注塑模具的设计及其热分析Word下载.docx
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在冷却时,冷却管道附近的冷却效果比远离冷却管道区域的冷却效果好。
不同的温度导致不同的收缩,不同的收缩导致热应力而显着的热应力可能会导致翘曲问题。
因此,在冷却阶段对注射工件进行残余热应力模拟分析是非常重要的[8]。
通过了解热应力的分布特点,可以预测残余热应力引起的变形。
本文介绍了注塑模具设计生产翘曲试样以及为了获得残余热应力影响而在模具中执行热分析。
2.方法
2.1设计翘曲测试样本
本节说明了用于注塑模具的翘曲测试样品的设计。
很显然翘曲的主要问题存在于产品的薄壳特征。
因此,产品开发的主要目的是设计一个塑件,以确定注塑工件薄壳翘曲问题的有效因素。
翘曲测试样本是薄壳塑料。
样本的总体尺寸长120mm,宽50mm,厚1mm.用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)作为材料,在注射温度为210℃,压力为60MPa,持续3s时间生产翘曲测试样本。
图1显示了翘曲测试样本的制作
图1翘曲测试样本制作
2.2翘曲测试样本注塑模具的设计
本节介绍了设计生产翘曲测试标本时,在模具的设计方面和其他方面的考虑
因素。
用于生产翘曲测试样本注塑模具的材料是AISI1050碳钢。
在模具设计时考虑了四个构思,其中包括:
i.三板式模具(构思1)有一个型腔两个分型面。
由于成本高,所以不适用。
ii.两板式模具(构思2)有一个型腔一个分型面但无浇注系统。
由于单位时间内注射生产量低,不适用。
iii.双板模具(构思3)有一个分型面和两个型腔,带浇注和顶出系统。
由于塑件的是薄壳的,顶杆可能破坏工件,所以不适用。
iv.双板模具(构思4)有一个分型面和两个型腔带浇注系统,只用拉料杆为顶出机构,避免顶出时破坏塑件。
翘曲测试样本模具设计的第四个构思被应用。
在模具设计中,还有许多因素需要考虑。
首先,根据注塑机使用的压板尺寸设计模具。
注塑机行程是有限的,通过两个拉杆间的距离确定注射机的最大行程。
注射机两个拉杆间的距离为254mm,因此,最大模板宽度不应超过254mm这个距离。
此外在模具和两连杆中留出4mm的间隙便于模具的拆装。
这最终使模具最大宽度250mm。
250X250的标准模架最终被使用。
其他有关模板的尺寸则列于表1
模具已设计了夹紧压力,锁模力应高于内部腔力(反作用力)以避免飞边的发生。
以提供的标准模架尺寸为根据,凹模的宽度和高度的分别是200和250毫米,使得模板上的这些尺寸有足够的空间设计两个水平的型腔,而凸模只需留有固定浇口套的空间以便注入溶融塑料。
因此,在产品的表面只设计了一个分型面。
在开模的时候,塑件和流道在分型面上被分开。
模具设计了直接浇口或侧浇口。
浇口位于流道和塑件之间。
为了便于注入塑料浇口底部设计了一个20°
的锥角斜度和0.5mm的壁厚。
为了熔融塑料的流入,还设计了4mm宽,0.5mm厚的浇口。
在模具设计时,选定了抛物面类型的流道。
在这种情况下,它的优点是仅需简单的加工模具凸模部分。
然与圆形截面类型相比,这种类型的流道有不利之处,如更多的热量损耗和废料。
这可能会导致熔融塑料更容易固化。
所以在设计时应缩短流道长度并增大流道直径至少有6mm。
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。
另一个设计方面是考虑到了气孔设计。
凹模和凸模配合面之间有非常好的修
整,以防止飞边的发生。
然而当模具闭合时,可能会导致空气闭于型腔内,导致塑件注射不足或不完整。
设计足够多的通风孔以确保型腔内的空气可以被释放,避免不完整的塑件发生。
为了让冷却更均匀,冷却系统沿着模具型腔水平设置。
在紊流的情况下,冷却渠道提供了足够的冷却水冷却模具。
图2显示了在凸模上气孔和冷却管道的布局。
图2凸模上气孔和冷却管道的布局
在此模具设计中,顶出系统只由推杆固定板、拉料杆,浇口套组成。
拉料杆设置与凸模的中心位置,在模具打开时不仅承担拉着塑件到适当的位置,而且在顶出阶段,作为推杆从模具中推出塑件。
