機床手柄注塑模具設計[8張CAD圖紙+說明書資料完整]

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塑料注塑成型模塑的自動化裝配組件 摘要 一個注射成型機是一個包含了產品生產部分和與之相關的非生產部分自動化裝配組 件 本篇論文論述了注射成型模塑的兩個關鍵的裝配組件 顧名思義 它們是由計算機設 計出來 并且決定非生產部件在裝配組件中的位置和取向 這種從表官現(xiàn)象和客觀取向所 設計的組件 是意欲表現(xiàn)出注射成型裝配組件的 據(jù)此 這種設計允許設計者忽略一個模 塑制件的細節(jié) 直接描述只見的那一部分的重要及其原因 因此它給設計者提供了一次設 計裝配的機會 一個系統(tǒng)的簡單幾何方法通常意欲在相同的條件下推斷出一個客觀配件在 裝配組件中的位置 而在這種粗略設計和系統(tǒng)簡單的幾何方法的基礎上 模塑自動化裝配 組件被進一步研究 關鍵詞 模塑裝配組件 表觀現(xiàn)象 注射成型 客觀取向 1 簡介 注射成型是生產塑料注塑模塑的重要過程 它所必需的設備包含了兩個關鍵的部分 注射成型機和注射模具 今天所用的注射模具機就是所謂的萬能機 不同尺寸的塑件通過 它而被生產出來 但是這些尺寸被限制在一定的范圍內 這些模具是根據(jù)塑件設計出來的 對于不同的模具形狀就需要有不同的模具布局與之對應 一個注射成型模具的最基本的任 務就是將熔化了的材料生產成不同形狀的制品 這個任務是由包含了陽模 型腔 嵌件 一級頂出機構的型腔系統(tǒng)完成的 一個型腔系統(tǒng)的幾何形狀和尺寸是由塑件直接決定的 因此一個型腔所有的構件都叫做產品生產部分 產品就是指塑件 部件就是指注射模具的 構件 另外產品成型是最基本任務 一個注射成型機需要完成很多任務 例如 分配 熔 料 冷卻融化物注射塑件 功能部件所完成的這些任務與注射成型不同結構和尺寸的塑件 非常相似 他們的結構和幾何形狀與塑件成型模具不相關 但是他們的尺寸可以根據(jù)塑件 的尺寸而不斷改變 因此我們可以從中得到結論 一個注射成型機包含了塑件生產部分和 與之相關的非生產部分的自動化裝配組件 生產部分的設計師在總結了所生產塑件的幾何性能而得到的 在最幾年 CAD CAM 技 術已經(jīng)被成功的應用在幫助模具設計者設計的塑件生產部分 一個塑件的自動化的生產受 到了越來越大的重視 然而幾乎沒有相關的作品被刊登出來 盡管他同生產部分的設計營 養(yǎng)重要 當應用 CAD 系統(tǒng)設計產品生產部分和所有的注射成型裝配組件時模具工業(yè)免領 著以下兩種困難 第一 在一個模具系統(tǒng)中往往有一百多個廠品生產部分 并且這些部分 之間互相聯(lián)系互相制約 對于模具設計者在一個裝配組件取向和安排這些組件時非常浪費 時間的 另外當模具設計者大部分的時間用來思考實際存在的客觀部件的選用原則 例如 螺絲 底座 系統(tǒng)應用了一個完全不同的客觀無體幾何水平 結果高水平的客觀取向想法 不得不翻譯成低水平的 CAD 系統(tǒng) 例如 線 平面 塊 因此 發(fā)展一個模塑自動化裝 配組件顯得非常重要 在這篇論文中我們論述了模塑自動化組建的兩個關鍵因素 在計算 機中涉及一個模具生產部分和一個模具生產裝配組件 并且決定組成部分在一個裝配組件 中的位置和客觀取向 這篇論文簡要地描述了模塑裝配組件的相關研究并且論述了注射成型模塑一個裝配組 件的一個不可缺少的設計 一個簡單的幾何方法被用來決定一個部件在模具裝配組件中的 位置和客觀取向 介紹了注塑成型模塑的自動化裝配組件的一個例子 2 相關的研究 關于模塑注塑這個課題 已經(jīng)在很多領域被廣泛研究 例如 動力機體學 人工智能 和模塑幾何性能學 湯木編輯了一本模塑組件的書 他在其中報道了許多關于模塑裝配組 件的專業(yè)術語 再這些專業(yè)術語中 一些組件被比喻成鼻子 一些感觀機體被弧線連接起 來 然而 這些感官機體并沒有重合在一起 這就嚴重的影響了改性過程 例如 一個幾 何裝配移動所有與之相關的部件沒有相應的移動 邁克發(fā)明了一種支持包含了最基本信息 的數(shù)據(jù)庫的有等級差別的裝配組建系統(tǒng) 這些最基本的信息包含了兩個部件之間的墊片 這些 改型基體之際取決于與之相關的實體 但是這些有等級模具差別的模具組建僅僅代表了這些 模具中的一部分 自動化取向指代的是一些組件在裝配組件中的布局 這就意味著模具設計者可以避免直 接定義這些改性機體 另外 一個部件位置的改變 將會隨著與之相連的任意一個部件的改動 而變動 存在著三種技術推斷計算一個部件在一個裝配組件中的位置和取向 這三種技術分別 是數(shù)字迭代技術 系統(tǒng)代數(shù)技術 和系統(tǒng)幾何技術 邁克指出數(shù)字迭代技術使用計算存在與空 間關系中任何一個部件的位置和取向 他們的方法包含了三個步驟 產生約束等式 減少約束 等式的數(shù)量 和解決這些等式 存在著 16 個等式與條件不符 18 個等式符合條件 6 個對任何 機體合適的等式 另外 2 個附加等式符合旋轉部分 通常這些等式的數(shù)量超過了可以利用的等 式 因此這就需要一種技術篩選到不需要的公式 牛頓力學公式被用來解決這個問題 這種技 術有兩個缺點 第一 這種方法嚴重的依賴這前面的方法 第二 數(shù)字迭代技術不能區(qū)別 不同的數(shù)字基礎 因此 他很可能緊急用在空間關系的問題上 這個領域不是數(shù)學方面的空白 但是在理論上還很模糊 愛波和波斯提出了一種方法用來計算裝配組建中的每一個部件在兩個部件之間旋轉和 改觀方面所需要的空間關系 每一個部件存在著關于空間關系的 6 個轉變 3 個移動和三個旋 轉 這種技術需要大量的計算機程序應用和數(shù)據(jù)計算 同樣他不能用來解決在任何時間出 現(xiàn)的所用問題 尤其是當一個等式不能在程序中被重寫的時候 開若發(fā)明了一種能夠決定一個剛性物體的位置和趨向的集合方法 這種方法用來解決一 系列的幾何約束 這種幾何方法是通過產生一系列畝任何約束的系統(tǒng)方法來解決問題的 這就 導致了 DOF 數(shù)量的下降 開若利用了一種解決問題的技術稱作 上帝 這是一個包含了一個 點 兩條標準角形軸線的技術 7 條約束現(xiàn)在圖表中被定義出來 關于這個圖表顯示了約束之間 的關系 經(jīng)試驗分析后確定一個幾何物體的最終布局 一步一步的在每一部解決客觀物體的布 局 分析的結果決定哪一種方法將會滿足一個物體同時解除約束 這考慮到不見自由運行的程 度 然后得出哪一種行為約束了部件的自由運行 在每異步結束的時候一種正確的方法被應用 到確定裝配組建技術的計劃中 根據(jù)賽若和褥子開若的方法在發(fā)展莫塑裝配組建技術中起到 了重大的作用 這種系統(tǒng)的幾何方法可以解決所有的約束條件 并且與數(shù)字迭代技術相比他擁 有跟吸引人的數(shù)字計算技術 但是要應用這種方法就需要大量的應用程序 盡管和多的設計者積極的投入到莫塑裝配組建技術上 但是關于塑料注射成型莫塑裝配 組建技術的成果很少被系統(tǒng)的報道 螺絲發(fā)明一種支持支持注射成型的設計系統(tǒng) 這個系統(tǒng) 通過高水平的功能莫塑組建支持了注射成型莫塑技術 因為其他人的技術僅僅是建立在 AUTOCAD 的基礎上 所以只能用寫簡單的塊和線框表示出來 3 注射成型裝配組件的代表 注射成型模塑的自動化裝配組件的兩個關鍵技術是在計算機重將模塑裝配組件表示出 來和決定部件的生產部分在裝配組件中的位置和取向 在這個階段我們可以利用客觀取祥和 表管線向來代表注射成型的裝配組件 在計算機中設計一個設計裝配組件 這個技術要求考慮到每一個部件的結構和關系 這 