎn): 圖(3)a) 主流道設(shè)計(jì)成圓錐形,其錐角可取26,流道壁表面粗糙度取Ra=0.63m,且加工時(shí)應(yīng)沿道軸向拋光。b) 主流道如端凹坑球面半徑R2比注射機(jī)的、噴嘴球半徑R1大12 mm;球面凹坑深度35mm;主流道始端入口直徑d比注射機(jī)的噴嘴孔直徑大0.51mm;一般d=2.55mm。c) 主流道末端呈圓無須過渡,圓角半徑r=13mm。d) 主流道長(zhǎng)度L以小于60mm為佳,最長(zhǎng)不宜超過95mm。e) 主流道常開設(shè)在可拆卸的主流道襯套上;其材料常用T8A,熱處理淬火后硬度5357HRC。4.2 主流道尺寸計(jì)算 根據(jù)選用的XSZY500型號(hào)的注射機(jī)相關(guān)尺寸得:噴嘴孔徑=4mm;噴嘴前端球面半徑=21mm;根據(jù)模具主流道與噴嘴的關(guān)系:R=+(12)=21+(12)=2122mmd=+(0.51)=7.5+(0.51)=88.5mm取主流道球面半徑R=21mm; 主流道小端直徑d=8mm。 4.3 分流道的設(shè)計(jì) 分流道是脫澆板下水平的流道。為了便于加工及凝料脫模,分流道大多設(shè)置在分型面上,分流道截面形狀一般為圓形梯形U形半圓形及矩形等。本次設(shè)計(jì)采用圓形分流道,分流道直徑7mm。a)分流道長(zhǎng)度 分流道要盡可能短,且少彎折,便于注射成型過程中最經(jīng)濟(jì)地使用原料和注射機(jī)的能耗,減少壓力損失和熱量損失。將分流道設(shè)計(jì)成直的,總長(zhǎng)160mm。b)分流道表面粗糙度 由于分流道中與模具接觸的外層塑料迅速冷卻,只有中心部位的塑料熔體的流動(dòng)狀態(tài)較為理想,因面分流道的內(nèi)表面粗糙度Ra并不要求很低,一般取1.6m左右既可,這樣表面稍不光滑,有助于塑料熔體的外層冷卻皮層固定,從而與中心部位的熔體之間產(chǎn)生一定的速度差,以保證熔體流動(dòng)時(shí)具有適宜的剪切速率和剪切熱。c)分流道表面粗糙度 分流道在分型面上的布置與前面所述型腔排列密切相關(guān),有多種不同的布置形式,但應(yīng)遵循兩方面原則:即一方面排列緊湊、縮小模具板面尺寸;另一方面流程盡量短、鎖模力力求平衡。本模具的流道布置形式采用平衡式, 如圖(1)所示。4.4 澆口的設(shè)計(jì) 澆口亦稱進(jìn)料口,是連接分流道與型腔的通道,除直接澆口外,它是澆注系統(tǒng)中截面最小的部分,但卻是澆注系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,澆口的位置、形狀及尺寸對(duì)塑件性能和質(zhì)量的影響很大。4.4.1 澆口的選用 它是流道系統(tǒng)和型腔之間的通道,這里我們采用點(diǎn)澆口: 澆口在成形自動(dòng)切數(shù)斷,故有利于自動(dòng)成形。 澆口的痕跡不明顯,通常不必后加工。 澆口之壓力損失大,必須高之射出壓力。 澆口部份易被固化之殘錙樹脂堵隹。 它常用于成型中、小型塑料件的一模多腔的模具中,也可用于單型腔模具或表面不允許有較大痕跡的塑件。4.4.2 澆口位置的選用模具設(shè)計(jì)時(shí),澆口的位置及尺寸要求比較嚴(yán)格,初步試模后還需進(jìn)一步修改澆口尺寸,無論采用何種澆口,其開設(shè)位置對(duì)塑件成型性能及質(zhì)量影響很大,因此合理選擇澆口的開設(shè)位置是提高質(zhì)量的重要環(huán)節(jié),同時(shí)澆口位置的不同還影響模具結(jié)構(gòu)??傊顾芗哂辛己玫男阅芘c外表,一定要認(rèn)真考慮澆口位置的選擇,如圖(6)所示。通常要考慮以下幾項(xiàng)原則: 盡量縮短流動(dòng)距離。 澆口應(yīng)開設(shè)在塑件壁厚最大處。 必須盡量減少熔接痕。 應(yīng)有利于型腔中氣體排出。 考慮分子定向影響。 避免產(chǎn)生噴射和蠕動(dòng)。 澆口處避免彎曲和受沖擊載荷。 注意對(duì)外觀質(zhì)量的影響。圖(5)進(jìn)澆點(diǎn)4.4.3 澆注系統(tǒng)的平衡 對(duì)于中小型塑件的注射模具己廣泛使用一模多腔的形式,設(shè)計(jì)應(yīng)盡量保證所有的型腔同時(shí)得到均一的充填和成型。一般在塑件形狀及模具結(jié)構(gòu)允許的情況下,應(yīng)將從主流道到各個(gè)型腔的分流道設(shè)計(jì)成長(zhǎng)度相等、形狀及截面尺寸相同(型腔布局為平衡式)的形式,否則就需要通過調(diào)節(jié)澆口尺寸使各澆口的流量及成型工藝條件達(dá)到一致,這就是澆注系統(tǒng)的平衡。顯然,我們?cè)O(shè)計(jì)的模具是平衡式的,即從主流道到各個(gè)型腔的分流道的長(zhǎng)度相等,形狀及截面尺寸都相同。4.4.4 排氣的設(shè)計(jì) 排氣槽的作用主要有兩點(diǎn)。一是在注射熔融物料時(shí),排除模腔內(nèi)的空氣;二是排除物料在加熱過程中產(chǎn)生的各種氣體。越是薄壁制品,越是遠(yuǎn)離澆口的部位,排氣槽的開設(shè)就顯得尤為重要。另外對(duì)于小型件或精密零件也要重視排氣槽的開設(shè),因?yàn)樗四鼙苊庵破繁砻孀苽妥⑸淞坎蛔阃猓€可以消除制品的各種缺陷,減少模具污染等。那么,模腔的排氣怎樣才算充分呢?一般來說,若以最高的注射速率注射熔料,在制品上卻未留下焦斑,就可以認(rèn)為模腔內(nèi)的排氣是充分的。適當(dāng)?shù)亻_設(shè)排氣槽;可以大大降低注射壓力、注射時(shí)間。保壓時(shí)間以及鎖模壓力,使塑件成型由困難變?yōu)槿菀祝瑥亩岣呱a(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,降低機(jī)器的能量消耗。其設(shè)計(jì)往往主要靠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),通過試模與修模再加以完善,此模我們利用模具零部件的配合間隙及分型面自然排氣。