變徑管接頭的注塑模具設計-塑料注射模含7張CAD圖
變徑管接頭的注塑模具設計-塑料注射模含7張CAD圖,管接頭,注塑,模具設計,塑料,注射,cad
任務書
論文(設計)題目：變徑管接頭的注塑模具設計
工作日期：2016年12月12日 ~ 2017年05月19日
1.選題依據(jù):
模具工業(yè)是我國制造業(yè)中的一項基礎產(chǎn)業(yè)，模具的設計也是機械專業(yè)的學生應該掌握的設計技能之一，特別表現(xiàn)在塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)，塑料模具的應用非常廣泛，在各類模具中所占的分量越來越大，已成為各類模具設計、制造和研究中最具有代表意義的模具之一。本題目結(jié)構(gòu)復雜，應用性較強，涉及的知識面廣知識點較多，學生通過對本零件的注塑模具設計，可以為今后的工作打下良好的基礎。
2.論文要求(設計參數(shù)):
合理地選擇模具結(jié)構(gòu)，正確地確定模具成型零件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸及其技術要求。使所設計的模具制造工藝性良好，造價便宜，且使用壽命長。
1.模具的結(jié)構(gòu)形式及注射機的確定
2.澆注系統(tǒng)的設計
3.成型零件的設計
4.脫模推出機構(gòu)的設計
5.側(cè)向分型與抽芯機構(gòu)設計
6.模架的確定及標準件的選用
7.合模導向機構(gòu)的設計
8排氣系統(tǒng)的設計
9.繪制模具的裝配總圖和成型零件圖，圖量不小于3張A0，其中必須有一個機構(gòu) 的3D圖。
10.撰寫設計說明書，字數(shù)不少于6000字。
3.個人工作重點:
變徑接頭由于直徑并不固定，導致塑件往往在精度上達不到要求，再由于結(jié)構(gòu)比較復雜容易導致排氣不通暢塑件表面產(chǎn)生劃痕，氣孔的現(xiàn)象。由于本題目的塑件壁相對較薄，在開模的過程中，如何保證塑件會留在動模上。為了使塑件脫模時留在動模上
，需要加一個側(cè)型芯，開模過程中側(cè)型芯如何與塑件分離以及各種參數(shù)的選擇也是一個很重要的問題。
1.分型面的設計
2.側(cè)向抽芯的設計
3.型芯的設計
4.澆注系統(tǒng)設計
5脫模機構(gòu)設計
6冷卻水道的設計
4.時間安排及應完成的工作:
第1周：了解題目研究的主要內(nèi)容和技術路線，查閱有關文獻。 第2周：查閱文獻、閱讀文獻
第4周：撰寫文獻綜述并完成開題報告
第5周：塑件工藝性分析，確定模具的結(jié)構(gòu)及注射機 第6周：澆注系統(tǒng)的設計
第7周：成型零件的設計
第8周：脫模推出機構(gòu)的設計
第9周：側(cè)向分型與抽芯機構(gòu)設計
第10周：模架的確定及標準件的選用及合模導向機構(gòu)的設計 第11周：排氣系統(tǒng)的設計
第12周：修改并完成模具設計總圖工程圖，繪制成型零件的工作圖。 第13周：繪制一個部件的三維裝配圖，并做爆炸視圖和動畫演示。第14周：撰寫設計說明書
第15周：提交論文、圖紙、查重報告
5.應閱讀的基本文獻:
[1] 陳錫林 周小玉. 實用模具技術手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社.2005.8 [2] 彭建生.模具設計與加工速查手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社.2012.9
[3] 彭建生 吳成明.簡明模具工實用技術手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社.2011.4 [4] 李建軍 李德群.模具設計基礎及模具CAD[M].北京：機械工業(yè)出版社.2005.7 [5] 鄧英劍 楊冬生.公差配合與測量技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.1
[6] 馮炳堯.王南根.王曉曉.模具設計與制造簡明手冊（第四版）.上?？茖W技術出版社
.2015.
[7] 王鵬駒.張杰.塑料模具設計師手冊.機械工業(yè)出版社.2008. [8] 許樹勤.王文平.模具設計與制造.北京大學出版社.2010.
[9] 聞邦椿.吳宗澤.機械設計手冊(第五版).機械工業(yè)出版社.2015.
[10] 濮良貴.陳國定.吳立雪.機械設計(第九版) .高等教育出版社.2013. [11] 宋滿倉.模具制造工藝.電子工業(yè)出版社.2010
[12] 高茂濤.注塑模具發(fā)展綜述[J].輕工科技.2014.
