注塑模具的设计和热分析

注塑模具的设计和热分析摘要：本文介绍了塑料注射模设计、模具生产的翘曲测试,模具的热残余应力分析。

介绍了关于塑料模在设计中需要考虑的技术、理论、和方法。

模具设计中进行数据分析的软件是商业计算机辅助设计软件13.0版,基于该模型均匀冷却的特性,所以选择分析软件LUSAS13.5版。

该软件通过塑料注射成型周期时间响应曲线的绘制,提供等值的温度对该模型和温度分布图的变化。

分析结果表明,在冷却通道周围比别的区域更容易出现收缩现象。

均匀冷却效果不会在模具里面的不同区域出现。

关键词:塑料注射模设计;热分析1.介绍塑料行业是世界上增长最快的工业，是少数的产值十几个亿美元的行业。

几乎每一件产品,日常生活中所涉及的用品大多使用塑料,大多数的这些产品通过注塑工艺方法生产[1]。

注塑成型工艺是众所周知可以制造各种形状和各种复杂的几何形状的产品而且成本较低的工艺[2] 。

塑料注塑成型工艺是一种循环过程。

有四个重要阶段。

有灌装、包装、冷却、出料。

塑料注射成型过程始于从贮料斗供暖注射系统的喷射注塑机注塑树脂[3]。

灌浆——在注射用热水温度模腔充满聚合物熔体，使塑料充满流道和行腔。

在“包装”阶段,额外的聚合物熔体挤进了腔压力补偿聚合物固化收缩。

“冷却”阶段是模具冷却,。

最后一步是“出料”，模具打开了,关闭后再凝固，再接着下一个周期的开始[4]。

注塑聚合物零件的设计和制造是根据其使用所需的性能为主的生产过程,包括反复修改实际的工具。

模具设计、设计模具的特定的辅助几何,通常是模具设计的核心,是相当复杂问题[5]。

为了设计出模具,许多重要的设计是必须考虑的因素。

这些因素是模具型腔数目、大小、布局、流道,浇注系统、收缩及弹射系统等[6]。

在热分析模具的主要目的就是分析热残余应力的影响和嵌入产品的尺寸。

热量所致的压力是常见的注射塑造的一部分,主要是由于其较低的温度和液态树脂之间的温差。

在产品腔冷却过程中周围存在着一个不平衡的温度场[7]。

在冷却过程中,冷却通道位置附近区域比远离冷却通道的区域得到更多的冷却。

这种是由于不同温度引起材料收缩而产生热应力的现象。

热应力的显著效果是使塑料产生翘曲变形。

因此,热残余应力是注塑过程中最重要的模拟对象[8]。

所以通过理解热应力的分布特点就可以预测热残余应力所产生的变形。

本文通过设计一种塑料注射模生产样品及产生翘曲的演示分析模具的注塑效果和热残余应力。

2.方法2.1翘曲测试设计本部分说明了在注塑模具的设计中翘曲的设计测试是必须的。

那个翘曲变形是存在于产品薄壳特征中的。

因此,该产品的主要设计目的是设计一个能控制塑料件翘曲变形的模具部件。

从薄壁塑料研究塑料件的翘曲变形，部件的尺寸为120mm长，50mm宽，1mm高。

这个用于测试的塑料的有关资料是丙烯腈丁二烯（ABS），注塑时的温度是210℃，成型时间3秒，压力为60Mpa。

图1显示了翘曲产品的测试。

2.2塑料注射模应对翘曲的设计测试这节描述设计方面的一些其他因素比如参与设计、模具制造翘曲测试的样本，用于这次测试的模具的材料是AISI 1050碳钢。

这个模具设计包括4个思考过程：（1）三模板模具（模板1）有两个分型面和一个型腔，由于成本过高不适用。

（2）二模板模具（模板2）一个分型面和一个型腔并且没有浇注系统，但由于其生产效率低，所以也不考虑在内。

（3）二模板模具（模板3）一个分型面和两个型腔并且他有浇注系统，但该模具产品是用顶针顶出产品，所以不适合本实验的薄壁产品。

（4）二模板模具（模板4）一个分型面和两个型腔并且有浇注系统，并且用物料牵引充当顶针，但容易损伤产品也不予考虑。