種設計必須支持所有的部件在裝配組件中的配合 所有部件間的改變關系和裝配組件作為一 個整體的操作要求 另外 裝配組件的這種設計要求設計者在設計師必須滿足以下的要求 1 到模具設計者考慮到實際存在的物體水平時就必須可以利用高水平的客觀技術 2 裝配組件的這種設計必須能夠正確的表現(xiàn)出自動生產過程的功能 為了滿足這些要求一種具有表觀現(xiàn)象和客觀趨向的有等級差別的模具被應用在注射成 型技術中 一個裝配組件可以被分成很多集合裝配 這個集合裝配有包含了很多的構件 因此 有等級差別的模具能夠分成合適的代表兩個構件之間的結構 一個等級差別的模具暗示了一 個明確的裝配組件組 另外 一個等級差別的膜具能夠直接表現(xiàn)出一個構件對另一個構件的依 賴 帶有表觀現(xiàn)象 要求設計者站在一個比實際應用模具更高的水平線 幾何形狀是直接 的有尺寸的 和有設計者能夠通過一系列參數(shù)直接定位的 然而 客觀趨向的模具設計者超出 了這些細節(jié) 另外 他同樣也可以使設計者由于幾何形狀之間的關系筆可觀趨向的模具設計者 容易做出變動 沒有客觀取向設計者就要根據(jù)模具要求這的要求考慮到所有的幾何結構 因此 這 就是設計的每一次改變直接根據(jù)模具要求這的改變而改變 另外 客觀取向的設計能夠給設計 者提供更高水平的組件物體 例如 當模具設計者考慮到物體的真實水平時 如一個冷卻水孔 相關的客觀表象在計算機中表現(xiàn)出來 客觀取向模具設計是一個在考慮到現(xiàn)實事件中的模具技術的基礎上所應用的一種新的 方法 它的基礎是客觀物體 這個物體結合了數(shù)據(jù)結構和性能客觀取向方法被用來理解問題和 設計程序和數(shù)據(jù)庫 另外 客觀取向代表了裝配組件制造時單位客觀物體和總的組件的包含與 被包含關系 4 注射成型模塑的自動化裝配組件 許多注塑成型的裝配組件包含了生產部分合非生產部分 生產部分單個組件的設計師 在塑件幾何性能的基礎上得到的 通常產品生產部分應由于高水平裝配組件相同的取向 通常 這些構件的位置和大小直接由設計者制定 對于產品省唱本的設計 傳統(tǒng)的方法是設計者從目 錄冊中直接選擇所需要的模型 對這些選擇的產品生產部分建立幾何模型塊 然后再將這些塊 加入到注射成型裝配組件中 這樣的設計及浪費時間與錯誤百出 在我們所應用的新的設計方 法中所有生產部分的設計數(shù)據(jù)實在裝配組件和客觀需要的基礎上得到的 這些數(shù)據(jù)不僅包含 了幾何形狀和生產部分的尺寸 而且還包含了部件之間的空間約束 另外 許多有固定路線的 部件例如 頂出和復位同樣也在這個數(shù)據(jù)庫中 因此 模具設計必須選則應用這要求的模具生 產部分而確定它的結構 然后計算機軟件會自動的確定出這些部分所要求的部件的取向和位 置 然后再將這些部件加入到裝配組件中 5 模具非標準的集合裝配 產品的生產部分可以進一步分為標準件合非標準件 這些非標準件使用與一系列 底座 導向機構等裝配組件構成的 除了確定產品的性狀外 一個模具還必須同時完成許多其他的功 能 例如冷卻 注射產品 頂出 合模導向等 許多的模具應有相似的性能因此這就導致了他們在 結構上的相似 抹具結構設計中有許多標準要求 抹具非標準部件就是在這些標準組件的基礎 上設計而成的 根據(jù)裝配組件設計師的客觀取祥和表關現(xiàn)象 模具組件的表觀現(xiàn)象是非標準件首先應該 考慮到的 另外 客觀組件的設計受到組件構件之間的相互關系和構件的功能的限制 然后利 用這些客觀組件一個有等級差比的集合裝配 模具的非標準部件 就形成了 這些模具的生產 部分可以直接由目錄數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)確定 5 1 標準件的自動設計 一個標準件就是一個自動組件 在數(shù)據(jù)庫中他的空間約束是由墊片 平面直線和弧線確定 的但是他與非標準件不同 標準件的位置和客觀取向并不確定 在設計時軟件通過簡單的公事 之直接推斷出標準件地幾何形狀 5 2 裝配組件的復位設計 自動化設計的一個關鍵考慮因素是復位過程 復位是指嵌件在設計過程中流出的相應的 一定空間使之歸位的操作 當一個噴出設備加入到裝配組件中就要求在設計過程中留出相 應的孔 以便復位 既然利用了客觀取向技術 每一個裝配組件都可以有兩種表示方式 實際存在的和客觀設 計 實際存在的物體空間時根據(jù)一個真實物體索要占據(jù)的空間決定的 無論何時一個客觀構 件被加入到裝配組件中 它的這是空間尺寸也同時被設計出來 復位操作技術是根據(jù)相關構件 的相互關系而設計的 另外由于實際空間和真實空間的關系 復位技術的設計也要根據(jù)實際物 體做出相應的改變 這種自動復位功能進一步說明了客觀取向的優(yōu)點 5 3 系統(tǒng)應用技術 在客觀取祥和表管線向基礎上設計而出的末塑自動化裝配組件技術 已經(jīng)在美國國立大 學被應用在 IMOLD 領域內 這種繪圖技術提高了應用程序的一個有效方式 通過這種技術 使用這可以將其他部分加入到裝配組件中修改參數(shù)等 盡管繪圖技術提供了很好的功能但是 上文提到的方法仍然被用來推斷構件的布局 因為在設計過程中必須考慮到構件自由運行的 程度和檢查構件在加入到裝配組件以前所需要的空間 這種系統(tǒng)的約簌條件和圖表約束是相 輔相成的 這種裝配組件使用 IMOLD 技術設計的 模具中的每一個非標準件被自動的安置在裝配 組件 同樣 標準件例如螺釘也是被自動的加入到裝配組件中 復位技術也不例外 6 結論 在表觀現(xiàn)象和客觀取向技術上所設計的具有等級差別的具有注射模塑裝配組件不僅僅 提高了裝配組件設計技術 而且同時提高了操作功能和幾何約束性 例如自由的程度 配合條 件 鑲嵌和取向約束 因為 裝配組件設計的這一技術的提高 它的變動例如 裝配組件中某一構 件的尺寸變化可以在整體設計完以后在做出變動 裝配組件構件的封鑄有以下兩個特點 1 因為配合技術在裝配構件中封鑄自動化裝配組件設計就可以被容易的利用 2 裝配組件的 封鑄使得裝配組件的設計在應用過程中自動完成 例如復位和構件檢查 提出了簡單的統(tǒng) 計方法可以直接降低自動化設計過程中程序的難度 注射成型模具溫度調節(jié)系統(tǒng)的設計和優(yōu)化 D E Dimla a M Camilotto b F Miani b 伯恩茅斯工程和計算設計大學 英國 多塞特 伯恩茅斯 基督城 摘要 隨著消費壽命越來越短 諸如手機的電子產品在人群中變的越來越時尚 注塑成型依然是成型此類相關塑料零件產品的最熱門方法 成型過程中熔融聚 合物被注入模具型腔內 經(jīng)過冷卻 最后頂出塑料零件產品 在一個完整的注 塑成型的過程主要有三個階段 沖模 冷卻和頂出 成型周期決定生產的成本 效益 相應地 其中三個階段中 冷卻階段是最重要的一步 它決定零件的生 產速率 這項研究的主要目的在于使用的有限元分析和傳熱分析在注塑成型工 具中配置一個最優(yōu)的和最有效的冷卻 加熱的水道 一個適合注塑成型典型的組 件 3D CAD 模型的最佳的形狀的設計完成之后 用來成型塑料零件的型芯和型 腔的設計才得以實現(xiàn) 這些也用在有限元分析和熱分析 首先確定注射入口的 最佳位置 然后確定冷卻渠道 這兩個因素對成型周期影響最大 如果要減少 的成型周期時間 那么 首先必須對這些因素進行優(yōu)化并使其減至最低 分析 虛擬模型表明 與傳統(tǒng)冷卻模具相比 這樣設計的冷卻水道將大大減少循環(huán)時 間 以及明顯的改善制品質量和表面光潔度 關鍵字 模具設計優(yōu)化 注塑成型 1 引言 注射成型是塑料部件工業(yè)生產中其一個利用最多的生產過程 它的成功在 于 與其它成型方式相比 如吹塑成型 有高的三維形狀塑造造能力 