4.5 澆口板的設(shè)計(jì)根據(jù)GB/T 4169.19-2006塑料注射模模零件 第19部分,澆口套示意圖如下:圖(6) 澆口套D=20mm;D1=54mm;D2=60mm;L=80mm澆口套 2080 GB/T 4169.19-20064.6 定位圈 因?yàn)椴捎玫挠型羞缶?,所以用定位圈配合固定在模具的面板上。定位圈也是?biāo)準(zhǔn)件,外徑為100mm,內(nèi)徑53mm。根據(jù)GB/T 4169.18-2006塑料注射模具零件 第18部分,定位圈示意圖如下: 圖(7) 定位圈根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模架和CAD的標(biāo)注尺寸選擇如下幾何尺寸:D=100mm D1=53mm h=15mm材料:45鋼定位圈 100 GB/T 4169.18-20065 成型零件的設(shè)計(jì) 模具中決定塑件幾何形狀和尺寸的零件稱為成型零件,包括凹模、型芯、鑲塊、成型桿和成型環(huán)等。成型零件工作時(shí),直接與塑料接觸,塑料熔體的高壓、料流的沖刷,脫模時(shí)與塑件間還發(fā)生摩擦。因此,成型零件要求有正確的幾何形狀,較高的尺寸精度和較低的表面粗糙度,此外,成型零件還要求結(jié)構(gòu)合理,有較高的強(qiáng)度、剛度及較好的耐磨性能。 設(shè)計(jì)成型零件時(shí),應(yīng)根據(jù)塑料的特性和塑件的結(jié)構(gòu)及使用要求,確定型腔的總體結(jié)構(gòu),選擇分型面和澆口位置,確定脫模方式、排氣部位等,然后根據(jù)成型零件的加工、熱處理、裝配等要求進(jìn)行成型零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),計(jì)算成型零件的工作尺寸,對(duì)關(guān)鍵的成型零件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核。5.1 成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.1.1 凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 凹模是成型產(chǎn)品外形的主要部件。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn):隨產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和模具的加工方法而變化。 鑲拼的組合方式的優(yōu)點(diǎn): 對(duì)于形狀復(fù)雜的型腔,若采用整體式結(jié)構(gòu),比較難加工。所以采用組合式的凹模結(jié)構(gòu)。同時(shí)可以使凹模邊緣的材料的性能低于凹模的材料,避免了整體式凹模采用一樣的材料不經(jīng)濟(jì),由于凹模的鑲拼結(jié)構(gòu)可以通過間隙利于排氣,減少母模熱變形。對(duì)于母模中易磨損的部位采用鑲拼式,可以方便模具的維修,避免整體的凹模報(bào)廢。 組合式凹模簡(jiǎn)化了復(fù)雜凹模的機(jī)加工工藝,有利于模具成型零件的熱處理和模具的修復(fù),有利于采用鑲拼間隙來排氣,可節(jié)省貴重模具材料。圖(8)5.1.2 型芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 整體嵌入式型芯,適用于小型塑件的多腔模具及大中型模具中。最常用的嵌入裝配方法是臺(tái)肩墊板式,其他裝配方法還有通孔螺釘聯(lián)接式,沉孔螺釘聯(lián)接式。 圖(9)5.2 成型零件工作尺寸計(jì)算5.2.1 影響工作尺寸的因素(1)塑件收縮率的影響:聚丙烯收縮率為1.82.5(2)凹、凸模工作尺寸的制造公差:通常凹、凸模的制造公差取塑件公差的1/31/6,表面粗糙度取值為0.80.4。5.2.2 凹、凸模的工作尺寸計(jì)算5.2.2.1 凹模的工作尺寸徑向尺寸碗口: D1 =D1S(1+S)=128(1+0.0215)=130.7mm碗底: D2=D2S(1+S)=57.9(1+0.0215)=59mm深度尺寸: H=HS(1+S)=42(1+0.0215)=42.9mm2.2.2凸模的工作尺寸徑向尺寸:d1=dS(1+S)=169(1+0.0215)=173mm深度尺寸:h=hS(1+S)=60(1+0.0215)=61.7mm6 合模導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)6.1 導(dǎo)柱導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 小型模具一般只設(shè)置兩根導(dǎo)柱,當(dāng)其元合模方位要求,采用等徑且對(duì)稱布置的方法,若有合模方位要求時(shí),則應(yīng)采取等徑不對(duì)稱布置,或不等徑對(duì)稱布置的形式。大中型模具常設(shè)置三個(gè)或四個(gè)導(dǎo)柱,采取等徑不對(duì)稱布置,或不等徑對(duì)稱布置的形式。 直導(dǎo)套常應(yīng)用于簡(jiǎn)單模具或模板較薄的模具;型帶頭導(dǎo)套主要應(yīng)用于復(fù)雜模具或大、中型模具的動(dòng)定模導(dǎo)向中;型帶頭導(dǎo)套主要應(yīng)用于推出機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向中。 導(dǎo)向零件應(yīng)合理分布在模具的周圍或靠近邊緣部位;導(dǎo)柱中心到模板邊緣的距離一般取導(dǎo)柱固定端的直徑的11.5倍;其設(shè)置位置可參見標(biāo)準(zhǔn)模架系列。 導(dǎo)柱常固定在方便脫模取件的模具部分;但針對(duì)某些特殊的要求,如塑件在動(dòng)模側(cè)依靠推件板脫模,為了對(duì)推件板起到導(dǎo)向與支承作用,而在動(dòng)模側(cè)設(shè)置導(dǎo)柱。 