（材料学专业论文）机车轴承保持架注塑成型工艺及模具cae技术研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 工程塑料以其独特的性能优势，在铁路运输的应用日趋广泛，以满足其“高 速、重载、轻量化”的发展需求。目前，国内机车轴承塑料保持架研究是铁道部 “十一五”发展规划需要攻克的一项重要技术，对其进行注塑模具设计及c a e 研 究，同时可以扩展到其它同类零部件的研究，具有很重要的实用意义。 本课题在分析了机车轴承塑料保持架的注塑成型过程各阶段的特点及主要工 艺参数对注塑产品质量的影响的基础上，利用现代注射成形数值模拟软件和技术， 采用理论设计和c a e 设计同步进行的方式，系统研究了机车轴承塑料保持架注塑 成形工艺、成形模具设计及成形过程中可能出现的各种缺陷及不足。 首先，塑件成形工艺分析：根据塑件的结构特点初步确定其注塑成型工艺及 各工艺参数，以此作为有限元模拟时前处理过程中设计控制变量的主要参考依据， 然后在有限元分析软件m o u l d f l o w 中进行数学建模、网格划分、材料选择、注塑 机选择、成形过程预分析等，完成充型过程、浇注系统及冷却系统的有限元分析 与模拟； 其次，最优成形工艺方案确定：改变各工艺参数以形成多种不同的成型方案， 在对输出结果进行合理分析的基础上，如注射时间、压力、气穴、熔接线等，结 合模具制造特点，确定出最优的注射成形工艺方案； 最后，以模拟分析得到的最优成形工艺方案为基础，对保持架注塑模具的关 键零部件进行结构设计，包括分型面、型腔、浇注系统、脱模斜度、模架、导向 定位机构、顶出机构及温度调节系统等，进而完成整套注塑模具设计，并阐明了 该模具的工作原理。 关键词：轴承保持架；注塑模；m o l d f l o w ；c a e ；结构设计 分类号 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a d j u s t i n g t ot h em i l a g e r e q u i r e m e n to f h i g h - s p e e d e d ，h e a v i l y l o a d e d ， l i g h t - q u a n t i f i e d ”，t h ee n g i n e e r i n gp l a s t i c st e n d st ob ew i d e l yu s e di n c r e a s i n g l yb yi t s s u p e r i o r i 母p e r f o r m a n c e n o w a d a y s ，t h ed e s i g no fl o c o m o t i v e b e a r i n gc a g e i sa l l i m p o r t a n tt e c h n o l o g yw h i c hs h o u l db es o l v e da c c o r d i n gt ot h em i n i s t r yo fr a i l w a y s r e p o r to nt h eo u t l i n eo ft h ee l e v e n t hf i v e - y e a rp l a n t h u s ，t h es t u d yo fi t si n j e c t i o n m o u l dd e s i g n e db yc a ei sn o to n l yr e p r e s e n t a t i v e ，b u ta l s oc a l lb er e f e r e n c e di no t h e r r e l a t e df i e l d s b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fe v e r ys t e pi ni n j e c t i o nm o l d i n ga n dt h ei n f l u e n c eo f t h ep r i m a r yp r o c e s sp a r a m e t e r so nm a n u f a c t u r eq u a l i t y , w eu s e db yt h ei n j e c t i o n m o l d i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ea n dt e c h n o l o g y , d e s i g n e dt h em o l da l t e r n a t e l y w i t ht h e o r ya n dc a e t h ep a p e ra l s os t u d i e de v e r yp o s s i b l ed e f i c i e n c yi nt h e l o c o m o t i v e - b e a r i n gc a g ep r o c e s si n c l u d i n gi n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s ，t h em o l dd e s i g n ， a n df o r m i n gp r o c e s s f i r s to fa l l ，p l a s t i cp a r t sp r o c e s s i n ga n a l y s i s ：e l e m e n t a r yd e t e r m i n e dt h ei n j e c t i o n m o l d i n gp r o c e s sa n dt h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa c c o r d i n g t ot h ed e s i g nf e a t u r eo f p l a s t i c p a n s f u r t h e r , u s ei ta st h ep r i m eb a s i st od e s i g nc o n t r o lv a r i a b l ei nf e aa n a l y s i sf o r e t r e a t m e n tp r o c e s s d ot h ea p p r o a c h ，s u c ha sm a t h e m a t i c sm o l db u i l d i n g ，m e s h i n g ， m a t e r i a l ss e l e c t i n g ，i i ! j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n es e l e c t i n g ，p r o c e s s i n gf o r ea n a l y z i n gs t e p b ys t e pi nm o l d f l o w , af e as o f t w a r et oc o m p l e t et h ef e aa n a l y s i sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o no f o v e r f l o w i n gi m p r e s s i o np r o c e s s ，r u n n e rs y s t e m ，c o o l i n gs y s t e m s e c o n d l y , d e t e r m i n e dt h eo p t i m a lf o r m i n gp r o c e s ss c h e m e ：c h a n g ep r o c e s s p a r a m e t e r st of o r mav a r i e t yo fp l a s t i cf o r m i n gs c h e m e b a s e do n t h ea n a l y s i so fo u t p u t d a t ag a i n e db yi n j e c t i o ns i m u l a t i o n ，c o n s i s t e do fi n j e c tt i m e ，p r e s s u r ea n dw e l dl i n e ， c o m b i n i n gt h em a n u f a c t u r i n gf e a t u r e so fm o l d i n g ，o p t i m u mf o r m i n gt e c h n o l o g yo ft h e i n j e c t i o nm o l d i n gw a so b t a i n e d i nt h ee n d ，f r o mt h eo p t i m u mf o r m i n gt e c h n o l o g yr e s u l t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， d e s i g no f c o m p o n e n t sa n dp a r t so f b e a r i n gc a g ei n j e c t i o nm o l d i n gw e r ec o m p l e t e d t h e p a r t i n gs u r f a c e ，t h em o l dc a v i t y , t h er n n n e rs y s t e m ，t h er a k eo f t a k i n go f f f r o m , t h em o l d b a s e s ， o r i e n t a t i o n p o s i t i o n i n g m e c h a n i s m ，e j e c t i n g m e c h a n i s ma n d t e m p e m t u m - c o n d i t i o u l n gs y s t e mw e r es u c c e s s f u l l yd e s i g n e d a f t e rt