儿童玩具叶轮的注塑模具设计及型腔仿真加工【ProE】-[机械毕业设计论文A3228]
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儿童玩具
叶轮
注塑
模具设计
仿真
加工
proe
机械
毕业设计
论文
a3228
- 资源描述：
-
文档包括:
说明书一份，26页，13200字左右。
任务书一份。
开题报告一份。
外文翻译一份。
实习报告一份。
课题申报表一份。
PROE三维图一套。
零件加工工艺卡片一份。
图纸共19张，如下所示
A0-总装图.dwg
A3-凸模.dwg
A3-凹模.dwg
A3-动模座板.dwg
A3-动模板.dwg
A3-垫块.dwg
A3-定模座板.dwg
A3-定模板.dwg
A3-推板.dwg
A3-推板支撑板.dwg
A3-支撑板.dwg
A3-玩具叶轮.dwg
A4-复位杆.dwg
A4-定位环.dwg
A4-导套.dwg
A4-导柱.dwg
A4-推板导套.dwg
A4-推板导柱.dwg
A4-浇口套.dwg
- 内容简介：
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在树脂传递模塑成型过程中，织物结构和模具曲率对预 制物 的渗透 性 以及注入模具时 所 产生的影响 第一部分 S. 葛兰姆 , 机械工程部，德拉瓦州 ， 纽瓦克 ， 9716 的大学 , 美国 1998 年 10月 15日收到此文 ; 以校订的形式收到此文于 1999年 8月 31日 ; 正式承认于1999年 9月 23号 译者 潘伟 摘要 ： 液体复合材料成型工艺 (要聚合树脂 注入到由 玻璃 纤维 ，碳 纤维 或 克维拉纤维 组成 的多孔 预制物 里 . 使这个 混 合物质 制作 成功 的方法需要依靠 把模腔里的空气从内部 顺利的 排除干净。 而 数字模拟作为一种非常有效的设计工具，被大量运用于模仿这种工艺工程。 这种 模拟 的精确性很大程度上取决于预制 物通过模腔的渗透张量 的数据描述，同时也是 阻碍 树脂流动 的详细说明。 修改模具和预制物的结构，可以很简单的改进局部的流动性。 模腔内的边角是造成预制物变形的潜在部位，也是必须关注学习的地方。 现 已经研究过 5个同类型的 边角半径尺寸从 英寸之间的模具。为了研究模具的边角半径对 连续 流体峰面和注射压力的影响， 一个可视流动扫描的详细研究已经完成。 尽管 流 体峰面没有 显著的受到各种尺寸的边角半径影响 ， 仍然 会发现在模腔边角半径较小处注射压力的影响比较大。 事实上人造混合物在同样的模具中也显示出，模腔原先预想的相同厚度也与实际的不一致。 确定边角半径在模具填充时的重要性，需要区分预制物内部压力的影响与边角影响的不同。为了达到这个目标，实验数据记录在第 1部分，并且将与记录在第 2部分的是详细数字研究做比较。 关键词 ： 液体复合材料成型工艺 ； 结构反应注射成型法 1 介绍 液体复合材料成型工艺（ 为常用的复合材料制造技术广泛的使用到民用，太空，汽车和国防工业。 这些工艺拥 有很多优点，包括益于成型，低注射压力，较短的加工周期，以及要求简单的加工工具。 质量复杂几何外形组合零件的可能性。 树脂传递模塑成型法，结构反应注射成型法 （ 西曼复合材料公司树脂渗透成型法 （ 和压缩注入成型法都是 一般来说， 先，人造纤维预制物将作为 增强材料。从而达到铺垫增强的要求。 纤维预制物由很多种结构包括玻璃，碳或者 克维拉纤维 组成 。 