注塑模具畢業(yè)設計---注塑模具設計及其熱分析

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1、注塑模具畢業(yè)設計---注塑模具設計及其熱分析 　集 美 大 學 　畢業(yè)設計（論文）英文文獻翻譯 　譯文題目 注塑模具的設計及其熱分析 　專 業(yè) 班 級 　姓 名 學 號 　指導教師 職 稱 　機械工程學院 　注塑模具的設計及其熱分析 　

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計生產(chǎn)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

3、同區(qū)域翹曲的產(chǎn)生。 　關鍵詞：注塑模具；設計；熱分析 　引言 　塑料工業(yè)被列為一個數(shù)十億美元的產(chǎn)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[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(shù)、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(chǎn)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(chǎn)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)

4、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(chǎn)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(chǎn)品的薄殼特征。因此，產(chǎn)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,

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時間生產(chǎn)翹曲測試樣本。圖1顯示了翹曲測試樣本的制作 　圖2-1 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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)注射生產(chǎn)量低，不適用。

6、 　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(jù)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被送到個模腔對于流道設計來說是很重要的一點。基于這點，模腔的布局一般都是對稱的圖2-2 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 　圖2-3 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(chǎn)及調(diào)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(chǎn)生。通過控制注射時間、注射溫度、熔融溫度等不同參數(shù)，控制翹曲變形。

8、　經(jīng)過這些修改，模具在低成本的情況下生產(chǎn)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(jīng)過冷卻，就成型ABS在注射溫度、時間、壓力分別為210℃，3秒和60MPa。用于生產(chǎn)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。 　圖 　圖3-3 負載模型分

9、析的產(chǎn)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3-4 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3-5所示是繪制時間響應曲線所選的節(jié)點。 　圖3-6到圖3-7顯示了在圖3-8中被標注的不同節(jié)點的溫度分布曲線 　圖3-5 繪制時間響應曲線所選的節(jié)點 　圖3-6 節(jié)點284溫度分布 　圖3-7 節(jié)點213溫度分 　圖3-8 節(jié)點302溫度分布 　圖3-9 節(jié)點290溫度分布 　圖3-10 節(jié)

10、點278溫度分布 　圖3-11 節(jié)點1838溫度分布 　圖3-12 節(jié)點1904溫度分布 　圖3-13 節(jié)點1853溫度分布 　圖3-14 節(jié)點1866溫度分布 　從圖中,也。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。物質的不均勻收縮可能產(chǎn)生熱應力從而引起翹曲。如圖中所示冷卻階段后的溫度對于產(chǎn)品分析,從被實行開始到分析塑料產(chǎn)品,在產(chǎn)品上不同因素的狀態(tài)下的應力分配情況可以通過觀察生成的二維曲進行線分析。 　圖3-18 荷載增量1下的等效應力圖 　圖3-19 荷載增量14下的等效應力圖 　圖3-20 荷載增量16下的等效應力圖 　圖3-21 荷載增量23下的

11、等效應力圖 　在關鍵的127節(jié)點，選定產(chǎn)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3-22和3-23 　圖3-22 應力應變曲線 　圖3-23 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(chǎn)品在增加拉力，直到它達到了23的負載因數(shù),這意謂產(chǎn)品能抵抗的1150 N的拉力。由圖23可知,對產(chǎn)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。經(jīng)過翹曲測試試樣的分析確定影響翹曲的參數(shù)來設計的模具已經(jīng)使產(chǎn)品質量達到最高。生產(chǎn)測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力對試樣的影響，對加載拉應力的

12、分析也可以預測到翹曲測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.