CN1312153A - 设计模具、挤压模和型芯的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明进行如下模拟:(1)模拟熔化树脂的形状在通过从挤压模和型芯之间间隙挤压所述树脂而形成型坯时的变化;(2)模拟熔化树脂的形状因夹紧围绕挤压型坯的模具和往型坯里吹入压缩空气而引起的变化;以及(3)模拟发生在模制产品里的因模制产品在高温状态下从模具中移出之后冷却而引起的热变形,该模制产品是当熔化树脂在模具里已经固化时而获得的。从这些模拟的结果确定可得到模制产品所需形状的模具、挤压模和型芯的形状。

Description

设计模具、挤压模和型芯的方法和装置

本发明涉及对用于塑料产品的模具、挤压模和型芯的设计。

一种广泛应用的模制塑料的方法是：挤压管状高温熔化塑料；把熔化塑料密封在模具中；并且往里吹入空气使管子膨胀。在此常规方法中，在把管状熔化塑料即型坯布置在组合模各部分之间之后，封闭模具。当接着往熔化塑料里吹入空气时，该塑料紧紧地粘附到模具内壁并呈现与此内壁相同的形状。然后通过继续吹入高压空气同时在模具中保留塑料，使塑料冷却并固化。这产生与模具形状相同的模制产品。在模具冷却并固化之后，打开模具并移出模制产品。

例如，当模制产品是装入液体后可进行销售的容器(例如瓶)时，打开模具时的树脂温度通常为大约50℃，并且需要12秒左右的时间把树脂冷却到此温度。降低产品成本的一种途径就是缩短此冷却时间。

然而，如果缩短冷却时间但模具仍然在高温下打开时，高温熔化塑料显著收缩并且经历非线性变形。结果是无法获得目标模制产品形状。因此以前不可能缩短冷却时间。

为此，本发明人发明一种用于模具设计的方法及装置，通过本发明，即使模制产品在高温下从模具中移出时也能得到目标模制产品形状。这可通过使用有限元方法模拟变形过程然后在设计模具形状时考虑此变形来实现(参见日本注册专利号2955509和2957503)。

此模具设计方法重复进行以下步骤：对模制产品从模具中移出之后该产品初始形状(即该产品刚从模具中移出后的形状)发生的热变形进行模拟；根据此模拟计算模制产品的变形形状和目标形状之间的差别；把此差别与极限值进行比较；以及如果此差别超过极限值，则根据此差别改变前述初始形状。

在此模具设计方法中，用于获得模制产品所需形状的最佳模具形状可通过模拟已得到的初始形状如何因热收缩而变化来找到。然而，为了得到产品厚度分布，实际上还不得不制作模制产品并对其进行测量，因此仍然有必要重复试制试验模具并使用该模具制作模制产品，直到获得所需要的厚度分布，这在成本和时间上都是不利的。为了得到所需要的模制产品厚度分布，还有必要进行大量的型坯挤压模和型芯的试制。

鉴于此背景，本发明的目的在于提供设计模具、挤压模和型芯但不需要试制的方法和装置。

根据本发明第一方面，本发明提供一种设计模具、挤压模和型芯的方法，所述方法包括：第一步骤，模拟熔化树脂的形状在通过从挤压模和型芯之间间隙挤压所述树脂而形成型坯时的变化；第二步骤，模拟熔化树脂的形状因夹紧围绕挤压型坯的模具和往型坯里吹入压缩空气而引起的变化；第三步骤，模拟发生在模制产品里的因模制产品在高温状态下从模具中移出之后冷却而引起的热变形，该模制产品是当熔化树脂在模具里已经固化时而获得的；以及第四步骤，从前述三个步骤模拟的结果确定可得到模制产品所需形状的模具、挤压模和型芯的形状。

