外文翻译--塑料注射模具设计及其热分析 中文版

翻译文章 塑料注射模具设计及其热分析 摘要 本文主要介绍一个生产翘曲测试样件的注射模具设计并进行热分析以助于了解残余热应力对模具的影响。提出了设计塑料注射模具所需的技术、理论、方法以及其它一些考虑因素。模具的设计部分可以利用装在一般的商业电脑上的设计软件 Unigrafics，版本 13.0 来完成。对于由样本的不均匀冷却引起残余热应力的模拟已经逐步发展起来，并可以用一个商业的有限元分析软件 LUSAS Analyst, 版本 13.5 进行模拟。这个软件用轮廓绘图模拟温度分布情况以及绘制时间响应曲线来表现在塑料 注射模制模周期内的温度变动情况。结果显示，相对与其它区域来说冷却通道旁边的区域比较容易产生收缩。这种在模具不同区域不均匀冷却就表现为翘曲。 关键词 塑料注射模具 设计 热分析 1.简介 塑料行业是世界上发展最快的行业之一，属于少数亿万美圆的行业。在日常生活中几乎所有的用品都离不开塑料并且大部分都可以用用塑料注射模具的方法生产 1。注塑注射成型工艺也以利用低成本制作出各种各样的形状及复杂的几何图案著称 2。 注塑注射成型工艺是一个循环过程。可分为填料、注射、冷却、脱模四个重要阶段。塑 料注射成型过程开始于往料斗到注塑机的加热或注射系统中填入树脂和适量的添加剂 3。灌浆阶段就是在注射温度下用融解的热塑料注入模腔。模腔被填满之后，适量的熔融塑料在一个较高的补偿压力下补充塑料凝固引起的收缩。跟着是冷却阶段，将模具冷却至有足够的刚度脱出模具。最后是脱模阶段，即打开模具然后顶出零件，再合上模具开始下一个循环 4。 需要注塑成型的塑料产品的设计和制造与预期性能是要靠经验控制的一个昂贵的过程，包括实际对封面压花的修改。在模具设计之中，设计模具具体补充几何，通常在核心边，包括相当复杂的投射和凹槽 5。 设计模具时必须考虑到许多重要设计系数。 这些因素是模具的大小，型腔的个数及布局、流道系统，浇口系统、脱模系统和收缩率 6。 对模具的热分析，主要宗旨将分析残余热应力的作用或产品直径方向的压注。热感应强度的增强主要在模塑零件的冷却阶段，主要因为它的低导热性和在溶融树脂和模具之间的温差。在冷却期间产品模腔附近也会存在温度不均匀的区域 7。 在冷却期间，冷却通道附近的区域比冷却通道远处的区域冷却得更快。这个温差会造成材料的不均匀收缩从而产生热应力。强热应力会引起翘曲问题。所以，它是模仿模塑零件 在冷却期间残余热应力区域的重要阶段 8。通过了解热应力发生的特征，对其造成的变形可以预先模拟。 在本文中注塑模的设计是为了产生翘曲的测试样本和能对呈现在模具上残余热应力的作用执行热分析。 2.操作方法 2.1. 翘曲测试标本的设计 这个部分说明用于注塑模的翘曲测试的标本设计。它表明翘曲是存在于薄壁产品的主要问题。所以，产品开发的主要目的在于控制能影响薄壁注塑零件翘曲问题的有效的因素。 翘曲测试样本是薄壁注塑零件。样本的总体尺寸是长 120mm、宽 50mm、厚 1mm。为导致翘曲，测试标本所用的材料是 丙烯腈丁邻二烯 (ABS)，射入温度、时间和压力分别为 210 ， 3 s 和 60MPa。图 1 显示翘曲测试样本。 2.2. 为翘曲测试样本设计注塑模具 这个部分描述在设计模具和介入设计的其他考虑因素方面导致翘曲的测试样本。用于生产翘曲测试样本注塑模具的材料是 AISI 1050 碳钢。在设计模具时可以考虑以下四种类型： i.三板模（类型 1）一个 型腔两条分型线。费用较高，不适用。 ii.二板模（类型 2）一个 型腔一条分型线，没有浇注系统。每次生产数量少，不适用。 iii.二板模（类型 3）两个 型腔一条分型线，带有浇注和脱模系统。如果零件太薄有可能会被顶杆推破，不适用。 iv. 二板模（类型 4）两个 型腔一条分型线，利用直浇口脱模以避免损坏零件。 在为翘曲测试样本设计模具时宜选用第四种类型。设计时还有许多因素需要考虑。 首先，模具的设计基于选用的注塑机的压板尺寸。压板的最大区域取决于两系杆之间的距离，这对于注塑机来说是一个限制。