塑料模具设计热分析.doc

注塑模具的设计及热分析 作者姓名等等 机械及制造工程系，马来西亚博特拉大学，43400沙登，雪兰莪州，马来西亚摘要本文介绍了针对在模具的生产制造过程中热残余应力的影响进行的模具试片的翘曲变形和热分析测试来进行塑料注射模设计。这项在塑料注射模具设计中需要被考虑到的技术，理论，方法被呈现了出来。模具的设计使用商用电脑辅助设计软件Unigraphics的13.0版本。对于热残余应力模型分析，由于在分析和解决试样的不均匀冷却性时需要使用商用有限元分析软件，LUSAS分析师的13.5版本。该软件提供了通过塑料注射成型周期为模型温度分布和温度变化绘制等高线图的时间响应曲线。该结果表明，收缩可能会在不久后发生相对过冷的冷却通道的地区。这种不平衡的冷却效果在模具的不同地区导致翘曲。关键词：注塑模具，设计，热分析1。简介 塑料业是世界上发展最快的市场产业之一，也是跻身于数十亿美元的产业之一。几乎每一个在日常生活中使用的产品都涉及使用塑料，这些产品大部分的生产都采用了塑料注射成型的方法1。 塑料注塑成型工艺是以较低的成本创建具有复杂几何形状和不同的产品著称的制造工艺2。注塑成型过程是一个循环过程。有四个进程的重要阶段。这些阶段是填充,包装，冷却和喷射。注塑成型过程开始从料斗填充树脂和适当的添加剂，以加热/注塑的方式在注塑成型注塑机系统成型3。这就是“灌浆期“，在合适的注射温度下用热聚合物熔体充满模具型腔。之后的型腔是在“成型阶段“，更多的聚合物熔体进入型腔成型，随着聚合物固化收缩增加更高的压力补偿。其次是“冷却期“，其中模具冷却，直到塑件达到足够的刚性弹出。最后一步是“弹出阶段“中，打开模具和零件塑件被弹出，之后，模具再次关闭，开始新的周期4。 设计和制造注塑成型聚合物与所需的属性部分是一个代价高昂的过程,占主导地位的是经验主义，包括反复修改实际模具。在模具的设计任务中，设计具体的模具的几何形状，而通常在核心方面，是相当复杂烦闷的工程项目纳入5。 为了设计一个模具，许多重要的设计因素必须加以考虑。这些因素是模具大小，型腔，型腔布局，转轮系统的数目，门控系统，收缩和弹射系统6。而模具的热分析，其主要目的是分析热残余应力的效果或强调模内对产品具体的尺寸要求。导致冷却阶段期间成型零件热应力的产生，主要是由于其低热量的而导致熔融树脂和模具的电导率和温度之间的差异。以及围绕产品在冷却腔存在不均匀的温度场7。在冷却过程中，靠近冷却通道的地方受冷比位置远离冷却通道的地方要明显。这种不同温度条件使塑料收缩异常造成热应力残余。明显的热应力可导致翘曲变形问题。因此，重要的是要模拟注塑部分在热残余应力场期间发生的冷却阶段8。通过了解热应力分布的特点，预测热变形引起的残余应力。本文的通过对因热应力产生翘曲变形的的试片分析，以获取有关的模具热效应数据来指导进行塑料注射模设计，2 方法论2.1 试片翘曲设计本节说明了翘曲测试设计标准将用于塑料注塑模具。很明显这翘曲的主要问题存在于具有薄壳结构的产品中，因此，该产品的主要用途发展是设计塑料零件，用于确定在一个注塑翘曲问题的有效因素来塑造一部分薄壳结构。试片的翘曲研究是从薄塑料外壳开始。试样的整体尺寸为120mm长，宽度50mm ，厚度1mm。该用于生产翘曲试片用的材料是丙烯腈丁二烯（ABS）。注射温度，时间和压力分别为210，3秒和60MPa，图1显示了翘曲测试用的试样。 图1 .翘曲变形测试标本。2.2 注塑模设计翘曲试片本节描述了考虑了设计方面和其他方面而设计的模具生产翘曲测试标本。用于生产塑料注射模具试件翘曲测试所使用的材料是AISI1050碳钢。四个关于模具设计的概念包括：1 三板模具（概念一）有两个分型面和单型腔。不适用的原因是成本高。2 双板模具（概念2）有一分型面与单型腔无浇注系统。不适用的原因是每次注射量低，生产量低。3。双板模具（概念3）有一分型面与同门控喷射系统和双蛀牙。不适用的原因是因为顶针可能会损坏本产品，该产品太薄。4 双板模具（概念4）有一分型面与门控系统，双型腔只用了浇道拉出作为喷射法，以避免产品在弹出时受伤害。 在试片的翘曲模具设计，第四个设计概念已得到应用。各种设计考虑在设计中得到应用。首先，在模具设计的基础上压板尺寸在注塑机上使用（BOY 22D）。由于受这台机器的限制，这是最大面积滚筒机，给出了两个拉杆之间的距离。机之间的拉杆距离254mm。 因此，模具板最大宽度应不能超过这个距离。此外，4mm的空间被保留是考虑到两个拉杆模具和模具设置和处理的目的。这使最终最大宽度为250mm模具。