（机械制造及其自动化专业论文）冰箱内胆吸塑成型工艺优化方法研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 冰箱吸塑模作为冰箱生产制造中的一种重要模具，而吸塑成型工艺作为冰箱 吸塑模设计的关键，其选取的成败直接关系到冰箱吸塑模的成败，从而影响到冰 箱产品开发的成败。目前，国内对冰箱吸塑成型工艺的选取主要基于以往冰箱吸 塑模的设计经验以及传统的试模测试方法，其直接影响到整个冰箱吸塑模的设计 效率、精度以及最终产品的质量。为此，本文从冰箱吸塑模具工艺出发，对冰箱 吸塑成型工艺的优化等方面进行了研究。 本文的主要内容如下： 首先，针对塑料成型工艺理论进行了研究，并结合实际设计要求，对冰箱吸 塑模的一般设计理论及其模具工艺等方面做了较为详细的论述与研究； 其次，应用数值模拟方法对吸塑成型工艺参数进行了模拟分析，得出成型高 度、板料厚度、圆角半径、成型方法、辅助凸模圆角等工艺参数是影响成型结果 的关键因素； 然后，应用数值模拟方法对现行的冰箱门体内胆产品进行了模拟分析，并对 成型方法、起泡时间等工艺参数进行了优化，结合实际生产中的试模结果，综合 分析了各工艺参数对冰箱门体内胆厚度的影响，得出数值模拟方法可以一定程度 上辅助并取代试模； 最后，在上述研究的基础上，总结了全文的研究成果并对未来工作提出了展 望。 文中结合理论研究、应用实例及经验，对冰箱吸塑模从模具关键部位的工艺 设计到实现数值模拟技术对成型工艺优化等方面进行较详细的应用研究。同时， 也为冰箱吸塑模从理论设计到实现数字化制造技术做一些有益的指导和探讨工 作。 关键词：吸塑模具，成型工艺，数值模拟，工艺优化 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r e f r i g e r a t o rv a c u u mf o r m i n gm o u l di su s e da sa ni m p o r tm o l d i n gt o o li nt h e r e f r i g e r a t o rp r o d u c t i o n a st h ek e yt ot h er e f r i g e r a t o rv a c u u mf o r m i n gm o u l d ，t h e m o l d i n gt e c h n i q u e si sd i r e c t l yr e l a t e dt o t h ed e s i g no ft h er e f r i g e r a t o rv a c u u m f o r m i n gm o u l d ，a n dt h em o r et ot h er e f r i g e r a t o rp r o d u c t i o n a tp r e s e n t , t h es e l e c t i o n o ft h em o l d i n gt e c h n i q u e si sm a i n l yb a s e d0 1 1t h ep a s te x p e r i e n c ei nt h er e f r i g e r a t o r v a g - l l u mf o r m i n gm o u l dd e s i g na n dt h et r a d i t i o n a lm o l dt e s t i tw i l lb ed i r e c t l yi m p a c t 0 1 1t h ed e s i g ne f f i c i e n c y , t h ep r e c i s i o n ，a n dt h ef i n a l p r o d u c tq u a l i t y w i t ht h e r e f r i g e r a t o rm o u l dt e c h n i q u e s ，t h e r ei saf u r t h e rs t u d yo nm o l d i n gt e c h n i q u e s o p t i m i z a t i o no f t h er e f r i g e r a t o rv a c u u mf o r m i n gm o u l d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，t h et h e o r yf o rt h ep l a s t i cm o l d i n gp r o c e s sw a ss t u d i e d ，a n dw i t ht h e p r a c t i c a ld e s i g n ，t h em o r ed e t a i l e dd i s c u s s i o na n dr e s e a r c ho nt h eg e n e r a ld e s i g n t h e o r ya n dt h et e c h n i q u e so f t h er e f r i g e r