塑料模具設(shè)計(jì)論文

..目錄文摘英文文摘獨(dú)創(chuàng)性聲明及學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書第一章緒論1.1模具工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位1.2國(guó)內(nèi)外注射塑料模具的發(fā)展?fàn)顩r1.3課題的產(chǎn)生背景和現(xiàn)實(shí)意義1.4本論文研究?jī)?nèi)容第二章注塑模具及熱流道2.1注射成型原理和工藝過程2.2注塑模具的結(jié)構(gòu)2.3澆注系統(tǒng)的作用2.4澆注系統(tǒng)的組成2.5熱流道注射模特點(diǎn)2.6我國(guó)應(yīng)用熱流道注射模的情況第三章注塑成型CAE技術(shù)和Moldflow注塑模輔助分析系統(tǒng)3.1概述3.2CAE技術(shù)的應(yīng)用3.3Moldflow軟件系統(tǒng)常用模塊功能介紹第四章屬地化塑料材料庫的建立4.1Moldflow的材料庫4.2屬地化塑料材料庫的建立第五章影響塑件流動(dòng)性的工藝參數(shù)分析5.1分析模型的建立5.2注射成型工藝的參數(shù)對(duì)流動(dòng)性的影響塑料熔體的流動(dòng)行為5.2.2溫度對(duì)流動(dòng)性的影響壓力對(duì)流動(dòng)性的影響5.2.4時(shí)間對(duì)流動(dòng)性的影響5.3塑件幾何形狀對(duì)流動(dòng)性的影響第六章普通澆注系統(tǒng)模具中聚合物材料的流動(dòng)長(zhǎng)度6.1塑件模型建立6.2澆注系統(tǒng)尺寸的確定澆注系統(tǒng)長(zhǎng)度的確定6.2.2澆注系統(tǒng)截面尺寸的確定6.3模型分析及填充模擬6.4選用熱流道模具依據(jù)第七章總結(jié)與展望7.1結(jié)論7.2今后的工作參考文獻(xiàn)作者在申請(qǐng)碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文致謝摘要模具工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位,其生產(chǎn)技術(shù)水平的高低,已成為衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志。本文介紹了當(dāng)前模具工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r及其發(fā)展趨勢(shì),闡述了注塑模具的結(jié)構(gòu)及澆注系統(tǒng)的作用,熱流道模具是注塑模具未來的重要發(fā)展方向之一,本文又概述了熱流道模具的特點(diǎn)及目前熱流道注射模在我國(guó)的應(yīng)用情況。計(jì)算機(jī)輔助分析<CAE>在各行各業(yè)得到了廣泛地應(yīng)用。同樣,在注塑模具行業(yè),它也己成為塑料產(chǎn)品開發(fā)、模具設(shè)計(jì)及產(chǎn)品加工最有效的手段。本文介紹了在注塑模具設(shè)計(jì)、注塑成型中CAE技術(shù)的應(yīng)用,及具體在塑料制品設(shè)計(jì)優(yōu)化、塑料模具設(shè)計(jì)優(yōu)化及注塑工藝參數(shù)優(yōu)化中的重要作用,其最大的特點(diǎn)就是大大縮短了開發(fā)周期,降低了生產(chǎn)成本。在介紹CAE技術(shù)的同時(shí),本文又簡(jiǎn)單介紹了注塑成型CAE軟件Moldflow及其在注塑模擬方面的主要功能。為了更好的應(yīng)用它,本文對(duì)該軟件的塑料材料庫進(jìn)行了擴(kuò)充,建立了一個(gè)屬地化的塑料材料庫,為以后建立以我國(guó)國(guó)產(chǎn)塑料材料為主的材料庫打下基礎(chǔ)。在注塑過程中,各個(gè)工藝參數(shù)如壓力、溫度、時(shí)間及塑件外形對(duì)塑料熔體的流動(dòng)性均有影響,本文詳細(xì)闡述了各個(gè)參數(shù)具體的影響情況,并建立了一個(gè)塑件模型,用Moldflow軟件對(duì)其進(jìn)行了流動(dòng)模擬,分析了各個(gè)參數(shù)對(duì)塑料熔體流動(dòng)性的具體影響,并得出可以利用流動(dòng)長(zhǎng)度作為分析對(duì)象,研究以其為標(biāo)準(zhǔn)來選用熱流道。以往熱流道都是依靠經(jīng)驗(yàn)來選用,本文研究了將塑件放入標(biāo)準(zhǔn)模架中對(duì)其分別進(jìn)行冷、熱流道注塑模擬,相同的澆注系統(tǒng)的尺寸在冷、熱流道下的流動(dòng)長(zhǎng)度不同,在冷流道條件下如果滿足不了流動(dòng)性,就必須選用熱流道,本文最終建立了選用熱流道的標(biāo)準(zhǔn)表格。關(guān)鍵字:注塑模具熱流道Moldflow計(jì)算機(jī)輔助分析第一章緒論1.1模具工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位模具是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備。振興和發(fā)展我國(guó)的模具工業(yè),日益受到人們的重視和關(guān)注。在電子、汽車、電機(jī)、電器、儀器、儀表、家電和通訊等產(chǎn)品中,60%-80%的零部件,都要依靠模具成形。用模具生產(chǎn)制件所表現(xiàn)出來的高精度、高復(fù)雜程度、高一致性、高生產(chǎn)率和低消耗,是其他加工制造方法所不能比擬的。模具又是"效益放大器",用模具生產(chǎn)的最終產(chǎn)品的價(jià)值,往往是模具自身價(jià)值的幾十倍、上百倍。模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低,己成為衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志,在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力。模具工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位與作用,可以從以下四個(gè)方面看出:\第一,模具工業(yè)是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)組成部分。例如:屬于高新技術(shù)領(lǐng)域的集成電路的設(shè)計(jì)與制造,不能沒有做引線框架的精密級(jí)進(jìn)沖模和精密的集成電路塑封模;計(jì)算機(jī)的機(jī)殼、接插件和許多元器件的制造,也必須有精密塑料模具和精密沖壓模具;數(shù)字化電子產(chǎn)品<包括通訊產(chǎn)品>的發(fā)展,沒有精密模具也不行。不僅電子產(chǎn)品如此,在航天航空領(lǐng)域也離不開精密模具。例如:形狀誤差小于的空對(duì)空導(dǎo)彈紅外線接收器的非球面反射鏡,就必須用高精度的塑料模具成形。因此可以說,許多高精度模具本身就是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一部分。有些生產(chǎn)高精度模具的企業(yè),已經(jīng)被命名為"高新技術(shù)企業(yè)"。第二,模具工業(yè)又是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要領(lǐng)域。用信息技術(shù)帶動(dòng)和提升模具工業(yè)的制造技術(shù)水平,是推動(dòng)模具工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。CAD/CAE/CAM技術(shù)在模具工業(yè)中的應(yīng)用,快速原型制造技術(shù)的應(yīng)用,使模具的設(shè)計(jì)制造技術(shù)發(fā)生了重大變革。模具的開發(fā)和制造水平的提高,還有賴于采用數(shù)控精密高效加工設(shè)備。逆向工程、并行工程、敏捷制造、虛擬技術(shù)等先進(jìn)制造技術(shù)在模具工業(yè)中的應(yīng)用,也要與電子信息等高新技術(shù)嫁接,實(shí)現(xiàn)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。第三,模具工業(yè)是裝備工業(yè)的一個(gè)重要組成部分。在1998年以前,許多人把機(jī)械工業(yè)當(dāng)作一般的加工工業(yè)。1998年11月召開的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議,首次明確提出了加大裝備工業(yè)的開發(fā)力度,推進(jìn)關(guān)鍵設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。