為了確保合模的分型面良好貼合,導(dǎo)柱與導(dǎo)套在分型面處應(yīng)設(shè)置承屑槽;一般都是削去一個(gè)面,或在導(dǎo)套的孔口倒角, 導(dǎo)柱工作部分的長(zhǎng)度應(yīng)比型芯端面的高度高出68mm,以確保其導(dǎo)向作用。 應(yīng)確保各導(dǎo)柱、導(dǎo)套及導(dǎo)向孔的軸線平行,以及同軸度要求,否則將影響合模的準(zhǔn)確性,甚至損壞導(dǎo)向零件。 導(dǎo)柱工作部分的配合精度采用H7/f7(低精度時(shí)可采用H8/f8或H9/f9);導(dǎo)柱固定部分的配合精度采用H7/k6(或H7/m6)。導(dǎo)套與安裝之間一般用H7/m6的過渡配合,再用側(cè)向螺釘防止其被拔出。 對(duì)于生產(chǎn)批量小、精度要求不高的模具,導(dǎo)柱可直接與模板上加工的導(dǎo)向孔配合。通常導(dǎo)向孔應(yīng)做志通孔;如果型腔板特厚,導(dǎo)向孔做成盲孔時(shí),則應(yīng)在盲孔側(cè)壁增設(shè)通氣孔,或在導(dǎo)柱柱身、導(dǎo)向孔開口端磨出排氣槽;導(dǎo)向孔導(dǎo)滑面的長(zhǎng)度與表面粗糙度可根據(jù)同等規(guī)格的導(dǎo)套尺寸來取,長(zhǎng)度超出部分應(yīng)擴(kuò)徑以縮短滑配面。6.2 帶頭導(dǎo)柱GB/T 4169.4-2006 塑料注射模零件 第4部分:帶頭導(dǎo)柱示意圖如下: 圖(10) 帶頭導(dǎo)柱根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模架和CAD的標(biāo)注尺寸選擇如下幾何尺寸:D=24mm;D1=28mm;h=6mm;L=180mm;L1=53mm材料:65Mn帶頭導(dǎo)柱 2418053 GBT 4169.4-20066.3 帶頭導(dǎo)套根據(jù)GB/T 4169.3-2006塑料注射模具零件 第3部分:帶頭導(dǎo)套示意圖如下:圖(11) 帶頭導(dǎo)套根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模架和CAD的標(biāo)注尺寸選擇如下幾何尺寸:D=24mm;D1=42mm;D2=40mm;D3=41mm;L=43mm;h=6mm;R=2mm材料:Gcr15帶頭導(dǎo)套 2443 GB/T 4169.3-2006 7.脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)7.1 脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體原則a) 要求在開模過程中塑件留在動(dòng)模一側(cè),以便推出機(jī)構(gòu)盡量設(shè)在動(dòng)模一側(cè),從而簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)。b) 正確分析塑件對(duì)模具包緊力與粘附力的大小及分布,有針對(duì)性地選擇合理的推出裝置和推出位置,使脫模力的大小及分布與脫模阻力一致;推出力作用點(diǎn)應(yīng)靠近塑件對(duì)凸模包緊力最大的位置,同時(shí)也應(yīng)是塑件剛度與強(qiáng)度最大的位置;力的作用面盡可能大一些,以防止塑件在被推出過程中變形或損壞。c) 推出位置應(yīng)盡可能設(shè)在塑件內(nèi)部或?qū)λ芗庥^影響不大的部位,以力求良好的塑件外觀。d) 推出機(jī)構(gòu)應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,動(dòng)作可靠(即:推出到位、能正確復(fù)位且不與其他零件相干涉,有足夠的強(qiáng)度與剛度),遠(yuǎn)動(dòng)靈活,制造及維修方便。7.2 推件力的計(jì)算脫模力:式中:L凸模被包緊部分的斷面周長(zhǎng)(cm) h被包緊部分的深度(cm) p由塑件收縮率產(chǎn)生的單位面積的正壓力,一般取 Pa f摩擦系數(shù),一般取0.1 脫模斜度。則:L=3.14*126=395.64mmh=63mmQ=395.64mm*63mm*10MPa(0.1*cos0-sin0)=24925.3N7.3 復(fù)位桿復(fù)位桿設(shè)計(jì):GB/T 4169.13-2006塑料注射模具零件 第13部分:復(fù)位桿示意圖如下:圖(12) 復(fù)位桿根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模架和CAD的標(biāo)注尺寸選擇如下幾何尺寸:D=18mm;D1=24mm;h=6mm;R=0.5;L=150mm材料:T10A復(fù)位桿18150 GB/T 4169.13-20067.4推板推板設(shè)計(jì):GB/T 4169.7-2006 塑料注射模具零件 第7部分:推板示意圖如圖13:圖(13) 推板根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模架和CAD的標(biāo)注尺寸選擇如下幾何尺寸:W=350mm.L=350mm.H=17mm材料: 45鋼推件板 35035017 GB/T 4169.7-20067.5 推桿固定板推件板設(shè)計(jì):GB/T 4169.8-2006 塑料注射模具零件 第8部分示意圖如圖14: 圖(14) A型模板根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模架和CAD的標(biāo)注尺寸選擇如下幾何尺寸:W=350mm.L=350mm.H=27mm材料: 45鋼推件板 35035027GB/T 4169.8-20067.6 推料板推料板設(shè)計(jì):GB/T 4169.8-2006 塑料注射模具零件 第8部分示意圖如圖14根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模架和CAD的標(biāo)注尺寸選擇如下幾何尺寸:W=350mm.L=350mm.H=30mm材料:45鋼推料板 35035030 GB/T 4169.8-20067.7 墊塊墊塊設(shè)計(jì):GB/T 4169.6-2006 塑料注射模具零件 第6部分:墊塊示意圖如下: 圖(15) 墊塊根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模架和CAD的標(biāo)注尺寸選擇如下幾何尺寸:W=52mm,L=75mm,H=52mm材料:45鋼墊塊 5275152 GB/T 4169.6-20067.8 澆注系統(tǒng)凝料脫模機(jī)構(gòu)流道凝料的脫模方式,這里采用三板式脫模,即雙分型面。