a t o rv a c u u mf o r m i n gm o u l dh a v ed o n e s e c o n d l y , t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ec o m p r e s s i o nv a c u u mm o l d i n g p a r a m e t e r sw e r es i m u l a t e da n da n a l y z e d t h em o l d i n gh e i g h t ，s h e e tt h i c k n e s s ，r a d i u s ， f o r m i n gm e t h o d s ，a n da u x i l i a r yp u n c h f i l l e ta r et h ek e yf a c t o r st h a ta f f e c tt h ef o r m i n g t h e n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a su s e di nt h ea n a l y s i so fr e f r i g e r a t o rd o o ri n n e r l i n e r s ，m o l d i n gm e t h o d ，f o a m i n gt i m e a n do t h e r p a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d ， c o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a lp r o d u c t i o nt e s t - m o d er e s u l t s ，ac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so f v a r i o u sp a r a m e t e r so nt h et h i c k n e s so fr e f r i g e r a t o rd o o ri n n e rl i n e r sh a do b t a i n e d ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dc a nb ea s s i s t e do ri ns o m ee x t e n tr e p l a c et h et r y o u t f i n a l l y , o nt h eb a s i so ft h e s es t u d i e s ，t h er e s u l t so ft h er e s e a r c hw e r es u m m a r i z e s a n df u t u r ed e v e l o p m e n t sw e r ef o r e c a s t e d b a s e do nal o to fr e s e a r c h ，a p p l i c a t i o ne x a m p l e sa n de x p e r i e n c e ，am o r ed e t a i l e d r e s e a r c ho nt h er e f r i g e r a t o rv a c u u mf o r m i n gm o u l df r o mt h em o u l dt e c h n i q u e st ot h e r e a l i z eo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n i q u e sw h i c hr e a l i z et h eo p t i m i z a t i o nt o f o r m i n gt e c h n i q u e sh a dt o o k m e a n w h i l e , s o m eu s e f u lg u i d a n c ea n de x p l o r a t i o nw o r k h a dc a r r i e do nr e f r i g e r a t o rv a c u u mf o r m i n gm o u l dd e s i g n k e yw o r d s ：v a c u u mf o r m i n gm o u l d ，f o r m i n gt e c h n i q u e s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t e c h n i q u e so p t i m i z a t i o n 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 ：年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密彤 