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1、本科毕业设计（论文）外文参考文献译文及原文学 院 机电工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年级班别 学 号 学生姓名 * 指导老师 * 2010年6月注塑模的新型冷却道设计A B M Saifullah, S.H. Masood and Igor Sbarski摘要注塑模是大规模生产中最通用和最重要的手段之一。在这个过程中，因为冷却系统几乎决定了注塑周期而使得其变得尤加重要。好的冷却系统设计可以降低周期而获得稳定的零件尺寸。本文讲述一种专门为注射成型模具设计的新型方形截面冷却道，以某工业零件为例，利用moldflow模拟分析软件，对该新型冷却道系统与普通冷却道进行各种模拟与实验，并进行对
2、比分析。利用微型注塑机对塑件试样进行多种实验，对比结果将以温度对模具表面、冷却时间或者塑件冻结时间的影响描述出来，最终以达到降低塑件周期。关键词：共形冷却道，moldflow周期，方形简介生产塑件中，注射模是一种广为利用的制造工艺1。注射模的基本原则是固体聚合物在熔融状态下注射进模腔内，经过冷却，然后在模中被顶出。因此注射模工艺过程涉及到填充阶段，冷却阶段和顶出阶段。因此注射模的工艺过程主要就是决定于成型周期，而冷却时间又是最重要的一个步骤。成型的冷却时间决定了生产塑件的速度。一直以来，现代工业中，时间与成本有着很大的关连，生产时间越长成本越高。降低零件冷却时间将会大大提高生产速率和降低成本。
3、因此在典型的成型过程中，了解并优化热传导是非常重要的。注塑件和模具之间的热交换对注射成型的经济行为起着决定性的因素。必须达到稳定状态下（即可以脱模时）才能将塑件热量释放。需要达到这个状态的时间叫做零件冷却时间或者冻结时间。正确的冷却系统设计必须使得聚合塑料件与模具之间有最佳的热传导。在传统的模具中，通过在模心和模腔里创建直孔，然后通以冷却液并导走聚合塑料件多余的热量，可以实现降低冷却时间。这种加工孔的方法依赖于普通加工工艺，例如钻孔，却不能生产复杂的轮廓状通道或者立体空间里的隐藏部位。另一种适合模腔和模心形状的方法可以为注塑模工艺提供一种更好的热传导方案，因此可以优化周期。这种办法利用不同平面
4、的交错轮廓通道，与模具表面尽可能贴近，以增加对熔融聚合物热量的吸收，这种方法保证了塑件冷却的一致性和效率。目前，随着快速成型的利用，例如直接金属沉积（DMD），直接金属激光烧结（DMLS）和许多先进的计算机辅助工程（CAE）软件，更多高效的冷却道可以通过复杂布局与交错截面的设计和制造获得。本文讲述一种为注射模而设计的方形截面的冷却道（SSCCC），以某工业塑件的圆盘形作为试样进行模拟试验，并通过MPI软件将之与普通直冷却道（CSCC）进行对比。对比得出的实验结论也是通过SSCCC和与CSCC对圆盘的注塑试样的影响进行对比而得出。结果显示SSCCC相对于CSCC，有着更加好的冷却和温度分布效果。
5、塑件设计与模具设计塑件设计圆盘塑料件有PP聚合物组成，如图1（a），由Pro-Engineer设计，后以IGES格式导出文件并将之导入MPI进行分析。塑件体积是177.9cm3，质量为162.3g。试样同样也是由Pro-Engineer设计，如图1（b），实验结果通过两种材料PP和ABS进行过处理，试样体积是8.8 cm3，ABS和PP的质量分别为8.68g、8.13g。 图1(a) 圆盘塑件的CAD模型 图1(b) 试件CAD模型模具设计模具设计已经通过Pro-Engineer的模具设计模块完成并通过数控机床加工制造。模具分为两部分，模心与模腔，如图2。SSCCC通过CNC加工，一部分在腔板
6、上，另一部分在心板上，板与板之间通过螺钉连接，为了避免水泄漏，使用液体垫圈（佩马特克斯）。图2 两块腔板与心板的CAD装配图分析和分析结果使用MPI模拟软件对塑件进行分析5。分析顺序是流动冷却翘曲分析。使用PP聚合物作为分析对象，对CSCC和SSCCC进行比较分析。CSCC的直径是12mm，SSCCC的长度是12mm，如图3。全局网格划分的平均长度是0.995cm，CSCC个SSCCC的网格单元数目分别为12944和12291. 图3（a）CSCC的MPI分析 图3（b）SSCCC的MPI分析冷却介质温度都是25C。雷诺数为1000，熔融温度为230C，比较结果如图4，图中表明了SSCCC相对
