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畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯
系 別 電信息系系
專 業(yè) 機械設計制造及其自動化
班 級 B070203
姓 名 李 勇
學 號 B0706011
外文出處 ScienceDirect International
Journal of Machine Tools &
Manufacture 47 (2007) 740–747
附 件 1. 原文； 2. 譯文
分析快速成型注塑模具加工程序
Sadegh Rahmati, Phill Dickens
摘要
隨著全球市場競爭的日益激烈，企業(yè)壓力增加，不斷調低產品生產周期。由于交貨時間和工具加工成本趨于下降的趨勢,所以現(xiàn)代工具制造廠必須在壓力下快速、準確、以較低成本來生產產品。縮短生產原型產品是時間加快新產品開發(fā)的關鍵?？焖俪尚湍＞呱a當中，特別使用快速成型技術制造注塑模具裝配可節(jié)約生產成本并減少時間。在本文中,快速成型技術是用來直接生產快速注射模這種短期生產工具。對快速成形工具成功注射的數量及其性能進行評價分析?？焖俪尚铜h(huán)氧工具能抵抗注射壓力、注射溫度以及500次注射次數。對注射過程中工具失效機制調查得知工具的失效是由于過度的彎曲應力或是因為由于剪切應力過大而造成的。
2006年愛思唯爾出版社有限公司版權所有。
介紹
設計降低生產新部件時間的方法,因為產品的交貨時間拖很久的話無法滿足客戶需求[1,2]。設計能力提高、產品品種增加、交貨時間縮短，以及產量降低，均是快速模具技術發(fā)展的重要驅動力,生產期間，加工時間和生產成本明顯有所降低[3 - 5]。與此同時,快速成型模具加工技術正在不斷提高,并在制造商企業(yè)內越來越受歡迎 [6 - 8]。在諾丁漢大學研發(fā)的快速成型注塑模具工具方面占有兩種優(yōu)勢。
第一種是在在應力和溫度的極端條件下針對工具的設計可提供資料數據,并能從不同的測試中獲取數據, 類似于真實情況[9]。第二種是研發(fā)一種理論分析快速成型注塑模具過程的方法 [10]。這證明可使用少量的快速成型注塑模具成功生產五百個以上數量的工具零件。
作者：S. Rahmati的郵箱，rahmati@rapidtoolpart.com。英國拉夫堡大學快速生產研究小組的負責人和教授。
實驗方法
在構建快速成型注塑模具工具過程當中，根據光固化快速成型250型號快速成型機上的CAD數據，直接將環(huán)氧樹脂殼層嵌入到模具當中。這些嵌入物正好通過鋼框架插入到鋼模具當中，模具背面用鋁粉或是鋁薄片和環(huán)氧樹脂的混合物填充(圖1)。這些混合物額外增加了嵌入物力量并使模具具有散熱特點。使用50噸的巴頓菲爾注塑機測試快速成型工具，生產聚丙烯和丙烯腈丁二烯苯乙烯零件。如圖2
彈簧澆注系統(tǒng)
快速成型模具
上內模
腔鋼框架
模后填充材料
鐵心用鋼框架
頂出
針
快速成型模具下內膜
圖1：快速成型模具工具鑲件橫截面
圖2：從快速成型工具取出后的模具狀態(tài)
模具加工過程當中，測出型腔模具溫度和壓力，利用不同的熱電偶控制熔體溫度，以盡可能地確保型腔狀態(tài)保持一致。使用光學顯微鏡或是掃描電子顯微鏡檢測兩種模具斷裂樣本。裂縫的立方體用于橫截面和斷裂面的研究。裂縫當中嵌入模具材料的立方體，使用鑄造材料鑄好，切割然后使用光學顯微鏡將其拋光，以便于檢測。可是，使用掃描電子顯微鏡研究立方體斷裂面和模心，導致快速成型模具工具出現(xiàn)失效機理。