h ew h o l ed e s i g n , p r i n c i p l eo f t h ei n j e c t i o nm o l dw a si l l u s t r a t e d k e yw o r d s ：b e a r i n gc a g e ；i n j e c t i o nm o l d ；m o l d f i o w ；c a e s t r u c t u r a ld e s i g n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 黍意夯 签字日期：研年fj 月7 日 别磁名别叔式 导师签名：别叔行 签字同期：嗣年2 月n 只 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：李栖签字慨m 刁年tl 月r 7 日 致谢 在本论文完成之际，我要向曾指导我、帮助我和关心我的所有人们表达我衷 心地感谢。 首先我要感谢我的导师刘汉武老师。本论文是在刘老师的悉心指导下完成的。 从论文的选题、研究内容的确定以及相关实验的完成、直到最后的定稿，无不渗 透着刘老师的心血。他渊博的学识、严谨的学风、敏锐的思维、勤勉的工作作风 和求是的态度，使我终生受益。刘老师在学术上、思想上、生活上给予的热情指 导和无微不至的关怀将令我永远铭记于心。 特别感谢实验室杜云慧老师、张鹏老师，他们在科研和生活上都给予我很大 的帮助，他们兢兢业业的精神、乐观坚韧的个性、豁达的胸怀让我对人生有了更 深刻的理解! 同时感谢实验室的师兄朱成才，师姐张君、卢艳玲，同期的唐丹丹、姚莎莎， 师弟韩海东、肖潇、张新、严恺等人在我三年来的工作学习特别是论文撰写期间 给予的热情帮助。 最后，感谢我的家人在我的求学路上给予的理解、鼓励和支持。 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 1 绪论 由于采用模具生产零部件，具有效率高、质量好、成本低等一系列的优点， 使得模具的使用范围日益广泛，已成为现代工业生产的重要工艺装备和发展方向。 根据国际生产技术协会的预测，2 1 世纪制造业中粗加工零件的7 5 、精加工零件 的5 0 都需要通过模具来完成。许多工业品的发展和技术水平的提高，很大程度 上取决于模具的发展水平。据统计，飞机、汽车、电机、电器、电子、仪器仪表、 通信设备、彩电、冰箱、洗衣机、手表、照相机等产品零部件的6 0 一8 0 需要通 过模具生成出来。例如，生产一辆汽车，无论是载重车还是轿车，所需要的各种 模具就超过了4 0 0 0 副。模具作为工业产品生产的基础工艺装备，是“效益放大器”， 用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。因此， 模具对国民经济和社会发展将其越来越大的作用，其技术水平的高低已成为衡量 一个国家制造业水品的重要标志。 2 0 世纪8 0 年代开始，发达工业国家的模具工业已从机床工业中分离出来，并 发展成为独立的工业部门，其产值己超过机床工业的产值。改革丌放以来，我国 的模具工业发展也十分迅速。近年来，每年都以1 5 的增长速度快速发展。许多 模具企业十分重视技术发展。加大了用于技术进步的投入力度，将技术进步作为 企业发展的重要动力。此外，许多科研机构和大专院校也开展了模具技术的研究 与开发。模具行业的快速发展是使我国成为世界超级制造大国的重要原因。今后， 我国要发展成为世界制造强国，仍将依赖于模具工业的快速发展，成为模具制造 强国。 随着塑胶工业的迅速发展以及塑胶制品在航空、航太、电子、机械、船舶和 汽车等工业部门的推广应用，产品对模具的要求越来越高，传统的主要依靠设计 者的经验和直觉，通过反复试模、修模修正设计方案的模具设计方法已无法适应 产品更新换代和提高质量的要求。该方法缺乏科学依据，具有较大的盲目性，不 仅使模具的生产周期长、成本高，而且质量也难保证。对于大型精密、新结构产 品，问题更加突出。电脑辅助工程( c a e ) 技术已成为解决塑胶产品开发、模具 设计及产品加工中薄弱环节问题的最有效的途经。同传统的模具设计相比，c a e 技术无论在提高生产率、保证产品质量，还是在降低成本、减轻劳动强度等方面， 都具有很大优越性。 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 1 2 注塑成型c a e 技术 注射模c a e 根据塑料成型流变学、热传学和数值计算方法的基本理论1 1j 建立 熔体在模具型腔内的流动、热传递的数学物理模型，利用计算机图形学技术，直 观地模拟出熔体在模腔中的动态填充过程、保压过程和冷却过程。定量地给出成 型过程的状态参数1 。注射模c a e 技术是以计算机模拟为手段分析塑料加工过程 并完成模具优化设计的塑料模具计算机辅助工程。它是进行产品设计、制造、工 程分析、仿真、试验等信息处理，并包含相应数据与数据管理系统在内的计算机 辅助设计综合系统。 1 2 1 塑料加工成型方法 塑料制品为满足现代工业的需要，需要加工成各种形状，成为塑料制品后才 能应用在车辆上，下面就工程塑料常用的几种加工成型方法和工艺【4 。8 】简单的介绍。 ( 1 ) 注射成型 塑料注射成型是将微粒状或粉状的塑料原料加进注射机料筒，塑料在热和机 械剪切力的作用下塑化成具有良好流动性的熔体，随后在柱塞或螺杆的推动下熔 体快速进入温度较低的模具内，冷却固化形成与模腔形状一致的塑料制品。 注射成型是塑料零部件最常用的成型加工方法，如仪表板，保险杠，方向盘， 挡泥板，车身板，内门板，车顶框架，外壳，行李箱盖，仪表罩，仪表壳，暖风 壳等。 ( 2 ) 挤出成型 塑料挤出成型一般是指借助螺杆或柱塞的挤压作用，迫使塑化好的塑料强行 通过开孔口模成为具有恒定截面的连续型材的一种成型方法。挤出成型是一种连 续化加工过程，它能成型几乎所以的热塑性塑料和少数几种热固性塑料，其中加 工量最大的是p v c 、p e 和p p ，其次是p s 、p m m a 、a b s 、p a 和p c 等。 在机车车辆用塑料件成型加工种常用来成型保险杠，燃油箱( 挤出吹塑) 等 部件。 ( 3 ) 吹塑成型 吹塑也叫中空吹塑，是指借助压缩空气的压力将闭合模具内处于熔融状态的 塑料型胚吹胀成中空制品的一种成型方法。近几年来，吹塑成型技术在制造业中 的应用范围不断扩大，因为吹塑可成型复杂形状的制品，生产设备省力节能，塑 料成本较低。 用吹塑成型工艺可生产暖风管、燃油箱、后导流板等部件。 2 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 ( 4 ) 真空吸塑成型 所谓真空吸塑成型，是将塑料片材加热到粘弹性状态，再通过真空吸引，与 模具表面贴合，冷却后获得所需形状的成型方法。真空吸塑成型的塑料部件有： 前大灯灯框，前面罩迸风口，前后装饰件，前后内顶，冷风管道，侧窗立柱盖板， 地板面覆盖件等。 对比这几种成型方法发现，注射成型与其他成型方法相比有一些明显优点： 能一次成型外形复杂、尺寸精度要求高的塑料制品。也可以成型带有各种金属嵌 件的塑料制品，制品的大小可以从钟表齿轮到汽车保险杠，用注塑成型生产塑料 制品的品种之多和花样之繁是任何其他塑料成型方法都无法比拟的；可加工的塑 料种类繁多，除极少数品种外，几乎所有的热塑性塑料( 通用塑料、纤维增强塑 料、工程塑料) 、热固性塑料和弹性体都能用这种方法方便地成型制品；成型过程 自动化程度高，其成型过程的合模、加料、塑化、注射、开模合制品顶出等全部 操作均由注射机自动完成。 1 2 2 注射成形工艺过程 注射工艺过程包括成型前的准备、注射过程和制品的后处理三大阶段。 1 成型前的准备 一般在成型日u 应对塑料原料进行外观检测，如原料的色泽、细度及均匀度等， 必要时应对塑料的工艺性能进行检测。对容易稀释的塑料，如尼龙、a b s 树脂等， 成型前应进行充分的干燥，避免制品表面出现银丝、斑纹和气泡等缺陷。成型前， 还应对注射机的料筒进行清洗或拆换。 2 注射过程 塑料在注射机料筒内经过加热、塑化达到流动状态后，经模具的浇注系统进 入模具型腔，其过程可以分为充型、压实、保压、倒流和冷却五个阶段。 3 制品的后处理 塑料制品脱模后，常需要进行适当的后处理来改善制品的性能和提高制品尺 寸的稳定性。 1 2 3 注塑成型工艺条件 注塑成型具有三大工艺条件，即温度、压力和时间。此外，还有用料量与合 模力等。 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 ( 1 ) 温度 注塑成型过程中要控制的温度主要有料筒温度、喷嘴温度和模具温度。前两 种温度主要是影响塑料的塑化和流动，而后一种温度主要是影响塑料的注塑和冷 却定型。 料筒温度的选择就保证塑料塑化良好，能顺利实现注塑又不引起塑料分解。 喷嘴温度的波动将使制品质量受影响，如熔接痕变粗、出现飞边、产生粘膜、 变色、光泽不佳等。对于彩色制品不能有5 c 以上的波动，否则制品颜色将变得不 可控制。喷嘴部分的温度一般略低于料筒最高温度，以不发生“流延现象”为准。同 时要考虑到熔料温度可以从注塑瞬间发生的摩擦过程中得到提高。不过喷嘴温度 不能调得太低，以避免造成冷料堵塞喷嘴孔道，或在成型下一个制品时将冷料带 入，使制品带有冷料斑。 料筒和喷嘴温度的选择不是孤立的，与其它工艺条件存有一定关系。例如选 用较低的注塑压力时，为保证塑料的流动，应适当提高料筒温度，反之，料筒温 度偏低就需要较高的注塑压力。由于影响因素很多，一般都在成型前通过模拟软 件进行分析，以便从中确定最佳的料筒温度和喷嘴温度。 模具温度是指和制件接触的模腔表面温度。模具温度直接影响熔体的充模流 动行为、制件的冷却速度和制件最终质量。提高模具温度可以改善熔体在模腔内 的流动性，增强制件的密度和结晶度以及减小充模压力和制件中的压力。但是提 高模具温度会增加制件的冷却时问、增大制件收缩率和脱模后的翘曲，制件成型 周期也会因为冷却时间的增加而变长，降低了生产效率。降低模具温度，虽然能 够缩短冷却时间、提高生产效率，但是，会降低熔体在模腔内的流动能力，并导 致制件产生较大的内应力或者明显的熔接痕等制件缺陷。 ( 2 ) 压力 注塑成型过程的压力主要包括注塑压力、保压力和塑化压力( 常称背压) ，并 直接影响塑料的塑化和制品的质量。 注塑压力是指螺杆或者柱塞沿轴向前移时，其头部向塑料熔体施加的压力。 它主要用于克服熔体在成型过程中的流动阻力，还对熔体起一定程度的压实作用。 注塑压力对熔体的流动、充模及制件质量都有很大影响。