学位论文作者签名： 弥胡 土咖年多月尸日 万 ，办巧 ，饬 日 谚说9 垤7 o 月 名 签 # 隧 年 9 规 少 导 口 盼 切 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品的成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确方式表明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者：徐明 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 吸塑成型技术的现状与发展趋势 1 1 1 塑料成型技术的研究现状 进入二十世纪以来，随着化工行业的发展、加工技术的提高，以及塑料品种 和性能的提高，塑料制件的应用领域得到不断的扩大。塑料制件因具有密度小、 强度高、介电性能优异、耐腐蚀性好、摩擦系数小以及成型加工容易等特点【l l ， 在汽车、建筑、电子、轻工业等众多行业中逐渐取代传统材料，如金属、木材等 材料，塑料已经成为现代工业生产中必不缺少的材料。随着生产加工技术的提高， 塑料的发展速度远远超过其它材料，上世纪4 0 , - 8 0 年代，全世界钢的年平均增长 率为5 7 ，木材为1 6 ，而塑料为1 3 6 ，并持续以1 0 的速度增长【2 】。 由于塑料的原材料来源丰富、成型容易、品种繁多、性能良好且成本低、投 资见效快等特点，使得塑料在新材料领域独树一帜。因此，如何选取合适的成型 工艺将塑料准确成型为所需要的塑料制品，已经成为塑料成型设计的核心内容。 塑料成型n i 的目的是根据塑料原有的材料性能，利用可行性方法使塑料成 型为具有应用价值的塑料制件。塑料成型加工一般包括材料准备、制件成型及制 件后加工等几个工序( 如图1 1 ) 。制件成型是指将塑料加工成型为所需形状的过 程。制件成型的方法很多，分类也不一致，常用分类法是将成型过程分为一次成 型和二次成型。一次成型是指将加热后处于粘流态的塑料，经过流动、成型和冷 却固化将塑料成型为各种形状的塑料制件。一次成型能得到现状相对复杂的精密 塑料制品，一次成型包括注射、挤出、压延、发泡成型等。二次成型是将将加热 软化后的塑料制件( 如片材、棒材或管材等) 制成所需形状的塑料制件。虽然二 次成型的精度相对一次成型要低，但二次成型可以成型较大尺寸的塑料制件，二 次成型包括吸塑、吹塑、固相成型等。后加工包括机械加工、修饰和装配等。在 塑料成型加工过程中，制件成型是一切塑料制品生产的必经步骤，而后加工过程 则是根据成型制品要求进行取舍，相对于塑料的成型过程来说，后加工过程处于 次要地位【3 1 2 】。 江苏大学硕士学位论文 图1 1 塑料成型加工过程示意图1 4 】 1 1 2 吸塑成型技术的研究现状 作为二次成型技术的吸塑成型，是以热塑性塑料片材为成型对象，在高温条 件下，将加热软化后热塑性塑料片材固化成型为产品制件的过程，是众多塑料加 工方法中成本最低的方法之一【8 】。目前，吸塑成型已经成为与注射成型、吹塑成 型等塑料成型加工方法相竞争的主要加工方法之一，特别是在塑料包装行业中， 吸塑成型加工技术以其成型多样性、价格合理性等特点，是其它塑料成型加工技 术无法比拟的 9 - 1 0 1 。此外，吸塑成型技术成型过程均匀快速，整个成型周期短， 而且模具制作维修费用较低，被认为是塑料成型技术中单位成本效率最高的加工 方法之一。 吸塑成型技术以其性价比高、操作简单等优势，已经被多数大型塑料加工企 业所采用。 雪佛兰中皮卡车车型的车门脚踏板【1 5 1 ，采用凹模吸塑成型取代原先的凸模 成型。该改进使得制件光洁度得到很好的提高。本模具属于双片材吸塑成型，将 薄膜层央于两热塑性片材之间，加热软化并成型，再经过裁边和修饰，最终得到 车门踏板制件。一般而言，车门踏板的加工方法是采用注射成型，然后上漆装饰 即可完成，而采用上述凹模热成型得出的车门踏板制件更具抗刮伤性和耐破裂 性，避免出现腐蚀丌裂现象，且整体重量减轻3 0 。 i l l i g 公司生产的塑料杯，采用一种高速、高效、串联式的定型吸塑凹模成 型【1 5 】。该定型吸塑凹模适用于窄幅片材的制件加工，可以有效避免片材熔垂以 2 江苏大学硕士学位论文 及制件厚度不均均等现象的出现，此外，该定型凹模还配备高效的气压阀装置， 可以提供有效的冷却和回应速度。 l y l e 公司推出的r f t c u s t o m 设备，采用一种新型的成型裁边堆叠的吸塑 成型装置【i s l 。该设备的灵活工件具有短期或者长期使用的功能，该设备还装配 有重型器械，可实现大型塑料制件的成型加工；在成型方面，该设备装配有精密 的温控设备，可实现成型过程中的对温度精确控制；此外，该设备还配有浮动式 放卷装置，裁边装置以及边角料回收装置，首次实现裁边堆叠回收过程的自动 化。 1 1 3 吸塑成型技术发展趋势 在吸塑成型技术被广泛采用的同时，吸塑成型也存在其成型自身的局限性， 比如，细节损失、极限拉伸比以及逆锥度【1 6 】等方面，因此，吸塑成型不能够取 代其它塑料成型，如注射、吹塑成型等。