先进制造技术大作业塑料叉子设计制造_(2)北京科技大学29749.pdf
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1、.word 格式.专业.专注 .塑料叉子的设计制造 小组分工:王晖(s20120856):产品检测标准及检测试验方法 曹旭东(s20120764):叉子的设计及三维实体建模 江丽英(s20120800):叉子的有限元分析 张翼(s20120903):材料的选择 刘晓明(g20128204):模具型腔设计 赵凯(s20120909):模具型腔表面处理 虞川一(s20120886):注塑机参数校核,试模时可能出现的缺陷及解决方法 李健(g20128240):注塑成型加工过程 豆凤铅(s20120780):去毛刺及后期处理 魏俊楠(g20108105):叉子的包装及回收 1 叉子的设计 1.1设计背
2、景 餐具时人们日常生活中不可缺少的日用品,随着人们生活水平的提高,生活方式和消费观念也发生了改变,与家人朋友一同去餐馆下馆子聚餐、叫外卖、吃排挡成为越来越多现代人的饮食习惯,一次性餐具因为方便简单,用后不用洗,成本低廉,越来越受“吃客”们的喜爱,需求持续旺盛。作为餐具中的代表,叉子具有广阔的市场前景。1.2设计要求及特点(1)选材要求安全,无毒无味、耐酸耐碱、高温(120)不变形,且稳定。(2)所设计产品需要有一定的强度;结构要求美观大方简单实用,便于制造和消毒;同时兼顾经济性原则。1.3叉子的三维建模 叉子的三维建模如图 1-1.word 格式.专业.专注 .图 1-1叉子的三维模型 图 1
3、-2叉子的体积 1.3有限元分析 有限元法能够很好地模拟物体的实际形状、结构、受力和约束,其计算结果更精确,也更接近实际,是作为设计、改进零部件的依据。在本设计题中主要是在 CAE软件 ansys的 workbench界面下,建立一次性塑料叉子的有限元模型进而进行静力学分析的。1.3.1有限元模型的建立 将已经建立好的实体模型导入 workbench中,对整体结构进行网格划分,由于四边形单元的计算精确度比三角形单元高,故采用四边形单元,取去网格大小为.word 格式.专业.专注 .4mm,如图 1-3所示。图 1-3叉子结构模型的有限元网格图 对结构模型施加约束和载荷:如下图所示在 A 处和
4、B 处约束约束铅垂方向和横向两个方向的位移;对整体结构施加重力载荷即图中的力 C,对叉子背面加一向下的力即图中的 D。图 1-4叉子模型的约束和受力图 1.3.2求解及结果分析 图 1-5叉子模型结构的应力云图.word 格式.专业.专注 .图 1-6最大应力发生位置的应力局部放大图 图 1-7勺子结构的位移云图 由上面的应力以及位移云图可以看出,最大应力发生在叉子齿的根部;而在叉柄的中部偏下的弯曲部位位移最大,同时在该部位也存在的较大的应力。需要对结构的上述部位做进一步的改进,又由于该叉子是一次性的结合制造成本与可靠性的整体因素考虑,可以通过增加叉齿的厚度和在叉柄背面加加强筋来进一步优化设计
5、。2 材料的选择 在选择塑件材料时,通常要考虑一下因素:力学性能、使用性能、加工工艺性能、耐热性和经济性等等。本塑件为叉子,由于是直接和口腔接触的,所以在选择材料的时候,要首先选用无毒安全、卫生程度高的材料。由于叉子使用频率较大,所以也要具有一定的力学性能,有较大的轻度和刚度,屈服轻度高,弯曲疲劳寿命高,不易变形折损等。与此同时,由于叉子属于日常生活用品,所以经济性也是一个很重要的因素,所以选材时也要注意其价格。各种塑件材料的比较 材料 优点 缺点 ABS(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯)无毒无味,吸水性低,易加工成型,可电镀、喷涂,坚硬有强度,钢性好,尺寸稳定性好,收缩小,价易熔于氧化性酸,尺寸稳定
