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模具结构对塑料制品翘曲变形影响的研究进展

更新时间:2009-03-28

目前,塑料制品已经深入到生活用品、工业制造、医疗、军事等领域[1-5]。常见的塑料制品是将热塑性高分子材料熔融后,利用注塑机将聚合物熔体注射到具有一定形状的模具中,然后经冷却成型制得。近几年,塑料制品模具发展迅速,囊括了电器外壳、汽车零部件、仪器仪表等[6-10],约占整个模具市场的30%[11],因此,模具设计具有广阔的发展前景[12-13]。在注塑过程中,工艺参数和模具结构会对塑料制件质量产生影响[14-15]。对模具结构进行合理设计,优化浇注系统和冷却系统是保证塑料制品质量的前提。模具的浇注系统影响聚合物熔体的充模过程和效率,进而对聚合物熔体内残留内应力产生影响。对模具的浇注系统进行合理设计,有助于降低塑料制件中气泡、熔接痕、尺寸收缩和翘曲变形等缺陷;模具的冷却系统决定了聚合物熔体是否能按照设定的方式进行冷却、冷却速率是否均匀,以及制件表面和内部的温度梯度分布。合理设计冷却系统可防止制件由于冷却不均导致的翘曲变形和尺寸收缩等缺陷。此外,模具的分型面设计、浇口形状、数目和位置等都会影响塑料制件的质量。

由于制备多个具有不同结构模具的成本较高,且优化过程也较为繁琐,因此,对于模具结构的优化主要利用计算机模拟和有效限元分析进行。本文综述了近年来模具结构优化及其对制件质量的影响。

1 模具浇注系统的优化

浇注系统主要包括主流道、分流道,以及浇口的形状、数目和位置,通过对这些结构进行优化,可提高制件的质量。在注塑加工丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)的洗衣机控制面板时,沈洪雷等[16]对模具浇注系统进行了模拟和优化,以及有限元分析,分别利用针阀顺序控制热流道和普通开放式热流道两种结构,并预测了最终制备的洗衣机面板的质量。结果表明,最佳的浇注系统为针阀顺序控制热流道,并同时设定3个浇口,其中,浇口2和浇口3处仅有一个进浇点(熔体由浇口进入型腔的位置),浇口1处有4个进浇点,在该浇注系统下对ABS的洗衣机面板进行注塑成型,通过对工艺的优化,可改善制件的质量,降低气穴数量,而且可以有效消除制件表面的熔接痕。朱兴建等[17]在对塑料模具的浇注系统进行优化时,选用了尺寸为127.0 mm×33.0 mm×6.8 mm,壁厚为4.5 mm的薄壁塑料制件为模型,将热流道浇注系统设计为一模两腔,其中,主流道为锥形,小口半径为4.0 mm,大口半径为8.0 mm,分流道是直径为6.0 mm的圆柱形,并且在两个模腔靠近主流道的位置各设置一个浇口。此外,还对该薄壁制品的精度进行了预测,利用该浇注系统进行加工,制件的尺寸收缩率和翘曲变形量降低了50%。沈晓伟[18]对汽车后视镜盖模具结构进行了有限元分析,对其浇注系统进行了优化设计,并对直浇口、侧浇口、潜伏浇口和点浇口进行了模拟和对比分析。结果表明,汽车后视镜盖模具浇注系统中采用点浇口有利于降低制件表面的温度梯度、提高聚合物熔体的充模效率。此外,还对热流道的形状和长度进行了模拟优化,结果表明,采用小口直径为1.0 mm,大口直径为1.5 mm,长度为100.0 mm的锥形主流道,并将连接型腔和分流道的细短流道长度设定为0.2~2.5 mm,更有利于降低制件中气穴、熔接痕等缺陷。

在小型薄壁制品模具的结构优化中,通常只需要考虑热流道结构、浇口类型等因素,但对大型薄壁制品还需要考虑浇口数目以及各浇口所处的位置。以壁厚为3.0 mm,尺寸为1 180.0 mm×880.0 mm×185.0 mm的汽车车门内饰板模具为例,林建兵[19]首先对其进行了三维建模和网格划分,其中,网格面积为0.674 2 m2,匹配率为84.5%,最大纵横比约为15.6。对模具进行有限元分析后,在模具的中央和四角均设置了浇口,5个浇口同时注射,使模具在3.372 s内被充满。通过对比,最终选择了热流道,有效避免了采用冷流道系统时模具填充时间长、冷却速率慢、脱模复杂等缺点。此外,还预测了制件精度,利用所设计的模具进行注塑成型,所制车门内饰板的总翘曲变形量可低至3.965 mm。孙蒙蒙等[20]对一种大型薄壁制品(855.0 mm×785.0 mm×80.0 mm,壁厚为3.0 mm)的模具结构进行了优化,优化后的浇注系统具有4个浇口,分别为模具的四个角。通过对制件的精度进行预测发现,该浇注系统使制件的质量得到了明显提高,翘曲变形量仅为1.766 mm。

