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        基于Moldflow的車燈密封條成形分析及模具設計

        2021-10-13 09:01:02徐超輝
        模具技術 2021年5期
        關鍵詞:特征結(jié)構(gòu)分析

        徐超輝

        (天津職業(yè)技術師范大學,天津 300222)

        0 引言

        隨著計算機技術的普及,機械制造領域分析、設計類軟件得到了廣泛的應用,傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程也被更加高效、智能的現(xiàn)代生產(chǎn)工藝所取代。以模具行業(yè)為例,模具是工業(yè)生產(chǎn)的基石,素有“工業(yè)之母”的稱號,現(xiàn)代模具生產(chǎn)的各工藝環(huán)節(jié)被精確分成數(shù)值模擬、結(jié)構(gòu)設計、加工制造和售后維護等幾個部分,技術人員在相對應軟件的輔助支持下,可以較之過去更為有效地掌控模具的生產(chǎn)周期和加工質(zhì)量,完成更加復雜模具的生產(chǎn)。

        汽車制造業(yè)是模具應用的最典型代表,車身、內(nèi)飾等產(chǎn)品均由不同類型的沖壓和注塑模具生產(chǎn)得到。隨著綠色制造、經(jīng)濟制造的理念不斷深入,車身輕量化的設計要求被各大汽車生產(chǎn)企業(yè)所采用,越來越多的金屬零件被塑料產(chǎn)品取代,而這種取代也正在由內(nèi)飾件向外飾件和車身件發(fā)展,例如某些汽車的翼子板已經(jīng)實現(xiàn)塑料輕量化[1]。因此,塑料注塑模具成了汽車相關產(chǎn)業(yè)的新增長點。

        本文對某車燈密封條零件的模具設計進行了研究,在詳細描述零件復雜特征的基礎上,綜合分析了模具的結(jié)構(gòu)布局,并運用Moldflow軟件分析零件充填、保壓及翹曲變形等過程,在三維設計軟件中設計可實現(xiàn)全自動脫模的塑料注塑模具,給同類型產(chǎn)品的模具設計提供參考解決方案[2]。

        1 零件結(jié)構(gòu)分析

        車燈密封條零件如圖1所示,為鏡像對稱的兩件產(chǎn)品。成形表面要求質(zhì)量較高,無熔接痕。根據(jù)零件使用性能的要求,選用了聚碳酸酯(PC)材料,這種材料具有較好的光學性和耐熱老化性。零件表面特征較多,主要包括凸臺、側(cè)孔、倒扣位、波紋面等。T1為兩處側(cè)孔及側(cè)向凸臺特征,軸線方向高度約13 mm,T2為3處外側(cè)波紋面,T3為端部斜孔及凸臺特征,T4為內(nèi)側(cè)波紋面。本套模具的設計難點在于確定各特征的分型及脫模結(jié)構(gòu),并由此決定模具內(nèi)各機構(gòu)的合理布局。這些問題的解決,需要在分析塑件每個局部區(qū)域的構(gòu)造特點后,才能找到合理的解決辦法[3]。

        圖1 零件圖及特征解析

        2 模具結(jié)構(gòu)設計

        2.1 模具整體分析

        零件整體呈扁平條狀,平均壁厚約為2.57 mm,其中主要平面位置壁厚均勻,約為7 mm,可采用直角口或側(cè)面矩形澆口注塑成型。考慮零件內(nèi)外側(cè)面特征較多,且多為外觀面,故本套模具選用一模兩腔、熱流道冷澆口的成型方案。

        2.2 模流分析

        在模具三維設計前對零件進行模流分析,能有效提高設計的成功率,縮短生產(chǎn)周期[4-5]。通過Moldflow軟件的有限元算法可以得到模具充填、保壓等精確模型,并預測翹曲變形、熔接痕、氣穴等可能存在的注塑缺陷。本零件采用.prt(UG文件)格式直接導入Moldflow,選用3D網(wǎng)格單元,基于網(wǎng)格診斷和修復操作,模型劃分結(jié)果如圖2所示。

        (a) 整體圖

        (b) 局部放大圖

        澆口定位在零件的質(zhì)心位置,熱流道噴嘴采用對稱排列方式。注塑成型后,熱流道冷澆口自動斷膠,成品零件會與部分澆口凝料一同脫模。聚碳酸酯材料選擇Kingfa Sci & Tech Co Ltd公司的JH830,注塑參數(shù)如表1所示。由分析結(jié)果(圖3~圖6)可知: 注塑充填時間約為3.657 s,在零件充填過程中,熔料流動沒有分流交匯的現(xiàn)象,在主分型面方向,型腔內(nèi)氣體的排除也無孔、槽等特征阻礙,故熔接痕和氣穴主要集中在零件充填的末端,如圖4和圖5所示。零件T3端部斜孔及凸臺特征位置也在充填過程的末端,且該處零件厚度較薄,是翹曲主要發(fā)生區(qū)域,如圖6所示。

        表1 塑料注塑參數(shù)