將機(jī)械工業(yè)作為裝備工業(yè),把它同一般的加工工業(yè)區(qū)別開來,是對(duì)機(jī)械工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位與作用的重新定位。模具作為基礎(chǔ)工藝裝備,在裝備工業(yè)中自然有其重要地位。因?yàn)閲?guó)民經(jīng)濟(jì)各產(chǎn)業(yè)部門需要的裝備,其零部件有很大一部分是模具做出來的。第四,模具工業(yè)地位之重要,還在于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的五大支柱產(chǎn)業(yè)—機(jī)械、電子、汽車、石化、建筑,都要求模具工業(yè)的發(fā)展與之相適應(yīng)。機(jī)械、電子、汽車工業(yè)需要大量的模具,特別是轎車大型覆蓋件模具、電子產(chǎn)品的精密塑料模具和沖壓模具,目前在質(zhì)與量上都遠(yuǎn)不能滿足這些支柱產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。這幾年,我國(guó)每年要進(jìn)口近10億美元的模具。我國(guó)石化工業(yè)一年生產(chǎn)500多萬噸聚乙烯、聚丙烯和其他合成樹脂,很大一部分需要塑料模具成形成制品,才能用于生產(chǎn)和生活的消費(fèi)。生產(chǎn)建筑業(yè)用的地磚、墻磚和衛(wèi)生潔具,需要大量的陶瓷模具;生產(chǎn)塑料管件和塑鋼門窗,也需要大量的塑料模具成形。從五大支柱產(chǎn)業(yè)對(duì)模具的需求也可以看到模具工業(yè)地位之重要。圖1-1所示為幾種廣泛使用的塑料件,a為豐田汽車的喇叭紙盆支架,b為手機(jī)電池后蓋,c為手機(jī)塑料前窗。圖I一1幾種廣泛使用的塑料件我國(guó)已于20XX12月11日正式加入了WTO."入世"后對(duì)模具工業(yè)將會(huì)帶來更大的影響,模具行業(yè)正在從行業(yè)自身和對(duì)模具需求量大的相關(guān)產(chǎn)業(yè)著手進(jìn)行分析,并研究采取相應(yīng)的對(duì)策。1.2國(guó)內(nèi)外注射塑料模具的發(fā)展?fàn)顩r模具工業(yè)在工業(yè)發(fā)展中占有很重要的地位,各行各業(yè)均離不開模具,特別在汽車、摩托車、玩具、及家電等行業(yè)。其中塑料模具又是模具工業(yè)中重要的組成部分,彩電、電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)機(jī)等產(chǎn)品,需要的塑料模具量很大,在建筑、建材方面,今后塑料門窗、塑料水管和裝飾塑料制品將會(huì)有一個(gè)很大的發(fā)展。到20XX,塑料門窗的普及率和塑料管的普及率將達(dá)到30%-50%,對(duì)模具的需求會(huì)有很大增長(zhǎng)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,據(jù)1991年統(tǒng)計(jì),日本生產(chǎn)塑料模和生產(chǎn)沖壓模的企業(yè)各占40;韓國(guó)模具專業(yè)廠中,生產(chǎn)塑料模的占43.9,生產(chǎn)沖壓模的占44.8%;新加坡全國(guó)有460家模具企業(yè),60%生產(chǎn)塑料模,35%生產(chǎn)沖模和夾具。中國(guó)模具工業(yè)一直以每年巧%左右的增長(zhǎng)速度快速發(fā)展,20XX中國(guó)模具工業(yè)總產(chǎn)值己達(dá)280億元人民幣,在模具工業(yè)的總產(chǎn)值中,沖壓模具約占50%,塑料模具約占33%,壓鑄模具約占6%,其他各類模具約占110。由以上事實(shí)可以看出塑料模具已處于同沖壓模具并駕齊驅(qū)的地位。在塑料模具中注射模具是應(yīng)用最廣泛、類型最多、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的一種。在現(xiàn)代塑料制件的生產(chǎn)中,合理的加工工藝、高效的設(shè)備、先進(jìn)的模具是必不可少的三項(xiàng)重要因素,尤其是塑料模具對(duì)實(shí)現(xiàn)塑料加工工藝要求、滿足塑料制件的使用要求、降低塑料制件的成本起著重要的作用。一副好的注塑?？沙尚蜕习偃f次,一副優(yōu)良的壓鑄模大約能成型25萬次,這與模具的設(shè)計(jì)、模具材料及模具的制造有著很大的關(guān)系。從塑料模的設(shè)計(jì)、制造及模具的材料等方面考慮,塑料成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可以簡(jiǎn)單地歸納為以下幾個(gè)方面。Il<一>模具的標(biāo)準(zhǔn)化為了適應(yīng)模具大規(guī)模成批生產(chǎn)塑料成型模具和縮短模具制造周期的需要,模具的標(biāo)準(zhǔn)化工作十分重要,目前我國(guó)模具標(biāo)準(zhǔn)化程度只達(dá)到20%.注射模方面關(guān)于模具零部件、模具技術(shù)條件和標(biāo)準(zhǔn)模架等有14個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)前的任務(wù)是重點(diǎn)研究開發(fā)熱流道標(biāo)準(zhǔn)元件和模具溫控標(biāo)準(zhǔn)裝置;精密標(biāo)準(zhǔn)模架、精密導(dǎo)向件系列:標(biāo)準(zhǔn)模板及模具標(biāo)準(zhǔn)件的先進(jìn)技術(shù)和等向性標(biāo)準(zhǔn)化模塊等。<二>加強(qiáng)理論研究隨著塑料制件的大型化和復(fù)雜化,模具的重量達(dá)數(shù)噸至十多噸,這樣大的模具,若只憑經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì),往往會(huì)因設(shè)計(jì)不當(dāng)而造成模具報(bào)廢,數(shù)十萬元的費(fèi)用將毀于一旦,所以設(shè)計(jì)模具己逐漸向理論設(shè)計(jì)方面發(fā)展,這些理論設(shè)計(jì)包括模板剛度、強(qiáng)度的計(jì)算、充型流動(dòng)、脫模阻力與溫控系統(tǒng)等。今后的工作是如何將理論與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合指導(dǎo)實(shí)際的模具工業(yè)生產(chǎn)。<三>塑料制件的精密化、微型化和超大型化為了滿足各種工業(yè)產(chǎn)品的使用要求,塑料成型技術(shù)正朝著精密化、微型化和超大型化等方面發(fā)展。精密注射成型是能將塑料制件尺寸公差保持在0.01一0.001mm之內(nèi)的成型工藝方法,其制件主要用于電子、儀表工業(yè)。微型化的塑料制件要求在微型的設(shè)備上生產(chǎn)。目前,德國(guó)已研究出只有O.lg的微型注射機(jī),可生產(chǎn)0.05g左右的微型注射成型塑件。國(guó)內(nèi)目前己有0.5g的注射機(jī),可以生產(chǎn)O.Ig左右的微型注射塑件。注射塑件的大型化要求有大型、超大型的注射成型設(shè)備。目前,法國(guó)己擁有注射量為17萬g的超大型注射機(jī),合模力為150MN;美國(guó)和日本也已經(jīng)分別生產(chǎn)出注射量為10萬9和9.6萬9的超大型注射機(jī);國(guó)產(chǎn)注射機(jī)的注射量也己達(dá)到3.5萬g,合模力為80MNo<四>新材料、新技術(shù)、新工藝的研制、開發(fā)和應(yīng)用隨著塑料成型技術(shù)的不斷發(fā)展,模具新材料、模具加工新技術(shù)和模具新工藝方面的開發(fā)己成為當(dāng)前模具工業(yè)生產(chǎn)和科研的主要任務(wù)之一。十多年來,國(guó)內(nèi)外塑料成型行業(yè)在改進(jìn)和提高模具設(shè)計(jì)與制造方面投入了大量的資金和研究力量,取得了許多成果。1.各種新材料的研制和應(yīng)用模具材料的選用在模具的設(shè)計(jì)和制造中是一個(gè)較重要的問題,它將直接影響模具加工成本、使用壽命以及塑料件成型的質(zhì)量等。國(guó)內(nèi)外模具材料工作者對(duì)模具的工作條件、失效形式和提高模具使用壽命的途徑進(jìn)行了大量的研究工作,并開發(fā)出許多不僅具有良好的使用性能,而且還具有加工性好、熱處理變形小的新型模具鋼種,如預(yù)硬鋼、新型淬火回火鋼、馬氏體時(shí)效鋼、析出硬化鋼和耐腐蝕鋼等,經(jīng)過應(yīng)用,均取得了較好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。2.模具加工技術(shù)的革新為了提高加工精度、縮短模具制造周期,塑料模成型零件加工不但廣泛應(yīng)用了仿形加工、電加工、數(shù)控加工及三坐標(biāo)測(cè)量等先進(jìn)技術(shù),而且目前己應(yīng)用了快速成型、高速銑削及激光焊接與測(cè)量技術(shù),使得加工速度大大提高。