塑料雙聯(lián)齒輪注塑模具設(shè)計(jì)
塑料雙聯(lián)齒輪注塑模具設(shè)計(jì),塑料,齒輪,注塑,模具設(shè)計(jì)
立體光照成型的注塑模具工藝的綜合模擬
立體光照成型的注塑模具工藝的綜合模擬
[1] Wang KK (1980) System approach to injection molding process.Polym-Plast Technol Engmolding process design.14(1):75–93.
[2] Shen SF (1984) Simulation of polymeric flows in the injection molding process. Int J Numer Methods Fluids 4(2):171–184.
[3] Agassant JF, Alles H, Philipon S, Vincent M (1988) Experimental and theoretical study of the injection molding of thermoplastic materials. Polym Eng Sci 28(7):460–468.
摘要:功能性零部件都需要設(shè)計(jì)驗(yàn)證測試,車間試驗(yàn),客戶評價(jià),以及生產(chǎn)計(jì)劃。在小批量生產(chǎn)零件的時(shí)候,通過消除多重步驟,建立了有快速成型形成的注塑模具,這種方法可以保證縮短時(shí)間和節(jié)約成本。這種潛在的一體化由快速成型形成注塑模具的方法已經(jīng)被多次證明是可行的。無論是模具設(shè)計(jì)還是注塑成型的過程中,缺少的是對如何修改這個(gè)模具材料和快速成型制造過程的影響有最根本的認(rèn)識。此外,數(shù)字模擬技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成為模具設(shè)計(jì)工程師和工藝工程師開注塑模具的有用的工具。但目前所有的做常規(guī)注塑模具的模擬包已經(jīng)不再適合這種新型的注塑模具,這主要是因?yàn)槟>卟牧系某杀咀兓艽?。在本文中,以完成特定的?shù)字模擬注塑液塑造成快速成型模具的綜合方法已經(jīng)發(fā)明出來了,而且還建立了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,目前這個(gè)方法非常適合處理快速成型模具中的問題。
關(guān)鍵詞:注塑成型;數(shù)字模擬;快速成型;注塑模具;模擬系統(tǒng)
1 引言
在注塑成型中,聚合物熔體在高溫和高壓下進(jìn)入模具中。因此,模具的材料需要有足夠的熱性能和機(jī)械性能來經(jīng)受高溫和高壓的塑造循環(huán)。許多研究的焦點(diǎn)都是直接有快速成型形成注塑模具的過程。在生產(chǎn)小批量零件的時(shí)候,通過消除多重步驟,直接由快速成型形成的注塑模具可以保證縮短時(shí)間和節(jié)約成本。這種潛在的有快速成型形成注塑模具的方法已經(jīng)被證明成功了??焖俪尚湍>咴谛阅苌鲜怯袆e與傳統(tǒng)的金屬模具。主要差異是導(dǎo)熱性能和彈性模量(剛性)。舉例來說,在立體光照成型模具中的聚合物的導(dǎo)熱率小于鋁制的工具的千分之一。在用快速成型技術(shù)來制造鑄模時(shí),整個(gè)模具設(shè)計(jì)和注塑成型工藝參數(shù)都需要修改和優(yōu)化,傳統(tǒng)的方法是改變徹底的刀具材料.不過,目前還沒有對如何修改這個(gè)模具材料的方法有根本的了解.在當(dāng)前的模具中,僅僅改變一些材料的性能是不能得到一個(gè)合理的結(jié)果的。同樣,使用傳統(tǒng)方法的時(shí)候,實(shí)際生產(chǎn)的零件也會有出先次品。因此,研究出一個(gè)快速成型過程,材料和注塑模具之間的互動(dòng)關(guān)系是非?;鸺钡摹_@樣就可以確定模具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和快速模具的注塑的技術(shù)。