纤维预制物将会 提供 最终结构 的 主要属性部分 。 预制物被放置于封闭模具的模腔里。接下来，聚合树脂将被注入到模腔里面， 浸透 预制物并排除空气。 不管是在完成模腔的填充还是在 浸透 的某些期间， 固化 过程就已开始了。 在所有部分的都明显固化以后，最后的产品就可以从模具中拿出了 1。 一个通过 浸透 ，还有固化阶段做 出敏感的反映。 这篇文章主要关注在模具边角处预制物的变形，及它对后面 浸透 阶段的影响。微 小和较大 空隙 的缺陷 导致了模具填充的失败。 2,3微小 空隙归因于微小气泡被截留和包围在预制物的 纤维束里。这些空隙是很难彻底清楚干净的，但是必须要做到把这个缺陷降低到最小程度。 4较大空隙归因于错误的注射方法导致模腔里面截流了较大的气穴（例如错误的放置注射的出入口）。 通常地这些空隙将会造成零件的一部分不能使用，并且这部分由干燥的预制物组成的零件也缺乏结构硬度。 这部分工作的目标就是研究模腔中的边角的不同半径尺寸会对树脂的流体峰面的前进，和可能会促使较大气穴的产生有大影响。 它将渗透性把模具的压力剃度与阻碍预制物流动量的数据测量想联系。 最近几年，很多成就都放置 到达西定律的发展中并且是基于 这些模拟可以预示只要我们 拥有 材料 特性 的 特性，就可以让流态和压力分散作为主要的渗透率张量的组成部分。 很多发行的文章已经提到渗透性的测试和渗透性分析预测 12 尽管大量的努力被作用于广泛的预制物类型种类和它们压力结构下的变化这两个领域，但是渗透性全面数据库的形成还是有很大的阻力。 预制物的渗透性都要大大受到如流道 16， 17，多层的预制物 18，预制物压缩 19，和预制物受的剪断 17， 20，还有其他因素等次生效应的改变。 这 个工作的目标是测定 模腔不同半径角对 如果模具的边角起的影响是比较大的，那么模具就应该改进的渗透性在这些区域变化。如果影响显示的是无足轻重的，那么渗透率当量就测 定模具里能够使用于这些边角区域的扁平部分。边角环流的初步研究已经被弗里德等人介绍过了 21。 十分详细的实验和模拟已经被预制，但是这些证据并没有清楚的显示模具边角效应的巨大影响。 这个研究的实验部分已经由 两 部分完成。详细的流量数据实验已经完成并测试在模具填充过程中不同半径对边角效应的自然与重要性的影响。 5套边角半径从 英寸的模具已经被用于实验。阴模由丙烯 酸加工而成 ，可以使模具的填充直观化。3种不同的预制物类型已经被用于研究多种类的纤维体积容积率。注射压力的历史和流动峰面的发展也已经被记录。实验程序的第 2部分主要关注 实际上混合的部分在同一模具中形成的产品。许多小的修改被用到模具中，为了在使用树脂的时候起到保护丙烯酸模具的作用。零件都是使用相同流量可视化研究 的预制物加工的。 这些零件用于 两 个 目 的，辨别模腔的几何形状还有提供一些洞察边角处预制物的变形 状况。 实验研究性的结果出版于这个文章里。由于模腔实际的几何形状 影响 ，所以将会介绍两种预制物的变形。因为两种模腔的一部分拥有明显的不同厚度，影响将会由预制物的压制而辨认出，并且 和那些归因于边角半径的影响所联系。 接下来的文章将会提到详细的数值的研究，这些研究可以帮助辨认两种变形类型的影响。 这也是评估 2实验过程 详细的流量可视化实验已经被执行了，并且提供了广泛有用的数据进行数字模拟， 这些内容将会出现我们的第二篇文章里面。实验性的注射压力测试历史可以介绍三种预制物类型和不同的体积分数。录象抓拍可以提供经过挑选的实验。被用于设计可视化流动的模型 ，已经进行过修改而可以用于使用相同预制物或者 乙烯基酯树脂 所组成的实际零件的加工。 