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  本段重点讲述模具流道浇口设计和冷却系统设计对于变形的影响,可以作为浇注系统和冷却系统设计的指导思想。

  对产品变形影响较大的因素在模具设计方面主要有模具流变学功能设计,和模具的热传导功能设计,模具的机械功能设计对产品变形也有一定的影响,但是不如前面两个显著。下面详细叙述一些模具设计这三个方面对产品变形的影响,及其原因分析。

  所谓模具的流变学功能设计,通俗来讲就是模具的浇注系统的设计。浇注系统的设计要遵循塑胶材料的流变学原理才能获得好的效果。所谓流变学,指从应力、应变、温度和时间等方面来研究物质变形和(或)流动的物理力学。塑胶的流变学性能指的是塑胶的流动特性,包括温度,压力,速度等因素对塑料流动行为的影响(这些方面的原理已经在前文用蚯蚓理论阐述过了)。

  塑胶材料的流变特性直接决定了塑胶融体的流动模式,流动距离,熔接方式,等等。流动模式直接影响分子/纤维的配向,从而影响收缩;流动距离直接影响压力的传递,决定了模穴内压力的分布,对保压效果影响甚大,从而影响收缩;熔接方式直接影响结合线的长度,决定了模穴内空气的逃逸方向,也影响收缩。

  长期的经验总结出了一些遵循塑胶流变学原理的基本浇注系统设计原则,设计者需要深刻理解下面这些关于浇口位置选择的原则:

  从胶位厚处进胶,便于压力传递。壁厚较厚,其内部融胶保持熔融时间更长,因此有利于下游保压补缩。而且浇口处天然地承受更大和更长时间的保压压力,厚壁能够获得更长的收缩时间,因此对于获得产品整体的收缩平衡是有利的。厚处进胶,主要是有利于保压,对于充填,影响不是很大,因此对于气体辅助成型工艺来说,可以选择重产品薄处进胶,因为厚处的收缩可以靠气体射入来形成內空形状以弥补收缩。

  平衡进胶,即每个浇口流进的融胶几乎要同时到达末端。在平衡进胶的概念里,从竖流道到每个浇口的距离相等非常重要,要尽量保证,这是产品收缩均匀的前提。平衡进胶能够有效避免潜流,过保压等成型缺陷。这里有一个常见的理解误区,这里所说的平衡,不是指每个浇口射胶量的相等(许多人关注的都是射胶量的平衡),而是指每个浇口融胶流动距离的平衡。

  充分考虑融胶的流动长度。有时出于对结合线数量的考虑,以及模具成本方面的考量(尤其是热胶道模具)会尽量减少浇口的数量。理由是依据材料商提供的材料流长比数据,或者依据模流分析的结果。其实这种考虑对减少变形是不利的。材料商提供的流长比数据是特殊模具在实验状况下获得的,其有很大的局限性,如果材料商给出的流长比是200,那么设计模具时取100是不错的主意。这里的原因很明显,越长的流长,充填和保压过程中的压力损失越大,收缩不均匀程度也越高;另外,流长越长,流动前端温度降低越大,对结合线的质量是有害的。

  浇口的形状和大小决定了融胶进入模穴的初始模式,从而很大程度决定了模穴内融胶流动时分子或者纤维的定向。分子和纤维的定向程度决定了流动因素对收缩不均匀的影响。浇口尺寸在充填时影响注塑压力损失程度,影响浇口剪切率,在保压时决定浇口冻结时间,从而决定保压效果。而保压效果对于产品的收缩不均匀有至关重要的影响。

  通常来说,大浇口对于充填和保压时有利的,但是由于其对流动的限制性不高,在多腔模具里面,过大的浇口对于每穴达到充填平衡是不利的。

  而且大浇口去除残留对于产品外观影响是致命的,而且通常需要额外的人工来去除。大浇口能够长时间保持开放,因此能够获得长时间的有效保压,对于克服产品变形是有利的。而针点式等小浇口,由于其浇口残余对产品外观影响很小,而且一般不需要二次加工来去除,因此受到模具厂和客户的普遍青睐。小浇口对于改善充填在一定程度的是有利的,因为浇口小,对塑胶充填有很大限制性,塑胶流经浇口产生的剪切效果对降低融胶粘度作用很大,因此在一定程度改善了充填,但也导致过大的剪切应力。这种情况对于多腔模具的充填平衡是有利的。

