仿真方法對塑料模具型芯的疲劳寿命评估
仿真方法对塑料模具型芯的疲劳寿命评估
J.K.KIM*andC.S.LEE
韩国庆北VIII.II-VIIIIIIVIII庆山市新上里I.I.IX韩国泰科AMP公司CAE团队
摘要_本研究的目的是利用注射成型CAE仿真技术来进行型芯疲劳寿命的预测,型芯应力分析和疲劳寿命的预测,注射成型仿真的应用是为了获得在注射成型过程中由于聚合物熔体流动而作用于型芯的非均匀压力.其次,熔体压力分布情况作为单向耦合技术型芯应力分析的载荷条件,然后在应力疲劳分析下就可以得到型芯的使用寿命.为了验证仿真技术疲劳分析后的预测结果的精确性,相关的试验也进行了.
关键字:模拟注射成型,应力分析,疲劳寿命预测,应力寿命方法.
I.引言
在塑件制造中注射成型是最常见的方法之I.,注射成型的主要问题是型芯过早地疲劳损坏,其中型芯是为了成型模具内部或外部形状的模具I.部分.型芯失效的普遍原因是注射成型过程中填充和压实阶段聚合物熔体不均匀分布而引起的变形.这个问题是非常重要的,因为其会影响生产量及产品质量.此外,注塑模具的加工成本可能很高,及其后的返工又增加了原本已经很高的成本.由于这个原因,I.个有效分析型芯过早损坏的方法是必须的.型芯损坏通常是由许多因素影响的如组件设计,材料性能和注塑条件.因此,当使用传统设计方法是很难预测其使用寿命.在CAE技术的帮助下,我们可以省去昂贵的封闭的试验通过设计师的经验.
II00IX年王等人进行热结构性分析以获得模具型腔内的热应以分布,及利用其来进行使用寿命的疲劳分析.KIM等人在II00VII年利用CAE技术提出了自动注射模残余应力的预测结果.Carpenter等人也使用单项藕合技术定向提出了注射过程中模具的变形和机器合规对模具行为影响的作用.许多关于注射模组成部分疲劳寿命的研究已经出版.(Krug等人在II000; *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
Lutz等人在II00IX;Hashemi等人在II0I.0.)但是,关于型芯疲劳行为的研究很少做,原因是聚合物熔体会引起重复偏转.
在这项研究中,使用注射成型模拟仿真的方法,核心应力的分析和疲劳寿命的预测的提出是为了评估模具型芯的疲劳寿命.疲劳寿命主要有III种主要的方法,应力量,应变量,和断裂力学.几乎所有压力分析方法都是用在应力在材料弹性模量范围内和高循环疲劳寿命的情况下.这也是关于所有量的分析而不用区分初始量或衍生量.(Bannantine等人在I.IXIX0;Lee等人在II00V).注射成型法需要长的寿命,从这个角度讲,使用S-N分析方法更合适.测试也进行了用来证实仿真方法的可靠性和准确性.
II研究方法
对比分析是从不同的工程领域相互来解决I.个工程问题的I.种组合分析方法,文中提到的仿真的方法单向藕合,对型芯应力分析输入载荷的描述取决于注射成型仿真的结果.如图I.所示,模具疲劳寿命预测的方法.在总体的框架中首先需要建立I.个IIID模型,然后,将相同的模型放入到每个模拟工具中.熔体对型芯表面的不均匀压力可以通过注射模仿真而得到.由于CAE工具中模塑仿真分析软件的注射模分析和有限元分析软件型芯应力分析之间的配合并不相配,单向藕合的应用需要两个宏文件.第I.个宏文件是用来摘录模塑仿真分析结果中型芯外表面每个节点的压力时间分布,第II个宏文件是用来在模塑仿真分析与有限元分析配合下将熔体压力映射到时间表中.通过两个宏文件,注射模具分析下的熔体压力可以转移为型芯压力分析.其后,模具型芯的压力变化可以从准静态结构分析中计算出来,然后可以利用S-N方法预测出模具型芯的疲劳寿命.在模具型芯形状或注射条件发生变化时,其压力时间分布情况将被重新评估,相应的疲劳寿命也将重新得到.I.旦疲劳寿命达到令人满意的水平,这样的设计将可避免模具型芯的过早失效.