點(diǎn)澆口時(shí)料的澆注系統(tǒng)能夠利用開模動(dòng)作實(shí)現(xiàn)塑件與流道凝料的自動(dòng)分離,同時(shí)利用塑件對(duì)凸模的包緊力將塑件與流道凝料拉斷。8.注塑模溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 由于制品平均壁厚為3mm,制品尺寸又較小,確定小孔直徑為8mm。由于冷卻水道的位置,結(jié)構(gòu)形式,孔徑,表面狀態(tài),水的流速,模具材料等很多因素都會(huì)影響模具的熱量向冷卻水傳遞,精確計(jì)算比較。實(shí)際生產(chǎn)中。通常都是根據(jù)模具的結(jié)構(gòu)確定冷卻水路,通過調(diào)節(jié)沾濕,水速來滿足要求。9.注塑模排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 排氣槽的作用主要有兩點(diǎn)。一是在注射熔融物料時(shí),排除模腔內(nèi)的空氣;二是排除物料在加熱過程中產(chǎn)生的各種氣體。越是薄壁制品,越是遠(yuǎn)離澆口的部位,排氣槽的開設(shè)就顯得尤為重要。另外對(duì)于小型件或精密零件也要重視排氣槽的開設(shè),因?yàn)樗四鼙苊庵破繁砻孀苽妥⑸淞坎蛔阃?,還可以消除制品的各種缺陷,減少模具污染等。那么,模腔的排氣怎樣才算充分呢?一般來說,若以最高的注射速率注射熔料,在制品上卻未留下焦斑,就可以認(rèn)為模腔內(nèi)的排氣是充分的。適當(dāng)?shù)亻_設(shè)排氣槽;可以大大降低注射壓力、注射時(shí)間。保壓時(shí)間以及鎖模壓力,使塑件成型由困難變?yōu)槿菀祝瑥亩岣呱a(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,降低機(jī)器的能量消耗。其設(shè)計(jì)往往主要靠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),通過試模與修模再加以完善,此模我們利用模具零部件的配合間隙及分型面自然排氣。10. 注射機(jī)工藝參數(shù)的校核10.1、注射量塑件體積:V總=4V件+V注=464.6+14.46=272.86cm注射機(jī)理論注射容量:V理=500VV理*80%=500*0.80=400,故符合要求。10.2 注射壓力所選注射機(jī)的須大于塑件所需的注射壓力,聚丙烯的注射壓力為70120MPa,注射機(jī)的注射壓力為104MPa,符合要求。10.3 鎖模力鎖模力是指注射機(jī)的鎖模機(jī)構(gòu)對(duì)模具所施加的最大夾緊力,當(dāng)高壓的塑料熔體充填模腔時(shí),會(huì)沿鎖模方向產(chǎn)生一個(gè)很大的脹型力。為此,注射機(jī)的額定鎖模力必須大于該脹型力,即:注射壓力式中 P塑料成型時(shí)型腔壓力; F澆注系統(tǒng)和塑件在分型面上的投影面積和(mm)P模具型腔內(nèi)塑料熔體平均壓力(MPa);一般為注射壓力的0.30.65倍。PP塑料成型時(shí)的注射壓力,我們選擇P=0.65120=78MPa各型腔及澆注系統(tǒng)及各型腔在分型面上的投影面積: ,符合條件。10.4 開模行程對(duì)雙分型面注射模,雙分型面模具最小開模行程HminH=H1+H2+A+C+(510)mm 式中,H1塑件推出的最小距離 H2包括澆注系統(tǒng)在內(nèi)的塑件高度 A-澆注系統(tǒng)凝料高度+30mm C-610mm 510mm-安全距離選用原則:注射機(jī)的動(dòng)模板最大行程SmaxHmin注射機(jī)的動(dòng)模板和定模板之間的最小間距Hmin 模具的最小厚度H0 H=63+100+10+65+(510)=243248mm所選注塑機(jī)的移模行程為300mm198mm,滿足要求;Hmin=40mm模具最小厚度300mm,滿足要求。10.5 最大流程比查閱資料PP的流長(zhǎng)比為100200.本次設(shè)計(jì)的最大流程比:(126+3.1465/2)*1/1.5=152.0,滿足要求參考文獻(xiàn)1 楊占堯主編.塑料模具標(biāo)準(zhǔn)件及設(shè)計(jì)應(yīng)用手冊(cè). 北京: 化工業(yè)出版社,20082 張維合主編.注塑模具設(shè)計(jì)實(shí)用教程. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,20073 孫玲主編. 塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì). 北京: 清華大學(xué)出版社, 20084 洪慎章主編. 實(shí)用注塑成型及模具設(shè)計(jì) .北京.機(jī)械工業(yè)出版社;20065 許洪斌 范澤興等塑料注射成型工藝及模具化學(xué)工業(yè)出版社6 許發(fā)樾主編.模具常用機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì). 北京; 機(jī)械工業(yè)出版社20037 李海梅主編.注塑成型及模具設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù). 北京: 化工業(yè)出版社,20028 付宏生編著.注塑制品與注塑模具設(shè)計(jì). 