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畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在注塑模具設(shè)計(jì)中的橢圓截面形狀
摘要
本文介紹了注射成型工藝模具設(shè)計(jì)中流道系統(tǒng)的一種新的橫截面形狀。新幾何結(jié)構(gòu)的目標(biāo)是減少?gòu)U料，縮短周期時(shí)間，并減輕模具工具的流道系統(tǒng)彈出。針對(duì)兩個(gè)厚度為1mm的圓形平板，提出了具有不同比例的橢圓橫截面形狀。 SolidWorks Plastic采用有限元法（FEM）來(lái)模擬注塑零件。 SolidWorks Plastic分析了注塑成型過(guò)程中塑料零件的短缺缺陷，以驗(yàn)證新建議的幾何結(jié)構(gòu)。對(duì)新的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了聚丙烯圓形平板注射成型工藝的實(shí)驗(yàn)研究。所選擇的輸入機(jī)器參數(shù)是填充時(shí)間，熔體溫度，模具溫度，壓力保持時(shí)間和純冷卻時(shí)間。研究結(jié)果顯示，與新的幾何形狀相比，沒(méi)有短路缺陷，與圓形截面相比，廢鋼和冷卻時(shí)間分別顯著減少25％和2.5％。流道系統(tǒng)與模具壁的接觸表面的減少也改善了流道系統(tǒng)從模腔排出的容易性。這項(xiàng)研究的貢獻(xiàn)是設(shè)計(jì)冷流道系統(tǒng)的新幾何結(jié)構(gòu)，以減少?gòu)U料，循環(huán)時(shí)間，并提供注射成型中流道系統(tǒng)的簡(jiǎn)單排出。
關(guān)鍵詞 注塑工藝；模具設(shè)計(jì)；澆道幾何形狀；短缺缺陷
介紹
在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里，塑料的迅速增長(zhǎng)及其在所有市場(chǎng)的擴(kuò)散。根據(jù)世界原料重量的消耗，塑料是最高的與其他舊材料，如鋁，鋼，橡膠，銅和鋅相比。它是由塑料的特殊性能和較低的生產(chǎn)成本造成的[1,2]。注塑是制造塑料制品最重要的工藝之一，大約三分之一的塑料通過(guò)注塑成型轉(zhuǎn)化為零件[3]。注塑成型工藝在包裝，航空航天，建筑，汽車(chē)零部件，家居用品等行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1，3，4]。注塑件的質(zhì)量取決于材料特性，模具設(shè)計(jì)和工藝條件[4-7]。注塑成型的三個(gè)基本操作是：（1）將塑料顆粒轉(zhuǎn)化為熔體; （2）將熔融塑料通過(guò)澆口，流道和澆口系統(tǒng)注入模具型腔或型腔中，（3）打開(kāi)模具將部件推出模腔[1，8，9]。
決定注入部件最終質(zhì)量的因素之一是澆口系統(tǒng)，它是澆口和澆口之間的連接線[10]。轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的主要目的是將熔融塑料從澆口轉(zhuǎn)移到澆口[11,12]。在冷流道系統(tǒng)中，廢鋼的主要來(lái)源是去水后來(lái)自澆道和澆口系統(tǒng)的廢料。因此，評(píng)估跑步者系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同規(guī)則以證明跑步者系統(tǒng)在注射中的重要性（a）較小的轉(zhuǎn)輪尺寸以最小化廢品; （b）容易從模具中取出并從模制部件上取下; （c）用最小的凹痕和焊縫快速填充模腔[13-16]。轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三個(gè)基本因素是橫截面形狀，直徑和腔體布局[13]。七種類型的橫截面形狀可用于不同應(yīng)用的轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)[13,14,17]（圖1）。根據(jù)要求，選擇不同類型的轉(zhuǎn)輪橫截面[18]。
圖1不同的流道橫截面形狀