6、性较差.word 格式.专业.专注 .格中等。PP 耐冲,韧性好,透明度高,耐蠕变,尺寸稳定性好(温度、深度、环境变化时不会随之变化),吸水性小,有良好的阻燃性和电绝缘性。易熔于氧化性酸,尺寸稳定性较差 PA(聚酰胺、尼龙)耐磨、强韧、无毒、耐寒、耐腐蚀、磨擦系数小易成型,电绝缘性好,耐温可达 180 易熔于氧化性酸,尺寸稳定性较差 聚甲醛 POM 结晶度高,刚性大,耐冲击和蠕变性优良,耐疲劳性好,具有突出的自润滑性、耐磨性和耐化学药品性 易熔于氧化性酸,尺寸稳定性较差 聚酯 有较大的强韧性,薄膜拉伸强度较大,有较宽的温度范围内保持优良的物理和机械性能,摩擦系数小。易熔于氧化性酸,尺寸稳定性较
7、差 综合上表和塑件的具体要求,选取 PP 材料。PP 具有较高的强度、硬度、耐热性及耐化.word 格式.专业.专注 .学腐蚀性;具有弹性和较高的冲击强度;它具有优良的介电性能及成型加工性性能等综合的优良性能,且价格便宜,原料易得。而且作为一次性用品应该对环境的破环不是那么大,聚丙烯就具有对环境不是那么的有害,她具有在光氧作用下易分解老化的性能比聚乙烯好,且成形性比较好所以选择聚丙烯比较好。另外我还得到了 PP(聚丙烯)的成型特性:(1)结晶性料,吸湿性小,可能发生熔融破裂,长期与热金属接触易发生分解(2)流动性极好,溢边值 0.03mm左右(3)冷却速度快,浇注系统及冷却系统应散热缓慢(4)
8、成形收缩范围大,收缩率大,易发生缩孔、凹痕、变形,方向性强(5)注意控制成形温度,料温低方向性明显,尤其低温高压时更明显,模具温度低于 50以下塑件不光泽,易产生熔接不良,流痕;90以上时易发生翘曲、变形(6)塑件应壁厚均匀,避免缺口、尖角,以避免应力集中 3 模具的设计 3.1模具型腔设计 3.1.1分型面的设计 动模和定模想接触的面叫做分型面,分型面的形状多种多样,有平面、曲面和阶梯面等等。具体的选用要根据实际情况来确定。对于叉子来说,塑件本身是弯曲的,故其分型面也应该是曲面。同时,分型面的选取还要利于取模,所以要取在塑件尺寸最大的地方。鉴于以上要求,我们选取的分型面如图 3-1所示:图
9、3-1 3.1.2浇注系统的设计(1)主流道的设计.word 格式.专业.专注 .主流道是塑料熔融体进入模具型腔时最先经过的部位,它将注塑机喷嘴注出的塑料熔体导入分流道或型腔。其形状为圆锥形,便于熔体顺利地向前流动,开模时主流道凝料又能顺利地拉出来。由于主流道要与高温塑料和注塑机喷嘴反复接触和碰撞,通常不直接开在定模板上,而是将它单独设计成主流道衬套镶入定模板内。浇口套的选用:进料口直径:D=d+(0.51)mm=30.53.5mm 式中 d 为注塑机喷嘴口直径。球面凹坑半径:R=r+(0.51)mm=10+0.510.5mm 式中 r 为注塑机喷嘴球头半径。所选浇口套的立体图如图 3-2所示
10、:图 3-2(2)冷料井设计 选用底部带有推杆的的冷料井,倒锥孔冷料井的底部由一根推杆组成,推杆装于推杆固定板上,因此它常与推杆或推管脱模机构连用。(3)分流道的设计 分流道的布置:选用平衡式的圆形分流道布局,即分流道到各型腔浇口的长度、断面形状、尺寸都相同。(4)浇口设计 浇口又称进料口,是连接分流道与型腔之间的一段细短流道,其截面积约为分流道的0.030.09,长度约为 0.5mm2mm。图 3-3 3.1.3排气系统的设计 .word 格式.专业.专注 .由于本模具属小型模具,可利用型芯、顶杆、镶拼件、分型面等的间隙排气 对于叉子这类生活用品来说,普遍采用大批量生产,也就要求一次注塑可以