此外，一方面，由于片材厚度不均匀、 起泡高度不适合、成型动作不协调、模具与制件结构设计不合理等原因，制件局 部出现变薄、起皱和折叠等现象；另一方面，由于模温过高、脱模力过大等原因， 制件局部出现翘曲变形等现象1 1 6 1 。上述吸塑成型过程中，出现的影响制件质量 的成型缺陷都必须采用相应的措施来加以预测与控制。 目前，在国外发达国家中，吸塑成型的数值模拟技术已经得到了一定的开发 与研究。 加拿大c o m p u p l a s t 公司研究开发出一种新型吸塑成型模拟软件t - s i m 4 5 f ”】。该软件的功能包括有如a n s y s 和l s d y n a 等软件采用的限定元素应力分 析系统，同时还包括有用于绘制制件壁厚尺寸的最新功能，可在成型应力分析模 式的状态下，直接绘制出制件壁厚尺寸的大小，从而更为精确地预测出制件的机 械性能。此外，该软件还可设定某一区域特定的加工温度，从而，取代原先恒定 的加工温度，以此获得与实际生产更为一致的制件壁厚。此外，该软件还可预测 成型制品尺寸的变形量，从而，减少制件在试模加工时探索的次数。 德国斯图加特大学聚合物测试与聚合物科学研究所研究开发出一台原型测 试机【1 5 】。该测试机可检测材料的表征化，是吸塑成型模拟软件推广应用的关键 性成果。通过该原型测试机可以得到数值模拟软件所需要的材料参数，从而准确 3 江苏大学硕士学位论文 地预测出材料的性能。但是，由于检测工艺步骤的成本过于昂贵以及花费时间过 长等原因，该测试机还未测出吸塑成型工艺条件下材料流变行为的准确数据。 随着现代化工业的高速发展，产品的功能、结构的日趋复杂，新产品更新换 代速度的不断加快，在整个产品的生命周期中，产品设计的地位越来越重要。通 过对数值模拟技术的运用，实现对产品制品壁厚分布的预测，使得模具设计及产 品设计人员在生产之前能够选择最佳的设计方案【1 刀。事实上，虽然产品设计本 身所花的费用仅仅占产品研发总成本的5 左右，但是产品研发的好坏主要取决 于产品的设计过程，因此，产品的设计过程已被视为产品开发的瓶颈，同时，在 整个产品的生产系统中同样起着举足轻重的作用。因此，伴随着现代化工业和新 技术的发展，数值模拟技术必将得产品设计的发展趋势到迅速的发展和普及【1 8 1 。 1 2 冰箱吸塑模成型特点 冰箱作为一个日常家用电器，其主要包括冰箱箱体( 门体) 、制冷系统、控 制系统和附件等几部分组成。冰箱箱体( 门体) 作为冰箱产品中重要组成部分， 其主要涉及的模具有吸塑模、冲切模、发泡模等。其中，吸塑模作为冰箱箱体( 门 体) 内胆的成型模具，在整个箱体( 门体) 生产制造过程中起着决定性的作用， 其设计的优劣直接影响到箱体( 门体) 的生产制造，并最终关系到整个冰箱产品 的好坏。 图1 2 列出了冰箱产品的主要构成及模具使用。 图1 2 冰箱产品构成及模具使用 4 江苏大学硕士学位论文 冰箱内胆吸塑成型模是真空吸塑成型模的一种。首先，利用夹紧装置对热塑 性塑料板或者塑料片进行固定，用辐射加热的方法对其进行加热，当加热至塑料 软化温度后，利用压缩空气对塑料板中心位置进行吹气，使之形成真空气泡，将 该真空气泡覆盖在凸模上( 或者在凹模内) ，用真空泵抽真空的方法将塑料板与 模具之间的空气抽空，借助塑料板上下面之间的压差，使塑料板紧贴在模具表面 而成型，经过保压冷却等步骤，最终，凭借吹入的压缩空气以及吸塑模模具中的 脱模装置，将冰箱内胆制件从模具中脱落1 3 1 。 从冰箱内胆吸塑成型模的制造生产过程中看，其概括起来主要有以下几个特 点1 1 3 】： 1 ) 宣加工大尺寸薄壁塑料制件； 2 ) 模具侧凹( 凸) 部位采用抽芯设计； 3 ) 模具不必要都有凸凹模，根据需要仅凸模或凹模即可； 4 ) 模具表面精度要求较高，且表面开有抽气真空孔、模具内部设有进出气 口、进出水口，其总体结构相对复杂。 根据以上模具特点以及实践经验，冰箱吸塑模工艺设计中的关键部位主要是 型腔部位、抽真空部位、抽芯部位以及加热冷却部位等。尤其是抽芯部位的工艺 设计，是整个冰箱吸塑模工艺设计中最关键的部位，针对不同的内胆、不同的部 位必须进行具体的工艺分析，其工艺的好坏、设计的成功与否将直接影响到冰箱 吸塑模具设计的成败 1 3 1 。 1 3 课题的提出及意义 在冰箱内胆制件的生产过程中，高效的设备、先进的模具和合理的吸塑成型 工艺是必不可少的三个重要因素，尤其在冰箱内胆制件的加工时，模具要求、吸 塑成型工艺等起着重要作用。冰箱内胆制品成型所采用的真空吸塑模具，是一种 少切削、无切削、多工序重合成型的塑料模具，由于工业塑料品种繁多以及塑料 产品需求量扩大，因此，对冰箱模具的要求较高。 近年来，先进的产品设计是面向市场、面向用户的设计，企业设计出来的产 品不仅要面对技术上的难题，而且还必须面对同益增强的市场竞争。企业对产品 市场反应速度的快慢，新产品研发速度的快慢，不仅决定着一个企业的经济效益， 更加决定着一个企业的生存能力。企业是否能够在激烈的国内外市场竞争中谋得 s 江苏大学硕士学位论文 生存与发展，关键是要看企业的产品设计是否符合不断变化的市场需求，企业的 产品是否能够满足顾客需求。随着高新技术的不断发展，采用数值模拟仿真技术 进行产品的设计开发成为现代模具制造业的大势所趋。 