j j 青島科技人學研究生學位論文 基于c a e 技術的雙層熱流道注射模具 的優化設計 摘要 模具工業在國民經濟中占有非常重要的地位 模具技術的進步 不僅關系到 機械產品的開發和應用 還影響到汽車 家用電器 電子 化工等新產品 新技 術的開發和應用 當需要生產大批量扁平薄壁淺腔型的薄板 片 類和框架類塑件時 若使用 傳統的單層注射模具來生產 所需注射機鎖模力大 注射量大 而模具的開模行 程和模具厚度又很小 注塑量往往不到注射機額定值的1 4 1 3 機器的生產能 力未能充分施展 不但生產效率不高 而且浪費水電和工時 雙層熱流道技術是 當今注塑及模具工業發展的一項前沿技術 該技術具有大幅度提高產量及生產效 率 有效利用生產設備 改善制品質量等顯著優點 運用c a e 技術對雙層熱流 道進行模擬分析是一項新的前沿技術 目前 c a e 模擬分析還只是停留在對單層 普通澆注系統模具的分析或者是對雙層冷流道的分析上 對雙層熱流道模擬分析 還是一項技術空白 因此 運用c a e 技術分析雙層熱流道具有重要的研究意義 本課題主要工作如下 1 應用所學相關理論知識 研究雙層熱流道注射模的結構特點及理論計 算 設計出新型雙層熱流道注射模具 2 查閱國內外相關資料 在對熱流道和普通流道澆注系統 單層模具與 雙層注射模具進行比較分析的基礎上 運用p r o e 軟件進行三維設計 檢查開 合模是否有干涉現象 設計完成雙層熱流道注射成型模具 3 對注射模c a e 技術的內容和功能做了詳細的論述 并應用注射模分析 軟件 m o l d f l o w 軟件 對澆口位置以及數量進行優化分析 最終確定最佳的澆 口位置和數量 4 運用m o l d f l o w 數值模擬方法 對澆注系統 保壓及成型工藝參數進行 優化設計 對模具進行計算機輔助模擬分析 即c a e 分析 關鍵詞 模具雙層熱流道注射模m o l d f l o w 模擬分析優化設計 青島科技人學研究生學位論文 o p t i m u md e s i g nf o r d o u b l eh o t r u n n e r i n j e c t i o nm o l db a s e do nc a e m o l di n d u s t r yh a sa l li m p o r t a n ts t a t u si nn a t i o n a le c o n o m y t h ei m p r o v e m e n to f t h em o l dt e c h n o l o g yc a l li n f l u e n c et h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fn e wt e c h n o l o g y t h et e c h n o l o g yn o to n l yr e l a t e dt om e c h a n i cp r o d u c t sb u ta u t o m o t i v ei n d u s t r y h o u s e h o l da p p l i a n c e s e l e c t r o n i ci n d u s t r i e sa n dc h e m i c a li n d u s t r y w h e nw en e e dt op r o d u c ep l a s t i c sm o l d i n gw h i c hi sl a r g e f l a t t h i n w a l l e da n d s h a l l o wt y p ec a v i t yo rf r a m em o l d i n g t h et r a d i t i o n a ls i n g l e l a y e ri n j e c t i o nm o l dn e e d s l a r g ed a m p i n gf o r c ea n dl a r g ei n j e c t i o n m o l do p e n i n gs t r o k ea n dd i et h i c k n e s si sv e r y s m a l l t h es h o tw e i g h to ft h em a c h i n ei so f t e nl e s st h a n1 4t o1 3t h er a t e dc a p a c i t y t h ep r o d u c t i o nc a p a c i t yo ft h em a c h i n ei sf a i l e dt of u l l yu s e d n o to n l yt h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c yi sn o th i g h b u ta l s oaw a s t eo fw o r k i n gh o u r sa n dh y d r o e l e c t r i c i t y s t a c k h o t r u n n e ri n j e c t i o nm o l dt e c h