<五>CAD/CAM/CAE技術(shù)的應(yīng)用塑料制件應(yīng)用的日益廣泛和大型塑料制件的不斷開發(fā),對(duì)塑料成型模具設(shè)計(jì)和制造提出的要求越來越高。傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)與制造方法不能適應(yīng)工業(yè)產(chǎn)品不斷開發(fā)和及時(shí)更新?lián)Q代與提高質(zhì)量的要求,為了適應(yīng)這些變化,先進(jìn)國(guó)家的CAD/CAM/CAE技術(shù)在20世紀(jì)80年代中期己進(jìn)入實(shí)用階段,市場(chǎng)上已有商品化的系統(tǒng)軟件出售。國(guó)內(nèi)一些高校和研究所也對(duì)模具CAD/CAM/CAE技術(shù)進(jìn)行了許多研究和實(shí)踐,并取得了很大成果。但我國(guó)在該技術(shù)的應(yīng)用和推廣方面與外國(guó)相比還存在一些差距,有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善。1.3課題的產(chǎn)生背景和現(xiàn)實(shí)意義中國(guó)模具工業(yè)發(fā)展迅速,市場(chǎng)廣闊,1990年至20XX間,中國(guó)模具制造業(yè)的產(chǎn)值年平均增長(zhǎng)14%左右。目前全世界的模具年產(chǎn)值,約有600^650億美元,我國(guó)20XX模具產(chǎn)值約為300多億元人民幣,折合30多億美元,但大部分是企業(yè)自產(chǎn)自用,作為商品銷售的約占三分之一。我國(guó)生產(chǎn)的模具有些己接近或達(dá)到國(guó)際水平,但總的來看,還遠(yuǎn)不適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,大型、復(fù)雜、精密、長(zhǎng)壽命等高檔模具有很大一部分依靠進(jìn)口。近五年平均每年進(jìn)口模具8.14億美元,20XX就進(jìn)口9.7億美元的模具,這還未包括隨設(shè)備和生產(chǎn)線作為附件帶進(jìn)來的模具。從上面的數(shù)據(jù)可以看出我國(guó)的模具業(yè)與模具發(fā)達(dá)國(guó)家存在著很大差距,這不但表現(xiàn)在模具材料、加工技術(shù)、加工設(shè)備的區(qū)別上,還表現(xiàn)在對(duì)CAD/CAM/CAE技術(shù)的應(yīng)用上,目前模具發(fā)達(dá)國(guó)家己經(jīng)將CAD/CAM/CAE技術(shù)貫穿于模具制造的整個(gè)環(huán)節(jié),而我國(guó)的模具企業(yè)對(duì)CAD/CAM/CAE技術(shù)的應(yīng)用僅限于大型模具企業(yè)中,而且也集中在CAD/CAM技術(shù)上,而對(duì)于CAE技術(shù)的應(yīng)用目前還處于起步階段。注射模CAE技術(shù)是一門以CAD/CAM技術(shù)水平的提高為發(fā)展動(dòng)力,以高性能計(jì)算機(jī)及圖形顯示設(shè)備的推出為發(fā)展條件,以計(jì)算力學(xué)中的邊界元、有限元、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及模態(tài)分析等方法為理論基礎(chǔ)的新技術(shù)。它的發(fā)展實(shí)際上包含了計(jì)算機(jī)技術(shù)、塑料熔體流動(dòng)理論、有限元方法的完善。注塑熔體流體理論的研究始于20世紀(jì)60年代,美國(guó)、英國(guó)、加拿大等國(guó)的學(xué)者如J.R.Pearson<英>、J.F.Stevenson<美>M.R.Kamal<加>、K.K.Wang〔美>等開展了一系列有關(guān)塑料熔體在模具型腔內(nèi)流動(dòng)與冷卻的基礎(chǔ)研究。隨后,許多研究者對(duì)一維流動(dòng)進(jìn)行了大量研究,主要是計(jì)算塑料熔體在等直徑圓管,中心澆口的圓盤以及端部澆口的矩形型腔中的流動(dòng)過程。20世紀(jì)70年代完成了二維分析程序,20世紀(jì)80年代開展三維流動(dòng)與冷卻分析并把研究擴(kuò)展到保壓分子取向以及翹曲預(yù)測(cè)等領(lǐng)域,進(jìn)入20世紀(jì)90年代后開展了成型過程流動(dòng)、保壓、冷卻、應(yīng)力分析及翹曲的全過程模擬,將各獨(dú)立模塊有機(jī)地結(jié)合起來,考慮它們之間的相互影響,以提高模擬軟件的分析精度和擴(kuò)大適用范圍[31。這些卓有成效的研究成果,為開發(fā)使用型的注塑模分析軟件奠定了基礎(chǔ)。有限元方法是目前常用的注塑成型過程進(jìn)行理論分析、建立與實(shí)際比較吻合的理想數(shù)學(xué)模型的方法。其基本原理是將變形體<連續(xù)體>進(jìn)行離散化,即將一個(gè)原來是連續(xù)的物體剖分<離散>成有限個(gè)單元。例如三角形單元、四邊形單元<二維問題>、六面體和四面體單元<三維問題>等。各個(gè)單元之間相互鉸接在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上,當(dāng)物體承受外力產(chǎn)生變形時(shí),各單元之間的作用力通過節(jié)點(diǎn)傳遞,承受等效的節(jié)點(diǎn)載荷。然后根據(jù)平衡條件進(jìn)行分析,按變形協(xié)調(diào)條件,把這些單元重新組合起來。成為一個(gè)組合體再綜合求解。CAE技術(shù)的基本方法,就是將某一項(xiàng)設(shè)計(jì)或者加工作為初值,然后通過計(jì)算機(jī)利用預(yù)先規(guī)定的算法對(duì)具備這一特點(diǎn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬或描述。經(jīng)過計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算,對(duì)輸入條件和模擬的模型進(jìn)行評(píng)估,并確定修正措施,進(jìn)行修改。上述過程反復(fù)進(jìn)行,直到取得一個(gè)成功的設(shè)計(jì)方案。注塑成型時(shí),塑料在型腔中的流動(dòng)和成型,與材料的性能、塑件的形狀尺寸、成型溫度、成型速度、成型壓力、成型時(shí)間、模腔表面情況和模具設(shè)計(jì)等一系列因素有關(guān)。因此,針對(duì)形狀復(fù)雜、質(zhì)量和精度要求較高的塑件,特別是新產(chǎn)品試制,對(duì)于一個(gè)具有豐富經(jīng)驗(yàn)的工藝和模具設(shè)計(jì)人員來講,也很難保證第一次設(shè)計(jì)出來的模具就能生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。生產(chǎn)實(shí)際表明在試制過程中,常常需要經(jīng)過反復(fù)調(diào)試和修改模具,有時(shí)甚至還需要在總結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上重新進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。這樣勢(shì)必會(huì)使新產(chǎn)品的試制費(fèi)用加大,試制周期延長(zhǎng),增加產(chǎn)品成本,影響產(chǎn)品的更新?lián)Q代。而應(yīng)用了CAE技術(shù),可以使新設(shè)計(jì)的塑件和模具一次試模成功率最大,解決諸如澆口尺寸與位置不當(dāng)、填充不均、塑件翹曲變形,尺寸不穩(wěn)定和模具加工周期長(zhǎng)等問題,并降低加工成本。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與注塑成型理論的發(fā)展,在以上基礎(chǔ)性研究的基礎(chǔ)上,從事注塑成型的工程研究人員逐步完善了注塑成型過程的計(jì)算機(jī)模擬,即將塑件在模腔中的成型過程劃分為若干步,應(yīng)用數(shù)學(xué)模型或有限元等理論分析方法,對(duì)每一步在塑件中的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度分布等進(jìn)行分析計(jì)算,直到塑件最終成型為止,以檢查工藝方案和模具結(jié)構(gòu)參數(shù)是否合理。每次分析計(jì)算的結(jié)果即可以在屏幕上以圖形化形式直觀的顯示出來,也可將全部數(shù)據(jù)打印出來。若設(shè)計(jì)者對(duì)這一方案尚不滿意,便可修改工藝方案和模具的結(jié)構(gòu)參數(shù),重新進(jìn)行分析計(jì)算,直到滿意為止。