滅火器筒座注塑模具設(shè)計(jì)（畢業(yè)設(shè)計(jì)）,滅火器,注塑,模具設(shè)計(jì),畢業(yè)設(shè)計(jì) 立體光照成型的注塑模具工藝的綜合模擬 摘要　　功能性零部件都需要設(shè)計(jì)驗(yàn)證測試，車間試驗(yàn)，客戶評價(jià)，以及生產(chǎn)計(jì)劃。在小批量生產(chǎn)零件的時(shí)候，通過消除多重步驟，建立了有快速成型形成的注塑模具，這種方法可以保證縮短時(shí)間和節(jié)約成本。這種潛在的一體化由快速成型形成注塑模具的方法已經(jīng)被多次證明是可行的。無論是模具設(shè)計(jì)還是注塑成型的過程中，缺少的是對如何修改這個(gè)模具材料和快速成型制造過程的影響有最根本的認(rèn)識。此外，數(shù)字模擬技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成為模具設(shè)計(jì)工程師和工藝工程師開注塑模具的有用的工具。但目前所有的做常規(guī)注塑模具的模擬包已經(jīng)不再適合這種新型的注塑模具，這主要是因?yàn)槟＞卟牧系某杀咀兓艽?。在本文中，以完成特定的?shù)字模擬注塑液塑造成快速成型模具的綜合方法已經(jīng)發(fā)明出來了，而且還建立了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，目前這個(gè)方法非常適合處理快速成型模具中的問題。 關(guān)鍵詞　　注塑成型,數(shù)字模擬,快速成型 １引言　 　　在注塑成型中，聚合物熔體在高溫和高壓下進(jìn)入模具中。因此，模具的材料需要有足夠的熱性能和機(jī)械性能來經(jīng)受高溫和高壓的塑造循環(huán)。許多研究的焦點(diǎn)都是直接有快速成型形成注塑模具的過程。在生產(chǎn)小批量零件的時(shí)候，通過消除多重步驟，直接由快速成型形成的注塑模具可以保證縮短時(shí)間和節(jié)約成本。這種潛在的有快速成型形成注塑模具的方法已經(jīng)被證明成功了?？焖俪尚湍＞咴谛阅苌鲜怯袆e與傳統(tǒng)的金屬模具。主要差異是導(dǎo)熱性能和彈性模量（剛性）。舉例來說，在立體光照成型模具中的聚合物的導(dǎo)熱率小于鋁制的工具的千分之一。在用快速成型技術(shù)來制造鑄模時(shí)，整個(gè)模具設(shè)計(jì)和注塑成型工藝參數(shù)都需要修改和優(yōu)化，傳統(tǒng)的方法是改變徹底的刀具材料．不過，目前還沒有對如何修改這個(gè)模具材料的方法有根本的了解．在當(dāng)前的模具中，僅僅改變一些材料的性能是不能得到一個(gè)合理的結(jié)果的。同樣，使用傳統(tǒng)方法的時(shí)候，實(shí)際生產(chǎn)的零件也會有出先次品。因此，研究出一個(gè)快速成型過程，材料和注塑模具之間的互動關(guān)系是非?；鸺钡摹＿@樣就可以確定模具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和快速模具的注塑的技術(shù)。 　　此外，計(jì)算機(jī)模擬是一種預(yù)測模塑件的質(zhì)量的有效的方法。目前，商用仿真軟件包已經(jīng)成為模具設(shè)計(jì)師和工藝工程師在注塑過程中例行性的工具。不幸的是，目前常規(guī)注塑成型的模擬程序已經(jīng)不再適用于這個(gè)快速成型模具，因?yàn)樗鼧O大的需要不同的刀具材料。例如，利用現(xiàn)在的仿真軟件在鋁和立體光照模具之間做個(gè)實(shí)驗(yàn)比較一下，雖然鋁模具模擬植的部分失真是合理的，但是結(jié)果是不可以接受的，因?yàn)檎`差超過了百分之五十。