基于CAE分析的骨架注塑模设计Word格式.doc
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12.基于CAE的注射成型分析 25
12.1CAE简介 25
12.2塑料成型模拟及塑料成型模拟软件简介 26
12.3分析模型的建立 28
12.4确定引起翘曲的主要原因 30
12.5正交试验法确定最佳成型工艺参数 34
13.在选定最优工艺参数下线圈骨架的成型 39
13.1流动(flow)分析结果 39
13.2冷却(cool)分析结果 41
设计总结 44
致谢 45
参考资料 46
1.绪论
随着我国国民经济的快速发展,带给模具制造行业前所未有的机遇,也让我们的行业面临了新的挑战,如产生了模具制造业自主知识产权的缺乏、高新技术的应用、材料能源消耗高、人才奇缺等一系列亟待解决的问题。
北京模具协会在调研的基础上参照了中国模具协会提出的“十一五”期间发展规划,针对模具行业的特点,发展现状,提出了《我国模具产业及技术发展现状、趋势及问题》供行业今后开展工作时参考,希望引起交流,共同促进模具行业的发展。
在此基础上,我们还将聘请专家阐述对行业发展的观点,并组织刊登和连载新技术、新装备的应用文章等。
模具加工设备的市场前景
经过"
十五"
的发展,我国模具行业确实已有长足的进步。
主要表现在:
三资企业蓬勃发展,使我国模具生产规模和产品水平有了一个很快的发展;
非国有经济如雨后春笋般地拔地而起,使我国模具生产规模迅速扩大,产品水平也有较快提高。
在港资、台资及外资非凡集中的珠三角和长三角地区,随着机械、电子、轻工、建材、通讯及办公设备等企业的兴起,用于企业内部配套的自产自用模具生产也随之大量发展。
这一部分模具生产规模约有300至500亿元。
全国模具生产总规模,2005年已超过600亿元。
据罗百辉猜测分析,模具行业"
十一五"
期间的发展速度预计仍将会在高于年均15%以上的速度上高位运行,"
期间模具生产总量每年大约都会有100至200亿元的增量,目前全国(未包括港、澳、台的统计数)模具生产的总规模已达约1000亿元左右。
假如按平均每年150亿元增量,固定资产投入产出比大致为1:
1,投入之中约有60%资金用于购买新设备来计算,则平均每年约会有90亿元用于购置各种设备。
这就是模具行业中设备市场的一个概算。
虽然这一设备市场与机床工业总规模相比只占不大的比例,但也不能说很小了,不应该被忽视。
即使把外资企业主要用外国设备这一块去掉,留给国内机床行业的也起码还会有每年60亿元左右的设备市场。
假如国内设备水平和服务具有竞争能力,外资企业也是愿意选购价廉物美的国内设备的。
因此,假如机床行业能把握好这一块市场,"
期间这300亿元左右的市场用"
庞大"
两字来形容也不为过。
模具行业对设备的基本要求
与其他机械加工相比,模具加工有其一定的非凡性,这些非凡性主要是:
1.大多数模具需要在实芯金属模块上加工出外形复杂的空间曲面,随着模具不断向大型化发展,模块重量也将越来越大,现在有的已达几十吨;
2.大多数模具外形为长方体或正方体,很少有窄长形的,主要加工量集中在凹模和凸模上;
3.随着模具制品要求越来越精密、复杂,对模具加工精度的要求也越来越高,现在许多模具的加工精度已达±
1~2μm,不久将很快发展为小于±
1μm;
4.随着用户对模具生产周期的要求越来越短,模具加工就要满足高效、快速,且有一定柔性和长时间满负荷不停顿运行等要求。
根据上述4条非凡性,就对模具加工设备提出了如下一些基本要求:
1.机床要有好的刚性和与模块重量相适应的大承载能力;
2.工作台面尺寸要与模具外形尺寸相适应,宜于长方形或正方形及圆形,不宜窄长,而高度方向及其行程却要求有较大空间;
3.要有高的精度及精度保持性;
4.要能快速高效地去除余量,且有很高的可靠性,以保持连续长久满负荷运行;
5.为适应复杂的空间曲面加工,且有大量的加工量,因此要求机床能多轴联动,且配有大信息容量的数控系统。
上面只提出了一些大多数模具加工对设备的基本要求,此外尚有不少非凡要求。