這樣,利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù),進(jìn)行工藝和模具的優(yōu)化設(shè)計(jì),從而節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用,縮短工藝和模具設(shè)計(jì)周期。由上可以看出,將CAE應(yīng)用于注塑過程分析具有積極的意義。1.4本論文研究?jī)?nèi)容本文主要介紹了注塑模CAE軟件Moldflow在注塑模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用并應(yīng)用它進(jìn)行的注塑過程充填模擬,在模擬過程中分析了各種注塑工藝參數(shù)如壓力、溫度、時(shí)間等,以及塑件幾何形狀對(duì)熔體流動(dòng)性的影響。在應(yīng)用實(shí)例中以Moldflow作為工具,以ABS塑料為例,模擬了不同塑件尺寸的單點(diǎn)澆口模具的流動(dòng)過程,得到了熱流道與普通澆注系統(tǒng)下ABS的流程,并以此作為選用熱流道的依據(jù)。本論文共分七章。第一章,緒論,主要介紹了當(dāng)前注塑模具國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況以及注塑模擬分析軟件在模具制造中的應(yīng)用:第二章,模具及熱流道模具介紹,主要介紹模具的基本結(jié)構(gòu)及熱流道模具的特點(diǎn)以及當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況:第三章,注塑成型CAE技術(shù)和Moldflow注塑模輔助分析系統(tǒng),主要介紹了注塑成型CAE技術(shù)的應(yīng)用、在模具設(shè)計(jì)中的顯著作用以及商品化注塑模CAE軟件Moldflow的主要模塊及在模具設(shè)計(jì)中的作用:第四章,屬地化塑料材料庫的建立,主要通過Moldflow系統(tǒng)內(nèi)部的材料管理模塊,建立了一個(gè)屬地化的塑料材料庫,為以后建立該軟件下的國(guó)內(nèi)塑料材料庫作準(zhǔn)備;第五章,影響塑件流動(dòng)性的工藝參數(shù)分析,本章主要分析了各種注塑工藝參數(shù)如壓力、溫度、時(shí)間以及塑件幾何形狀等對(duì)塑料熔體流動(dòng)性的影響并簡(jiǎn)單驗(yàn)證了Moldflow系統(tǒng)的仿真性;第六章,分析普通澆注系統(tǒng)模具中聚合物材料的流程,并以此分析參數(shù)來模擬優(yōu)化熱流道模具的ABS材料的流程。第七章,總結(jié)與展望。第二章注塑模具及熱流道2.1注射成型原理和工藝過程注射成型是將塑料顆粒定量地加入到注射機(jī)的料筒內(nèi),通過料筒的傳熱,以及螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的剪切摩擦作用使塑料逐步熔化呈流動(dòng)狀態(tài),然后在柱塞或螺桿的推擠下,熔融塑料以高壓和較快的速度通過噴嘴注入到較低的閉合模具的型腔中。由于模具的冷卻作用,使模腔內(nèi)的熔融塑料逐漸凝固并定型,最后開模取出塑件。上述過程可歸納為:[41加料—塑料熔融—注射—冷卻定型—塑件脫模2.2注塑模具的結(jié)構(gòu)注射模具的結(jié)構(gòu)是由塑件的復(fù)雜程度和注塑機(jī)的形式等因素決定的,凡是注射模均可分為動(dòng)模和定模兩大部分。注射時(shí)動(dòng)模與定模閉合構(gòu)成型腔和澆注系統(tǒng),開模時(shí)動(dòng)模與定模分離,取出塑件。定模安裝在注塑機(jī)固定模板上,而動(dòng)模則安裝在注射機(jī)的移動(dòng)模板上。推出機(jī)構(gòu)動(dòng)模中間板定模塑件澆注系統(tǒng)圖2-1所示為注塑模具的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)及開模情況。[51注射模的總體功能結(jié)構(gòu)分為:成形零部件—是注射模的核心部分,包括凹模、凸模和型芯,這些零件直接與塑料接觸并做出塑件的形狀。161澆注系統(tǒng)—將注射機(jī)噴嘴過來的熔融塑料過渡到型腔中,起了輸送管道的作用。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)—起到三個(gè)作用,一是保證動(dòng)模和定模在合模時(shí)準(zhǔn)確對(duì)合,避免模具中其它零部件發(fā)生碰撞和干涉,即導(dǎo)向作用;二是先導(dǎo)向后合模,保證塑件形狀和尺寸的精確度,即定位作用:三是承受側(cè)壓力。[71分型抽芯機(jī)構(gòu)—當(dāng)塑件側(cè)壁帶有通孔、凹穴、凸臺(tái)等,阻礙成型后的塑件從模內(nèi)脫出時(shí),必須將這些成型零件做成活動(dòng)型芯,帶有活動(dòng)型芯的機(jī)構(gòu)就是分型抽芯機(jī)構(gòu)。181脫模機(jī)構(gòu)—將模腔中定型后的塑件從模具中脫落并取出的部件。溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)—控制模具的溫度,使熔溶塑料在充滿模腔后迅速可靠定型。排溢、排氣系統(tǒng)—充模時(shí),排除溶料進(jìn)入后模腔中多余的氣體或料流末端冷料等;開模時(shí),引入氣體,有利于塑件從模腔中脫出。模架—是注射模的骨架和基體,模具的每一部分都要寄生于其中,通過它將模具的各個(gè)部分有機(jī)地聯(lián)系在一起。并與注射機(jī)相連接。2.3澆注系統(tǒng)的作用澆注系統(tǒng)的作用是,將來自注塑機(jī)噴嘴的熔融塑料輸送到各型腔中。澆注系統(tǒng)的形狀和尺寸將對(duì)熔融塑料的充填產(chǎn)生很大的影響。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)好,熔融塑料就能順利地充滿型腔;澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理,則會(huì)出現(xiàn)型腔充填不滿或塑件外觀質(zhì)量差、尺寸精度低等缺陷。101對(duì)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體要求是:<1>對(duì)模腔的填充迅速有序:<2>可同時(shí)充滿各個(gè)型腔;<3>對(duì)熱量和壓力損失較小;<4>盡可能消耗較少的塑料;<5>能夠使型腔順利排氣:C6>澆注系統(tǒng)凝料容易與塑料分離或切除;C7>不會(huì)使冷料進(jìn)入型腔;<8>澆口痕跡對(duì)塑件外觀影響很小;2.4澆注系統(tǒng)的組成澆注系統(tǒng)一般都由四部分組成:<一>主流道是連接注塑機(jī)噴嘴與分流道的一段料道,是模具進(jìn)料的入口,將塑料熔體從噴嘴引入到模具內(nèi)腔。<二>分流道英文名稱是runner,原意是滑道、流道、流槽等,是主流道與澆口的一段料流通道,用于一模多腔和一腔多澆口時(shí)<例如對(duì)于較大塑件或形狀復(fù)雜的塑件>,將從主流道的熔體分配至各型腔或同一型腔的各處,起著對(duì)熔體的分流轉(zhuǎn)向作用.單腔模具采用單澆口時(shí),絕大多數(shù)不設(shè)分流道。按一個(gè)模具中型腔數(shù)量和分布情況,分流道可以只有一級(jí),也可以有多級(jí),如二級(jí)分流道、三級(jí)分流道或更多級(jí)。<三>澆口澆口是由分流道通向<或主流道直接通向>型腔的一小段流道,是進(jìn)入型腔的門戶,英文為gate,原意是門口、閘門、隘口等。澆口是澆注系統(tǒng)中長(zhǎng)度最短、斷面最小的一段,但卻是最重要的部分。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗,很大程度上取決于澆口的設(shè)計(jì)。<四>冷料井冷料井一般位于主流道末端分型面的動(dòng)模一側(cè),熔體流程較長(zhǎng)的多級(jí)分流道多腔模具,各級(jí)分流道未端都應(yīng)設(shè)置冷料井,冷料井的作用是捕集熔體流動(dòng)的前鋒冷料,避免冷料進(jìn)入型腔對(duì)塑件造成不利影響。有時(shí),對(duì)于型腔最后充滿處,為避免形成強(qiáng)度不良的熔接縫,也在型腔之外相應(yīng)處設(shè)置冷料井。2.5熱流道注射模特點(diǎn)熱流道注射模與一般注射模的主要區(qū)別是注射成型過程中澆注系統(tǒng)內(nèi)的塑料不凝固,也不隨塑件脫模,所以這種模具又稱無料把模具。在美國(guó)熱流道模具己實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,目前生產(chǎn)的注射模中,有40%左右為熱流道模具,而在生產(chǎn)蓋、罩、容器及外殼等的模具中,有80%采用熱流道模具。在我國(guó),熱流道模具還處于研制推廣應(yīng)用階段。