热应力分析的快速电热注塑模具为一个大的液晶电视面板外文翻译资料

 2022-09-08 12:09

热应力分析的快速电热注塑模具为一个大的液晶电视面板

文章信息

文章历史

2011年4月1号接收题目

2011年7月29号接受题目

2011年8月6号网上发表

关键词

传热过程

应力分析

电加热注塑模具

摘要

快速电加热循环注射成型技术在注塑工程中得到广泛应用。使用这种技术，可以生产熔接痕、流痕和其他的表面缺陷都没有的优良产品。然而，由于特殊的模具结构及其更糟糕的工作过程，快速电加热注射（EHI）模具随着注塑工艺的不断重复进行比常规注射容易受损失效。在本文中，首先提出对于一个大的液晶显示器（LCD）电视面板的模具研究。然后我们研究了在整个工作过程中模具温度的传递过程。最后，通过有限元仿真，对导致模具的热应力和变形的产生原因进行了分析。通过对实际失效模具的分析，证明了本文所提出的分析方法是正确的。 2011 Elsevier公司保留所有权利。

  1. 简介

在常规注射技术中，由于注射周期温度的限制，模具的温度非常低，通常小于80℃。当聚合物熔体注入模腔，在空腔表面很容易形成一种冷冻层。这是因为当带有高温的聚合物熔体接触冷却腔表面时熔体表面温度迅速下降到低温，导致熔体表面首先凝固。结果影响了熔体流进型腔的能力，降低了转化为型腔表面的能量。因此，传统的注入方法不能用于生产具有微结构的产品。由于金属流动性的降低，薄壁产品也很难被生产。此外，表面缺陷如熔接痕和流痕由于型腔表面温度低也会产生，如在文献[1e3]。严重污染环境的后续工艺、喷涂、涂料等，用以提高表面质量。这些操作，提高零部件的制造工艺，造成原材料和能源的浪费，也提高生产成本。很明显，传统注射技术是很困难满足现代注塑行业发展要求的。在注射技术中，对于工作过程中模具的理想温度，当聚合物熔体注入模具，型腔表面应在高温状态下，以增加熔体的流动性。当填充过程完成后，对成型零件应迅速冷却到脱模温度从而提高生产效率。电加热注塑就是这样一种可以动态控制模具温度的注塑工艺[4,5]。首先，通过在模具中的加热棒，固定好的模具会被快速加热到很高的温度。然后聚合物熔体开始向模腔注入，接着在包装阶段后期，模具和熔体通过冷却液迅速冷却下来。当模具打开时，模制零件被弹出；同时，加热棒开始加热模具。此后，下一个注入周期开始。注射前，由于模腔的温度升高，熔体的流动能力提高了，粘性降低了。冷却前熔体在模腔中可能完全弯曲，所以，消除了聚合物的表面缺陷，生产出高质量的产品。此外，熔体的有限复制容量被提升，薄壁聚合物的部分或者带有微小部分填充错误的产品可以被非常好的塑造。图1为常规注入法和快速电加热注入法的产品比较。我们可以看到通过电加热注塑方法的产品表面没有焊接线，它的表面就像照相机一样。

然而，特殊的结构和更糟糕的带电工作过程使注射模具产生了缺陷，大的应力集中很容易在模具中产生。大的应力集中非常容易使模具报废。根据上面的描述我们可以知道，和传统注射模相比，EHI模具在注射过程中所承受的热负荷是造成模具损害的主要原因。到目前为止，热负荷对工程应用影响的文献很多，但很少针对注塑模具。在本文中，为了研究EHI模具所承受的热负荷，首先介绍了一种液晶电视面板的典型结构，通过设置适当的边界和初始条件，对模具的传热过程进行了研究。通过有限元模拟，对模具型腔板的热应力和变形进行了分析。最后，提出了降低热应力和提高模具寿命的有效措施。

  1. 液晶电视面板的电加热注塑模具结构

传统的注塑模具主要由固定模腔板和移动模具中的芯板组成。正如我们所知道的，在电加热的注塑工艺过程中，模具需要迅速加热和冷却，因此，模具结构与传统模具结构不同。图2显示的电加热注塑模具设计的液晶电视面板的结构。图2（a）是模具的主要结构；（b）是模具中的加热棒的腔板和布局的俯视图。在电加热模具中，除了传统的模具具有的板，这里还有另一个冷却板。它由固定板4和型腔板1组装而成。

此外，型腔板和冷却板中分别独立地有很多加热棒和冷却通道。该腔板的背面也非常特殊，为了提高钢板的强度，可以方便地安装在冷却板上，有许多加强筋。以这种方式，凹模在加热阶段被加热棒加热，在冷却阶段，冷却板中的通道充满冷却液，使腔板和熔体迅速冷却，然后在一个短周期内，模具零件可以从模具中弹出。