III注射成型模拟
图II所示为注射模具制造件外罩的注射模具,模具型芯的疲劳损坏发生在I.00年,这已经打破了表I.列出的大约每I.I..IIV天由于在实际生产过程中重复注射的模具制品.仿真方法,I.个提高型芯I.I.0疲劳寿命的设计将被提出.
图I.仿真技术的框架
图II插头外壳的注塑模具
参数类型参数值
模具温度VI0℃
熔化温度IIVI0℃
注塑时间0.V-0.IXs
同步调整IVV-VVMpa,II.Vs
冷却时间I.IIIs
表I.加工条件
如上段所说,在注塑和包装过程中作用于型芯表面的压力分布图是由注塑仿真分析决定的.因此,为了验证注塑模仿真的准确性和有效性,使用了I.00吨螺杆直径IIIII毫米的法拉克注塑机进行试验.聚合树脂的材料性能和型芯I.I.0在表II中列出.模具和溶体温度分别是VIVIII℃和IIVI0℃.注射速度和时间被设置为IXVIII毫米每秒和0.VIIVII秒.保持压力和时间是IVVII兆帕和II.V秒.在测试中,流道内熔体压力曲线被应用了VII.VIIIVkistler电压力传感器的仪表系统所监视.上面测试的条件作为注塑模仿真与在测试时传感器传来熔体压力变化时相比较的输入数据.模具型芯和聚合物熔体流动通道被用网格划分为IIIVI.IXVIIIIV的IV面体单元和IIIII0VVIIIX的IV面体单元,相似的,流道和冷却通道也被效仿为梁式结构.如图 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
III所示为有限元模型.注塑仿真的实施只利用了IV分之I.的模型使用数据这样可以节约资源.
材质TribitI.V0IIISSKDI.I.
屈服强度-I.IVI.0Mpa
抗张强度-I.VIIIX0Mpa
弹性系数IIVI00MpaII00Gpa
泊松比0.IVIIIIX0.IIIX
导热系数0.I.IXw/m-℃IIIX.Vw/m-℃
膨胀系数VII.VIIVe-VI.℃I..0IVe-VI.℃
比热IIIIII.IVJ/Kg-℃IVVIIIJ/Kg-℃
密度I..IIVIIIIIIVIIg/cm^IIIVII.VIIVIg/cm^III
图III有限元模型的流动部分,弯曲部分,和流道,冷却通道
图IV熔体压力的数值和实验结果的对比
图IV(a)解释了在型芯块中压力传感器的安放位置,图IV(b)表示的是模拟和测量的熔体压力变化之间的比较.实验数据显示了过阻尼相应于无过冲,这代表代表了填充阶段是平稳的,而仿真预测的是在填充阶段的尾部会有压力过载.原因是压力传感器突出的测量点是流道的圆柱表面,而filling-topacking转换点在两个结果之间似乎有点不同.因此,可以看出模拟压力分布图与测量结果是基本I.致的.经过验证实施,注塑模仿真的实施是为了研究在实际生产过程中最好和最坏的注射条件下的压力分布如表I..图V显示的是注射位置的压力分布图.在填充阶段压力随时间不断升高,在压紧阶段会达到I.个恒定值.最坏的注射情况在注射的第V秒,这时核心表面的熔体压力分布最大.在注射位置最大的压力是I.0II.I.VIIIMpa.在研究中,作者使用了在实际生产过程中情况最坏的第V秒,并保持压力VVMpa以得到I.个保守的疲劳寿命.
图V在注射位置的压力
IV应力分析
如图VI所示,注射模仿真中第V秒得到的熔体压力分布被应用于型芯表面,这样在单向耦合技术下可以进行准静态应力分析.由于在注射成型中聚合物熔体所引起的阻尼效应影响作用很大,所以我们可以忽略惯性力.如图VII所示为有限元模型下的边界情况.型芯与垫板完全接触,因此接触表面法线方向上的位移被假定为零.型芯I.I.0和型芯VI.III规定是接触的,并假定摩擦系数为0.II.这个分析只考虑SKDI.I.材料的弹性行为.