在注塑成型中，失真主要是由于塑料零件的收縮和翹曲，模具也是一樣的。對于通常模具，失真的主要因素是塑料件的收縮和翹曲，這個(gè)在目前的模擬中能測試準(zhǔn)確。但是對于快速成型模具，潛在的失真會更多，在當(dāng)前的測試中，其中就會有些失真會被忽視。例如，用一個(gè)簡單的三步驟模擬分析模具變形的時(shí)候，就會出現(xiàn)很多偏差。 　　在本文中，基于以上分析，一個(gè)新的快速成型模具的仿真系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出來了。擬議制度著重于預(yù)測部分失真，主要是用與預(yù)測快速成型模具的缺陷。先進(jìn)的仿真系統(tǒng)可以用于預(yù)測快速成型模具設(shè)計(jì)和工藝是否最合理。我們的仿真系統(tǒng)已經(jīng)被我們的實(shí)驗(yàn)證明是沒有錯(cuò)誤的。 　　雖然有很多材料可以用于快速成型技術(shù)，但是我們還是專注于利用立體光照模具的技術(shù)來制造聚合物模具．立體光照成型的過程是利用激光能量一層一層建立零件的部分。使用立體光照則可以體現(xiàn)出雙方在快速成型工業(yè)的商業(yè)優(yōu)勢，而且在以后也可以生產(chǎn)出準(zhǔn)確的，高品質(zhì)的零部件。直到最近，立體光照主要是用于建立物理模型，為了檢查視覺效果，僅僅只利用了它的一點(diǎn)點(diǎn)功能。不過，新一代的立體光照的光改善了立體化，機(jī)械性能，熱學(xué)性能，所以它可以更好的應(yīng)用于實(shí)際的模具中。 2 綜合仿真的成型過程 2.1 方法 為了在注塑成型過程中模擬立體光照模具的功能，反復(fù)的試驗(yàn)中得到了一個(gè)方法。不同的軟件組已經(jīng)開發(fā)出來了，而且也已經(jīng)做到了這一點(diǎn)。主要的假設(shè)是，溫度和負(fù)載邊界條件造成立體光照模具的扭曲，仿真步驟如下： 　　１部分幾何模型則作為一個(gè)實(shí)體模型，這將通過流量分析軟件包被翻譯到一個(gè)文件中。 ２模擬光聚合物模具中熔融體填充的過程，然后輸出溫度和壓力的資料。 　?。吃谇耙徊将@得了熱負(fù)荷和邊界條件，然后對光模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，其中失真的計(jì)算是在該注塑過程中進(jìn)行的。 　?。慈绻＞叩呐で諗苛耍敲粗苯舆M(jìn)行下一步．否則，扭曲的型腔（改動扭曲后的型腔的尺寸）返回第二個(gè)步驟，以熔體形式模擬注入扭曲的模具中。 　?。等缓笞⑸涑尚土慵氖湛s和翹曲模擬就開始應(yīng)用了，算出該成型零件最終的扭曲部分． 　　上述的模擬流動中，基本上是三個(gè)仿真模塊。 2.2充型模擬的熔體 2.2.1數(shù)字建模 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)能成功的預(yù)測到在極其復(fù)雜的幾何形狀下的填充情況。然而，目前大多數(shù)字模擬是基于一種混合有限元和有限差的中性平面上的。模擬軟件包的應(yīng)用過程基于這一模型說明圖１。然而，不同與ＣＡＤ系統(tǒng)中模具設(shè)計(jì)中的表面／實(shí)體模型，這里所謂的中性平面（如圖所示，圖１Ｂ）是一個(gè)假想的在中間型腔中有距離和方向的一個(gè)平面，這個(gè)平面可能會在應(yīng)用的過程中帶來很大的不便。舉例來說，模具表面常用于目前的快速成型系統(tǒng)中（通常是ＳＴＬ格式），所以當(dāng)用模擬軟件包的時(shí)候，第二次建模是不可避免的。那是因?yàn)槟Ｐ驮诳焖俪尚拖到y(tǒng)和仿真系統(tǒng)中是不一樣的?？