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關于注塑模有效冷卻系統(tǒng)設計的方法
摘要:在熱塑性注塑模設計中,配件的質量和生產周期很大程度上取決于冷卻階段。已經進行了大量的研究,目的是確定能減少像翹曲變形和不均勻性收縮等的不必要影響的冷卻條件。在本文中,我們提出了一種能優(yōu)化設計冷卻系統(tǒng)的方法?;趲缀畏治觯褂眯卫鋮s概念來定義冷卻管路。它定義了冷卻管路的位置。我們只是沿著已經確定好了的冷卻水路來分析強度的分布特征和流體的溫度。我們制定了溫度分布作為最小化的目標函數(shù),該函數(shù)由兩部分組成。它表明了兩個對抗性的因素是如何調解以達到最佳的狀態(tài)。預期的效果是改善零件質量方面的收縮和翹曲變形。
關鍵詞:逆問題 熱傳遞 注射模 冷卻設計
1 簡介
在塑料工業(yè)領域,熱塑性注射模應用非常廣泛。這個過程包括四項基本階段:加料、塑化、冷卻和脫模。大約整個過程的70%的時間都在進行產品的冷卻。此外,這一階段直接影響產品的質量。因此,產品必須盡可能統(tǒng)一冷卻達到最小化凹痕、翹曲變形、收縮和熱殘余應力等不必要影響的目的。為了達到這個目標需要的最有影響力的參數(shù)有冷卻時間、冷卻管路的數(shù)量、位置和大小、冷卻液的溫度以及流體和管道內表面的熱傳遞系數(shù)。
冷卻系統(tǒng)的設計主要基于設計師的經驗,但是新的快速成型工藝的發(fā)展使非常復雜的管路形狀制造成為可能,這是先前的經驗理論達不到的。所以冷卻系統(tǒng)的設計必須制定為一個優(yōu)化問題。
1.1 熱傳遞分析
由于參數(shù)隨溫度的變化,在注射工具方面熱傳遞的研究是一個非線性問題。然而,像熱導率和熱容量這些模具的熱物理參數(shù)在溫度變化范圍內都恒為定值。除了聚合物結晶的影響被忽視外,模具及產品之間的熱接觸阻力也常常被認為是常數(shù)。
溫度場的分布是在周期邊值條件下求解傅里葉方程得到的。這個演化過程可以分成兩個部分:一個循環(huán)部分和一個平均瞬時的部分。循環(huán)部分常常被忽略,因為熱滲透的深度對溫度場的影響不顯著。許多做著所使用的平均循環(huán)分析簡化了微積分學,但平均波動范圍在15%到40%之間。越接近水路的部分,平均波動范圍越高。因此,即使在靜止狀態(tài),模擬瞬態(tài)熱傳遞也變的非常重要。在這項研究中,溫度的周期瞬態(tài)分析優(yōu)于平均周期時間的分析。
應該注意的是,在實際操作中,冷卻系統(tǒng)的設計應作為工具設計的最后一步。不過冷卻影響零件質量的最重要的因素,熱設計應該是工具設計的第一階段之一。
1.2 成型技術的優(yōu)化
在文獻中,各種優(yōu)化程序被使用,但都關注于相同的目標。唐孫俐使用了一種優(yōu)化程序,獲取了零件的均勻溫度分布,得到了最小坡度和最少冷卻時間。黃試著獲得均勻的溫度分布于零件和高生產效率下的最小的冷卻時間。林總結了模具設計在3個事實方面的目標。零件的冷卻均勻,就能達到預期的模具溫度,所以,接下來就可注射和減小周期時間。
冷卻系統(tǒng)的最優(yōu)配置是均勻時間和周期時間的折衷。實際上,模具型腔表面和冷卻通道之間的距離越遠,則溫度分布的均勻性越高。相反,距離越短,聚合物的散熱速度越快。然而模具表面不均勻的溫度會導致零件的缺陷。達到這些目標的控制參數(shù)有管路的位置和大小,冷卻液流量和流體的溫度。
可以采用兩種方法。第一個是尋找管路的最優(yōu)位置以此盡量減小目標函數(shù)。這第二種方法是建立在一種形冷卻管路。林在冷卻通道的位置設計了一個冷卻管路。最佳冷卻條件(冷卻位置和管路大小)都是對冷卻線路的研究得到的。徐孫俐進行了更深一步的研究,把冷卻水路分成一個個單元并對每個冷卻單元進行優(yōu)化。
1.3 計算法則
方案的計算,數(shù)值方法是非常必要的。進行傳熱分析,可以通過邊界元素法或有限元素法。第一種方法的好處就是未知數(shù)量的計算要低于有限元素法。邊界元素法的唯一問題是網(wǎng)格劃分所花費的計算解決方案的時間短于有限元素法。然而這種方法只提供邊界問題的結果。在本研究中有限元法是首選,原因是零件的內部溫度需要制定為優(yōu)化問題。
為了計算能最小化目標函數(shù)的最優(yōu)參數(shù),Tang et al.使用鮑威爾共軛方向搜索方法。Mathey et al使用了序列二次規(guī)劃算法,它是一基于梯度的方法。它不僅可以找到傳統(tǒng)的確定方法也可以找到進化方法。Huang et al用遺傳算法實現(xiàn)解決方案。這最后一種算法是非常耗時的因為它的計算范圍很廣。在實際操作中,模具設計的時間必須最小化,于是一個可以更快達到預期解決方案的確定性方法(共軛梯度)應優(yōu)先選擇。
2 方法論
2.1 目標
本文所描述的方法應用于一個T形零件的冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設計 (圖1)。這種形狀在很多論文中都出現(xiàn)過,因此能比較容易做到。
Part: 零件 Mould: 模具
圖 1
基于零件的形態(tài)分析, Γ1和Γ3兩個表面分別介紹了零件的侵蝕和擴張(冷卻線) (圖1)。沿著冷卻水路Γ3邊界條件的導熱問題是第三類在無限的溫度條件下流體溫度的影響。優(yōu)化就是尋找這些流體的溫度。在優(yōu)化前使用冷卻線路阻止冷卻管路的數(shù)量和大小的選擇。這對于那些冷卻管路不直觀的復雜零件很有效。零件侵蝕線的位置對應于凝固聚合物的最小厚度,以便冷卻結束階段可以消除部分汽壓鑄模的損害。