指導教師簽字：
XX
教研室主任意見：
同意
簽字：XX 2016年12月11日
教學指導分委會意見：
同意
簽字：XX 2016年12月11日 學院公章
一、選題依據(jù)
1．論文（設計）題目
變徑管接頭的注塑模具設計
2．研究領域
機械制造和模具的設計
3．論文（設計）工作的理論意義和應用價值
理論意義：模具是工業(yè)生產(chǎn)中的主要工藝裝備，模具工業(yè)是基礎工業(yè)。
采用模具生產(chǎn)零部件，具有生產(chǎn)效率高、質(zhì)量好、成本低、節(jié)省能源和原材料等一系列優(yōu)點。它已成為當代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段和工藝發(fā)展方向?，F(xiàn)代工業(yè)品的發(fā)展和技術水平的提高，在很大程度上取決于模具工業(yè)的發(fā)展水平。因此，模具工業(yè)對國民經(jīng)濟和社會的發(fā)展，將會起越來越大的作用。模具工業(yè)薄弱將嚴重影響工業(yè)產(chǎn)品造型的變化和新產(chǎn)品的開發(fā)。
應用價值：1）塑料具有質(zhì)量輕、比強度大、絕緣性好、成型生產(chǎn)率高和價格 低廉等優(yōu)點。塑料已成為金屬的良好代用材料，出現(xiàn)了金屬材料塑料化的趨勢。2）由于輕量化、低能耗的發(fā)展要求，零部件的材料構(gòu)成發(fā)生明顯的以塑代鋼的變化。從國內(nèi)外塑料應用的情況看，塑料的用量已成為衡量生產(chǎn)技術水平的重要標志。3）注塑成型由于可以一次成型各種結(jié)構(gòu)復雜、尺寸精密和帶有金屬嵌件的制品，并且成型周期短，可以一模多腔，大批生產(chǎn)時成本低廉，易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，因此在塑料加工行業(yè)中占有非常重要的地位。
4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢
模具工業(yè)作為衡量一個國家工業(yè)化水平的重要標志，已經(jīng)獲得了越來越廣泛的發(fā)展與應用。當前，隨著市場競爭的加劇、人們需求的不斷提高，為了適應市場需要， 模具行業(yè)也需要不斷發(fā)展創(chuàng)新。從分析中可以看出，我國在注塑模具的研究方面取得了重要的進展，先進制造技術的采用與新材料的應用使我國的注塑模具朝著精密、高速、節(jié)能的方向發(fā)展， 具體發(fā)展方向表現(xiàn)在以下方面:
( 1) CAD/CAM/CAE 技術將廣泛應用于注塑模具設計
( 2) 熱流道模具在注塑模具中的比重將逐漸提高
( 3) 專用和優(yōu)質(zhì)模具材料將不斷推陳出新
( 4) 智能化、自動化研磨拋光將得到應用
( 5) 模具標準化程度將不斷提高
二、論文（設計）研究的內(nèi)容
1.重點解決的問題
變徑接頭由于直徑并不固定，導致塑件往往在精度上達不到要求，再由于結(jié)構(gòu)比較復雜容易導致排氣不通暢塑件表面產(chǎn)生劃痕，氣孔的現(xiàn)象。由于本題目的塑件壁相對較薄，在開模的過程中，如何保證塑件會留在動模上。為了使塑件脫模時留在動模上，需要加一個側(cè)型芯，開模過程中側(cè)型芯如何與塑件分離以及各種參數(shù)的選擇也是一個很重要的問題。
2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）
設計題目是變徑接頭的模具設計，該產(chǎn)品主要用于本來不能互相配合的金屬管道的連接，比如自來水管道的連接，座便器里水管的連接等等。具體內(nèi)容包括：
（1）注射機的選擇
（2）分型面的設計
（3）側(cè)向抽芯的設計
（4）型芯的設計
（5）澆注系統(tǒng)
（6）冷卻水道的設計
（7）脫模結(jié)構(gòu)
3.本論文（設計）預期取得的成果
在初步準確完成所需要設計的項目并完善工程圖的情況下，使所設計的變徑管接頭能夠滿足滿足人的使用需求和功能需求，并使最終產(chǎn)品能夠得到社會廣泛認可，能夠投入市場進行批量生產(chǎn)。
三、論文（設計）工作安排
1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)）；
搜集文獻，查閱相關設計手冊和書籍，進行市場調(diào)研并參照現(xiàn)有研究成果，在老師指導下開展設計研究工作，利用計算機輔助設計，力學計算，三維軟件等進行仿真模擬。
2.論文（設計）進度計劃
第 1-4 周：選定畢業(yè)設計題目，明確畢業(yè)設計主要任務和內(nèi)容，查閱相關資料， 并完成畢業(yè)設計開題報告。
第 5-6 周：擬定自來水管道變徑接頭塑料模具總體結(jié)構(gòu)設計方案。
第 6-8 周：外文資料翻譯傳動機構(gòu)設計，完成自來水管道變徑接頭機構(gòu)的設計和計算，繪制部分裝配圖。
第 9-10 周：用三維軟件做出整體的效果圖。
第 11-12 周：完成其它輔助機構(gòu)設計，完成零件圖的設計。
第 13-15 周：總體機械結(jié)構(gòu)設計，繪制總裝配圖。
第 16 周：參加答辯。
四、需要閱讀的參考文獻
[1] 馮剛，張朝閣，江平.我國注塑模具關鍵技術的研究與應用進展[J].塑料工業(yè)，
2014.4:16~19
[2] 唐仁奎，許艷英. 注塑模具現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[D]重慶科創(chuàng)職業(yè)學院，2010.6
[3] 馮剛，張朝閣，齊繼寶等. 三種不同類型注塑模具的特點與發(fā)展現(xiàn)狀[J].工程塑料應用.2013.7.41（7）
[4] 李金剛,韓紅青,黃能會.注塑模具澆口設計簡要分析[J].塑料科技,2010.(02).
[5] 王昌，胡修鑫. 注塑模具的先進制造技術綜述[D].內(nèi)蒙古科技大學機械工程學院. 2012.14.042
[6] 冀冠一.快速熱循環(huán)注塑模具及工藝關鍵技術研究. [J].工業(yè)技術.2016.12.43
[7] 呂戰(zhàn)鵬，黃德倫，趙國珍等.富氣反應器 F316 不銹鋼變徑管接頭腐蝕破裂原因分析[J]材料研究所. 2000,21(2)
[8] 史建國，徐剛.淺談精密塑件型腔與型芯的設計[D]濟南職工科技大學，2005
[9] 聞邦椿，吳宗澤.機械設計手冊(第五版)[M].機械工業(yè)出版社.2015.
