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南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯
系 部： 機(jī)械工程系
專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化
姓 名： 干瑞彬
學(xué) 號(hào)： 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(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：
譯文語(yǔ)句通順，專業(yè)詞匯較準(zhǔn)確，基本符合規(guī)范和畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)要求。
簽名：
年 月 日
附件1：外文資料翻譯譯文
注塑模具的設(shè)計(jì)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(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
1． 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，而大多數(shù)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(chǎn)各種形狀復(fù)雜的幾何體產(chǎn)品 [ 2 ]。
注塑成型加工是一個(gè)循環(huán)過(guò)程。在注塑過(guò)程中有四個(gè)重要的階段。這四個(gè)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(jī)料斗中添加樹(shù)脂和適當(dāng)?shù)奶砑觿⒓訜崴芰献⑸錂C(jī)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(bǔ)償前期聚合物凝固引起的收縮。接下來(lái)是模具的冷卻階段，塑件在排出前被冷卻到足夠的強(qiáng)度。最后一步是頂出階段，模具開(kāi)模同時(shí)頂出塑件， 然后模具再次合上并開(kāi)始下一個(gè)周期。
事實(shí)證明設(shè)計(jì)和制造理想性能的高分子注塑成型零件是一個(gè)昂貴的工程，包括反復(fù)修改加工，在模具設(shè)計(jì)任務(wù)中，設(shè)計(jì)模具明確附加幾何結(jié)構(gòu)，核心方面通常包括相當(dāng)復(fù)雜的凸凹面[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)品的冷卻腔周圍溫度存在不均衡 [ 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)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,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。
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。這最終使模具最大寬度250mm。250X250的標(biāo)準(zhǔn)模架最終被使用。其他有關(guān)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(dòng)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(shè)計(jì)了夾緊壓力，鎖模力應(yīng)高于內(nèi)部腔力（反作用力）以避免飛邊的發(fā)生。
以提供的標(biāo)準(zhǔn)模架尺寸為根據(jù)，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(shè)計(jì)兩個(gè)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(chǎn)品的表面只設(shè)計(jì)了一個(gè)分型面。在開(kāi)模的時(shí)候，塑件和流道在分型面上被分開(kāi)。
模具設(shè)計(jì)了直接澆口或側(cè)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(shè)計(jì)了一個(gè)20°的錐角斜度和0.5mm的壁厚。為了熔融塑料的流入，還設(shè)計(jì)了4mm寬，0.5mm厚的澆口。
在模具設(shè)計(jì)時(shí)，選定了拋物面類型的流道。在這種情況下，它的優(yōu)點(diǎn)是僅需簡(jiǎn)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(huì)導(dǎo)致熔融塑料更容易固化。所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)縮短流道長(zhǎng)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(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)稱的。
另一個(gè)設(shè)計(jì)方面是考慮到了氣孔設(shè)計(jì)。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(dāng)模具閉合時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致空氣閉于型腔內(nèi)，導(dǎo)致塑件注射不足或不完整。設(shè)計(jì)足夠多的通風(fēng)孔以確保型腔內(nèi)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(shè)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(shè)計(jì)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(shè)置與凸模的中心位置，在模具打開(kāi)時(shí)不僅承擔(dān)拉著塑件到適當(dāng)?shù)奈恢茫以陧敵鲭A段，作為推桿從模具中推出塑件。因?yàn)樯a(chǎn)的產(chǎn)品僅有1毫米非常薄的，所以沒(méi)有額外推桿被使用或設(shè)置。在頂出階段額外的推桿可能會(huì)造成塑件產(chǎn)生孔或破壞塑件。
最后，為補(bǔ)償材料的收縮足夠的尺寸偏差被考慮。 圖3顯示三維實(shí)體造型，以及利用UG開(kāi)發(fā)的模具的線框模型
圖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。
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4 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，塑件就成型了。塑件的生產(chǎn)周期需要花35秒，包括20秒冷卻時(shí)間。
用于生產(chǎn)翹曲測(cè)試樣本材料的是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。
模具分析主要是凹模和凸模，因?yàn)樗麄兪切纬伤芗牡胤健Ｒ虼?，使?3.5版本的商用有限元分析軟件LUSAS分析家研究不同時(shí)段溫度的分布。使用二維熱分析研究殘余熱應(yīng)力在不同區(qū)域?qū)δ＞叩挠绊憽?