2.2 目標函數(shù)
在冷卻系統(tǒng)優(yōu)化時,產品的質量應該是最重要的。因為最低冷卻時間被零件的厚度和材料性能所影響,因此在特定的時間達到最優(yōu)的質量是很重要的。
流體溫度直接影響模具及配件的溫度,且對湍流流體流量唯一的控制參數(shù)是冷卻液溫度。接下來, 優(yōu)化的參數(shù)就是流體溫度,且零件最優(yōu)分布的制定是在冷卻時期的最后階段由最小化的目標函數(shù)S確定的(方程(1))。S1時期的目標是要達到零件侵蝕部分的溫度水平。S2時期運用于許多工作中,旨在均勻零件表面的溫度分布,從而減少沿Γ2表面和零件厚度方向的熱梯度。這兩個步驟都是為了引入變量△Tfref。必須指出的是當ΔTfref→∞時參考標準會減少到第一時期。相反, 當ΔTfref→0第二個時期的比重會增加。
3 數(shù)值計算結果
數(shù)值計算結果是與Tang et al的理論結果比較而來的,他們認為T形零件的最佳冷卻是通過7個冷卻管道和冷卻劑的最佳流體流量的最佳位置的確定得到的。第一步是復制他們的結果(圖2的左部,)獲得下列條件(W= 0.75):T = 303K、流體流動速率Q= 364cm3 / s每個冷卻通道,t= 23.5 s。
圖 2
例1:冷卻管路與有限數(shù)目的渠道使流體溫度恒定。
冷卻系統(tǒng)中的7條管道和模具表面的平均距離(d = 1.5cm)是為了確定冷卻線Γ3 的位置。此外,Tang所提出的流體溫度傳熱系數(shù)是加給Γ3的擴張部分。
在插圖3中沿零件表面Γ2的溫度曲線是與脫模時間比較得來的。所有表面的溫度曲線都是沿逆時針方向繪制的,只是從A到B的部分。我們觀察到采用冷卻線的溫度值比采用7條管路更不均勻。因此用有限數(shù)目的通道計算出來的最佳冷卻配置計比冷卻線更好,這將作為一種參考。
圖3
例2: 在變流體溫度下的冷卻管路和ΔTfref→∞下的比重因子。
流體溫度T在方程1的最小目標函數(shù)下計算得到的,這里忽略了第二時期。結果如圖4和5所示。
圖 4
圖 5
在圖4中,侵蝕部分的溫度曲線很不均勻,比較接近我們脫模溫度。 然而在這兩種情況下最高值都保持在0.12m和0.14m之間,對應于的筋的頂部位置(圖1中的B1)。這些熱點是由于零件的幾何形狀產生的,很難冷卻。
然而在圖5中,我們注意到零件表面的溫度曲線比第一種情況更不均勻??傊?第一部分對于零件表面的均與性還不夠完善,但達到預期的溫度水平是足夠
的。
例3:
圖 6
圖 7
S2階段的影響如圖6所示。這個階段使得零件的表面溫度均勻。實際上,在ΔT = 10 K的情況下,整個Γ2表面上的溫度都類似恒定的,除了之前解釋的熱點之外。然而對于ΔT的值,侵蝕時的溫度是不被接受的,因為平均氣溫過高(340K相對于理想水平 336 K)。接著第二階段提高分界面的均勻性,但對解決方案不利。使分界面的溫度均勻化,同時提取需要的所有熱通量,來獲得零件的理想溫度,如果這水平太低,將會成為對抗性的問題。最好的解決方案是質量和效率的統(tǒng)一。例如ΔT = 100K時零件的溫度比ΔT = 10 K時更不均勻。然而這種方案還是比Tang提出的方案更好。零件的最佳流體溫度曲線如圖8所示。
圖 8
4 結論
本文提出了一種確定冷卻線溫度分布優(yōu)化方法來獲得零件的均勻溫度場,從而得到最小的梯度和最短的冷卻時間。與參考文獻相比,顯示出了它的效率和效益。特別是它不需要指定冷卻通道的數(shù)量。對于確定管路的最少數(shù)量需要進一步比較已提出的最佳流體溫度曲線的解決方案。
參考文獻
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河南機電高等??茖W校
學生畢業(yè)設計(論文)中期檢查表
學生姓名
陳雪燕
學 號
0312343
指導教師
楊占堯
選題情況
課題名稱
果汁容器成型工藝及塑料模具設計
難易程度
偏難
適中
偏易
工作量
較大
合理
較小
符合規(guī)范化的要求
任務書
有
有
無
開題報告
有
有
無
外文翻譯質量
優(yōu)
良
中
差
學習態(tài)度、出勤情況
好
一般
差
工作進度
快
按計劃進行
慢
中期工作匯報及解答問題情況
優(yōu)
良
中
差
中期成績評定:
所在專業(yè)意見:
負責人:
年 月 日
河南機電高等專科學校 03屆模具設計與制造專業(yè) 畢業(yè)設計說明書
河南機電高等??茖W校
材料工程系
模具設計與制造專業(yè)
畢業(yè)設計/論文
設計/論文題目:果汁容器的成型工藝
及塑料模具設計
班 級: 模具033班
姓 名: 陳雪燕
指導老師: 楊占堯
完成時間: 2006.05.09
畢業(yè)設計(論文)成績
畢業(yè)設計成績
指導老師認定成績
小組答辯成績
答辯成績
指導老師簽字
答辯委員會簽字
答辯委員會主任簽字
畢業(yè)設計/論文任務書
題目:果汁容器的成型工藝
及塑料模具設計
內容:(1)完成果汁容器零件的工藝性分析及工藝方案制定
(2)果汁容器模具裝配圖及全部零件圖的繪制
(3)完成模具主要工作零件的工藝規(guī)程編制
(4)編寫設計說明書
原始資料:
設計題目:果汁容器
材料: PC
生產批量:單件生產
插圖清單
圖1-1 產品圖……………………………………………………………第5頁
圖4-1 型腔圖……………………………………………………………第12頁
圖4-2 型芯圖……………………………………………………………第12頁
