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塑料模具 论文 含有 CAD 文件

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8D i e a n d M o u l d T e c h n o l o g y N o . 1 2 0 0 6文章编号1 0 0 1 - 4 9 3 4 ( 2 0 0 6 ) 0 1 - 0 0 0 8 - 0 4注塑模冷却系统设计中的 C A E陈志新东华理工学院电子与机械工程学院江西南昌3 3 0 0 1 3摘要介绍了注塑模冷却系统模拟分析的原理并简述了常见注塑模 C A E软件的功能然后利用 C A E软件通过一具体实例描述了注塑模冷却系统优化设计的 C A E方法和过程并模拟验证了在平板状零件的模具设计过程中翘曲是一个必须重点考虑的因素关键词注塑模冷却系统C A E中图分类号T G 2 4 1文献标识码AA b s t r a c t : T h e p r i n c i p l e o f s i m u l a t i n g a n a l y s i s o f i n j e c t i o n m o l d i s i n t r o d u c e d T h e f u n c t i o n o fc o m m o n C A E s o f t w a r e o f i n j e c t i o n m o l d i s d e s c r i b e d T h e w i t h C A E s o f t w a r e t h r o u g h a ni n s t a n c e t h e C A E m e t h o d a n d p r o c e s s o f o p t i m i z i n g d e s i g n o f c o o l i n g s y s t e m o f i n j e c t i o n m o l di s n a r r a t e d I t s p r o v e d b y i m u l a t i o n t h a t w a r p i s a n e c e s s a r y c o n s i d e r e d f a c t o r i n t h e d e s i g np r o c e s s o f t h e m o l d o f p l a t e - s h a p e d p a r t sK e y w o r d s : i n j e c t i o n m o l d c o o l i n g s y s t e m C A E收稿日期2 0 0 5 - 1 0 - 2 7基金项目东华理工学院硕博基金资助项目D H S 0 5 0 3作者简介陈志新1 9 7 3男讲师0 引言现今社会中塑料越来越多地成为金属的替代品按照体积计算其消耗量已超过了钢铁总和成为工业物料的重要支柱模具是塑料成型加工的重要装备采用模具成型塑料制品实质上是一种少切削无切削多工序重合的生产方法在塑料成型周期中相当多的时间用于模具冷却影响注射冷却系统的因素是多方面的除了塑料制品的几何形状冷却介质及其流速和温度冷却管道的布置模具材料熔体温度塑件顶出温度和模具温度外还涉及到塑料和模具之间非稳态热循环交互作用冷却系统的设计直接影响着模具冷却效率和型腔表面温度从而对注塑生产的效率和质量产生重要影响一个高效和均匀的冷却系统设计能够显著地减少冷却时间提高成型效率并对消除塑件翘曲变形内部应力及表面质量缺陷产生影响在过去注塑模冷却系统的设计主要采用传统方法冷却管道的布置和冷却参数的确定往往在设计的最后阶段凭设计者的经验和直觉进行结果导致许多模具成型效率较低塑件的质量也难以保证随着有限元和边界元法等数值方法在工程中的应用国外学者提出了注塑模冷却系统的数值分析模型并提出了模具温度场稳态分析的中面模型及数值处理方法冷却系统模拟分析方法经多年的应用和完善现已广泛被应用于商品化软件中1 冷却过程模拟的基本原理在冷却过程中模具内任一点的温度和热流受冷却系统中各几何参数和物理参数的影响需要模 具 技 术 2 0 0 6 . N o . 