标准的模具底座采用的是250 250mm。模具底座安装在机器使用在右上角夹和较低的模具基地或模具左上角压板。尺寸和其他相关模具数据见表1。模具设计都是采用夹紧压力来使得锁模力大于内部空腔力（反作用力），以避免发生闪烁。 但根据规定的设置标准模具尺寸，宽度和高度的核心板分别为200和250毫米，。这些尺寸的两腔设计启用核心板水平放置，使其具有足够的空间，而板腔体为空，这是出于固定与浇口进料熔化的塑料套管的目的。因此，只有一个标准分型面是在产品的表面设计。 表1模具版尺寸元件尺寸 宽高厚（毫米）顶部夹板腔板250 250 25核心板200 250 40侧板/支撑板37 250 70喷射器，固定板120 250 15推板120 250 20底部夹板250 250 25 产品和流道被释放，通过在模具分型面开飞机。标准或侧门是专为这个模具而设计的。闸门位于流道之间和产品。底部位于地面的闸门被设计为拥有20倾斜，并且只有0.5mm的厚度，是为了便于去除闸门的目的。 闸门还设计有4mm的宽度和厚度为0.5mm对于熔融塑料的入口。在模具设计中，抛物型断面流道被选中，因为它具有简单的一模一半加工优势，这是这整个过程的核心。然而，这种类型的转轮的缺点和废钢圆形截面相比是存在更多的热量损失。这可能导致熔化的塑料固化速度更快。这个问题的解决方法是采用短流道，并且是流道具有更大的直径，这里用的流道是6毫米直径。重要的是，流道分配设计采用的材料或熔融的塑料，同时对型腔产生同样的压力和温度。由于这一点，型腔设计布局采用对称形式。 另一个设计方面是考虑到了通风孔设计。核心板之间的接触面和腔板具有非常精加工，以防止闪烁的发生。不过，这可能导致空气陷阱在型腔模具时关闭，造成短射或不完整的一部分。充足的空气通风口，旨在确保空气漏洞可以被释放，以避免不完整的部分产生。 冷却系统是沿长度腔，位于横向到模具，让塑件冷却。这些冷却通道上都钻了腔和核心板。提供足够的冷却通道冷却中的湍流情况下模具。图 2显示腔布局与通风孔和冷却渠道核心板。 图2 型腔布局与通风孔和冷却通道。 在这种模具设计，弹射系统仅包含喷射器固定板，浇道拉，也是推板。浇道拉在核心板中心并非位于只为拉功能的产品保持恰当的位置当模具打开，但它也是喷射器的行为，推动弹射过程中阶段的模具产品了。没有额外喷射器是在产品使用或残缺，因为位于该产品生产的非常薄，即1毫米。额外的喷射器在产品可能会造成洞腔面积和破坏在弹出的产品。 最后，尺寸足够的宽度是考虑补偿材料的收缩。图 3显示了利用Unigraphics软件三维实体建模以及线框造型的模具开发。 图3 三维实体造型和线框模型的模具3。结果与讨论3.1。结果产品的生产和改装从模具设计和制作的翘曲试件在成型期间产生的一些缺陷运行。该缺陷是短射，闪光和翘曲。该短射随后消除额外的铣削在腔体的角落，让被困通风口逃跑的空气。同时，减少了闪烁减少包装机器的压力。翘曲可以控制通过控制，如注射时间的各种参数，注射温度和熔融温度。 图4 多余的空气通风口 经过这些修改，模具生产的高品质成本低，所需的试片翘曲小整理的德门控。图 4显示了修改模具，这是多余的空气通风口，可以加工消除短射。3.2详细分析了模具和产品 经过模具和产品的开发，分析模具和产品进行了。在塑料注射成型成型工艺，在210C的熔融ABS是注入上腔板和模具浇道衬套通过定向到产品腔。冷却后发生，该产品形成的。该产品的一个周期大约包括20个35秒的冷却时间。 试片翘曲生产所用的材料是ABS和注射温度，时间和压力分别为210，分别为3秒和60MPa。该材料被选定为模具采用AISI1050碳钢。这些材料的性能进行了重要的决定在模具温度分布进行了使用有限元分析。表2显示了ABS的特性和AISI1050碳钢。对模具分析的关键部分是与腔核心板，因为这些都是该产品的地方形成。因此，热分析，以研究在不同的时间通过的温度分布和温度使用商业演出有限元分析软件所谓LUSAS分析师，版本13.5。一个二维（二维）热分析进行了针对热对模具在不同地区的残余应力的模拟。 图5 热分析模型 由于对称性，热分析仪器为造型只有垂直截面上半部分或从侧面看两个腔和核心板被夹住在注射在一起。图5显示了热模型分析分析了不规则的啮合。该模型的建模还涉及分配属性或周期时间和过程的模型。 这使有限元求解器来分析模拟并绘制时间模具响应图，显示了一定的温度变化在不同时间和地区。对于产品的分析，二维拉伸应力进行分析，利用LUSAS分析师，版本13.5。 产品基本上是装在一端，而紧张另一端夹紧。负荷增量均适用，直到该模型达到可塑性。