第一步骤可包括通过给挤压模和型芯之间间隙的形状和给树脂的物理特性赋值而得到型坯形状和型坯厚度分布的步骤；第二步骤可包括预测型坯因被夹紧和吹气而引起的变形以及获得树脂在被吹向模具空腔壁之后的厚度分布的步骤；第三步骤可包括预测收缩的步骤，该收缩作为在前面步骤中所得到的厚度分布的函数；以及第四步骤可包括从此收缩预测的结果获得可得到模制产品所需形状的模具形状的步骤。

作为替代方案，第一步骤可通过给挤压模和型芯之间间隙的形状和给树脂的物理特性赋值而得到型坯形状和厚度分布的步骤；第二步骤可包括预测型坯因被夹紧和吹气而引起的变形以及获得树脂在被吹向模具空腔壁之后的厚度分布的步骤；以及第四步骤可包括在模制产品强度和热变形稳定性方面评价树脂在被吹向模具空腔壁之后的厚度分布以及根据此评价获得可得到最佳厚度分布的挤压模和型芯的形状的步骤。

用于获得型坯形状和厚度分布的步骤优选包括：利用非线性粘弹性流体的完全展开流的公式计算流经挤压模和型芯之问间隙的熔化树脂流的步骤；以及通过给熔化树脂在已流过此间隙后的应变赋值并利用拉伸后弹性复原中所用的公式计算熔化树脂在已流过间隙后的特征的步骤。

也就是说，对于熔化树脂的完全展开流优选计算：

c为常数

…(1)边界条件y(R_in)=v(R_out)=0，流速 $Q={\∫}_{R_{\mathrm{in}}}^{R_{\mathrm{out}}}v\·2\mathrm{\πrdr}$ 树脂的物理特性优选依据非线性粘弹性模型得到。例如，已描述使用Giesekus模型。为此目的，熔化树脂的流动方向作为z轴，其径向作为r轴。应力。和速度v分解为在各轴上的分量，如公式(2)所示：

总应力σ=-pδ+τ，其中：p：压力τ.附加应力

…(2)

$\mathrm{\τ}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\τ}}_j,$ 其中τ_j：在松驰模式j中的附加应力树脂特性参数为松驰时间λ_j和用于松驰模式j的松驰模量G_j。Giesekus模型还需要称为迁移因数的非线性参数α。

根据本发明的第二方面，本发明提供一种设计模具、挤压模和型芯的装置，其中所述装置包括：第一部件，用于模拟熔化树脂的形状在通过从挤压模和型芯之间间隙挤压所述树脂而形成型坯时的变化；第二部件，用于模拟熔化树脂的形状因夹紧围绕挤压型坯的模具和往型坯里吹入压缩空气而引起的变化；第三部件，用于模拟发生在模制产品里的因模制产品在高温状态下从模具中移出之后冷却而引起的热变形，该模制产品是当熔化树脂在模具里已经固化时而获得的；以及第四部件，从前述三个部件模拟的结果确定可得到模制产品所需形状的模具、挤压模和型芯的形状。

现在仅通过实例并结合附图描述本发明的特定实施例，其中附图如下：

图1为吹模法工艺的流程图；

图2为根据本发明实施例的用于设计模具、挤压模和型芯的方法的流程图；

图3示出挤压模和型芯的形状；

图4A-4C示出在模制之后对壁厚的测量值以及对应的模拟结果；

图5示出挤压模型和型芯的配置，并指出该两者之间的间隙Δa和Δb；

图6示出一程序流程图，该流程用于获得产生近似线性变形的挤压模和型芯的形状；

图7为根据本发明实施例的设计装置的主要部分的方框图；

图8示出储能模量和损耗模量的值的实例；以及

图9示出应用用于型坯形成模拟的基础公式的位置。

如图1所示，吹模法包括以下工艺：从挤压模和型芯之间的间隙挤压熔化树脂，形成型坯(P1)；夹紧围绕挤压型坯的模具(P2)；往型坯里吹入压缩空气(P3)；冷却模具里的熔化树脂，使之固化(P4)；以及打开模具并移出由此获得的模制产品(P5)。在本发明中，由于模制产品在高温状态下从模具中移出，该产品经历因冷却而引起的热变形。