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003致謝 大學(xué)生活一晃而過,回首走過的歲月,唏噓不已!不過心中還很充實(shí)。當(dāng)我做完這篇畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候,有一種如釋重負(fù)的感覺,心中感慨良多。 本設(shè)計(jì)的完成是在我們的導(dǎo)師XXXX老師的細(xì)心指導(dǎo)下進(jìn)行的,在每次設(shè)計(jì)遇到問題時(shí),老師不辭辛苦的講解才使我的設(shè)計(jì)順利進(jìn)行。從設(shè)計(jì)的選題到資料的搜集直到最后設(shè)計(jì)的修改的整個(gè)過程中,花費(fèi)了段老師很多寶貴的時(shí)間和精力,在此向?qū)煴硎局孕牡母兄x!導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度,開拓進(jìn)取的精神和高貴的責(zé)任心都將使學(xué)生受益終身! 還要感謝那所有教過我的老師們,你們嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致,一絲不茍的教學(xué)作風(fēng)一直是我工作,學(xué)習(xí)中的榜樣。你們循循善誘和不拘一格的思路給了我無盡的啟迪。感謝四年來陪伴在我身邊的同學(xué),朋友,感謝他們?yōu)槲姨岢龅挠幸嬉庖姾徒ㄗh,有了他們的支持,鼓勵(lì)和幫助,我才能充實(shí)的度過了豐富多彩的四年大學(xué)學(xué)習(xí)生活。說不出再見!International Journal of Machine Tools Stereolithography; Rapid tooling; Injection moulding techniques are improving and are becoming increasingly process 10. It has shown that SL injection mould tooling (Fig. 1). The back-filled mixture added strength to the inserts and allowed heat to be conducted away from the mould. The modular steel mould bases were two standard ARTICLE IN PRESS C3 Corresponding author. base plates machined with a cylindrical pocket to fit the steel frames and the inserts 12. The SL tools were then tested in a 50ton Battenfeld production moulding machine 0890-6955/$-see front matter r 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved. doi:10.1016/j.ijmachtools.2006.09.022 E-mail address: (S. Rahmati). 1 Professor (b) Flexural failure; (c) Shear failure. Tools & Manufacture 47 (2007) 740747 application of computational fluid dynamics (CFD) and finite element method (FEM), which will combine the fluid and stress analysis to model the SL tool. 5.2. Crack propagation and fatigue Flexural stresses can also induce a fatigue type process, spanning a number of moulding cycles. In this situation, the cube pivots as in Fig. 8(b) without being fractured but a crack is initiated at the intersection between the face of the cube in tension due to flexural stresses, and the core face perpendicular to it. During subsequent cycles, the crack propagates through the base of the cube eventually resulting in failure. Failure analysis of the SEM images has revealed that the crack propagates through the cubes prior to the ultimate failure. Micro- scopic pictures of mouldings numbered sequentially indicate that the crack has started well before the ultimate flexural failure. Fig. 10 is a picture taken of the cross section of a moulding before the actual failure happened, where subsequent injection mouldings have exhibited a positive flaw corresponding to the inverse of the crack generated. Fig. 11 shows the flexural