图6显示加载模型分析。3.3。结果与讨论模具和产品分析 对于模具分析，在不同的温度分布时间间隔进行了观察。图7显示了二维分析热或热量分布在不同的时间等高线图每隔一注塑完整的周期。表2模具和产品的材料特性碳钢（采用AISI1050） 模具ABS的聚合物密度7860 kg/m3密度1050 kg/m3杨氏模量 E208 GPa 杨氏模量 E2.519 GPa电子泊松比 v0.297 电子泊松比 v0.4屈服强度 SY365.4MPa屈服强度 SY65MPa拉伸强度，SUTS636MPa热膨胀65106 K1热膨胀11.65106 K1电导率k 0.135 W/(m K)电导率k49.4 W/(m K) 比热容 c477 J/(kg K)比热容 c1250 J/(kg K) 图 6 加载产品分析模型对于模具，时间响应二维分析图绘制分析了热残余应力对产品的影响。图 8显示绘制选定的时间节点响应图。 图7 在不同的时间间隔热量分布的等高线图 图 9-17显示不同的温度分布曲线节点，如图所示。从温度分布图绘制图9-17看出，很显然，在此温度的一段时间图中每个节点的选择绘制遇到温度上升，从IE环境温度在一定温度高于环境温度保持不变。这种温度的增加是由于在熔融塑料注入该产品的腔。经过一段时间，温度，然后进一步增加达到的最高温度和在此温度下保持不变。温度增加是由于包装的阶段，涉及高压图8 产品选择区域时间响应曲线图。 图 9节点的温度分布图284 图 10节点的温度分布图213 图 11 节点的温度分布图302 图 12 节点的温度分布图290从而导致气温上升。这个温度保持不变，直到冷却阶段开始，这将导致在模具温度降低到一个较低的值并保持在此值。该图绘制不顺利因缺乏对输入的熔融充填率函数塑料以及冷却液的冷却速度。这些图表绘制只显示温度最高值可实现在循环。其中的残余热应力分析的最关键阶段是在冷却阶段。这是因为冷却步骤使物料冷却自上而下的玻璃化转变温度。该材料的经验鉴别热应力引起的收缩可能导致翘曲。 然后观察冷却阶段温度显示图。 9-17，很明显，该地区（节点）附近位于冷却通道的地区显示明显的冷却效果，进一步减少因温度和该地区的距离冷却通道的经验较少的冷却效果。更多的冷却有相当快速冷却收缩率的影响意味着更多是发生在该地区。然而，最远区域，节点284经验给了我们虽然远离冷却通道，但降温仍很明显是由于通道环境的热损失。 因此，冷却通道设在该中心产品腔引起周围的温度差中间部分比其他地区高。压缩强调在开发中的部分地区因更多的收缩，导致因不均匀收缩翘曲产生。然而，温度的差异后，冷却不同节点小，翘曲的影响是不是很显着。对于一个设计师设计一模具使用减少了热残余应力的效果与效率的冷却系统是很重要的。 图 13 节点的温度分布图278 图 14 节点的温度分布图1838 图 15 节点的温度分布图1904对于产品的分析，从正在开展的步骤来注塑产品分析，应力分布在不同负荷因素 对产品是观察二三维分析。 图 18-21等高线图的显示相当于在不同负荷应力增量。一个临界点，节点127个，其中产品体验最大拉应力被选定进行分析。应力与应变曲线和负载的情况下与应力曲线在这一点上，绘制图。 22和23。从负载情况绘制在这一点上与应力曲线图23，很明显，增加产品的经历在拉伸载荷，直至达到23负载因子，1150北这意味着该产品可承受拉伸直到1150年全负荷负荷高于此值会导致失败到产品。 基于图23，失败是有可能发生在在靠近该产品的最大固定端区3.27 107帕的压力应力分析表明该产品的资料非常有限由于生产的产品是为翘曲测试目的和没有与拉伸载荷分析的关系。在未来，但是，它表明该产品的服务条件应进一步分析，以便确定可能进行的其他行为，首先在各种不同的其他载入中。 图16 在装载量1下等效压力影响 图17 在装载量14下等效压力影响 图18 在装载量16下等效压力影响 图19 在装载量23下等效压力影响 图20 应力与应变ABS曲线 图21 ABS的应力增量与负载曲线 4。结论 对于模具设计，要做出具有高质量参数的翘曲试片，以确定引起翘曲的因素。由于试片在制作成本低，只针对小型的注塑模具设计。注塑模具的热分析提供了一组关于热残余应力的影响的数据和对试样变形形状的和拉伸应力之间的关系进行了分析，并成功地预测了拉伸负荷翘曲试片能承受的最大临界变形参数。鸣谢笔者要感谢马来西亚博特拉大学工学部，发行本刊。参考文献1 R.J. 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