这些零件也已被分析过而用来提供详细的关于模型使用的信息，它们的结构和体积分数的信息，并且有助于进一步了解织物是如何压制覆盖到曲面上的。 2 1模型详细数据 美国军方实验室做了 5个同类型的 研究。这些模型最初设计的目的是用于研究模具填充过程的边角效应，在模具里面不同边角半径的影响。 模腔的详细尺寸将会由这些在模型内部成型的复合物所获得。 5个模型里面的 3个拿出来发现模腔厚度 不是恒定的 ，并且模具里的平 面与斜 面的厚度不同的情况更明显。半径和厚度的数据会出现在这一章节。同一模具的模腔内的厚度不是恒定的，同样模具与模具之间也是不一样的。 因此就需要考虑预制物在平面部分的压制，和模具曲率的影响。 这些模具中的 1个（模具 A）被标记为数字 1。这个模具是由铝合金制作而成，并且每种模具都是使用 每个模具都有 3个注射入口 或 出口，分别在脊部中央，任一顶部或者底部。 这些出口在插图 2有显示。模具的阴模已经由 丙烯酸 加工而成，并且使用了透明的盖子，这样就可以使模具中的连续波动峰面得到监视。 由于 丙烯酸 相对较低的硬度，所以把偏转调到最低程度。如果这些是没有考虑到假设的模腔厚度与实际情况下的不一样。因为渗透性的执行对体积比有很高的敏感性，所以模腔厚度，模压还有联系波动峰面可易被彻底改变。 为了对数据模拟与实验结果有比较，所以 比较好的数据对 模腔厚度和其他实验参数是 必须的。 为了降低模具偏离对这个实验研究的影响，就采用了 4个尺寸为 2英寸 加强 丙烯酸 阴模的强度。 不太好的地方是这几根加强筋影响了可视流量设备的观察。这几根加强筋不仅用于可视流量设备的观察，也用于复合部分的加工。这几根加强筋可以 在插图 2上的试验设备的俯视图上看到。 在复合部分加工的时候我们可以精确的描述模腔，在插图 3数据图表表示的是模具横截面还有定义重要部分的半径尺寸与模腔厚度。 模具 都有相同的几何结构，但是模具 一个非常大的半径，模具 上看到。模具半径和厚度的详细记录在表格 1上，并且记录了模具 上 3流量可视化研究 一个详细记录流量可视化研究已经被执行，同时 5个模具的比较实验也已经完成。 一套关于 3种不同预制物类型的实验已完成， 它们分别是一股连续垫子， 一种炭化纤维织物结构的织物，一种玻璃纤维结构的织物。 3 1实验的结构和程序 实验系统用于控制所有流量可视化设备和渗透性测量，并被描绘在插页 4上的图表数据上。 连续流量。 流量控制系统受到 使用的是仪器编程的数据收集软件 22。 数据接受的硬件是让电脑协调压力传感器，流量计，以及电子压力调节器的工作。 环流量控制 器保持镶入流量计的 数据 反馈 。 流量的控制是由使用电子控制器的压力锅进行压力调节。 注 射压力和流量的数据将被记录成日志，供 后面 用于 与 数值结果的比较。 连续波动峰面将被摄象机记录下来并做存储。 一个混合了玉米糖浆，水和染色衣的物质做为测试液体。 这个液体应该是牛顿式，并且可以很容易调制成各种浓度。这个染色的混合物可以提高填充过程中波动峰面的透明度。 预制物将减少矩形模腔的填充，在一般情况下会在每条边沿留出很小的气道。由于 流 道 在这些边缘的 出现 16， 23 还有各种尺寸的气道在边缘旁边，所以决定在树脂第一次碰到预制物的边缘时，一个有用的实验就结束。这 完全是 个 可以与模拟做 比较的实验时间 。 这 个预制物将会剪掉模具长度方向上最大最主要的渗透性混合物。 这也促使了波动峰面在到达模具边沿以前的时间会短与实验时间。 直径 且是在注射口位置。 