n o l o g yi so n en e wd e v e l o p e dt e c h n o l o g y i ts u b s t a n t i a l l y i n c r e a s e st h ep r o d u c t i o ne f f c i e n c y i m p r o v e sp r o d u c t s q u a l i t ya n do t h e rs i g n i f i c a n t a d v a n t a g e s t h eu s eo fc a et e c h n o l o g yt os i m u l a t et h ed o u b l e h o tr u n n e ri san e w t e c h n o l o g y c u r r e n t l y c a es i m u l a t i o nj u s ts t a yi nt h es i n g l e l a y e rc o m m o nm o l do r t w o l a y e rc o l dr u n n e rm o l d i ti sat e c h n o l o g yg a pi nt h ed o u b l e h o tr u n n e lt h e r e f o r e t h eu s eo fc a et e c h n o l o g y0 1 1d o u b l e h o tr u n n c rh a sa n i m p o r t a n t r e s e a r c h s i g n i f i c a n c e n em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s 1 a p p l yt h et h e o r e t i c a lk n o w l e d g er e l e v a n tt os t a c kh o tr u n n e ri n j e c t i o nm o l d s t u d yt h es t r u c t u r eo fd o u b l e h o tr u n n e ri n j e c t i o nm o l df e a t u r e sa n dt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n a n dd e s i g nan e wd o u b l e h o tr u n n e ri n j e c t i o nm o l d 2 a c c e s st or e l e v a n ti n f o r m a t i o na th o m ea n da b r o a d u s ep es o f t w a r ef o r t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gd e s i g n a n dc h e c kw h e t h e rt h e r ei si n t e r f e r e n c ew h e n o p e n i n ga n dd o s i n gm o l d a n dc o m p l e t e d l yd e s i g nd o u b l e h o tr u n n e ri n j e c t i o nm o l d 基于c a e 技術的雙層熱流道注射模具的優化設計 3 i n j e c t i o nm o l dc a et e c h n o l o g ya n df u n c t i o n h a v eb e e ni n t r o d u c e da n d d e t a i l e d a n da p p l yt h ei n j e c t i o nm o l da n a l y s i ss o f t w a r e m o l d f l o w t oo p t i m i z et h e g a t e l o c a t i o n sa n dq u a n t i t i e s u l t i m a t e l yd e t e r m i n et h eb e s tg a t el o c a t i o n sa n d q u a n t i t i e s 4 u s em o l d f l o ws i m u l a t i o nm e t h o dt oo p t i m i z et h eg a t i n gs y s t e m c o o l i n g s y s t e ma n dm o l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s a n dc o m p u t e r a i d e ds i m u l a t i o na n a l y s i so f t h e m o l d i e c a ea n a l y s i s k e yw o r d s m o l d s