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Materials Today: Proceedings 2 ( 2015 ) 2083 – 2093
4th International Conference on Materials Processing and Characterisation (ICMPC 2015)
有潜伏浇口的凸轮衬套注塑模设计与分析
MohdJamsheeda*MdAaqibRahmanb M.A MoyeedcG.M.SayeedAhmedd
aAssistantProfessors，Dept. of Mechanical Engineering，VIF college of Engineering and technology.
Assistant Professorsb，Mechanical Engineering. NawabshahAlam Khan college of Engineering，
cAssistant ProfessorsDept. of Mechanical Engineering，NawabshahAlam Khan college of Engineering.，dSenior Assistant Professors，Dept. of Mechanical Engineering，M. J.Collegeof Engineering and technology，
摘要
本文主要研究了一种用于凸轮衬套生产的自动注塑模具的设计与分析。在高压变压器开/关负荷分路器装置中，凸轮衬套作为分度装置，用作分度头与换能齿轮之间的连接器。注塑模具是一种用于在短时间内大量生产塑料部件的工具。使用 UG(NX 7.5) 和AutoDesk Moldflow Plastic Insight对凸轮衬套充填速率、冷却系统位置和潜伏浇口位置进行模流分析。该模具由上模板、凹模、凸模、垫板、顶板和下模板组成。因为此零件有6个通孔，所以模具中需要6个小型芯和6个顶针。凸模凹模使用的材料是不变形耐磨油钢 (OHNS) ，拉杆、导套、型芯、顶杆、定位圈、浇口套采用EN353，其他板件采用低碳钢。本文设计并分析了注塑模具的组成要素。模具中采用潜伏浇口和挡板式圆孔冷却系统，以提高生产率和得到良好表面光洁度的产品。注塑机设定各种合适参数时可用这套模具生产材质为尼龙66的凸轮衬套。
copy; 2014 The Authors. Elsevier Ltd. All rights reserved. copy; 2015 Published by Elsevier Ltd.
第四国际材料加工和鉴定会议委员会成员负责的甄选和审查。
关键词: 塑料注塑模，凸轮衬套，模流分析。
1. 介绍
现如今塑料在日常生活中扮演着重要的角色。并不夸张的说，从生产别针到制造航天器，不存在塑料没有涉足的领域。十九世纪中期，塑料在材料界及我们的生活中都起着主导作用。耐腐蚀性是塑料优于金属的一大方面，使其在制造业的每一个分支中都获得了较高的偏好率。从塑料产品的设计、制造加工、测试领域的困难时期至今，在许多人卓有成效的努力下，人工智能如CAD/CAM已经替代了人工的体力劳动。由于比强度高，有较高的耐化学和耐热性，固有的浴热和耐腐蚀性、透明度，让它们成为可选择的材料。塑料在成型过程中耗能较少且可回收重复利用。现在塑料已经逐渐取代了某些金属材料如黄铜，紫铜，铸铁，钢等。塑料可以根据其加工方法被分为两大类，受热软化而冷却固化的塑料为热塑性塑料；因发生化学变化而受热固化的塑料为热固性塑料。为不同产品选择不同材料也是一大关键。这对产品确定尤为重要。它也应该能够承受它所受到的压力。每种材料都有自己的本质特性。一些材料在高温高压等环境和极耐磨性方面比较好。比较困难的地方在于找到能尽可能多的符合要求的材料。所以，材料应该是多用途的以至于来满足产品所要的各项需求。考虑过以上所有因素后选择的材料必须足够合适以满足所有的条件。
This is particularly very necessary for the product
Corresponding author. Tel.: 919701574596 E-mail address:drgmsa786@gmail.com.
2214-7853 copy; 2015 Published by Elsevier Ltd.