如图2所示，本发明模拟所有这些工艺。即，首先，与树脂特性有关的数据从动态粘弹性数据(D1)和树脂其它物理特性(D2)获得(S1)，并且利用此树脂特性数据和模制条件(D3)对熔化树脂在挤压过程(P1)中形状的变化进行模拟(S2，下称“挤压模拟”)。其次，用于型坯有限元方法(FEM)的数据从与模具空腔形状和模具位置(D4)有关的数据获得(S3)，并且利用FEM数据和与吹气条件和树脂特性有关的数据(D5)对熔化树脂在夹紧(P2)和吹气(P3)过程中形状的变化进行模拟(S4，下称“夹紧-吹气模拟”)。再次，对模制产品在冷却(P4)和打开模具(P5)之后的热变形进行模拟(S5，下称“冷却-热变形模拟”)。最后，从这些模拟的结果确定可得到模制产品所需形状的模具、挤压模和型芯的形状(S6)。

挤压模拟使用流体完全展开流中采用的公式来计算流经挤压模和型芯之间间隙的熔化树脂流；在熔化树脂已流过该间隙时给该树脂的应变赋值之后，使用拉伸后弹性复原所用的公式来计算熔化树脂已流过该间隙之后的特征。下面将描述这两组公式。

为确定模具形状尤其是空腔的形状，重复进行冷却-热变形模拟，并选择可得到最佳结果的形状。为确定挤压模和型芯的形状尤其是两者之间所形成的如图3所示的间隙的形状，使用挤压模拟和夹紧-吹气模拟来确定可得到所需模制产品厚度分布的形状。

使用表1所示的三组模制条件。在每种情况下，型芯的外径是16mm。对于模制条件A，使用内径19mm(a=b)的圆形挤压模；对于模制条件B，使用19.2mm(a)×19.0mm(b)的椭圆挤压模；对于模制条件C，使用19.4mm(a)×19.0mm(b)的椭圆挤压模，此处的a和b在图3中定义。另外，在每种情况下，模制周期为16.6秒，型坯长度为255mm，树脂温度为200℃，吹气气压为0.57MPa。这些条件得到如表2所示的和如图4A-4C所绘制的模制结果，图4A-4C也给出模拟结果，如图中实线所示。

表1模制条件        A           B             C挤压模[mm]    φ19.0    19.2×19.0    19.4×19.0型芯[mm]                φ16.0

表2

模制结果    A            B                   C厚度分布[mm]         如图4A、4B、4C所示容器重量[g]    51.17    52.17                  53.78上溢料的重量[g]1.94      2.03                   2.12下溢料的重量[g]3.21      2.62                   2.96

通过从图4A-4C所示的模拟结果选择近似于所需厚度分布的那组结果，从而选取挤压模和型芯的形状。这些选择一般使得前面、后面和侧面的厚度近似相同。设计模具空腔的形状，使得在根据此厚度分布进行冷却-热变形时获得目标模制产品形状。

如上所述，在选择挤压模和型芯的形状之后并在设计模具空腔形状之前，可获得其产生的热变形更接近于线性变形的挤压模和型芯形状。这将结合图5和图6进行解释。图5示出挤压模和型芯的配置以及两者之间的间隙Δa和Δb。间隙Δa对应模制产品侧面的厚度，而间隙Δb对应模制产品前面或后面的厚度。图6示出用于获得更好挤压模和型芯形状的程序。

如图6所示，先前选择的挤压模和型芯用作初始形状(S11)，并且通过挤压模拟和夹紧-吹气模拟得到模制产品的厚度分布(S12)。接着使用此模制产品厚度分布进行冷却-热变形模拟，得到模制产品在变形之后的形状(S13)。然后判断模制产品的变形是否接近于线性变形(S14)。如果不是，并且如果模制产品的前面和后面相对于侧面已经膨胀，就降低比率Δa/Δb。另一方面，如果前面和后面相对于侧面已经沉陷，就增加该比率(S15)。接着重复进行S11-S15，直到此变形近似于线性变形。