t a c kh o tr u n n e ri n j e c t i o nm o l dm o l d f l o w a n a l y s i s o p t i m u md e s i g n 青島科技大學研究生學位論文 目錄 1 緒論 1 1 1 本課題研究的目的和意義 1 1 1 1 模具工業的概況 1 1 1 2 疊層式熱流道注射模研究的意義 2 1 2 國內外模具工業的研究現狀與發展 4 1 2 1 國外模具工業的現狀與發展 4 1 2 2 國內模具工業的現狀與發展 4 1 3 國內外疊層模具的研究現狀與發展 6 1 3 1 國外疊層模具工業的現狀與發展 6 1 3 2 國內疊層模具工業的現狀與發展 8 1 4 本課題研究的主要內容和創新 9 2 雙層熱流道注射模具的結構設計 1 1 2 1 塑件結構分析及模具結構設計 11 2 1 1 塑件結構分析 1 1 2 1 2 設計注射模具應該考慮的問題 1 l 2 1 3 注射模具典型結構 1 2 2 1 4 注射機的選擇 1 4 2 1 5 注射模具成型零部件設計 1 6 2 1 6 注射模溫度調節系統設計計算 2 4 2 2 側向分型抽芯機構 3 1 2 2 1 側向分型機構的分類 3 1 2 2 2 側向分型機構的設計 3 2 2 3 注射模具澆注系統的設計 3 6 2 3 1 澆注系統的設計 3 6 2 3 2 雙層熱流道注射模具澆注系統的設計 3 7 2 4 本章小結 4 9 3 基于m o l d f l o w 的雙層熱流道注射模具c a e 分析 5 0 3 1 注射模c a e 分析 5 0 3 2m o l d g l o w 軟件及其功能簡介 5 0 3 3 制件在注射成型過程中出現的質量缺陷 5 2 3 4m o l d f l o w 分析前處理 5 4 基于c a e 技術的雙層熱流道注射模具的優化設計 3 4 1 模型準備 項目的創建以及模型的導入 5 4 3 4 2 模型的網格劃分 5 5 3 4 3 網格缺陷的診斷及修復 5 6 3 5 分析類型的確定及澆口分析 6 1 3 5 1 分析前期設置及澆口方案的初步確定 6 l 3 5 2 填充模擬及結果分析 6 6 3 6 制件保壓及翹曲變形模擬分析 7 1 3 6 1 原始保壓分析及翹曲變形分析 7 2 3 6 2 初次改變保壓方案及翹曲變形分析 7 5 3 6 3 再次改變保壓方案及翹曲變形分析 7 8 3 7 本章小結 8 3 4 基于p r o e n g i n e e r 的雙層熱流道注射模具c a d 設計 8 4 4 i 注射模具的c a d 設計 8 4 4 1 1p r o e n g i n e e rw ii d f i r e3 0 的主要模塊及其應用領域 8 5 4 1 2p r o e n g i n e e rw ii d f i r e3 0 模具設計的基本流程 8 6 4 2 基于p r o e n g i n e e r 的洗衣機控制面板注射模具設計 8 7 4 2 1 洗衣機控制面板設計的工藝要求 8 7 4 2 2 基于p r o e n g i n e e r 的控制面板注塑模設計 8 7 4 2 3 洗衣機控制面板的整體模具設計 9 2 4 3 本章小結 9 5 結論與展望 9 6 參考文獻 9 8 致謝 1 0 1 攻讀碩士學位期間發表的學術論文及科研成果 1 0 2 青島科技大學研究生學位論文 符號說明 萬 塑件成型總誤差 萬 s 因采用的成型收縮率不準確而引起塑件尺寸誤差 4 因制品的成型收縮波動而引起的制品尺寸誤差 正 模具成型零件的制造偏差 諺 成型零件的磨損引起的制品尺寸誤差 艿 模具活動零件的配合間隙引起的制品尺寸誤差 a 嘞 所采用的塑料的平均收縮率 制品公差 d 凹模徑向名義尺寸 h 凹模深度名義尺寸 最小尺寸 吃 制品高度名義尺寸 最大尺寸 x 修正系數 h m 型芯高度名義尺寸 最大尺寸 r 由l h 確定的常數 其值可查表2 一5 i 側壁邊長 h 型腔深度 s 壩0 壁壁厚 卜模具鋼材的彈性模量 m p a 對于一般中碳鋼材e 2 1 1 0 5m p a r 模具型腔內的最大熔體壓力 m p a 一般為3 0 5 0m p a h 型腔深度 秒 制品內的溫度 t 冷卻時間 s 七 塑料熱擴散率 m m 2 s 島 塑料熔體注射溫度 島 模具溫度 島 制品最厚部位中心層達到的脫模溫度 i l l 基于c a e 技術的雙層熱流道注射模具的優化設計 單位時間內注入模具型腔中的塑料的重量 k g h 每小時注射次數 g 每次注射塑料的注射量 k g q 1 單位熱流量之差 k j k g c 2 塑料的比熱容 材 碚 c q 一 進入型腔的熔體溫度 q 血 冷卻結束時制品溫度 結晶型塑料的熔化質量焓 圳k g 吼 所需冷卻水的體積流量 m 3 h 一吃 出入水的溫度差 與冷卻水溫度有關的物理系數 p 冷卻水在一定溫度下的密度 k g m 3 y 冷卻水在圓管中的流速 i 蚺 i 廣一斜銷的總長度 m m 口 斜銷的斜角 廠 滑塊與斜銷 滑塊與導滑槽制件的摩擦系數 制品厚度 衄 刀 塑料的拉伸彈性模量 m p a p p 材料一般為1 6 1 7 1 0 3m p a g 塑料的平均成型收縮率 p p 材料一般取值為0 0 2 