紤]到這些缺點(diǎn)，在模擬系統(tǒng)中，型腔的表面將以基準(zhǔn)面來引入，而不是中性平面。 　　根據(jù)以往的調(diào)查，流量和溫度場的方程式可以寫為： X,Y是中性平面坐標(biāo)系中的兩個(gè)平面，Ｚ是高度坐標(biāo)，Ｕ，Ｖ，Ｗ是Ｘ，Ｙ，Ｚ方向上的速度．Ｕ，Ｖ是整體的平均厚度，η, ρ,CP (T), K(T)分別表示聚合物的粘性，密度，周期熱，熱導(dǎo)率。 圖１ Ａ－Ｄ是中性平面的模擬程序．Ａ是３維表面模型，Ｂ是中性平面模型，Ｃ是網(wǎng)狀的平面模型，Ｄ是最后的模擬結(jié)果 　　此外，在高度方向上的邊界條件的誤差可以表示為： 正如圖２中的Ａ中表示，TW 是恒壁溫度.結(jié)合方程１－４和方程５－６，表明了u, v, T, P在Ｚ坐標(biāo)上面應(yīng)該是對稱的，因此在上半個(gè)高度中的平均u, v應(yīng)該和整個(gè)高度中的平均u, v是一樣的。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，我們可以把整個(gè)型腔在上下高度上分為兩個(gè)部分，正如圖２Ｂ中的第一部分和第二部分。同時(shí)，型腔（如圖２Ｂ）表面產(chǎn)生的三角有限元將替代了中性平面（如圖２Ａ）。因此，在高度方向上的有限元誤差僅僅限于型腔表面，正如圖２Ｂ所示，高度上的誤差將從０到Ｂ。這是中性平面上的單一性。此外，從圖２Ａ到圖２Ｂ，坐標(biāo)也隨之改變了。為了配合上述調(diào)整，方程仍是用方程１－４。然而，原來的邊界條件高度方向則改寫為： 與此同時(shí)，為了保持在同一坐標(biāo)（７）上的兩部分能夠流動，那么更多的邊界條件必須滿足Ｚ＝Ｂ。 下標(biāo)I和II則分別代表第一部分和第二部分的參數(shù)．Cm-I 和Cm-II 則表示在填充階段中分開的兩個(gè)表面上的自由移動的熔融線。 　　應(yīng)該指出的是，方程９與１０和方程７與８不同，９和１０在數(shù)字模擬過程中將變的更難，主要原因是以下幾點(diǎn)： 　?。蓖粋€(gè)斷層的表面都已經(jīng)都已經(jīng)有著特殊的網(wǎng)格，這將導(dǎo)致同一層上的獨(dú)特的格局．因此，在比較兩個(gè)熔接口的時(shí)候，應(yīng)該計(jì)算出各自的u, v, T, P。 　?。惨?yàn)閮蓚€(gè)部分都有各自的流道通向節(jié)點(diǎn)Ａ和節(jié)點(diǎn)Ｃ（如圖２Ｂ所示）．在同一段中，有可能兩個(gè)都充滿，也有可能一個(gè)滿，一個(gè)空．這兩個(gè)情況應(yīng)該分開處理，應(yīng)該平均流動，使后者也分配到流動。 　　３這意味著在前線熔合處出現(xiàn)一點(diǎn)點(diǎn)小的誤差是可以允許的．通過控制時(shí)間和選擇更好的位置來控制前線熔合節(jié)點(diǎn)。 　　４每個(gè)流場的邊界都擴(kuò)張到熔線前線，所以核查方程１０是否準(zhǔn)確是相當(dāng)重要的。 　　５鑒于上述分析，在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的物理參數(shù)應(yīng)該加以比較和調(diào)整。所以在進(jìn)行模擬之前，描述同一節(jié)點(diǎn)有限元的信息應(yīng)該準(zhǔn)備好，也就是說，匹配的原理應(yīng)該先預(yù)備好。 圖２ Ａ－Ｂ表明表面模型中的中性平面Ｂ的高度方向Ａ上的邊界條件 2.2.2數(shù)字模擬 壓力場．在建模中，粘度 η是由于熔提的剪切速率，溫度和壓力引起的性能．剪切變稀后，這就代表一個(gè)跨越式的模式，例如： 其中對應(yīng)于冪律指數(shù)，τ的特點(diǎn)是在在牛頓和冪律漸近極限之間的剪應(yīng)力過渡區(qū)。