failure of a similar cube to that seen in Fig. 10, after a number of shots. Crack initiation in SL tools occurs predominately at stress concentrations, such as sharp corners or at stair steppings (an inherent property of SL parts). Crack Fig. 10. Moulding showing the attached plastic of crack before failure. ARTICLE IN PRESS MachineS. Rahmati, P. Dickens / International Journal of formation may also result from flaws or microscopic defects created during photo-polymerisation process due to material discontinuities 15. Sharp corners, stair stepping, voids or flaws are a cause or source of crack initiation. Fatigue failure can be minimised by introducing fillets at the sharp corners in order to reduce the stress concentration and crack propagation. Evidence of the crack failure as shown in Fig. 12, can be seen on the fracture surface in the form of striations, where each one of these marks represents crack growth. At the tip of the crack and in a small region near the tip, the yield strength of the material is exceeded. In this region, plastic deformation occurs and the stresses are limited by yielding 17. After each cycle, the crack grows in the same manner until a critical crack length is reached. At this point, the crack tip can increase in velocity and spread all the way across the cube resulting in failure. Fig. 11. Flexural failure as a result of crack propagation. Fig. 12. SEM observation revealing striation marking on the fractured surface. 5.3. Shear failure During shear failure, the feature is sheared off in the direction of the melt flow. Fig. 13, shows the cross section of a sheared SL cube. Notice that the SL cube has been pushed across by the flow of plastic. The shear stress at a point in a section is given by 18: t VQ Ia , (2) where V is the shear force at the given section, Q is the first moment of the area about the neutral axis, I is the moment of inertia of the cube section with respect to the neutral axis, and a is the width of the cross-section. As the shear stress calculation results show in Table 2, the maximum shear stresses produced in the SL tool during operation are below the shear strength of the SL tool. Moreover, the SL Fig. 13. SL cube being sheared off during injection moulding process. Tools & Manufacture 47 (2007) 740747 745 tool can survive at injection temperatures beyond 401Cas shown in the last column of the Table 2. Fig. 14, shows the maximum shear stresses at various points of the cube base versus the average shear stress. The plot of the maximum shear stresses at various points results in a parabolic curve. 