在模具设计中应对翘曲变形的设计中，模板4已经是广泛应用。

但由于本例子还要考虑其他许多因素，所以不能应用。

首先，模具的设计是基于注塑机的浇口的尺寸。

由于注塑机的尺寸的限制，他的最大距离是两个系板之间的距离。

这台注塑机两个系板之间的距离为254mm，因此,模板的最大宽度不能超过这段距离，再者，在两个系板之间再额外增加4mm的空间以便于模具可以顺利的出料。

所以这副模具的最终最大宽度为250mm。

模具的材料的尺寸为250mmX250mm，模具安装在注塑机的右上角或左下角。

相关模块的尺寸都显示在表1中。

模具设计中加入锁模力和加紧压力的设计以避免飞边的产生。

根据所提供的尺寸模具、标准，宽度和高度分别为200mm和250mm，这些尺寸是为了适应各种因素所设计的。

因此，这个仅仅是一个有标准分型面的模具。

然后通过该分型面打开，使产品落料。

水平或边流道是专门为该模具设计的，浇口位于流道和产品之间。

底部流道被设计成有20°的倾斜和05mm的厚度，以便于脱模。

浇口为了便于浇注就设计成4mm宽，0.5mm厚。

在这个模具的设计中，这个抛物线型的转轮是该半模具最大核心优点。

但是，这种类型的流道比圆形的流道更会散热和产生废料。

所以这样就有可能会使塑料的凝固速度变快。

其优点是增大流道的直径，达到6mm之多。

在相同的材料和温度下，这种流道设计更易于是塑料能流入型腔。

因此，我们把型腔设计成了对称的形式。

另外一个设计就是针对通风口，使凸模和型腔之间有很好的配合，减少飞边的产生。

但是，这也可能导致型腔内空气排不出产生填充不足和不完整的部分。

通风口的设置就是为了防止上述情况发生。

冷却系统设置在型腔和横向模具都允许的位置。

这些冷却通道都是位于凸模和型腔之间。

以便提供足够的冷却通道是型腔能冷却。

图2显示腔结构布局,通风口和冷却通道芯板。

图2在这个模具的设计中，定出系统仅由固定板推板，拉料杆和推板组成。

拉料杆的作用不仅仅是在模具开模的时候保持塑件的位置，还要在注塑完的时候将塑件顶出。

由于成品比较细小，没有附加在型腔中设置其他的弹出装置。

举个例子，1mm长的产品如果使用顶针有可能会使成品损坏。

最后，需要要流出足够的空间来应对塑件收缩。

图3是使用Unigraphics软件开发的三维实体模型以及物体建模的模具。

图33结果与讨论3.1产品生产和修改的结果从模具的设计和制造来说，在试运行中可能会产生翘曲变形。

其缺点是会产生填充不足、飞边和翘曲。

填充不足会随着排气口排气而解决。

同时，通过减少注塑压力来减少飞边的产生。

翘曲可以通过各种参数控制，比如注射时间。

注射温度和熔化温度。

这些修改之后，这个模具可以通过小成本制造出高品质的翘曲试样。

图4显示的修改模具,是加工额外的排气孔可以消除填充不足图43.2对模具和产品的详细分析模具和产品后被研制出来之后，关于模具和产品的分析也完成了。

在塑料注射成型工艺上，210°C的熔融ABS塑料通过凸模上的套管直接进入型腔。

在塑料冷却后，产品也就形成了，一个产品的生成周期为35秒，包括20秒的冷却时间。

这个材料用于ABS测试产品的翘曲和注射温度、时间和压力分别为210°C，3秒，和60MP，模具的材料是AISI 1050碳钢。

这些材料对控制里面的温度产生了很重要的作用。

表2所示的属性与AISI 1050碳钢。

下面分析至关重要的部分，影响产品形成的模具型腔部分，其次，在分析热的分布和不同时间的温度通过，分析软件是13.5版的LUSAS分析软件，一个在模具的不同区域对模具二维面分析热残余应力的软件。