此外,計(jì)算機(jī)模擬是一種預(yù)測模塑件的質(zhì)量的有效的方法。目前,商用仿真軟件包已經(jīng)成為模具設(shè)計(jì)師和工藝工程師在注塑過程中例行性的工具。不幸的是,目前常規(guī)注塑成型的模擬程序已經(jīng)不再適用于這個(gè)快速成型模具,因?yàn)樗鼧O大的需要不同的刀具材料。例如,利用現(xiàn)在的仿真軟件在鋁和立體光照模具之間做個(gè)實(shí)驗(yàn)比較一下,雖然鋁模具模擬植的部分失真是合理的,但是結(jié)果是不可以接受的,因?yàn)檎`差超過了百分之五十。在注塑成型中,失真主要是由于塑料零件的收縮和翹曲,模具也是一樣的。對于通常模具,失真的主要因素是塑料件的收縮和翹曲,這個(gè)在目前的模擬中能測試準(zhǔn)確。但是對于快速成型模具,潛在的失真會更多,在當(dāng)前的測試中,其中就會有些失真會被忽視。例如,用一個(gè)簡單的三步驟模擬分析模具變形的時(shí)候,就會出現(xiàn)很多偏差。
2 綜合仿真的成型過程
2.1 方法
為了在注塑成型過程中模擬立體光照模具的功能,反復(fù)的試驗(yàn)中得到了一個(gè)方法。不同的軟件組已經(jīng)開發(fā)出來了,而且也已經(jīng)做到了這一點(diǎn)。主要的假設(shè)是,溫度和負(fù)載邊界條件造成立體光照模具的扭曲,仿真步驟如下:
1部分幾何模型則作為一個(gè)實(shí)體模型,這將通過流量分析軟件包被翻譯到一個(gè)文件
中。
2模擬光聚合物模具中熔融體填充的過程,然后輸出溫度和壓力的資料。
3在前一步獲得了熱負(fù)荷和邊界條件,然后對光模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,其中失真的計(jì)算是在該注塑過程中進(jìn)行的。
4如果模具的扭曲收斂了,那么直接進(jìn)行下一步.否則,扭曲的型腔(改動(dòng)扭曲后的型腔的尺寸)返回第二個(gè)步驟,以熔體形式模擬注入扭曲的模具中。
5然后注射成型零件的收縮和翹曲模擬就開始應(yīng)用了,算出該成型零件最終的扭曲部分.
上述的模擬流動(dòng)中,基本上是三個(gè)仿真模塊。
2.2 模具結(jié)構(gòu)分析
結(jié)構(gòu)分析的目的是預(yù)測在填充過程中,模具由于熱和機(jī)械壓力而產(chǎn)生的變形。這個(gè)模型是基于一個(gè)三維熱邊界元法。邊界元法是比較適合這個(gè)應(yīng)用的,因?yàn)橹挥凶冃蔚哪>弑砻娌庞羞@樣的信息。此外,邊界元法有一個(gè)優(yōu)點(diǎn),那就是在計(jì)算變形的模具的時(shí)候,它的計(jì)算是不會白費(fèi)的。
模具在所受載荷超過彈性范圍的時(shí)候會產(chǎn)生應(yīng)力。因此,在決定模具變形的時(shí)候,模具材料是一個(gè)基準(zhǔn)。模具的熱性能和力學(xué)性能是各向同性的,而且溫度也是獨(dú)立的。
盡管這個(gè)過程是循環(huán)的,但是相同時(shí)間的溫度和熱流都是可以用于計(jì)算模具變形的.通常情況下,在模具里面每個(gè)瞬間溫度都局限于型腔的表面和噴嘴的頂端。在觀察距離的時(shí)候,瞬間的衰減變化是很微笑的,小于2.5毫米.這說明在模具的噴嘴處的變形是很小的,因此,忽略這個(gè)影響也是合理的.穩(wěn)態(tài)溫度場滿足拉普拉斯方程?2T = 0的邊界條件。
至于機(jī)械邊界條件,型腔表面受到熔體的壓力,模具的表面會連接到工作臺上的,而其他的外部表面將會假設(shè)是自由的.熱邊界的推導(dǎo)方程是大家都知道的,這是由于:
(2-1)
其中uk, pk和T分別是位移,牽引力和溫度。α, ν是代表材料的膨脹系數(shù)和泊松比。Ulk是在XY方向上基本的位移。在一個(gè)三維空間中,各向同性彈性區(qū)域中,由一個(gè)單元產(chǎn)生的負(fù)荷主要集中在xl方向上,它是以下面的形式產(chǎn)生的:
(2-2)
其中δlk是Kronecker三角函數(shù),μ是該模具材料的剪切模量。Plk的基本收縮都是在模具表面的每個(gè)N節(jié)點(diǎn)處測量的,可以表示為:
(2-3)
整個(gè)N將分散在模具的表面上,轉(zhuǎn)變?yōu)榉匠蹋?