6. Conclusions SL tools have been successfully tested where failures were observed after 500 shots. SL tool failure mechanisms have been investigated and different scenarios have been demonstrated. Using a thermoplastic with a melting temperature of 2003001C in epoxy SL tooling which has a Glass transition temperature (T g ) of about 60901C, seems unrealistic or impossible. However, the key point to the success of this technique is the very low thermal conductivity of the SL tool and the short injection time (Fig. 15). These two factors are the key to the success of the SL injection mould tooling, which are overlooked by many. ARTICLE IN PRESS stress Machine Table 2 Shear stresses acting on the SL cubes Shear area A S (mm 2 ) Shear force V (N) Shear Cube 1 36 421.64 11.71 Cube 2 30 421.64 14.05 Cube 3 24 421.64 17.57 Cube 4 18 421.64 23.42 0 S. Rahmati, P. Dickens / International Journal of746 Although epoxy has a very low tensile or shear strength at high temperatures, during the first few seconds of injection in which the maximum pressure is exerted on the tool, the heat has not been able to penetrate. Therefore, the tool strength is still maintained and low conductivity of the epoxy works in favour of the process initially. It can be concluded that the tool must be cooled down in each cycle to as low as 40501C before the next injection is made. Tool cooling can be achieved either through free convection, which takes 45min or through forced convection by means of an air jet which reduces the cycle time to 1, 2min. The results of the work can be summarised as follows: 1/4 N.A. 1/2 0 Fig. 14. Distribution of the shear stresses 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 1020304050 Pressure (psi) Time (sec) Fig. 15. Plot of temperature and pressure C15 C15 C15 C15 versus average shear stress 24.3 55.9 24.3 46.4 t ave (Mpa) Shear strength at 401C (Mpa) T MAX (1C) 24.3 65.3 24.3 61.5 Tools & Manufacture 47 (2007) 740747 More than 500 parts were produced using the epoxy SL core and cavity using external air jet to cool the tool to 451C. Tool failure during injection is independent of the plastic temperature. Failure during injection may occur either at low tool temperature when tool toughness is not sufficient, or at high tool temperature (above epoxy T g ). As experience and theoretical calculations confirm, flexural stresses during the injection process are the most probable cause of failure. Reducing the features aspect ratio of tool decreases the chances of flexural failure. shear stress at 1/4 fron N.A. shear stress at N.A. 11.71 MPa 13.18 MPa 17.57 MPa 13.18 MPa across the largest cube base. 6070 809010 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Temperature (Deg C) Pressure Temperature time during injection cycle. C15 Shear stress failure during injection is less likely than flexural failure in particular when the SL tool is warmed to over 401C prior to injection. References 1 D. Chen, F. Cheng, Integration of product and process development using rapid prototyping and work cell simulation technology, Journal of Industrial Technology 16 (1) (2000). 