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 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構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;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量和動量方程。通常,質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。在最內層的級別,只有機執(zhí)行機構監(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,機器的輸入進行調整,以提高零件的質量通過更好的設置點給定質量反饋。 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?！斑@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?？刂茐毫Ρ３衷陂T1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)壓力調節(jié)大約是相同的對于傳統(tǒng)的成型。 這些結果可能產(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蜏囟瓤刂啤Ｊ袌龅挠绊憣⑹侵卮蟮?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量控制機制。因此,潛在的生產(chǎn)力和質量的提高是實質性的。 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、結構、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。縱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)力和質量的提高從這些流程是實質性的。 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…調查理論可行性和建立績效目標; 3.結合現(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