圖5-1 型腔圖……………………………………………………………第14頁
圖5-2 澆口圖……………………………………………………………第15頁
圖5-3 分型面一…………………………………………………………第16頁
圖5-4 分型面二…………………………………………………………第16頁
圖5-5 配合圖一…………………………………………………………第18頁
圖5-6 配合圖二…………………………………………………………第18頁
圖6-1 支撐板……………………………………………………………第20頁
表格清單
表一 塑料制件的原料分析
表二 塑料制件注塑成型工藝參數(shù)
表三 注射機的主要參數(shù)
(畢業(yè)設計/論文題目)
摘要
( 中文)
(畢業(yè)設計/論文英文題目)
Abstract
畢業(yè)設計/論文說明書目錄
緒 論 1
第1章 塑料制件的工藝分析----------------------------------------- 5
1.1塑料制件的結構---------------------------------------------------------- 5
1.2塑料制件的原料分析------------------------------------------------- 5
1.3塑料制件注射成型工藝參數(shù)-------------------------------------------- 6 1.4塑料制件的工藝分析-------------------------------------------- 7
第2章成型制品的體積和質量的計算-----------8
第3章成型設備的選擇--------------------------------- 9
3.1塑料的常用成型方法------------------------------------------------------------9
3.2成型設備的選擇-----------------------------------------------------------------9
第4章 模具類型及結構形式的比較與選擇------------------ 10
4.1澆注系統(tǒng)的設計方案--------------------------------------------------------- 10
4.2型腔、型芯結構的設計方案----------------------------------------------- 11
第5章 模具方案的確定--------------------------------------------------- 13
5.1標準模架的選擇-------------------------------------------------------------- 13
5.2選用注射機-------------------------------------------------------------------- 14
5.3澆注系統(tǒng)的設計--------------------------------------------------------------- 14
5.4分型面方案的確定-------------------------------------------------------- 15
5.5推出機構的設計--------------------------------------------------------------- 16
5.6加熱和冷卻系統(tǒng)的設計---------------------------------------------------- 18
第6章 模具其他零件(配件)的選擇、設計以及必要的計算------------21
6.1支承板的強度校核------------------------------------------------------------------------------------ 21
6.2導向機構的設計------------------------------------------------------------------------------------------22
6.3支承釘?shù)脑O計----------------------------------------------------------------------------------------- 23
6.4定位圈的確定-------------------------------------------------------------------------------------- 23
第7章 注射機有關工藝參數(shù)的校核---------------------------------------------------24
7.1最大注射量的校核------------------------------------------------------------------------------------ 24
7.2鎖模力的校核--------------------------------------------------------------------------------------- 24
