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中文译文：
注塑模具的设计与热分析
摘要:本文介绍了用于生产热变形测试样品的注塑模具的设计，这种模具能为自身实现热分析，从而得到模具的热残余应力的影响。文章对技术，理论，方法以及在注塑模型设计中需要的考虑的因素也进行了介绍。模具设计是通过商用计算机辅助设计软件Unigraphics系统的13.0版本实现的。这种用于分析因样品不均匀冷却产生的热残余应力的模具，已经通过使用13.5版的被称作LUSAS分析员的商业有限元分析软件得到了开发，而且存在问题也已经解决。该软件通过绘制相应的时间反应曲线为模具提供了温度分布等高线图以及注塑周期中的温度的变化。结果表明，与其他区域相比，收缩可能更容易发生在冷却渠道附近的区域。热变形就是这种在模具的不同区域的不均衡降温效果引起的。
关键词：注塑模具；设计；热分析
1.引言
塑料业是世界上发展最快的工业之一，被列入产值达数十亿美元的产业。几乎每一个在日常生活中使用的产品都涉及塑料的使用，这些产品大部分可通过注塑成型方法生产［1］。
注塑成型工艺因其制造过程是以较低的成本生产各种形态和复杂几何形状的产品而众所周知［2］。
注塑成型工艺是一个循环工艺，整个过程分为四个重要的阶段，即：充模，保压，冷却和喷射。在注塑成型过程是从漏斗中把树脂和适当的添加剂注入到注塑成型机的加热/注射系统开始的［3］。这就是“充模阶段”，在这个过程中，模腔填充了达到注射温度的热聚合物熔体。在模腔填充后的 “保压”阶段，更多的是聚合物熔体在更高的压力下被装进腔体，以补偿因聚合物固化引起的预计萎缩。接下来便是冷却阶段，在此过程中模具会冷却，直到有足够的刚性部分被弹出。最后一个阶段是“弹射阶段”，这个阶段模具被打开，成型部分被弹出，过后，模具会再次被关闭开始下一个循环［4］。
因为主要是靠经验，包括了实际工具的反复修改，所以设计和制造所需性能的注塑成型聚合物部件的过程很昂贵的。在模具设计任务中，由于包含了喷射和气压因素，通常来说，在核心区为模具设计特别附加的几何结构是相当复杂［5］。
为了设计出模具，许多重要的设计因素必须加以考虑。这些因素是模具的大小，模腔的数量、布局，热流道系统，门控系统，收缩和弹射系统［6］。
在模具的热分析中，其主要目的是分析热残余应力或模压对产品尺寸方面的影响。热诱导应力主要发生在注塑零件的冷却阶段，主要是由于其较低的热传导率和熔融树脂和模具之间的温度差异。在场冷却过程中的产品腔的温度是不平衡的［7］。
冷却过程中，离冷却通道越近的地方能更大程度的冷却下来。这种温度的不同引起了材料的异收缩，从而带来热应力。明显的热应力可能会引起变形问题。因此，在注射成型过程的冷却阶段对热残余应力场进行模拟是非常重要的［8］。通过了解热残余应力的分布特点，我们就可以预测热残余应力引起的变形。
在这篇论文中，为生产翘曲测试样本设计的提出了这样一种注塑模具设计：它能对模具实现热残余应力对其的影响实现热分析。
2.方法
2.1. 翘曲测试样本的设计
这一部分介绍了用于注塑模具设计的翘曲测试样本的设计。对于外壳很薄的产品来说，很明显翘曲是存在其中的主要问题。因此，产品开发的主要目的就是设计一个塑件能为外壳很薄的注塑模具的翘曲问题确定影响因素。翘曲测试样本是由薄塑料壳而开发的。样本的总体尺寸是长120毫米，宽50毫米，厚1毫米。生产翘曲测试样本所用材料是丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）注塑的温度、时间和压力分别是210 ◦C, 3 s 和 60MPa,图1表示翘曲测试样本。
图1翘曲测试样本

2.2. 翘曲测试样本设计注塑模具
本节介绍了用于生产翘曲测试样本的模具的设计部分和设计中其他需要考虑的因素。用于生产翘曲测试样本注塑模具的材料是美国国家钢铁学会的1050碳钢。在模具设计中考虑到的四个设计概念包括：
I. 三板模具（概念1）有两个分模线单腔，由于成本高所以不适用。
ii. 二板模具（概念2）有无浇注系统的一个分模线单腔。由于每注的低生产率而不适用。
iii. 二板模具（概念3）有一分模线与门控喷射系统的双腔。由于产品太薄，顶针可能损害它，因此也不适用。
iv. 二板模具（概念4）有一分模线与有门控系统的双腔，只用直浇口拉出器作为喷射器，来避免在喷射过程中对产品的破坏。在翘曲样本的模具设计中第四个设计概念已经得到应用。
各种设计根据都已经在设计中得到应用。
首先，模具的设计是基于所使用注塑机器的压盘尺寸(BOY 22D)。这个机器是有一定限制的，这就是两个拉杆之间的距离定出的压板机的最大面积在机器拉杆之间的距离为254毫米。因此，模具板最大宽度应不能超过这个距离。此外，为了达到调定和处理模具的目的，在两个拉杆和模具之间保留了4毫米的空间。最终这使模具的最高宽度为250毫米。标准模具基地有250×250毫米的使用面积。模具基底是用美得丽钳安装在模具基座或模具压板右上角和左下角的。其他相关模具板的尺寸见表1。 设计了夹紧压力的模具具有高于内部空腔力（反应力）的夹紧力来避免发生突然的活动。
表一磨具板尺寸
部件
尺寸：宽度×高度×厚度
顶部压紧板
250×250×25
腔板
200×250×40
核心板
200×250×40
侧板，支撑板
37×250×70
排出维持板
120×250×15
推出器
120×250×20
底部固定板
250×250×25