無論在溫度還是壓力指數(shù)上，η0(T, P)都可以有合理的表示，詳情如下： 方程11和12構(gòu)成了一個(gè)五個(gè)常數(shù)，可以代表粘度，而且通過粘度的剪切速率的計(jì)算可以得到： 根據(jù)上述情況，通過方程1—4，我們可以推斷出一下充氣壓力方程： 其中S是由計(jì)算出來的。運(yùn)用伽遼金方法，對壓力的有限元方程推導(dǎo)為： 其中l(wèi)是所有要素的的導(dǎo)線，包括節(jié)點(diǎn)N，而且其中i和j代表此處的N節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，的計(jì)算方法如下： 其中代表三角有限元，而代表有限元中的壓力。 溫度場中，為了確定高度方向上的誤差，應(yīng)該在模具表面上分為一層一層的三角有限元的網(wǎng)格。左邊的能量方程4可以表示為： 其中代表每一層N節(jié)點(diǎn)上的溫度。熱傳導(dǎo)的計(jì)算方法是： 其中l(wèi)是所有要素，包括節(jié)點(diǎn)N，而且i和j分別代表此處的N節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。 對流項(xiàng)的計(jì)算方法是： 當(dāng)是粘性熱時(shí)，計(jì)算方法是： 把方程17—20帶入方程4，溫度方程變?yōu)椋? 2.3 模具結(jié)構(gòu)分析 結(jié)構(gòu)分析的目的是預(yù)測在填充過程中，模具由于熱和機(jī)械壓力而產(chǎn)生的變形。這個(gè)模型是基于一個(gè)三維熱邊界元法。邊界元法是比較適合這個(gè)應(yīng)用的，因?yàn)橹挥凶冃蔚哪＞弑砻娌庞羞@樣的信息。此外，邊界元法有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是在計(jì)算變形的模具的時(shí)候，它的計(jì)算是不會白費(fèi)的。 模具在所受載荷超過彈性范圍的時(shí)候會產(chǎn)生應(yīng)力。因此，在決定模具變形的時(shí)候，模具材料是一個(gè)基準(zhǔn)。模具的熱性能和力學(xué)性能是各向同性的，而且溫度也是獨(dú)立的。 盡管這個(gè)過程是循環(huán)的，但是相同時(shí)間的溫度和熱流都是可以用于計(jì)算模具變形的．通常情況下，在模具里面每個(gè)瞬間溫度都局限于型腔的表面和噴嘴的頂端。在觀察距離的時(shí)候，瞬間的衰減變化是很微笑的，小于２．５毫米．這說明在模具的噴嘴處的變形是很小的，因此，忽略這個(gè)影響也是合理的．穩(wěn)態(tài)溫度場滿足拉普拉斯方程?2T = 0的邊界條件。至于機(jī)械邊界條件，型腔表面受到熔體的壓力，模具的表面會連接到工作臺上的，而其他的外部表面將會假設(shè)是自由的.熱邊界的推導(dǎo)方程１０是大家都知道的，這是由于： 其中uk, pk和Ｔ分別是位移，牽引力和溫度。α, ν是代表材料的膨脹系數(shù)和泊松比。Ulk是在ＸＹ方向上基本的位移。在一個(gè)三維空間中，各向同性彈性區(qū)域中，由一個(gè)單元產(chǎn)生的負(fù)荷主要集中在xl方向上，它是以下面的形式產(chǎn)生的： 其中δlk是Kronecker三角函數(shù)，μ是該模具材料的剪切模量。Plk的基本收縮都是在模具表面的每個(gè)Ｎ節(jié)點(diǎn)處測量的，可以表示為： 整個(gè)Ｎ將分散在模具的表面上，轉(zhuǎn)變?yōu)榉匠蹋玻玻? 其中Γn是指在這個(gè)區(qū)域上的表面成分。 　　把恰當(dāng)?shù)木€性函數(shù)代入方程２５，得到的線性邊界方程就是模具的方程．