因为生产的产品仅有1毫米非常薄的,所以没有额外推杆被使用或设置。
在顶出阶段额外的推杆可能会造成塑件产生孔或破坏塑件。
最后,为补偿材料的收缩足够的尺寸偏差被考虑。
图3显示三维实体造型,以及利用UG开发的模具的线框模型。
图3三维实体造型以及利用UG开发的模具的线框模型
3.结果和讨论
3.1塑件的制作生产及调整
从模具设计和制作的角度看,在试运行阶段制作的翘曲测试样本存在缺陷。
该缺陷是注射不足,飞边和翘曲。
飞边后来通过在型腔角上铣削额外的气孔让空气排除的方法解决。
同时,通过减小注塑机压力减少了飞边的产生。
通过控制注射时间、注射温度、熔融温度等不同参数,控制翘曲变形。
经过这些修改,模具在低成本的情况下生产出了高质量的翘曲测试样本,这些试样还需要修整。
图4显示修整后的模具,这是加工额外的排气孔可以消去注射不足。
图4加工额外的排气孔可以消去注射不足
3.2.模具和产品详细分析
在塑料注射成型过程中,熔融ABS在210◦C温度下通过凹模上的浇口衬套直接注射到模具型腔,经过冷却,塑件就成型了。
塑件的生产周期需要花35秒,包括20秒冷却时间。
用于生产翘曲测试样本材料的是ABS在注射温度、时间、压力分别为210℃,3秒和60MPa。
运用有限元软件分析材料性能在决定温度上非常重要。
表2列出了ABS以及AISI1050碳钢的性能。
模具分析主要是凹模和凸模,因为他们是形成塑件的地方。
因此,使用13.5版本的商用有限元分析软件LUSAS分析家研究不同时段温度的分布。
使用二维热分析研究残余热应力在不同区域对模具的影响。
由于对称性,只要通过凸模的垂直断面或在注射阶段当凸凹模合在一起时的侧面图建立模型执行热分析。
图5所示的是模板的热分析模型。
图5模具热分析
表2
建立模型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。
对试样分析,使用13.5版本的LUSAS分析家进行双向拉伸应力分析。
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6所示的是分析的负载模型。
图6负载模型分析的产品。
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。
图7不同时段温度分布图
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8绘制时间响应曲线所选的节点
图9到图17显示了在图8中被标注的不同节点的温度分布曲线
总结温度(28)/响应时间(27)
图9节点284温度分布
总结温度(8)/响应时间(7)
图10节点213温度分
总结温度(10)/响应时间(9)
图11节点302温度分布
总结温度(12)/响应时间(11)
图12节点290温度分布
总结温度(14)/响应时间(13)
图13节点278温度分布
总结温度(16)/响应时间(15)
图14节点1838温度分布
总结温度(18)/响应时间(17)
图15节点1904温度分布
总结温度(20)/响应时间(19)
图16节点1853温度分布
总结温度(22)/响应时间(21)
图17节点1866温度分布
从图9—17中很显然被选择用来绘制曲线的每一个节点的温度都是递增的,也从室温到高于室温,然后再次温度下保持一段时间。
这些温度上升是由于塑料溶液注入到了塑件的型腔内造成的。
经过一段时间后,温度进一步上升直至达到最高温度,然后保持在最高温度
下。
由于保压阶段涉及高压导致温度上升。
温度保持不变直到冷却阶段开始,从而导致模具温度减小到一个低值,然后保持该低值。
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。
绘制的曲线图仅仅显示了在周期内温度能达到的最大值。
冷却阶段是决定残余热应力的最关键阶段。
这是因为冷却阶段,材料冷却从上面到下面玻璃化转变温度。
物质的不均匀收缩可能产生热应力从而引起翘曲。
如图9-17中所示冷却阶段后的温度,很明显在冷却管道附近的塑件由于温度减小的更多,塑件获得了更好的冷却而远离冷却管道区域的塑件冷却效果差。