基于标准模具系列给出的尺寸，宽度和核心板的高度分别是200和250毫米 这些尺寸使核心板两腔的设计是水平放置的，因为腔板为空时有足够的空间，为了填充熔融塑料，只是用浇口衬瓦来固定因此，在产品表面只设计了一个标准分型线。在模具打开的过程中，产品和滑行装置放置在通过分型面的一个平面上，标准门或侧门就是转为这个模具设计的。门就处在滑道和产品之间。在门底部的土地，设计了20◦倾斜，而且厚度只有0.5毫米以便于清铲。
这个门还设计了四毫米宽0.5毫米厚的熔融塑料入口。在模具设计中，选择了滑道的抛物线交叉部分的类型，因为他有一个好处，那就是一模只需一半的简单加工，即这一例子中的核心板。
尽管如此，与圆截面类型相比这种滑道有诸如更多的热流失和废料。这可能会引起熔融塑料更快的凝固。这个问题通过使用更短，直径更大的滑道得以减少，它的直径是6毫米。非常重要的一点是滑道的设计要同时在相同的压力和温度下把材料或熔融塑料分送到腔体中。由于这一点，腔体的布局设计成了对称形式。设计中另一个需要考虑的方面就是通气孔的设计。
为了防止发生滑动，核心和板腔之间的配合面板加工非常精细。但是，这可能导致在模具关闭时空气被封在里面，而使产品出现喷丸不足或部分不完整。为了确保锁住的空气能被排出来而避免部分不完整的发生，我们设计了足够多的通气孔。冷却系统是沿着模具的长度钻出来的，在与模具水平的位置使其更好的冷却这些冷却渠道在两钻腔和和核心板上都有。它们使模具在湍流的情况下能够充分的被冷却。图2 给出了通气孔和核心板上的冷却渠道在腔里的布局。

图2 气孔在腔中的布局及冷却通道

在这个模具设计中，弹射系统包括弹射版，直浇口拉出器以及喷射器。位于核心板中心位置的直浇口拉出器的作用不只是作为模具打开时固定产品位置的拉出器，而且在喷射阶段作为喷射器把产品从模具中推出来。在产品腔中没有放置和使用附加的喷射器，因为产品生产的非常薄，即1毫米。
产品腔中额外的注射器可能会在喷射阶段给产品增加洞眼和损害。最后，要对尺寸容差进行足够的考虑来补偿材料的收缩。图3显示了利用unigraphic系统建立的三维实体造型以及线框模型

图3，模具的三维实体建模和线框模型

图4，用于避免欠注的额外的通风孔

3.结果和讨论
3.1.生产和调整产品的结果
从设计和制作的模具来看，生产的翘曲测试样本在实验跑中有一些缺陷。这些缺陷是短射，溢料和翘曲。短射随后被弯道腔排气孔的边缘消除来使被困住的空气能出来。与此同时，溢料也通过减少保压机器的压力得到降低。变形可以通过控制诸如注射时间，注射温度和融融温度等各种参数来得到控制。经过这些修改，模具生产了高品质低成本的翘曲测试样本同时需要尽快完成小门控。图4显示了模具的修改，正在加工消除短射的额外排气孔。
3.2. 模具和产品的细节分析
模具和产品开发出来以后, 就进行对模具和产品的分析t. 在注塑成型额过程中, 210度的熔融ABS通过腔板上的浇口套注入模具直接即进入到产品腔。冷却发生后，产品就成型了One 产品的周期大约需要35秒，而其中冷却的时间就有20秒。生产翘曲测试样本的材料是ABS，其注塑温度，时间，和压力分别是210度，3秒和60MPa。
模具选的材料是1050碳钢，这些材料的性能在有限元素分析开发的模具中决定温度分布的方面是非常重要的。表2显示了ABS和AISI1050碳钢的性能。对模具进行分析的关键部分在于腔体和核心板，因为这是产品成型的地方。
所以热分析来知道温度分布和不同时间的不同温度是通过采用商业有限元素分析软件即所谓的LUSAS分析员的13.5版本来实现的。为了研究在不同地区热残余应力对模具的影响，进行了二维的热分析，由于是对称的，热分析只要通过垂直截面的上半部分或者在注射阶段被夹住的两腔的侧面和核心板块。图5显示了用不规则网格分析的热分析模型。