7.3開模行程的校核----------------------------------------------------------------------------------- 25
7.4油壓頂出行程校核-------------------------------------------------------------------------------- 25
7.5模具安裝部分的校核-------------------------------------------------------------------------------- 25
第8章 設計總結和感想--------------------------------------------------------------------- 27
致謝 --------------------------------------------------------------------------28
參考文獻------------------------------------------------------------------------------------------------29
河南機電高等專科學校
畢業(yè)設計(論文)開題報告
學生姓名: 陳雪燕 學 號: 0312343
專 業(yè): 模具設計與制造
設計(論文)題目:果汁容器成型工藝及塑料模具設計
指導教師: 楊占堯
2006年5月15日
畢 業(yè) 設 計(論 文)開 題 報 告
1.結合畢業(yè)設計(論文)課題情況,根據(jù)所查閱的文獻資料,撰寫1500字左右(本科生200字左右)的文獻綜述(包括目前該課題在國內外的研究狀況、發(fā)展趨勢以及對本人研究課題的啟發(fā)):
文 獻 綜 述
模具是制造業(yè)的基礎工藝裝備,被稱為“制造業(yè)之母”。由于模具的技術水平在很大程度上決定著產品的質量、新產品的開發(fā)能力和企業(yè)的經濟效益,因此模具生產技術水平的高低,已成為衡量一個國家產品制造水平高低的重要標志。模具又是“效益放大器”,用模具生產的最終產隨著經濟全球化的進一步加快,世界性的產業(yè)結構調整和轉移速度不斷加快,國內區(qū)域間生產要素也出現(xiàn)了快速流動趨勢,經濟實力雄厚的“長三角”將率先成為產業(yè)和資源轉移的重要基地,這對制造業(yè)的發(fā)展帶來了難得的機遇,也為建設一個高起點、多功能、集約化的模具產業(yè)集聚基地提供了必要條件。為進一步加快模具行業(yè)的發(fā)展、提升模具行業(yè)的地位。品的價值,往往是模具自身價值的幾十倍、上百倍。
我國塑料模具工業(yè)和技術今后的主要發(fā)展方向將包括:
1、提高大型、精密、復雜、長壽命模具的設計制造水平及比例。這是由于塑料模成型的制品日漸大型化、復雜化和高精度要求以及因高生產率要求而發(fā)展的一模多控所致。
2、推廣應用熱流道技術、氣輔注射成型技術和高壓注射成型技術。采用熱流道技術的模具可提高制件的生產率和質量,并能大幅度節(jié)省塑料制件的原材料和節(jié)約能源,所以廣泛應用這項技術是塑料模具的一大變革。制訂熱流道元器件的國家標準,積極生產價廉高質量的元器件,是發(fā)展熱流道模具的關鍵。氣體輔助注射成型可在保證產品質量的前提下,大幅度降低成本。目前在汽車和家電行業(yè)中正逐步推廣使用。氣體輔助注射成型比傳統(tǒng)的普通注射工藝有更多的工藝參數(shù)需要確定和控制,而且其常用于較復雜的大型制品,模具設計和控制的難度較大,因此,開發(fā)氣體輔助成型流動分析軟件,顯得十分重要。另一方面為了確保塑料件精度,繼續(xù)研究發(fā)展高壓注射成型工藝與模具以及注射壓縮成型工藝與模具也非常重要。
3、開發(fā)新的塑料成型工藝和快速經濟模具。以適應多品種、少批量的生產方式。
4、提高塑料模標準化水平和標準件的使用率。我國模具標準件水平和模具標準化程度仍較低,與國外差距甚大,在一定程度上制約著我國模具工業(yè)的發(fā)展,為提高模具質量和降低模具制造成本,模具標準件的應用要大力推廣。為此,首先要制訂統(tǒng)一的國家標準,并嚴格按標準生產;其次要逐步形成規(guī)模生產、提高商品化程度、提高標準件質量、降低成本;再次是要進一步增加標準件規(guī)格品種。
5、應用優(yōu)質模具材料和先進的表面處理技術對于提高模具壽命和質量顯得十分必要。
6、研究和應用模具的高速測量技術與逆向工程。采用三坐標測量儀或三坐標掃描儀實現(xiàn)逆向工程是塑料模CAD/CAM的關鍵技術之一。研究和應用多樣、調整、廉價的檢測設備是實現(xiàn)逆向工程的必要前提。
我國塑料模工業(yè)從起步到現(xiàn)在,歷經半個多世紀,有了很大發(fā)展,模具水平有了較大提高。在大型模具方面已能生產48英寸大屏幕彩電塑殼注射模具、6.5kg大容量洗衣機全套塑料模具以及汽車保險杠和整體儀表板等塑料模具;精密塑料模具方面,已能生產照相機塑料件模具、多型腔小模數(shù)齒輪模具及塑封模具。如天津津榮天和機電有限公司和煙臺北極星I.K模具有限公司制造的多腔VCD和DVD齒輪模具,所生產的這類齒輪塑件的尺寸精度、同軸度、跳動等要求都達到了國外同類產品的水平,而且還采用最新的齒輪設計軟件,糾正了由于成型收縮造成的齒形誤差,達到了標準漸開線齒形要求。還能生產厚度僅為0.08mm的一模兩腔的航空杯模具和難度較高的塑料門窗擠出模等等。注塑模型腔制造精度可達0.02~0.05mm,表面粗糙度Ra0.2μm,模具質量、壽命明顯提高了,非淬火鋼模壽命可達10~30萬次,淬火鋼模達50~1000萬次,交貨期較以前縮短,但和國外相比仍有較大差距。挑戰(zhàn)亦是機遇,所以,我國模具還有很大的發(fā)展空間。