塑料的泊松比 p p 材料的泊松比取為0 4 3 h 型芯脫模方向高度 衄 七 脫模斜度修正系數 型芯的脫模斜度 仃曲 許用彎曲應力 御a q 塑料流體的體積流率 c m 3 s 聆 紹體的非牛頓指數 青島科技大學研究生學位論文 見 型腔壓力 a p 一注射壓力 m p a p a 等 a 注射機液壓系統表壓 i v i p a d 注射機液壓缸活塞直徑 c a d 注塑機柱塞或螺桿直徑 a n 卸p 熔體經過注射機噴嘴的壓力降 砌a 蛾 熔體流經澆注系統的壓力降 a 瓴 螺桿頭與噴嘴入口之間 截圓錐通道 熔體發生剪切流動所引的壓降 略 去拉伸流動壓降 m p a v 青島科技大學研究生學位論文 1 1 本課題研究的目的和意義 1 緒論 1 1 1 模具工業的概況 模具是制造業中一種基本的工藝裝備 它的作用是通過控制和限制熔融塑料 的流動 使之形成所需要的形體 用模具制造零件以其效率高 產品質量好 材 料消耗低 生產成本低而廣泛應用于制造業中 模具工業是國民經濟的基礎工業 是國際上公認的關鍵工業 模具生產技術 水平的高低是衡量一個國家產品制造水平高低的重要標志 它在很大程度上決定 著產品的質量 效益和新產品的開發能力 振興和發展模具工業 正日益受到人 們的關注 模具作為工業產品生產的基礎工藝裝備 是 效益放大器 用模具 生產的最終產品的價值往往是模具自身價值的幾十倍甚至上百倍 因此 模具對 國民經濟和社會發展將發揮越來越重要的作用 其技術水平的高低已成為衡量一 個國家制造業水平的重要標志 模具工業既是高新技術的一個組成部分 而且是高新技術產業化的重要領 域 模具在機械 電子 輕工 紡織 航空 航天等工業領域里 日益成為使用 最廣泛的主要工藝裝備 它承擔了這些工業領域中6 0 9 0 的產品零件 組件和 部件的生產加工 目前 國內外注射模具的生產及應用大多使用的是冷流道模具 熱流道模具 的發展和應用是非常具有發展前景的一項技術 注射模熱流道技術能夠通過加熱 的方法來保證流道和澆口中的塑料始終保持熔融狀態 在流道附近或者中心設置 有加熱棒或加熱管 從注射機的噴嘴到澆口的整個流道都處于高溫狀態 使流道 中的塑料保持熔融狀態 以保證注射的正常進行 熱流道注射模生產出的塑件上 不帶澆注系統凝料 能夠節省原材料 熱流道技術的推廣應用是推動熱塑性塑料 注射成型向節能 低耗 高效方向發展的強大動力 熱流道注射成型法問世于上 世紀5 0 年代 其推廣應用雖經歷了一個較長的時間 但是其市場占有率仍在逐 年上升 8 0 年代中期美國熱流道模具占注射模總數的1 5 1 7 歐洲為1 2 一1 5 日本約為1 0 但是到了2 0 世紀9 0 年代美國生產的塑料注射模具中熱流道模具 已經占了4 0 以上 在大型制品的注射模具中則占9 0 以上 熱流道技術的優點 1 熱流道技術無澆注系統凝料 能夠節約原料 降低制品成本 普通的 基t c a e 技術的雙層熱流道注射模具的優化設計 冷流道澆注系統會產生大量的澆注系統凝料 尤其是在生產小型制品的時侯 澆 注系統凝料的重量往往可能超過制品的重量 而熱流道澆注系統中的塑料一直處 于熔融狀態 制品不需要修剪澆口 從而減少了二次加工 基本上無廢料加工 節約了大量的原材料 節省了人力 2 熱流道技術具有能提高產品質量 縮短生產周期 易于自動化生產等 優點 采用熱流道 沒有凝料的反復加工和重復使用 故產品的質量可得到提高 同時 熱澆口利于壓力的傳遞 減小了塑件內應力 增加了產品的剛度與強度 在一定程度上能夠克服塑件由于補料不足而形成的凹陷 縮孔 變形等缺陷 從 而提高了產品的質量 采用熱流道注射成型省去了取出澆注系統凝料的工作 在 操作上與普通流道相比 縮短了開合模行程 不僅制件的脫模和成型周期縮短 而且有利于實現自動化生產 由于采用熱流道 省去了去除料把 二次加工等后 續工序因而可以實現自動化生產 據統計 與普通流道相比 改用熱流道后的成 型周期一般可縮短3 0 3 使用樹脂范圍廣 成型條件設定方便 由于熱流道溫控系統技術的完善 及發展 現在的熱流道技術可加工的材料范圍更加廣泛 不僅可以用于聚乙烯 p e 聚丙烯 p p 也能用于加工一些熱敏性塑料 聚氯乙烯 p v c 聚甲 醛 p o m 等 對于易產生流涎的聚氨酯 p a l 通過選用閥式熱噴嘴也能實現 熱流道成型口 3 兒4 1 1 1 2 疊層式熱流道注射模研究的意義 當大批量生產扁平薄壁淺腔型的薄板 或片 類和框架類塑件時 在注射模具 的設計中往往會遇到以下四個方面的問題 一是現有注射機的鎖模力與安裝模具 工作臺的面積成正比關系 由于塑件的投影面積大 故所需的鎖模力就要很大 二是由于塑件壁薄 需要極高的注射壓力和注射速度才能將熔料快速充滿型腔 三是雖然塑件重量輕 但受注射機最大成型面積的限制 模具的型腔數目不能太 多 這使得注射機注射能力又得不到充分發揮 四是塑件扁平 高度小 使得模 具的外形長而寬 但總厚度卻常常不能滿足注射機最小模具厚度的要求 故必須 增加模具支腳或墊板的厚度 于是又增加了模具的重量和費用 對于上述塑件 若使用傳統的單層注射模具生產 由于注射機的鎖模力及注射壓力的高要求 故 需選用中大型注射機 而模具的開模行程和模具厚度又很小 注射量往往達不到 注射機額定值的l 4 1 3 機器的生產能力未能充分施展 不但生產效率不高 而且浪費水 電和工時 