图5，热分析模型

建模还涉及到性能分配和模型的程序或周期的时间。这使得有限求解分析模具模型建立，并且绘制了时间反应图来显示在特定阶段的不同地区的温度变化。对于产品的分析，是通过利用LUSAS分析员的13.5版本实现了一个二维拉伸应力分析。基本上在被紧紧地加载在一端，而另一端是被锁住的。负荷会一直增长知道模型达到可塑性。图6显示了分析的加载模式。

图6，分析的加载
图7，不同时间间隔的二维热分布等高线图
3.3.对模具和产品分析的结果和讨论。
对于模具分析来说，可以观察到不同的时间间隔中的热量分布。图7显示了一个完整注塑模型周期中不同时间间隔的热分布二维分布等高线图。

对于模具的分析来说，在不同热量或热能分布等高线绘制图上 ，热量分布在一个完整的注塑周期中。为了实现对于模具的二维分析，绘制了时间反应曲线图来分析热残余压力对产品的影响。
图8显示了为绘制时间反应曲线图选出的结点。
图8 时间反应曲线图选出的结点
图9-17显示了图8 所示不同节点上的温度分布曲线。
从绘制出的温度分布曲线图来看，图9-17中，为绘制曲线图选择的每一个结点在温度上会经历上升。即，从其周围的温度到比其周围温度高的特定温度，然后在特定的一个时间里，在这个温度上保持不变。这个温度增长是由于熔融塑料被注入产品腔引起的。From the temp
一段特定的时间.过后，温度会进一步升高直到最高温度，然后保持在那个温度上。温度增长归因于引起高压的保压阶段。
这个阶段上引起温度上升。这个温度会一直维持到冷却阶段开始，这个阶段上把模具的温度降并维持到一个较低的值。绘制的曲线由于没有熔融塑料的注入率以及冷却剂的制冷率，他是弯曲的。绘制的曲线只是显示了在周期中能够达到的最大值。热残余应力分析的最关键步骤是冷却阶段。
这是因为，冷却阶段引起了材料从高于玻璃转化温度到低于它的转化。材料经历了可能导致翘曲的引起热应力的不同的收缩。从图9-17所示的冷却以后的温度中，由于温度进一步降低冷却管附近的温度会很明显的受到更大的冷却效果，而远离冷却管的地方则有较小的冷却效果冷却率越大，冷却效果越多意味着在这个地方发生跟大的收缩。尽管如此，最远的地方，第284结点，尽管远离冷却管，由于向环境中损失的热量，经历更大的冷却力。结果是，产品腔中心位置的冷却管引起中间高于其他地方的部分的温度不相同.。由于更大程度的收缩，中间部分产生了压缩，同时由于收缩不均等引起了翘曲。尽管如此，冷却后，不同结点的温度差异很小，翘曲影响也不明显。
对设计师而言，设计一个有较少热残余应力及及有效的冷却系统的模具是非常重要的。
对产品的分析，从开始进行分析注塑产品的阶段，不同的负载因子在产品上的压力分布在这两个尺寸分析中得到观察。图，18-21显示了不同负荷应力增量的等高线图。一个临界点，即127节点上，产品的最大拉应力被选定出来进行分析。在图22和23 中绘制了这一点上的压力应变曲线和负载应力曲线从图23绘制的这一点上的负载应力曲线，很清楚的看到产品经受很大的负荷，直到23的负载力，即1150牛。这意味着产品能够承受最大在1150牛的拉伸力。高于这个值的负荷会引起产品的失灵。基于图23，失灵很可能会发生在产品的固定端附近的区域，这里最大应力是3.27×107 Pa 。由于该产品的生产是以为了翘曲测试，也没有分析与拉伸荷载的关系，所以其应力分析揭示的是很有限的信息。未来，尽管如此，建议产品服务条件应该确定，以便能够进行各种其他的负载下的进一步分析。
图9 284结点温度分布图

图10，213结点的温度分布图

图11 302结点的温度分布图

图12 290结点的温度分布图

图13 278结点的温度分布图

图14 1830结点的温度分布图

图15 1904结点的温度分布图

图16 1853结点的温度分布图

图17 1866结点的温度分布图

图18 在荷载增量为1时的等效应力图

图19在荷载增量为14时的等效应力图

图20在荷载增量为16时的等效应力图

图21 在荷载增量为23时的等效应力图

图22 ABS的应力与应变曲线

图23 ABS树脂的应力与荷载增量曲线

4. 结论
设计的模具可以生产用于确定影响翘曲参数的高质量的翘曲测试样本。该测试样本生产成本低，只涉及很少德控门的修整。注塑模具的热分析提供了热残余应力对标本的变形后形状的影响的解释另外对产品拉伸应力的分析成功的预测翘曲测试样本在出现失灵之前的拉伸载荷。

鸣谢：作者向发起本文出版的马来西亚博特拉大学工程学院致谢。

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