[10] 耿靜.注塑模具 CAD 冷卻系統(tǒng)的研究[D]山東大學.2008
[11] 何政軍.基于實例的注塑模具 CAD/CAE/CAM 技術研究與應用[D]華北電力大學.2014
[12] 趙軍.注塑模具結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化方法研究[D]上海交通大學.2011
[13] 于影霞，何柏林，李力.國內(nèi)外模具材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢熱加工工藝.2009, 38(2)
[14] 中國聚合物網(wǎng).中國塑料模具行業(yè)發(fā)展矛盾與障礙. [J].橡塑技術與裝備.2016.11.42(20)
[15] 中國模具工業(yè)協(xié)會.模具行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃[J]. 模具工業(yè).2011,37(1)
[16] 許樹勤，王文平.模具設計與制造[M].北京大學出版社.2010.
[17] 趙晶.大型注塑模具設計及應用技術研究. [J]. 黑龍江科學.2016.12(7)
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[19] Wu-Lin Chen,Chin-Yin Huang,Ching-Ya Huang.Finding efficient frontier of process parameters for plastic injection molding. [J] Journal of Industrial Engineering International.2015，1
[20] N. Nayebpashaee,M. Soltanieh,Sh. Kheirandish .A Study on Formation and Growth Mechanism of Nitride Layers During Plasma Nitriding Process of Plastic Injection Mold Steel[J]. Materials and Manufacturing Processes.2016，9
附：文獻綜述或報告1 引言
塑料作為 20 世紀的一種新興材料，其使用范圍已經(jīng)深 入到社會生活與生產(chǎn)的方方面面，成為繼金屬、木材、硅酸鹽之后的現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要原材料[3]。
注塑模具是通過特定形狀復制成型塑料制品的一種工藝裝備，它使塑料成型制品的大批量生產(chǎn)成為現(xiàn)實，注塑模具作為注射成型的一種重要設備，其設計水平、技術含量的高低對塑料制品的性能有著重要的意義。同時，注塑模具在塑料制品的推廣與使用方面占有核心的地位，因此，注塑模具也有“工業(yè)之母”之稱。隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，新型材料的不斷出現(xiàn)，以及人們節(jié)能環(huán)保意識的加強， 對注塑模具的要求也不斷多樣化。在此基礎上，產(chǎn)生了各種新興的注射成型技術
[6]。
2 注塑成型過程簡介
注塑成型是將顆?；蚍勰畹乃芰霞舆M注塑機料筒，塑料在熱和機械剪切力作用下塑化城具有良好流動性的塑料溶體，然后在柱塞或螺桿的推動下通過注塑機噴嘴注入溫度較低的模具型腔內(nèi)，經(jīng)過保壓，冷卻固化成與模具型腔形狀一致的塑料成品，然后打開模具取出制品，再閉合型腔，在操作上完成一個注塑周期
[12]。
3 薄壁注塑模具特點
薄壁注塑模具設計需滿足以下特點：
（1）模具結(jié)構(gòu)
為承受成型時的高壓，薄壁注塑模具的剛度、強度要求較高?？梢酝ㄟ^增加模具，嗎的動定模板及其支撐板厚度，設置更多支撐柱來提高模具剛度；另外可采用更高強度、耐磨損、耐沖蝕等的模具鋼；模具內(nèi)應盡可能要多設置內(nèi)縮緊定定位機構(gòu)，保證模具的定位和支撐，防止模具型芯型腔等零件的偏移和導柱的彎曲等[12]。
（2）澆注系統(tǒng)
薄壁塑件在注塑過程中，冷卻速度較快，因此要使用大澆口，且澆口尺寸要大于壁厚。另外為降低塑料溶體冷卻速度，可以采用熱流道技術[12]。
（3）冷卻系統(tǒng)
如果冷卻不均，薄壁塑件在生產(chǎn)中，很容易產(chǎn)生短射，翹曲等現(xiàn)象，而且薄壁件無法承受較大的殘余應力。因此必須增強模具的冷卻，確保模腔溫度均勻， 從而控制塑件的尺寸穩(wěn)定性。加入高傳導率的金屬鑲塊，可以提高溫度傳導速度
[12]。
（4）排氣系統(tǒng)
薄壁注塑由于注射速度快，填充時間短，且模腔間隙小，模具的排氣非常重要。除通過頂桿、分型面、導柱等處派出外，在溶體流動前沿，流道末端都應有較好的排氣設施，最好采用真空抽射[12]。
（5）脫膜結(jié)構(gòu)