  但是由于小浇口尺寸的天然限制,其保持开发的时间相对较短,这对于保压效果是不利的。扇形浇口对于融胶进入模穴的分散有极大好处,能够最大程度保持塑胶分子或者纤维的均匀定向,对于促进均匀收缩是有利的,而且其尺寸天然较大,对于保压效果又非常积极的作用。浇口大,融胶进入模穴初始流速容易控制,因此注塑成型能够控制浇口附近区域因为充填导致的外观缺陷,如气纹,流痕,等等。

  各种形状和尺寸的浇口都各有其优劣。选择浇口需要充分考虑产品品质和塑胶材料的特性,以及生产成本等多方面综合因素,因此很难制定一个非常细节的标准来规定何种产品结构必须选用什么形式的浇口。但是作为模具设计者来说,必须具备必要的知识来综合分析这些因素,从而取得一个很好的折中。

  所谓模具的热传导设计,即是指模具的冷却系统设计。本质上来讲,热塑性塑料注塑模具在注塑过程同时扮演者一个热传导器的作用,即将注入模具的塑胶融胶释放的热量迅速的传导出去。塑胶的热性能决定了塑胶在冷却固化过程中的收缩特性,从而决定了模具的冷却设计的方向。

  模具是个热交换器,其热交换的效率和热传导的均匀性对塑胶收缩影响非常大。对于模具的温度,我们必须要用一个动态的,变化的观念去理解,而不是静态地,死板地认为一定要模具温度均匀。需要指出的是,模具温度的均匀不是目的,只是一个手段,是一个保证热传递均匀从而达到产品收缩均匀的一个手段,产品收缩均匀才是我们的目的。这个概念一定要清晰,否则就会陷入机械地,呆板地解决问题的境地。

  对于模具温度的认知,行业内普遍存在一个理解的误区。很多人认为模温的需要是为了加热,这是不对的。一定的模温对于一定的塑胶材料来说,是塑胶特性的需要,即此种塑胶需要在这样的一个模具温度范围内冷却固化才能获得合格的品质,而不是需要加热。因为不管何种热塑性塑胶材料,其要求的模具温度范围远低于其玻璃化温度,更远低于其融胶温度,因此不管何种模温要求,对于注塑来说,都是冷却,而不是加热。这一点,一定要有清晰的认识。

  前文讲过,模穴内个区域融胶均匀收缩程度越高,产品出现变形的几率越小。无数的实践经验验证了这一点。模具温度均匀性对于产品均匀收缩是至关重要的。需要注意的是,模具温度均匀是一个动态的均匀,而不是静态的均匀。所谓动态均匀指的是在射胶,保压和冷却过程中模具上各区域的温度要保持一定的均匀性,而不是模具在停止生产时靠模温机或者模具温控系统维持模具温度均匀。温度均匀不是目的,热传导均匀才是目的,为了热传导均匀有必要设定模具各区域不同的温度。

  因为模具在注塑过程中吸收热量是一个动态的过程,融胶射入模穴,保压冷却过程中释放热量的过程是一个动态的过程,其导致的模具温度变化也是一个动态的过程。简而言之,就是要尽最大努力确保模穴各个区域的融胶的冷却速度一致,这样才能最大限度降低冷却导致的收缩不均。

  由于产品结构的复杂性,从而模具结构也是复杂的。这种复杂性表现在:模具钢材每个区域吸收的融胶热量是不同的,而且每个区域的钢材的热容也是不同的,有的区域是被塑胶包裹,有的区域是钢材包裹塑胶,其结果是各区域的热容不同,吸收同样热量其温度上升程度也不同。由于模穴各区域吸收热量产生的温度上升是不同的,因此我们设计水路是必须考虑这一情况,有目的的调整各个区域的冷却设计,连接不同温度的冷却介质,达到热传递的均匀,得到均匀的收缩。

标签: 注塑件加工
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