首先，通过运用数值模拟仿真技术，实现冰箱吸塑成型过程进行模拟仿真， 为实际生产提供成型结果的参照依据；其次，通过对各成型工艺参数下模拟结果 的比较，分析各成型工艺参数对成型结果的影响，为成型工艺参数的选取提供可 靠的依据；此外，通过对成型过程的模拟仿真，可以实现成型时间的预测，为模 具的设计开发提供可行性的依据。因此，数值模拟仿真技术的应用必将对冰箱吸 塑模具的设计开发及周期的缩短起到积极的作用。 1 4 研究的内容与目的 本文从冰箱吸塑模的一般设计理论入手，以理论结合实际的方法，详细探讨 并论述了塑料成型工艺的理论以及冰箱吸塑模具的工艺特点、原理、设计方法等， 然后，对数值模拟技术的原理、方法以及吸塑成型工艺等方面进行了较为详细的 探讨与研究，最后，对现行的冰箱吸塑模进行了数值模拟技术的应用，在此基础 上，提出了吸塑成型工艺的优化分析。本文对冰箱吸塑成型工艺优化等方面具有 一定的指导意义并做出有成效的探索工作。 因此，本文研究的主要内容( 如图1 3 ) 如下： 第一章：阐述了国内外对塑料成型及吸塑成型技术的研究现状和发展趋势， 针对冰箱吸塑成型模的特点，提出了通过数值模拟技术可以解决吸塑成型工艺在 模具设计中存在的问题。 第二章：讨论了塑料成型工艺理论，并针对冰箱吸塑模设计及其模具工艺做 了较为详细的理论研究。 第三章：论述了基于数值模拟技术的吸塑成型工艺的优化方法，并确定了各 成型工艺参数对成型结果的影响。 第四章：针对实际生产中某型号冰箱门体内胆产品，采用数值模拟技术对其 成型工艺参数模型进行模拟分析，在此基础上，对试样测量值与模拟分析值进行 比较分析并得出结论：采用数值模拟技术可以实现成型工艺参数的优化选取，减 少产品试模次数，降低设计成本。 第五章：总结了本文的研究成果并对未来工作提出了展望。 6 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 阐述了国内外对塑料成型及吸塑成型技术的研究现状和发展趋 势，针对冰箱吸塑成型模的特点，提出通过数值模拟技术可以解决 吸塑成型工艺在模具设计中存在的问题 第二章塑料成型工艺及模具技术 阐述了塑料成型工艺的基本理论，并针对冰箱吸塑模设计及其 工艺做了较为详细的理论研究。 第三章吸塑成型数值模拟技术 论述了基于数值模拟技术的吸塑成型工艺的优化方法，并对成 型高度、板料厚度、圆角半径、起泡时间、成型方法、辅助凸模圆 角等吸塑成型工艺进行了数值模拟。 第四章吸冰箱内胆吸塑成型工艺优化设计实例 采用数值模拟技术对某型号冰箱门体内胆吸塑模的起泡时间、 成型方法等成型工艺参数模型进行吸塑过程的模拟分析，在此基础 上，对结合试模产品，比较分析得出：数值模拟技术可以帮助设计 者完成成型工艺参数的选取，实现模具设计。 图1 3 本文研究的主要内容 7 江苏大学硕士学位论文 第二章塑料成型理论及冰箱模具工艺研究 2 1 塑料成型理论研究 塑料成型过程中，塑料的物理和化学性能都会发生变化，并构成不同的形态 结构，从而表现出不同的材料性能。因此，必须充分考虑塑料成型过程中物理和 化学性能的变化，从而确定出合理的成型工艺。在此基础上，进一步对塑件进行 结构和性能设计，构造出满足设计要求的制件。 在此，本文针对塑料成型过程中的流变行为以及制件的力学性能做了一定的 探讨和研究。 2 1 1 塑料成型过程的流变模型 塑料成型过程中，材料的流动和形变都是在受到应力的情况下发生的。在塑 料成型过程中，材料主要受到剪切、拉伸和压缩三种应力的作用，其中，剪切应 力对塑料的成型最为重要，在塑料成型过程中，塑料熔体在设备和模具中的压力 降、所需功率以及塑件的质量都会受到剪切应力的制约【2 0 1 ；拉伸应力在塑料成 型中也同样重要，且经常与剪切应力同时出现，尤其是吸塑成型中起泡与引伸等 成型过程【1 9 - 2 7 ；此外，压缩应力对材料流动的影响不是很大，一般可以忽略不 计，但对材料的其他性能具有一定的影响，例如，塑料熔体的粘性等。 根据流体剪切应力与剪切速率的不同关系，流体可以分为牛顿流体与非牛顿 流体【2 2 1 。 2 1 1 1 牛顿流体 所谓的牛顿流体是指，在恒定温度的条件下，当剪切应力f 施加到两个相距 d r 的流体平行层面上，并以相对速度d v 运动( 如图2 1 ) ，则流体的剪切应力f 与 剪切速率夕( 夕= d v d r ) 之间呈现线性关系2 5 1 ，可表示为式( 2 1 ) 。 r ：，7 字= 刁吵 ( 2 1 ) 口厂 式中r 为比例常数，称为切变粘度系数或牛顿粘度，简称粘度。粘度是流体 的一种基本特性，依赖于流体的分子结构和外界条件【1 9 】。图2 2 中牛顿流体的流 8 江苏大学硕士学位论文 动曲线是一条通过原点的直线，该直线与y 轴夹角秒的正切值就是牛顿粘度，即 ，7 = 音= t a n o 。 厂 在实际情况中，真正属于牛顿流体的流体很少，仅仅在低分子化合物的液体 或溶液中。聚合物熔体除聚碳酸酯和偏二氯乙烯氯乙烯共聚物等少数几种与牛 顿流体相似外，绝大多数流体都只能在剪切应力f 很小或者很大时才表现为牛顿 流体1 2 3 】。但是，在成型过程中，通常对聚合物流体施加的剪切应力都不是很大 或者很小，所以，在塑料成型过程中，流体的流动行为均不表现为牛顿流体。 