能帶來 更高的效益 注塑成型的基本原則是一種固體聚合物經(jīng)加熱熔融后注入一模具 型腔 然后經(jīng)冷卻后從模具頂出 獲得與型腔結構相似的制品 因此一個注塑成 型的過程的主要階段 涉及充模 冷卻和制品頂出 成型過程的成本效益 由 成型所花的時間即成型周期決定 相應地 其中三個階段中 冷卻階段是最重 要的一步 它決定零件的生產速率 因為在大多數(shù)現(xiàn)代工業(yè) 時間和成本有很 強的聯(lián)系 成型周期越長 生產該制品的成本就越高 減少塑件被頂出前所用 冷卻時間 可以大大提高產品的生產效率 因此也就降低了該產品生產成本 因此 了解此是非常重要的 從而 優(yōu)化傳熱過程 使得典型的成型工藝效率 更高 從歷史上看 這已得到了應用 通過在模具 核型和型腔 內打幾個直 孔 注入冷卻液體進行循環(huán) 帶走模具中過多的熱量實現(xiàn)冷卻 使零件可以很 容易地頂出 利用傳統(tǒng)的加工工藝 如鏜孔 加工直孔 然而 這個簡單的技 術只能加工直孔 因此 主要問題是目前還沒有生產如等高線一樣的復雜的冷 卻水道和其他三維結構 另一種設計冷卻系統(tǒng)的方法 已經(jīng)提出 該系統(tǒng)符合設 在型芯 型腔 甚至兩者中都可以 這種方法采用的等高樣的水道 構造是水 道盡可能接近成型零件表面 以從熔融塑料吸收帶走更多的熱量 這將確保該 塑件均勻冷卻 以及使生產效率更高 該研究的第一部分主要集中在審查和評價注塑成型過程 以介紹此研究的 理論及背景 然后對開發(fā)和應用冷卻水道的方法進行研究 并找出最可行的方 法 人們通過應用有限元和熱流量的分析對設計工具進行精煉 現(xiàn)在特定的軟 件已被用來優(yōu)化設計與構造模具 先后 基于虛擬模型的冷卻通道的效率的研 究是利用軟件 I DEASTM 的原型和仿真 這項研究正在進行 在此希望其最終 發(fā)展到一定的水平 能在決定生產零件成型的規(guī)格上熟練使用所需的虛擬模型 2 注射成型工藝的簡要概述 與其它所有的生產方式一樣 注射模具生產目前也需要降低其成本以保持 市場競爭力 這方面的需求通過利用包括設計軟件 計算機數(shù)值控制機械等不 同的技術已得到解決 有了這些技術后 注射成型生產才得以實現(xiàn) 其生產成 本取決于成型周期時間的長短 可以通過調整模具結構來縮短成型周期 但最 后的分析表明 成型時間主要取決于模具能使熔融聚合物快速冷卻的能力 冷 卻液體會在設定的溫度下通過模具上冷卻水孔進行冷卻定型 同時必須保證熔 融聚合物均勻流到模腔的各個部位 且在最短的時間內使其散失熱量進行冷卻 直至目前為止 這些水孔只能通過鉆孔方式進行加工 而這種方式只能加工直 孔 如果將冷卻水道整體設計成與塑件形狀一致 同時改變它們的截面以增加 導熱面積 這樣就可以大大提高塑件冷卻的效率 塑料也將更加均勻冷卻 所 以也可能有助于減少塑件頂出時的翹曲變形 2 1 溫度控制 成型溫度 例如熔融聚合物溫度 模具溫度 環(huán)境溫度和夾緊系統(tǒng)的溫度 都必須控制在一定范圍之內 圖1 塑料熔體注入模腔后 必須通過冷卻固化 后才能獲得所需制品形狀 模具的溫度通過冷卻液在模具內冷卻水道中的的循 環(huán)進行調節(jié) 一般用水或油作冷卻液 當塑件充分冷卻后才能從模腔頂出 冷 卻過程中熔體 95 會產生收縮現(xiàn)象 這樣有來料對其進行補償 同時也會有 一些收縮會在塑件上保留下來 1 圖 1 注射過程中的溫度記錄圖 2 2 壓力控制 注射裝置和夾緊系統(tǒng)都要求要求有一定的壓力 且兩者方向相反 圖2 注射系統(tǒng)中的壓力可以分為三種 注射壓力 保壓壓力和塑化壓力 所有這些 都是通過螺桿的運動實現(xiàn)的 在夾緊裝置中 由油泵液壓系統(tǒng)控制移動模具所 需要的壓力 保壓壓力是在注射完成后對冷卻凝固過程中產生的收縮空間進行 補料 以保證塑件形狀而設定的 圖 2 注射過程中的壓力記錄圖 2 3 時間控制 時間是在整個成型過程中最重要的參數(shù) 從成型周期時間可估計生產成本 和機械效率 原則上在時間方面應加以控制 其中包括 合模時間 注射時間 和冷卻時間 圖3 以一個簡單的示意圖顯示了一個典型的成型周期 圖 3 成型周期 2 4 熱參數(shù) 盡管塑料材料有很高的熔融溫度 他們特定的性能與溫度有很大的關系 過高或過低的溫度都會對塑件結構帶來損壞 研究其熱性能有利于了解和預測 其其它各性能 因此 成型冷卻時間必須合理設置 第一 塑化的厚度 第二 熔融熱的耗散 與金屬不同 塑料材料具有特殊的熱容量 且高結晶塑料比非 結晶擁有更高的熱容量 與其它材料 例如與金屬 比較之下 塑料有一個大 的熱膨脹系數(shù) 可以通過加入礦物填料 如玻璃纖維 來改善塑料的熱性能 2 5 冷卻水道 與其它多數(shù)制造業(yè)相同 產品的制造時間與其成本有密切的關系 生產零 件的時間越長 其成本就越高 注射模具成型制造的生產周期主要在于其冷卻 時間 所以 減少冷卻時間將能降低零件的生產成本 可以在模具中加工出冷 卻孔 然后以一定壓力壓入冷卻液體使其在水孔內循環(huán) 這樣通過熱交換來控 制模具溫度 常規(guī)的鉆孔機械如CNC客以用來鉆直孔 其中最主要的問題在于 不能制造加工在三維方向上的比較復雜的冷卻孔 尤其是在靠近模具壁的地方 這樣模具冷卻不均勻 引起制件收縮翹曲 冷卻時間增長 圖4 導致冷卻系 統(tǒng)的效率大大降低 另一方面來說 如果盡量依照零件的形狀 圖5 加工成型冷 卻的水道 塑件的冷卻也會變的比較均勻 這樣冷卻時間可以顯著減少 冷卻 效率提高 此外 如果塑件能在非常均勻的溫度下被頂出 出模是的收縮也將 是均勻的 這樣也可避免塑件在頂出時產生翹曲現(xiàn)象 最后 設有這種冷卻系 統(tǒng)的模具比設有常規(guī)標準冷卻系統(tǒng)的模具更易達到設定的操作溫度 3 4 這樣就可以減少啟動模具到所生產操作條件所需要的時間 當聚合物熔體 被注入模具后 遇到模具壁就立即冷卻固化 如果塑件的體積較大 且其厚度 不太小時 冷卻固化的聚合物可能增大注射的阻力 導致模腔不能被完全填充 在這種情況下 需要對物料加熱到一定的溫度 以增加其流動性 盡管有這些 好處 但我們也要注意到 模具中一定形狀的復雜的冷卻孔的加工制造將大大 增加其最初成本 盡管這門技術能給生產帶來很多好處 圖 4 一副模具型芯型腔的冷卻水道 圖5 同一模具的隨形冷卻水道 3 隨形冷卻孔 概述 關于隨形冷卻孔的效率問題 Ring等人對三個具有不同結構的模具進行了 研究 其中有的加工有隨形冷卻水孔 有的沒有 結果表明 由于改善了熱傳 遞效率 配置有隨形冷卻孔的模具 其生產周期大大縮短 生產效率大大提高 Jacobs發(fā)表了一篇文獻 文獻主要論述了隨形冷卻孔的重要性 同時介紹了一 種高導熱性能的新材料 6 這項研究表示 與配有常規(guī)冷卻水孔的模具相比較 隨形冷卻孔的設置 層狀的銅的鎳或銅模子 使模具成型生產效率提高大約 70 Sachs等也對隨形冷卻孔和鉆孔法加工的冷卻孔進行了比較研究 3 根據(jù) 他們的調查 他們對模具核心腔加上軟件的使用技巧 進而建構模具理論和實驗數(shù) 據(jù)作比較 分析顯示 隨后模形通道溫度高于常規(guī) 實現(xiàn)一個更加有效的溫度分布 均勻傳熱能力 拜恩 7 提出了一種控制模具溫度的方法 即通給隨形冷卻孔以一個準確的 定位來實現(xiàn)控溫的目的 同時他也分析了系統(tǒng)與環(huán)境的熱交換的影響 以通過 精確計算 設計更為有效的冷卻系統(tǒng) Park and Know 8 進行了根據(jù)修改過的邊界元素法的對鑄造的過程進行了熱 分析 這是一種靈敏度分析 有利于模具的優(yōu)化設計過程有效進行 