7、于CSCC，有更好的温度分布和更少的冷却时间。对CSCC而言，除了顶部位置外，大部分都在24S冷却，然而SSCCC需要的时间是少于20S。同时，CSCC的冷却时间在0.4693.7S之间，SSCCC则在0.387.15S之间。因此，使用SSCCC方案，可以降低5S的冷却时间即35%的冷却时间。实验结论和结果实验结论通过使用圆形塑件试样获得，制造试样的模具如图5。塑件直径为40mm，厚7mm。模具大小为10102.5cm3。模具材料是低碳钢。实验通过微型注射机（TECHSOFT微型注射机）完成，如图6，TC08 K型的PCIO技术用来测量试件顶部和底部表面的温度。ABS和PP材料的熔融温度达到2
8、50C，冷却介质是普通水，室温是25C，因此水是冷却水，CSCC和SSCCC的直径是5mm。使用两个温度计，试件每一刻的表面温度都被测量到。图7和图8的温度分布比较表明了，试件顶部与底部的降温需要30S。 图5（a）SSCCC的低碳钢模心和模腔 图5（b）CSCC的低碳钢模图6注射模的实验设备图7 ABS温度比较点图8 PP温度比较点从图7可以知道，对于ABS，使用SSCCC方案时，试件的顶部和底部表面温度比CSCC更早达到冷却温度。对于SSCCC，在注射后，最大的顶部和底部温度记录是53.36C 、52.1C。30S后，温度下降到42.47C、43.07C。然而对于CSCC，它的温度是53.
9、24、52.01 和 47.47、47.2C。因此使用SSCCC可以达到45C的下降。同样结果也在PP试件中获得，从图8可以看出，使用SSCCC后，温度可以下降23C。在实验过程中，使用了60个同样的试件，数据的结果几乎一致，图9所示为ABS何PP的样本。图9 实验用的样品试件（左为ABS，右为PP）结论冷却过程是注射模的中最重要的一个过程，因为它常常占了周期的一半，同时也直接影响着塑件产品的收缩，弯曲和翘曲，因此设计好冷却道是非常重要的，因为它影响着生产效率和产品质量。MPI模拟结果和实验结果证明了使用方形截面冷却道有效降低了35%的冷却时间，注射周期缩短了20%。因此大大的改善了注塑件的生
10、产效率和产品质量。致谢在此我感谢Meredith女士，菲尔沃森工程及工业科技以及斯威本科技大学的数控加工与模具制造技术学院对我这次的支持。参考文献1 D.V. Rosato, D.V. Rosato and M.G. Rosato, Injection Moulding Handbook3-rd ed, Boston, Kluwer Academic Publishers, (2003).2 X. Xu, E. Sach and S .Allen, The Design of Conformal Cooling Channels In Injection Moulding tools, J.
11、of Mater. Processing Technology, 164-165,pp 1294-1300,(2005).3 D.E. Dimla, M. Camilotto, and F. Miani: Design and optimization of conformal cooling channels in injection moulding tools, J. of Mater. Processing Technology, 164-165, pp 1294-1300(2005).4 A B Saifullah, S. H. Masood and Wgor Sbarski, cy
12、cle time optimization and part quality improvement using novel cooling channels in plastic injection moulding. ANTECNPE2009,USA.15微注射成型：零件脱模的表面处理效果C.A. Griffiths1, S. S. Dimov1,E.B. Brousseau1, C. Chouquet2, J. Gavillet2, S. Bigot11Manufacturing Engineering Centre, Cardiff University, Cardiff CF24 3
13、AA, UK2French Atomic Energy Commission (CEA), Laboratory of Innovation for New Energy Technologies and Nanomaterials (LITEN), 38054 Grenoble, France摘要微注射成型作为一种仿制成型方法，是微型制造的关键技术之一，对过程的理解约束着已选定的生产路线，这一点在设计阶段和大规模生产中非常必要的。在这项研究中一种模具表面处理被用作研究那些拥有微观特征的零件的脱模效果，特别是一种表层涂有类金刚石碳（DLC）的模具将会与没有涂有DLC的同种模具进行对比。通过一连