熱流道模具的特點(diǎn):<1>在整個(gè)生產(chǎn)過程中,澆注系統(tǒng)內(nèi)的塑料始終處于熔融狀態(tài),流道暢通無阻,壓力損失小,這樣就可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)澆口,多腔模具及大型塑件的低壓注射?；谕瑯永碛?還有利于壓力傳遞,從而克服因補(bǔ)料不足而產(chǎn)生的收縮凹痕,提高了產(chǎn)品質(zhì)量。<2>沒有流道凝料粉碎問題。這樣就節(jié)約了塑料原材料、人力或企業(yè)管理一般費(fèi)用。[III<3>省去去除澆口,修整塑件,破碎及回收廢料等工序,節(jié)省人力,簡(jiǎn)化設(shè)備,縮短成型周期,從而大大提高了生產(chǎn)率,且利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn),降低了成本。<4>在采用全液壓式注射機(jī)生產(chǎn)時(shí),由于沒有澆注系統(tǒng)凝料,模具的開模距離和合模行程可以縮短,從而縮短成型周期,并提高了設(shè)備對(duì)于深腔塑件的適應(yīng)能力。<5>溫控系統(tǒng)要求嚴(yán)格,需要用專門的模具溫控裝置,模具成本較高,不是對(duì)所有塑料都適用,也不適合于小批量生產(chǎn)的塑件。<6>熱流道注射模具所用的注射機(jī)與一般熱塑性注射模具所用注射機(jī)相同。由于采用熱流道技術(shù)的模具可提高制作的生產(chǎn)率和質(zhì)量,并能大幅度節(jié)省制作的原材料和節(jié)約能源,所以廣泛應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)是塑料模具的一大變革。2.6我國(guó)應(yīng)用熱流道注射模的情況在我國(guó),熱流道模具目前還處于研制推廣階段。國(guó)外熱流道模具已有一半用上了熱流道技術(shù),有的廠甚至己達(dá)so%以上,效果十分明顯。國(guó)內(nèi)近幾年已開始推廣應(yīng)用,但總體還達(dá)不到1o%o,個(gè)別企業(yè)達(dá)到zo%o-3o%a。從已有的研究成果來看,基本上局限于熱流道模具的結(jié)構(gòu),而熱流道對(duì)注塑充填、塑件質(zhì)量等方面的作用效果的研究大多是定性的、經(jīng)驗(yàn)性的,只是憑感覺確定某一模具應(yīng)該使用熱流道,如何選用熱流道還沒有定量的分析。第三章注塑成型CAE技術(shù)和Moldflow注塑模輔助分析系統(tǒng)3.1概述模具是生產(chǎn)各種工業(yè)產(chǎn)品的重要工藝裝備,隨著塑料工業(yè)的迅速發(fā)展以及塑料制品在航空、航天、電子、機(jī)械、船舶和汽車等工業(yè)部門的推廣應(yīng)用,產(chǎn)品對(duì)模具的要求越來越高,傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法己無法適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代和提高質(zhì)量的要求。計(jì)算機(jī)輔助工程〔CAE>技術(shù)已成為塑料產(chǎn)品開發(fā)、模具設(shè)計(jì)及產(chǎn)品加工中最有效的手段。同傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)相比,CAE技術(shù)無論在提高生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量,還是在降低成本、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等方面,都具有重要作用。3.2CA〔技術(shù)的應(yīng)用利用CAE技術(shù)可以在模具加工前,在計(jì)算機(jī)上對(duì)整個(gè)注塑成型過程進(jìn)行模擬分析,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熔體的填充、保壓、冷卻情況,以及制品中的應(yīng)力分布、分子和纖維取向分布、制品的收縮和翹曲變形等情況,以便設(shè)計(jì)者能盡早發(fā)現(xiàn)問題,及時(shí)修改制件和模具設(shè)計(jì),而不是等到試模以后再返修模具。這不僅是對(duì)傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)方法的一次突破,而且對(duì)減少甚至避免模具返修報(bào)廢、提高制品質(zhì)量和降低成本等,都有著重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。塑料模具的設(shè)計(jì)不但要采用CAD技術(shù),而且還采用CAE技術(shù)。這是發(fā)展的必然趨勢(shì)。Ozl注塑成型分兩個(gè)階段,即開發(fā)/設(shè)計(jì)階段<包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和模具制造>和生產(chǎn)階段〔包括購買材料、試模和成型>。傳統(tǒng)的注塑成型方法基本步驟如圖3一1所示,圖3-2為基于CAE的模具設(shè)計(jì)流程.傳統(tǒng)的注塑方法是在正式生產(chǎn)前,由于設(shè)計(jì)人員憑經(jīng)驗(yàn)與直覺設(shè)計(jì)模具,模具裝配完畢后,通常需要幾次試模,發(fā)現(xiàn)問題后,不僅需要重新設(shè)置工藝參數(shù),甚至還需要修改塑料制品和模具設(shè)計(jì),這勢(shì)必增加生產(chǎn)成本,延長(zhǎng)產(chǎn)品開發(fā)周期。采用CAE技術(shù),可以完全代替試模,CAE技術(shù)提供了從制品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的完整解決方案,在模冷卻管路的布局和工作條件,從而產(chǎn)生均勻的冷卻,并由此縮短成型周期,減少產(chǎn)品成型后的內(nèi)應(yīng)力。<5>減小反修成本提高模具一次試模成功的可能性是CAE分析的一大優(yōu)點(diǎn)。如反復(fù)地試模、修模勢(shì)必要耗損大量的時(shí)間和金錢。此外,未經(jīng)反復(fù)修改的模具,其壽命也較長(zhǎng)。3.優(yōu)化注塑工藝參數(shù)由于經(jīng)驗(yàn)的局限性,工程技術(shù)人員很難精確地設(shè)置制品最合理的加工參數(shù),選擇合適的塑料材料和確定最優(yōu)的工藝方案。CAE技術(shù)可以幫助工程技術(shù)人員確定最佳的注射壓力、鎖模力、模具溫度、熔體溫度、注射時(shí)間、保壓壓力和保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間等,以注塑出最佳的塑料制品。注塑者可望在制件成本、質(zhì)量和可加工性方面得到CAE技術(shù)的幫助。<1>更加寬廣更加穩(wěn)定的加工"裕度"流動(dòng)分析對(duì)熔體溫度、模具溫度和注射速度等主要注塑加工參數(shù)提出一個(gè)目標(biāo)趨勢(shì),通過流動(dòng)分析,注塑者便可估定各個(gè)加工參數(shù)的正確值,并確定其變動(dòng)范圍。會(huì)同模具設(shè)計(jì)者一起,他們可以結(jié)合使用最經(jīng)濟(jì)的加工設(shè)備,設(shè)定最佳的模具方案。<2>減小塑件應(yīng)力和翹曲選擇最好的加工參數(shù)使塑件殘余應(yīng)力最小。殘余應(yīng)力通常使塑件在成型后出現(xiàn)翹曲變形,甚至發(fā)生失效。<3>省料和減少過量充模流道和型腔的設(shè)計(jì)采用平衡流動(dòng),有助于減少材料的使用和消除因局部過量注射所造成的翹曲變形。<4>最小的澆注系統(tǒng)尺寸和回用料成本流動(dòng)分析有助于選定最佳的澆注系統(tǒng)尺寸。以減少澆注系統(tǒng)部分塑料的冷卻時(shí)間,從而縮短整個(gè)注射成型的周期,以及減少變成回收料或者廢料的澆注系統(tǒng)部分塑料的體積。3.3Moldflow軟件系統(tǒng)常用模塊功能介紹Moldflow公司是專業(yè)從事注塑成型CAE軟件和咨詢公司,自1976年發(fā)行了世界上第一套流動(dòng)分析軟件以來,一直主導(dǎo)塑料成型CAE軟件市場(chǎng)。近幾年,在汽車、家電、電子通訊、化工和日用品等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它具體有以下功能。1.MF/Flow流動(dòng)分析[131MF/Flow分析聚合物在模具中的流動(dòng),并且優(yōu)化模腔的布局、材料的選擇、填充和保壓的工藝參數(shù)?？梢栽诋a(chǎn)品允許的強(qiáng)度范圍內(nèi)和合理的充模情況下減少模腔的壁厚,把熔接線和氣穴定位于結(jié)構(gòu)和外觀上允許的位置上,并且定義一個(gè)較寬的工藝條件。本文主要用到此模塊。