当注塑压力过低时，塑 料进入型腔缓慢，与金属壁面接触的那一层塑料会由于温度急剧下降而使豁度增 高甚至凝固，并很快向流动轴心波及，使塑料流动通道在很短时间内变得狭窄， 大大降低了进入模腔的压力，结果使制件表面出现波纹、缺料、气泡，有些塑料 的制件还会出现脆性断裂。当注塑压力过高时，熔料充模过快，在浇口附近以湍 流形式进入而发生自由喷射，夹带空气带入制件，于是制件表面出现云雾斑或闪 光一类缺陷。高压注塑往往也是造成制件飞边的主要原因。同时，高压制件脱模 4 北京交通大学硕士学位论文 l 绪论 残余应力大，脱模困难，容易发生翘曲变形。 保压压力是指对模腔内树脂熔体进行压实以及维护向模腔内进行补料流动所 需要的压力。保压压力是重要的注塑工艺参数之一，保压压力和保压时间的选择 直接影响注塑制品的质量。保压压力通常及速度通常是塑料充填模腔时最高压力 的一。在生产过程中，保压压力有时采用注塑压力。如果注塑和压实时的压力相 等，则往往可以使制件的收缩率减少，并使批量制品之间的尺寸波动较小。缺点 是造成脱模时的残余应力较大和成型周期较长。保压压力过大，加之时间较长的 话，则有可能将浇口、流道上的冷料挤进制件内，使靠近浇口的部分出现冷料斑。 背压是指螺杆顶部熔料在螺杆转动后退时对其施加的反向压力。增大背压可 以排出原料中的空气，提高熔体密实程度，还会增大熔体内的压力，螺杆后退速 度小，塑化过程的剪切作用加强、摩擦热增多、熔体温度上升，塑化效果提高。 但是如果背压过大时，螺杆后退受到较大阻力，在螺杆旋转不断地将塑料推向前 方的情况下，将使机头压力增高，从而增大螺槽中的逆流和料筒与螺杆间隙的漏 流，反而使塑化的效率降低。 ( 3 ) 时间 注塑成型周期主要由注塑时间、保压时间、冷却时间、开模时间组成( 3 2 】。 注塑时间指注塑活塞在注塑油缸内开始向前运动直至模腔被完全充满为止所 经历的时间。注塑时间与制件的厚度、质量和注塑机喷嘴的速度有直接关系，它 反比于充模速率。随着充模速度的不同可出现不同的充模效果。注塑时j 1 日j 长，注 射速度低，料流速度慢，熔料从浇口丌始逐渐向型腔远端流动，料流末端呈球状， 先进入型腔的熔料先冷却而流速减慢，接近型肺壁的部分冷却成高弹态的薄壳， 而远离型腔壁的部分仍为黏流态，球状料流末端继续延伸至完全充满型腔后，冷 却壳的厚度加大而变硬。这种慢速充模由于熔料进入型腔时间长，冷却使得黏度 增大，流动阻力也增大，需要用较高注塑压力充模。注塑时间长的优点是流速平 稳，制件尺寸比较稳定，波动较小，而且因料流剪切速度减小，制件内应力低。 注塑时间长的缺点是容易使制件出现分层和结合不良的熔接痕。注塑时间短，注 射速度快，料流速快，熔料从浇口射入模腔，直到熔体冲撞到型腔壁为止，后来 的熔料接踵压缩，最后相互折叠熔合成为一个整体。注塑时间短的优点是料温及 黏度下降小，可采用较低的注塑压力。高速充模能改进制件的光泽度和平滑度， 削除了接缝现象及分层现象，收缩凹陷小，颜色更均匀一致。注塑时间短的缺点 是充模速度过快时，有可能转化成“自由喷射”，出现湍流或涡流现象，从而混入空 气，使制品起泡。 保压时间为从模腔充满后开始，到保压结束为止所经历的时间。保压时间的 长短对制品尺寸准确性和外观都有影响。保压期间，模腔内的塑料仍有流动，加 北京交通大学硕士学位论文 i 绪论 上温度持续迅速下降，必然会在制件中形成分子定向。此期间由于塑料冻结较多， 所以制件分子定向主要在此期间形成并被固定下来，时间越长，定向程度越大。 塑料定向程度过大时，制件各个位置和方向的内应力差异大，脱模时易发生翘曲 和龟裂。保压时间长短与料温有很直接的关系，熔料温度越高，浇口封闭时间就 长，保压时间也长反之保压时间短。 冷却时间指保压结束到开启模具所经历的时间。冷却时间主要取决于制品的 厚度、塑料的热性能和结晶性能以及模具温度等。冷却时间的终点应以保证制品 脱模时不引起变形为原则。冷却时间过长没有必要，不仅降低生产效率，对复杂 制件还将造成脱模困难，强行脱模时甚至还会产生脱模应力。 开模时间为模具开启取出制件到下个成型周期开始的时间。 1 2 4 注塑模结构 在模具工业的总产值中，塑料模具约占3 3 ，是应用最广泛的三类模具之一。 塑料注射模是一种用来生产塑料零件的模具。她被安装在塑料注射机上，由于塑 料注射剂将塑料颗粒融化成热熔体，经过合模、高压注射、保压冷却定型、开模、 推出制件等工序，获得所需的塑料零件。 注射模具由动模和定模两部分组成【9 】，动模安装在注射成型机的移动模板上， 定模安装在注射机的固定模板上。在注射成型时动模与定模闭合，构成浇泣系统 和型腔，开模时动模与定模分离，一边拖出塑料制品。根据模具的中各个部件所 起的作用，一般可将注射模分成以下几个基本组成部分 9 - 1 3 】。 ( 1 ) 成型部件 成型部分由型芯和凹模组成。型芯形成制品的内表面形状，凹模形成制品外 表面形状，合模后型芯和凹模便构成了模具的型腔。按工艺和制造的要求，有时 型芯或凹模由若干拼块组合而成，有时做成整体，仅在易损坏、难加工的部位采 用镶件。制作型芯或凹模的钢材要求有足够的强度、表面耐磨性，有时还需要有 耐腐蚀性，并且淬火后的变形量要小，故常采用合金结构钢或合金工具钢。当要 求较低或者批量较小时也可以选用中碳钢或碳素工具钢来制造简单的型芯和凹 模。 ( 2 ) 浇注及调温系统 浇注系统又称为流道系统，它是将塑料熔体由浇注机喷嘴引向型腔的一族进 料通道，通常由主流道、分流道、浇口和冷料穴组成。