由于是对称的形状，所以热分析只分析从顶端垂直下来的那个面。

图5,显示该模型的热分析的不规则网格。

图5热分析模型对模型的建模还涉及到指定属性和过程的模型或循环时间，有限元的分析要限制一模具并显示其在不同时间不同区域的温度变化。

采用LUSAS分析软件13.5版对于产品的分析,提出了二维的拉应力分析。

主要的产品是在一端固定并在另一段加紧。

并增加负荷应用到该模具以及分析其可塑性。

图6在分析的基础上的模型显示。

图6在负载模型分析产品3.3结果与讨论模具和产品分析,对模具的分析，在不同时间，对模具的温度进行分析。

图7分析了在一个完整的注塑周期中在不同的时间的热量分析，并用二维图显示出来。

图7在不同时间的热量分布对模具的二维分析，通过对时间的的响应绘制出效果图来分析产品的热残余应力。

图8显示了温度响应的节点图。

图8在选定区域时间对温度的响应的节点图图9-17显示温度分布曲线不同节点图所示。

图9-17温度分布的节点图，很显然，每个节点图的温度都是慢慢上升的，环境温度在一定时间内高于其内部温度，然后保持一段时间。

这个时候温度的升高是由于注塑塑料到型腔里的结果。

等他持续一段时间，温度进一步增加达到最高温度在再保持不变，温度升高是因为要在合模阶段保持高的压力使其温度增加。

这个温度保持不变,直到冷却阶段的开始，并待其降到某个值并保持在那个值上，由于缺乏填充熔化率输入和冷却剂的冷却速度的功能，该图的绘制并不完整。

该图只显示能达到循环的温度的最大值。

热残余应力的最关键阶段是在冷却阶段，这是因为在离冷却通道不同距离的地方的冷却速度不一样，远一点的冷却效果较小。

能得到更佳的冷却的地方自然收缩比较多，但是，最远的区域还是没有冷却下来。

节点284虽然离冷却通道很远，但由于热量损失，温度下降也快。

因此，冷却通道中心位子的温度比两侧的温度都要高，所以，我们要强调在中心部分会产生更多的收缩和翘曲。

但是，在温差较小的节点，收缩的影响也不是很显著。

所以，设计师在设计冷却通道的位置是很至关重要的。

对产品的分析，从正在开始的步骤，分析注塑产品，不同的因素对注塑产品的影响。

图18-21显示了不同的负荷下应力的变化节点127被选为一个临界点，当作该产品的最大拉应力进行分析。

图22和23显示了应力与应变曲线和负载情况的应变曲线。

图23绘制了塑件情况和应力曲线，很显然，增加产品的拉伸载荷直到达到23载荷系数，其值为1150N。

这就意味着该产品可以承受的载荷为1150N，根据图23，如果载荷大于该值，产品就会报废。

如果压力大于3.27x107pa，废品可能产生在该区域附近。

该产品的分析产生的信息非常有限，但由于我们现在只要求测试产品的翘曲系数，也没有分析与拉伸载荷的关系，但是，在以后，有人就提出，在产品中确定更多具体的系数，以便可以分析其他的各项数据。

4结论模具设计,使它能产生较高翘曲测试样品质量以便确定参数翘曲变形的影响，这写测试中，翘曲测试的成本是最低的。

在注塑模具提供了热分析以及热残余应力的分析，对产品变形和拉伸变形和翘曲变形有一个预测值，如果超出这个值，就有可能产生废品。

图9节点284的温度分布图图10显示节点213的温度分布图图11显示节点302的温度分布图图12显示了节点290的温度分布图图13显示了节点278的温度分布图图14显示节点1838的温度分布图图15显示了节点1904的温度分布图图16显示了节点1853的温度分布图图17显示了节点1866的温度分布图图18载荷量增加1的等效压力的阴影图图19载荷量增加14的等效压力的阴影图图20载荷量增加16的等效压力的阴影图图21载荷量增加23的等效压力的阴影图图22ABS树脂的应力与应变数值图23增量与ABS树脂增量负荷曲线参考资料[1] R.J. Crawford, Rubber and Plastic Engineering Design and Application, Applied Publisher Ltd., 1987, p. 110.[2] B.H. Min, A study on quality monitoring of injection-molded parts,J. Mater. Process. Technol. 136 (2002) 1.[3] K.F. Pun, I.K. Hui, W.G. Lewis, H.C.W. Lau, A multiple-criteria environmental impact assessment for the plastic injection molding process:a methodology, J. Cleaner Prod. 11 (2002) 41.[4]A.T. Bozdana, O¨ . Eyerc´ıog˘lu, Development of an Expert System forthe Determination of Injection Moulding Parameters of Thermoplastic Materials: EX-PIMM, J. Mater. Process. Technol. 128 (2002) 113.[5] M.R. Cutkosky, J.M. Tenenbaum, CAD/CAM Integration Through Concurrent Process and Product Design, Longman. Eng. Ltd., 1987,p. 83.[6] G. Menges, P. Mohren, How to Make Injection Molds, second ed.,Hanser Publishers, New York, 1993, p 129.[7] K.H. Huebner, E.A. Thornton, T.G. Byrom, The Finite ElementMethod for Engineers, fourth ed., Wisley, 2001, p. 1.[8] X. Chen, Y.C. Lam, D.Q. Li, Analysis of thermal residual stressin plastic injection molding, J. Mater. Process. Technol. 101 (1999) 275.。