        圖3 充填時間

        圖4 熔接線

        圖5 氣穴

        圖6 翹曲變形

        綜上所述,在模具結(jié)構(gòu)設計時應充分考慮零件末端的排氣設計和整體均勻冷卻,減低氣穴、翹曲等缺陷帶來的零件質(zhì)量影響。

        2.3 側(cè)抽芯設計

        根據(jù)零件斜率分析可知,模具中需要設計4處側(cè)抽芯機構(gòu)。零件上T1位置開模方向與模具主分型面垂直,兩處特征的圓柱凸臺、深孔軸線方向相互平行,在布局側(cè)抽芯機構(gòu)時,可以不用考慮運動干涉問題。但兩側(cè)抽芯位置間距僅有48 mm,之間包含波紋面、凹槽等特征,無法設計成一體式抽芯結(jié)構(gòu),因此本套模具單獨設計了兩套抽芯零件,最終設計效果如圖7所示。為了方便模具修配和后期維護,側(cè)型芯與滑塊為鑲拼式結(jié)構(gòu)。控制滑塊運動的滑槽也由于尺寸的限制,設計成單側(cè)壓板形式。

        圖7 側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)

        零件T3位置表面特征與T1類似,但所在平面與主分型平面呈27夾角,此處特征的成型是本套模具設計的難點。常規(guī)側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)均采用斜導柱抽芯結(jié)構(gòu),由注塑機提供開模動力,斜導柱驅(qū)動模具滑塊移動[6-7]。若該特征采用此類型方法成型,則結(jié)構(gòu)的安裝為倒裝形式,即斜導柱固定于動模一側(cè),側(cè)型芯設在定模一側(cè)。此時,在主分型面分型前必須先抽出側(cè)型芯,因此必須采用順序分型機構(gòu),以保證主分型面分型時,塑件能完整地留在動模型芯上,這勢必增加模具的復雜程度和成本,同時還與其他正向安裝的側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)相反,再次增加了模具在安裝調(diào)試中的難度。綜上所述,本設計采用了一套液壓油缸驅(qū)動的側(cè)抽芯結(jié)構(gòu),如圖8所示。整個結(jié)構(gòu)包括側(cè)型芯、滑塊、壓板、感應式液壓缸等主要部分,均設置在模具的定模側(cè)?;瑝K上設有斜T型槽,槽底面與零件T3特征所在面平行。當液壓缸活塞往復移動時,將帶動滑塊同步水平運動,側(cè)型芯則在斜T型槽的作用下,沿斜槽做相對滑動,兩個方向上的運動組合構(gòu)成了側(cè)型芯在斜面上的開模運動。本結(jié)構(gòu)簡單可靠,在實現(xiàn)運動要求的同時免去了諸多附加裝置,并且沒有傳動間隙,運動平穩(wěn)。

        圖8 斜面抽芯機構(gòu)

        零件T4位置波紋面經(jīng)斜率分析,為正反雙面扣位,無法用擦穿位成型,故設計成側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)。為防止模腔內(nèi)兩相鄰結(jié)構(gòu)的開模干涉,兩零件間的布局尺寸、滑塊的抽芯移動距離和斜導柱角度等需要準確設計,最終的結(jié)果如圖9所示。

        圖9 波紋面?zhèn)瘸樾緳C構(gòu)

        2.4 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)設計

        模具溫度一般是指模具型腔、型芯及其他成型零件的表面溫度,因為它們直接影響塑件的冷卻速度和冷卻效果。本套模具中溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括冷卻和加熱兩種方案,應當合理安各部分在模具本體中的位置。熱流道系統(tǒng)的加熱部分根據(jù)澆口位置,由熱流道生產(chǎn)廠家定制,如圖10所示。冷卻水道的設計則取決于塑件的形狀和壁厚,數(shù)量應盡可能多,直徑盡可能大,圍繞在成型塑件的周圍,排列均勻一致[8]。本模具考慮零件的可加工性和干涉問題,型芯、型腔中均采用隔水板的冷卻方式,冷卻水道直徑為14.7 mm,最終效果如圖11所示。

        圖10 熱流道澆注系統(tǒng)

        3 模具工作過程

        模具為兩板模形式,結(jié)構(gòu)如圖12所示。聚碳酸酯塑料顆粒由注塑機熔化、加壓、注射進入型腔后,經(jīng)過保壓冷卻周期,模具開始開模行程。首先液壓油缸接到開模指令驅(qū)動活塞平移,完成零件斜面上的抽芯分型。接著在注塑機作用下,模具動模部分進行開模運動,其他側(cè)抽芯機構(gòu)在機械力的作用下,分別完成各自分型。隨后注塑機頂桿推動模具頂出系統(tǒng)將零件從動模部分脫出。最終模具順序閉合,準備下一個注塑循環(huán)。

        圖11 冷卻水道

        (a) 動模三維圖

        (b) 定模三維圖

        4 結(jié)論

        (1) 本套模具通過對零件結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)要求的基本分析,選擇了注塑成型方案,再結(jié)合Moldflow軟件的注塑分析,確定了各成型機構(gòu)的設計細節(jié)。

        (2) 本套模具共設計了4套側(cè)抽芯分型機構(gòu),其中一套斜面抽芯采用了獨立液壓油缸作為動力源,在滿足零件成型要求的基礎上,大大簡化了機械結(jié)構(gòu),使得模具的加工和裝調(diào)難度降低。

        (3) 模具內(nèi)空間緊湊,部分滑塊的滑槽采用了單側(cè)壓板結(jié)構(gòu)。經(jīng)實際生產(chǎn)驗證,模具工作過程穩(wěn)定,為類似結(jié)構(gòu)的設計提供了解決方案,具有一定的參考價值。

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