这里用的注塑机的两系杆距离为 254mm。所以模具板材的最大宽度不能超过这个距离。此外，还有 4mm 的空间留在系杆和模具之间以便模具的拆装。这使模具的最大尺寸为 250mm，可采用标准模具基体。并在模具基体的右上角和左下角用卡钉固定在压板上。其他相关模板的尺寸见表 1。 表 1 各模板尺寸 零件 尺寸（ mm） 长 宽 高 顶部压紧板 母模板 公模板 侧板 /底版 推杆固定板 推板 动模座板 250 250 25 200 250 40 200 250 40 37 250 70 120 250 15 120 250 20 250 250 25 模具必须与夹压力一同设计让夹紧 力比模腔内作用力力更高 (反应力 ) 从而避免塑料喷溅的发生。 根据标准模具提供的尺寸，公模板的宽和高分别为 200mm 和 250mm。这些尺寸使水平地被安置的公模板上有足够的空间来设计双模腔，而母模板只需留有固定浇口套的空间以便注入溶融塑料。所以，在产品的表面只会留下一条分型线的痕迹。在开模时产品和流道将在分型面同时脱落。 这套模具的浇口形式是标准浇口或侧浇口。浇口是位于流道和产品之间的。浇口的底部被设计成只有 0.5mm厚并有 20 的斜度目的是为了更容易注入塑料。浇口的另一头也就是溶融塑料注入的一侧则有 4mm 宽 0.5mm 厚。 设计这个模具时，选用了截面为抛物面形式的流道，可以只在公模板上方便的加工。但是，这种形式的流道与圆形流道相比有更多的热量损失和废料。这可能使熔融塑料冷却过快。所以在设计时应使流道比较短且至少要有 6mm 的径向尺寸。 材料或熔融塑料在同一温度同一压力下同时被送到个模腔对于流道设计来说是很重要的一点。基于这点，模腔的布局一般都是对称的。 另外，气孔的设计也是模具设计中一个重要的方面。公模板和母模板的配合表面有很高的加工精度以防止注塑时泄露的发生。但是，这会使空气被封闭在闭合模腔内从而导致 短射或使零件不完整。合适起气孔设计可以使空气释放出来不会出现零件不完整的现象。 冷却系统是沿模腔长度方向在模具上打出的水平孔，只起冷却作用。在湍流情况下，水线可以充分冷却模具。图 2 显示了在公模板上气孔、水线以及模腔的布局。 图 2 在公模板上气孔、水线以及模腔的布局 在这个设计中，脱模系统只有推杆固定板、浇口套和推板。交口套的位于公模的中心，它的作用不仅是将产品固定在合适位置，在开模是还起到将产品拉出模腔的作用。因为产品非常薄，通常为 1mm，所以不需要设计其附加的推杆。模腔里的推杆反而有可能在脱模的时 候在零件上推出破孔。 最后，还要根据材料的收缩率留出足够的公差补偿。 图 3 所示的是用 Unigraphics 设计的模具三维模型以及线框模型。 3.结果与讨论 3.1. 产品的生产及改良 模具的设计和制造完成后，试模注塑出来的翘曲试样会存在很多缺陷。包括短射、喷溅和翘曲。短射的解决可以通过在模腔的角落里铣出附加的气孔来排出被困的空气。同时，减小注射压力可以减小喷溅的发生。对于翘曲的控制可以通过控制很多因素，例如注射时间、注射温度和溶料温度。 经过这些修整之后，模具可以生产出低成本高质量的翘曲试样，这 些试样需要经过简单的抛光处理。图 4 显示的是修整后的模具，加工出附加的排气孔可避免短射现象的发生。 图 4 附加气孔以避免短射 3.2. 模具及产品的详细分析 模具和试样都准备好之后，就可以对其进行分析了。在注塑的过程中， 210熔融的 ABS 通过母模上的浇口套直接注入模腔，经过冷却，制件就成型了。制件的生产周期为 35s，包括 20s 的冷却时间。用来制造模具的材料是 AISI 1050 碳钢。表 2 列出了 ABS 以及 AISI 1050 碳钢的性能。 表 2 ABS 以及 AISI 1050 碳钢的性能 模具， AISI 1050 碳钢 试样， ABS 密度 7860 kg/m3 弹性模量 208 GPa 泊松比 0.297 屈服强度 365.4MPa 抗拉强度 636MPa 热膨胀率 65 106 K1 电导率 0.135 W/(m K) 比热 1250 J/(kg K) 1050 kg/m3 2.519 GPa 0.4 65MPa 11.65 106 K1 49.4 W/(m K) 477 J/(kg K) 由于对称，在注塑过程中只需对公模和母模垂直截面的上半部分进行热分析。 