注射壓力分析
在噴射器底部放上測壓軟件來檢測壓力剖面（如圖3）。
澆道套
模制
澆鑄道
噴射器內角
模腔邊
噴射器中間
噴射器
測壓元件
模蕊側
噴射器中間
測壓元件電纜
圖3：噴射器和測壓元件的位置
在頂針施加的壓力將轉移到放置在噴射器另一末端的測壓元件上。取五個頂針其中的三個,其中一放在噴射器中間，另外兩個放在噴射器拐角處，測量壓力。所有的測壓元件與數據記錄器連接，并用電腦操作。在注射過程中記錄的變化電壓轉換成為壓力。結果如圖4描繪所示，在噴射器中間達到最大噴射壓力1650 psi （11.4兆帕), 在噴射器拐角壓力下降到約1300psi(9兆帕)。
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
快速成形環(huán)氧樹脂模具型腔三個地方的壓力剖面
Corner Pressure 1
Middle Pressure
Corner Pressure 3
0 3 6 9 12 15 18 21 24
時間 (秒)
圖4. 快速成形環(huán)氧樹脂模具型腔三個地方的壓力剖面。
快速成型環(huán)氧樹脂模具工具相關溫度和材料的研究
圖5記錄了在周期時間內的典型實際溫度，在開始下一次注射前，溫度達到451攝氏足夠在規(guī)定時間內完成使模具冷卻過程。為了計算抗?jié)q強度和剪切應力，需準備標準實驗樣品，規(guī)格按照ISO527測量剪切應力，按照ISO179檢測沖擊強度。
120
100
80
60
40
模心1
模心2
模心3
模心4
型腔1
型腔2
型腔3
型腔4
20
0
0 100 200 300 400 500 600
時間 秒)
圖5：環(huán)氧樹脂模具工具內逐次循環(huán)溫度變化
沖擊強度平均值被測定為28.4 kJ/m2 ，不同溫度平均值如圖6描繪所示。環(huán)氧樹脂拉力和剪切力測試結果如圖7所示。
100
90
沖擊強度
80
70
60
50
40
30
20
10 20 30 40 50 60 70 80 90
溫度 (攝氏度)
圖6：飽和環(huán)氧樹脂的不同溫度下相關的沖擊強度。
70 70
60 60
抗拉強度(MPa)
50 剪切應力(MPa) 50
40 40
30 30
20 20
10 10
0 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
溫度 (°C)
圖7：快速成型環(huán)氧樹脂5170型號模具的相關溫度下的最大抗拉強度和最大剪切應力
失效機理分析
當塑膠被注入到在型腔時,型腔內突然壓力上升, 在成型周期期間內腔壓力達到最高(圖4)。這種壓力表現(xiàn)出核心特征,這可能導致工具斷裂,如果超過材料的極限抗拉強度極限抗撓曲強度，圖8顯示了在注塑期間各種可能發(fā)生的情況,。在8(a),沒有失敗,8(b)中出現(xiàn)一個彎曲故障，8(c)有一個剪切破壞。瞬間彎曲應力會導致過程失敗,或是裂紋擴展，疲勞失效。
立方體 模制
流動方向
旋轉點
熔體壓力傳感器 熔體壓力傳感器
(a) (b) (c)
圖8：注射期間發(fā)生不同情況下示意圖，(a) 沒有失敗; (b) 玩去破壞; (c) 剪切失敗.