薄壁塑件比較薄，容易損壞，且由于厚度方向收縮較小，很容易由于模具變形而產(chǎn)生較大的脫模力，因此，應盡量設計較大拔模斜度，頂桿應多而均，尺寸可更大。另外可使用脫模劑[12]。
4 注塑模具的先進制造技術
先進制造技術 AMT( Advanced Manufacturing Technology) 是集機械、電子、信息、網(wǎng)絡、材料、能源和管理等先進技術而發(fā)展起來的高新技術，它是發(fā)展國民經(jīng)濟的重要基礎之一[5]。許多歐美工業(yè)發(fā)達國家將模具比作“金鑰匙”、
“效益放大器”、“進入富裕社會的原動力”、“印鈔機”等，可見其對模具行業(yè)的重視。注塑模具在 整個塑料模具的總量中占 50% 以上，從目前的發(fā)展趨勢可以看出，在未來模具市場中，注塑模具的發(fā)展將遠高于其他模具[1]。。新技術的應用對注塑模具的發(fā)展產(chǎn)生了重大的影響，同時，注塑模具的發(fā)展也對制造技術不斷提出了新的要求[9]。
先進制造技術主要有以下四種：
（1）高速切削技術
（2）快速成型技術
（3）微注射成型技術
（4）熱流道技術[5]
5 國外注塑模具的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
在西方先進工業(yè)國，注射模 CAD/CAE/CAM 技術的應用已非常普遍[2]。當前代表國際先進水平的注射模 CAD/CAE/CAM 的工程應用具體體現(xiàn)在如下四個方面：
（1）基于網(wǎng)絡的模具 CAD/CAE/CAM 集成化系統(tǒng)已開始使用。系 統(tǒng)的每一個功能既可以獨立運行，又可通過數(shù)據(jù)接口作集成分析[2]。
（2）微機軟件在模具行業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。在 90 年代后期，基 于
Windows 操作系統(tǒng)的新一代微機軟件，如 UG、PRO/E、CATTIA 等嶄露頭角[2]。
（3）模具 CAD/CAE/CAM 系統(tǒng)的高智能化程度正在逐步 提高。軟件的智能化功能現(xiàn)已成為衡量模具軟件先進性和實用性的重要標志[2]。
（4）三維設計與三維分析的應用和結(jié)合是當前注射模技術發(fā)展的 必然趨勢。在注射模結(jié)構(gòu)設計中，傳統(tǒng)的方法是采用二維設計，在國外已有越來越多的公司采用基于實體模型的三維模具結(jié)構(gòu)設計[2]。
6 我國存在的主要問題
現(xiàn)代工業(yè)對注塑件的要求不僅要求精度高，還需有極佳的內(nèi)在質(zhì)量，為適應這種要求，必須開發(fā)利用注塑模具新技術，目前在南方沿海地區(qū)正在逐步推廣利用從國外引進的注塑模具新技術，對提高注塑件質(zhì)量起了很大的作用。在這幾十年來，國內(nèi)塑料模具行業(yè)迅猛發(fā)展，對人才的渴求和要求也越來越高。但國內(nèi)還是沒法解決這棘手問題，成了中國模具行業(yè)發(fā)展的主要障礙[14]。
安全問題是最普遍也是最重要的問題，在注塑成型技術、注塑模 CAE 技術， 或是其他各種應用技術的操作過程中，安全隱患還是隨處可見的。安全管理作為一切應用技術的前提，是大型注塑模具應用技術發(fā)展的必然趨勢[17]。
存在的主要問題大致有如下方面:
(1)研發(fā)及自主創(chuàng)新能力薄弱；
(2)企業(yè)管理水平落后于技術的進步；
(3)數(shù)字化、信息化水平還較低；
(4)標準和標準件生產(chǎn)供應滯后于模具生產(chǎn)的發(fā)展；
(5)人才與發(fā)展不相適應；
(6)以模具為核心的產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)協(xié)同發(fā)展不夠, 尤以模具材料發(fā)展滯后最為明顯[2]。
7 結(jié)語
盡管我國已經(jīng)成為制造大國，但距離制造強國還有一定的差距。我們必須加強研發(fā)及自主創(chuàng)新能力，加大人才培養(yǎng)，著力發(fā)展高新技術，加強信息化水平， 積極響應.模具行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃的號召。使我國模具行業(yè)邁入世界先進行列。
附錄1： 外文翻譯
注塑成型的可控性
程序的材料處理研討會:1999 ASME國際機械工程大會&博覽會,11月14 - 19、1999、田納西州納什維爾
大衛(wèi)Kazmer 機械部門，& Ind，工程,馬薩諸塞阿默斯特大學
大衛(wèi)Hatch 機械部門，& Ind，工程,馬薩諸塞阿默斯特大學
文摘：
過程控制已被認為是提高性能和一致性的熱塑性部分的一個重要的手段。但是,沒有一個控制策略或系統(tǒng)設計被普遍接受,成型系統(tǒng)繼續(xù)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生有缺陷的組件。這個由熱、流動態(tài)加熱的聚合物熔體注塑工藝的能力是有限的。