14、串的实验测试出四个工艺参数的影响融化和模具温度，冷却和弹出时间，这些工艺参数将会用来评价脱模过程，利用两种高分子材料PP和ABS，重点关注脱模力，最终引出DLC表面处理的影响和各种因素的影响的结论。关键词：微注塑模，表面处理，脱模，微流体介绍微流控技术在许多领域都广为运用，例如生物技术、流式细胞仪、医疗诊断和微化学。这种微仪器设备的成功发展高度依赖于能够经济又可靠地生产大规模微型组件的制造系统。在这个前提下，聚合物的微注射成型技术是微型制造的关键技术之一。为了获得经济可靠的微流控技术的产品零件，了解影响微型注射成型的因素并形成系统性的研究是很重要的。在成型周期的凝固阶段，聚合物熔体在模腔壁上收
15、缩并成型。在这个发展阶段，零件的内部应力必须被克服，以避免随后造成的局部偏移。在打碎聚合物和模腔之间的粘料时，为了避免翘曲变形，抑止局部偏移的最大等效应力不应超过材料的拉伸屈服应力1。因此，影响脱模过程的因素必须加以研究，避免因为塑件变形而造成破坏零件特征和引入更多的内部应力。本文将讲述那些拥有微观特征的零件，在不同的表面处理下表现出来的效果。本文由如下的几部分组成，下一章将研究影响排出的重要因素，尤其零件成型动力和表面处理方式。然后，把那些检测脱模的腔涂料影响所用到的实验装置和测试工具用实验结果描绘出来。最后列出实验结果，并分析微注射成型的表面处理和脱模力之间的关系。脱模因素拔模力聚合物注射
16、成型过程中，对零件和模具之间粘附力的预测是一项很复杂的任务，由于它依赖于产品的几何与工艺参数，如过程中的温度、压力调控。脱模力（释放力）被定义为模具与聚合物界面之间的总摩擦力。以往对注射成型和脱模的研究，实例表明摩擦因素是非常难解释的。同时它表明注射压力对脱模力的影响并不显著，在过程中，它的摩擦系数与公布出来的摩擦系数大相径庭。鉴于顶针的数量对拔模力的影响，具体而言，成型零件的压力分布与顶针的数量成反比。在另一项研究中，脱模力的大小随着模具的表面粗糙度的增加而增加。保压压力和腔体的表面温度对脱模力的影响很大。综合了大的表面容积比和大侧面比的微观特征，目前微注射成型面临的挑战是：降低拔模力和模具
17、的磨损，以保证出品最佳的机械的性能、结构稳定性，并增加模具的使用寿命。模具涂层运用表面处理可以用来改善模具表面的耐磨性。同时，可以通过传统的方法去降低表面的磨损低，如加热处理和氮化处理。过往研究表明物理汽相淀积技术和化学汽相淀积技术不但使模具耐磨性显著提升，而且注塑件的质量也因为拔模力的降低而得到了改善。模具的涂层在使用类金刚石碳的脉冲激光淀积技术对模具进行表面处理后，它的表面硬度提高到了70GPa。优化沉积可以使类金刚石碳表面精度达到m级（0.050.2），足足比陶瓷涂层低了一个数量级。除此之外，模具涂层还可以阻止不良聚合物和模具的相互作用。为医疗产品生产微型模具存在着释放金属离子的危险。例
18、如镍是一种常见的接触过敏原，同时它也是用于制造微型模具的材料，通过涂抹腔体，模具与聚合物之间的隔膜就形成了。而且，由于类金刚石碳涂层的非晶体特性，它可以引入可调抗菌成分，从而达到对抗污染。基于过往的研究，可以清楚地知道表面处理可以降低拔模力和模具的磨损。这项研究探讨了模具涂层在微注射成型的脱模部位的效果。实验设备实验材料选用两种常用的注塑成型材料来进行计划的实验ABS和PC，执行微注射成型的机器是巴顿菲尔50微型系统。零件设计和模具制造在这项研究中，该设计零件尺寸是15mm20mm1mm微射流平台(图1)，该设计所包含的特征都是在微射流平台中常见的，如冷料穴和流道。引脚直径是500m，高度60
19、0m，交叉位置的主流道尺寸是200200m，两个相同的模具都用黄铜制造。他们通过微加工制作出来。动模与定模被装配到主模上，然后检查其并行性和配合的紧闭性。图1 微射流平台和顶出位置类金刚石碳表面处理类金刚石薄膜是在一个低频等离子体化学气相沉积反应器内形成。沉积前，首先将基板置于超声波清洗机中，并用丙酮和乙醇清洗，然后在Ar+H2下进行等离子刻蚀，为了提高附着力，利用四甲基等离子和氩气将Si-C:H的中间层沉积在基板上，然后2m的类金刚石涂层也就形成了，其相关参数如表1表1类金刚石碳膜的机械特性性质数值硬度GPa222杨氏模量GPa16010摩擦系数0.05磨损率mm3.N-1.m-1510-7
20、力的测量研究中，在注射成型的脱出阶段，变化的力可以通过压电式力传感器（美国Dynisco）估算，测力范围是010000N，传感器输出的信号可以通过国家仪器cDAQ-9172 USB数据采集单元转载到计算机上。同时测量值可以通过国家仪器Labview 8软件进行访问。为了适应力传感器，每个工具都必须进行修改。制造出来喷射器子装配件是用来放置那4根移除零件的顶针。为了实现力的测量，传感器放置在顶板子装配件的中间（图2）。喷射器装配件移动的时候，传感器受到机械负载和成一定比例的电压，机械负载和电压都是由仪器NI 920（16位）模块检测出来。图2 力传感器和顶出装置表2 ABS的部分正交矩阵试样Tb