通過熱分 析優(yōu)化設計可對冷卻時間和表面溫差進行準確的預測 這表明對于較理想模具 設計 特殊在模具型號和冷卻孔的設計方面 靈敏度分析法是一個很好的設計 方法 這樣在同一臺機器中設置了有利于塑件冷卻的加工條件 使影響產品質 量和生產力因素降到最少 模具冷卻水孔的方面存在的問題不僅僅是去設計加工冷卻孔結構 更在于 怎么將這種技術很好地應用到多種多樣結構的型腔冷卻孔的設計加工 徐等 9 對如何克服這個問題作出了解答和提議 即將原型劃分為多個小的區(qū)域 這樣 有利于對整體結構的研究分析 再對每個區(qū)域進行設置冷卻水孔 然后綜合前 面的分析結果 對整個結構進行構造 為解決冷卻問題 李 10 也提出了類似的 方法 建議通過公認算法將模具按其區(qū)域結構特征不同劃分成不同的小塊 然 后 根據(jù)每小塊的結構特點 分別設定不同結構的冷卻孔 并對其進行最后的 組合形成完整的冷卻系統(tǒng) 算法是基于 超二次 即模具形狀特征參數(shù) 諸如 在采用計算機繪圖時需要參數(shù) 這種方法是解決問題的最好的選擇 可以近似估 計整個塑件的結構 這樣 冷卻系統(tǒng)變得容易被仿效 當有著復雜的零件制造時 這種做法是十分有效的 4 模具零件 MPA 分析 基本思路是 首先應用I DEASTM構造一個虛擬模型 再進行模擬分析確 定最佳的流道位置 然后進行冷卻系統(tǒng)的設計 先后對示范作進一步的分析 如有限元分析改進設計 為了幫助設計者確定模具制造的零部件 應用MPA對虛 擬模型進行最后的分析 對軟件唯一的要求就是能對零件材料作出正確的選擇 4 1 模型 分析試驗中進行模型結構的選擇 其依據(jù)是零件基本規(guī)格和成型塑件的特 點 如模具表面斜度的設置要保證塑件冷卻成型后能順利被頂出 這個模具 圖 6 表面形成一個長方形并設有一個大小有 8 角度 塑件型腔內設有加強筋 這樣可以增強其機械性能 也可避免成型中可能產生的變形 圖 6 模具的 3D 視圖 4 2 流道澆口位置 最佳澆口的設置 要通過反復的試驗才能實現(xiàn) 可以同多塑件質量來衡量 設置的好壞 諸如表面熔接痕 氣泡數(shù)量等 圖 7 為一個典型的熔接痕情況 澆口可以設計在底部中心位置和內外表面 流動分析表面 兩種設置的整個成 型周期相同 但澆口設置在外表面時塑件表面的成型熔接痕要小一些 選擇澆 口位置的標準在于是否能保證塑件的表面質量以及短的成型周期 如果在塑件 外表面設澆口 則會有聚合物凝料在澆口處形成 塑件被頂出后需要對其進行 切割處理 由此比較浪費時間 不適合進行制件生產 另外 如果把流倒設在 型腔內 將導致有新的問題出現(xiàn) 形狀復雜的冷卻水孔的布置將受到限制 澆 注系統(tǒng)難以配置 設置較多的澆口并不能改善塑件質量 也不利于降低冷卻時間 只會使冷 卻孔的配置更為復雜 所以 一個澆口還是最為理想的 以下是通過計算機模擬預測而設置局部優(yōu)化解決方案 1 著力減少內外表面的熔接痕 如圖8與圖7相比較 2 加強加工質量的預測 圖9 3 進一步的質量檢查 設置冷卻孔 結果表明 塑件上沒有明顯的痕 跡出現(xiàn) 定出時間也在1s左右 非常合理 即澆口位置合適 圖 10 4 同樣地 表面溫度和凍結時間的預測率也達到了預期目標 圖11 圖12 圖 10 從根本上表明 優(yōu)化條件的選擇使得成型工藝過程可順利成型 這樣 更加保證了成型塑件的質量 這種條件下 注射時間預計為 1 18 s 圖 7 模具表面的熔接狠 圖 8 減少模具外表面的熔接痕 圖 9 獨立澆口位置 質量預測 圖 10 計算機分析結果 圖 11 表面溫度 圖 12 冷卻時間 5 冷卻水道定位 5 1 一般考慮因素 制件的最終輪廓和形狀精確性不僅僅是由其成型工藝條件決定 而且也取 決于成型時型腔壁的溫度高低 11 物料的冷卻過程即為結晶過程 為了是物料 順利冷卻結晶 對模具溫度必須進行嚴格的控制 因此 冷卻系統(tǒng)的準確定位 對于生產合格的制品來說是非常重要的 確定流道位置關鍵問題在于如何保證 型芯和型腔整體有均一的溫度 如果型腔內兩個部位有很大的溫度梯度 這將 導致塑件翹曲或結構的破壞 圖13 圖 13 溫度梯度影響 11 既要盡可能縮短成型周期 又要保證熔體的順利結晶 一個折中的辦法是 冷卻系統(tǒng)的設置要保證模具壁有一個均一的溫度 另外也要保證聚合物物料均 勻冷卻 這樣就比較符合生產的要求 5 2 溫度特性 由于諸如模具材料性能和聚合物原料性能等多種因素的影響 在成型周期 中 模具的溫度有周期性的變化 圖 14 冷卻系統(tǒng)不能控制這種波動的幅度 但是 最重要的是當具有高溫的聚合物熔體流動到型腔并與型腔壁接觸時 會 產生最大的溫度回升現(xiàn)象 11 所以 必須對相關的物理效應進行監(jiān)測 來保持 模內溫度的均一性 模具內凸高的區(qū)域容易產生熱量的集中 因此需要比較集中的冷卻水孔 相反 在凹低的區(qū)域 由于有較多的物料存在有利于散熱 因此其不需要太集 中的冷卻孔 由此 必須注意這些區(qū)域彎道和冷卻系統(tǒng)的設計及配置 在三維 冷卻系統(tǒng)的設計中 需要考慮三面的因素 截面的直徑 或當不是圓形時截面 面積 孔與孔之間的距離 孔與模具壁制件的距離 冷卻孔直徑的選擇和流道 的設計時需要考慮的問題是其使系統(tǒng)產生壓力損失 Zollner 11 中對加熱與冷 卻中壓力損失的關系進行了研究論述 并指出了確定冷卻孔位置的方法 對此 關系的研究結果表明 在半結晶熱塑性塑料中為 2 5 到 5 之間 在無定形熱 塑性塑料中為 5 到 10 5 3 型腔冷卻水道定位 在此研究中 對于型芯及型腔中冷卻孔的設置提出了多種不同的方案 并 將隨形冷卻系統(tǒng) 圖 15 和直孔冷卻系統(tǒng) 圖 16 相對比 由于有限元分析軟 件包只對其四分之一進行了插入分析 因此還必須對這些零件進行全面的分析 順著塑件的表面 要設置四條冷卻水道 其中三條用于其側表面降溫 另外一 條對其底部進行冷卻降溫 圖 15 型腔隨形冷卻水道 圖 16 型腔直線冷卻水道 5 4 型芯冷卻水道定位 型芯的冷卻系統(tǒng)由兩條順著型芯幾何表面形狀的冷卻孔組成 其中一條流 道對其頂部和短尺寸表面進行冷卻 另外一條用來冷卻其相對較大的表面 可 以通過設置彎道來減少 冷卻系統(tǒng)中流體動力的損失 在直流道的方案中 一 條水道 圖 18 的加工需要三種鉆孔操作 在這種情況下不可能有圓角 這要 對冷卻液體的損失較前一種方案要大 下一步是有限元分析 以檢查該零部是 否能夠抵抗注射是的巨大壓力 這項研究工作一直在進行 而且由于在注射過程中 其底部承受的壓力為 最大 研究也將集中在這樣的部位 圖 17 型芯隨形冷卻水道 圖 18 型芯直線水道 6 結論 作為注射模具結構組成的一部分 隨形冷卻系統(tǒng)的設計和優(yōu)化已可以通過 虛擬樣機模擬進行 這種方法包括塑件三維 CAD 模型的建立 其中型芯和型腔 的構造都是通過這種方式實現(xiàn)的 模擬研究表明 與直流道的設置相比 可以 對隨形冷卻水道進行優(yōu)化設計并預測流道的最佳位置 更有利于縮短制件的冷 卻時間 提高生產效率 該研究正在進行 在此希望通過虛擬模型技術對零件 生產成型規(guī)格進行確定 最終將此項研究提高到一個較高的能力水準 引用有 限元分析法對型腔型芯樣本進行測試 這方面需要做更多的工作 一檢查模具 對注射壓力了承受能力 并最終設定模板的厚度 對于一些嚙合結構的塑件 需要對其進行結構平面化 并利用平面要素處理 這樣也有利于在隨形冷卻系 統(tǒng)和傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)中理解冷卻時間 參考文獻 1 D M Bryce