本文討論了一些困難帶來的復雜的和分布式的注射成型工藝。流和熱動力學分析的過程對運輸和流變學的影響。然后,描述了兩種新穎的加工方法,使多樣的循環(huán)冗余流量、壓力和溫度控制。仿真和實驗結(jié)果證明有效性的這些創(chuàng)新,提高一致性和靈活性在聚合物加工。這樣的系統(tǒng)設計簡化必要的控制結(jié)構(gòu)變化而改善過程的魯棒性和效率。
介紹：
注射成型生產(chǎn)非常復雜的組件能夠來嚴格規(guī)范。這個過程包括幾個階段:塑煉、注塑、包裝、冷卻、脫模。在注塑和它的變體(共注射成型,注射壓縮、氣體輔助成型等)，熱塑性顆粒被送入一個旋轉(zhuǎn)的螺桿和融化。用一個均勻熔體收集在前面的螺絲,螺絲是在控制前進的軸向速度和時變，融化成一個疏散腔。一旦熔體凝固和足夠的剛性模組件拆下,模具被打開和部分噴射而下一周期的熱塑性塑料熔體是增塑的自攻螺絲。周期時間范圍從低于四秒鐘光盤到超過三分鐘的汽車零部件。
控制注塑明顯受到非線性行為的高分子材料,動態(tài)耦合物理過程,復雜的幾何形狀和模具之間的相互作用最終影響產(chǎn)品質(zhì)量屬性。修改后系統(tǒng)的觀點在現(xiàn)代傳統(tǒng)注射成型過程[1]呈現(xiàn)在圖1。機器參數(shù)顯示左邊的圖,和一些常見的模制品質(zhì)量的措施都列在右邊。在這個圖中,這個過程應該分為五個不同的耦合階段。每個階段的輸出不僅直接決定了初始條件的下一個階段,而且也影響一些最終品質(zhì)的模制品。
圖1:系統(tǒng)視圖的注射成型工藝
薄腔填充的聚合物熔體對應蠕動流(Re < < 1)這是一個溫度場耦合的特征是一個薄冷層(Pe > > 1)周圍的熱核心區(qū)域[2]。作為一個例子,考慮一個參考速度10厘米/秒,參考厚度3毫米的,和一個粘度100 Pa秒。在此基礎上的雷諾數(shù)情況下是非常小的,J(球),指示的有效性高粘性蠕動流的假設。此外,流區(qū)域充分考慮發(fā)達,都搖搖晃晃、重力效應可以忽略由于當?shù)丶铀俣瓤梢院雎圆挥?。另一方?熱擴散系數(shù)= k / Cp,典型的聚合物熔體是J(球)立方厘米/秒,運動粘度= h/ = 103平方厘米/秒;因此,普朗特號碼是關于J(106)和沛克萊數(shù)、Pe= Re*Pr, is J(103)。使用這些假設,質(zhì)量,動量,能量方程在笛卡兒坐標系統(tǒng)歸納為以下形式:
在z和x方向的厚度和回水區(qū);v是速度分量;P是壓力;h是剪切粘度;r、Cp和k是熱性質(zhì);是剪切率,是粘性加熱術語。
解決方案的壓力場在注射成型是通過耦合質(zhì)量和動量方程。通常,質(zhì)量方程提供了一種收斂性判據(jù)對流量哪些動量方程的迭代求解產(chǎn)生一個精確的壓力場。對于每個瞬間的時候,所有的節(jié)點壓力解決網(wǎng)格上的同時。迭代是需要更新的剪切率、粘度、流速估計直到完全收斂。對于一個可壓縮流,網(wǎng)絡質(zhì)量流量必須等于任何大規(guī)模的收益或損失在元素中[3]。必要的方程組可以開發(fā),組裝,解決了使用傳統(tǒng)的伽遼金配方固定網(wǎng)和瞬態(tài)熔體前沿。這樣一個仿真已經(jīng)被開發(fā)出來,并將用于評估策略發(fā)展過程以及實驗驗證。
過程開發(fā)：
概述注塑控制是顯示在圖2。在最內(nèi)層的級別,只有機執(zhí)行機構(gòu)監(jiān)管。這種級別的控制將確保正確執(zhí)行的程序機輸入(圖1)。第二層次,狀態(tài)變量如熔體溫度和熔體壓力控制跟蹤預定義的配置文件。這將提供更精確的控制狀態(tài)的融化。在最外層,機器的輸入進行調(diào)整,以提高零件的質(zhì)量通過更好的設置點給定質(zhì)量反饋。
圖2:系統(tǒng)圖的注塑控制
雖然機控制是很重要的,它是聚合物狀態(tài)(壓力,溫度,和莫粒度),它直接決定了模制品質(zhì)量[4,5]。因此,本文著重于關閉之間的循環(huán)機器參數(shù)和聚合物狀態(tài)。如果實現(xiàn),這些先進的控制策略將提供增加模制品的質(zhì)量和一致性。
腔壓力控制：
一個基本的狀態(tài)變量,該變量可以調(diào)節(jié)成型周期是腔壓力。閉環(huán)控制腔壓力能自動補償變化和注射壓力cosity融化力來實現(xiàn)一個一致的處理過程和制服組產(chǎn)品屬性[6]。曼介紹第一個壓力控制方案通過使用調(diào)制壓力釋放閥[7],阿布法拉開發(fā)了一個過程控制模型,由有關的空腔壓力應對開環(huán)擾動[8]。斯里尼瓦桑后使用這些模型來提出一個學習控制器閉環(huán)腔壓力控制[9]。自適應控制方法已經(jīng)被提出跟蹤腔壓力曲線在通常一個位置在模具[10 - 12]。
不幸的是,空腔壓力控制缺少一個系統(tǒng)的方法確定壓力分布圖。此外,它是因缺乏合適的執(zhí)行機構(gòu)為分布式壓力控制,作為傳統(tǒng)的成型機器配備了只有一個傳動裝置(螺旋),不允許同時腔壓力控制在多個點在模具?？紤]到交通系統(tǒng)在傳統(tǒng)熔體冷流道模具見圖3。很明顯,這個幾何是“天生”就進入模具。跑步者的位置是固定的,澆口尺寸也是固定的。由此產(chǎn)生的壓力分布無法控制沒有更不用說重整模具鋼。