图 5 所示的是多层模板闭合的热分析模型。 建模包括分配各部分的性能以及模型的循环周期。这样可以用有限元分析软件用造型模拟模具模型进行分析，还可以绘制时间响应曲线显示再某段时间内特定区域的温差变化。 对试样的分析可以用 LUSAS 分析员 13.5.版本分析双向拉伸应力。一般只需在试样的一端施加拉力另一端则固定住，然后慢慢增加拉力一直到达塑性极限。 图 5 热分析模型 图 6 试样分析的加载模型 3.3. 模具及试样分析的结果及讨论 模具分析过程对不同时间段的热量分布作了观测。图 7 所示是在一个完整的注塑周期中不同时间段的二维等高线热量分布图。 对模具进行二维分析后，可绘制出时间响应曲线以分析残余热应力对制件的影响。 图 8 所示是绘制时间响应曲线所选的节点。 图 9 17 所示的是图 8 中各节点的温度分布曲线。 图 7 不同时间段的热量等高线分布图 图 8 在制件上为绘制时间响应曲线选择的节点 图 9 节点 284 的温度分布曲线 从图 9 17 中的温度分布曲线可以清楚的看出 每个节为曲线图选择计画翻译经历温度的增加 , 也就是从那对特定的温度周围超过温度比较高的周围温度然后在这保持持续一段特定时间的温度。 这些增加温度是由溶化塑料的注入产品的型腔所引起的。 在一段特定时间之后 , 温度更进一步增加达成最高的温度，然后保持该温度。 这里的温度增加是由于包装阶段相关的高压导致的。 这个温度一直持续到冷却阶段的开始。 计画翻译的曲线图不是平滑适当的到那输入溶化人的充填物率的缺少功能塑料和冷冻剂的冷却比率。绘制的曲线是不平滑的，因为注入熔融塑料的速率和冷却速 率是相应的。这条曲线仅反应了一个周期里可以达到的最高温度。 热残余应力的分析中最关键的阶段在冷却阶段。这是因为冷却阶段导致材料冷却从高温到玻璃态转变温度的低温。 物质的不均匀收缩可能产生热应力从而引起翘曲。 图 10 节点 213 的温度分布曲线 图 11 节点 302 的温度分布曲线 图 12 节点 290 的温度分布曲线 如图 9-17 中所示冷却阶段后的温度显示，离水线越近的地方冷却效果越好，相反则越差。冷却越快收缩也越大。虽然，节点 284 离水线最远，却冷却得很快，那是因为热量被释放到周围的环境中了。 图 13 节点 278 的温度分布曲线 图 14 节点 1838 的温度分布曲线 图 15 节点 1904 的温度分布曲线 图 16 节点 1853 的温度分布曲线 图 17 节点 1866 的温度分布曲线 根据以上所述，水线位于产品型腔的中心引起了中心周围的温度高于其他区域。因此，中心区域会由于受到收缩力的作用产生更大的收缩从而产生翘曲。 然而 , 冷却温度在不同的节点处的不同很小，翘曲效果不非常明显。设计一个有比较小的残余热应力作用和一个有效率的冷却系统的模具对于一个设计者来说是很重要的。 对于产品分析 , 从被实 行开始到分析塑料产品 ,在产品上不同负荷因素的状态下的应力分配情况可以通过观察生成的二维曲进行线分析。 分析的时候选择了一个临界节点，即节点 127，这是拉应力最大的时候。此时参考负载应力曲线如图 23,它很清楚表明产品在增加拉力负荷，直到它达到了 23 的负载因数 ,这意谓产品能抵抗的 1150 N 的拉力。由图 23 可知 ,对产品的固定端以施加最大应力 3.27 107 Pa 时损坏可能发生在其附近区域。 4.结论 经过翘曲测试试样的分析确定影响翘曲的参数来设计的模具已经使产品质量达到最高。生产测试试样所需的成本很低而 且只需经过很少的表面处理。 通过注塑模的热分析得出残余热应力对试样的影响，对加载拉应力的分析也可以预测到翘曲测试试样所能承受的最大拉力。 参考文献 1 R.J. 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