例如加工塑料的机床就要求有更高的速度,但由于切削力小,为降低成本,机床可采用轻型结构;
试模用的研配压机则不要求其高效快速,但要求有反转动能以便修模;
某些简单工序的大量重复加工可用专机等等。
同时,复合加工、柔性加工和在线检测也是模具加工的要求。
问题分析:
“十五”期间模具行业在体制改革,技术创新,结构调整、加强管理等方面做了很多工作,但制约模具行业发展的一些深层次问题还没有从根本上解决,结构性矛盾依然突出,与社会主义市场经济发展需求不相适应:
1)企业组织结构、产品结构,都不够合理,我国模具生产厂还有相当一部分是自产自酉己的模具车间(分厂),专业模具厂也大都是“大而全”、“小而全"
的组织形式,国外模具企业大多是“小而专”“小而精”;
模具自产自配比例高达50%,国外不超过30%(主要依靠协作);
国内生产的模具属大型、精密、复杂、长寿命等类型国家急需的模具比例只有30%左右,国外在60%以上。
2)模具产品的水平和生产工艺水平比国际先进水平差距较大,主要表现在精度、型腔表面粗糙度、寿命上比国外有差距。
3)技术创新能力弱,大大制约了行业技术进步和产业升级,企业技术创新能力建设严重滞后,缺乏自主创新的内在动力和物质技术手段,许多模具设计制造技术来源依靠国外,缺少有自主知识产权的产品技术,产品制作周期长,技术成果应用的水平低,国际上知名企业,先进的管理思想、先进制度技术及工艺不能很好的借鉴运用。
4)产品技术水平低,结构不合理。
一方面中低档模具生产能力严重过剩,企业相互恶性竞争,互相压价,影响企业发展,另一方面市场急需的高档模具、高新技术产品开发和生产水平不高,产品质量和售后服务不能满足用户需求,每年需大量进口。
5)管理落后,与国际水平相比模具企业的管理落后更甚于技术落后,技术落后易被发现,管理落后易被忽视,国内很多模具企业还沿用过去作坊式的管理模式,真正实现现代化企业管理还不多。
6)模具标准化水平和模具标准件使用覆盖率低,国外先进国家标准件使用覆盖率达70%以上,国内标准件使用率覆盖率只有45%左右,由于标准化水平低影响到模具制作周期及模具质量和成本等多方面因素。
国产模具设备行业发展建议
鉴于国内机床行业尚不重视模具行业中的设备市场,国产设备在这一市场中的很低的占有率,罗百辉指出,机床行业应该密切关注模具行业的发展,重视模具行业中的设备市场,即使是在目前任务饱满的情况下,也应从长远发展出发,从战略高度去熟悉,并对这一市场进行充分研究与正确定位。
在金切设备方面,非凡是在中低档数控设备方面,国内企业也一样是大有可为的。
近年来,光是浙江的模具行业,每年都从台湾或国内台资企业购进2000多台中低档设备,我国一些机床企业,是完全有能力进入这一市场的。
先从中低档产品开始,再逐渐向高端发展,这可能是一条比较切合实际的路子。
当然,随着模具工业总体水平的不断提高,所需设备的档次理所当然的也在不断提高。
例如浙江有些模具企业已开始淘汰台湾设备而把采购目光逐渐转向日本和欧美了。
然而日本和欧美设备的价格究竟还是昂贵了一些。
这也正是国内机床企业的一个良好机遇。
希望国内机床行业能把握好这个良好机遇,在我国模具行业"
的发展中,为其插上翅膀,真正起到利其器而助发展之积极作用。
针对国产模具加工设备行业创新开发能力不足、市场占有份额偏低,罗百辉建议骨干重点企业,应一方面努力提高现有产品的质量和尽快改善服务,另一方面应针对模具行业所需去开发一些新产品,并大力进行宣传,以逐渐形成好的品牌和树立起良好的形象来。
非凡是生产金切机床的骨干企业,更应重视这一问题,因为生产电加工设备的企业在这一点上相对要好得多,有关企业已经在模具行业中树立起了一些较好的品牌和建立起了良好信誉和形象。
2.塑件成型工艺性分析
本次设计的塑件为线圈骨架,零件如图2-1
图2-1线圈骨架
2.1塑件的结构和尺寸精度、表面质量分析
l结构分析:
该塑件壁厚2mm,壁厚均匀,结构较简单,故比较容易成型。
l尺寸精度分析:
该塑件尺寸精度等级为MT3级,尺寸精度中等。
l表面质量分析:
表面质量要求不高。
综合以上分析可以看出,该零件的尺寸精度等级中等。
注射时在工艺参数控制较好的情况下,零件比较容易成型。