  1. 电加热注塑模具的传热过程

到现在为止，我们有很多方法来加热注塑模具。不过，与在文献中推荐的蒸汽辅助加热法、红外线加热法和感应加热法相比，电加热喷射技术的辅助设备越来越少。因此，它已被广泛用于注塑行业。在注塑工艺的工作过程中，模具必须加热到高温。加热后，模具的平均气温通常是125℃到145℃，特别是，为了使生产过程有利，峰值温度有时可达150℃到165℃。与传统的注塑模具相比，电加热注塑模具峰值温度和温度梯度都很高。因此，由温度引起的电加热注塑模具的热应力大于常规模具的热应力。同时，模具必须反复地在注塑和包装阶段承受巨大的夹紧力，因此，模具所受的压力是热应力和机械应力的结合。由于压力大且循环，相比传统的模具，疲劳裂纹可以更容易地在电加热的注塑模具上产生。图3为在实际生产过程中，电加热的注塑模具表面出现了疲劳裂纹。该模具是一种液晶电视面板，约5000注入周期后模具损害。当疲劳裂纹在空腔板表面形成时，生产过程会被影响。如果该空腔板不能再使用，新板必须设计和制造。因此，模具的成本必然增加。与传统的注塑模具相比，由高温引起的热应力是影响电加热模具寿命的的主要因素。因此，在电加热过程中，对模具的传热过程进行研究是十分必要的。根据能量守恒原理交换（18,19），在直角坐标系中的热传导的一般形式，可以表示如下方程（1）

T是物体瞬态温度；t是热传导过程的时间；k是传热系数；r是物质密度；Cp是等压比热；qv是热流密度；x、y是直角坐标系。界面上通过加热棒产生的热流密度qv可以用下面的公式估算方程（2）：

这里P、L、C分别是棒内热度的能量、直径和长度。基于公式1可以通过有限元分析的方法获得温度场。在电加热模具工作过程中，传热过程可以分为2个主要阶段。在加热阶段，凹模被加热棒加热。随着温度的升高，模具热应力逐渐增大。当温度达到了设计值，加热棒控制停止加热模具，这一阶段完成。在冷却阶段，模具快速冷却到低温下，热应力逐渐降低。加热阶段的热应力比冷却阶段的热应力要大得多。在这种情况下，本文研究了模具在加热阶段的应力。冷却阶段的应力松弛过程中不考虑。

3.1.传热过程的边界和初始条件

在加热阶段，腔板1与冷却板2是分开的，如图5所示，凹模与固定模板4之间有一定的绝热材料。因此，凹模被认为是与其他的模板的热绝缘。在模具中来自导柱和固定螺栓的热阻可以忽略不计。根据实际生产，模具和环境初始温度均为25℃。空气与模具中间的传热系数设为20W/m2 K。加热棒的热通量计是3times;10^5W/m2.根据制造商提出的加热棒的参数。

3.2.模具材料的性能

根据上述模具材料的要求，在日本生产的cean1钢作为模具材料。它具有均匀的微观结构。该材料的抛光性能、抗热疲劳性能、耐磨性、耐腐蚀性都很好。材料的主要性能列于表1。根据实际的注塑参数和生产过程，模具的加热时间通常设置为约15秒。当所有的参数所需的模拟确定时，三维有限元模型可以建立，温度场的计算可以进行。

3.3模具温度场的讨论

图2凹模的三维CAD模型进行网格划分为四面体单元做有限元（FE）分析。元素的总数为65870，节点数为16473。施加所有的边界条件和初始条件到模型中，模具的温度场采用基于有限元仿真得到的公式（1）和软件进行弧。在加热阶段的模具型腔板的温度场如图4所示。为了观察腔表面的有限温度值，温度跟踪点I, II 和III在图5中列出了典型位置的温度值。从以上两数字研究发现，当加热阶段被完成，腔面上的温度分布不均匀。这三个地方的温度比两边高很多。这三个地方的最高温度分别是154.2,156.8和 157.1℃，最低温度分别是95.5,、94.9和93.1℃。温度差异非常大，这意味着坐腔的两侧受热不高效。不过，作为最低温度是在旁边，在大多数时间里，它不能影响成型零件质量。因此，腔面温度在整体上仍能满足技术要求。在生产过程中，证明了上述分析是正确的。一般来说，根据工程传热理论，较大的热应力和变形往往在模具上产生有一个较高的温度的区域。但这种理论不适用于这种模具。模具板的应力和变形，主要是与模具中的约束状态有关。