2 模具冷却系统的优化

模具冷却管路的数目、位置、直径等会影响制件冷却过程中的冷却效率和均一性,从而对制件的质量产生影响。胡小平等[21]为手机壳模具设计了3套冷却系统,设计1为两组相互平行的冷却管道,每组两根冷却管路,相互独立,分别位于型芯上方和下方;设计2与设计1管路数目和分布相同,但四根冷却管路之间相互连通;设计3仅在型芯上方设置了两根相互连通的冷却管路,连接短管位于型芯的侧面下方。通过对这三种方案的预测分析发现,设计2的冷却系统的冷却效率和结构强度最高,虽然制造工艺比设计3繁琐,但综合评价最高。将设计2的冷却系统用于手机壳制件的冷却,冷却时间仅需10.000 s,冷却过程中制件表面温差较小。唐光胤等[22]对水箱盒模具的冷却系统进行优化设计,并对其冷却过程进行了预测。在模具型芯上方设置了两根相互平行的冷却管,在型芯下方设置了一根矩形冷却回路,管路直径均为8.0 mm。冷却介质为25.00 ℃的水,流速为25 L/min,入口雷诺数为10 000。冷却过程中,型腔表面最高温度为89.75 ℃,最低温度为35.22 ℃,表面温度分布均匀,高温区仅分布于转角处;制件冷却时间仅为5.437 s,并在26.370 s内完全固化。

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Based on Eqs. (6) and (7), the parameter value of C2 can be obtained,

3 模具浇注系统和冷却系统的综合优化

在利用有限元分析对制件的浇注系统进行优化的同时,对其冷却系统也进行了优化,综合浇注系统和冷却系统的协同影响,设计出最佳的模具结构。在板状制件模具设计中,孙显俊[25]采用宽流道,并在模具侧面中央部位设置浇口,模具上方和下方的冷却管路相互独立。这种模具结构能够降低垂直于熔体流动方向上的流动梯度,并且相互独立的冷却管路也可将冷却过程中制件各部位的温差控制在10 ℃以内;而对具有复杂结构制件的模具设计中,则设置2个浇口,更利于优化复杂模具中聚合物熔体的流动特性,提高制件各部位温度的均一性,冷却系统依然为相互独立的两组冷却管路;对于结构更为复杂的汽车手套箱盖板,在模具中央设置1个点浇口,而模具上方和下方的冷却管路之间通过软管连接,进一步提高了制件各部位冷却速率的均一性,有利于避免由于冷却不均造成的制件缺陷。