19用具有周期性边界条件的三维热扩散方程来求解而且完整的分析还应考虑熔体与模具型腔之间具有温度突变的相互热作用这样的分析一般无法求出精确解即使求近似解也很困难对一般的工程实际问题只能采用数值方法借助于计算机求出近似解迄今为止求近似解的数值方法主要有有限差分法FDM有限元法F E M边界元法B E M而且由于绝大多数塑料制件的厚度尺寸往往比长度和宽度尺寸小得多故可简化为二维热传导分析这也是目前普遍采用而且比较成熟的方法1 采用有限元法F E M根据热传导理论对二维非稳态导热问题的求解归纳为抛物线型偏微分方程式中T0物质的初始温度KT物体的瞬态温度KTf周围介质的温度常数Kqv材料的内热源强度J /m2Ks换热系数物体表面的散热系数n物体任意边界处的外法线方向向量物体的边界方向为逆时针K材料的热导率W /mK材料的密度k g / c m3Cp材料的比定压热容J /k gK通过对上述方程等价泛函变分的温度场进行离散可以求得有限元半离散化方程再经过一系列的推导最终得到式中 F t - t为已知的初始温度场因此求出 t时刻的温度场 T t再把 t + t代替式中的t 就可解出 t + t时刻的温度场如此类推就可求出时间间隔为 t的各个时刻的温度场2 边界元法B E M由于模具型腔表面和边界条件都很复杂冷却过程是瞬态的导热过程应用中要做如下的简化稳态代替瞬态忽略周期性温度波动以一个循环中某点的平均值代替该点的温度假定注塑成型操作是在标准稳定状态下进行的不考虑初始阶段温度变化型腔内热流仅沿型腔表面方向传播原因在于注塑件是薄壁的制品假定模具材料是各向同性简化后的数学模型相对应的边界条件式中 123分别对应不同的边界条件如其中模具与空气工作台面及注塑机喷嘴接触的表面作为第一类边界条件属于 1将温 _度视为恒定且等于大气温度T 边界条件2用于具有对称结构的模具在其对称面上热流量为零即温度的法向梯度 视为第二类边界条件因对称面仅分析模具的一半模具的对称面便成其为模具边界的一部分第三类边界条件对应着型腔边界和冷却管道边界2 软件简介目前国际上具有代表性的商品化软件有美国原 A c T e c h 公司被 M o l d f l o w 公司并购推出的注塑模 C A E软件 C - M O L D 澳大利亚 M o l df l o w公司的注塑模 C A E软件 M F 德国 I K V研究所的 C A D / C A E软件 C A D M O U L D 国内有华中科技大学的注塑模H S C A E 郑州大学的Z - m o l d等C A E 软件是在模具加工之前在计算机上对整个注塑成型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收10D i e a n d M o u l d T e c h n o l o g y N o . 1 2 0 0 6及气辅成形和热固性材料流动分析找出可能出现的缺陷提高一次试模的成功率使生产厂家实现高质量低成本短周期的目标如M o l d f l o w软件其包括的主要模块是1 M F / F l o w流动分析模块2 M F / C o o l 冷却分析模块3 M F / W a r p翘曲分析模块4 M F / S t r e s s 结构应力分析模块5 M F / S h r i n k 模腔尺寸分析模块6 M F / O p t i m 注塑机参数优化模块7 M F / G a s气体辅助注塑模块8 M F / F i b e r 塑件纤维取向分析模块9 M F / T s e t s 热固性塑料的流动和融合分析模块主要用到的是流动分析模块冷却分析模块翘曲分析模块其作用是M F / F l o w流动分析模块用来分析聚合物在模具中的流动并且优化模腔的布局材料的选择填充和保压的工艺参数可以在产品允许的强度范围内和合理的充模情况下减少模腔的壁厚让熔接线和气泡处于结构和外观允许的位置上并且定义一个范围较宽的工艺条件M F / C o o l 冷却分析模块用来分析冷却系统对流动过程的影响优化冷却管路的布局和工作条件M F / C o o l 和M F / F l o w 相结合可以得到十分完美的动态的注塑过程分析这样可以改善冷却管路的设计从而产生均匀的冷却并由此缩短成形后的内应力M F / W a r p翘曲分析模块用来分析整个塑件的翘曲变形包括线性线性弯曲和非线性同时指出产生翘曲的主要原因以及相应的补救措施3 设计分析实例下面用 M o l d f l o w 的冷却分析功能对一实例进行冷却管道的最优化设计一般先用P r o / E U G 等造型功能强大的软件绘三维图输出为 S T L格式然后再在 C A E软件中打开进行分析此零件为一圆形盖图1外圆要与其它零图 1零件图件有很好配合表面质量要求较高零件主要尺寸为外圆直径 5 8 m m 内圆直径 1 0 m m 壁厚3 . 