  1. 型腔板的热应力和变形分析

考虑到模具装配方便，型腔板通常是按如图6显示固定。在图中我们可以看到顶部与右边的凹模与定模座板粘连在一起。另外两边都没有和定模座板相连，而且留有一些空隙，确保型腔板可以很容易地放入固定模具板。接着螺栓4和1在板间固定插入，用来固定凹模和模具板。在这种装配模式下，型腔板可以更容易安装和卸载。

因此，在实际注塑模具中，凹模被定模扳和螺栓所约束。因此，当模具的应力和变形进行有限元分析时，型腔板被定为变形体。固定模板和插件作为刚体。螺栓也被认为是一个边界条件约束的空腔板的位移。此外，在每一个注入周期，模具的温度和温度梯度相差很大，因此本文3.1节所获得的热负荷也适用于腔板。如上所述，在加热阶段，随着温度的升高，模具的热应力和应变逐渐增大。模具所受的压力是热应力和机械应力的结合。模具的总应力和应变的物理方程可以表示如下：

εx; εy; εz 和 sx;sy;sz分别是在x、y、z方向物体全部的拉紧力和应力的总和。T是温度变量值；a是线膨胀系数；gxy;gyz;gzx 和 gxy;gyz;gzx是总剪切应变和应力；G是剪切弹性模量；m是泊松比。基于方程和确定的边界和初始条件，模型的应力和应变分布可以通过瞬态热分析和应力有限元分析计算。图7展示了凹模加热后的变形。图7显示的是由于不均匀的约束，腔板的变形不均匀。这部分在刚体作用下变形很小，而它在没有约束时变形非常大。最大的变形在times;方向上产生的左上角，和值是约0.23毫米。作为腔板的非均匀约束，可以预测应力集中引起的大应力集中，而大应力集中的位置很容易失效。

图8为空腔板背面的应力分布图。有插入约束附近的肋骨编号从1到5，和从6到10的肋骨对模具板的限制。它的方式，强调在加强筋约束的地方都非常大，而且他们是不同的。

图9显示了每个肋骨的压力值。通常，热膨胀引起的变形与加热物体的长度和温度差有关。

它们之间的关系可以用下面的公式（5）表示：

这里e是热力膨胀值；L是加热对象的长度；DT是温度变化；k是热膨胀系数。在该文中，当模腔板在X方向的长度大于Y方向，以及板的膨胀变形在X方向上比在Y方向上大的条件下，K值和DT是相同的。不过，由于模腔板在右边和底部的插入，如图6所示，我们可以看到，和约束是不统一的，1肋骨遭受最大的压力和价值是大约995.3mpa。也正是因为这根肋骨正确地面对着插入物，它不能再延长了。5肋骨遭受最少的压力。它主要是因为当它膨胀时这个地方不受任何刚体的约束。因此，应力值仅为449.1兆帕。通过图9，我们还发现肋骨编号从6到10挨着模具板的只有214.4兆帕的压力差，而肋骨编号从1到5附近的应力差插入物是约592.1兆帕。这表示，在工作过程中，模板在工作过程中均匀地约束模板的顶部和左侧的均匀应力。底部和右侧受到不均匀的应力，因为它们被插入非均匀性约束。在上述分析的基础上我们可以得知，在工作过程中模具受到了很大的热应力。在一些地方，压力非常大。在加热阶段，由于温度上升，腔板膨胀，但在周围约束的作用下，空腔板是在压缩状态，并受到压缩应力。首先，板的应力和应变都很小，它们都在弹性范围内。当温度下降到冷却阶段时，应力和应变能得到放松，随着注入周期的反复进行，板的位置受到最大的压力首先处于疲劳状态，然后压缩应变不能放松和塑性变形形式。最后，模具处于故障状态，不能再使用了。据模拟，我们知道在背面的空腔板的数目1肋受到最大的压力，所以可以预测疲劳裂纹首先产生在这个地方。

图10是生产过程中模具的照片。模具上的裂缝产生在肋骨附近，它是非常符合上述分析。因此，证明作者所做的分析是正确的。由于在腔板背面的肋部在工作过程中承受着最大的压力，为了提高模具的寿命，应在腔板上加强筋或加强筋的厚度应增加或固定垫片不应该直接面对肋骨。这样，模具可以寿命提高。

  1. 结论

在本文中，我们首先提出电加热模具的结构，然后建立传热过程和应力变形分析模型。通过研究，文章分析了模具的热应力和变形的原因。然后得出以下结论：

  1. 在加热阶段的塑料模具的传热过程是通过有限元仿真得到的。结果表明：加热段加热后的腔面温度分布不均匀，但仍能满足电加热技术的要求生产的产品，可以生产出良好的产品。
  2. 根据物理方程的总应力和模具有限元软件，模具型腔板的应力和变形可以计算得出。在膨

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