因为流量可视化实验将会作为两维填充模拟的比较，所以这些孔会减少 预制物厚度对流量的影响。 5个模型里关于 3种关于不同体积分数的预制物类型的实验都会完成。为了提供模具的最小绕曲，所以 需要选择 织物和容积率实验 中的一种。尽管使用了 4根加强筋，一些不合格的不同织物也会导致压力受阻，和导致不合格的模具绕度。 第一层织物会选择一 股连续垫子，它拥有多方性的渗透性张量，还可以使 4种不同体积分数都能获得。 有机织物使用的是五经缎 编制的炭化纤维预制物。 不幸的是只有一种关于这个织物的体积分数的研究，在模具里的额外层导致过度的绕度，还有一种至少为导致一个特别拥挤的模腔。 最后一种纤维的研究是 0度或者 90度的双向编织的纤维允许 3种体积分数用于研究。 可得到的体积分数会受到模具 的模腔较薄部分的影响。 尽管织物可能可以完全填充到较薄的部分，但是模腔的较 厚部分就会变的非常拥挤。 对于每种织物类型和体积分数的组合的流量可视实验在每个模具中都已完成。 考虑到每 个模具里的注射压力和波动锋面偶要直接做比较，所以流体粘度和注射流量要保持恒定。 5组实验参数描述在表格 2里。 由于多种模腔厚度出现在不同的模具里，那么一个综合所有出现在模具里的体积分数的目录会很冗长。 表格 2描述了一个关于每种织物和体积分数组合的“基本体积分数”，这个数值是基于模腔厚度为 具每部分实际的体积分数很容易通过表格 1上的厚度数据而计算出， 采用的公式为： 体积分数 =（ 实际厚度 ） *基本体积分数（ 1） 为了大多数实验的完成，实验测量注射 压力方法的历史将会 出现在这里。当波动峰面达到模具边缘时，这些曲线 会终止掉。许多连续波动峰面的结果仍然会用来显示靠近模具边缘的有趣现象。 为了全部预制物和体积分数的组合，所有实验测量注射压力方法的历史将会出现在这里。这些结果将会出现在插图 6个图表显示了模具 A， B， 的数字注射压力的过程，并且这个过程挑选的是某一种预制物类型和体积分数。 每个图表的曲率已经被用来数字化测量模具 录注射压力曲线已经被排除在模具 将导致特别的模腔厚度变化通过模具的上边角。 由于设计和生产的过失，这个模 具模腔里的顶部边角的厚度比较厚。这也导致很多气穴形成于预制物顶部的边角，还有这也导致了在这个模具里所有完成的实验都沿着很强的流道沿着中心线 这个影响将会在稍后的章节拿来讨论。 这个明显的观察数据可以在数据图表 6且这但是作为填充模具 。这是一贯的所有压力工艺在模具 质量上超越的模具 的增长作为平均的体积分数增长。 压力震动可以使注射压力保持了恒定流量的调节。他们对高一级渗透性的预制物有更好可视性。 在第二篇文章将会显示数字模拟是很细致的，所以这个增加的注射压力也会被仔细查看。 现在有个疑问是 关于是否只是各种模腔厚度导致的影响，还是由于边角半径的减少导致了组合影响。由有机织物物和编织织物组成的预制物实验，要求填充模具 。这个对于随机编织甸子不是个预制物的明显实验。 通过我们对模腔厚度的测量，可易发现 1大概在模具 尽管这是个很小的区别，但是 它仍然是个合理的方法去判断实验观察数据是由角积压效应产生的，或者只是由于模腔的不同厚度影响的。 由摄象机快拍所选择一些实验的照片可以在插图 11图 11和 12显示的是 模具 各自 4层随机垫子的预制物 实验结果 。在模具 由于较大的半径出现模具里面是不用惊讶的。由于模具 以波动锋面的连续和模具 时也没有显著的受到边角出现的影响。 在所有具有随机甸子的实验里这个结果是很典型的。 