图2 1 剪切流动示意图【2 习 y 图2 2 理想状态下流体流动曲线图2 5 l 2 1 1 2 非牛顿流体 流体中流动行为不遵从牛顿流体流动规律的流体，均为非牛顿流体。非牛顿 流体流动时，剪切应力f 和剪切速率多的比值叫作流体的表观粘度1 9 1 ，记仉。在 一定的温度条件下，非牛顿流体的表现粘度7 7 a 并不是一个常数，而是随着剪切应 力r 、剪切速率y 的变化而变化，甚至有些非牛顿流体的表现粘度还会随着时间 的变化而变化。 根据剪切应力和剪切速率的关系，非牛顿流体可分为宾汉塑性流体、假塑性 流体、膨胀性流体三种1 2 5 】。 1 ) 宾汉塑性流体 该流体与牛顿流体类似，其剪切应力和剪切速率的关系也表现为线性关系 9 江苏大学硕士学位论文 ( 如图2 1 ) 。不同的是宾汉塑性流体当且仅当剪切应力达到l 值后才会发生塑性 流动【1 9 1 。宾汉塑性流体产生流动的最小应力f 。称为流体的屈服应力。宾汉塑性 流体的流动方程可表示为式( 2 2 ) 2 5 】： f 一勺= 7 7 p 嗲 ( 2 2 ) 式中7 7 p 称为刚度系数，即图2 1 中流动曲线的斜率。当f 勺时，材 料立即呈现流动行为，且具备一定的粘度。宾汉塑性流体呈现这种流动行为是因 为，当f 0 时， 这种凝胶结构受到应力破坏，流体开始呈现为流动行为。 2 ) 假塑性流体 该流体是非牛顿流体中最为普通的一种流体，其剪切应力和剪切速率的关系 表现为曲线，也不存在屈服应力( 如图2 2 ) 。假塑性流体的表现粘度仇随剪切应 力f 的增加而降低。假塑性流体在流体中最为常见，大多数聚合物的熔体以及 所有良溶剂中的聚合物溶液，其流动行为均属于假塑性流体。 在任何给定范围内，假塑性流体的剪切应力f 和剪切速率y 的关系可用指数 定律来描述，可表示为式( 2 3 ) 【2 5 1 ： 一( 鲁) “= k 芗“ 仁3 ， 式中k 与1 1 ( n l 。 膨胀性流体大多数是固体含量较高的悬浮液。当悬浮液处于静止状态时，膨 胀性流体处于固体粒子的间隙之中且间隙相当小；当对流体施加一定的剪切应力 f 时，流体在移动的固体粒子间仅充当润滑剂，因此，表观粘度仇较低，当施加 的剪切应力丁不断增加时，固体粒子间的紧密性受到破坏，整个流体发生膨胀， 此时，流体的表观粘度珑就会随着剪切应力f 的增加而上升1 9 1 。 2 1 2 塑件的力学性能 塑件受到各种载荷的应力分析，通常可参照金属材料的力学分析方法。但由 于材料性能的特殊性，在长期静载荷作用下，塑件的应变行为和塑性破坏，对时 间和温度有明显的依赖性。塑件在受到交变和冲击的动载荷时，所表现的疲劳、 脆性断裂等有特殊规律。因此，在塑件设计过程中，必须考虑静载荷下的形变行 为以及动态载荷分析。 本文主要针对动态载荷下塑件的疲劳强度、力学致热、冲击载荷等三方面的 研究，静载荷情况下的塑件的力学性能可参照塑料件的设计【2 0 】一书。 2 1 2 1 疲劳强度 在动态载荷下，塑件的疲劳破坏是由于交变应力引起的。所谓的交变应力是 指随时间呈周期性变化的应力。在交变应力作用下，塑件内最大应力虽低于材料 的屈服极限，但经过长时间重复加载之后，塑件就会突然发生脆性断裂。其原因 江苏大学硕士学位论文 是交变负载的机械功导致不可逆的分子结构演变和变形，主要形成银纹【捌和剪 切带。银纹是疲劳裂纹的先兆，在高幅值应力作用下，可是材料呈现脆性。 根据不同循环特征，下的平均应力和应力幅度吒，可以得到极限应力曲 线a b c ( 如图2 3 ) 。图中曲线a b c 上任何点的纵坐标与横坐标之和，都代表特 定循环特征，下的持久极限母。a 点为对称循环特征，= - 1 的持久极限蔓，；b 点 为循环特征厂= 0 的持久极限& = 2 吒= 2 吒；c 点为循环特征，= 1 的静载荷条件， 有吒= o ，= q 为材料的屈服极限。图2 3 中曲线a b c 可用式( 2 6 ) 表示2 0 j ： 一 2 亿6 ， 显然曲线a b c 内的点都是塑件允许的承载应力。考虑到塑件的疲劳强度对 工作和环境条件的敏感性，常采用a c 直线作为塑件设计的极限条件。a c 线上 每点为持久极限母= 吒+ 吒，可用式( 2 7 ) 表示2 0 】： 吒一小号 亿7 ， 吒 a o 图2 3 塑料的极限应力酬2 0 】 c 2 1 2 2 力学致热 塑件在受力形变时，一部分能量以势能的形式被存储，另一部分以热能的形 式被消耗。塑件的粘弹性在内部分子的高频运动下呈现出力学致热特性，因此， 必须对塑件进行热平衡分析。 在振动的外力作用下，由于塑件材料响应的粘滞热效应【2 0 l 以及材料不良的 1 2 江苏大学硕士学位论文 导热性，塑件很容易会产生热软化现象，从而影响塑件的质量。为防止塑件热软 化现象的出现，通常采用热平衡分析来解决热软化问题。 热平衡方程如式( 2 8 ) 表示： q = 鸟+ q ( 2 8 ) 式中q 为塑件在交变应力作用下产生的滞后热量；q 为塑件通过热传导散 失的热量；q 2 为塑件通过热对流散失的热量。由于塑料的导热系数很小，一般 情况下，取q i 0 ，则式2 8 可写成q = q 2 ，也就是说，塑件热对流散失的热量 q 等于交变应力作用下产生的滞后热量幺2 1 1 。 2 1 2 3 冲击载荷 塑件在使用或者运输的过程中，连续或者偶尔的撞击都会使塑件发生变形 或者断裂。