為了提高生產效率 一個可行的途徑就是采用疊層式模 具技術 疊式模具通常是將兩副常規的單層注射模具疊在一起 這樣能充分利用 注射機的生產能力 大批量生產扁平塑件可以降低生產成本 眾所周知 熱流道 2 青島科技大學研究生學位論文 技術具有節約原料 易于自動化 提高產品性能 縮短生產周期等優點 如果將 熱流道技術與疊式模具相結合 僅需增加少量的模具成本卻能顯著地增加產量 降低成本 高效自動化 故該技術的開發和應用自然受到了人們更多的關注 疊 式熱流道模具多應用于生產薄壁容器 如工業品包裝盒蓋 p e t 瓶底 光盤盒 磁帶盒等淺腔扁平的塑件 近年來也有向深腔厚壁大制品擴展的趨勢 疊式熱流 道模具適用于多種樹脂 包括p e p p a b s 玻纖填充a b s 苯乙烯類等 并 且也逐漸應用于工程塑料注射成型晦 6 疊層式熱流道模具與常規的單層冷流道模具相比 具有以下優勢 1 含有兩層以上型腔 能使產量翻倍增加 生產效率大幅度提高 節約 成本 產品單耗明顯下降 2 利用普通的注射機生產 不需要再投資添置額外的機器設備 可顯著 提高現有設備的利用率 從而節約了為增加產量而添置機器 擴建廠房及增加勞 動力等費用 3 利用成型型腔 背靠背 布置 使疊式模具型腔的投影面積與單層冷 流道模具一樣 故鎖模力理論上不增加 實際上也僅需增加1 0 1 5 的壓力施加 于中心主噴嘴 s p r e e b a r 4 相比于使用兩副冷流道模具完成同樣的生產任務 節約了占地面積 人工 水電和模具的制造費用 5 可以分別在兩層型腔上生產結構復雜 形狀各異 重量不同的制品 對于需要相配的塑件能通過一次成型使相互配合的塑件達到精密的配合 6 結合使用熱流道技術 還可減少塑件的內應力 翹曲和縮痕等缺陷 可提高塑件尺寸精度和外觀質量 綜上所述 疊式熱流道模具的顯著優勢在于 無需改進設備 同一臺注射機 能應用于兩層 三層或四層注射模 成型周期與普通冷流道單層模具相比幾乎不 增加 運行速率只比單層熱流道注射模慢百分之幾 成型時的鎖模力僅需增加 1 0 1 5 由于疊式模具的開 合模行程長 故相應空循環時間稍加長 因此生 產效率并不能1 0 0 增加 但可提高9 0 9 5 此外 疊式熱流道注射模需要稍 復雜的控制系統 對模具的維護要求較高口 刨 目前 國內注射模具的生產及應用多使用單層冷流道注射模具 在面臨大批 量生產和緊急交付任務時 往往采用制作兩副相同的冷流道模具來達到生產目 的 但是 如果采用疊式熱流道模具 生產經濟性將更佳 與常規模具相比 雙 層模具鎖模力只提高了5 1 0 但產量可以增加9 0 9 5 雙層注射模有兩個 分型面 在兩塊模板上的兩個分型面彼此平行 兩塊模板上所受的合模力相等 因此模具的型腔數和每個成型周期生產的塑料制品數都是雙倍的 這就極大地提 3 基于c a e 技術的雙層熱流道注射模具的優化設計 高了設備利用率和生產效率 并且降低了成本 此外 由于模具制造要求基本上 與常規模具相同 且將多副型腔組合在 n 模具中 所以模具制造周期也大大縮 短 隨著熱流道技術在注射模上的廣泛應用 使許多結構復雜 甚至是形狀各異 重量不同的塑料制品 用雙層熱流道注射模來生產的經濟性將更佳 1 2 國內外模具工業的研究現狀與發展 1 2 1 國外模具工業的現狀與發展 隨著全球經濟的發展 新的技術革命不斷取得新的進展和突破 技術的飛躍 發展已經成為推動世界經濟增長的重要因素 市場經濟的不斷發展 促使企業產 品越來越向多品種 小批量 高質量 低成本的方向發展 為了保持和增強產品 在市場上的競爭力 產品的開發周期 生產周期越來越短 對模具的要求也越來 越苛刻 一方面企業為追求規模效益 使得模具向著高速 精密 長壽命方向發 展 另一方面企業為了滿足多品種 小批量 產品更新換代快 贏得市場的需要 要求模具向著制造周期短 成本低 快速經濟制模的方向發展 計算機 激光 電子 新材料 新技術的發展 使快速經濟制模技術如虎添翼 應用范圍不斷擴 大 類型不斷增多 創造的經濟效益和社會效益越來越顯著 現在 高新技術在歐美模具企業中己得到了廣泛應用 將高新技術應用于模 具的設計與制造 己成為快速制造優質模具的有力保證 這些技術包括 氣輔注 塑成型 水輔注塑成型 微型精密注塑成型 金屬粉末注塑成型 發泡注塑成型 低壓注塑成型 以及新發展起來的 先進快速原型與模具制造技術 等 1 2 2 國內模具工業的現狀與發展 模具工業是機械工業 高新技術產業的重要組成部分 目前 我國已采取多 項措施 如將部分模具及與模具有關的多項高新技術及設備列入國家科技部 當 前國家優先發展的高技術產業化重點領域指南 等 從而有力的推動了我國模具 產業的飛速發展 充分發揮了模具工業在整個國家工業發展中的 效益放大器 作用 但是 由于我國模具工業仍存在很多問題 所以仍不能滿足快速增長的 模具市場的需求 這就急需解決這些問題 目前 我國模具總量雖然已達到相當 大的規模 模具水平也已有了很大提高 但設計制造水平在總體上要比工業發達 國家落后許多 存在的問題和差距主要表現在下列幾個方面 1 總量供不應求 專業化程度和集中度不高 2 企業組織結構 產品結構 技術結構和進出口結構都不合理 企業管 理落后 維修等機制不健全 4 青島科技大學研究生學位論文 3 模具產品水平低 生產周期長 壽命短 設備老化嚴重 4 各層次的模具技術人才資源不足 