Plastic Injection Moulding Society of Manufacturing Engineers Dearborn MI 1996 2 Anon Intelligent Systems Laboratory Michigan State University 1999 accessed October 30 2003 http islnotes cps msu edu trp inj inj time html 3 E Sachs et al Production of injection molding with conformal cooling channels using the three dimensional printing process Polym Eng Sci 40 5 2000 1232 1247 4 K W Delgarno Layer manufactured production tooling incorporating conformal heating channels for transfer moulding of elastomer compounds Plastic Rubber Compos 30 8 2001 384 388 5 M Ring et al An investigation of effectiveness of conformal cooling channels and selective laser sintering material in injection moulding tools RPD 2002 1 5 6 F Jacobs High conductivity Materials and Conformal Cooling Channels Warwick Manufacturing Group Warwick University UK accessed September 29 2003 rpd399 xpress html 7 Anon Rapid tooling rapid prototyping EGS Associates Corporation accessed September 29 2003 rapid tooling htm 8 S J Park T H Know Thermal and design sensitivity analyse for cooling system of injection mold Part 1 and Part 2 J Manuf Sci Eng 120 1998 287 305 9 X Xu et al The design of conformal cooling channels in injection molding tooling Polym Eng Sci 41 7 2001 1265 1279 10 C L Li A feature based approach to injection mould cooling system design Comput Aided Des 33 2000 1073 1090 11 O Zollner Optimised mould temperature control Appl Technol Inform 1997 1104 Design and optimisation of conformal cooling channels in injection moulding tools D E Dimla a M Camilotto b F Miani b a School of Design Engineering and Computing Bournemouth University 12 Christchurch Road Bournemouth Dorset BH13NA UK DIEGM Universit a Degli Studi di Udine via delle Scienze 208 33100 Udine Italy Abstract With increasingly short life span on consumer electronic products such as mobile phones becoming more fashionable injection moulding remains the most popular method for producing the associated plastic parts The process requires a molten polymer being injected into cavity inside a mould which is cooed and the part ejected The main phases in an injection moulding process therefore involve filling cooling and ejection The cost efficiency of the process is dependent on the time spent in the moulding cycle Correspondingly the cooling phase is the most significant step amongst the three it determines the rate at which the parts are produced The main objective of this study was to determine an optimum and efficient design for conformal cooling heating channels in the configuration of an injection moulding tool using FEA and thermal heat transfer analysis An optimum shape of a 3D CAD model of a typical component suitable for injection moulding was designed and the core and cavity tooling required to mould the part then generated These halves were used in the FEA and thermal analyses first determining the best location for the gate and later the cooling channels These two factors contribute the most in the cycle time and if there is to be a significant reduction in the cycle time then these factors have to be optimised and minimised Analysis of virtual models showed that those with conformal cooling channels predicted a significantly reduced cycle time as well as marked improvement in the general quality of the surface finish when