浇注系统的设计十分重要， 它直接关系到塑料制品的成型质量和生产效率。 调温系统时为了满足注射工艺对模具温度的要求，需要有调温系统对模具的 6 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 温度进行调节。对于热塑性塑料用注射模，主要是设计冷却系统是模具冷却。模 具冷却的常用办法是在模具开设冷却水通道，利用循环冷却水带走模具的热量； 模具的加热除可利用开设冷却水通道，通热水或者蒸汽外，还可在模具内部和周 围安装电加热元件。 ( 3 ) 导向部件及推出机构 为了确保动模和定模在合模时能准确对中，在模具中必须设置导向部件。在 注射模中通常采用四组导柱与导套来组成导向部件，有时还需要在动模和定模上 分别设置互相吻合的内外锥面来辅助定位。为了避免在制品推出过程中推板发生 歪斜现象，一般在模具的推出机构中还设有使推板保持水平运动的导向部件，如： 导柱与导套。 在开模过程中，需要又推出机构将塑料制品及其在流道内的凝料推出或拉出。 推出固定板和推板用以加持推杆。再推板中一般还固定有复位杆。在复位杆在动 模、定模合模是推板复位。 ( 4 ) 标准模架 为了减少繁重的模具设计与制造的工作量，注射模大多采用了标准模架结构， 包括定位圈，定模板、定模座板、动模扳、动模垫板、模底座、推出固定板、推 板、推杆、导柱等都属于标准模架中的零部件，它们都可以从有关部门订购。 1 2 5 注塑c a e 技术应用概况 目前，注射模c a e 技术已在发达国家得到普遍的应用，国内企业在近几年才 相继引进了该技术，其应用主要表现在以下几方面l l “6 j 。 1 塑料制品及模具结构设计 商品化三维c a d 造型软件如p r o e n g i n e e r 、u g 、c a t i a 等为设计师提供了方 便的设计平台，其强大的曲面造型和编辑修改功能以及逼真的显示效果使设计者 可以运用自如地表现自己的设计意图，真正做到所想即所得，而且制品的质量、 体积等各种物理参数一并计算保存，为后续的模具设计和分析打下良好的基础。 2 注塑过程数值分析 运用c a e 软件模拟塑料熔体在模具模腔中的流动、保压、冷却过程，对制品 可能发生的熔接痕、气穴、翘曲进行预测等，其结果对优化模具结构和注塑工艺 参数有着重要的指导意义，可提高一次试模的成功率。 3 数控加工 利用数控编程软件可模拟刀具在三维曲面上的实时加工过程并显示有关曲面 的形状数据，以保证加工过程的可靠性，同时还可自动生成数控线切割指令、曲 7 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 面的三轴、五轴数控铣削刀具轨迹等。 因而，运用注塑模c a e 技术，设计师可望在制件成本、质量和可加工性方面 i l q 得到帮助： ( 1 ) 更加宽广更加稳定的加工“裕度”：流动分析对熔体温度、模具温度和注 射速度等主要注塑加工参数提出一个目标趋势，通过流动分析，注塑设计者便可 估定各个加工参数的正确值，并确定其变动范围。会同模具设计者一起，他们可 以结合使用最经济的加工设备，设定最佳的模具方案。 ( 2 ) 减小塑件应力和翘曲：选择最好的加工参数使塑件残余应力最小。残余应 力通常使塑件在成型后出现翘曲变形，甚至发生失效。 ( 3 ) 省料和减少过量充模：流道和型腔的设计采用平衡流动，有助于减少材料 的使用和消除因局部过量注射所造成的翘曲变形。 ( 4 ) 最小的流道尺寸和回用料成本：流动分析有助于选定最佳的流道尺寸。以 减少浇道部分塑料的冷却时间，从而缩短整个注射成型的时间，以及减少变成回 收料或者废料的浇道部分塑料的体积。 利用计算机技术模拟注塑成型全过程，预测制品最终可能出现的缺陷，找到 缺陷产生的正确原因，在模具加工之前得到最优化的制品设计、模具设计方案和 最适宜的成型工艺条件，确保产品以最短的周期、最低成本投入市场，增强市场 竞争能力。 但由于注射模c a e 软件品种很多、价格十分昂贵，所以如何选用合适的软件 和正确实施应用是一个非常关键的问题i l ”。 注射模c a e 主要包括模具结构分析、运动分析、装配及干涉检查、成型过程 分析等。对于装配及干涉检查，一般的三维设计软件可以满足要求【l ”。大型的三 维设计软件如u g 、p r o e 、c a t i a 等均有一些基本的模块供模具结构分析和运 动分析。如p r o e 中嵌有世界上最权威的机械系统动力学分析软件a d a m s 的简 化模块、结构分析软件a n s y s 、n a s t r a n 的简化模块等，可以满足模具设计的 要求。 本文所做产品造型及模具设计部分用的是p r 0 e w i l d f i r e 2 0 版。 但注射流动模拟过程就必须采用专门的流动模拟c a e 软件。流动模拟c a e 软件能够辅助模具设计者优化模具结构与成型工艺；指导产品设计者从成型工艺 的角度改进产品形状、选择有最佳成型性能的塑料；帮助模具制造者和使用者选 择合适的注射机、当变更塑料品种时对现有模具的适应性做出判断以及分析现有 模具的设计弊病。