11、出多数产品。结合以上设计,实际的模具如图 3-4所示:图 3-4实际模具图 3.2模具型腔表面处理 据统计模具由于内表面损伤而失效的占到 80%以上,如果表面工程应用于模具制造领域,将会在很大程度上弥补模具材料的不足。随着传统表面工程技术的进步,纳米科技的发展和纳米材料研究的深入,具有特异性能的许多低维、小尺寸功能化的纳米结构表面层,能够显著改善模具材料的组织结构或赋予模具材料新的性能,便出现了模具纳米表面工程。3.2.1纳米表面工程的内涵及表面纳米化的实现途径 纳米表面工程是将纳米材料和纳米技术与表面工程交叉、复合、综合并开发应用,以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础,通过特定的加工技术、加
12、工手段,对固体表面进行强化、改性、超精细加工,赋予表面新功能的系统工程。实现模具型腔金属材料表面纳米化有三条途径:1.表面涂覆或沉积。利用纳米粉体制备技术获得具有纳米尺度的颗粒,通过表面技术将纳米颗粒固结在材料的表面,形成一个与基体化学成分相同或相异的纳米结构表层,但表层与基体之间存有明显的界面。通常所用的技术有 PVD、CVD、电解沉积;2.表面自身纳米化。对于多晶材料,采用非平衡处理方法增加材料表面的自由能,可以使粗晶体组织逐渐细化至纳米量级;3.表面混合纳米涂覆法。利用热喷涂、电刷镀和粘涂等技术制备涂覆层、在制备材料中添加纳米颗粒以改变涂覆层本身的综合性能或制备出特殊功能的涂层,此技术已
13、较成熟,因此我们将纳米复合电刷镀应用于本次设计的模具腔体表面的处理,这样能够能够显著增加镀层厚度与硬度,提高耐磨性、耐疲劳性、耐腐蚀性,从而提高模具的使用寿命,降低模具维修率,进而降低成本。3.4.2纳米复合电刷镀介绍.word 格式.专业.专注 .电刷镀采用专门的直流电源,电源正极接镀笔,负极接工件。纳米复合电刷镀是纳米技术与传统表面工程复合电刷镀技术相结合的方法,将一种或数种纳米尺度的不溶性固体颗粒加入镀液中进行充分的分散,使这些颗粒能够均匀悬浮在溶液中,并与金属或合金共沉积,使工件基体中弥散固体微粒结构的复合镀层的工艺。近年来,纳米级颗粒材料在电刷镀技术中的应用,使复合电刷镀技术在高温耐
14、磨及抗接触疲劳载荷领域有很大的提升,并被广泛应用于机械零件表面修复与强化。腔体是模具中成型塑料制品的空间,将纳米复合电刷镀运用于注塑模具腔体表面处理将有效的提高耐磨性、抗腐蚀性与模具寿命,并能有效提高塑料制品的质量。常用的纳米复合电刷镀溶液的基质镀液主要包括镍系、钴系、铁系、铜系等单金属电刷镀溶液,以及镍钴、镍钨、镍铁、镍铁钴、镍铁钨等二元或三元合金电刷镀溶液。比较成熟的纳米复合电刷镀溶液是由镍作为基质镀液加入铜、三氧化二铝、二氧化硅、碳化硅或金刚石纳米颗粒的镀液体系。图 3-5纳米复合电刷镀示意图.word 格式.专业.专注 .图 3-6电刷镀一般工艺过程 3.3注塑机参数校核 3.3.1最
15、大注塑量校核 注塑机的最大注塑里应大于制品的质量或体积(包括流道及浇口凝料和飞边),通常注塑机的实际注塑里好在注塑机的最大量的 80%。所以,选用的注塑机最大注塑量应:0 8M 机M 塑件M 浇 式中:M 机注塑机的最大注塑里,g;M 塑件塑件的体积,g,该产品 M 塑件9.54g;M 浇浇注系统体积,g,该产品 M 浇12.72g。故 M 机(M 塑件M 浇)0.8(8 9.5412.72)0.8111.3g 此处选定的注塑机注塑量为 672g,所以满足要求。3.2.2锁模力校核 式中:P 模熔融型料在型腔内的压力(20MPa40MPa);A 通过 Pro/E软件计算过塑件和浇注系统在分型面
16、上的投影面之和为 6104 2;F 锁机注塑机的额定锁模力,kN。故 F 锁机P 模 A 406104244.16kN 此处选定的注塑机为 2500kN。满足要求!3.3.3模具与注塑机安装部分相关尺寸校核.word 格式.专业.专注 .(1)模具闭合高度长宽尺寸要与注塑机模板尺寸和拉杆问距相适合:模具长宽拉杆面积;模具的长宽为 500450(mmmm)注塑机拉杆的间距 560510(mmmm)故满足要求。(2)模具闭合高度校核:模具实际厚度 H 模300mm;注塑机最小闭合厚度 H 最小220mm;即 H 模H 最小,故满足要求。3.3.4开模行程校核 所以选注塑机的最大行程与模具厚度有关(