畢 業(yè) 設 計(論 文)開 題 報 告
2.本課題的研究思路(包括要研究或解決的問題和擬采用的研究方法、手段(途徑)及進度安排等):
1. 通過收集和查閱各種文獻資料和與同學老師的交流、指導,對目前國內外的模具(塑料模具)的發(fā)展狀況和發(fā)展趨勢進行深入的了解,預計用時間二天;
2. 對工件進行結構形狀、尺寸精度、加工工藝性等方面作出詳細地分析,并查閱相關資料看是否符合常規(guī)零件結構設計,預計用時兩天;
3. 經過對工件的結構工藝性分析,擬訂可行的注射成型工藝方案,并經過分析,研究、比較,選擇一種最為合理的成型工藝作為生產應用,估計用時間一天;
4. 進行主要的設計計算,利用各種經驗公式或者經驗數(shù)據(jù)對工作零部件的尺寸的設計計算,預計需用時間四天;
5. 根據(jù)工件的結構,材料,生產批量來進行模具的總體設計,包括模具的類型,定位方式,導向方式等方面的設計;
6. 對模具的主要零部件進行設計,主要有型芯、型腔、定位板、模架和導柱導套等零件,根據(jù)工作需要的強度來設計尺寸,包括各零件的圖紙,預計需用時間五天;
7. 模具的總裝圖和工作原理(有裝配簡圖)需要用時間兩天;
8. 模具主要零部件的加工工藝過程(型芯、型腔)分析與設計,預計用時間一天;
模具的裝配與調試,預計用時兩天;
果汁容器的成型工藝及塑料模具設計
緒 論
塑料模具的發(fā)展是隨著塑料工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展的。近年來,人們對各種設備和用品輕量化要求越來越高,這就為塑料制品提供了更為廣闊的市場。塑料制品要發(fā)展,必然要求塑料模具隨之發(fā)展 。汽車、家電、辦公用品、工業(yè)電器、建筑材料、電子通信等塑料制品主要用戶行業(yè)近年來都高位運行,發(fā)展迅速,塑料模具也快速發(fā)展。2000年,我國(未包括港澳臺統(tǒng)計,下同)塑料模具產值約100億元,2004年已發(fā)展到212億元,4年平均增長率為21%,高于模具行業(yè)總體發(fā)展速度近4個百分點。
1.塑料模具市場情況
我國塑料模具無論是在數(shù)量上,還是在質量、技術和能力等方面都有了很大發(fā)展,但與國民經濟發(fā)展需求和世界先進水平相比,差距仍很大。一些大型、精密、復雜、長壽命的中高檔塑料模具每年仍大量進口。在總量供不應求的同時,一些低檔塑料模具已供過于求,市場競爭激烈;一些技術含量不太高的中檔塑料模具也有一些趨向于供過于求。
2.塑料模具水平及發(fā)展趨向
近年來,我國塑料模具水平已有較大提高。大型塑料模具已能生產單套重量達50t以上的注塑模,精密塑料模的精度已可達到3μm,制件精度為0.5μm的小模數(shù)齒輪模具及達到高光學要求的車燈模具等也已能生產,多腔塑料模已能生產一模7800腔的塑封模,高速模具方面已能生產4m/min以上擠出速度的高速塑料異型材擠出模及主型材雙腔共擠、雙色共擠、軟硬共擠、后共擠、再生料共擠出和低發(fā)泡鋼塑共擠等各種模具。在生產手段上,模具企業(yè)設備數(shù)控化率已有較大提高,CAD/CAE/CAM技術的應用面已大為擴大,高速加工及RP/RT等先進技術的采用已越來越多。模具標準件使用覆蓋率及模具商品化率都已有較大幅度的提高,熱流道模具的比例也有較大提高。三資企業(yè)蓬勃發(fā)展進一步促進了塑料模具設計制造水平及企業(yè)管理水平的提高。
經過近幾年的發(fā)展,在塑料模具的開發(fā)、結構和企業(yè)管理等方面已顯示出了一些新的趨向,現(xiàn)綜合如下:
(1)模具的質量、周期、價格、服務四要素中,已有越來越多的用戶將周期放在首位,要求模具盡快交貨,這已成為一種趨勢。為滿足用戶的這一要求,各方面的工作必須跟上。
(2)大力提高開發(fā)能力,將開發(fā)工作盡量往前推,直至介入到模具用戶的產品開發(fā)中去,甚至在尚無明確的用戶對象之前進行開發(fā)(這需要在有較大把握和敢冒一定風險的情況下進行),變被動為主動。目前,電視機和顯示器外殼、空調器外殼、摩托車塑件等已經采用這種方法,手機和電話機模具開發(fā)也已開始嘗試。這種做法打破了長期以來模具廠只能等有了合同,才能根據(jù)用戶要求進行模具設計的被動局面。事實證明,這種做法不但使模具廠變被動為主動,而且對開發(fā)業(yè)務和縮短模具生產周期也十分有利,受到用戶的歡迎。青島海爾模具公司等企業(yè)的“你給我一個概念,我還你一個產品”的一站式服務模式及太倉求精模塑公司和浙江陶氏模具集團有限公司等企業(yè)主動開發(fā)的辦法已被越來越多企業(yè)所接受,這可能也是今后發(fā)展的一種趨向。
(3)隨著模具企業(yè)設計和加工水平的提高,過去以鉗工為核心,大量依靠技藝的現(xiàn)象已有了很大變化。在某種意義上說:“模具是一種工藝品”的概念已逐漸被“模具是一種高新技術工業(yè)產品”所替代,模具“上下模單配成套”的概念正在被“只裝不配”的概念所替代。模具正從長期以來主要依靠技藝而變?yōu)榻窈笾饕揽考夹g。這不但是一種生產手段的改變,也是一種生產方式的改變,更是一種觀念的改變。這一趨向使得模具標準化程度不斷提高,模具精度越來越高,生產周期越來越短,鉗工比例越來越低,最終促使整個模具工業(yè)水平不斷提高,正在被社會所接受。我國模具行業(yè),目前已有4個國家級高新技術企業(yè),近百個省市級高新技術企業(yè)。與此趨向相適應,生產模具的主要骨干力量從技藝型人才逐漸變?yōu)榧夹g型人才是十分必要的。當然,目前及相當長一段時間內,技藝型人才仍是十分重要的,因為模具畢竟難以完全擺脫對技藝的依靠。