冷却效果好、冷却速度快意味着在该区域发生更多的收缩。
最远的区域节点284,虽然远离冷却管道,但由于向空气中散热冷却更快。
因此,冷却通道设在产品型腔的中心,造成冷却管道附近和其他区域间产生温差。
由于发生收缩使得在塑件的中心区域产生压应力以及由于发生不均衡的收缩导致翘曲。
然而,在冷却后不同节点的温差很小,翘曲变形也不是很明显。
对设计师来说设计一副残余热应力效果小和高效的冷却系统是非常重要的。
对于产品分析,从被实行开始到分析塑料产品,在产品上不同载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。
图18—21显示了不同荷载增量下的等效应力图。
图18荷载增量1下的等效应力图
图19荷载增量14下的等效应力图
图20荷载增量16下的等效应力图
图21荷载增量23下的等效应力图
在关键的127节点,选定产品的最大拉应力进行分析。
应力应变曲线和应力负载增量曲线。
如图22和23
顶部压力127(10)/顶部应变EE127
图22应力应变曲线
顶部压力节点127(12)/工况编号(11)
图23应力与负载增量曲线
参考负载应力曲线如图23,它很清楚表明产品在增加拉力载荷,直到它达到了23的负载因数,这意谓产品能抵抗的1150N的拉力。
由图23可知,对产品的固定端以施加最大应力3.27×
107Pa时损坏可能发生在其附近区域。
该产品应力分析资料十分有限,因为生产产品的目的是为了翘曲测试,所以没必要进行拉伸负载分析。
但是在未来,应当确定产品情况,以便在其他各种负载情况下执行进一步的分析。
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。
鸣谢
作者要感谢马来西亚博特拉大学工学部发行出版了本文。
参考文献:
[1]R.J.Crawford,RubberandPlasticEngineeringDesignandApplication,AppliedPublisherLtd.,1987,p.110.
[2]B.H.Min,Astudyonqualitymonitoringofinjection-moldedparts,J.Mater.Process,J.Technol.136(2002)1.
[3]K.F.Pun,I.K.Hui,W.G.Lewis,H.C.W.Lau,Amultiple-criteria
environmentalimpactassessmentfortheplasticinjectionmoldingprocess:
amethodology,J.CleanerProd.11(2002)41.
[4]A.T.Bozdana,O¨
.Eyerc´
ıog˘lu,DevelopmentofanExpertSystemfor
theDeterminationofInjectionMouldingParametersofThermoplastic
Materials:
EX-PIMM,J.Mater.Process.Technol.128(2002)113.
[5]M.R.Cutkosky,J.M.Tenenbaum,CAD/CAMIntegrationThroughConcurrent
ProcessandProductDesign,Longman.Eng.Ltd.,1987,p.83.
[6]G.Menges,P.Mohren,HowtoMakeInjectionMolds,seconded.,Hanser
Publishers,NewYork,1993,p129.
[7]K.H.Huebner,E.A.Thornton,T.G.Byrom,TheFiniteElementMethod
forEngineers,fourthed.,Wisley,2001,p.1.
[8]X.Chen,Y.C.Lam,D.Q.Li,Analysisofthermalresidualstressin
plasticinjectionmolding,J.Mater.Process.Technol.101(1999)275.