本文的貢獻(xiàn)在于為轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)定義橢圓形或半橢圓形幾何形狀作為一種有效的橫截面形狀，針對(duì)較小的轉(zhuǎn)輪尺寸將廢料與圓形相比減少到最小，從而減少注射的總周期時(shí)間和噴射來(lái)自模具的零件更容易。此外，在這項(xiàng)研究中，已經(jīng)檢測(cè)到與轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的過(guò)程參數(shù)和新幾何形狀有關(guān)的顯著現(xiàn)象，這將在另一篇論文中提出。
本文介紹了轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的橢圓形橫截面形狀的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并考慮了轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的圓形和半橢圓形之間的比較。對(duì)作者而言，有許多論文研究了注射成型的工藝參數(shù)和材料特性，其中一些包括澆道，澆口和澆口，但就作者的最佳知識(shí)而言，沒(méi)有參考分析和模擬橢圓轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的橫截面形狀。
根據(jù)注入部件的尺寸和幾何形狀進(jìn)行流道和澆口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。然后，通過(guò)SolidWorks設(shè)計(jì)帶澆道和澆口系統(tǒng)的注塑零件。為了準(zhǔn)確模擬結(jié)果，采用了SolidWorks Plastic中的有限元法（FEM）。最后，為了驗(yàn)證模型，對(duì)兩個(gè)圓形注射板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)方法。
轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的橫截面形狀澆道系統(tǒng)的主要目的是通過(guò)澆口將熔融塑料從澆道轉(zhuǎn)移到所有模腔。流道系統(tǒng)有不同的橫截面形狀，每個(gè)都有不同的應(yīng)用[11,17]（圖1）。設(shè)計(jì)師應(yīng)該評(píng)估不同的因素，為特定產(chǎn)品選擇合適的澆道系統(tǒng)幾何形狀。用于雙板模具的最流行的形狀也是最高效率的圓形。對(duì)于三板模具工具，如果澆道僅在模具的一半中制造，則梯形和改型梯形是最佳選擇，但仍然不能接受，因?yàn)闈部诓荒芘c中心線一致流動(dòng)流[14]。由于尖角，從矩形，正方形和多邊形形狀的腔體中彈出流道系統(tǒng)是具有挑戰(zhàn)性的。如果設(shè)計(jì)人員無(wú)法確定所需流道系統(tǒng)的適當(dāng)橫截面形狀及其尺寸，則會(huì)導(dǎo)致壓力下降，導(dǎo)致模腔不完全填充以及高度向模具壁傳遞熱量[13,17,19]。因此，可以考慮流道系統(tǒng)的各種橫截面積來(lái)調(diào)節(jié)通向更好注入部分的流動(dòng)。最后，形狀以及通道的長(zhǎng)度對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳流動(dòng)是重要的，因此具有較少缺陷的最佳產(chǎn)品[20]。
具有橢圓橫截面形狀的流道系統(tǒng)
在注射成型中，流道系統(tǒng)最常見(jiàn)的橫截面形狀是圓形。在選擇特定零件設(shè)計(jì)的圓形時(shí)，三個(gè)主要因素是（a）較小的流道尺寸以最小化廢料；（b）容易從模具中彈出；（c）以最小凹痕，焊縫和短射線快速填充模腔[13-15]。這里的目的是研究一種新的幾何形狀的流道系統(tǒng)，這種流道系統(tǒng)可以產(chǎn)生最少的廢料，與澆口的中心流動(dòng)流線對(duì)齊，適當(dāng)填充模腔，并且便于將模具從模具中彈出。為此目的，正在研究橢圓形或半橢圓形橫截面形狀，并與圓形橫截面形狀的流道系統(tǒng)進(jìn)行了精確比較。
為了證明跑步者的橢圓橫截面形狀的重要性，對(duì)跑步者系統(tǒng)的其他幾何形狀的評(píng)估是必要的。這兩者的最佳現(xiàn)有比較是矩形和方形。矩形是一種寬度不同的正方形。在寬度方面，矩形澆道系統(tǒng)的尺寸與正方形澆道系統(tǒng)的尺寸相比有三種不同的比率[17]（圖2）。根據(jù)不同的應(yīng)用，選擇不同寬度比的矩形流道系統(tǒng)。長(zhǎng)方形形狀的優(yōu)點(diǎn)是減少了轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的廢料，并且更容易從模具中取出。壓降是通過(guò)減小方形寬度而發(fā)生的這種幾何形狀的缺點(diǎn)之一[17]。