2 J.A. McDonald, C.J. Ryall, D.H. Wimpenny, Rapid Prototyping Casebook, Professional Engineering Publishing, UK, 2001. 3 M.A. Evans, R.I. Campbell, A comparative evaluation of industrial design models produced using rapid prototyping and workshop- based fabrication techniques, Rapid Prototyping Journal 9 (5) (2003). 4 A. Venus, S. Crommert, Manufacturing of Injection Molds with SLS Rapid Tooling, Rapid Prototyping, vol. 2 (2), Dearborn, USA, 1996. 5 Y. Li, M. Keefe, E.P. Gargiulo, Studies in Direct Tooling by Stereolithography, Sixth European Conference on Rapid Prototyping and Manufacturing, Nottingham, UK, July 1997, ISBN:0-9519759-7- 8, pp. 253266. 6 P. Decelles, M. Barritt, Direct AIM Prototype Tooling, 3D Systems, 1996 P/N 70275/11-25-96. 7 T. Greaves, (Delphi-GM), Case study: using stereolithography to directly develop rapid injection mold tooling, TCT Conference, 1997. 8 P. Jacobs, Recent Advances in Rapid Tooling From Stereolitho- graphy, A Rapid Prototyping Conference, Oct. University of Maryland, USA, 1996. 9 S. Rahmati, P.M. Dickens, Stereolithography injection moulding tooling, Sixth European Conference on Rapid Prototyping and Manufacturing, Nottingham, UK, ISBN:0-9519759-7-8, 1997, pp. 213224. 10 S. Rahmati, P.M. Dickens, Stereolithography injection mould tool failure analysis, Eighth Annual Solid Freeform Fabrication, Texas, 1997, pp. 295305. 11 S. Rahmati, P.M. Dickens, C. Wykes, Pressure effects in stereo- lithography injection moulding tools, Seventh European Conference on Rapid Prototyping and Manufacturing, Aachen, Germany, 1998, pp. 471480. 12 G. Menges, P. Mohren, How to make injection molds, Hanser, Munich, ISBN:0-02-947570-8, 1986. 13 G.C. Ives, J.A. Mead, M.M. Riley, in: R.P. Brown (Ed.),Handbook of Plastics Test Methods, second ed, London, ISBN:0-7114-5618-6, 1981. 14 R.A. Douglas, Introduction to Solid Mechanics, Sir Isaac Pitman & Sons Ltd., London, 1989. 15 R.W. Hertzberg, J.A. Manson, Fatigue of Engineering Plastics, Academic, New York, 1980. 17 J.W. Dally, F.R. William, Experimental Stress Analysis, 3rd ed, McGraw-Hill, ISBN 0-07-015218-7, 1991. 18 F. Cheng, Statistics and Strength of Materials, 2nd ed, McGraw-Hill, ISBN 0-07-115666-6, 1997. ARTICLE IN PRESS S. Rahmati, P. Dickens / International Journal of Machine Tools & Manufacture 47 (2007) 740747 747
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