1、关于模内装配过程中产生的回转联合间隙调查Arvind Ananthanarayanan, Chandrasekhar Thamire 和Satyandra K. Gupta摘要：回转连接经常用于铰接结构。传统上，这种连接是由两部分组装成的。作为一种替代方法，模具内使用模内装配过程可以创建转动联合。这个过程无需后成型装配，从而大大减少了循环时间和元件数量。一个转动关节功能的性能取决于联合间隙。反过来，间隙取决于成型工艺对模具的部分收缩和变形。对部分聚合物只存在于第二次成型阶段，由于热传递和变形特性的差异使得模内装配过程显著不同于传统的成型过程。本文提出一个初步的实验数据和模型来解释由铝合金模具和
2、丙烯腈丁二烯与苯乙烯（ABS）的间隙嵌件铝模具制作的区别。我们的数据表明，从这两种不同类型的模具看出两者的间隙是有显著差异的。我们相信，间隙的产生很大程度上是由于各部分的受热问题。1. 引言注射成型在塑料零件生产制造中大规模流行。使用这种方法，有合理的力学强度和表面光洁度的复杂几何形状可以很容易生产。此外，零部件生产不需要通常用到的二次加工。对这些部件装配时的相对运动，他们手动组装去完成铰接联合。在装配过程中，可能会非常耗时并且劳动密集。模内装配过程提供了一个铰接联合间相互代替的方法。在这个过程中，成型操作在多个部件组装成型阶段，直接在模具内产生，从而消除了对后成型组装业务的需要。预期效益包括
3、减少周期时间，部件数量，后者取决于紧固件的消除。图1显示用模内装配过程可以产生一个转动联合。塑造这个联合所涉及的步骤如下：（1） 第一阶段的模具的第一次成型的框架是使用高熔点聚合物。（2） 接下来该框架插入到第二阶段的模具。（3） 第二阶段的一部分是用一个较低熔点的聚合物模压从第一阶段所形成的腔模具的第二阶段。（4） 冷却后，部分在模内组装的转动联合会从模具弹出。图1：使用模内装配过程的转动联合的制作在第二阶段使用的聚合物通常是一个比第一阶段所用的熔点低的聚合物。这是为了确保第一阶段的聚合物在第二阶段的注射部分不溶解，这将促进转动联合不粘附。由于联合的性能在很大程度上依赖于各组成部分之间的间隙
4、，所以达到设计要求很重要。图2展示了在模内装配过程中一个联合的间隙形成的简图。第一幅为在第二阶段的成型部分模具的嵌件，并且第二阶段因为过程的压力和温度经历了变形。变形使有效尺寸从变成了。在凝固时，第二阶段部分的收缩的发生导致它的最终尺寸不同于和。此外，由于注射压力在冷却时被移除，会更早经历第一阶段部分可能恢复的部分机械变形和扩张。两部分间的最终间隙取决于第一阶段和第二阶段产生的收缩变形。部分收缩取决于冷却第一阶段部分为模具嵌件第一阶段的变形取决于压力和温度的上升速度图2：在模内组装时联合的间隙第二阶段成型形成的聚合物使得模内装配过程明显不同于一个单成型过程。对于工具钢或铝模具，相对于收缩值模具
5、变形可以被认为是微不足道的。换句话说，在模内装配中，第一部分的硬度低于工具钢和铝，因而可能有相当程度的变形，该变形应被考虑在估测的间隙范围内。此外，不同的金属和合金的聚合物的热性能不同，它显著影响着第二阶段的冷却。这反过来可能会影响收缩，因此估计间隙时需要考虑热性能。在这项研究中，第一阶段要用模塑的套管和第二阶段用销去检查模内装配过程中的注射成型回转联合组成一个圆柱套和销形成的间隙。为了更好地理解这一过程，类似大小的销也直接在铝模具中成型，不用聚合物套管。实验数据提出了三个联合的大小。一个初步的理论模型被用来理解一个铝模具和有聚合物套筒的铝模具的间隙的差异。2. 相关工作使用模内装配的铰接装置