(2-4)
其中Γn是指在這個(gè)區(qū)域上的表面成分。把恰當(dāng)?shù)木€性函數(shù)代入方程,得到的線性邊界方程就是模具的方程.
這個(gè)方程適用于每個(gè)離散的模具表面,從而組合成線性方程組,其中N是節(jié)點(diǎn)的總數(shù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有八個(gè)相關(guān)數(shù)量,三個(gè)位移組成部分,三個(gè)牽引組成部分,還有溫度和熱流量。在穩(wěn)態(tài)熱模型中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的溫度和磁場是已知的,余下的6個(gè)量中,三個(gè)必須是已知的。此外,在若干個(gè)節(jié)點(diǎn)處的位移值的方程必須消除剛體運(yùn)動(dòng)和剛體自轉(zhuǎn)的奇異系統(tǒng)。由此產(chǎn)生的系統(tǒng)方程式是一個(gè)集合起來的綜合矩陣,它可以為有限元方法求解。
基于方程的注塑假設(shè),下面將給出元件的應(yīng)力和應(yīng)變:
(2-5)
該偏元件的應(yīng)力和應(yīng)變分別是:
(2-6)
用類似的方法可以預(yù)測在回火玻璃中的殘余應(yīng)力了。以積分的形式在平面上分析粘性和彈性結(jié)構(gòu)關(guān)系時(shí),可以表示為以下公式:
(2-7)
其中G1是材料的的剪切模量。擴(kuò)張的應(yīng)變的情況如下:
(2-8)
其中K是材料體積的彈性模量,α和θ的定義是:
(2-9)
如果α(t) = α0,那么結(jié)果則為:
(2-10)
同樣的,利用方程消除應(yīng)變εxx(z, t),得到:
(2-11)
利用拉普拉斯變化方程,輔助系數(shù)R(ξ)由下面的方程得出:
(2-12)
利用上述方程,并簡化在模具中的應(yīng)力和應(yīng)變的形式,那么注塑中殘余的應(yīng)力在冷卻階段中,由下面的方程獲得:
(2-13)
方程可以通過梯形正交被解決。由于材料的時(shí)間在快速的變化,所以需要一個(gè)準(zhǔn)數(shù)控程序來檢測。輔助模量是檢測數(shù)控梯形的規(guī)則。
關(guān)于翹曲分析,節(jié)點(diǎn)位移和曲率將以殼單元表達(dá)為:
(2-14)
其中[ k ]單元?jiǎng)偠染仃嚕琜Be]是衍生算子矩陣,dz9d9fz是位移,{re}是面的方程得出:
(2-15)
使用完整的三維有限元分析法的好處就是可以準(zhǔn)確知道翹曲的結(jié)果。但是,當(dāng)零件的形狀很復(fù)雜的時(shí)候,它也是相當(dāng)麻煩的。在本文中,在殼體理論基礎(chǔ)上介紹了一種二維有限元分析方法。這種方法被大量使用是因?yàn)榇蠖鄶?shù)注塑模具的零件都有一些部分幾何的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他部分。因此,那些部分則可以被作為一個(gè)集會的單元來預(yù)測翹曲。每三個(gè)節(jié)點(diǎn)殼單元組合成一個(gè)恒應(yīng)變?nèi)菃卧鸵粋€(gè)離散克?;舴蛉窃鐖D1所示,因此翹曲可以分為平面伸展變形CST和板彎曲變形DKT。并相應(yīng)的以單元?jiǎng)偠染仃噥砻枋雎N曲的拉伸剛度矩陣和彎曲剛度矩陣。
圖1 a-c是殼單元在局部坐標(biāo)系統(tǒng)里的變形分解.a(chǎn)是平面伸展元素,b是平面彎曲元素,c是殼單元
