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《山东大学》 2011年
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蒸汽高光注塑模具设计方法及疲劳寿命研究

谢玲珍  
【摘要】:塑料产品在生产生活中的广泛应用不断推动着塑料成型工艺的改进,人们在要求高精度、高强度、高表面质量、低成本塑件的同时,也就要求了更高效、更经济、更环保的塑料成型工艺的出现。快速热循环注塑成型就是这样一种新型的成型工艺,其生产的塑件表面具有高光洁度、无熔接痕,可免除打磨、喷涂等二次加工工序,又称高光无熔痕注塑。 本论文研究的蒸汽高光注塑模具就是利用蒸汽加热的快速热循环注塑模具(Steam Rapid Heating Cycle Molding,简称SRHCM)。与常规注塑成型工艺相比,SRHCM工艺在熔体注射前增加了蒸汽快速加热型腔的环节,有效提高了熔体填充型腔时的流动性能,消除了制品表面的熔接痕,并大大提升了制品的光洁度,冷却阶段则利用冷凝水快速降温,整个SRHCM的成型周期与常规注塑相当。然而SRHCM工艺快热快冷的工艺特点使得SRHCM模具的疲劳寿命相对较低,单纯通过增大模板尺寸提高强度,往往会以降低成型效率及加热效果为代价,因此兼顾模具成型效率和疲劳寿命,开发高效长寿命模具是十分必要的。 论文首先结合SRHCM工艺特点和传热学、疲劳强度理论,对SRHCM模具型腔的传热、变形、应力及疲劳寿命情况进行了分析和理论计算。计算得到了蒸汽及冷却水的换热系数,为型腔热传导的有限元分析提供了必要的数据;根据模具钢CENA1的常规疲劳试验数据拟合得到了其S-N曲线和S-N拟合方程,为型腔疲劳仿真提供了较准确材料数据。 论文对影响SRHCM模具型腔加热冷却效率及疲劳寿命的各种因素进行了分析。利用正交试验法、响应面法及非线性规划等,对型腔二维模型的管道排布进行了多目标优化设计。得到了管道排布各因素对传热效果和应力寿命的影响规律、影响排序和显著性分析,获得了各试验指标的拟合方程及响应曲面,得到的优化解与模拟实验的结果吻合良好,对平板状塑件的型腔管道排布设计有一定的指导作用。 论文结合生产实际,对42寸液晶电视机前壳的SRHCM型腔进行了三维热传导、热应力及疲劳寿命有限元分析。改进了蒸汽管道布局,提出了侧立边管道“一远一近”的排布形式,显著提高了型腔加热的均匀性;建立了用于加热、合模、注射、冷却全过程模拟的分析模型,更准确的反映了型腔、塑件及型芯的温度变化规律及特点;对比研究了五种不同管-面距离的型腔模型的加热冷却效率及效果。分析了型腔在全约束及半约束固定方式下的热变形及热应力情况,发现半约束固定方式中的“间隙”结构有利于型腔应力的释放和寿命的提高;通过模拟发现,在合模和注射阶段中锁模力及注射压力可减小型腔的部分热应力,而塑料熔体的高温使型腔快速膨胀,应力增加,其对成型面处热应力的影响更加明显。对比五种管-面距离模型的应力及疲劳寿命情况,获得了管-面距离对模具疲劳寿命的影响规律。 根据实际生产中SRHCM模具型腔寿命偏低的问题,以提高加热均匀性和使用寿命为目标,优化设计了42寸液晶电视机前壳的SRHCM型腔的加热/冷却管道。42寸液晶电视机前壳的SRHCM型腔在采用半约束固定方式下,管径8mm,底面管间距18mm,管-面距离12mm,侧立边管道一远一近的排布后可保证30s以内的加热时间及较好的加热均匀性,同时获得较高的使用寿命,论文的相关分析和优化结果,已在青岛海信模具有限公司得到了应用,取得了良好的效果。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TQ320.5

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