注射模c a e 技术从8 0 年代开始已经从实验室阶段进入实用化 阶段，目前国际市场上已有许多注射模c a e 商品化软件出售，主要流行的注射模 流动模拟成型分析软件是m o l d f l o w 软件以其强大的分析功能，占据了世界注塑模 8 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 具分析软件市场的8 7 埔】。 m o l d f i o w 软件包括三部分 1 7 , 1 9 1 ： m o l d f i o wp l a s t i c sa d v i s e r s ( 产品优化顾问，简称m p a ) ：塑料产品设计师在 设计完产品后，运用m p a 软件模拟分析，在很短的时间内，就可以得到优化的产 品设计方案，并确认产品表面质量。 m o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t ( 注塑成型模拟分析，简称m p i ) ：对塑料产品和模 具进行深入分析的软件包，它可以在计算机上对整个注塑过程进行模拟分析，包 括填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力和收缩，以及气体辅助成型分 析等，使模具设计师在设计阶段就找出未来产品可能出现的缺陷，提高一次试模 的成功率。本文所做分析用的是。 m o l d f l o wp l a s t i c sx p e r t ( 注塑成型过程控制专家，简称m p x ) ：集软硬件为 一体的注塑成型品质控制专家，可以直接与注塑机控制器相连，可进行工艺优化 和质量监控，自动优化注塑周期、降低废品率及监控整个生产过程。 m o l d f l o w 软件在注塑模设计中的作用主要体现在以下几方面： ( 1 ) 优化塑料制品 运用m o l d f l o w 软件，可以得到制品的实际最小壁厚，优化制品结构，降低材 料成本，缩短生产周期，保证制品能全部充满。 ( 2 ) 优化模具结构 运用m o l d f l o w 软件，可以得到最佳的浇口数量与位置，合理的流道系统与 冷却系统，并对型腔尺寸、浇口尺寸、流道尺寸和冷却系统尺寸进行优化，在计 算机上进行试模、修模，大大提高模具质量，减少修模次数。 ( 3 ) 优化注塑工艺参数 运用m o l d f l o w 软件，可以确定最佳的注射压力、保压压力、锁模力、模具温 度、熔体温度、注射时间、保压时问和冷却时间，以注塑出最佳的塑料制品。 本文所做分析用的软件是m p l 5 0 版本。 1 2 6 有限元分析的理论依据 m o l d f l o w 软件是一套流动分析软件，它是通过以下几个部分来做流动分析的 1 2 5 1 ： 1 数据库( m a t e r i a ld a t a d a s e ) m o l d f l o w 软件中存储了世界上4 0 0 0 多种材 料、2 9 0 种商用注塑机的相关性能及运行参数的数据库供查询。数据库建立的依据 是：实验数据+ 物理公式。它将实验数据用两种公式表示出来，变成计算机能够处 理的数据形式，即： 9 北京交通大学硕士学位论文l 绪论 ，7 = 口y 9 e x p c t ( 1 - 1 ) 公式中：i l ：粘度；y ：剪切率；t ：温度；q ：粘度系数；b ：剪切系数； c ：温度系数 y = a i + a 2 x + a 3 z + a 4 x + a 5 x z + a 6 矛 ( 1 - 2 ) 式中：y ：粘度；x ：剪切率；z ：温度；a 1 a 6 是多项式的6 个系数 在分析过程中考虑具体不同情况选择公式和材料数据。 2 流动分析基础m o l d f l o w 软件是用三维有限元迭代法来预测熔融体流动路 线，即熔融体从模具浇口流动到模腔内最后充满的那一点的路线。它通过对模具 型腔进行液体的有限元网格划分，取得熔融体流动前锋位置的节点( n o d e ) ，计算 时从原来已经计算出来的熔融体前锋某一节点处开始，向与节点相连的另一组节 点过渡。在计算过程中，自动调整迭代参数以及其他相关系数来求解非牛顿流体、 非等温状态下的流动方程和热传导过程，完成一次计算，熔融体流动前锋的位置 向前增加一点，最后模拟出熔融体的流动充填过程。 3 对计算分析结果的判断先进行初步判断，即计算机记录到分析结果，自动 初步判断其结果的合理性，判断充填是否成功，指出充满后又无缺陷，诸如压力 分布异常程度等；然后显示结果，即设置计算机屏幕窗口，显示分析得到的结果， 用等时间充填线、等温线、等压线等模型覆盖线清楚表示出塑料在型腔内的流动 过程、流动温度分布、流动压力分布，供设计人员综合考虑，设计人员要仔细观 察有无翘曲现象、熔接线的位置、反充填现象等。 1 2 7 模具设计与制造数值模拟的一般过程 模具设计过程的数值模拟计算( 模具c a e ) ，通常分为三个阶段：第一阶段是 前处理过程，主要包括工艺过程及工艺参数的设计、三维造型设计和网格划分、 参数加载；第二阶段是充型、凝固过程的数值模拟计算过程，主要包括模具充型 过程流场的数值模拟和模具凝固过程温度场的数值模拟等；第三阶段是后处理过 程，主要是数值模拟结果的显示和输出。其中数值模拟过程是主要过程和核心。 模具设计过程数值模拟的前处理过程是把工艺设计中的图形信息变成模具 c a e 能够接受的数字信息。