這個(gè)方程適用于每個(gè)離散的模具表面，從而組合成線性方程組，其中Ｎ是節(jié)點(diǎn)的總數(shù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有八個(gè)相關(guān)數(shù)量，三個(gè)位移組成部分，三個(gè)牽引組成部分，還有溫度和熱流量。在穩(wěn)態(tài)熱模型中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的溫度和磁場是已知的，余下的６個(gè)量中，三個(gè)必須是已知的。此外，在若干個(gè)節(jié)點(diǎn)處的位移值的方程必須消除剛體運(yùn)動和剛體自轉(zhuǎn)的奇異系統(tǒng)。由此產(chǎn)生的系統(tǒng)方程式是一個(gè)集合起來的綜合矩陣，它可以為有限元方法求解。 　　基于方程１２的注塑假設(shè)，下面將給出元件的應(yīng)力和應(yīng)變： 該偏元件的應(yīng)力和應(yīng)變分別是： 用類似的方法可以預(yù)測在回火玻璃中的殘余應(yīng)力了。以積分的形式在平面上分析粘性和彈性結(jié)構(gòu)關(guān)系時(shí)，可以表示為以下公式： 其中G1是材料的的剪切模量。擴(kuò)張的應(yīng)變的情況如下： 其中Ｋ是材料體積的彈性模量，α和θ的定義是： 如果α(t) = α0，那么方程２７到方程２９的結(jié)果則為： 同樣的，利用方程３１到方程２８消除應(yīng)變εxx(z, t)，得到： 利用拉普拉斯變化方程３２，輔助系數(shù)R(ξ)由下面的方程得出： 　　利用上述方程３３，并簡化在模具中的應(yīng)力和應(yīng)變的形式，那么注塑中殘余的應(yīng)力在冷卻階段中，由下面的方程獲得： 方程３４可以通過梯形正交被解決。由于材料的時(shí)間在快速的變化，所以需要一個(gè)準(zhǔn)數(shù)控程序來檢測。輔助模量是檢測數(shù)控梯形的規(guī)則。 　　關(guān)于翹曲分析，節(jié)點(diǎn)位移和曲率將以殼單元表達(dá)為： 其中[ k ]單元剛度矩陣，[Be]是衍生算子矩陣，mzebxcnn0是位移，{re}是　負(fù)載單元，可以由下面的方程得出： 使用完整的三維有限元分析法的好處就是可以準(zhǔn)確知道翹曲的結(jié)果。但是，當(dāng)零件的形狀很復(fù)雜的時(shí)候，它也是相當(dāng)麻煩的。在本文中，在殼體理論基礎(chǔ)上介紹了一種二維有限元分析方法。這種方法被大量使用是因?yàn)榇蠖鄶?shù)注塑模具的零件都有一些部分幾何的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他部分。因此，那些部分則可以被作為一個(gè)集會的單元來預(yù)測翹曲。每三個(gè)節(jié)點(diǎn)殼單元組合成一個(gè)恒應(yīng)變?nèi)菃卧鸵粋€(gè)離散克?；舴蛉窃?，如圖３所示，因此翹曲可以分為平面伸展變形ＣＳＴ和板彎曲變形ＤＫＴ。并相應(yīng)的以單元剛度矩陣來描述翹曲的拉伸剛度矩陣和彎曲剛度矩陣。 圖３ a-c是殼單元在局部坐標(biāo)系統(tǒng)里的變形分解．a(chǎn)是平面伸展元素，b是平面彎曲元素，c是殼單元 三 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 對提出的模型進(jìn)行了評定和發(fā)展，最后核查是非常重要的。從模型模擬中得到的扭曲數(shù)據(jù)將和文獻(xiàn)８中的立體光照模具數(shù)據(jù)比較。如圖４所示，有一個(gè)注塑尺寸36 × 36 × 6毫米和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中是相同的。