圓和橢圓之間的比較與正方形和矩形的比較相似。如圖3所示，D是圓的直徑，a是長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，b是橢圓的短軸長(zhǎng)度。根據(jù)不同的工業(yè)應(yīng)用，主軸長(zhǎng)度是固定的，短軸長(zhǎng)度是不同的速率（圖3）。因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致廢料的進(jìn)一步減少，更容易將部件從模腔中排出，并進(jìn)一步減少循環(huán)時(shí)間。對(duì)于不同的部分，這個(gè)因素將會(huì)改變。因此，提出不同的b比例取決于零件設(shè)計(jì)的諸多因素，如尺寸和厚度。
圖2 轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的正方形和矩形形狀之間的比較
圖3轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的圓形和橢圓形狀之間的比較
橢圓形轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：
1.廢品減量：轉(zhuǎn)輪和門(mén)系統(tǒng)的大小和體積是產(chǎn)品廢品的根本原因。 因此，與圓跑者相比，橢圓跑步者導(dǎo)致更少的報(bào)廢。
2.從模腔：橢圓形流道系統(tǒng)中，部分射出更加容易，冷卻后與圓形相比，與模具壁接觸的表面更少，從而更容易將注射部件從模腔中排出。
3.縮短循環(huán)時(shí)間：橢圓流道所需熔融塑料量較少; 因此包括注入和冷卻階段時(shí)間的循環(huán)時(shí)間將減少。
與亞軍系統(tǒng)的門(mén)的中央流程流。 橢圓流道具有中心流動(dòng)流，其中大部分澆口設(shè)計(jì)減少了熔融塑料至腔體的湍流。
模擬
在為這個(gè)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)兩個(gè)圓形零件作為兩個(gè)樣品之后，下一步是通過(guò)SolidWorks Plastic來(lái)模擬零件。對(duì)于模擬，需要定義注射系統(tǒng)。因此，應(yīng)考慮考慮事先計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)澆道，澆道和澆口系統(tǒng)（圖4）。設(shè)計(jì)橢圓截面形狀的比例為0.7b。
為確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，F(xiàn)EM將在模擬中發(fā)揮重要作用。根據(jù)樣品的幾何形狀，將選擇有限元的三角形形狀（圖5）。用于此模擬的選定材料是聚丙烯（PP）。對(duì)表面網(wǎng)格和表面網(wǎng)格的不同三角形尺寸評(píng)估不同的尺寸，為注入部分選擇1毫米的三角形尺寸。對(duì)于包括澆口，流道和澆口的注射系統(tǒng)，考慮更小的尺寸。它是由注射系統(tǒng)的靈敏度作為此模擬的關(guān)鍵區(qū)域而產(chǎn)生的。因此，澆道和澆道的三角形尺寸分別為0.3mm和澆口的三角形尺寸分別為橢圓形和圓形橫截面形狀。網(wǎng)格的精度通過(guò)網(wǎng)格細(xì)化研究來(lái)確定。對(duì)于直徑為100毫米的兩個(gè)圓形部件，澆道和澆口總長(zhǎng)度為28毫米。此外，澆道的長(zhǎng)度為60毫米，拔模角度為1.5°。
圖4澆口，流道和澆口系統(tǒng)的注射樣品
圖5 轉(zhuǎn)輪橢圓橫截面形狀的FEA
圖6 用橢圓交叉容易填充注射部分
下一步是設(shè)置適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)。根據(jù)所選用的材料和注塑機(jī)進(jìn)行該模擬，填充時(shí)間為0.59秒，熔體溫度為230℃，模具溫度為50℃，保壓時(shí)間為2.04秒，純冷卻時(shí)間3.9秒。如前所述，包括澆道，澆道和澆口的注射系統(tǒng)的幾何形狀和尺寸對(duì)操作循環(huán)時(shí)間，冷卻時(shí)間以及不同的缺陷（如凹痕，短射等）具有顯著影響[25]。在運(yùn)行模擬之后，根據(jù)新的幾何形狀和尺寸檢查新的流道系統(tǒng)的可接受性。檢查的主要因素包括易于填充，填充時(shí)間分析和匯痕分析;并在注射結(jié)束時(shí)注射壓力。如圖6所示，橢圓形橫截面的容易填充是處于最可接受水平的綠色區(qū)域。
