塑料雙聯(lián)齒輪注塑模具設計

塑料雙聯(lián)齒輪注塑模具設計,塑料,齒輪,注塑,模具設計 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計驗證測試，車間試驗，客戶評價，以及生產計劃。在小批量生產零件的時候，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。無論是模具設計還是注塑成型的過程中，缺少的是對如何修改這個模具材料和快速成型制造過程的影響有最根本的認識。此外，數(shù)字模擬技術現(xiàn)在已經(jīng)成為模具設計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，這主要是因為模具材料的成本變化很大。在本文中，以完成特定的數(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，而且還建立了相應的模擬系統(tǒng)。通過實驗結果表明，目前這個方法非常適合處理快速成型模具中的問題。 關鍵詞: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入模具中。因此，模具的材料需要有足夠的熱性能和機械性能來經(jīng)受高溫和高壓的塑造循環(huán)。許多研究的焦點都是直接有快速成型形成注塑模具的過程。在生產小批量零件的時候，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。快速成型模具在性能上是有別與傳統(tǒng)的金屬模具。主要差異是導熱性能和彈性模量（剛性）。舉例來說，在立體光照成型模具中的聚合物的導熱率小于鋁制的工具的千分之一。在用快速成型技術來制造鑄模時，整個模具設計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模具材料的方法有根本的了解．在當前的模具中，僅僅改變一些材料的性能是不能得到一個合理的結果的。同樣，使用傳統(tǒng)方法的時候，實際生產的零件也會有出先次品。因此，研究出一個快速成型過程，材料和注塑模具之間的互動關系是非?；鸺钡?。這樣就可以確定模具設計標準和快速模具的注塑的技術。 此外，計算機模擬是一種預測模塑件的質量的有效的方法。目前，商用仿真軟件包已經(jīng)成為模具設計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)不再適用于這個快速成型模具，因為它極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實驗比較一下，雖然鋁模具模擬植的部分失真是合理的，但是結果是不可以接受的，因為誤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，這個在目前的模擬中能測試準確。但是對于快速成型模具，潛在的失真會更多，在當前的測試中，其中就會有些失真會被忽視。例如，用一個簡單的三步驟模擬分析模具變形的時候，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，反復的試驗中得到了一個方法。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。主要的假設是，溫度和負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實體模型，這將通過流量分析軟件包被翻譯到一個文件 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荷和邊界條件，然后對光模具進行結構分析，其中失真的計算是在該注塑過程中進行的。 4如果模具的扭曲收斂了，那么直接進行下一步．否則，扭曲的型腔（改動扭曲后的型腔的尺寸）返回第二個步驟，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用了，算出該成型零件最終的扭曲部分． 上述的模擬流動中，基本上是三個仿真模塊。 2.2 模具結構分析 結構分析的目的是預測在填充過程中，模具由于熱和機械壓力而產生的變形。這個模型是基于一個三維熱邊界元法。邊界元法是比較適合這個應用的，因為只有變形的模具表面才有這樣的信息。此外，邊界元法有一個優(yōu)點，那就是在計算變形的模具的時候，它的計算是不會白費的。 模具在所受載荷超過彈性范圍的時候會產生應力。因此，在決定模具變形的時候，模具材料是一個基準。模具的熱性能和力學性能是各向同性的，而且溫度也是獨立的。 盡管這個過程是循環(huán)的，但是相同時間的溫度和熱流都是可以用于計算模具變形的．通常情況下，在模具里面每個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是自由的.熱邊界的推導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。在一個三維空間中，各向同性彈性區(qū)域中，由一個單元產生的負荷主要集中在xl方向上，它是以下面的形式產生的： (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Ｎ節(jié)點處測量的，可以表示為： (2-3) 整個Ｎ將分散在模具的表面上，轉變?yōu)榉匠蹋? (2-4) 其中Γn是指在這個區(qū)域上的表面成分。把恰當?