6、是一项相对较新的技术，并且很少有研究勾勒出零件及模具设计的系统方法。Priyadarshi1等提出了设计模内装配和成型工艺的模型，且使设计的联合间隙和联合间隙的变化满足功能目标。他们提出了一个系统化的方法来帮助产品设计人员确定零件尺寸和材料性能，提供了模具设计模板实现转动、柱状和球状联合的证明。Banerjee2等最近发表了一份关于多材料注塑成型（MMM）过程的综合报告。他们提出了一个可系统地找出潜在的制造问题的方法，这是一种特有的进程，并提出设计规则以避免这些问题。他们的分析表明，该规则适用于传统的单一材料成型，对多材料注塑成型有时必须压制或修正。有几项研究已经检查了金属模在模内建模的热塑性
7、塑料收缩。一个简单的模型描述了压力，体积和温度（PVT）间从玻璃态转换到环境条件并获得最终体积的图解，在早期的研究,Jansen3和Titomanlio4,5通过热弹性模型研究了压力和泊松扩展在厚度上收缩的影响。Jansen1等人的研究考察了4种非晶形树脂和2种半晶体材料的收缩加工条件的影响。介绍了一种描述拥有良好收缩的非晶态材料热弹性模型，但预测是结晶材料。一种描述非晶态7和半晶态8的模型被Kwon7,8等人提出，该模型是基于冷冻功能的定位，并且弹性恢复由一个非线性粘弹性构成的方程来求解。他们的预测结果与实验结果尚符合。Delaunay9等人研究了模具变形是由于注射和保压压力改变腔的基本形状
8、从而影响整体收缩的可能性。Bushko和Stokes10,11假设热粘弹性性能的材料，模式化部分收缩的力学和热变形和残余应力和对非晶态材料在冷却板之间的熔融层的凝固应变。同样，已经报告了其他一些涉及基于工艺参数和材料变量的收缩预测模型的研究报告。为此类研究制订审查的读者被称为3-11。然而从这些调查产生的一些重要结果，大多已发表的研究集中于在工具钢，铝或其他硬金属模具的聚合物收缩。似乎没有研究报告处理软模具聚合物的收缩。目前的研究试图提出在模内装配过程中制造刚体连接的研究。3. 实验装置如前所述，模内装配通常涉及作为第二阶段（图1）模具嵌件的第一阶段的模压部分。在模内装配连接为了获得检查间隙，
9、由于考虑到圆柱形几何，我们利用元件的轴对称性。因此，为了制造模内装配转动联合，首要在第一阶段成型的是圆柱形套筒。这部分后来被用作第二阶段的模具嵌件的销。冷却后，制造模内组装回转连接。该研究中把销放入到非唯一的孔中的成型方法使我们能够检查间隙在期望中运行的情况。被测试的部分是由低密度的聚乙烯（LDPE）制成的。为了比较硬和软之间的模具收缩，许多大小不同用铝以及丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物（ABS）制成的套筒被制作成型。这些部件被用Babyplast注塑机注塑成型。模具装配包括了ABS套筒，模内装配中铝壳内的LDPE销和单级铝合金模中的LDPE销。对后者而言，铝模的加工和LDPE零件成型使用的模具由此
10、产生。图3：模具装配展示的ABS套筒对于获得ABS套筒过程涉及以下步骤：首先加工ABS模具嵌件的模具。然后用这些模具制造ABS套筒。接着制造铝模壳。最后模具装配包括的ABS模具和铝壳被装配（图3）。接下来用这些模具装配使LDPE零件成型。在这个实验中三种尺寸的销被使用到，分别是标称直径为“”，“ ”和“”的销。由于主要关注的是使用不同的模具材料获得模具间隙，所以大多数其他的变量通过不断扩大维持不变。保持相同直径的长度来保持零件整体的比不变。注射压力和温度被保持在700和130不变。零件直径被用作长度和直径的缩放比，和缩放速度来调整注射时间比。冷却时间通过直径平方和零件材料的热扩散率的比来调整。