17、如全液压合模机构的注塑机),故注塑机开模行程应满足下式:S 机(H 模H 最小)H1H2(5 10)mm 因为 S 机(H 模H 最小)830(300220)750mm H1H2(5 10)1511510140mm 故满足要求。式中:H1推出距离,mm;H2包括浇注系统在内的塑件高度,mm;S 机注塑机最大开模行程,mm。3.4试模时可能出现的缺陷及解决方法 3.4.1充填不足 主要原因有以下几个方面:(1)塑料容量不足。(2)型腔内加压不足。(3)塑料流动性不足。(4)排气效果不好。作为改善措施,主要可以从以下几个方面入手:(1)长注射时间,防止由于成型周期过短,造成浇口固化前塑料逆流而难于
18、充满型腔。(2)提高注射速度。(3)高模具温度。(4)高塑料温度。(5)提高注射压力。(6)扩大浇口尺寸。一般浇口的高度应等于制品壁厚的 1 2 l 3。3.4.2溢边 对于溢边的处理重点应主要放在模具的改善方面。而在成型条件上,则可在降低流动性方面着手。具体地可采用以下几种方法:(1)降低注射压力。(2)降低塑料温度。(3)选用高粘度等级的材料。(4)降低模具温度。.word 格式.专业.专注 .(5)研磨溢边发生的模具面。(6)采用较硬的模具钢材。(7)提高锁模力。(8)调整准确模具的结合面等部位。(9)增加模具支撑柱,以增加刚性。3.4.3龟裂 龟裂是塑料制品较常见的一种缺陷,产生的主要
19、原因是由于应力变形所致。主要有残余应力、外部应力和外部环境所产生的应力变形。残余应力引起的龟裂残余应力主要由于以下三种情况,即充填过剩、脱模推出和金属镶嵌件造成的。作为在充填过剩的情况下产生的龟裂,其解决方法主要可在以下几方面入手:(1)由于直浇口压力损失最小,所以,如果龟裂最主要产生在直浇口附近,则可考虑改用多点分布点浇口、侧浇口及柄形浇口方式。(2)在保证树脂不分解、不劣化的前提下,适当提高树脂温度可以降低熔融粘度,提高流动性,同时也可以降低注射压力,以减小应力。(3)一般情况下,模温较低时容易产生应力,应适当提高温度。但当注射速度较高时,即使模温低一些,也可减低应力的产生。(4)注射和保
20、压时间过长也会产生应力,将其适当缩短或进行几次保压切换效果较好。脱模推出时,由于脱模斜度小、模具型胶及凸模粗糙,使推出力过大,产生应力,有时甚至在推出杆周围产生白化或破裂现象。只要仔细观察龟裂产生的位置,即可确定原因。另外,成型前对金属嵌件进行预热,也具有较好的效果。3.5注塑成型加工过程 塑件的注塑成型加工过程主要包括填充保压冷却脱模等 4个阶段,这 4个阶段直接决定着制品的成型质量,而且这 4 个阶段是一个完整的连续过程。3.5.1填充阶段 填充是整个注塑循环过程中的第一步,时间从模具闭合开始注塑算起,到模具型腔填充到大约 95%为止。理论上,填充时间越短,成型效率越高,但是实际中,成型时
21、间或者注塑速度要受到很多条件的制约。高速填充。高速填充时剪切率较高,塑料由于剪切变稀的作用而存在粘度下降的情形,使整体流动阻力降低;局部的粘滞加热影响也会使固化层厚度变薄。因此在流动控制阶段,填充行为往往取决于待填充的体积大小。即在流动控制阶段,由于高速填充,熔体的剪切变稀效果往往很大,而薄壁的冷却作用并不明显,于是速率的效用占了上风。低速填充。热传导控制低速填充时,剪切率较低,局部粘度较高,流动阻力较大。由于热塑料补充速率较慢,流动较为缓慢,使热传导效应较为明显,热量迅速为冷模壁带走。加上较少量的粘滞加热现象,固化层厚度较厚,又进一步增加壁部较薄处的流动阻力。由于喷泉流动的原因,在流动波前面
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