塑件的冲击性能受塑件形状、温度、冲击速度、材料取向等多种因素 以及各因素相互综合的影响【2 l 】，并且在施加瞬时冲击载荷时，塑件更容易产生 较高的应变速率，因此，塑件的抗冲性能以及冲击保护是塑件动态力学性能中相 当复杂的问题。 2 2 冰箱吸塑模设计理论 2 2 1 吸塑成型过程 吸塑成型法是热成型法中的一种，其成型的基本原理和金属片材的冲压成型 技术有着某些相似之处，但吸塑成型法在成型时的拉伸比、深宽比与板材厚度选 择等方面，均有所考虑1 2 s 5 0 。此外，在吸塑成型模具设计时，还需考虑塑料片 材的种类，其成型后收缩率的变化，型腔尺寸的计算，脱模斜度的大小，抽芯设 计，真空抽气孔的尺寸、位置和大小，模具加热元件及温度的控制，以及板材加 热时间的长短等因素，在保证片材在成型温度下，具有较大的断裂伸长率和较低 的拉伸强度【3 3 2 1 ，从而确保成型得到合格的制品。 吸塑成型工艺过程如图2 4 ： 江苏大学硕士学位论文 2 2 2 真空成型方法 图2 a 吸塑成型工艺过程 吸塑成型方法主要有无模吸塑成型、单凹模吸塑成型、单凸模吸塑成型、对 模吸塑成型、预吹吸塑成型、模塞辅助吸塑成型、预吹模塞辅助吸塑成型和真空 回吸成型等多种方法。冰箱吸塑常用的有预吹模塞辅助吸塑成型和真空回吸成型 两种。下面重点对真空回吸成型和预吹模塞辅助吸塑成型做一阐述，其余具体成 型方法可参考塑料热成型 3 3 l 一书。 2 2 2 1 真空回吸成型 真空回吸成型是内胆制件在成型较为复杂的情况下所使用的，其内胆制件的 壁厚较为均匀，如图2 5 ( a ) 所示，将预热好的片材离至凹模上方并夹紧；如图 2 5 ( b ) 所示，在凸模下降之前，凹模型腔抽真空，使加热软化的片材形成图示 的下凹面；如图2 5 ( c ) 所示，凸模下压，使软化片材与凸模贴合；如图2 5 ( d ) 所示，通过抽真空使软化片材与凸模模面完全贴合；最后，经冷却、脱模完成制 件的成型。 真空回吸成型法常采用的是凹模吸塑成型，热塑料片板在成型初避免与冷模 过早的接触，从而，避免出现热塑料片板过早与冷模接触出现冷斑【3 3 】等现象， 确保最终制件的质量。此外，如果热塑料片材过早地粘附于冷模上，冰箱内胆制 件壁厚的均匀性就会变差，因此，凹模吸塑成型相对凸模吸塑成型，壁厚的均匀 性较好，在实际生产中，冰箱内胆制件壁厚均匀性要求高的吸塑模具均选用凹模 吸塑成型。 1 4 雾鐾 江苏大学硕士学位论文 片材 图2 5 真空回吸成型【3 3 l ( d ) 2 2 2 2 预吹模塞辅助吸塑成型 预吹模塞辅助吸塑成型是预吹吸塑成型与模塞辅助吸塑成型两者的结合，如 图2 6 ( a ) 所示，将预热好的片材离至凹模上方并夹紧；如图2 6 ( b ) 所示，在 柱塞下降之前，先用压缩气体将加热软化的片材吹成上凸的泡状物；如图2 6 ( c ) 所示，控制模腔内气压将模塞下降至片材接近凹模底部部位，如图2 6 ( d ) 所示， 模底抽真空，使片材与模面完全贴合，完成成型。 在预吹模塞辅助吸塑成型过程中，凭借调节片材的加热温度、起泡的高低、 模塞柱压的速度、压缩气体的施加与排除以及真空度的大小，能够精确控制内胆 断面处的厚度【3 3 1 ，可使片材能够均匀拉伸。这种成型方法所得的内胆壁厚最薄 处可达到原片材厚度的2 5 ，且重复性好，不会损伤原片材的物理性能。 流量控制 ( c ) 压缩气体 图2 6 预吹模塞辅助吸塑成型1 3 3 1 江苏大学硕士学位论文 2 2 3 冰箱内胆设计 冰箱吸塑成型的内胆设计与其几何形状、尺寸精度、脱模斜度、内胆凹槽、 内胆圆角、宽深比、引伸比以及片材选取等都有具体的要求，下面对以上各因素 分别加以详细论述。 2 2 3 1 几何形状与尺寸精度 冰箱吸塑成型的内胆几何尺寸除受制件几何尺寸、外观因素的影响外，还必 须考虑片材的厚度、拉伸强度以及成型工艺条件等；此外，在制件与模具间还存 在一定间隙以及收缩变形等，因此，所加工的冰箱吸塑成型内胆的几何形状与尺 寸精度的要求不是很耐3 4 1 。 2 2 3 2 脱模斜度 根据吸塑成型工艺原理，热塑料片材在冷却收缩以及外力作用的作用下会紧 贴模具表面。在使用凹模成型时，由于内胆制件与模具内壁问会自然形成间隙， 因此，脱模斜度可以适当的减小；但在使用凸模成型时，由于冷却收缩等原因， 内胆制件会紧贴凸模模壁，从而难以脱模，因此，凸模成型的脱模斜度相比凹模 成型要大些。一般情况下，凹模脱模斜度o 5 。l 。，凸模脱模斜度2 。5 。【2 5 1 。 2 2 3 3 加强筋设计 冰箱内胆制件通常为大面积的敞口制件，且成型用塑料片板都是薄板，在成 型过程中塑料片板受拉伸作用，内胆制件的底部与转角处都很薄。因此，必须在 内胆制件相应部位增加波纹型凹槽加强筋以增强其刚性，如图2 7 。 i i i l 槽 图2 7 凹槽加强筋设计f 4 2 1 2 2 3 4 圆角设计 冰箱内胆制件的圆角设计时，不允许出现锐角，且圆角处的圆弧r 要尽可 能大，至少要大于片材厚度的5 1 0 倍【4 3 1 ，否则制件在圆角处很容易发生减薄和 应力集中现象，如图2 8 。 