2.2塑件原材料的选择
本次设计,选择材料为宁波乐金(LG)甬兴化工有限公司生产的ABS塑料(ABSHI-121H),ABS塑料的特点以及ABSHI-121H的物料性能如下:
①ABS塑料特点
ABS树脂(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物,ABS是AcrylonitrileButadieneStyrene的首字母缩写)是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑性高分子材料。
ABS树脂是微黄色固体,有一定的韧性,密度约为1.04~1.06g/cm3。
它抗酸、碱、盐的腐蚀能力比较强,也可在一定程度上耐受有机溶剂溶解。
成型特性:
Ø
无定形料,流动性中等,吸湿大,必须充分干燥,表面要求光泽的塑件须长时间预热干燥80-90度,3小时。
宜取高料温,高模温,但料温过高易分解(分解温度为>
270度。
对精度较高的塑件,模温宜取50-60度,对高光泽耐热塑件,模温宜取60-80度。
如成形耐热级或阻燃级材料,生产3-7天后模具表面会残存塑料分解物,导致模具表面发亮,需对模具及时进行清理,同时模具表面需增加排气位置。
②ABSHI-121H物料性能
ABSHI-121H塑料的性能参数如下表2-1:
表2-1ABSHI-121H塑料的性能参数
性能项目
试验条件
测试方法
测试数据
数据单位
物理性能
熔体流动速率
220º
C10kg
ASTMD-1238
23
g/10min
光泽度
45°
---
104
白度
青色反射率法
53
比重
23º
C
ASTMD-792
1.05
g/cm2
吸水性
ASTMD-570
0.3
%
模塑收缩率
ASTMD-955
0.3-0.6
机械性能
拉伸强度
50mm/min
ASTMD-638
500
kg/cm2
伸长率
18
弯曲强度
5mm/min
ASTMD-790
800
弯曲模量
26000
热性能
热变形温度
18.6kg/cm2
ASTMD-785
93
º
维卡软化点
5kg50º
C/nr
103
3.拟定模具的结构形式
3.1分型面位置的确定
根据分型面的选择原则,分型面要取在塑件最大截面处,对于本次设计的零件,塑件的最大截面随着塑件开模方向的不同而不同,有如图3-1的两种方案可供选择:
方案一
方案二
图3-1分型面的选择
以下,将通过moldflow软件,根据塑件成型时的锁模力(图3-2),结合实际生产需要来对这两种方案进行分析比较,以确定出最优方案。
锁模力
图3-2成型时的锁模力
在两种方案的锁模力图中,我们可以看出,两种方案的锁模力都是随着填充的进行而缓和的增加,没有出现明显的突然增大情况,均在V/P转换点达到最大值,这是比较理想的。
然而对比V/P转换点的最大锁模力,方案二的锁模力为0.3039t,方案一的锁模力为0.178t,方案二的锁模力超过方案一41.4%,这是由于方案一中塑件在开模方向的投影远小于方案二中塑件在开模方向上的投影的缘故。
锁模力大则对注塑机的要求要高,同时消耗的能量也多,另外考虑到,塑件生产批量较大,又需要侧抽芯结构,选择方案二的分型面位置,不利于一模多腔的型腔排布,因此方案一要优于方案二,在此选择方案一中分型面的位置,分型面在线圈骨架轴线上。
3.2型腔的数目和布置方式
1.型腔的数目
从塑件的零件图可以看出,塑件的尺寸较小,结构比较简单。
根据要求,塑件精度MT3,生产批量一万件。
由于塑件的精度不高,结构比较简单,生产批量较大,因此初步采用一模八腔的成型方案。
2.型腔布局
线圈骨架的零件结构比较简单,但是成型必须有侧抽机构。
前面已经确定出了塑件成型的分型面的位置以及型腔数目,在确定型腔的布局时,根据成型时所设计侧型芯数量的不同,型腔的布局可以有两种方案进行对比挑选,如图3-3:
方案一:
侧型芯数量为四时的型腔布局
方案二:
侧型芯数量为八时的型腔布局
图3-3型腔的排列方式