研發能力較差 5 模具標準化程度不高 經濟效益欠佳 6 模具新技術 新工藝 新設備 新材料推廣應用緩慢 近幾年以來 我國的模具工業發展迅速 模具技術水平也取得長足的進步 許多模具企業已開始重視技術的發展 加大了用于技術的投資力度 將技術進步 視為企業發展的重要動力 主要表現在嘲 1 在模具設計制造中全面推廣c a d c a e c a m 技術 進一步擴大c a e 技術的應用范圍 從計算機輔助工藝設計開始逐步向計算機集成制造系統乃至向 虛擬制造發展 逐步深化和提高用于模具設計制造的計算機軟件向智能化 集成 化方向發展 2 熱流道技術得到普遍推廣應用 由于采用熱流道技術的模具可提高產 品的生產效率和質量 并能大幅度節省能源和制件的原材料 所以廣泛應用這項 技術是塑料模具的一大變革 國外熱流道技術的發展很快 許多塑料模具廠生產 的模具已有一半用上了熱流道技術 效果十分明顯 國內雖然已開始推廣應用 但總體使用率與國外相比還比較低 3 氣體輔助注射技術和高壓注射成形等工藝將進一步發展 氣體輔助注 射成形是一種塑料成形的新工藝 它具有注射壓力低 產品翹曲變形小 表面質 量好以及易于成形壁厚差異較大的產品等優點 可在保證產品質量的前提下 大 幅度降低成本 高壓注塑成型是在模具預先處于半開模狀態或者在鎖模力保持中 壓或低壓下注入熔融樹脂 然后以最大的鎖模力進行壓縮成型 可增加塑件尺寸 的穩定性 得到高質量的厚壁成型件 4 模具標準化程度將不斷提高 我國模具標準化程度正在不斷提高 估 計目前我國模具標準件使用覆蓋率已達到3 0 9 6 4 0 0 5 左右 國外發達國家一般為 8 0 左右 為了適應模具工業發展 模具標準化工作必將加強 模具標準化程度 將進一步提高 模具標準件生產也必將得到更大的發展 5 模具加工新技術不斷發展 國家規劃中所涉及到的快速原型制造技術 以及高速銑削加工技術 模具高速掃描及數字化系統 電火花銑削加工 超精加 工和復合加工 優質材料及先進表面處理 自動化研磨拋光 模具自動加工系統 等先進技術 預計今后將會得到較快發展 6 綠色制造 并行工程 虛擬技術將得到迅速發展 計算機和網絡圖像 技術的出現 使綠色制造 并行工程 虛擬技術的應用成為可能 虛擬技術可以 形成虛擬空間環境 實現虛擬設計和制造 并能在不同的地域進行多方位的咨詢 合作或共同研發 這是現代化工業發展進步的必然趨勢n0 5 基于c a e 技術的雙層熱流道注射模具的優化設計 1 3 國內外疊層模具的研究現狀與發展 近幾年來 由于疊層式熱流道注射模具技術在經濟上的優勢 在國外得到了 廣泛的認同和商業化應用 尤其在北美及歐洲的普及和發展十分迅速 隨著市場 競爭的不斷加劇 疊層式熱流道注射模技術的開發應用無疑是滿足日益增長的大 批量消費性包裝產品需求和提高生產收益的有效方式 其廣泛的應用將推動我國 塑料模具工業及模具技術實現一個新的飛躍 在我國 疊層式熱流道注射模具技 術的開發和應用才剛剛起步 因此 開展對疊層式熱流道模具設計和模塑原理的 研究 將有助于企業在激烈的市場競爭中搶占先機 獲得更大的經濟效益和社會 效益 1 3 1 國外疊層模具工業的現狀與發展 早在1 9 4 0 年1 2 月k n o w l e s e r 就取得了疊層式模具的專利權 但是最初 使用的均是普通的冷流道 每次注射完成后都要脫出澆口 這樣流道的脫出成為 實現自動化生產的主要障礙n 2 0 世紀6 0 一7 0 年代 瑞士的s c h o t t l i 公司最早開發出工業應用的疊層式熱 流道系統用于加工熱塑性塑料n 別 今天的疊層模具 不僅比傳統的單層模具成本 更低 而且增加了應用疊層式模具的靈活性 主要體現在以下幾個方面 1 外加熱的針閥關閉噴嘴系統口鯽 2 0 世紀9 0 年代末 加拿大制造商進一 步發展了疊層模具 設計了外加熱的針閥關閉噴嘴系統 開模時系統可防止噴嘴 滴料 這種疊層式模具 注塑機噴嘴和第一分型面之間有一個閥關閉系統 用于 關閉2 個相對的噴嘴 有效地防止了在2 個分型面之間的滴料 這種設計解決了 由延長注射機噴嘴而引起的麻煩 但未被普遍采用 原因是它受制件特殊性的限 制 例如高質量平面制件的流變學特性限制 另外 不能確保各個型腔的壓力是 否達到一致 2 取消中心主噴嘴的疊層式熱流道模具n 射n 5 1 由于開模距離的需要 中 心主噴嘴的延伸有可能過長 因而產生與注射機噴嘴干涉的問題 m o l d m a s t e r 公司于1 9 9 7 年對疊層熱流道模具使用一種閥對閥關閉的設計 以及y u d o 公司 結合單閥i 和y u r i 系統申請專利的新型疊層式模y u r i c o m b i 都使用 背對 背 的閥式噴嘴組件 取消了長而大的中心噴嘴 以避免使用中心主噴嘴出現的 溢料問題 但是 對于型腔壓力的控制仍然是技術的難題 3 無閥熔體傳輸系統 啪s 這是近來多層注射模技術發展有貢獻的 關鍵創新 通過使用交換式噴嘴 這一技術取消了傳統的流道頂板 引導熔體流 從側面進入中心集流管 這一創新設計的另一個特點是熔體流到所有型腔的距離 6 青島科技大學研究生學位論文 都是相等的 以及同樣的溫度和壓力完全對稱 4 快速制品更換 q p c 系統 t r a d e s c o 模具公司最新開發了一種組合式 快速制品更換 q p c 系統的疊層式熱流道模具 它無需移動熱流道或模具框架 