对于小型塑料制件,浇注系统和冷却系统的优化较为简单。谭鹏[26]利用聚丙烯/长玻璃纤维复合材料制备了一种汽车安装支架,并对其进行了综合优化。首先对模具进行三维建模和网格划分,实验表明,网格匹配率大于85.0%,最大纵横比为6.0。对其进行有限元分析表明,若在模具侧面设置浇口,可以提高聚合物熔体充模效率,降低制件的熔接痕和气穴数量。另外,在模具上方和下方20.0 mm处同时设置直径为6.0 mm的冷却管路,采用25 ℃的水为冷却介质,可以保证制件各部位均匀冷却,温度梯度差小,制件翘曲变形量低。何政军[27]制造了一种耦合器,材料为三元乙丙橡胶,通过对模具进行三维建模、网格划分和有限元分析,发现在耦合器右侧设置1个浇口,并与模具上方和下方分别设置两组独立的冷却管路,可以提高聚合物熔体充模效率、支架冷却效率及均一性。利用优化后的模具对制件进行注塑成型,所得制件的翘曲变形量仅为3.612 mm。赵佳峰等[28]制造了一种壁厚为2.5 mm,尺寸为300.0 mm×85.0 mm×65.0 mm的薄壁塑料制件,并通过三维建模和网格划分对其模具进行优化,网格划分的网格匹配率为90.8%。模拟结果表明,由于制件尺寸较小,仅采用冷却流道系统,并在制件中部设置1个扇形浇口便可保证聚合物熔体具有较高的充模效率。在模具上方设置一组直径为8.0 mm的冷却管路,以25 ℃的水为冷却介质,可有效提高制件的冷却效率。利用结构优化后的模具进行注塑,制件的翘曲变形量仅为2.376 mm。周慧兰等[29]利用有限元分析对电话机面板模具进行结构优化,结果表明,选用一模一腔的模具,在模具中央设置2个点浇口,并与型芯和型腔周围均匀布置6组冷却管路,注塑过程中熔体冲模效率较高,冷却过程中制件各部位冷却速率一致,所得制件外观美观,无熔接痕等缺陷。张琦[30]通过对手机壳模具结构优化发现,增加进浇点数目,提高冷却管路分布的均一性能降低小尺寸薄壁制件的翘曲变形量。研究表明,在模具中间设置2个点浇口,主流道形状设置成锥形,并于型腔和型芯周围均匀布置4组回字型冷却管路,可以提高熔体的充模效率和冷却均一度。利用优化后的模具对手机壳进行注塑,制件的翘曲变形量仅为0.470 mm。王蕾等[31]设计了一种一模一腔的电话壳模具,利用有限元分析对其浇注系统和冷却系统进行了优化,并对比了分别采用侧浇口和点浇口时的充模过程,发现设置2个点浇口时,聚合物熔体在流道中的停留时间明显缩短,熔体充模的均一性明显提高。此外,还研究了冷却管路数目对制件冷却过程的影响,当在型芯和型腔周围均匀布置4根直径为10.0 mm的回字形管路时,能够保证制件冷却过程中冷却效率高、各部位温度梯度低。与常见模具相比,利用所设计的模具进行注塑,所得制件的气穴数量明显减少,翘曲变形量降低。

在对大型制件模具结构进行优化时,浇注系统和冷却系统都与小型制件模具不同,需要采用适于提高大尺寸制件温度均一性的结构。卢钢[32]利用有限元分析对汽车B柱内饰件的模具进行结构优化,制件壁厚为2.0 mm,尺寸为450.0 mm×235.0 mm×47.0 mm。在对模具进行网格划分时,采用中层面网格,这种网格类型更适用于尺寸较大的制件。结果表明,网格匹配率为100.0%,纵横比约为1.6。优化浇注系统后,采用了一模两腔的模具结构,并在2个模腔上设置了位置对称的扇形浇口,这种浇注系统更适用于尺寸跨度大、壁厚较薄的制件,有效降低制件表面和内部的温度梯度。另外,仅在模具上方10.0 mm处设置了10组直径为10.0~12.0 mm的冷却管路,采用水温为5 ℃的水作冷却介质,结果表明,该冷却系统可有效提高制件的冷却速率和各部位温度的均一性。

4 结语

通过对浇注系统中流道类型、主流道和分流道的形状和尺寸,以及进浇点的类型、数目和位置进行合理设计与优化,能够有效提高聚合物熔体的充模效率,降低聚合物熔体的残留内应力,提高制件表面温度的均一性,从而减少制件内气穴、熔接痕以及翘曲变形等缺陷;对冷却系统冷却管路的分布、数目和形状,以及水孔和隔水片的尺寸、数目进行优化,有助于提高制件的冷却效率,保证制件在冷却过程各部位冷却速率均匀,避免由于冷却不均导致的尺寸收缩和翘曲变形。不同形状制件模具对浇注系统和冷却系统的要求各不相同,对模具结构进行优化是保证制件质量的前提。

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广西将每年安排3000万元财政资金奖励,实行绩效加分政策激励各地加大棚户区改造力度;同时,将按照改造范围和标准,加强对项目的审核;完善棚户区改造货币化安置政策,要求商品住宅消化周期在15个月以下的市县必须采取新建棚户区改造安置房的方式;鼓励商品住房库存量大、市场房源充足的市县推进棚户区改造货币化安置;加大棚户区改造配套基础设施建设力度;并进一步完善棚户区改造重点项目库,对重点县区、片区、项目的进度和质量实行重点监管;同时,对于工作推进不力、不作为的地区,将考虑问责。

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物联网技术架构主要分为三个层次:感知层、网络层(又称传输层)和应用层。感知层是实现物联网的基础,主要利用各种传感器设备完成信息的采集、转换和收集。网络层通过各种长距离或短距离、有线及无线通信技术完成感知数据的传输。应用层通过各种数据处理呈现人机交互技术,满足不同行业用户的信息化业务应用需求,如监控类(车辆监控、温湿度监测)、查询统计类(远程抄表、资产管理)以及控制类(智慧路灯、智能家居、智能楼宇)等不同类型的应用。