从图3-3可以看出,方案一设计了八个侧型芯,而方案二设计了四个侧型芯,由于方案二中,侧型芯需要成型两个零件的内孔,行程较长,设计侧抽机构有困难,相比方案二,方案一中一个侧抽芯成型一个塑件内孔,侧抽行程短,易于成型。
因此选择方案一所设计的型腔排列方式。
3.模具结构形式的确定
从上面的分析可知,本模具设计为一模八腔,两列对称的布局,根据塑件的结构,推出机构拟采用推杆推出的推出形式。
浇注系统设计时,流道采用对称平衡式,浇口采用侧浇口,且开设在分型面上。
因此模具不需要单独开设分型面取出凝料,为了减小加工的难度,模具型腔采用镶拼结构。
此外,塑件的结构要求有侧抽芯结构成型内孔。
由以上分析,确定模具模仁的基本尺寸,选择燕秀工具箱中标准龙记模架AI-2035-A50-B60-C70,其结构形式如图3-4。
图3-4龙记模架AI-2035
3.3注射机型号的确定
1.注射量的计算通过pro/E对线圈骨架建模,计算体积得:
塑件体积:
V塑=2.58×
103mm3=2.58cm3
塑件质量:
m塑=ρV塑=1.05×
2.58g=2.71g
式中,塑件密度ρ=1.05g/cm3
2.浇注系统体积的初步估算
浇注系统的凝料在设计之前不能确定准确的数值,但是可以根据经验按照塑件体积的0.2~1倍来估算。
故一次注入模具型腔塑料熔体的总体积(即浇注系统的凝料和8个塑件体积之和)为:
V总=V塑(1+0.6)×
8=2.58×
1.6×
8cm3=33.024cm3(3-1)
3.选择注射机
根据第二步计算得出一次注射注入模具型腔的塑件质量V总=33.024cm3,计算注射机公称注射量V公:
V公=V总/0.8=33.024/0.8cm3=41.28cm3(3-2)
根据以上计算,初步选定公称注射量为125cm3的注射机,选择注射机型号为XS-ZY125卧式注射机,其主要技术参数见表3-1。
表3-1XS-ZY125卧式注射机技术参数
最大注射量
125cm3
注射压力
119Mpa
900KN
最大注射面积
320cm2
模具最大厚度
300mm
模具最小厚度
200mm
最大开模行程
定位圈直径
100mm
顶
出
两侧孔径
φ22mm
喷
嘴
球半径
12mm
两侧孔距
φ230mm
孔径
φ4mm
模板尺寸
420×
450mm
机器外形尺寸
3340×
750×
1550mm
4.注射机参数校核
(1)注射压力
查资料[1]得ABS所需注射压力为80~110Mpa,这里取90Mpa,该注射机的公称注射压力p公=119Mpa,注射压力安全系数k1=1.25~1.4,这里取k1=1.3,则,k1p0=117Mpa<
p公,所以,注射机注射压力合格。
(2)锁模力校核
塑件在分型面上的投影面积A塑,利用pro/e三维软件计算得:
A塑=2.647cm2。
浇注系统在分型面上的投影A浇,即流道凝料(包括浇口)在分型面上的投影面积A浇的数值,可以按照多型腔模的统计分析来确定。
A浇是每个塑件在分型面上投影面积A塑的0.2~0.5倍,由于本次设计流道较复杂,分流道相对较长,因此流道凝料投影面积可适当取大一些。
这里取=0.4A塑。
塑件和浇注系统在分型面上的总的投影面积A总:
A总=n(A塑+A浇)=n(A塑+0.4A塑)=8×
1.4A塑=8×
1.4×
2.647cm2
=29.6464cm2(3-3)
模具型腔内的胀型力F胀,
F胀=A总P模=29.6464cm2×
102×
35Mpa=103762.4N=103.76KN(3-4)
式中P模是型腔的平均计算压力值。
P模是型腔内的压力,通常取注射压力的20%~40%,大致范围为25~40Mpa。
对于粘度较大精度较高的塑件应取较大值。
ABS属中等粘度塑料及有精度要求的塑件,故P模取35MPa,根据表3-1可知该注射机的公称锁模力F锁=900KN,锁模力安全系数k2=1.1~1.2,这里取k2=1.2,则,k2F胀=1.2F胀=1.3×
103.76KN=124.5KN<
F锁=900KN,所以注射机锁模力合格。
4.模具浇注系统的设计
4.1主流道的设计
主流道常位于模具中心塑料熔体的入口处,他将注射机喷嘴射出的熔体导入分流道或型腔中。