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． 這個方程適用于每個離散的模具表面，從而組合成線性方程組，其中Ｎ是節(jié)點的總數(shù)。每個節(jié)點有八個相關數(shù)量，三個位移組成部分，三個牽引組成部分，還有溫度和熱流量。在穩(wěn)態(tài)熱模型中，每個節(jié)點處的溫度和磁場是已知的，余下的６個量中，三個必須是已知的。此外，在若干個節(jié)點處的位移值的方程必須消除剛體運動和剛體自轉的奇異系統(tǒng)。由此產生的系統(tǒng)方程式是一個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，下面將給出元件的應力和應變： (2-5) 該偏元件的應力和應變分別是： (2-6) 用類似的方法可以預測在回火玻璃中的殘余應力了。以積分的形式在平面上分析粘性和彈性結構關系時，可以表示為以下公式： (2-7) 其中G1是材料的的剪切模量。擴張的應變的情況如下： (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，那么結果則為： (2-10) 同樣的，利用方程消除應變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力和應變的形式，那么注塑中殘余的應力在冷卻階段中，由下面的方程獲得： (2-13) 方程可以通過梯形正交被解決。由于材料的時間在快速的變化，所以需要一個準數(shù)控程序來檢測。輔助模量是檢測數(shù)控梯形的規(guī)則。 關于翹曲分析，節(jié)點位移和曲率將以殼單元表達為： (2-14) 其中[ k ]單元剛度矩陣，[Be]是衍生算子矩陣，rzqqcrl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確知道翹曲的結果。但是，當零件的形狀很復雜的時候，它也是相當麻煩的。在本文中，在殼體理論基礎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為大多數(shù)注塑模具的零件都有一些部分幾何的厚度遠遠小于其他部分。因此，那些部分則可以被作為一個集會的單元來預測翹曲。每三個節(jié)點殼單元組合成一個恒應變三角單元和一個離散克?；舴蛉窃?，如圖1所示，因此翹曲可以分為平面伸展變形ＣＳＴ和板彎曲變形ＤＫＴ。并相應的以單元剛度矩陣來描述翹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系統(tǒng)里的變形分解．a是平面伸展元素，b是平面彎曲元素，c是殼單元 三 實驗驗證 對提出的模型進行了評定和發(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8中的立體光照模具數(shù)據(jù)比較。如圖2所示，有一個注塑尺寸36 × 36 × 6毫米和實驗數(shù)據(jù)中是相同的。薄壁和加強筋的厚度都是1.5mm，這個注塑材料是聚丙烯。注塑機的型號是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，保壓時間是3s，冷卻時間是48s。立體光照模具材料使用杜邦SOMOSTM6110樹脂，能抵御高達300°的高溫。如上所述，熱傳導是區(qū)分立體光照模具和傳統(tǒng)模具的一個重要因素。模具中的熱量轉移會產生溫度的不均勻分布，所以導致了成型零件的翹曲．立體光照成型模具的周期是可以預測的。以高的熱傳導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率。 圖3 不同的熱傳導率下，在Ｘ方向上的扭曲失真比較 圖4 在不同的熱傳導率下，在Ｙ方向上的扭曲失真比較 圖5 在不同熱傳導率下，在Ｚ方向上扭曲失真比較 圖6 不同熱傳導率下各個捻度變量的比較 對于這個部分，扭曲包括三個方向上的位移和捻度（兩個最初的平行邊的夾角的誤差）．如圖3到圖6，實驗結果表明，這些數(shù)值也包括通過傳統(tǒng)注塑模具模擬系統(tǒng)預測的扭曲值和報道［3］中的三步驟。 ４ 結論 本文介紹了一個綜合模擬的快速成型模具的方法，并且建立了相應的仿真系統(tǒng)。為了驗證這個系統(tǒng)，實驗還進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．假設由于注射中的溫度和負載荷引起了扭曲．那么用三步驟完成的話，結果也會出現(xiàn)比較多的誤差。 不過更先進的模型會使結果更接近與實驗。立體光照模具改進了熱傳導率極大的增加了零件質量．由于溫度比壓力（負載）對模具的影響更大，所以改進立體光照模具的熱傳導率可以更顯著的提高零件質量。無論零件多么復雜，快速成型技術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，對于一個綜合模型來說，要預測最后零件質量是相當重要的。在不久的將來，我們期待看到通過快速成型擴展到快速模具制造的模擬程序。 參考文獻 [1] Wang KK (1980) System approach to injection molding process.Polym-Plast Technol Engmolding process design.14(1):75–93. 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