三 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
對提出的模型進(jìn)行了評定和發(fā)展,最后核查是非常重要的。從模型模擬中得到的扭曲數(shù)據(jù)將和文獻(xiàn)8中的立體光照模具數(shù)據(jù)比較。如圖2所示,有一個(gè)注塑尺寸36 × 36 × 6毫米和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中是相同的。薄壁和加強(qiáng)筋的厚度都是1.5mm,這個(gè)注塑材料是聚丙烯。注塑機(jī)的型號是ARGURYHydronica320-210-750,它的工藝參數(shù)是,熔解溫度是250°,模具溫度是30°,注塑壓力是13.79Pa,保壓時(shí)間是3s,冷卻時(shí)間是48s。立體光照模具材料使用杜邦SOMOSTM6110樹脂,能抵御高達(dá)300°的高溫。如上所述,熱傳導(dǎo)是區(qū)分立體光照模具和傳統(tǒng)模具的一個(gè)重要因素。模具中的熱量轉(zhuǎn)移會產(chǎn)生溫度的不均勻分布,所以導(dǎo)致了成型零件的翹曲.立體光照成型模具的周期是可以預(yù)測的。以高的熱傳導(dǎo)率金屬為背面做的薄殼立體光照模具將會增加自身的熱傳導(dǎo)率。
圖3 不同的熱傳導(dǎo)率下,在X方向上的扭曲失真比較
圖4 在不同的熱傳導(dǎo)率下,在Y方向上的扭曲失真比較
圖5 在不同熱傳導(dǎo)率下,在Z方向上扭曲失真比較
圖6 不同熱傳導(dǎo)率下各個(gè)捻度變量的比較
對于這個(gè)部分,扭曲包括三個(gè)方向上的位移和捻度(兩個(gè)最初的平行邊的夾角的誤差).如圖3到圖6,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這些數(shù)值也包括通過傳統(tǒng)注塑模具模擬系統(tǒng)預(yù)測的扭曲值和報(bào)道[3]中的三步驟。
4 結(jié)論
本文介紹了一個(gè)綜合模擬的快速成型模具的方法,并且建立了相應(yīng)的仿真系統(tǒng)。為了驗(yàn)證這個(gè)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)還進(jìn)行了快速焊接立體光照成型模具。很明顯,立體光照模具也會出現(xiàn)傳統(tǒng)的注塑模具模擬軟件一樣的故障.假設(shè)由于注射中的溫度和負(fù)載荷引起了扭曲.那么用三步驟完成的話,結(jié)果也會出現(xiàn)比較多的誤差。
不過更先進(jìn)的模型會使結(jié)果更接近與實(shí)驗(yàn)。立體光照模具改進(jìn)了熱傳導(dǎo)率極大的增加了零件質(zhì)量.由于溫度比壓力(負(fù)載)對模具的影響更大,所以改進(jìn)立體光照模具的熱傳導(dǎo)率可以更顯著的提高零件質(zhì)量。無論零件多么復(fù)雜,快速成型技術(shù)可以使人們造型更快,更便捷,更便宜.在快速成型穩(wěn)步發(fā)展的基礎(chǔ)上,快速制造也將隨之而來,并且需要更多的精確工具來確定工藝過程的參數(shù).現(xiàn)行的模擬工具不能滿足研究者研究模具相對的變化。正如本文中所述,對于一個(gè)綜合模型來說,要預(yù)測最后零件質(zhì)量是相當(dāng)重要的。在不久的將來,我們期待看到通過快速成型擴(kuò)展到快速模具制造的模擬程序。
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