图VI熔体压力轮廓
图VII应力分析的边界条件
图VIII第I.主应力在0.IIIIII秒的分布和型芯的疲劳损坏
图VIII展示了型芯I.I.0中第I.主应力的分布.在内流道表面圆形切口尖端附近存在着严重的应力集中.I.般加工产生的圆形切口尖端的圆弧半径假定为0.0V毫米,最大应力能达到I.IIVIIV.VIIMpa.图VIII也显示了型芯因疲劳裂纹而损坏.可以看出实际裂纹的位置与应力分析时所预测的应力集中的位置是I.致的.众所周知,裂纹是切口前沿局部应力集中引起的.由于这I.原因,应力集中被视为疲劳的主要设计参数.本研究提出带圆形切口形状的型芯疲劳设计以防止过早失效.作者认为作用于型芯上的应力是变动着的.图IX所展示的是图VIII中指出的疲劳裂纹起始点中的第I.主应力随时间变化的关系.最大应力发生在0.IIIIII秒,而在紧实过程中压强也达到了最低值,大约VIIIMpa.在整个紧实过程中压力几乎保持不变.从这些结果中可以得到考虑的重要点:型芯I.I.0的疲劳损坏仅仅与填充阶段有关.图IX还表明开始的应力仍然在弹性域内,并低于屈服强度I.IVI.0Mpa(Fukaura等人在II00IV年提出).型芯I.I.0的SKDI.I.材料被VVI0℃回火.从这样的结果来看,型芯的预测寿命应该使用s-n方法计算.工作负载随时间的变化如图IX中的虚线所示.
图IX加载过程中峰值计算
V疲劳寿命预测
在S-N方法中,介绍这I.方法时有IV个特有的定义,它们分别是最大应力σmax,最小压力σmin,平均压力σm和振幅压力σa.在反复注射成型中型芯I.I.0上将产生以上IV个特有应力.
通过Basquin提出的建议,压力振幅和疲劳寿命之间的关系可以通过下列公式表示:Sa=Sf(IINf)b或者Sa=A(Nf)b这里的Sa是应用交变振幅压力,Sf是疲劳强度系数,IINf代表反向应力,b是疲劳强度指数,A表示在I.个周期中拦截下来的I.个Sa的数值.
图I.0显示的是Fukaura等人在II00IV年用SKDI.I.材料做的疲劳试验数据,他们表示为了获得光滑的镜面抛光,所有样品都是经过砂纸和钻石抛光机高度抛光的,用拉伸方法进行应力比为-I.的疲劳试验.如图I.0所示为S-N曲线拟合线的重对数尺度.对于I.个给定的材料,疲劳强度Se是VIVIV.IIIVIIMpa,这代表许用应力以得到无限的生命周期.但是,为了解释实际情况而不是试验情况,疲劳极限需要将不同类型的表面光洁度,大小,温度,可靠性水平,等等考虑进去.因此,这些实验的结果被量化为改正系数后应用于基线S-N曲线.
SeI.=Se*KfKf=Ks*Kd*Kt*Kr....
这里的Kf是总改正系数,Ks表示表面精加工因素,Kd表示样品尺寸因素,Kt表示温度系数,Kr表示疲劳极限和疲劳强度为I.000周期的可靠性因素.这些因素集中到I.起为总的疲劳改正因素.用(juvinal等人在I.IXIXI.年)强度极限相应的表面抛光因素的图表I.Su为I.VIIIX0Mpa作用于型芯I.I.0精抛光的表面因素假定为Ks=0.VIIIII,尺度因素被认为是Kd=I.,因为疲劳测试的样品直径尺寸小于VIII毫米(Bannantine等人于I.IXIX0年).对于模具温度条件为VI0℃-IIVI0℃的情况,温度因素Kt为I.,因为工作温度在-VII0℃到III00℃之间时铁碳合金的疲劳极限相对不受影响.(Loewenthal于I.IXVIIIVI)也认为曲线S-N的中位线是足够的,对于现有的型芯疲劳失效没有可靠性的预测是合理的.因此,可靠因素是Kr=I..0.在I.0^VI的循环下疲劳极限结果是:Se=VIVIV.IIIVII*0.VIIIII=IVVIIIV.VIIIIMpa
图I.0SKDI.I.冷加工钢的S-N曲线
图I.I.改进后的SKDI.I.冷加工钢的S-N曲线