圖3:典型的包裝壓力分布
探討可控性的注塑工藝,實驗設計一半階乘[13]是實驗來確定主要工藝參數(shù)之間的影響和部分關鍵尺寸:
在這個方程式中,機器參數(shù)有所縮減,范圍為0到1,表明最大可行處理范圍對于這個應用程序。由此產(chǎn)生的系數(shù)的線性模型是實際變化部分尺寸以毫米。應該指出的是,一旦加工完成,尺寸變化可以通過處理相當有限,盡管功能顯著。主要的結(jié)論,應該是從eq.(4),然而,是所有維度的反應類似的變化過程設置。因此,成型過程的行為作為一個自由度的過程只有一個質(zhì)量屬性是可控的。
南Suh之一的公理[14]指出,“獨立的設計應該保持的功能需求。“這公理應用開發(fā)多個自由度控制熔體流動和壓力在模具型腔。如圖所示圖4中,閥門計流動的熔體從跑步者進入模具型腔。壓降和流量的動態(tài)變化的融化是軸向運動控制的每個閥桿閥桿之間的差距和模壁。通過分離控制熔體在不同的閥桿位置,融化在每個門的控制可以覆蓋的影響,并且提供更好的壓機時間響應和微分控制的融化。每個閥作為一個個體噴射裝置,減輕依賴機器動力學。對于閉環(huán)控制、歧管壓力傳感器是用于跑步滴而不是在空腔。這個實現(xiàn)不僅提供更低的成本和更高的可靠性,但也使得傳統(tǒng)的外觀為系統(tǒng)。
圖4:動態(tài)流量調(diào)節(jié)的設計
由此產(chǎn)生的可控制性的注射成型工藝是在圖5展示了在多個壓力曲線可以維持在模具型腔的一個部分。在同一周期中,三個不同等級的熔體壓力都施加在不同蓋茨在同一模腔。控制壓力保持在門1階段41.4 MPa(6000 psi。),門2是41.4 MPa(6000 psi。),門3是20.7 MPa(3000 psi。),門4是62.1 MPa(9000 psi。)。在傳統(tǒng)注塑、熔體壓力將是相同的在所有蓋茨。這種級別的過程控制此前還沒有通過任何成型技術迄今為止。每個門可以施加特定的保壓壓力。
圖5:動態(tài)流量調(diào)節(jié)的設計
材料收縮和尺寸變化在不同的地點在部分基于輪廓和周圍的壓力歷史的大門。能力改變個體維度或其他質(zhì)量屬性沒有更不用說重整模具鋼提供了重要過程的靈活性。它可以增強情商(4)有額外的自由度和復試的可控性三個部分尺寸:
有兩個重要的影響這一結(jié)果。首先,閉環(huán)控制腔壓力大大降低的部分維度上的依賴機器設置,可以減少的幅度系數(shù)的主要機設置。這種效應也可以減少標準差的多個部分維度平均五個因素,從而提高過程能力指數(shù),Cp,從不足1到遠遠超出2。
其次,第二個矩陣在eq.(5)是提高尺寸可控性的證據(jù)提供的動態(tài)調(diào)節(jié)的腔壓力分布。一般來說,改變腔壓力靠近門口的一個維度提供了主要影響部分尺寸。另外,獨立的控制閥門的莖提供能力來改變尺寸在一個位置不干擾維度在另一個位置。這種靈活性不存在傳統(tǒng)的造型因為持有壓力變化旨在影響一個人區(qū)域的部分可能會傳播到其他地區(qū)的部分通過靜態(tài)給水系統(tǒng)。應當指出,然而,總級的可用空間的變化與動態(tài)壓力調(diào)節(jié)大約是相同的對于傳統(tǒng)的成型。
這些結(jié)果可能產(chǎn)生重大影響的產(chǎn)品和工具的發(fā)展過程。目前,數(shù)值模填充模擬和專家判斷結(jié)合起來估計過程的行為和做出重要的設計決策。如果這些決策是錯誤的,那么工具可能需要修改。改進的可控制性的注塑工藝對許多設計不允許修正在模具調(diào)試階段沒有重組。這種變化在開發(fā)過程中可以大大降低工具開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期,加速投放市場的時間。
上述過程的重要性還在于它移動聚合物控制從成型機,模具本身。這減少了成型機“聚合物泵。的變化在注射壓力,流量,壓力,或包次包裝都是通過動態(tài)補償?shù)膲毫蜏囟瓤刂?。市場的影響將是重大?因為1)老機沒有閉環(huán)控制可以提供一致性等于現(xiàn)代機器,和2)模具委托在成型機在美國是確保生產(chǎn)一致的部分在成型機海外。模具就變成自己的獨立的質(zhì)量控制機制。因此,潛在的生產(chǎn)力和質(zhì)量的提高是實質(zhì)性的。
溫度控制:
典型的熱路徑在冷卻階段的注射成型是熱量從熱的聚合物進行到相對較冷的模子,然后通過模具進行冷卻線,這是遷移走的冷卻劑。最近的研究試圖動態(tài)控制熱、流體性質(zhì)的熔體在成型周期。而動態(tài)壓力控制已被證明可行[15]和被商業(yè)化,相對較慢熱防止類似的漲幅瞬態(tài)熱管理。