介绍
齿轮连接是非常有用的机构,它可以通过一个或者多个平面上的多个齿轮链接相结合[1-2]。
普通的五齿轮连接机构是由五个转动关节和一个齿轮副的平面自由度构成。
在图1里展示了两种可能的不同结构的拓扑图。
在种类A里面,在连接1,2,3之间有一个三元的连接,然而在种类B里,所有的转动关节都是二元的。
种类A里包含了一个四杆回路,而种类B里的齿轮对被移除时有一个五杆回路。
种类B的机构在文献中被广泛研究[3-7]。
本文研究的机构是种类A的拓扑结构,它的学名是GFBM。
四杆齿轮机构通常被研究以经调查获得最大的摆角,pilgrim-stepmotions[8,9](更进一步的运动),dwellmotions,和拥有大体传动比范围的运动。
Neumann[10,11]分类了这些齿轮机构,并且得到了它们输入输出的运动功能。
在文献[11]里,他找到了能够大量输出震荡的机构,开始准备设计图表。
Volmer等人[12]研究了GFBM,并且通过在四杆机构的曲柄上增加一个内部齿轮来获得更进一步的运动。
Volmer和Meiner通过在曲轴的曲柄滑块机构上增加一个内部的齿轮获得更进一步的运动[13,14]。
Li和Cao[15]也研究了类似的纠缠特性的机构。
齿轮连接机构正在通过为Yokoyoma[16]分类和研究的平面四杆机构添加正齿轮来合成。
没有减速齿轮的齿轮连接机构也在文献中得到研究[17,18]。
本文提出了一种特定类型的GFBM(种类A1,输入连接1,输出连接2)的分析和综合的方法,和以往的研究工作不同。
根据观察,GFBM本质上被认为是一种快速的回返机构。
更大的时间比率上可以获得力量的传送特性。
1.GFBM的例子
在这项机构研究中包含了结构A,一个整合了四杆机构的简单的齿轮。
不同的机构可以分别通过连接1-5来获得固定,这些机构可以概括为图2。
此外,通过改变输入和输出连接,可以实现表1中总结出来的A1类型的不同的输入输出功能。
请注意,取代外部齿轮的内部齿轮也可以应用在一些这样的机构中。
A3是由另一个齿轮驱动的不过是一个四杆件,A5是一个拥有浮动齿轮的四杆件。
这项工作研究的是A1型的拓扑结构,其中的一个齿轮牢牢的连接在耦合器上,其他的齿轮拥有一个固定的旋转轴。
这就形成了一个行星齿轮系和像一个手臂一样的连接3.输入扭矩被用于连接2,输出在手臂处(连接3)获得。
因此,输入和输出大概是相同的旋转轴。
2.GFBM的运动分析
为了获得输入(θ12)和输出(θ13)之间的关系,我们可以从封闭的循环四杆机构等式中获得一个方程(Fig3)。
连接2,3,4所形成的行星齿轮的排列也可以得出一个另外一个方程。
合并这个等式:
其中,R=r4/r2和k是一个由连接2和连接4相对与连接3的初始相对位置确定的一个常数。
方程3可以带入方程1中消去θ14的到一个新的方程。
然后这个得到的方程可以乘以它的共轭复数(消去θ15)得到一个θ12和θ13之间的一个新的等式。
然而,如果可能的话,通过这个方法获得一个明确的输入输出关系是非常困难的。
因此,我们用一种新的方法只用两步来确定输入输出之间的关系。
根据推测,假定这个输入连接不是连接2而是连接4,因此,根据这个假设θ13和θ14之间的明确的关系可以通过四杆机构的环路封闭方程来确定。
此后,θ13根据θ14的一个函数确定。
然后通过方程3可以获得θ12和θ14之间的关系。
因此,对于一个给定的θ14,相应的θ12和θ13都可以明确的确定。
因此,可以确定一个给出了输入θ12和输出θ13之间关系的图表。
通过这种方法,可以去除掉一个迭代数值解。
为了使连接2拥有一个完整的旋转,耦合器连接(连接4)也必须拥有一个完整的旋转,同时连接3和连接5只有震动。
连接3的完整的自传传递了一个完整的由连接1,3,4,5形成的一个四杆件的耦合连接器的自转(图3)。
这个四杆机构一定是Grasshof型双摇杆机构(最长的连接和最短的连接的综合小于两个中间连接的长度的总和。
最短连接的对面的连接是框架(thelinkoppositetheshortestlinkistheframe…这句不懂)。