在注射過程中抗彎失敗
觀察到絕大多數失敗的情況是在彎曲應力上。出現(xiàn)彎曲故障時注射壓力克服了工具的抗彎強度,致使繞軸點旋轉,最終導致斷裂(圖8(b))。如果注射壓力超出了快速成型模具工具的抗彎強度這種情況可能會出現(xiàn),但通?？箯澥∈怯捎谑褂么螖颠^多 (圖9)。表1記錄了快速成型模具立方體的抗彎強度的相關理論計算。
Z
Y
X軸方向的彎曲應力
X
a
h
Y
Y
中性軸
塑性流動
圖9立方體壓力參量和迎風氣流示意圖
表 1
快速成型模具立方體彎曲應力
慣性矩 力矩 彎曲應力 40 1攝氏度
撓曲強度
（m4) (N m) (Mpa) (Mpa)
立方體1 108 x 10—12 1.687 46.85 65.0
然而,在實踐當中,產生了數以百計的快速成型模具工具零件失效情況,過高地估計理論模型的彎曲應力。這兩個理由，第一，最小寬高比為10時彎曲應力方可承擔,而實驗當中高寬比為四。第二, 在注射過程中注射壓力施加應該在在立方體的前面,但是現(xiàn)實中這種壓力施加在熔壓方塊的后面。
疲勞裂紋擴展
圖10是一幅拍攝在實際故障發(fā)生前的制模斷面圖，圖中顯示的是在后續(xù)注射制模時真實的逆裂紋方向，也就是裂紋產生的相反方向。圖11顯示了一個簡單的立方體的抗彎失敗圖,而圖10是經過大量的鏡頭拍攝得到的。在快速成型模具工具在設置應力集中時發(fā)生裂紋萌生,如尖銳的角度和階梯(此為快速成型模具工具零件固有性質)。
圖10：制模過程失敗前產生的多余的裂紋
圖11：抗彎失敗后裂紋擴展圖
裂縫破壞的跡象如圖12所示,能看到在破裂面條紋形式排列,每條裂紋都代表裂紋擴展狀態(tài)。
圖12 掃描式電子顯微鏡下觀察到的斷裂面上的真實條紋
剪切破壞
剪切破壞在熔體流動的方向剪切時出現(xiàn)。圖13展示了快速成型模具立方體的剪切斷面圖。值得注意的是,快速成形模具立方體是通過塑料流動堆積而成的表2記錄了剪切應力的計算結果, 在操作期間產生快速成型工具的最大剪切應力，均低于快速成型工具工具的抗剪強度。此外, 在表2最后一列所示注射溫度超過401攝氏度時快速成型工具可以被制做成功。圖14,描繪立方體各點最大剪切應力的剪切應力與平均剪切應力比較，以及最大剪切應力各點拋物曲線情形。
表 2
快速成型模具立方體個點剪切應力
剪切面積 AS (mm2)
剪切力 V (N)
剪切應力 tave (Mpa)
剪切強度（40 1攝氏度） (Mpa)
最高溫度 (1C)
立方體1
36
421.64
11.71
24.3
65.3
立方體2 2
30
421.64
14.05
24.3
61.5
立方體3 3
24
421.64
17.57
24.3
55.9
立方體4
18
421.64
23.42
24.3
46.4
?
?
N.A.
圖14：最大立方體底部剪切壓力分布圖
結論
該技術成功的關鍵是快速成形工具必須有極低的導熱系數和較短的注射時間 (圖15)。這兩個因素是快速成型注塑模具成功的關鍵, 可大多情況下都被忽略了。
圖15：注射期間壓力與溫度相關分布圖
工作的結果可歸納如下:
?使用環(huán)氧樹脂過以生產超500個零件，并且使用外間空氣冷卻型腔到451攝氏度。
?在注射過程中工具的失效歸因于塑料溫度。
?在注射過程中在工具韌性不好,或在工具溫度過高時可能會出現(xiàn)失敗。
?經驗和理論計算確認,在注射過程中大多是由于抗彎曲應力失效而失敗。減少了長寬比的特征會降低工具抗彎曲失敗的現(xiàn)象。
?在注射過程中很少可能由于彎曲破壞而導致剪切應力失效，由于快速成形工具要求特定條件，溫度超過401攝氏度才能注射。
參考文獻
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10. S. Rahmati, P.M. Dickens,注塑模具的失效分析,第八年度固體成形技術,德克薩斯州,1997年,頁數295-305。