由于對(duì)稱性，只要通過(guò)凸模的垂直斷面或在注射階段當(dāng)凸凹模合在一起時(shí)的側(cè)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(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)試樣分析，使用13.5版本的LUSAS分析家進(jìn)行雙向拉伸應(yīng)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(dá)塑性極限。圖6所示的是分析的負(fù)載模型。
圖6 負(fù)載模型分析的產(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7 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8所示是繪制時(shí)間響應(yīng)曲線所選的節(jié)點(diǎn)。
圖8 繪制時(shí)間響應(yīng)曲線所選的節(jié)點(diǎn)
圖9到圖17顯示了在圖8中被標(biāo)注的不同節(jié)點(diǎn)的溫度分布曲線
圖9節(jié)點(diǎn)284溫度分布
圖10 節(jié)點(diǎn)213溫度分
圖11 節(jié)點(diǎn)302溫度分布
圖12 節(jié)點(diǎn)290溫度分布
圖13 節(jié)點(diǎn)278溫度分布
圖14 節(jié)點(diǎn)1838溫度分布
圖15 節(jié)點(diǎn)1904溫度分布
圖16 節(jié)點(diǎn)1853溫度分布
圖17 節(jié)點(diǎn)1866溫度分布
從圖9—17中很顯然被選擇用來(lái)繪制曲線的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)間。這些溫度上升是由于塑料溶液注入到了塑件的型腔內(nèi)造成的。
經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，溫度進(jìn)一步上升直至達(dá)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(dǎo)致溫度上升。溫度保持不變直到冷卻階段開(kāi)始，從而導(dǎo)致模具溫度減小到一個(gè)低值，然后保持該低值。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。繪制的曲線圖僅僅顯示了在周期內(nèi)溫度能達(dá)到的最大值。
冷卻階段是決定殘余熱應(yīng)力的最關(guān)鍵階段。這是因?yàn)槔鋮s階段，材料冷卻從上面到下面玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。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(yuǎn)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(yuǎn)的區(qū)域節(jié)點(diǎn)284，雖然遠(yuǎn)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(shè)在產(chǎn)品型腔的中心，造成冷卻管道附近和其他區(qū)域間產(chǎn)生溫差。由于發(fā)生收縮使得在塑件的中心區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力以及由于發(fā)生不均衡的收縮導(dǎo)致翹曲。然而，在冷卻后不同節(jié)點(diǎn)的溫差很小，翹曲變形也不是很明顯。對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)一副殘余熱應(yīng)力效果小和高效的冷卻系統(tǒng)是非常重要的。
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)品上不同載荷因素的狀態(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18—21顯示了不同荷載增量下的等效應(yīng)力圖。
圖18 荷載增量1下的等效應(yīng)力圖
圖19 荷載增量14下的等效應(yīng)力圖
圖20 荷載增量16下的等效應(yīng)力圖
圖21 荷載增量23下的等效應(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22和23
圖22 應(yīng)力應(yīng)變曲線
圖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)品在增加拉力載荷，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。
該產(chǎn)品應(yīng)力分析資料十分有限，因?yàn)樯a(chǎn)產(chǎn)品的目的是為了翹曲測(cè)試，所以沒(méi)必要進(jìn)行拉伸負(fù)載分析。但是在未來(lái)，應(yīng)當(dāng)確定產(chǎn)品情況，以便在其他各種負(fù)載情況下執(zhí)行進(jìn)一步的分析。
4．結(jié)論
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。
鳴謝
作者要感謝馬來(lái)西亞博特拉大學(xué)工學(xué)部發(fā)行出版了本文。
參考文獻(xiàn)
附件2：外文原文（復(fù)印件）