(4)模具企業(yè)及其模具生產正在向信息化方面迅速發(fā)展,這也是一種趨向。21世紀,信息越來越多,信息技術越來越先進發(fā)達,信息已與人們的生產和生活休戚相關。在目前的信息社會中,高水平的模具,現(xiàn)代模具企業(yè),單單只是CAD/CAM的應用已遠遠不夠。目前許多企業(yè)已經采用的CAE、PDM、CAPP、KBE、KBS、RE、CIMS、ERP等技術及其他許多先進制造技術和虛擬網(wǎng)絡技術等都是信息化的表現(xiàn)。向信息化方向發(fā)展這一趨向已被行業(yè)所共認。
(5)隨著人類社會的不斷進步,模具必然會向著更廣泛的領域和更高水平發(fā)展?,F(xiàn)在,能把握機遇,開拓市場,不斷發(fā)現(xiàn)新的增長點的模具企業(yè)和能生產高技術含量模具的企業(yè)日子普遍好過,任務忙不過來,利潤水平和職工收入都很好,日子紅紅火火。因此,模具企業(yè)應把握這個趨向,使自己生產的模具向高水平發(fā)展,不斷提高自己的綜合素質和整體實力及進入國際市場的競爭力。
(6)世界上工業(yè)發(fā)達國家的模具正加速向我國轉移,其表現(xiàn)形式:一是遷廠,二是投資,三是采購。這一趨向雖然并非近幾年才有,但近幾年更加明顯。我們應抓住機遇,加快發(fā)展步伐。
3.存在的主要問題
我國塑料模具行業(yè)與其發(fā)展需要和國外先進水平相比,主要存在6個方面的問題。
(1)發(fā)展不平衡,產品總體水平較低。雖然個別企業(yè)的產品已達到相當高的水平,個別企業(yè)的部分產品已達到或接近國際水平,但總體來看,模具的精度、型腔表面粗糙度、生產周期、壽命等指標與國外先進水平相比尚有較大差距。包括生產方式和企業(yè)管理在內的總體水平與國外工業(yè)發(fā)達國家相比尚有10年以上的差距。
(2)工藝裝備落后,組織協(xié)調能力差。雖然部分企業(yè)經過近幾年的技術改造,工藝裝備水平已比較先進,有些三資企業(yè)的裝備水平也并不落后于國外,但大部分企業(yè)工藝裝備仍比較落后。更主要的是我們的企業(yè)組織協(xié)調能力差,難以整合或調動社會資源為我所用,從而就難以承接比較大的項目。
(3)大多數(shù)企業(yè)開發(fā)能力弱。一方面是技術人員比例低、水平不夠高,另一方面是科研開發(fā)投入少,更重要的是觀念落后,對開發(fā)不夠重視。模具企業(yè)不但要重視模具開發(fā),而且要重視產品開發(fā)。
(4)管理落后更甚于技術落后。技術落后往往容易看到,管理落后有時卻難以意識到。國內外模具企業(yè)管理上的差距十分明顯,管理的差距所帶來的問題往往比技術上的差距更為嚴重。同一個企業(yè),設備不變,人員不變,管理一變,立竿見影,這樣的例子并不少見。
(5)供需矛盾一時還難以解決。2004年,國產塑料模具國內市場滿足率不足74%,其中大型、精密、長壽命模具滿足率還要低,估計不足60%。同時,工業(yè)發(fā)達國家的模具正在加速向我國轉移,國際采購越來越多,國際市場前景很好。市場需求旺盛,生產發(fā)展一時還難以跟上,供不應求的局面還將持續(xù)一段時間。
(6)體制和人才問題的解決尚待時日。在社會主義市場經濟中,競爭性行業(yè),特別是像模具這樣依賴于特殊用戶,需單件生產的行業(yè),國有和集體所有制原來的體制和經營機制已越來越顯得不適應。人才的數(shù)量和素質水平也跟不上行業(yè)的快速發(fā)展。雖然各地都在努力解決這兩個問題,但要得到較好解決尚待時日。
展望未來,由于國際、國內宏觀環(huán)境良好,國內塑料模具各主要用戶行業(yè)仍將以較快速度發(fā)展,塑料模具也必將持續(xù)高速發(fā)展。目前存在的主要問題通過國內外交流與合作。全行業(yè)的共同努力和各方面的支持,不久的將來,定會得到較好的解決。
4.發(fā)展展望
在信息化帶動工業(yè)化發(fā)展的今天,我們既要看到成績,又要重視落后,要抓住機遇,采取措施,在經濟全球化趨向日漸加速的情況下,盡快提高塑料模具的水平,把自己帶入到國際市場中去,促進我國整個模具行業(yè)的快速發(fā)展。
隨著市場的發(fā)展,塑料新材料及多樣化成型方式今后必然會不斷發(fā)展,因此對模具的要求也一定會越來越高。為了滿足市場的需要,未來的塑料模具無論是品種、結構、性能還是加工技術都必將會有較快發(fā)展,而且這種發(fā)展必須跟上時代發(fā)展步伐。展望未來,下列幾方面發(fā)展趨勢預計會在行業(yè)中得到較快應用和推廣。當然,這是需要開拓、創(chuàng)新和做出艱苦努力的。
(1)超大型、超精密、長壽命、高效模具將得到發(fā)展。
(2)多樣材質、多種顏色、多層多腔、多種成型方法一體化的模具將得到發(fā)展。
(3)各種快速經濟模具,特別是與快速成型技術相結合的RP/RT技術將得到快速發(fā)展。
(4)模具設計、加工及各種管理將向數(shù)字化、信息化方向發(fā)展,CAD/CAM/CAE/CAPP及PDM等將向智能化、集成化和網(wǎng)絡化方向發(fā)展。