在高体积分数缝制和有机织物的预制物里，靠近边角的许多影响已经作了记录，这个也显示在插图 13上。这个插图显示了在模具 6层有机炭化纤维织物的实验结果。连续的波动峰面靠近边角的中央，在模具的左边，已经被显著受到 液体感触到流量通过边 角的阻力的影响。 上述的原因也导致了流量的不对称性，所以相同情况并没有出现在模具的右边。这种表现也不能在基于对对称性的模腔里面被模拟。 这个波动峰面变形即使不会很明显的影响整体的填充，但是也可以出现在明显流量通过边角的注射结构中。 流量通过顶部流道时受到的高阻力的原因将会在接下来的章节解释。 4现实零件生的产 这种流量可视化模具的研究使用可以作出轻微的改变而用于复合零件的制作。 5个模具里面都会制 作这个复合零件，用于每种体积分数和关于其预制物的类型的研究。 生产每个零件之前的动力是 3倍。 这个主要是用于提供每种模腔的 详细厚度数据。研究结果会显示在表格 1上。每个零件作好以后将会按 2个位置切割成样品。一个样品从零件的中央边角处拿下，一个从第 2边角拿下。 这些样品将会安排放入到一个 光学用环氧型胶粘剂 中进行修复，同时样品被抛光以后用合适的放大倍数进行检查。这些样品的抛光使用的是氧化铝粉，使表面粗糙度达到 3微米。在显微 镜下面研究这些样品，我们可以观察到预制物被压制成不同厚度的状况，还可以观察一些紧贴在半径处可能出现的预制品物的破坏。 这些零件高倍数的图象可以用来计算预制物丝束的体积分数。这些测量方法用在样品的边缘，一件重要的事情是 要求分析边角渗透性的预计。相似的样品仍然是从编织的玻璃纤维组成的平面部分拿出。 这些样品横截面的微观照片用来提取渗透性计算的需要信息，它们被描述在这篇文章的第二部分。 纤维屑之间的流道测量是要求的，也需要求 20个样品的平均数进行计算。 所有的使用了 6层编织玻璃纤维的样品都是从产品片段中提取的，同样这个体积分数的详细研究也会出现在接下来的文章里面。 2组厚度会被随机调查 ，描述 2种普通体积分数的遭遇。每个样品都会有很多测试方案 ，用来描述 混合 部分组成结果的晶胞。 4 1实验步骤 使用仪器生产混合物可以很大程度上简化流量可 视化的建立。 同样地作者们对零件的几何尺寸和结构很感兴趣，但没有关心尝试计算他们的填充，没有尝试树脂注射的控制。一个简单的压力容器 罐要被使用，预先准备好树脂放到里面并内部压力压注成模具 ，因为使用了压力罐，所以就必须使用压力空气线来手动控制模具里的流量。 要很小心的确保树脂 不会与 丙烯酸 部分的模具相接触， 这也是为了它们表面的严格地逐级降低 硬化 。 为了达到这个要求，一种非反应的尼龙薄膜也会起栅栏的作用而放在预制物顶部与 丙烯酸 部分模具之间。这个概念的图片表达放在了插图 5上面。 树脂的选择需要能在室温下 硬 化。 还要拥有一个相关的低放热量的放热硬化。与 丙烯酸 部分模具工作时必须特别考虑到这个问题。 11这部分会在每个 丙烯酸 部分模具中制作并在一个基本体积分数上。 3层随机垫子预制物， 6层有机炭化纤维 织物， 6层缝制纤维会被使用。 4 2结果 由每个模具制成的零件，厚度的测量，这些都会描述在图表 1上。 厚度的改变和体积分数的改变 可以容易地在插图 14上看到。这些样品来自低边角的模具 ，并各由有机炭化纤维织物制成。 通过 2上面厚度的减少，在这个开放体积的纤维屑之间充满了树脂，是很 显著的。这个相对减少的的简单流程会对较薄部分的渗透性产生较大的影响。这些行为也用来观察学习其它的纤维。插图15显示了来自 同样零件 顶角的样品片段 。