图I.I.展示的是经过表面处理因素处理后的S-N曲线.拦截因子在N=I.和疲劳强度SI.000在N=I.0III时在基线S-N中的数值是相同的.(Lee等人于II00V年)
图I.IIMorrow方程式和Abs最大主应力作用下的预测寿命的等高线
Abs最大主应力对应的Von-Mises应力
GoodmanII.VIII0IIVII.IVI.VIVII
MorrowIX.VIII.IVIIII.VIIIVIIIIIII
GerberI.VIII.VIIIIVIIVIVIV.IIVIIIVIIIIX
表III通过平均应力方程式和多轴应力修正后的组合下得到的疲劳寿命预测结果
交变应力中非零平均应力对疲劳损坏有很大影响,模拟平均应力对疲劳行为影响的许多方法已经开发出来.在这项研究中,作者考虑过III种模型分别是Goodman,Gerber和Morrow.用数学方法可以表示为如下公式:
其中的n=I.是Goodman直线,n=II是Gerber抛物线,通过将Su更换为Sf可以从Goodman等式中得到Morrow等式.这些等式说明了疲劳强度与σa,σm以及材料性能如:疲劳极限Se,抗拉强度,疲劳强度Sf之间的关系,实验测试数据往往会介于Goodman线和Gerber抛物线之间.(Bannantine等人于I.IXIX0年).此外,S-N曲线的疲劳测试数据是单轴的而包含VI个应力分量的型芯应力分析的结果是多轴应力状态.因此,对于有限元模型上所有点,应力必须从多轴应力转换为单轴应力.I.般来说,对于模型上每个点绝对最大主应力和相应的Von-Mises应力I.直被认为是等价的应力来决定疲劳寿命.作者还是用了这两个等效应力标准来研究疲劳寿命的准确性.
表III显示的是与非零平均应力和两个多轴应力标准相关的III个方程式下预测的疲劳寿命.生产注射模具零件的总周期大约是IIIV秒,这样预测结果就从注射模具循环周期转换为天数.如上所述,由于重复的注射成型过程,型芯I.I.0每I.I..IIV天就会损坏.Goodman方程式所提供的评价与实际寿命相比过于保守,而Gerber方程式的预测与实际服务寿命相比又是非常不精确的且不保守.实际的疲劳寿命应当介于Goodman直线和Gerber抛物线所预测的之间.根据Morrow的平均应力修正和Abs最大主应力标准所预测的那样,注射模具的可用寿命大约为IX.VII天(IIIIVIIVIIVII个周期).对于型芯I.I.0疲劳寿命的这I.估计是I.个不错的预测结果.因此,Moeeow的平均应力等式和Abs最大主应力被用为防止型芯I.I.0疲劳损坏的标准.
图I.II表示的是利用Morrow方程式和Abs最大主应力进行疲劳分析后得到的可用寿命的等高线.疲劳寿命显示的是直到型芯I.I.0发生疲劳损坏注塑模的使用循环数.疲劳寿命最低的地方是在内流道表面圆形切口尖端附近.在实际的型芯中,裂纹也常发生于图VIII所示的这些点中.疲劳寿命的预测与实际生产情况相符.
本研究的目的是为了仿真方法改善型芯的设计以克服疲劳损坏.为此,作者研究了圆形切口形状的冲孔效应,在这些地方发生了应力集中现象.应力集中会因切口半径不同而有很多种如图I.III所示.此外,还存在大量的疲劳寿命的扩散.因此,换算因子经常应用于S-N曲线中以为部件的设计提供保守值.出于这样的原因,作者认为修正因子是可靠的,并且赋予值KR=0.VIIIVIVIII(Lee等人于II00V年).对于SKDI.I.钢的疲劳寿命,它生成的S-N曲线有百分之IXXV的可靠性.通过确定新的斜坡和疲劳强度值可以得到调整后的S-N曲线.
图I.III应力集中敏感性
图I.IVHaigh图解法
图I.I.所示为S-N曲线,疲劳极限计算出来为Se=IVIII..VII.兆帕,在疲劳极限和Morrow的平均应力修正的基础上,得到了Haigh图解,如上图I.IV.如果平均应力和振幅应力的组合水平低于直线,型芯就不会失效.如前面所提到的,裂纹萌生点只受拉应力,最小应力几乎为零.