2.MF/Cool冷卻分析MF/Cool分析冷卻系統(tǒng)對(duì)流動(dòng)過程的影響,優(yōu)化冷卻管路的布局和工作條件。MF/Cool和MF/Flow相結(jié)合,可以得到十分完美的動(dòng)態(tài)的注塑過程分析。這樣可以改善冷卻管路的設(shè)計(jì),從而產(chǎn)生均勻的冷卻,并由此縮短成型周期,減少產(chǎn)品成型后的內(nèi)應(yīng)力。3.MF/Warp翹曲分析MF/Warp分析整個(gè)塑件的翹曲變形<包括線性、線性彎曲和非線性>,同時(shí)指出產(chǎn)生翹曲的主要原因以及相應(yīng)的補(bǔ)救措施。MF/Warp能在一般的工作環(huán)境中,考慮到注塑機(jī)的大小、材料特性、環(huán)境因素和冷卻參數(shù)的影響,預(yù)測(cè)并減小翹曲變形。4.MF/Stress結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析MF/Stress分析塑料產(chǎn)品在受外界載荷的情況下的機(jī)械性能,根據(jù)注塑工藝條件,優(yōu)化塑料制品的剛度和強(qiáng)度。MF/Stress預(yù)測(cè)在外載荷和溫度作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力和位移。對(duì)于纖維增強(qiáng)塑料,MF/Stress根據(jù)流動(dòng)分析和塑料的種類的物性數(shù)據(jù)來確定材料的機(jī)械特性,用于結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。5.MF/Shrink模腔尺寸確定MF/Shrink可以通過聚合物的收縮數(shù)據(jù)和流動(dòng)分析結(jié)果來確定模腔尺寸大小。使用MF/Shrink,可以在較寬的成型條件下以及緊湊的尺寸公差范圍內(nèi),使得模腔的尺寸可以更準(zhǔn)確地同產(chǎn)品的尺寸相匹配,使得模腔修補(bǔ)加工以及模具投入生產(chǎn)的時(shí)間大大縮短,并且大大改善了產(chǎn)品組裝時(shí)的相互配合,進(jìn)一步減少廢品率和提高產(chǎn)品質(zhì)量。6.MF/Optime注塑機(jī)參數(shù)優(yōu)化MF/Optime根據(jù)給定的模具、注塑機(jī)和注塑材料等參數(shù)以及流動(dòng)分析結(jié)果自動(dòng)產(chǎn)生控制注塑機(jī)的填充保壓曲線。用于對(duì)注塑機(jī)參數(shù)的設(shè)置,從而免除了第三章注塑成型CAE技術(shù)Moldflow注塑模輔助分析系統(tǒng)在試模時(shí)對(duì)注塑機(jī)參數(shù)的反復(fù)調(diào)試。MF/Optime采用用戶給定或確定的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)有效的控制產(chǎn)品的尺寸精度、表面缺陷以及翹曲。7.MF/Gas氣體輔助注塑MF/Gas模擬氣體輔助注射成型過程,對(duì)整個(gè)成型過程進(jìn)行優(yōu)化。MF/Flow和MF/Gas禍合求解,完成聚合物注射階段的分析。此時(shí)熔體可以部分或全部充滿型腔。注射成型過程的工藝條件、流道和模腔的流動(dòng)平衡以及材料的選擇等可以從中得到優(yōu)化組合。8.MF/Fiber塑件纖維取向分析塑件纖維取向?qū)Σ捎美w維化塑料的塑件的性能<如拉伸強(qiáng)度>有重要影響。MF/Fiber使用一系列集成的分析工具來優(yōu)化和預(yù)測(cè)整個(gè)注塑過程的纖維取向,使其趨于合理,從而有效地提高該類塑件的性能。9.MF/Tsets熱固性塑料的流動(dòng)和融合分析熱固性塑料具有低熱傳導(dǎo)率和低粘度的優(yōu)點(diǎn)因而被廣泛應(yīng)用。MF/Tsets可以對(duì)熱固性塑料的流動(dòng)和融合等復(fù)雜過程進(jìn)行模擬,從而減少表面缺陷,保證材料的熱傳導(dǎo)和融合,控制塑料在型腔中的流動(dòng)。這里利用建立的幾個(gè)模型在Moldflow軟件中的充填模擬,來分析諸如壓力、溫度、時(shí)間及塑件幾何形狀等工藝參數(shù)對(duì)塑料熔體流動(dòng)性的影響。第五章影響塑件流動(dòng)性的工藝參數(shù)分析5.1分析模型的建立為了利用Moldflow進(jìn)行塑件流動(dòng)工藝分析,需建立了一個(gè)分析模型,此分析模型設(shè)計(jì)成長(zhǎng)條形,壁厚為Imm,長(zhǎng)度為200mm,寬度為lOmm,這比較符合塑料熔體在塑件中的流動(dòng)方式,壁厚設(shè)為lmm有利于后面進(jìn)行分析。其方式:首先進(jìn)入Moldflow的造型工具M(jìn)odeller中,建立文件名為K10,在該文件中分別建立四個(gè)矩形點(diǎn)<0,0,0>,<200,0,0>,<200,10,0>,<0,10,0>,利用這四個(gè)輪廓點(diǎn)建立一個(gè)面,給該面分配厚度為lmm.造型后就要進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分,一般要求網(wǎng)格單元的大小為厚度的2-3倍,在此定為2.5mm,然后系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)完成三角形有限單元的網(wǎng)格劃分,劃分完成后還要進(jìn)行適當(dāng)?shù)男扪a(bǔ)。圖5-1為建立的模型。第五章影響塑件流動(dòng)性的工藝參數(shù)分析qe-<RAP>/<2L>/,;。><.R7>同樣有Q=<二R'AP>/<8q.L><5-8>或△P=<8q,LQ>/<二R'><5-9>對(duì)于模具中常見的窄縫形流動(dòng)通道經(jīng)推導(dǎo)有:Q=<Wh'△P>/<12q.L><5-10>或△P=<12q,LQ>/<Wh'><5-11>式中W一窄縫形流道之寬h—窄縫形流道之深雖然塑料在注射模的流道和型腔內(nèi)的流動(dòng)情況比較復(fù)雜,不但溫度有變化,流動(dòng)通道的斷面尺寸和形狀各段亦各不相同,但上述原則和公式仍有助于分析和解決一些問題。5.2.2溫度對(duì)流動(dòng)性的影響注射成型過程需控制的溫度有料筒溫度、噴嘴溫度和模具溫度等。前二種溫度主要影響塑料的塑化和流動(dòng):而后一種溫度主要是影響塑料的流動(dòng)和冷卻。<1>料筒溫度:料筒溫度的選擇與各種塑料的特性有關(guān)。每一種塑料都具有不同的粘流態(tài)溫度Tr<對(duì)結(jié)晶型塑料即為熔點(diǎn)T.>為了保證塑料熔體的正常流動(dòng),不使物料發(fā)生熱降解,料筒最合適的溫度范圍應(yīng)在粘流態(tài)溫度T,和熱分解溫度T。之間。料筒溫度過高,時(shí)間過長(zhǎng)<即使是溫度不十分高的情況下>時(shí),塑料的熱氧化降解量就會(huì)變大。因此,對(duì)熱敏性塑料,如聚甲醛、聚三氟氯乙烯、硬聚氯乙烯等,除需嚴(yán)格控制料筒最高溫度外,還應(yīng)控制塑料在加料筒中停留的時(shí)間。同一種塑料,由于來源和牌號(hào)不同,其平均相對(duì)分子質(zhì)量和相對(duì)分子質(zhì)量分布亦不同,則其粘流態(tài)溫度及熱分解溫度是有差別的。為了獲得適宜的流動(dòng)性,對(duì)于平均相對(duì)分子質(zhì)量高、分布較窄的塑料,因其熔融溫度一般都偏高,應(yīng)適當(dāng)提高料筒溫度。玻璃纖維增強(qiáng)的熱塑性塑料,隨著其含量的增加,熔體第五章影響塑件流動(dòng)性的工藝參數(shù)分析的流動(dòng)性降低,因此要相應(yīng)地提高料筒溫度。柱塞式和螺桿式注射機(jī)由于其塑化過程不同,因而選擇料筒溫度也不同。通常后者選擇的溫度應(yīng)低一些<一般約比柱塞式的低l0--zo0c>o選擇料筒溫度還應(yīng)結(jié)合塑件及模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。由于薄壁塑件的型腔比較狹窄,熔體注入的阻力大,冷卻快,因而,為了順利充型,料筒溫度應(yīng)選擇高一些:相反,注射厚壁塑件時(shí),料筒溫度可降低一些。對(duì)于形狀復(fù)雜及帶有嵌件的塑件,或者熔體充模流程曲折較多或較長(zhǎng)時(shí),料筒溫度也應(yīng)該選擇高一些。料筒溫度的分布,一般是從料斗一側(cè)<后端>起至噴嘴處<前端>止逐步升高的,以使塑料溫度平穩(wěn)地上升以達(dá)到均勻塑化的目的。但當(dāng)原料含濕量偏高時(shí),也可適當(dāng)提高后端溫度。由于螺桿注射機(jī)的剪切摩擦熱有助于塑化,因而料筒前段的溫度應(yīng)略低于中段,以便防止塑料的過熱分解。<z>噴嘴溫度:噴嘴溫度通常略低于料筒最高溫度,主要是為防止直通式噴嘴可能產(chǎn)生的流涎現(xiàn)象。噴嘴溫度的降低可通過塑料熔體在此受剪切作用產(chǎn)生的熱量得到部分補(bǔ)償。剪切熱引起的熔體溫升與噴嘴直徑和注射壓力有關(guān)。