冷卻階段的注塑周期并不適合多種原因影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量都經(jīng)濟學。物理過程決定了,模具溫度必須低于聚合物熱撓曲溫度,這樣剛性部分是驅(qū)逐。然而,冷模具溫度導熱聚合物熔體從熱到冷模在注射過程中造成皮膚的發(fā)展在外部的部分和傳播的冷凍層向核心的部分。這些凍層增加流動阻力,使模具型腔難以填補。因為冷凍層持續(xù)發(fā)展在注入和冷卻,他們“鎖定”不同程度的壓力和取向。這種變化在聚合物形態(tài)作為一個函數(shù)的厚度減少了光學、結(jié)構(gòu)、和其他部件的屬性(16 - 19)。
為了彌補的負面影響冷模具墻壁,制造商可能運行在更高的模具模溫、高溫度、高熔體注射壓力、注射速度和更高(20、21)。另外,較低的粘度聚合物或更高的可能需要部分壁厚與成本和/或性能的缺點。所有這些選項產(chǎn)生負面影響的經(jīng)濟生產(chǎn)。事實上,經(jīng)濟驅(qū)動程序規(guī)定在注射過程中較高的模溫(允許薄部分壁厚和較低的注射壓力),但降低模具溫度在冷卻(允許快速凝固)。
這個最優(yōu)模具溫度控制策略不可行鑒于目前控制策略和材料技術。模具的大小,加上其高的熱容和熱慣性,防止動態(tài)閉環(huán)控制的模具表面。這個聲明是基于客觀分析以及觀察之前的學術和工業(yè)[22- 34]。例如,詹森[35],陳[36],和其他研究人員利用一個熱電裝置在模具壁動態(tài)加熱和冷卻部分模具。然而,時間響應這些主動控制元素速度相對較慢,在訂單的秒。同樣,有誘導能力有限大熱微分由于質(zhì)量和性能的模具。
替代人員(25、26、31、32]利用薄絕緣涂層表面的模具來延遲發(fā)作的凍結(jié)直到聚合物注入。這種涂料沒有提供足夠的耐久性,但類似的技術被成功地利用金屬壓模生產(chǎn)的背后在光學媒體減少周期時間0.2秒。在一個更廣泛的范圍,模具插入與高導熱[27-29]被更頻繁地用來增加傳熱的速度在厚和/或熱節(jié)的部分。
如前所述,沒有熱電或其他熱致動器的存在,將提供所需的瞬態(tài)模壁溫度控制。此外,其他被動元素(如絕緣體和導體)只能延遲或增大熱流從聚合物熔體冷卻線。它是可以從這些先前的動態(tài)閉環(huán)控制策略已經(jīng)無法增加模制品的性能或降低生產(chǎn)成本。涂料和插入方法不采用主動控制元素,已經(jīng)證明有效的和正在接受有些和滲透在成型行業(yè)。對于塑料行業(yè),任何成功的技術必須需要小額外的復雜性和成本而被足夠健壯的高批量生產(chǎn)。
當前研究的目的是開發(fā)一種新的、更能夠動態(tài)控制方法的模壁溫度在整個注塑過程。由此產(chǎn)生的技術應該使高模壁溫度在注射和包裝階段促進聚合物流和均勻的部分屬性,然后誘導低模壁溫度促進凝固的模制品。理想情況下,模壁溫度應該等于熔體溫度在充填,但等于室溫冷卻過程。這種解耦的模具溫度在成型周期尚未實現(xiàn)。動態(tài)溫度控制將使三個主要的好處:
1。高質(zhì)量的零件。通過增加模具溫度在聚合物注入,開發(fā)一個外層皮膚和凍層將是完全可以避免的。壓力和熱梯度在部分將被最小化,進而減少雙折射、低殘余應力等。
2。減少壁厚。通過維護一個高模具溫度在聚合物注入,流電導將大大增加。這將允許劇烈的壁厚減少或更少的蓋茨。
3。減少周期時間。通過減少模具壁溫度在冷卻階段,部分將更迅速凝固,導致顯著的生產(chǎn)力的提高。此外,較低的溫度會導致顯著的噴射成型后收縮從而減少少需要尺寸的變化。
當前的方法包括三個簡單概念圖6所示。首先,模具冷卻液保持在較低的溫度比通常與傳統(tǒng)注射成型是可行的。接下來,一個重要的臨時過后瞬態(tài)是異形的模具鋼開始前可使對流加熱的氣體注入一整個表面的模具根據(jù)已知的時間/溫度/流量剖面。最后,成型周期開始與傳熱動力學進行“開環(huán)”獲得所需的動態(tài)模壁溫度行為作為時間的函數(shù)在成型周期。
圖6:動態(tài)冷卻控制
這個簡單的過程概念利用現(xiàn)有實踐塑料產(chǎn)業(yè)的順利實施。例如,對流加熱的氣體有助于快速加熱的模具表面但需要氣體加熱的氣體通道退出。這些氣體通道已經(jīng)存在于通風口的所有現(xiàn)有的注塑模具。另外一個例子,考慮所需能量移除熱量從模具——現(xiàn)有基礎設施的冷卻劑管線和模具冷水機組是足夠的。因此,只有一個高溫、高壓氣體供應是必要的,甚至這種類型的輔助設備被用于氣體輔助注射成型。
因為實驗工作是不完整的,系統(tǒng)的方程(1),(3)已經(jīng)解決了與一個三對角解算器提供一個溫度剖面通過厚度的每個流元素對于每個時間步的流程解決方案。粘性流動和傳熱分析因此耦合提供非等溫、非牛頓、可壓縮仿真的所有階段的注射成型工藝。這個過渡過程仿真將被用來分析傳統(tǒng)造型的1.2毫米厚的光盤在塑造整潔聚碳酸酯熔體溫度300 c和模具冷卻劑溫度100 c。擬議的過程也會建模與初始加熱模具表面溫度260 c和模具冷卻劑溫度0 c。其他重要的工藝參數(shù)如充填壓力、注射速度、模具開放時間,和其他人一直保持不變的一面鏡子觀察生產(chǎn)光學媒體。
提供一個準確的表示過程,二十成型周期進行模擬,結(jié)果前面的熱循環(huán)是初始狀態(tài)到下一個循環(huán)。這將允許一個估計的溫度曲線在整個模具周期開始的時候,如果模具一直在生產(chǎn)運行穩(wěn)定狀態(tài)。