(5)更加高速、更加高精度、更加智能化的各種模具加工設備將進一步得到發(fā)展和推廣應用。
(6)更高性能及滿足特殊用途的各種模具新材料將會不斷發(fā)展,隨之而來的也會產生一種特殊的和更為先進的加工方法。
(7)各種模具型腔表面處理技術、涂覆、修補、研磨和拋光等新工藝也會不斷得到發(fā)展。
(8)逆向工程、并行工程、復合加工乃至虛擬技術將得到發(fā)展。
(9)熱流道技術將會迅速發(fā)展,氣輔和其他注射成型工藝及模具也將會有所發(fā)展。
(10)模具標準化程度將不斷提高?!笆晃濉逼陂g,在科學發(fā)展觀指導下,廣大模具企業(yè)將進一步深化改革,下功夫搞好科技進步與創(chuàng)新,堅持走新型工業(yè)化道路,將速度效益型的增長模式逐步轉變到質量和水平效益型的軌道上來,模具工業(yè)必將得到更好的發(fā)展。
第1章 塑料及其性能
1.1塑料制件的結構
我所設計的為一個榨汁器中的一部分——果汁容器,如圖1-1所示:
圖1-1 塑件
其功用是盛裝果汁,在選擇材料時必須保證:首先要求無毒性,無任何氣味,且要有耐酸,耐腐蝕性,在常溫下長時間不會發(fā)生物理、化學分解。其次外觀要求美觀完整,無斑點,無熔接痕,有一定的光滑度,且有一定的強度和韌性,塑件本身還要具備透明性。
根據(jù)以上對塑料制件的結構分析及其工作條件的要求,材料采用聚碳酸酯(PC),精度等級為MT5。
1.2 塑料制件的原料分析
表一
塑料的品種
聚碳酸酯(熱塑性塑料)
結構特點
非結晶型的線型結構的高聚物
使用溫度
耐熱性好,長期使用溫度可達130℃,耐寒性也好,脆化溫度為-100℃
使用性能
沖擊強度高,尺寸穩(wěn)定性好,無色透明,著色性好,電絕緣、耐腐蝕、耐磨性好,但自潤性差,有應力開裂傾向,高溫易水解,與其它樹脂相溶性差
成型性能
a.無定形料,熱穩(wěn)定性好,成型溫度范圍寬,流動性差,吸濕小,但對水敏感,須經干燥處理。成型收縮率小,易發(fā)生溶融開裂和應力集中。
b.熔融溫度高,粘度高,大于200g的塑料制件宜用螺桿式注射機,開暢或延伸噴嘴,噴嘴應加熱。
c.冷卻速度快,模具澆注系統(tǒng)以粗短為原則,宜設冷料穴,澆口宜取大,模具宜加熱。
d.料溫過低會造成缺料,塑料制件無光澤,料溫過高易溢邊,塑料制件起泡。模溫低時收縮率、伸長率、抗沖擊強度高,抗彎、抗壓、抗張強度低。模溫超過120℃時塑料制件冷卻慢,易變形粘模。
結論
此塑料制件適宜注射成型,成型前原料需要干燥處理,塑料易,塑料制件易產生內應力,須退火處理來消除內應力,且應嚴格控制成型條件,型腔要采用加熱裝置,而型芯要采用冷卻裝置。
1.3 塑料制件注塑成型工藝參數(shù)(如表二所示),試模事,可根據(jù)實際情況適當調整。
表二
工藝參數(shù)
規(guī)格
預熱和干燥
溫度(℃)110~120;時間(h)8~12
料筒溫度(℃)
后段:210~240;中段:230~280;前段:240~285
噴嘴溫度(℃)
240~250
模具溫度(℃)
90~110
注射壓力(Mpa)
80~130
成型時間(s)
注射時間20~90
高壓時間0~5
冷卻時間20~90
總周期40~90
螺桿轉速(r/min)
28
適用注射機類型
螺桿或較好
后處理
方法:紅外線、鼓風烘箱
溫度(℃):100~110
時間(h):8~12
1.4塑料制件的工藝分析
(1)尺寸精度:從所設計塑料制件的總體尺寸分析得知,其尺寸較為合理,不會太大,這樣就避免塑料熔體充不滿模具型腔或塑料制件不能正常成型。
(2)形狀:本塑料制件的幾何形狀能滿足使用要求外,還要盡可能使其所對應的模具結構簡單,便以加工。
(3)壁厚:塑件壁厚一般在1—4mm范圍內,分析設計塑件功能要求,確定塑件的壁厚為2.5mm。
(4)脫模斜度:該塑件制品本身具有一定的斜度,所以制品易脫模,且脫模后不會刮傷制品表面。
(5)圓角:塑件底面與面之間一般應采用圓弧過度,這樣不僅可以避免塑件尖角處的應力集中,提高塑件強度,而且可以改善塑料的流動狀態(tài),降低充模阻力,便于充模,避免出現(xiàn)熔合線,塑件轉角處的圓角半徑通常不要小于0.5—1mm。
第2章 成型制品的體積和質量的計算
該產品為榨汁器的果汁容器,材料采用聚碳酸酯(PC),其密度為1.2×10-9t/mm3
收縮率為0.65%。使用Pro/Engineer軟件對三維產品自動計算出產品的體積和質量,計算過程如下:
塑件的體積:V1=7.58×104mm3
塑件的質量:M1=9.09×10-5t
澆注系統(tǒng)的體積:V1=1.14×103mm3
澆注系統(tǒng)的質量:M2=1.37×10-6t
故一次注射所需要的塑料總體積和總質量為:
V總=V1+V2=7.58×104+1.14×103=76940mm3
M總=M1+M2=(9.09×10-5+1.37×10-6)×106=92.27g
第3章 成型設備的選擇
3.1塑料的常用成型方法
(1)注射成型
它主要用于熱塑性塑料制品的成型,也可用于熱固性塑料制品的成型。前者成型周期短,生產效率高,模具使用壽命長,能大批量的成型形狀復雜、尺寸精度高的塑料制件。
(2)壓縮成型
它用于熱固性塑料的成型。成型的塑件的收縮率小, 變形小,各項性能比較均勻;但其生產效率低,不宜實現(xiàn)自動化、而且勞動條件差,不宜成型帶有深孔和形狀復雜的塑料,且模具使用條件較差,模具的壽命教低。
(3)壓注成型
它適用于各種熱固性塑料,比起壓縮成型,塑料應具有良好的流動性和固化速率。也適用于熱塑性塑料的成型,適用于批量較小,而又無注射機的情況下的熱塑性塑料的成型