compared to a conventionally cooled mould Keywords Tool design optimisation Injection moulding 1 Introduction Injection moulding is one of the most exploited industrial processes in the production of plastic parts Its success relies on the high capability to produce 3D shapes at higher rates than for example blow moulding The basic principle of injection moulding is that a solid polymer is molten and injected into a cavity inside a mould which is then cooled and the part ejected from the machine The main phases in an injection moulding process therefore involve filling cooling and ejection The cost efficiency of the process is dependent on the time spent in the moulding cycle Correspondingly the cooling phase is the most significant step amongst the three it determines the rate at which the parts are produced As in most modern industries time and costs are strongly linked The longer is the time to produce parts the more are the costs A reduction in the time spent on cooling the part before its is ejected would drastically increase the production rate hence reduce costs It is therefore important to understand and thereby optimise the heat transfer processes within a typical moulding process efficiently Historically this has been achieved by creating several straight holes inside the mould core and cavity and forcing a cooler liquid to circulate and conduct the excess heat away so the part can be easily ejected The methods used for producing these holes rely on the conventional machining process such as drilling However this simple technology can only create straight holes and so the main problem is the incapability of producing complicated contour like channels or anything vaguely in 3D space An alternative method that provides a cooling system that conforms to the shape of the part in the core cavity or both has been proposed This method utilises a contour like channel constructed as close as possible to the surface of themould to increase the heat absorption away from the molten plastic This ensures that the part is cooled uniformly as well as more efficiently The first part of this investigation concentrates on reviewing and evaluating the injection moulding process to set the knowledge and background on the subject Then a study of proposed methods for developing and applying conformal channels is conducted identify the most viable method Specific softwarewas used to optimise the design and construction of the mould with attention on refining the tool design through application of finite element and thermal flow analyses Successively a study on the effectiveness of the conformal cooling channel based on virtual models was performed using I DEASTM software for prototyping and simulation The study is on going and hopefully would culminate in the suggestion of the level of proficiency required using virtual models in deciding moulding specifications for production parts 2 Brief overview of the injection moulding process The injection moulding industry like all industries at present needs to reduce costs to remain competitive This need has been addressed using various technologies ranging from design software to computer numerical control machinery After these technologies are in place and moulding begins the cost is usually based on cycle time Adjustments can be made