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此外,采用隔水片或优化管路回路形状也是提高制件冷却效率,降低制件各部位温度梯度的一种有效手段。在对吸尘机电机罩的模具结构进行优化时,潘秀石等[23]将冷却管直径设置为8.0 mm,并加入直径分别为16.0,20.0,30.0 mm的隔水片,这种直孔隔板式冷却回路极大地提高了冷却效率和各部位冷却速率的均一性,且有效降低了冷却过程中制件各部位的温度梯度。电器控制面板是一种结构相对复杂的薄壁制品,尹小定[24]以ABS为原料,制备了一款咖啡机的控制面板,制件尺寸为170.00 mm×90.00 mm×46.64 mm,平均厚度为2.20 mm,其中,周边厚度为3.00 mm,安装卡边厚度为0.60 mm。对咖啡机的控制面板进行三维建模和网格分析,最大纵横比为6.0,网格匹配率为93.4%。根据制件的结构,在模具上方和下方分别设置了一组矩形冷却回路,且在宽度方向中间加设水孔以兼顾制件中间部位的冷却,水孔制件加设了4个隔水板。通过优化水孔孔径和隔水板尺寸,发现当水孔孔径为10.00 mm,隔水片厚度3.00 mm,宽度为15.00 mm时,制件达到顶出温度的时间仅为12.97 s,制件最高温度为57.18 ℃,平均温度为49.51 ℃,制件表面温度分布梯度小。另外,模具中采用该优化后的冷却系统,对咖啡机控制面板进行加工,所得制件的翘曲变形量仅为0.745 mm,较优化前降低了7%。

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计算上述四个结果的关键点在于如何推算出泵效水平、理想沉没率和安全下泵深度三个基准值,就很容易计算出上述结果。

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就农膜而言,虽然2010年垦区农用塑料薄膜回收率已达到95.9%,但随着农膜使用基数的不断增加,仍会使其残留土壤中的数量增多,从而破坏土壤结构,影响农作物吸收养分和水分,致其减产。

艾莉站在街口等出租车,大红的长裙在花香里摇曳。并非适合穿裙子的季节,可是艾莉等不及了。冬天像地狱一般难捱,严寒冻僵一个年轻女性的所有欲望。工作,应酬,任人差使,陀螺般旋转的工作日,足不出户的休息日,臃肿的穿着,灰色的街景,冰天雪地,万物萧瑟,冬天的艾莉毫无快乐可言。现在春天到了,阳光里充满生机,花香中弥漫爱欲,艾莉的心,随之躁动起来。

鸡新城疫是由副黏病毒引起的高度接触性传染病,有强毒株和弱毒株两类。近年来,由于鸡群正常进行鸡新城疫疫苗接种,因此本病多呈非典型性发生,主要发生于免疫鸡群,尤其是二免前后的鸡。有一定抗体水平的免疫鸡群,病情比较缓和,发病率和死亡率都不高;成鸡产蛋量突然下降5%~12%,严重者在50%以上,并出现畸形蛋、软壳蛋和糙皮蛋。

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她由此发展了一个怪毛病,说话不是没有主语就是没有谓语,总是不肯说上一句囫囵话。有时,我为了发泄内心的不满,会故意重复问她上下句缺省的主语或谓语。我们之间就会时常出现类似这样的对话——你说什么?牙花子。怎么啦?破啦。你说破啦是什么意思?牙花子。牙花子干什么了?……她白我一眼,知道我这是在挑刺,找她麻烦,便不理睬我了。

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《条例》将流域作为统一整体列为管理对象,但是各地区水功能区划,尤其是边界河湖水功能区划仍有不统一的地方。如2010年国务院批复的《太湖流域水功能区划》将淀山湖整体划为淀山湖苏沪缓冲区,但在以前的江苏省、上海市人民政府对有关的水功能区划批复中均对淀山湖使用功能进行了不同的定位,江苏定位为渔业用水区,利用率较高,上海定位为水源保护区,对环湖地区发展进行了严格限制。建议两省一市各自调整水功能区划,将保护标准统一到2010年5月国务院批复的《太湖流域水功能区划》苏沪缓冲区这一统一标准中来。

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关兴举,张海波
《合成树脂及塑料》 2018年第02期
《合成树脂及塑料》2018年第02期文献

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