根据本发明的用于设计模具、挤压模和型芯的方法通过图7所述的设计装置来完成。该装置包括：挤压模拟模块1，用于模拟熔化树脂的形状在通过从挤压模和型芯之间间隙挤压所述树脂而形成型坯时的变化；夹紧-吹气模拟模块2，用于模拟熔化树脂的形状因夹紧围绕挤压型坯的模具和往型坯里吹入压缩空气而引起的变化；冷却-热变形模拟模块3，用于模拟在模制产品里发生的热变形，该变形是因模制产品在高温状态下从模具中移出之后冷却而引起的，而模制产品是当熔化树脂在模具里固化而得到的；以及形状设计模块4，用于从这些模拟的结果来确定可产生近似线性热变形的挤压模和型芯形状，并确定可得到模制产品所需形状的模具形状。形状设计模块4通过重复进行挤压、夹紧-吹气和冷却-热变形模拟来设计模具、挤压模和型芯的形状。

此设计装置还包括阅读器件5，通过阅读已写到记录介质诸如CD-ROM 6上的程序并把此程序装入计算机，该计算机就可作为根据本发明的用于模具、挤压模和型芯的设计装置来运行。

现在再次结合附图2描述这些各种模拟的流程。当已为储能和损耗模量或为粘性提供测量值时，可为每个由设计者设定的松驰时间计算松驰模量。通过把表示树脂非线性的参数加到松驰时间和已获得的弹性模量上，可获得全套的表示树脂物理特性的数据。

在图8中，该图示出如何得到树脂特性的实例，储能和损耗模量的测量值分别由填充的圆(●)和三角形(▲)表示。储能模量G′(ω)和损耗模量G″(ω)可由下式表示： $G^{\′}\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{G}_j\frac{{\mathrm{\λ}}_j^2{\mathrm{\ω}}^2}{1+{\mathrm{\λ}}_j^2{\mathrm{\ω}}^2},G^{\″}\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{G}_j\frac{{\mathrm{\λ}}_j\mathrm{\ω}}{1+{\mathrm{\λ}}_j^2{\mathrm{\ω}}^2}-----\left(3\right)$ 此处M为松驰模式的数量。在本实施例中采用11个松驰模式。使用储能和损耗模量的测量值并运用最小二乘法来确定对于给定松驰时间λ_j的松驰模量G_j。图8中的实线是通过把以此方式得到的值λ_j和G_j代入公式(3)而计算得到的。

在综合模制条件和由树脂物理特性得出的数据之后，计算型坯形成。如图9所示，该计算分成作用到不同区域的三部分。这些部分和区域如下所述：

(1)在熔化树脂流经挤压模的区域中，使用完全展开流的公式，并且根据以上公式(1)来计算流动，其中下标i在公式(1)中被忽略。这得出作用在挤压模中的垂直应力σ_ji和γ_ji。在公式(1)中忽略的下标i表示型坯被恒定重量所划分的每个单元的编号。获得挤压模内的应变ε_d的方法在后面描述。这些为σ_ji和γ_ji并单独为ε_d得到的这些值在后续用于拉伸后弹性复原的公式中用作初始值。

(2)在熔化树脂从挤压模流出的区域中，使用拉伸后弹性复原所用的公式，并且计算型坯形成，如下所示：

此处N₁为在挤压模内发生的第一垂直应力差，并且由N₁=γ_i-σ_i得出，σ_i和γ_i的值由公式(1)得到。v_e是从挤压模挤压熔化树脂的速度，t_i是单元i挤压过程的时间。p为熔化树脂的密度而g为重力加速度。刚挤压后的垂直应力σ_ji和γ_ji及应变ε_i从公式(4)得到。