to the moulding machine to help reduce the time to mould but in the final analysis the time is dictated by the ability of the mould to carry the heat away from the molten polymer Liquid is passed through cooling channels in the mould at the required temperature This must allow the molten polymer to flow into all sections of the cavity while at the same time remove the heat as quickly as possible Up to nowthese channels have been produced by drilling which can only produce straight lines If the channels carrying the water could be conformed to the shape of the part and their crosssection changed to increase the heat conducting area then a more efficient means of heat removal could be realised This may also help to reduce warpage when the part is ejected as the plastic would be cooled more uniformly 2 1 Temperature control Temperatures such as those for the molten polymer the mould the surround temperature and the clamping system temperature need to be controlled Fig 1 When molten plastic is injected in the mould it must be solidified to form the object The mould temperature is regulated by circulation of a liquid cooler usually water or oil that flows inside channels inside the mould parts When the part is sufficiently cooled it can be ejected Most 95 of the shrinkage happens in the mould and it is compensated by the incoming material the remainder of the shrinkage takes place sometime following the production of the part 1 2 2 Pressure control Both the injection unit and the clamping system require npressure with the latter developed to resist the former Fig 2 Three different pressures can be distinguished in the injection unit initial hold and back All these are obtained by the action of a screw In the clamping unit the oil pump of the hydraulic system controls the pressure needed to move the mould Holding pressure is required to finish the filling operation and maintained during solidification to supply the shrinkage 2 3 Time control Time is the most significant parameter in the entire operation Cost and machine efficiency can be estimated from the cycle time The principle temporal aspects to be controlled include gate to gate time injection time and cooling time A simple schematic illustration of a typical cycle time is shown in Fig 3 2 4 Thermal proprieties Despite their large diffusion for all plastic materials temperature range is a limit to their purpose Both high and low temperature can create damage to plastic components It is important to study thermal proprieties to understand and predict this behaviour Therefore cooling times in moulding machines must be set carefully to permit first plasticization of the thickness and secondly dissipation of melting heat Unlike metals the thermal capacity of plastics is high with crystalline plastics having a higher capacity than non crystalline Plastics have a large coefficient of thermal expansion if compared for example with metals A way to modify these values is to use mineral fillers such as fibre glass 2 5 Cooling channels As with most manufacturing fields production time and costs lead and lag are strongly correlated The longer it takes to produce parts the more are the costs and with injection moulding production industries cooling time is often taken as the indicator of cycle time Improving cooling systems