c a d 系统的造型平台生成的工艺元素的三维造型文件， 精确地表达了实体便结合构成实体的点、线、面、拓扑关系等几何信息，但是这 些连续体的几何信息必须离散化为一定数量和大小的网格单元，才能被铸造c a e 系统接受并被用来进行充型过程、凝固过程的模拟计算。这就需要我们对 a u t o c a d 、p r o e 、s o l i de d g e 等三维造型软件画出的铸件的三维实体造型，用通 用数据接口或专用数据接口导入模具c a e 软件中，在模具c a e 软件中进行网格 1 0 北京交通大学硕士学位论文 l 绪论 划分。上述过程就是模具c a e 软件的前处理过程。前处理的主要功能是进行实体 造型的网格划分和计算参数的准备。 网格划分后，就可以得到离散化的网格单元，加载参数后即可进行数值计算。 模具c a e 软件一般可以进行的数值模拟有充型过程的速度场、压力场和温度场的 数值模拟，凝固过程温度场的数值模拟及缩孔预测、铸件微观组织和机械性能的 数值模拟等。 对模具进行完数值模拟过程后，所得到的结果是一些数据文件，要把这些数 据文件变成可视的图形文件，就需要将符号表示的运算结果转换为几何形体表示， 使研究者能够直接观察到其计算或仿真过程。这一过程就是模具c a e 软件的后处 理过程，它是一种信息变换过程，它能够对输入计算机的数据进行解释，并能够 从复杂的多维数据集合中生成与其内容相关的视觉图像。后处理的主要功能是显 示模拟计算缩果，数据结果的可视化有助于对模拟结果进行分析研究。 1 3 轴承保持架研究 为适应铁路运输“高速、重载、轻量化”的发展需要，机车车辆用材料必须 有较为彻底的变革，其中高分子材料( 塑料、工程塑料、橡胶、热塑弹性体、纤维) 及其复合材料以其独特的优势必将在机车车辆得到更为广泛的应用【2 ”。 轴承保持架是滚动轴承中的一个主要零部件，同时又是轴承中形状最复杂、 价格最高的零部件，起着保持滚动体j 下确运动、改善轴承载荷分配和润滑性能的 作用1 2 2 j 。铁道车辆在运行过程中，由于冲击、振动及道岔的影响，保持架随机地 承受极大的冲击负荷。特别是车辆行驶速度提高到1 6 0k m h 以上时，保持架所承 受的力还要大。在该种情况下，一般都采用实体保持架，此时，保持架的形状和 性能对轴承的承载能力与使用寿命有重要的影响，加工成本的高低也直接关连到 整个轴承的成本。因此，选择适宜的保持架材料、结构及成型工艺已成为提高准 高速车辆轴承性能和可靠性的关键脚j 。 随着现代科学技术的发展，在现代滚动轴承技术发展的过程中，为提高轴承 承载能力，进行轴承优化设计降低轴承噪声振动，提高轴承可靠性、延长轴承使 用寿命，降低生产成本。采用工程塑料制作保持架，已经显示出独特的优越性 4 - 7 , 2 3 - 2 4 1 ： ( 1 ) 塑料轴承保持架比强度较高，完全能满足其工况要求； ( 2 ) 产品设计的灵活性大； ( 3 ) 保持架离心力小，质量密度小，转矩小，启动力矩小； ( 4 ) 耐磨损。轴承温升低，钢尼龙比钢- 钢、铜一铜的磨擦系数小； 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 ( 5 ) 自润滑性能优异，可简化主机的润滑系统； ( 6 ) 保持架易装配拆卸； ( 7 ) 保持架的韧性好，耐冲击，抗断裂性好，保持架的缓震性好，轴承噪声 低； ( 8 ) 耐酸、耐腐蚀，抗老化； ( 9 ) 可解决采用金属保持架不易解决的技术关键。直线运动球轴承保持架过 去一直是用钢板冲压的片式结构。其加工精度要求高、质量不易保证，废品率较 高。采用塑料保持架后，用一副模具注射成型，保证了产品精度，降低了轴承噪 声，提高了轴承的旋转灵活性和轴承的使用寿命，解决了用盒属保持架不易解决 的技术关键。 ( 1 0 ) 成本低、经济性好。热塑性塑料保持架只需要一副模具，直接注射成 型即可生产出合格的产品，比冲压钢板保持架和机加工黄铜保持架可减少7 1 2 道工序。与钢板冲压保持架相比，可节约5 副模具，材料利用率可提高5 0 左右。 塑料保持架与黄铜保持架相比。成本可降低6 5 以上，具有十分明显的经济效益。 国外塑料轴承保持架的研究开始于上个世纪5 0 年代初f j 7 1 ，经过4 0 多年的研 究发展，塑料保持架技术发展已经比较成熟，目前国外一些公司都在大量使用塑 料保持架，如德国s k f 公司已将各类轴承的塑料保持架在一定尺寸范围内选作标 准保持架，s k f 子公司有7 0 的圆柱滚子轴承和8 5 的新一代圆锥轴承采用了塑 料保持架；f a g 公司采用的塑料保持架轴承占其产量的3 0 ，具有大量节约会属、 节约工时、降低成本等独特优点，并具有良好的自润滑性能。国外深沟球轴承的 台架试验寿命般为计算寿命的8 倍甚至十几倍以上，可靠度高达9 8 以上，甚 至达9 9 9 ；如铁路货车轴承寿命达1 5 0 2 0 0 万公里，可实现十年无更换；铁路 客车轴承如日本、意大利的高速列车速度可达5 0 k m h ，行驶寿命为1 5 0 3 0 0 万公 里，可靠度8 0 万里达9 0 。载重汽车轮毂轴承行驶寿命达2 5 万公里。 我国生产铁路客车轴承已有三十多年的历史了，在生产过程中，随着生产技 术和应用技术的不断进步，对轴承结构已进行很多次改进，特别是保持架结构改 进变化最大。其发展历程为：钢制钢铆钉铆接保持架、整体压铸铝合金保持架、 黄铜钢