(3)在型坯垂下的区域中，使用在收缩和膨胀中所用的公式，并且计算型坯形成，如下所示：γ_i-σ_i=ρgν_et_i-1exp(ε_i)单元i的形状和厚度根据此处获得的应变ε_i来确定。通过综合所有单元的结果确定整个型坯的形状和厚度分布。确定上述的挤压模内部应变ε_d，使从公式(5)得到的型坯长度与目标长度匹配。这通常依靠重复计算公式(1)、(4)和(5)来实现。

通过综合与模具有关的数据和与单元如何划分有关的信息，从由上述推出的型坯形状和厚度分布来得到型坯的FEM数据。夹紧-吹气模拟依靠此型坯FEM数据运行，随后运行冷却-热变形模拟。这些模拟使挤压模和型芯能被设计得使型坯热变形近似于线性，并使模具能被设计为获得模制产品的所需形状。

如以上所解释的，通过在计算机上模拟模制工艺，本发明使模具、挤压模和型芯得以设计并且不需要试制。

Claims (5)

1．一种设计模具、挤压模和型芯的方法，其中所述方法包括：

第一步骤，模拟熔化树脂的形状在通过从挤压模和型芯之间间隙挤压所述树脂而形成型坯时的变化；

第二步骤，模拟熔化树脂的形状因夹紧围绕挤压型坯的模具和往型坯里吹入压缩空气而引起的变化；

第三步骤，模拟发生在模制产品里的因模制产品在高温状态下从模具中移出之后冷却而引起的热变形，该模制产品是当熔化树脂在模具里已经固化时而获得的；以及

第四步骤，从前述三个步骤模拟的结果确定可得到模制产品所需形状的模具、挤压模和型芯的形状。

2．一种如权利要求1所述的设计模具、挤压模和型芯的方法，其中：

第一步骤包括通过给挤压模和型芯之间间隙的形状和给树脂的物理特性赋值而得到型坯形状和厚度分布的步骤；

第二步骤包括预测型坯因被夹紧和吹气而引起的变形以及获得树脂在被吹向模具空腔壁之后的厚度分布的步骤；

第三步骤包括预测收缩的步骤，该收缩作为所得到的厚度分布的函数；以及

第四步骤包括从此收缩预测的结果获得可得到模制产品所需形状的模具形状的步骤。

3．一种如权利要求1所述的设计模具、挤压模和型芯的方法，其中：

第一步骤包括通过给挤压模和型芯之间间隙的形状和给树脂的物理特性赋值而得到型坯形状和厚度分布的步骤；

第二步骤包括预测型坯因被夹紧和吹气而引起的变形以及获得树脂在被吹向模具空腔壁之后的厚度分布的步骤；以及

第四步骤包括在模制产品强度和热变形稳定性方面评价树脂在被吹向模具空腔壁之后的厚度分布以及根据此评价获得可得到最佳厚度分布的挤压模和型芯的形状的步骤。

4．一种如权利要求2或3所述的设计模具、挤压模和型芯的方法，其中，用于获得型坯形状和厚度分布的步骤包括：

利用非线性粘弹性流体的完全展开流的公式计算流经挤压模和型芯之间间隙的熔化树脂流的步骤；以及

通过给熔化树脂在已流过此间隙时的应变赋值并利用拉伸后弹性复原中所用的公式计算熔化树脂在已流过间隙后的特征的步骤。

5．一种设计模具、挤压模和型芯的装置，其中所述装置包括：

第一部件，用于模拟熔化树脂的形状在通过从挤压模和型芯之间间隙挤压所述树脂而形成型坯时的变化；

第二部件，用于模拟熔化树脂的形状因夹紧围绕挤压型坯的模具和往型坯里吹入压缩空气而引起的变化；

第三部件，用于模拟发生在模制产品里的因模制产品在高温状态下从模具中移出之后冷却而引起的热变形，该模制产品是当熔化树脂在模具里已经固化时而获得的；以及

第四部件，从第一、第二和第三部件模拟的结果确定可得到模制产品所需形状的模具、挤压模和型芯的形状。

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