will reduce production costs A simple way to control temperature and heat interchange is to create several channels inside the mould where a cooler liquid is forced to circulate Conventional machining like CNC drilling can be used to make straight channels Herein the main problem is the impossibility of producing complicated channels in three dimension especially close to the wall of the mould This produces an inefficient cooling system because the heat cannot be taken away uniformly from the mould and the different shrinkage causes warpage and cooling time increase Fig 4 On the other hand if the cooling channels can be made to conform to the shape of the part as much as possible Fig 5 then the cooling system the cycle time can be significantly reduced with cooling taking place uniformly in all zones Furthermore if the part is ejected with the same temperature in every point the subsequent shrinkage outside the mould is also uniform and this avoids post injectionwarpage of parts Another advantage is that a mould equipped with conformal channels reaches the operation temperature quicker than a normal one equipped with standard or drilled cooling channels 3 4 In this way one can reduce the time required when the moulding machine is started When the polymer is injected it solidifies immediately touching the wall of the mould If the volume of the part is sufficiently big and its thickness is too small polymer solidified can obstruct the flow and hinder a complete filling of the cavity In this case the mould must be heated to a particular temperature in order to permit the polymer to flow Despite all these advantages it may be noticed that newtechnologies involved in the production of moulding tools with conformal channels can increase initial costs for the additional complexity of the construction process 3 Conformal channels an overview Results from an investigation of the effectiveness of conformal channels by Ring et al 5 through the construction of three different moulds with and without conformal cooling showed that the latter technique led to significant improvements and a general reduction of the cycle time while ameliorating heat transfer A contribution to understanding the importance of conformal channels and the employment of new high conductivity materials is given by Jacobs 6 This research showed that using nickel copper moulds with conformal channels copper layered led to productivity improvements of about 70 when compared to a similar mould made with conventional steel with drilled cooling channels A comparison between conformal channels and drilled cooling channels has also been conducted by Sachs et al 3 They based their investigation on modelling the core and cavity coupled with software using both techniques and proceeded to construct the moulds to compare theory and experimental data Subsequent analysis shows that the conformal channel mould reaches operational temperature faster than the conventional one attaining a more uniform temperature distribution with efficient heat transfer capacity A method of controlling the moulding temperature suggested by Bayer 7 presents a means of finding the right position for the cooling channels conformal to the mould surface He also analysed the heat interchange with surroundings essential to calculating a correc