1 6 江苏大学硕士学位论文 韶； 因 哥 球 穴 毯 图2 8 圆角半径r 的取值关系及影响t 4 3 1 2 2 3 5 宽深比与引伸比 内胆制件的宽深比是指制件有效的最小宽度与制件高度之比，宽深比是衡量 内胆制件成型难度的一个常用参数【3 3 1 。宽深比越大，制件成型越易，反之越困 难。因此，可以根据宽深比来正确选择制件成型的加工方法。一般情况下，冰箱 内胆制件的外形特征尺寸一经确定，就可以求得它的深宽比，宽深比可用式( 2 9 ) 【3 3 】求得： 肛老( 瓣老) ( 2 9 ) h 一、h 撇 、 式中 b 宽深比；抽制品最小宽度；d 。h 制品最大直径； n m “制品有效深度 内胆制件是片材经过受热拉伸变形而得到，因此，内胆制件的壁厚总是小于 加工前片材的厚度，且制件的局部厚度更薄。 内胆制件的引伸比是指拉伸后制件表面积与拉伸前片材有效面积之比，引伸 比是衡量制件拉伸过程中的实际变形程度，即引伸比越大，变形程度越大，成型 就越困难，反之就越容易，引伸比可用式( 2 1 0 ) 【3 3 】求得： l 。= i s ( 2 1 。) 式中 l 。引伸比；s 拉伸后制件表面积；s o 拉伸前片材有效面积 引伸比与内胆制件的最小壁厚相关，一般来说，引伸比越小内胆制件最小壁 厚就越大，因此，引伸比小的内胆制件可采用薄板成型，反之，引伸比越大内胆 1 7 江苏大学硕士学位论文 制件的最小壁厚就越小，相应的内胆制件就要采用厚板成型；引伸比与内胆制件 的脱模斜度相关，引伸比越大，制件的脱模斜度要求越大；引伸比还与塑料片材 的品种选取相关，引伸比越大，塑料片材的可拉伸性要求就越大。此外，引伸比 过大的内胆制件容易出现起皱甚至破裂等不良现象，对于产生此类不良现象之前 的最大引伸比被称为内胆制件的极限引伸比。实际生产过程中，很少采用极限引 伸比设计内胆制件，因为采用极限引伸比不仅会增加内胆制件的废品率，而且会 造成内胆制件凸起及圆角部分过于薄弱，从而影响制件的强度和刚度，所以，往 往采用在极限引伸比以下成型，一般采用的引伸比为0 5 l 。 当引伸比厶和制件平均壁厚乞确定后，可按式( 2 1 1 ) 3 3 1 求得原先的片材 厚度“： t o = 丘o ( 2 1 1 ) 式中 f o 片材原始厚度；厶引伸比；乞制件平均厚度 2 2 4 冰箱模具设计 模具设计的质量决定了最终的产品质量、生产效率以及生产成本等等。一般 来说，冰箱内胆吸塑模具设计的主要步骤如下： a 、根据常用塑料的性能选取适合的塑料片材； b 、根据内胆制件工艺要求选取适当的吸塑成型方法及设备； c 、根据内胆制件的形状和尺寸确定模具的形状和尺寸； d 、根据成型工艺特点选取合适的模具材料。 冰箱内胆容积的大小，决定了冰箱可用容积的大小，即在设计冰箱内胆吸塑 模具时，必须确保成型后的内胆的尺寸符合冰箱产品的使用要求。因此，在冰箱 内胆吸塑模设计时，应注意以下几个方面： 首先，在分析冰箱模具型腔尺寸时，需根据冰箱内胆尺寸求出模具型腔表面 的尺寸；其次，在内胆成型i j ，片材必须加热至塑性状态，同时，模具也必须加 热到一定的温度：在片材紧贴模具完成成型后，需对热的成型制件进行逐渐降温， 使制件逐渐冷却固定，同时，模具也必须降温；此外，冰箱吸塑模具设计的相关 部位必须与真空吸塑机相适应。 1 8 江苏大学硕士学位论文 总之，冰箱吸塑模设计必须考虑三大方面：第一，产品设计图：第二，成型 工艺设计；第三，模具与设备相关部位的匹配。 2 241 模具设计方案的确定 根据内胆产品图以及生产设备情况，确定冰箱内胆吸塑模的设计方案：一模 一件或者一模多件。 2 24 2 模具的基本结构 预成型真空吸塑成型模的基本结构分为三大部分：模具本体、辅助模塞以及 相关接口组件。 1 ) 模具本体 模具本体型腔表面的尺寸是根据内胆外表面的尺寸分析得出，其对应关系如 式( 2 1 2 ) 1 4 2 1 ： s l = s 2 ( 1 + r )( 2 1 2 ) 式中s i 模具型腔表面的尺寸；s 2 产品外表面的尺寸；r 收缩率 收缩率r 与内胆制件的材料、几何形状以及模具的结构、吸塑成型过程中的 温度参数等因素有关。内胆制件的材料一般采用a b s 塑料片材，有时也采用h i p s 塑料片材，根据生产的实际经验有：a b s 塑料，取r = 0 0 0 5 ；h i p s 塑料，取 r = 0 0 0 5 5 4 2 1 。 吸塑模具的内壁一般采用铸造的原始毛面，除安装面外，其余均不需加工， 通常情况下，采用铝铸件材料的模具壁厚取2 0 m m 。此外，在铸造模具毛坯时， 其内壁需增设水管槽，用于安装模温控制的水管，水管槽深1 8 m m ，宽1 8 m m ； 水管槽间距控制在1 0 0 m m 之内，模具加工完成后，将水管安置在凹槽内，并采 用“铅锡6 0 0 埋封【4 2 1 。 2 ) 辅助模塞 辅助模塞的材料必须满足以下要求：( 1 ) 接触时不能使热片材过于变冷：( 2 ) 运动时与片材之间具备良好的滑动及摩擦行为；( 3 ) 成本合理易加工且具备一定 的热性能要求i ”】。 根据上述辅助模塞的材料要求，木质材料是多数设计者优先选用的辅助模塞 材料。木质辅助模塞具有良好的滑动性能，不会因为摩擦而给内胆留下划痕，此 1 9 江苏大学硕士学位论文 外，在木质辅助模塞表面覆上软质的纺织品，可以有效减少接触时的冷却性能和 增加滑动性能。