注塑成型中的一個(gè)常見(jiàn)缺陷是如果流動(dòng)距離較長(zhǎng)，將發(fā)生在薄壁或遠(yuǎn)離澆口的短射[26]。根據(jù)模擬結(jié)果，該部分可以成功填充，甚至如圖7a所示的橢圓截面的填充時(shí)間低于流道的圓形截面形狀的填充時(shí)間（圖7b）。
圖7 a橢圓形橫截面的填充時(shí)間，b圓形橫截面的填充時(shí)間
圖8 a橢圓截面的流動(dòng)前沿中心溫度，b圓形截面的流動(dòng)前沿中心溫度
防止噴射部件短射的另一個(gè)因素是評(píng)估流動(dòng)前沿中心溫度，該溫度代表注入部件每個(gè)區(qū)域的流動(dòng)前沿溫度。根據(jù)模擬結(jié)果，注射部件的每個(gè)區(qū)域的流動(dòng)前端中心溫度對(duì)于轉(zhuǎn)輪的橢圓橫截面形狀為230.15°C（圖8a）。流道的圓形橫截面形狀的模擬結(jié)果是相同的（圖8b）。這意味著橢圓形橫截面形狀的轉(zhuǎn)子在腔內(nèi)短射的可能性很低。
評(píng)估澆道和澆口系統(tǒng)合適尺寸所需的最重要因素之一是注射壓力。根據(jù)模擬，這部分可以成功注入壓力42.1MPa。注射壓力小于滿足最大注射壓力極限的66％（圖9）。圓形截面的注射壓力為39.6 MPa，接近橢圓形截面。
實(shí)驗(yàn)裝置
使用商用注塑顆粒聚丙烯（PP）制造兩個(gè)圓形板，其具有100mm直徑和1mm厚度。 所選材料的聚合物材料參數(shù)列于表2中。用于制造模具的機(jī)器有鉆孔機(jī)，數(shù)控銑床和磨床。 實(shí)驗(yàn)采用全電動(dòng)臥式注塑機(jī)-Poolad-Bch系列。
圖9 澆道系統(tǒng)的圓形和橢圓形橫截面形狀的注射壓力
表2 材料屬性PP
熔體溫度
230℃
最高熔化溫度
280℃
最低熔融溫度
200℃
Mod溫度
50℃
熔體流動(dòng)速率
20厘米3/10分鐘
最大剪切應(yīng)力
250,000 pa
模具設(shè)計(jì)
模具制造有不同的設(shè)計(jì)概念。在這項(xiàng)研究中，選擇了雙板模具，該模具具有一個(gè)帶有雙腔的分模線和一個(gè)供料系統(tǒng)并且沒(méi)有頂針。模具由碳鋼CK45制成，表面硬度為56 HRC。磨削后的橢圓形橫澆道，澆口系統(tǒng)和澆口襯套分配到模腔板中（圖10a）。還展示了磨削前帶有導(dǎo)桿的型腔板（圖10b）。
在設(shè)計(jì)模具時(shí)，另一個(gè)要素是導(dǎo)致塑料部件固化的冷卻系統(tǒng)?；谒芰喜考膸缀涡螤?，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是不同的。因此，選擇腔板冷卻系統(tǒng)的圓形幾何形狀（圖11）。
制造模具時(shí)要考慮的另一個(gè)因素是通風(fēng)孔。它們的功能是在關(guān)閉模具之后從模腔中釋放空氣；否則如果空氣被困在模具內(nèi)，會(huì)發(fā)生短射擊。兩個(gè)腔體在腔板的左側(cè)和右側(cè)具有單獨(dú)的通氣孔（圖12）。
圖10磨削后具有橢圓橫截面的空腔板，b磨削之前具有橢圓橫截面的空腔盤(pán)
圖11模腔板內(nèi)的冷卻系統(tǒng)，用于注入部件的凝固
圖12 通風(fēng)孔避免注入部件的空氣陷阱
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)不同的工藝參數(shù)設(shè)置模具和注塑機(jī)后，從制造過(guò)程的不同角度評(píng)估流道系統(tǒng)新的橫截面形狀是本實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)。為了確保本研究橢圓截面轉(zhuǎn)輪的有效性，需要實(shí)施基于不同工藝參數(shù)的填充腔體和注射過(guò)程的顯著性測(cè)試。短射擊分析的結(jié)果（圖13）顯示，具有新的流道橫截面形狀的兩個(gè)腔體被適當(dāng)?shù)靥畛洹?