(4)擠出成型
它主要適用于熱塑性塑料的成型,也可用于熱固性塑料制品有管材、板材、片材、電器和電纜覆層、單絲、網(wǎng)材以及具有異形截面的各種型材。
3.2成型設備的選擇
常用的模塑成型設備有三種
第一種:液壓機,它是熱固性塑料壓縮和壓注成型的主要成型設備。
第二種:注射機,它是熱塑性塑料和部分熱固性塑料注射成型的主要設備。
第三種:擠出機,它是熱塑性塑料和部分熱固性塑料注射成型的主要成型設備。
本塑件塑料材料采用聚碳酸酯,屬于熱塑性塑料,且由塑料制件的結構分析,得其采用注射成型更有利于該塑料制件的成型。所以本塑料的成型設備選用注射機
第4章模具類型及結構形式的比較與選擇
澆注系統(tǒng)設計的基本原則:
a.適應塑料的工藝性
b.排氣良好
c.流程要短
d.避免料流直沖型芯或嵌件
e.修整方便
f.防止塑料制品變形
g.澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積應盡量小,容積也盡量少
h.澆注系統(tǒng)的位置盡量與模具的軸線對稱,澆注系統(tǒng)與型腔的布置應盡量減小模具的尺寸。
4.1澆注系統(tǒng)的設計方案
本塑件可采用3種澆注系統(tǒng)成型,其方案比較見下分析:
方案一:(采用直接澆口)
直接澆口特點是:熔體通過主流道直接進入型腔,流程最短,進料快,流體阻力小,傳遞壓力好,成型容易,保壓補縮作用強,有利于排氣和消除熔接痕,流量大,且澆注系統(tǒng)耗料少,模具結構簡單而緊湊,制造方便,適用于成型流動性差的塑件或成型大型、厚壁、長流程以及一些粘度高的制品。其缺點:由于澆口處熔體固化慢,容易造成成型周期長,產生過大的殘余應力,在澆口處易產生裂紋,澆口凝料切除后制品上的疤痕較大,且不宜成型平薄塑件及易變形的塑件。
方案二(采用側澆口)
測澆口的特點是:其澆口開設在模具的分型面上,從制品惻面邊緣進料,其優(yōu)點是其截面形狀為矩形,形狀簡單,易于加工,且進料口可隨意選擇,澆口的深度可在試模后加深、加寬,便于修正。其缺點是塑料流程較長,壓力損失大,保壓補縮作用比直接澆口小,且不易排氣,易產生熔接痕|、縮孔及氣孔缺陷,則會影響塑件的質量及外觀。它適用于一模多件。
方案三(采用點澆口)
點澆口特點是:其澆口一般設在型腔底部,這樣排氣順暢,成型良好。由于進料口小,故去澆口后殘留余量小,塑件上不易留有痕跡。它使適用于深腔盒類零件,其缺點是:
a.采用點澆口時,為了能取出流道凝料,必須使用雙分型面的結構形式或者單分型面熱流道結構,模具結構較復雜,費用較高。
b.不適合粘度高和對剪切速率不敏感的塑料熔體。
c.不適合厚壁或壁厚不均勻的制品成型。
d.要求采用較高的注射壓力。
e.模具采用三板模,模具結構復雜,模具費用較高。
本塑料制件采用聚碳酸酯(PC),其流動性差,且此塑料制品為深腔制品,要求排氣良好,也要保證塑件的外觀及質量。
綜上考慮,采用直接澆口作為本塑件的澆注系統(tǒng)最為有利的塑件成型。該制品的澆口可設置在制品的底部,因為該制品底部為較隱蔽的地方,不會影響制品的外觀。
根據(jù)本塑料制件采用的澆注系統(tǒng)為直接澆口,則模具類型可選用兩板模。
4.2型腔、型芯結構的設計方案
4.2.1型腔、型芯結構的設計方案
整體式凹模由整快材料加工制成,其特點是強度和剛度高,不會使制品產生拼接縫痕跡,質量好。但加工困難,需要采用電火花機床和立式銑床加工,熱處理也不方便,消耗貴重的模具鋼,費用高,且制品表面光滑度差,僅適于形狀簡單的。
(1) 組合式
采用組合式型腔的優(yōu)點:
a.簡化凹模型腔加工,可將復雜凹模內形體的加工變成外形體的加工,降低了加工的難度。
b.鑲件可用高碳鋼或高碳合金鋼淬火,可用專用磨床研磨曲面形狀。凹模中使用鑲件的局部型腔有較高的精度和耐磨性,并可方便地更換鑲件。
c.可節(jié)省優(yōu)質塑料模具鋼,對于大型模具可大大降低模具的制造。
d.有利于排氣系統(tǒng)的設計。
采用組合式型腔的缺點:在設計和制造這類型腔時,必須注意提高拼塊的加工和熱處理工藝性,拼接必須牢靠嚴密。
綜合考慮,模具選用組合式更能保證塑件的外觀和質量以及模具鋼的費用。其結構如圖4-1:
圖4-1
4.2.2型芯的結構設計
型芯是成型塑料制品內表面的成型零件。型芯有整體式和組合式兩類:
(1)整體式
采用整體式,其結構牢固,成型的制品質量較好,但消耗貴重模具鋼較多,不便加工。
(2)組合式
采用組合式型芯的優(yōu)缺點與組合式凹模的基本相同。但在設計和制造這類型芯時,必須注意提高拼塊的加工和熱處理工藝性,拼接必須牢靠嚴密。
綜合考慮,模具選用組合式更能保證塑件的外觀和質量以及模具鋼的費用。其結構如圖4-2:
圖4-2
第五章 模具方案確定
5.1標準模架的選擇
(1)型腔數(shù)目的確
根據(jù)前面對澆注系統(tǒng)設計方案的比較,本塑料制件采用的是直接澆口,則確定本塑件的模具為單型腔模具。
(2)成型零件尺寸的確定
半徑r1=128/2=64mm, r2=103/2=51.5mm
a.側壁的計算(按整體式圓形型腔計算)
計算側壁的分界值r=86mm是剛度和強度的分界,大于86mm應按剛度條件求側壁厚,小于86mm應按強度條件求壁厚。而在r=86mm時按剛度和強度條件求得壁厚應是相等的。
r1=64
66mm時,按剛度條件計算底版厚度;當r<66時,則按強度計算。
r1=64
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