Selection and peer-review under responsibility of the conference committee members of the 4th International conference on Materials Processing and Characterization.
doi: 10.1016/j.matpr.2015.07.203
2. 变压器适用塑料凸轮衬套
本文的目的是设计和分析高压变压器凸轮衬套的注塑模具。在高压变压器开/关负荷分路器装置中, 凸轮衬套作为分度装置, 用作分度头与换能齿轮之间的连接器。分度头通过与凸轮衬套相连的轴连接到齿轮。凸轮衬套有两个尾端, 一端压装在分度曲柄圆上, 另一端安装在驱动机构。每个孔都有不同的驱动机制, 当分度圈旋转, 曲柄销插入第一个孔，第一驱动机构打开。改变分度位置就可以得到不同功率。凸轮衬套充当曲柄圆和齿轮之间的连接器。它提供了功率变化的分度机制。分度曲柄圆有许多分度孔，但该机构有6驱动，因此在曲柄圆、转速指示轮和轴之间设有6孔的凸轮衬套，并与齿轮相连。这个凸轮衬套大致由聚苯乙烯，尼龙，聚氯乙烯做成。由于高电压的控制使得这个凸轮衬套发热并磨损，而由于控制其工作反复施压会使其损坏。
Fig.1 凸轮衬套实体模型及其组装
塑料是人造材料。它们没有玻璃那么易碎，然而可以做的一样透明平滑。它们质量轻，但同时也具有高强度和高硬度。它们耐磨损也耐化学腐蚀。它们也可以很容易的被塑造成各种不同形状。常用热塑性塑料有聚苯乙烯，尼龙，聚氯乙烯，聚丙烯等。模具制造在塑料工业中扮演着一个很重要的角色，因为塑料相关产品占所有消费产品的70%以上。注塑成型是一种复杂而高效的生产各种热塑性产品的方式，在成型形状复杂的产品时，具有生产周期短、产品表面优良、无二次操作、效果好的优点。复杂形状塑料制品注塑模具的设计与制造，对满足工业需求，特别是塑料行业的生产，起着更大的作用。因此，工业上对能生产塑料零件的注塑技术是有需求的。文献综述表明，目前对复杂塑料零件注塑模具的设计与制造缺乏研究。为此，本课题重点研究了带挡板式冷却通道的注塑模具及凸轮衬套的潜伏浇口设计与分析。
3. 注塑成型过程
这是一种将液态熔融材料注入模具生产零件的生产工艺。注塑成型可以用于许多材料，包括金属，玻璃，合成橡胶，胶姆和最常见的热塑性和热固性聚合物。零件所用的材料被送入加热筒，搅拌，并被挤入模具型腔，在这里冷却和硬化得到和型腔一样外形的零件。在一个工业设计师或者工程师设计出产品后，由模具制造商或者工具制造商用金属，采用钢或铝，进行精加工得到所需的外形特点。注塑成型广泛用于制造从最小的部件到汽车的整个车身面板的各种零件。零件的形状和特点，模具的材质以及成型机的性能都必须考虑在内。这种设计的广度和可能性助长了注塑成型的多功能性，注塑采用柱塞或螺杆，将熔融塑料材料挤入模腔，然后固化成与型腔的内形轮廓一致的零件。注塑成型最常用于加工热塑性和热固性聚合物，每年处理热塑性材料的量都在大幅增加。
Fig 2: 注塑过程模型
注塑成型是将原料高压注入到模具中，将其塑造成所需形状。模具可以是一模一腔也可以是一模多腔。在一模多腔中，每个腔可以是相同的，形成相同的零件，也可以是不同的，在一个周期内形成多个不同的零件。模具通常由工具钢制成，但特定情况下也采用不锈钢和铝制作模具。铝模具通常不适合于大型零件生产或具有小尺寸公差的零件，因为它们的机械性能较差，在注塑和夹紧周期中更易磨损、损坏和变形；但在小型零件生产中，由于模具制造成本和时间大大降低，所以成本效益高。那些使用寿命超过一百万次的钢制模具造价高达几十万美元。热塑性塑料成型时，通常颗粒原料通过料斗送入带往复螺杆的加热筒中。在筒的入口处热能增加，而由于较高热能状态的分子间距增加，抵抗单个链相对流动的范德华力会减弱。这降低了它的粘度，使聚合物能够与注射单元的驱动力一起流动。该螺杆将原料向前输送，混合并均化聚合物的热粘性分布，并通过机械剪切减少材料所需的加热时间，并将大量的摩擦热作用到聚合物。