即可更換模具 非常靈活方便 型芯和型腔組可滑出模具框架 所有電 氣 水 的連接都是連接在框架上 q p c 系統允許使用者從一個標準的單面模升級到四疊 層設計 它給疊層模具使用者可在很短時間內作運轉的選擇 以幫助對存貨水平 管理 對于這種復雜的模具 不是很容易做到的事情 5 旋轉疊層熱流道模具在多組分材料成型中應用n 8 m 埔1 一些新的疊層 式模具可在打開時旋轉9 0 或1 8 0 如由e n g e l 公司開發的一種旋轉模板設計 其中心模板有2 個面 每個周期旋轉1 8 0 而由f e r r o m a t i km i l a c r o n 歐洲公司 與德國模具制造商f o b o h a 公司合作開發的旋轉疊層模具有4 個面的中心模板 每周期旋轉9 0 這類技術的應用主要包括模塑不同類型阻透包裝盒 多色手機 機殼 以及由不同材料成型的醫用零部件等 例如f o b o h a 公司申請專利的帶有 p e t 4 0 9 阻透層的h d p e 7 0 9 牙膏管式瓶肩模具 其4 6 4 的旋轉疊層系 統能在8 4 s 的周期中吐出6 4 只雙層零件 年產量達1 7 5 0 0 萬件 6 低慣性技術 u t 低慣性技術 l i t 來自c a c o p a c i f i c 公司 在這 種較為簡單的設計中 帶有2 個芯組的旋轉桿連接到每個模具的半邊 而不是在 其他的設計中那樣的單獨設置 據k t w 公司的z i e g l e r 介紹 典型情況能節省2 0 到3 0 的時間 特別情況可節省5 0 n8 0 7 三層疊層式熱流道模具 t r a d e s c o 模具公司的另一項新發展是在2 0 0 0 年成功開發了3 層多腔疊層式熱流道模具 這項享有專利的設計具有在2 層和4 層疊層式模具中等水平的生產效率 它可以使注塑生產商在閉模高度 塑化能力 或注射壓力還不足以使用4 層疊層式模具的情況下 達到高于2 層疊層式模具的 生產能力 其第3 個模具組為靈活組件 可加在托架上 在與2 層疊層式模具占 用同樣大小空間的條件下 可提高生產能力5 0 該公司在此領域已有4 套3 層 疊層模具 8 4 層疊層式熱流道模具n 訓 早在1 9 9 0 年 t r a d e s c o 的第1 副4 層疊層 式4 2 腔模具在3 5 0 0 k n 注射機上成型直徑為9 英寸的l d p f 5 夸脫的冰淇淋盒 蓋 該項技術已申請專利 其關鍵是熔體傳送熱流道系統的平衡 避免流涎 補 償熱膨脹及4 層型腔的運動 采用曲軸連桿驅動開模 使用計算機輔助分析技術 每型腔熱量和流變學的的平衡使制品重量差異小于1 結合v m t s 和q p c 系統 與傳統模具具有同樣的周期 生產成本顯著減少 加拿大的h u s k y 在1 9 9 7 年也 開發了4 層疊層式熱流道模具 使用5 0 0 0 k n 的注塑機 每層3 2 腔 運用了安裝 在模具上的一個傳動機構 帶有外側聯接和中心支撐 7 基1 c a e 技術的雙層熱流道注射模具的優化設計 9 用于厚壁制件的t a n d e m 模具 近來引起世人關注的是 2 0 0 2 年由德國 b i e l e f e l d 大學應用科學院的j a r o s c h e k 開發的t a n d e m 模具 它的型腔一前一后 像繼電器一樣工作 用于成型主要由冷卻時間決定生產周期的厚壁制品 當一層 在冷卻時 另一層被注射或頂出 這種雙層疊層式模具是可移動的 也可在傳統 注射機上使用 t a n d e m 技術也可用于雙組分模塑和夾心模塑 目前b i e l e f e l d 大 學正致力于開發應用于熱塑性彈性體和硅酮等材料的t a n d e m 模具 1 0 用于特薄壁制品的雙層疊層式熱流道模具啪1 由于薄壁注射對注塑機 的高要求 將疊層式熱流道模塑應用于特薄壁制品已成為最新的趨勢之一 如 t r a d e s c o 公司生產的側壁厚僅0 9 m m 流動距離比超過3 0 0 的薄壁食品容器 使 用2 x 4 雙層多腔疊層式模具成型 無后序加工和廢料 采用新式氣體頂出技術 1 3 2 國內疊層模具工業的現狀與發展 直到上世紀8 d 年代末 疊層模具技術才逐漸傳入我國模具行業 但僅限 于冷流道的設計 應該說 疊層式熱流道模具技術的開發目前在我國還基本上 是一項空白 而且即使是雙層冷流道的疊層式模具也并不多見口 1 1 9 9 0 年北京塑料十三廠的李書贊撰文對雙層型腔塑料注射模具的結構 設計進行了論述 提出用沖切工作原理來分斷2 層型腔之間冷料道的設計方法 這種結構塑件前后布置 采用側澆口進料 但在成型較深型腔或需較大脫模力的 塑件時不可靠 2 1 9 9 2 年常州輕工業學校的卜建新介紹了側澆口和點澆口并用的雙層型 腔冷流道注射模結構 一層采用側澆口 另一層采用點澆口進料 利用限位拉板 拉鉤等順序分型 可成型不相同的塑件 3 1 9 9 5 年江蘇省的乙清設計了雙層c d 盒的普通流道模具 通過鏈條傳 動 帶動定模頂出板頂出塑件 該模具需要將注塑機噴嘴延伸至模具的定模板上 注入主流道襯套 且澆注系統粗大 4 自1 9 9 5 年起 鄭州輕工業學院的王振保和馮孝中等人致力于研究普通 澆注系統的雙層注射模 采用正 反錐形主流道 卸料板 氣壓脫模和齒輪齒條 分型脫模機構 結構較簡單 