有了这样的考虑,我们就可以确定连接3的旋转耦合器的旋转的约束。
用循环闭合方程
(1)乘以它的共轭复数,可以用θ14的函数来定义θ13。
在这里,
由于θ13用已知的θ14来定义,相应的,θ12也可以从等式3获得。
因此,输入输出的关系可以仅用两步通过分别求解方程4和方程5来得到。
k是一个由连接2和连接4相对与连接3的初始相对位置确定的一个常数(积分常数)。
它可以任意选择。
然而,当获得输入输出曲线时,为了使θ12的值从0°
开始(当θ14=0°
时,之前的θ13已经被计算了,所以要使得到θ12=0°
),可以选择k为:
3.GFBM的传动角
机构的传动角被定义为[19]:
忽视连接的质量,GFBM连接的自由结构图如图4A所示,其中Ti是用于连接2的输入扭矩,To是连接3上的输出扭矩,α是齿轮的压力角。
这个机构的传动脚可以通过以下方法获得:
从这些连接的自由体图可以得到F43t和F43n,通过方程6,可以这样定义传动角:
如果输入连接的旋转方向改变了,那么由于连接2和连接4之间的里的作用线改变了导致GFBM的转动角改变了。
在这种情况下,传动角将通过如下获得:
请注意,在包含α的括号前面有一个减号。
不像目前已知的其他所有机构,这一机构的力的传输特性也是一个(选装)方向的函数。
一个在旋转方向上拥有正确角度值的机构可以在当输入旋转方向是相反的情况下甚至会锁住。
例1:
设定一个GFBM,它的连接长度分别是:
a1=1,a3=0.907,a4=0.306,a5=0.665,且R=1。
在图5中,输入连接θ13的位置和转动角μ将通过相对于输入位置θ12的顺时针和逆时针方向显示。
请注意,更具旋转方向,有两个不同的μ曲线。
还需要注意的是已经获得了一个大的时间比率(2,27)。
4.GFBM的合成
这个问题被认为是由两个部分组成,第一部分是合成问题,在这之中必须定义一个已经分别为连接3和连接5分别定义了ϕ和ψ角的双摇杆Grashof类型的四杆机构。
这个部分的解决方案是一个无限集合。
问题的第二部分是关于优化。
从第一部分中获得的无限可能的解决方案,其中一个必定能确定一个最大传动角与90°
的偏差最小。
该机构扩展和折叠的位置如图6所示。
在延伸出来的位置上,连接3处于靠前的位置,在折叠连接处,连接3是在完全退出的位置。
Θ是连接3在折叠处的角度,ξ是连接5在折叠处的角度。
循环机构折叠和扩展位置的方程可写为[20]:
可以定义Z1,Z2和λ为:
没有一般性的损失,固定连接可以被看作一个整体;
a1=1。
然后等式(9)和(10)可以被格式化为:
根据未知数Z1和Z2这些复杂的方程是线性的,然后可以根据λ,ϕ,和ψ来解出Z1和Z2。
当λ从−∞变换到+∞,Z1和Z2可以用AoAf和BoBf的尖端轨迹曲线来描述。
对于任何给定数值的ϕ和ψ,这些轨迹是两个圆。
在图7中,所显示的是数值为:
ϕ=50°
和ψ=10°
的两个圆。
可以从(0,0)绘制一条直线,相对于AoBo的角度为θ。
Af是这条线和Z1圆的交汇点。
另一条直线也可以从Bo开始画一条直线相对于AoBo的角度为ξ,它也分别和这些圆在Af,Bf处相交。
这相当于机构的折叠位置,其中连接长度分别是:
AoAf=a3,AfBf=a4,BoBf=a5且AoBo=a1。
经过分析,连接的长度可以确定为:
链路的长度是一个自由参数λ,摆动角度ϕ和ψ组成的函数。
对于一个给定的φ和ψ,有一个相较于自由参数λ的解决方法。
双摇杆比例的一个必要不充分条件是:
为了获得双摇杆的比例,这里有一些摆动角的限制:
5.结论
在这项研究中,研究了一种输入轴输出轴共线的新类型的四杆机构。
且提出了一种新颖的分析方法,推到得出了传动角的表达式和优化设计这种机构的图表。
在这些设计图的辅助下,通过指定输出摆动角和时间,可以很容易的确定相应的拥有最佳特性的传动机构。
据观察齿轮比显著影响传动角,传动角随着齿轮比(R)的增加而改善。
根据输入的旋转方向,有两个不同的优化机构,他们都有着相同的输
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