物料通过止回阀向前进料，在螺杆的前部集合成的一个体积称为一次注入量。一次注入量就是用来填充模腔的材料体积，补偿收缩，并提供一个缓冲(大约10%的一次注入体积仍留在料筒中防止螺杆触底)将压力从螺杆转移到模腔。当足够的材料聚集到一起后，就被高速高压挤入模腔。为了防止压力达到峰值，挤入的体积达到全模腔95–98%时螺杆到达转移位置，即螺杆从控制恒速注射转向恒压注射。注射时间通常在一秒以内。一旦螺杆到达转移位置，就可以利用填料压力来完成模具充填，补偿热收缩，这个压力对于热塑性塑料来说是相当高的。填料压力一直作用到浇口固化。因为体积小厚度小，浇口是最先固化的部分。一旦浇口固化，材料不能进入模腔，螺杆为下一个注塑周期回程获取材料，而模腔内的材料冷却固化形态稳定从而可以被顶出脱模。使用调温器的循环水或循环油冷却大大减少了冷却时间。当达到要求的温度时，模具开模，一列销、套筒、顶板等就将塑料件顶出。然后模具合模，分型线、浇口痕，顶杆痕通常在最后时刻出现。这些痕迹并不是所要得到的，但由于成型过程而不可避免。浇口痕迹出现在连接熔体输送通道(浇口和流道)到模腔的浇口上。分型线和顶杆痕是由微小的错位、磨损、排气孔、相对运动中相邻模具的间隙或者与注入聚合物接触的配合表面的尺寸差异造成的。模或模具是常用来描述用于制造塑料零件的模具的术语。由于模具的制造成本很高，所以通常只用于数以千计的零件的大批量生产。典型的模具是由淬火钢，预硬型钢，铝或铍铜合金制成。制造模具的材料主要从经济学的角度来选择；一般情况下，钢铁模具的制造成本更高，但其寿命更长，其初始成本就会被磨损前多制造出的部件数量抵消。预硬化钢模具的耐磨性较差，多用于少量或体积较大部件；一般其洛氏硬度是38至45。淬火钢模具加工后热处理；在耐磨性和寿命方面它都是迄今为止最优的，洛氏硬度范围介于50至60 之间。铝模具的成本大大降低，当设计和加工利用现代电脑设备时可以省下几十甚至成百上千个零件成本。铍铜合金用于模具中需要快速散热的区域，或者是最大剪切热的区域。模具可以通过数控加工或使用电火花加工工艺制造。
Table.1 公差与配合
|
S.No |
组合方式 |
配合方式 |
公差 |
|
1 2 3 4 5 6 7 |
主导柱-主导套 浇口套-上模板 型芯-凸模板 回程杆-凸模板 顶杆-凸模板 推板导柱-推板导套 定位环-压板 |
紧动配合 紧配合 滑动配合 紧动配合 紧动配合 紧动配合 滑动配合 |
H7 / g6 H7 / m6 H7 / h6 H7 / g6 H7 / g6 H7 / g6 H7 / f7 |
注塑成型过程可分为三阶段，(1)充模阶段：在充模阶段塑料只是填充满模腔。当设计出一个注塑件时, 最重要的阶段就是塑料充填模腔, 与模具壁接触时迅速冷却固化。这在模具和熔融的塑料之间创造一个凝固的塑料层。熔体前锋与模具接触并且固化。凝固层中的分子并不是高度定向的, 一旦凝固, 方向就不会改变。当更多的熔融塑料流过模腔并把热量传导给模具时, 凝固层也会获得热量。当凝固层达到一定厚度时, 达到平衡。这通常发生在注射成型过程开始的数十秒后。(2)保压阶段：在模腔刚填充满后保压阶段开始。虽然所有的流道和模腔都应该在这个阶段填充满, 但腔的边角可能填充不完全。若要完全填充, 在加压阶段, 额外的塑料就要被挤入腔内。我用黄色锥形表示塑料的注射位置，塑料则用绿色表示。有时候填充结果虽然不会预测一次充模，但也不能表明可以成型一个质量良好的零件。这是因为在充模阶段结束时的条件不适用于保障零件在保压阶段充分填充。(3)补缩阶段: 塑料的体积收缩率高,从平均熔体温度到固化后体积收缩约25%。因此,必须注入更多的材料到腔内, 以弥补冷却后的塑料体积收缩。这是补缩阶段。
4. 模具设计
当采购塑料模具的钢材时，我们关注这些因素：良好的加工性能，良好的抛光能力，良好的造影-蚀刻性能，良好的火花侵蚀性能，安全
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