11、这导致不断缩小的压力和冷却时间为各种尺寸使用。然而，ABS嵌件的缩放厚度不能保持恒定是由于加工的限制。图4：铝模热电偶的位置图5：ABS模热电偶的位置 没有ABS嵌件，塑造了五个不同尺寸的LDPE零件。陶氏聚乙烯722被用作零件的材料，Hival ABS HG6 被用来制作ABS嵌件，并且以铝为基础的铝合金被用作铝模件。ABS嵌件和铝模的尺寸在成型前后都要测量。LDPE零件在成型和随后的冷却时被测量，以维持恒定的收缩冷却时间。对三套尺寸为“”和“”的零件的温度在图4和图5所显示的位置被测量，是使用美国国家数据采集系统仪，其中包括一个PCI-4221数据采集卡，SCXI1000和1002模块和一
12、个TC-2095热电偶面板。四个K类型的热电偶被用来测量涉及ABS的温度，其中三个被用来测量不涉及ABS的温度。两个被贴放到模具表面，一个在模具内的中心点以测量零件的温度变化，第四个如果适用，穿过嵌件贴在ABS嵌件的底部以评估热传递。在模具中心点的热电偶被用一个和热电偶穿过相同位置的刚性铜管固定。4. 理论模具装配中的装配间隙受各种参数影响，其中包括模具和嵌件之间的间隙，材料的物理性能，温度和压力变化，结构和工艺参数。在这里提出的模型，我们假设这些装配间隙的产生取决于聚合物嵌件由于压力和温度的升高而产生的变形，它所经历了聚合物嵌件的热膨胀，降低加强结晶的热传递而产生的体积收缩，和加压凝固产生的
13、体积膨胀。简单地说，并不包括蠕变和松弛的影响。在圆柱结构，在凝固后的任意时间里的直径间隙已经终止不变，可以表示为： （1）在上面的表达式中，C为直径间隙，T是测量位置的瞬时温度，是凝固时的压力，P是聚合物零件的瞬时压力，是ABS嵌件的残余变形。LDPE涉及的其余参数：是线性热膨胀系数，是凝固温度，是结晶度因数，是压缩量。R是销的半径，和分别是角度和轴向坐标。以上所提供的表达式相似于Jansen和Titomanlio4，Titomanlio和Jansen5和Jansen1等人研究出的表达式，但与他们的不同是固化时的嵌件变形的表示条件和与温度相关的结晶。为了计算和P，需要考察熔体的流动特性，而为了
14、计算和T需要考察热传递。在目前的研究中，用以下的方法执行以上的操作。首先，为了计算嵌件在凝固时产生的压力，要解决非等温流动的问题。然后计算热传递来确定元件由于结晶产生的热膨胀和收缩。对于流动问题，给出了方程： （2） （3） （4）在此，是剪切应变率，是凝固率，是比热容量，是热导率，是聚合物的放热量，是动力黏度，是密度，是速度向量，是质量力矢量。由于的性能和实验数据很接近，故其是根据Kamal和Ryan12提出的一个模型来计算出的。，和的值来自从文献13-15。被假定为以下形式16： （5）“”在上面的方程表示牛顿粘度，而“”表示与牛顿流体的偏差，它小于大多数的聚合物熔体14。调整的方程在轴对
15、称的假设下得以求解。物体力被忽视和完全流动的假设是以流动为前提。边界条件的假定是在嵌件和零件间沿轴对称无表面滑移的情况下，大气压力是在流动的前提下15，和恒定流量为的条件下，从而确定实验情况。对铝模外的温度场和模具方面，假定了对流边界条件，而直到关严门时才假定加工温度。在能量方程中，由于能量的损耗，最初猜测速度分布和压力并计算温度场。然后用新的压力分布计算一个新的速度分布。为了计算新的速度分布，接下来解决线性动量方程。牛顿迭代法17应用于为了计算温度值而产生的压力和速度分布收敛。速度场用新的值，并再次计算温度场，重复进行该程序，直到符合温度和速度场的收敛。用上面提到的方法解决方向的问题，直到达到最后的型腔。在稍后的阶段计算间隙计算中用到的填充时间和压力分布。为了获得热变化，接下来解决能量方程。在适用时，对ABS套筒周围的聚合物冷却和铝模进行审议。在圆柱坐标，这一步方程式可以写为：（6）在上面的方程，是材料的最大可能的结晶，是每单位质量结晶的放热量，是相对结晶度。ABS套筒和铝模的调整方程与式（6）相似，由于结晶的变化产生热量的时间被假定为不存在例外。除了喷嘴位置，在各种尺寸的模具中采用了自然对