但噴嘴溫度也不能太低,否則容易造成熔料的早凝堵塞噴嘴,或凝料注入模腔影響制品質(zhì)量。U6>料簡(jiǎn)和噴嘴溫度的選擇不是孤立的,與其他工藝條件存有一定關(guān)系。例如選用較低的注射壓力時(shí),為保證塑料流動(dòng),應(yīng)適當(dāng)提高料筒溫度;反之,料筒溫度偏低就需要較高的注射壓力。由于影響因素很多,一般都在成型前通過"對(duì)空注射法"或"塑件的直觀分析法"進(jìn)行調(diào)整,以便從中確定最佳的料筒和噴嘴溫度。<3>模具溫度:模具溫度對(duì)塑料熔體的充型能力及塑件的內(nèi)在性能和外觀質(zhì)量影響很大。模具溫度的高低決定于塑料結(jié)晶性的有無、塑件的尺寸和結(jié)構(gòu)、性能要求以及其他工藝條件<熔料溫度、注射速度及注射壓力、模塑周期等>。模具溫度通常是由通入定溫的冷卻介質(zhì)來控制的,也有靠熔料注入模具自然升溫和自然散熱達(dá)到平衡而保持一定的模溫。在特殊情況下,也有采用電阻加熱圈和加熱棒對(duì)模具加熱等。不管采用什么方法使模具保持定溫,對(duì)于熱塑性塑料熔體來說都是冷卻,保持的定溫都低于塑料的玻璃化溫度T:或工業(yè)上常用的熱變形溫度,這樣才能使塑料成V和脫樟。無定形塑料熔體注入模腔后,隨著溫度的不斷降低而固化,但并不發(fā)生相變。模溫主要影響熔料的粘度。也就是充型速率。如果充型順利,采用低模溫是可取的。因?yàn)檫@樣可以縮短冷卻時(shí)間,從而提高生產(chǎn)效率。因此對(duì)于熔融粘度較低或中等的無定型塑料<如聚苯乙烯、醋酸纖維素等>,模具的溫度常偏低:反之,對(duì)于熔融粘度高的塑料<如聚碳酸酷、聚苯醚、聚礬等>,則必須采取較高的模溫<聚碳酸酷為90--120`C,聚苯醚為110-1301C,聚礬為130-1501C>.不過應(yīng)該說明的是,對(duì)于軟化點(diǎn)較高的塑料,提高模溫可以調(diào)整塑件的冷卻速率使其均勻一致,以防因溫差過大而產(chǎn)生凹痕、內(nèi)應(yīng)力和裂紋等缺陷.結(jié)晶性塑料注入模腔后,當(dāng)溫度降低到熔點(diǎn)以下即開始結(jié)晶。結(jié)晶的速率受冷卻速率的控制,而冷卻速率是由模具溫度控制的,因而模具溫度直接影響到塑件的結(jié)晶度和結(jié)晶構(gòu)型。模具的溫度高時(shí),冷卻速率小,但結(jié)晶速率可能大,因?yàn)橐话闼芰献畲蠼Y(jié)晶速率的溫度都在熔點(diǎn)下的高溫一邊;其次,模具溫度高時(shí)還有利于分子的松弛過程,分子取向效應(yīng)小,這種條件僅適于結(jié)晶速率很小的塑料,如聚對(duì)苯二甲酸乙二酷等,在實(shí)際注射中很少采用,因?yàn)槟馗咭矔?huì)延長(zhǎng)成型周期和使塑件發(fā)脆。模具溫度適當(dāng)時(shí),冷卻速度適宜,塑料分子的結(jié)晶和定向也都適中的,這是通常用得最多的條件。模具溫度低時(shí),冷卻速率大,熔體的流動(dòng)與結(jié)晶同時(shí)進(jìn)行,但熔體在結(jié)晶溫度區(qū)間停留時(shí)間縮短。此外,模具的結(jié)構(gòu)和注射條件也會(huì)影響冷卻速率,例如提高料筒溫度和增加塑件厚度都會(huì)使冷卻速率發(fā)生變化,對(duì)高壓聚乙烯可達(dá)2%--3%,低壓聚乙烯可達(dá)10%,聚酞胺可達(dá)40%。即使是同一塑件,其中各部分的密度也可能是不相同的,這說明各部分的結(jié)晶度不一樣。造成這種現(xiàn)象的主要原因是熔料各部分在模內(nèi)的冷卻速率差別太大。本文在此主要就模具溫度對(duì)流動(dòng)性的影響作一下分析?？丛谄渌に噮?shù)<壓力,時(shí)間等>不變的情況下,模具溫度對(duì)流動(dòng)性的影響。將注射時(shí)間設(shè)為is,選用ABS<聚合物的一種>作為注射材料,并選定注射壓力為80MPa,觀察在不同模具溫度下材料的流動(dòng)長(zhǎng)度。模具溫度范圍設(shè)為30-1000C,每10℃一個(gè)等級(jí)。表5一1為對(duì)模型K10進(jìn)行充填所得的結(jié)果.表5一1模具溫度與流程模具溫度<℃>30405060708090100流動(dòng)長(zhǎng)度<mm>7576.880838693:98108建勸長(zhǎng)度‘.>l0090807030406070一共扭崖《勸圖5-2模具溫度與流程關(guān)系圖結(jié)論:ABS塑料熔體的流動(dòng)長(zhǎng)度隨著模具溫度升高而加長(zhǎng)。這主要是因?yàn)?由公式5-10可知L=<Wh'△P>/<12Qq.><5一12>即流動(dòng)長(zhǎng)度L與塑料熔體的表觀粘度n。成反比,而溫度與液體表觀粘度的關(guān)系可由下式表示Ila=Rne0<BnB><5一13>其中幾一液體在溫度為0時(shí)的表觀粘度;no一某一基準(zhǔn)溫度0。時(shí)的表觀粘度;?！?shù),由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。第五章影響塑件流動(dòng)性的工藝參數(shù)分析隨著模具溫度的升高,塑料熔體在進(jìn)入型腔后的熱量損失減少,使得熔體溫度e相應(yīng)增高,則其表觀粘度R。相應(yīng)降低,由公式5-12可知塑料熔體的流動(dòng)長(zhǎng)度L變長(zhǎng)。由上可知,提高模具溫度是改善塑料熔體流動(dòng)性的方法之一。5.2.3壓力對(duì)流動(dòng)性的影響注射模塑過程中的壓力包括塑化壓力和注射壓力兩種,它們直接影響塑料的塑化和塑件質(zhì)量。<1>塑化壓力:塑化壓力又稱背壓,是指采用螺桿式注射機(jī)時(shí),螺桿頭部熔料在螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)后退時(shí)所受到的壓力。這種壓力的大小是可以通過液壓系統(tǒng)中的溢流閥來調(diào)整的.注射中,塑化壓力的大小是隨螺桿的設(shè)計(jì)、塑件質(zhì)量的要求以及塑料的種類等的不同而異的。如果這些情況和螺桿的轉(zhuǎn)速都不變,則增加塑化壓力時(shí)即會(huì)提高熔體的溫度,并使熔體的溫度均勻、色料的混合均勻并排出熔體中的氣體。但增加塑化壓力會(huì)降低塑化速率、延長(zhǎng)成型周期,甚至可能導(dǎo)致塑料的降解。一般操作中,塑化壓力應(yīng)在保證塑件質(zhì)量的前提下越低越好,其具體數(shù)值是隨所用塑料的品種而異的,但通常很少超過6Mpa。注射聚甲醛時(shí),較高的塑化壓力<也就是較高的熔體溫度>會(huì)使塑件的表面質(zhì)量提高,但也可能使塑料變色、塑化速率降低和流動(dòng)性下降。對(duì)聚酞胺來說,塑化壓力必須降低,否則塑化速率將很快降低,這是因?yàn)槁輻U中逆流和漏流增加的緣故。如需增加料溫,則應(yīng)采用提高料筒溫度的方法。聚乙烯的熱穩(wěn)定性較高,提高塑化壓力不會(huì)有降解的危險(xiǎn),這有利于混料和混色,不過塑化速率會(huì)降低。<2>注射壓力:注射機(jī)的注射壓力是指柱塞或螺桿頭部對(duì)塑料熔體所施加的壓力。在注射機(jī)上常用表壓指示注射壓力的大小,一般在40--130Mpa之間。其作用是克服塑料熔體從料筒流向型腔的流動(dòng)阻力,給予熔體一定的充型速率以及對(duì)模腔熔體進(jìn)行壓實(shí)等。注射壓力的大小與塑料品種、制件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)<形狀復(fù)雜程度、壁厚、尺寸大小>、注射機(jī)類型、噴嘴形式和模具的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。就模具流道幾何尺寸、塑料的摩擦系數(shù)和熔融粘度而言,對(duì)塑料流動(dòng)阻力大小的影響最大。當(dāng)注射壓第五章影響塑件流動(dòng)性的工藝參數(shù)分析圖5-3注射壓力與流程關(guān)系圖結(jié)論:在注塑過程中,隨著注射壓力的升高塑料熔體的流動(dòng)長(zhǎng)度隨之加長(zhǎng)。同樣由公式5-12可知,隨著注射壓力的提高,塑料熔體在整個(gè)流程上的壓力降△P增大,在其它條件不變的情況下,流動(dòng)長(zhǎng)度L也隨之加長(zhǎng)。但是注射壓力增大會(huì)使塑件的殘余應(yīng)力加大,所以在一定范圍內(nèi),可以通過提升注射壓力的方式來提高塑料熔體的流動(dòng)性。5.2.4時(shí)間對(duì)流動(dòng)性的影響完成一次注射成型過程所需的時(shí)間稱成型周期,它包括以下各部分:充模時(shí)間保壓時(shí)間<柱塞或螺桿前進(jìn)時(shí)間><柱塞或螺桿停留在前進(jìn)位置的時(shí)間>成型周期總冷卻時(shí)間模內(nèi)冷卻時(shí)間<柱塞后撤或螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)后退的時(shí)間均在其中>其他時(shí)間〔指開模、脫模、噴涂脫模劑、安放嵌件和合模等時(shí)間>第五章影響塑件流動(dòng)性的工藝參數(shù)分析成型周期直接影響到勞動(dòng)生產(chǎn)率和注射機(jī)使用率,因此在生產(chǎn)中,在保證質(zhì)量的前提下,應(yīng)盡量縮短成型周期中各個(gè)階段的有關(guān)時(shí)間.