結(jié)果通過截面溫度分布的聚合物(陰影區(qū)域)和模具繪制重要時間事件圖7。跟蹤# 0表示初始溫度剖面的模具當聚合物注入。在傳統(tǒng)的過程中,模具是在較低的溫度下在注射過程中,造成100 c微分之間的聚合物的皮膚和核心。在擬議的過程,一個熱瞬態(tài)啟動,提供一個高模具表面溫度。改變氣體溫度和時間曝光可以修改初始溫度分布在模具。
圖7:溫度通過截面部分&模具
隨后的溫度分布曲線代表每隔一秒鐘。這一點體現(xiàn)在這些圖表,傳統(tǒng)造型已經(jīng)完全反向溫度行為從什么是期望的。冷模具壁在注射過程中會導致增加流動阻力和減少部件的屬性而熱模具冷卻劑降低了傳熱在部分冷卻。減少模具冷卻劑溫度顯著增加了傳熱在冷卻但進一步降低了模壁溫度在注入…這是必要的對于周期時間減少。擬議的過程提供了最小熱瞬態(tài)在注射過程中但仍允許快速的后續(xù)部分冷卻。
熱梯度圖7是至關重要的預測和控制其他過程動力學和隨后的部分屬性。在注射過程中,例如,增加流電導是理想,以減少所需的注射壓力。這不僅使生產(chǎn)更大的部分給一個指定的設備能力,同時增加了均勻的部分屬性。鑒于流變和熱力性質(zhì)的聚碳酸酯,由此產(chǎn)生的壓力從中心到輪廓的邊緣是光盤如圖8所示。壓力分布的模具填充結(jié)束時表現(xiàn)為固體跟蹤。在填充、高流速和流動阻力將引起嚴重的注射壓力填充模具型腔。圖8所示,傳統(tǒng)的成型需要大約19 Mpa壓力填充模具。擬議的過程使近等溫灌裝的模具與注射壓力下降到12 Mpa。這減少了注射壓力確實極大地擴大產(chǎn)品的可塑性,需要更少的能量,使成型制造更大的部分,并增加了部分質(zhì)量的均勻性。
圖8:徑向壓力等高線在光盤
一旦模具型腔充滿熔融聚合物,額外的融化是被迫進入模具型腔在高壓力來補償體積收縮的凍層傳播走向的核心部分。制造光學媒體和鏡頭,準確的表面復制和低雙折射是期望的。前者屬性需要高腔壓力而后者屬性要求均勻聚合物形態(tài)之間和通過部分。圖8所示通過虛線,包括傳統(tǒng)的造型和提議的過程提供非常均勻徑向腔壓力充填階段的開始。
這個的意義和壓力所示的熱歷史Fig.7和8也可以看做是通過檢查輸出部件的屬性。作為一個例子,我們將考慮雙折射,由一種光學性質(zhì)的變化,迫使光旅行在兩個或兩個以上的不同的速度而傳播通過光盤。與給定級別的聚碳酸酯,折射率是直接相關的特定卷模制品[37、38)。Fig.9顯示一個截面的特定卷寬,通過光盤在彈射?？v軸代表的徑向方向而橫坐標代表了厚度方向擴的光盤。圖表已經(jīng)設置為相同的規(guī)模和可能比較直接。在傳統(tǒng)的造型,一個顯著的凝固層的發(fā)展靠門的地方(中心部分)已凍在高注入和包裝壓力。腔壓力外半徑顯著較低的部分在包裝階段的結(jié)束和整個冷卻階段在這兩種情況下。
圖9:比容的橫截面的光盤
Fig.9也顯示了潛在的質(zhì)量改進應該可控性的熱瞬態(tài)實現(xiàn)。因為模具是在等溫條件下了,沒有凝固層發(fā)展到最后的包裝階段和空腔壓力是統(tǒng)一整個腔。這種均勻性將使以前未達到的表面復制、低雙折射、維度屬性。特定的體積幾乎是常數(shù)在半徑的光盤通過第一個30%的厚度,這是至關重要的領域,是后來metallicized和掃描。
結(jié)論:
本文討論了研究策略獲得可控性的注射成型工藝。上述過程是強有力的推動者成型行業(yè)。Multicavity壓力控制使空間解耦增加自由度的數(shù)目,治理質(zhì)量屬性。動態(tài)溫度控制使時間解耦的注入和凝固階段增加過程性能。因此,潛在的生產(chǎn)力和質(zhì)量的提高從這些流程是實質(zhì)性的。
這是我們的更廣泛的意圖提供堅實的成功案例和正在進行的研究在生產(chǎn)之前以激勵類似項目外的聚合物加工。我們相信嚴格的設計方法是實現(xiàn)基于該基金會由美國國家研究委員會,盡管這種方法目前并不存在于實踐。這種方法是基于三個基本支柱:
1.建立量化的性能屬性與定義良好的關系對經(jīng)濟measurables…提供了基線合理化發(fā)展;
2.使用模擬和控制實驗…調(diào)查理論可行性和建立績效目標;
3.結(jié)合現(xiàn)代設計方法…提供強勁的制造過程的基于約束的管理。
這種制造工藝設計可以提供競爭優(yōu)勢的突破。最近的研究在制造和設計已經(jīng)過于集中在魯棒性和一致性。作為行業(yè)繼續(xù)降低其研究重點,這是學術界的責任和機會去冒更大的風險并從根本上提供新的加工技術。
致謝：
這個工作是由1992年到2002年期間通過(順序)通用電氣塑料,Dynisco儀器,斯坦福大學集成制造協(xié)會,夏威夷科納公司,美國能源部創(chuàng)新過程計劃,國家科學基金會部門設計、制造、和工業(yè)創(chuàng)新,惠普公司,和美國辦公室的海軍研究。
:附錄2： 外文原文
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