薄壁和加強(qiáng)筋的厚度都是1.5毫米，這個(gè)注塑材料是聚丙烯。注塑機(jī)的型號是ARGURY　Hydronica320-210-750，它的工藝參數(shù)是，熔解溫度是２５０度，模具溫度是３０度，注塑壓力是１３.７９帕，保壓時(shí)間是３秒，冷卻時(shí)間是４８秒。立體光照模具材料使用杜邦SOMOSTM６１１０樹脂，能抵御高達(dá)３００度的高溫。如上所述，熱傳導(dǎo)是區(qū)分立體光照模具和傳統(tǒng)模具的一個(gè)重要因素。模具中的熱量轉(zhuǎn)移會產(chǎn)生溫度的不均勻分布，所以導(dǎo)致了成型零件的翹曲．立體光照成型模具的周期是可以預(yù)測的。以高的熱傳導(dǎo)率金屬為背面做的薄殼立體光照模具將會增加自身的熱傳導(dǎo)率。 圖４ 模型腔 圖５ 不同的熱傳導(dǎo)率下，在Ｘ方向上的扭曲失真比較．實(shí)驗(yàn)值，三步走和常規(guī)都是指最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果．常規(guī)是指實(shí)驗(yàn)中最好的結(jié)果．三步走步驟的模擬過程分別與傳統(tǒng)的注塑成型相似 圖６ 在不同的熱傳導(dǎo)率下，在Ｙ方向上的扭曲失真比較 圖７ 在不同熱傳導(dǎo)率下，在Ｚ方向上扭曲失真比較 圖８ 不同熱傳導(dǎo)率下各個(gè)捻度變量的比較 　　對于這個(gè)部分，扭曲包括三個(gè)方向上的位移和捻度（兩個(gè)最初的平行邊的夾角的誤差）．如圖５到圖８，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些數(shù)值也包括通過傳統(tǒng)注塑模具模擬系統(tǒng)預(yù)測的扭曲值和報(bào)道［３］中的三步驟。 ４結(jié)論 　　本文介紹了一個(gè)綜合模擬的快速成型模具的方法，并且建立了相應(yīng)的仿真系統(tǒng)。為了驗(yàn)證這個(gè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)還進(jìn)行了快速焊接立體光照成型模具。 　　很明顯，立體光照模具也會出現(xiàn)傳統(tǒng)的注塑模具模擬軟件一樣的故障．假設(shè)由于注射中的溫度和負(fù)載荷引起了扭曲．那么用三步驟完成的話，結(jié)果也會出現(xiàn)比較多的誤差。不過更先進(jìn)的模型會使結(jié)果更接近與實(shí)驗(yàn)。 　　立體光照模具改進(jìn)了熱傳導(dǎo)率極大的增加了零件質(zhì)量．由于溫度比壓力（負(fù)載）對模具的影響更大，所以改進(jìn)立體光照模具的熱傳導(dǎo)率可以更顯著的提高零件質(zhì)量。 　　無論零件多么復(fù)雜，快速成型技術(shù)可以使人們造型更快，更便捷，更便宜．在快速成型穩(wěn)步發(fā)展的基礎(chǔ)上，快速制造也將隨之而來，并且需要更多的精確工具來確定工藝過程的參數(shù)．現(xiàn)行的模擬工具不能滿足研究者研究模具相對的變化。正如本文中所述，對于一個(gè)綜合模型來說，要預(yù)測最后零件質(zhì)量是相當(dāng)重要的。在不久的將來，我們期待看到通過快速成型擴(kuò)展到快速模具制造的模擬程序。 參考文獻(xiàn) [1] Wang KK (1980) System approach to injection molding process.　Polym-Plast Technol Eng 14(1):75–93. 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