在整個(gè)成型周期中,以注射時(shí)間和冷卻時(shí)間最重要,他們對(duì)塑件的質(zhì)量均有決定性的影響。注射時(shí)間中的充模時(shí)間與充模速率成反比。在生產(chǎn)中,充模時(shí)間一般為3-5S.注射時(shí)間中的保壓時(shí)間就是對(duì)型腔內(nèi)的塑料的壓實(shí)時(shí)間,在整個(gè)注射時(shí)間內(nèi)所占的比例較大,一般為20-25S<特厚塑件可高達(dá)5-10min>。在澆口處熔料凍結(jié)之前,保壓時(shí)間的多少,對(duì)塑件密度和尺寸精度有影響,若在此以后則無影響。這在前面都己有所說明。保壓時(shí)間的長(zhǎng)短不僅與塑件的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān),而且與料溫、模溫以及主流道和澆口的大小有關(guān)。如果主流道和澆口的尺寸合理、工藝條件正常,通常以塑件收縮率波動(dòng)范圍最小的壓實(shí)時(shí)間為最佳值。冷卻時(shí)間主要決定于塑件的厚度、塑件的熱性能和結(jié)晶性能以及模具溫度等。冷卻時(shí)間的長(zhǎng)短應(yīng)以脫模時(shí)塑件不引起變形為原則。冷卻時(shí)間過長(zhǎng),不僅延長(zhǎng)生產(chǎn)周期,降低生產(chǎn)效率,對(duì)復(fù)雜塑件還將造成脫模困難。成型周期中的其他時(shí)間則與生產(chǎn)過程是否連續(xù)化和自動(dòng)化以及兩化的程度有關(guān)。在此分析一下充模時(shí)間對(duì)塑件流動(dòng)性的影響。同樣,其它參數(shù)均保持不變,注射材料為ABS,注射壓力設(shè)為80MPa,模具溫度設(shè)為600C,注射時(shí)間從ls-6s。表5-3為不同充模時(shí)間下塑料熔體的流動(dòng)長(zhǎng)度。表5-3充模時(shí)間與流程充模時(shí)間<s>123456流動(dòng)長(zhǎng)度<rmn>887871636858第五章影響塑件流動(dòng)性的工藝參數(shù)分析流動(dòng)長(zhǎng)度血口>1234S6注射時(shí)間協(xié)>圖5-4注射時(shí)間與流程關(guān)系圖結(jié)論:隨著注射時(shí)間的延長(zhǎng),塑料熔體的流動(dòng)長(zhǎng)度縮短.此結(jié)果可以通過兩個(gè)方面進(jìn)行解釋,第一、由于注射時(shí)間的延長(zhǎng),相同注射量的熔體在模腔中流動(dòng)的時(shí)間變長(zhǎng),熔體通過模腔壁損失的熱量變多,由公式5-13可知熔體的表觀粘度加大,故流動(dòng)長(zhǎng)度變小;第二、由于注射時(shí)間變長(zhǎng),注射速度減小,熔體各層之間的剪切速率減小,導(dǎo)致粘度加大,最終使得流動(dòng)長(zhǎng)度減小。所以,在改善塑料熔體的充填性時(shí),應(yīng)盡量減小充填時(shí)間,這樣也可顯著提高生產(chǎn)效率。5.3塑件幾何形狀對(duì)流動(dòng)性的影響現(xiàn)實(shí)生活中塑料件的幾何形狀復(fù)雜繁多,各式各樣都有,但它們也有共性。第六章普通澆注系統(tǒng)模具中聚合物材料的流動(dòng)長(zhǎng)度6.1塑件模型建立為了確定在實(shí)際生產(chǎn)過程中聚合物的流動(dòng)長(zhǎng)度,須將塑件模型放在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境中。通常,根據(jù)塑件形狀大小來確定模架的大小,在此以單腔單澆口模具來進(jìn)行研究,所以更是直接由塑件尺寸大小來選取模架。模架的規(guī)格國(guó)家早就有了標(biāo)準(zhǔn),可以根據(jù)模架規(guī)格大小來確定塑件模型尺寸,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),選取了由小到大17個(gè)模架型號(hào),各個(gè)模架的有效工作面積就是要確定的塑件模型尺寸。1171[181由前面的內(nèi)容可知,塑件的幾何形狀對(duì)塑料的流動(dòng)長(zhǎng)度影響不大,所以不妨確定塑件模型投影尺寸為正方形,那么在分析實(shí)際的塑件時(shí),用塑件的長(zhǎng)邊與模型的邊長(zhǎng)作比較,就可將該塑件套用在相應(yīng)的規(guī)格內(nèi)。塑件模型高度稍微取長(zhǎng)一些,以保證在模擬充填時(shí)不完全充滿,這樣可以使流動(dòng)長(zhǎng)度測(cè)量較為準(zhǔn)確。塑件模型尺寸較小時(shí)的厚度取為lmm,中型塑件模型取1.5mm,大型塑件取3mm,這是因?yàn)殡S著塑件尺寸的增大,如果壁厚不增大的話,塑件的強(qiáng)度就不能滿足要求.具體塑件模型尺寸見表6-1。表6-1塑件模型尺寸<mm>熱流道代號(hào)普通流道代號(hào)模架型號(hào)塑件模型尺寸6.2澆注系統(tǒng)尺寸的確定在對(duì)模具中聚合物流動(dòng)的研究中,必須考慮澆注系統(tǒng)的影響。由于澆注系統(tǒng)的存在,造成了聚合物流動(dòng)過程中的溫度和壓力損失,所以我們?cè)谘芯烤酆衔锪鲃?dòng)時(shí),必須考慮澆注系統(tǒng)的尺寸。澆注系統(tǒng)包括主流道、分流道、澆口和冷料井,而在此是單點(diǎn)澆口的注射成型,所以無冷料井,而且分流道確定的尺寸都很小。6.2.1澆注系統(tǒng)長(zhǎng)度的確定由于選用的是點(diǎn)澆口的標(biāo)準(zhǔn)模架,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已給出了模具中各個(gè)模板的厚度,所以根據(jù)模架型號(hào)就可確定流道長(zhǎng)度。例如,模架型號(hào)為DA2020,則該模架放置主流道的模板厚度為40mm,放置分流道的模板厚度為35mm。具體各模型流道長(zhǎng)度見表6一3.6.2.2澆注系統(tǒng)截面尺寸的確定多種熱塑性塑料熔體的流變行為實(shí)驗(yàn)表明,在剪切速率;-1018-‘范圍內(nèi),熔第六章普通澆注系統(tǒng)模具中聚合物材料的流動(dòng)長(zhǎng)度6.2澆注系統(tǒng)尺寸的確定在對(duì)模具中聚合物流動(dòng)的研究中,必須考慮澆注系統(tǒng)的影響。由于澆注系統(tǒng)的存在,造成了聚合物流動(dòng)過程中的溫度和壓力損失,所以我們?cè)谘芯烤酆衔锪鲃?dòng)時(shí),必須考慮澆注系統(tǒng)的尺寸。澆注系統(tǒng)包括主流道、分流道、澆口和冷料井,而在此是單點(diǎn)澆口的注射成型,所以無冷料井,而且分流道確定的尺寸都很小。6.2.1澆注系統(tǒng)長(zhǎng)度的確定由于選用的是點(diǎn)澆口的標(biāo)準(zhǔn)模架,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已給出了模具中各個(gè)模板的厚度,所以根據(jù)模架型號(hào)就可確定流道長(zhǎng)度。例如,模架型號(hào)為DA2020,則該模架放置主流道的模板厚度為40mm,放置分流道的模板厚度為35mm。具體各模型流道長(zhǎng)度見表6一3.6.2.2澆注系統(tǒng)截面尺寸的確定多種熱塑性塑料熔體的流變行為實(shí)驗(yàn)表明,在剪切速率;-1018-‘范圍內(nèi),熔第六章普通澆注系統(tǒng)模具中聚合物材料的流動(dòng)長(zhǎng)度體的分子量、溫度、剪切速率、剪切應(yīng)力等對(duì)其粘度與松弛性質(zhì)無甚影響。若使注塑過程在此剪切速率范圍內(nèi)進(jìn)行,則制品的內(nèi)應(yīng)力和各向異性的力學(xué)性能均為最小。這種剪切速率不僅能滿足多種熱塑性塑料以足夠的體積流率進(jìn)行成型加工,而且還可保證充模過程處于等溫狀態(tài)。有人選取了30多副在工業(yè)上使用較為合理的注塑模,根據(jù)所使用注塑機(jī)的技術(shù)規(guī)格,作了數(shù)種塑料熔體的充模計(jì)算。結(jié)果表明,主流道和分流道的剪切速率Y=5X102-5X103s1,澆口的剪切速率;=5X1了S1,且在此場(chǎng)合熔體接近于等溫流動(dòng)。由此可知,對(duì)一般熱塑性塑料或大多數(shù)聚合物的成型加工而言,上述剪切速率可作為設(shè)計(jì)模具澆注系統(tǒng)的依據(jù)。[191熱塑性塑料在加工過程中,皆呈現(xiàn)出非牛頓型流體行為。在計(jì)算中可使用統(tǒng)一的經(jīng)驗(yàn)