主流道的形状为圆锥形,以便熔体的流动和开模时主流道凝料的顺利拔出。
主流道的尺寸直接影响到熔体的流动速度和充填时间。
另外,由于其与高温塑料熔体及注射机喷嘴反复接触,因此设计成可拆卸更换的浇口套。
1.主流道尺寸的设计
主流道的长度:
小型模具L主应尽量小于60mm,本次设计根据初选的模架取60.5mm进行设计;
主流道小端直径:
d=注射喷嘴尺寸+(0.5~1)mm=(4+0.5)mm=4.5mm;
主流道大端直径:
d1=d+2L主tanα=8.3mm,式中α=2°
;
主流道球面半径:
SRO=注射机喷嘴球头半径+(1~2)mm=13mm;
球面配合高度:
h=3mm,
2.主流道的凝料体积利用pro/E测量得:
V主=2.37cm3
3.主流道当量半径Rn=(2.25+3.84)/2=3.045mm
4.主流道浇口套的形式主流道浇口套为标准件可选购。
主流道小端入口处与注射机喷嘴反复接触,易磨损。
对材料的要求比较严格,因而尽管小型注射模可以将主流道浇口套与定位环设计称一个整体,但考虑上述因素通常仍将其分开设计,以便于拆卸更换。
同时也便于优质钢材进行单独加工和热处理。
设计中常用碳素工具钢(T8A或T10A),热处理淬火表面硬度为50~55HRC,如图4-1所示。
图4-1主流道浇口套的结构形式
4.2分流道的设计
1.分流道的布置形式
分流道在设计时应考虑尽量减少在流道内的压力损失和尽可能避免熔体温度降低,同时还要考虑减小分流道的容积和压力平衡,因此采用平衡式分流道。
2.分流道的截面形状
常用的分流道截面形状有圆形、梯形、U形、六角形等,为了便于加工和凝料的脱模,分流道大多设计在分型面上。
本设计采用梯形截面,其加工工艺性好,且塑料熔体的热量散失、流动阻力均不大。
3.分流道的当量直径
主流道的尺寸在前面已经确定,分流道的当量直径可根据式4-1计算。
ΦD1=(0.8~0.9)ΦD(4-1)
一级分流道当量直径:
ΦD1=(0.8~0.9)ΦD=0.85×
7.67mm=6.5195mm
二级分流道当量直径:
ΦD2=(0.8~0.9)ΦD1=0.85×
6.5195=5.5416mm
三级分流道当量直径:
ΦD3=(0.8~0.9)ΦD2=0.855.5416mm=4.71mm
4.分流道的截面尺寸
由于分流道截面为梯形,根据上步骤中计算的当量直径计算当量分流道截面面积,根据面积相近似的原则选择常用的分流道的横截面尺寸如表4-1。
分流道当量截面面积的计算:
A1=π(D1/2)2=3.14×
(6.5195/2)2mm2=33.3655mm2
A2=π(D2/2)2=3.14×
(5.5416/2)2mm2=24.11mm2
A3=π(D3/2)2=3.14×
(4.71/2)2mm2=17.4145mm2
表4-1分流道表面形状及尺寸
一级分流道
二级分流道
三级分流道
H
5
4
3.5
B
8
6
R
2
1
面积
36.5mm2
20.48mm2
15.75mm2
5.分流道的长度
根据塑件八个型腔的布局以及采用的平衡式注射的成型方式,确定分流道的布置形式以及长度如图4-2所示。
1-一级分流道
2-二级分流道
3-三级分流道
图4-2分流道的长度
6.凝料体积
利用pro/E软件绘制分流道,并测量体积得:
V分=8.757cm3
7.校核剪切速率
(1)确定注射时间:
查注射机公称注射量V公与注射时间t的关系[1]得,t=1.6s。
(2)计算分流道体积流量:
q分=(V分+4V塑)/t=(8.757+4×
2.58)=19.077cm3/s(4-2)
(3)计算剪切速率:
(4-3)
该分流道的剪切速率处于浇口主流道的最佳剪切速率5×
102~5×
103之间,所以分流道内熔体的剪切速率合格。
8.分流道的表面粗糙度和脱模斜度
分流道的表面粗糙度要求不是很低,一般取Ra1.25~2.5μm即可。
此处取Ra1.6μm.另外,其脱模斜度一般在5°
~10°
之间,这里取脱模斜度为8°
。
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