2 m m 凸台外径 2 8 m m 高度 3 . 2 m m 浇口选在内圆侧壁以保证外表质量此零件厚度较薄且没有加强筋在高温注射条件下很容易产生零件形状的变形为了能缩短冷却时间提高生产效率希望在模具上开冷却管道同时希望通过冷却介质与零件的热交换使零件各处在注射时的温度比较均匀尽量减少其变形量及其它缺陷现冷却管道设计方案有两种如图 2图 3 所示冷却管道1 是动定模上各由二条直管道联连而成冷却管道2 是动定模上各由三条直管道联接而成其它设计和注射条件均相同冷却管道直径 8 m m 距零件表面 1 2 m m 塑件材料为聚丙烯P P模具材料为 4 5#钢冷却介质为水其入口温度为 2 0流速为 5 m / s 料温2 3 5 等先作一般的分析由于浇口开在内圆侧壁冷却管道 1 入口比冷却管道 2 入口更接近浇口这对温度最高的浇口位置冷却效果好且冷却管道1 长度较短使冷却介质在模内升温较低由于冷却管道2 长度较长使热交换面积增大还可看出冷却管道 2在零件上的分布较均匀上述可见冷却管道 1 和冷却管道2 在对模具降温方面使零件各处在注射时的温度比较均匀方面各自有其有利的因素根据上述分析难以选择冷却系统且选择冷却系统时还有许多其它因素必须考虑用C A E 软件进行分析便能得模 具 技 术 2 0 0 6 . N o . 111到一个已经量化的非常准确的结果然后再进行综合考虑就能够得到一个整体效果非常优化的方案由于零件小模具可设计成多型腔但为避免图形复杂便简化设计主要分析过程如下用C A E 软件先将两种冷却系统在生产率最大注射压力充模效果冷却效果气泡与熔接缝等缺陷的多少和分布应力的大小和分布等方面产生的效果一一分析出由于其它条件不变冷却系统的不同对这些方面影响不大文章篇幅有限结果不予列出在这种情况下继续考虑在其它方面的影响翘曲是塑料平板件注射过程中需要非常注意的问题零件的形状注射压力的大小注射时零件温度的高低及其分布情况等因素对翘曲都影响很大利用 C A E软件对塑件在上述两种冷却管道条件下进行翘曲分析其它条件不变结果如图 4 图 5所示从上面分析结果可看出冷却管道2 的翘曲变形量相对冷却管道 1有较大减小最大值由0 . 5 9 9 m m 降为 0 . 4 0 1 3 m m 由于两种冷却系统的设计不同造成零件各处的温度压力不同冷却管道2 整体上使各处温度压力更趋均匀从而使翘曲变形小综合考虑可选择冷却管道 24 结束语对于冷却系统的最优设计需要确定冷却介质流通回路的布排模具材料的选择冷却介质的用量入口温度流速及其流道的尺寸等对于形状复杂的零件流道的布排方式就有许多种加上与其它因素的组合需要考虑的方式就很多了若完全依靠经验设计并在试模过程中再修改将花费大量的人力物力和时间而且很可能造成模具的报废C A E 技术的应用将计算机的快速性准确性及信息高度集成性和工程技术人员的创造思维综合分析能力充分结合从而大大缩短产品的设计制造周期提高产品的质量增加企业的竞图 4翘曲分布图冷却管道 1图 5翘曲分布图冷却管道 2图 2冷却管道 1图 3冷却管道 2下转第 2 1 页模 具 技 术 2 0 0 6 . N o . 121拉深再外面是供卷边的凸缘在拉深过程中反向拉深可以起拉深筋的作用但它在正向拉深的后期才进行前期不起作用若两者要同步进行则二个方向拉深的高度要一致而反向拉深的高度过高会过大地增大毛坯的径向拉应力导致坯料过大的变薄或破裂同时较高的锥形拉深也增加了起皱的危险另一方面切边必须在反向拉深开始时进行若拉深的高度较高会重新造成凸缘周边不匀不利于卷边工序的进行这个高度以不超过 1 0 m m为宜因此本复合模不适宜较深的球形和较高的锥形的同时拉深浅球形拉深而且 D9固然起皱还是主要矛盾但其拉深深度很浅材料变形程度不大防皱相对于半球形拉深会容易很多这时可附加一定宽度的凸缘并用适当的压边力或用带拉深筋的模具就可以达到防皱的目的 2 本零件的反向低锥形拉深和外圈的凸缘为防止起皱提供了一定的条件复合模的压边圈可以调整到足够大的压力作用在凸缘上起到防皱的效果另一方面反向低锥形拉深的高度比正向拉深低很多起皱危险很小但易产生回弹 2 不过它在正向拉深的后期才开始两者同时结束在这段时间它可以起拉深筋的作用使材料径向拉应力增大切向压应力减小既能防止起皱又能提高拉深件的刚度减少回弹 3 因此本