當(dāng)注入壓力高于最大入口壓力并且注入時(shí)間高于注入機(jī)器的輸入時(shí)，會(huì)發(fā)生短射擊。這些實(shí)驗(yàn)中最重要的部分是，與圖14所示的模擬結(jié)果相比，即使在較低的入口壓力和填充時(shí)間下，腔體也能夠正確填充。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較顯示在表4中。表4中的百分比變化預(yù)測(cè)和實(shí)際的入口壓力和填充時(shí)間結(jié)果分別為7.36和3.38％，這證明了轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的新幾何結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健性。
通過(guò)定義轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的新幾何形狀，這項(xiàng)研究的新穎之處在于減少?gòu)U料和冷卻時(shí)間，并且實(shí)現(xiàn)從腔體中最終注射部件的更容易的噴射。因此，就廢品率和冷卻時(shí)間而言，需要在圓形和橢圓形橫截面之間進(jìn)行比較。表5顯示了對(duì)于100,000個(gè)注射部件的流道系統(tǒng)的圓形和橢圓形橫截面的廢料率和冷卻時(shí)間。圓形橫截面的冷卻時(shí)間為每次注射4 s，橢圓截面每次注射3.9 s。與圓形橫截面相比，橢圓形橫截面的廢鋼和鋁合金減少了25％，注入部件的冷卻時(shí)間為2.5％。
圖13 最后注射部分具有橢圓形流道橫截面形狀
圖14 橢圓跑步者的每個(gè)因素水平較低的注射部位
結(jié)論
冷流道系統(tǒng)注塑廢料的主要原因是由澆口，流道和澆口系統(tǒng)組成的供料系統(tǒng)。跑步者對(duì)于不同的應(yīng)用具有不同的橫截面。本文介紹了橢圓形橫截面與圓形橫截面比較的流道系統(tǒng)新幾何的成功開(kāi)發(fā)。這種幾何形狀是通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的，以生產(chǎn)兩個(gè)1mm厚的圓形板。工藝參數(shù)為填充時(shí)間，熔體溫度，模具溫度，壓力保持時(shí)間和純冷卻時(shí)間。
為了驗(yàn)證模型，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。預(yù)測(cè)和實(shí)際結(jié)果的入口壓力和填充時(shí)間的百分比變化分別為7.36和3.38％。結(jié)果證明了轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的新幾何結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健性。與圓形橫截面相比，橢圓形橫截面對(duì)于注射部件具有25％的廢料減少和2.5％的冷卻時(shí)間。模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果表明，橢圓形截面形狀是一種有效的幾何形狀，可以減少?gòu)U料和總循環(huán)時(shí)間，并且還可以使模制件更容易從模腔中彈出。模具設(shè)計(jì)的進(jìn)一步研究將為設(shè)計(jì)師和模具制造商創(chuàng)造更具包容性和適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)方針。
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