但是在第一層塑件上有流道凝料疤痕 不適于生產 外觀要求高的制品 2 0 0 0 年 他們改用潛伏式澆口設計了白酒瓶蓋的雙層注射模 具 由擺鉤與掛塊的作用順序分型 可使各層塑件與流道凝料實現模內分離 但 要求塑件留模可靠性高和主流道襯套為深陷式 2 0 0 2 年他們對輕而薄的塑件設計 普通澆注系統的4 層注射模 采用側澆口進料 各級主流道依次串連 分型時自 動拉斷 由4 級定距拉板限位 5 1 9 9 8 年 天津輕工業學院的李樹以生產汽車密封條的雙層熱流道注射 8 青島科技大學研究生學位論文 模為例 將熱流道系統引入到雙層注射模結構中 6 2 0 0 3 年 四川大學的劉廷華和陳劍玲等人與上海克朗寧技術設備有限 公司合作 借鑒國外開發經驗 采用熱流道技術 采用限位拉桿實現順序開模 成功研制出了將c d 牒包裝盒單層普通流道模具轉變為2 2 的雙層疊層式熱流道 注射模具 目前 雙層熱流道注射成型模具在國內的市場占有率還不足1 0 而國外則 已經達到甚至超過5 0 采用雙層熱流道注射成型模具生產扁平塑料制品必將成 為模具行業的一大發展趨勢 隨著雙層熱流道模具在塑料制品加工中的應用不斷 地擴大 考慮到這一技術上突出的經濟性 如何更好的應用雙層熱流道注射模成 型技術 將成為各注射制品生產企業提高效率 降低成本和增加產品市場競爭力 的重要途徑之一 1 4 本課題研究的主要內容和創新 雙層熱流道注射成型模具技術在實際生產上有著巨大優勢 因而設計研究適 合于扁平制件的雙層熱流道注射成型模具 并將其應用于實際生產 將具有一定 的經濟效益和社會效益 本課題正是基于雙層熱流道注射模在實際生產中的優 勢 采用三維c a d 設計軟件 p r o e 來設計雙層熱流道注射成型模具 同時 由于計算機輔助數值模擬分析 即q 垣 技術在模具生產中的應用還很不成熟 尤其在熱流道雙層模具生產中還沒有過曾經采用c a e 模擬分析的技術先例 因 此 對雙層熱流道模具進行c a e 分析將具有非常重要的意義 p m 但軟件是采用 參數化設計的 基于特征的實體模型系統 采用其所特有的智能特性的基于特征 的功能去生成模型 此外 p r o e 還可以輸出三維和二維圖形給其他的應用軟件 如有限元分析及后處理軟件等 c a e 分析采用的是m o l d f l o w 軟件 m o l d f l o w 可 以對塑料制品和模具進行深入的分析 可以在計算機上對整個注射成型過程進行 模擬分析 包括填充 保壓 翹曲 以及氣體輔助成型分析等 使模具設計師在 設計階段就能找出未來產品可能出現的缺陷 提高一次試模成功率 注射模c a e 技術可以在模具投入制造之前 進行塑料熔體的充型和冷卻過 程的模擬 對塑件翹曲和收縮進行預測 對潛在的問題提出有效的改進方法 縮 短模具制造周期并降低成本 提高了模具的設計效率和質量 然而 國內注射模 c a e 技術在實際生產中的普及應用仍然存在一定的困難 本課題的研究對于c a e 技術的應用推廣也具有一定的現實意義 在本文中對于模流分析采用的分析軟件 是m o l d n o w 模流分析軟件 9 基于c a e 技術的雙層熱流道注射模具的優化設計 本論文主要包括以下幾方面的工作 1 運用三維設計軟件p r o e n g 刑e e r p r o e 對洗衣機控制面板進行三維 實體造型 洗衣機控制面板結構比較復雜 通過p r o e 可以實現從制件到模具的一 體化設計 提高了設計質量和工作效率 2 將設計好的實體造型轉換為m o l d f l o w f l 邑夠識別的 母 s n 格式 將設計 完成的三維模型導入m p i m o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t q b 對其進行網格劃分和修 改 為后續工作做好準備 3 通過m o l d f l o w 軟件的m p i 模塊 對不同的澆口及流道系統設置方案分別 進行c a e 模擬分析 對熔體在型腔內的流動情況進行模擬 并結合模具生產成本 實際生產要求 從而獲得模具的最佳澆口位置和數量 4 m o l d f l o w 模擬分析完成之后 通過對成型制件進行w a r p 翹曲 分析 分析制件產生翹曲的原因 并提出有針對性的修改措施 能夠在模具投入生產前 發現問題并將翹曲變形量控制在制品質量允許的范圍內 5 運用p r o e n g i n e e r p 呦吧 軟件進行三維造型 驗證模具結構的合 理性 檢查開合模是否有干涉現象 設計完成雙層熱流道注射成型模具 本課題的主要技術創新 1 雙層熱流道技術目前在國內的研究和應用非常少 是一項先進的具有 技術優勢的研究課題 2 運用c a e 技術對雙層熱流道進行模擬分析是一項新的前沿技術 目前 c a e 模擬分析還只是停留在對單層普通澆注系統模具的分析或者是對雙層冷流 道的分析上 對雙層熱流道模擬分析還是一項技術空白 1 0 青島科技大學研究生學位論文 2 雙層熱流道注射模具的結構設計 2 1 塑件結構分析及模具結構設計 2 1 1 塑件結構分析 塑料制品通稱為塑料制件 簡稱塑件 塑料制件主要是根據使用要求進行設計 由于塑料有其特殊的物理機械性 能 因此設計塑件時必須考慮充分發揮其性能上的優點 避免或者補償其缺點 在滿足使用要求的前提下 塑件形狀應盡可能做到簡化模具結構