21、(C)Tm(C)Tc(C)Te(C)数值数值数值数值1A1220B140C11D102A1220B260C25D253A1220B380C310D3104A2250B140C25D3105A2250B260C310D106A2250B380C11D257A3280B140C310D258A3280B260C11D3109A3280B380C25D10表3 PC的部分正交矩阵试样Tb(C)Tm(C)Tc(C)Te(C)数值数值数值数值1A1280B180C11D102A1280B2100C25D253A1280B3120C310D3104A2300B180C25D3105A2300B2100C3
22、10D106A2300B3120C11D257A3320B180C310D258A3320B2100C11D3109A3320B3120C25D10实验设计通过探测料筒温度（Tb）和模具温度（Tm）发现，微成型的充盈能力主要受到注射成型过程的温度控制影响。填充完毕后，零件的温度必须足够的低，以方便脱模而又不造成零件的变形。因此充盈后的冷却时间（tc）、注射时间的延迟作用（te）也应当列入考虑之内，考虑到三个层次上的四种因素，选用田口L9的正交矩阵（如表2和表3），每个模具表面处理的反应和每一步的控制参数都会在测量弹出零件期间的脱模力的时候分析出来。两种模具的表面，不处理、类金刚石碳和两种材料P
23、C、ABS，考虑到这些都被检查过，四种低频光接入系统就这样被定义出来了。结果分析平均力研究中，低频光接入系统用来确保实验结果在考虑的处理窗口中，每一个试验。基于脱模力测试时的表面处理，基于试验，脱模力的平均值就这样被系统计算出来了，如图3。对于未经处理的ABS和PC，结果都受到了最高脱模力的影响，ABS的平均值比PC高。通过实验对比，经过类金刚石涂层处理的模具的脱模力比未受处理的要低。ABS的平均结果是所有结果中最低的,与未经表面处理的模具对比，类金刚石涂层处理后的脱模力下降了41.6%。而PC则下降了10.68%。图3 OAS的平均脱模力最佳参数水平平均脱模力的计算是基于每一个组合的控制参数
24、的试验，这是为了决定最优参数水平，并用来研究那些已经运用田口方法的表面处理和聚合物。假如相对平均值是最低的，那么它的值就是已给参数的三个等级中最好的，表4展示了实验的结果。通过利用这个方法，可以在研究工艺处理窗口中确定与脱模力有关的最佳那一组参数。理论最佳工艺参数如表4。图4 各种聚合物和表面处理的组合作用表4 理论最优工艺参数参数对最优性能的影响通过实验结果，用方差分析去估计各个工艺参数对脱模的影响。表5列出各个参数的影响率。基于这个分析和已选的最优参数水平（表4），可以算出最低理论脱模力，表6列出了这些组合。表5 各个参数的影响率未经处理表面DLC处理ABSPCABSPCTb10.327.
25、772.912.4Tm38.842.323.3-Tc-11.1-48.2Te-35.0表6 理论最低脱模力未经处理表面DLC处理ABSPCABSPCFEN12.629.337.907.99 结论本文讲述了一个实验性的研究微注射成型的零件脱模的探讨，本文着重于表面处理对脱模力的影响。而且，通过运用实验设计方法，微射流平台的脱模性能研究是一个与工艺参数组合的研究，而这些参数分别是Tb, Tm, tc 和 te,。通过研究报告，可以得出以下的结论：通过对PC和ABS的平均脱模力的测量，发现经过表面处理后的脱模力比没有处理过的显著降低了。通过实验性的研究，就目前而言，截至本研究，尚没有一个唯一的选择性
26、参数水平能够像本研究一样，对关于脱模行为所考虑到的最佳表面处理或者聚合物研究，这是显而易见的。通过方差分析，可以估算工艺参数对最优性能的作用。通过模具处理和聚合物组合计算出来的最低理论脱模力证明了类金刚石碳涂层显著的降低了脱模力。最后，值得强调的是，在微注射成型中选择表面处理时，聚合物的特性是一个很重要的因素。实验研究和模拟脱模动作必须先于模具的制造。特别鸣谢本文得研究是由“工程物理研究理事会规划”、“卡迪夫创新制造业研究中心”、“欧共体第六框架计划”、“光学微流体的表面增强系统”资助, 同时，它也是在教统会第六框架卓越网络的框架内进行的，即“多种材料的微制造技术及应用”。参考文献1 Nava
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