由于模具生产和设计的失误，这个厚度在模具尖端下降到一个最小的数值。 在模具 显 而易见的。通过这些插图可以看到流道是如何在屑中减少甚至更多，同样 厚度的减少也是一样的。 对于模具 B，尽管厚度改变并不明显，但是效果在流道上也是很明显的。 在模具 些通道完全被堵塞了。 样件在高倍放大下仔细检查，发现可能损坏 纤维 屑。因为那些 纤维 屑被压缩到半径极小的角落里。没有均 匀的压实模具边角里的 纤维 屑就会影响到局部的渗透性，以至于影响到注塑。 为大边角中心部位厚度的明显减小。这种结果在 插 图 15中很明显的可以看到。虽然在屑中间的流道实际上移动了，但是在 差 图 16中没有证据表明没有 纤维 屑挠曲或则 纤维 断裂，仅仅呈现了放大一百倍后玻璃编制物在模具顶角时候的照 片。 5 流动可视化结果并没有呈现，同时模拟将不会和那些试验做比较，这是因为模具设计错误而导致模腔厚度的分布不同，这样的模腔会很大程度的增加顶角中部的厚度，这已经在图 17中有了说明，沿着模具顶部开 一道大的开放性流道，在模具临近的平整部位，厚度增加大约 30%。 来源于试验完成结果表明，在 波动 峰 面 非常不同于在其它模具中所观察到的。流体流经顶角然后迅速地从出口中流出。这个影响会被扩大因为预置物的体积量增加，流道中越来越容易产生一个流痕。在 18图中展示的是几张来源于用 6层编制玻璃纤维做的实验的快照，证明了连续流峰。要减小模具内部对流动的阻碍，就要求减小注塑压力。常见的方法就是要求压力值满足 型模具。 那些结果说明模具的设计和制造的重要 性。尤其是对于运用 细关注模腔平面和曲面部分厚度的变化，因为这导致的影响对模具注塑相当关键。 6概要 这里阐述了大量的实验研究，目的是为了评估模具边角半径不同对 国军方研究室已经做了五个 括模腔边角半径从 英寸，这个研究的实验部分分两个阶段已经完成。为了检查模具的边角半径对连续流峰和注射压力的影响，一个详细的流动可视研究已经完成。考虑到制造出真正的复合材料零件，就对相同的模具进行细微的修改。证实那些零件有 很好的用途，而且能够呈现原来模腔的实际几何形状。同时为了接近检测型腔内部预置物的微观结构。在流动可视化研究中，零件的制造都是采用相同的预置物，通过仔细的测量，结果发现并不是和以前认为的那样，认为型腔的内部厚度都是保持不变的。 型显示，在倾斜部分相对于水平部分厚度减小 28%。厚度的巨大变化将会影响预置物的渗透性，为了评估边角对于注塑的影响，有必要区分来至于边角和来至于型腔厚度变化的影响 。 研究了三种不同的预置物，四种不同体积分率任意甸子 ，其中一种是炭纤编制物，三种玻璃纤维编制物。流动可视化试验在每一个模具 中采用纤维和体积分 数 物混合完成。依据检查实验性注塑压力的历史记录，发现所有的压力数据要求满足 型但是比其它型号要求要高，这个结果就更加说明了因为预置物体积增加所造成的，模具 型的 25倍，运用 6层的炭纤编织物。边角的变化对于连续流锋影响不大，在模具 中进行的大体积率变化实验，一些细微的影响被发现因为体积量的增加，虽然模具注塑连续并没有重大改变，但是剖开成型工件，发现在模腔内部边角区域的预置物处于变形状态。创建显微照片为了检查在边角区域纤维出现纤维屑或则断裂的可能性。那些变形方式可 能来至于边角的影响。但是没有找到证据证明解释那些变形，虽然在模具边角半径非常小。因为模具设计错误，在模具顶角厚度减小甚至更加大。这些极端的压缩几乎完全关闭
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