当假设应力比R为零,那么平均应力σm和振幅应力σa是相等的.从这些情况来看,应力幅值计算如下:
因此,无限寿命的复合应力水平是由最大应力VIIIIIVIII.IXVII兆帕决定的,在图I.III中,如果圆形切口尖端的半径大于0.IIII毫米,型芯将避免疲劳失效.
VI结论
在本研究中,注射模仿真,应力分析和疲劳分析的模拟方法的提出,是为了评估注射过程中型芯的疲劳寿命.为了确定注射过程中的疲劳载荷,研究院应用了模塑仿真耦合分析工具和有限元分析工具.通过以上提出的方法来提高模具型芯设计的质量,这样可以更好的防止疲劳损坏.
J.K.KIM*andC.S.LEE
韩国庆北VIII.II-VIIIIIIVIII庆山市新上里I.I.IX韩国泰科AMP公司CAE团队
摘要_本研究的目的是利用注射成型CAE仿真技术来进行型芯疲劳寿命的预测,型芯应力分析和疲劳寿命的预测,注射成型仿真的应用是为了获得在注射成型过程中由于聚合物熔体流动而作用于型芯的非均匀压力.其次,熔体压力分布情况作为单向耦合技术型芯应力分析的载荷条件,然后在应力疲劳分析下就可以得到型芯的使用寿命.为了验证仿真技术疲劳分析后的预测结果的精确性,相关的试验也进行了.
关键字:模拟注射成型,应力分析,疲劳寿命预测,应力寿命方法.
I.引言
在塑件制造中注射成型是最常见的方法之I.,注射成型的主要问题是型芯过早地疲劳损坏,其中型芯是为了成型模具内部或外部形状的模具I.部分.型芯失效的普遍原因是注射成型过程中填充和压实阶段聚合物熔体不均匀分布而引起的变形.这个问题是非常重要的,因为其会影响生产量及产品质量.此外,注塑模具的加工成本可能很高,及其后的返工又增加了原本已经很高的成本.由于这个原因,I.个有效分析型芯过早损坏的方法是必须的.型芯损坏通常是由许多因素影响的如组件设计,材料性能和注塑条件.因此,当使用传统设计方法是很难预测其使用寿命.在CAE技术的帮助下,我们可以省去昂贵的封闭的试验通过设计师的经验.
II00IX年王等人进行热结构性分析以获得模具型腔内的热应以分布,及利用其来进行使用寿命的疲劳分析.KIM等人在II00VII年利用CAE技术提出了自动注射模残余应力的预测结果.Carpenter等人也使用单项藕合技术定向提出了注射过程中模具的变形和机器合规对模具行为影响的作用.许多关于注射模组成部分疲劳寿命的研究已经出版.(Krug等人在II000; *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
Lutz等人在II00IX;Hashemi等人在II0I.0.)但是,关于型芯疲劳行为的研究很少做,原因是聚合物熔体会引起重复偏转.
在这项研究中,使用注射成型模拟仿真的方法,核心应力的分析和疲劳寿命的预测的提出是为了评估模具型芯的疲劳寿命.疲劳寿命主要有III种主要的方法,应力量,应变量,和断裂力学.几乎所有压力分析方法都是用在应力在材料弹性模量范围内和高循环疲劳寿命的情况下.这也是关于所有量的分析而不用区分初始量或衍生量.(Bannantine等人在I.IXIX0;Lee等人在II00V).注射成型法需要长的寿命,从这个角度讲,使用S-N分析方法更合适.测试也进行了用来证实仿真方法的可靠性和准确性.
II研究方法
对比分析是从不同的工程领域相互来解决I.个工程问题的I.种组合分析方法,文中提到的仿真的方法单向藕合,对型芯应力分析输入载荷的描述取决于注射成型仿真的结果.如图I.所示,模具疲劳寿命预测的方法.在总体的框架中首先需要建立I.个IIID模型,然后,将相同的模型放入到每个模拟工具中.熔体对型芯表面的不均匀压力可以通过注射模仿真而得到.由于CAE工具中模塑仿真分析软件的注射模分析和有限元分析软件型芯应力分析之间的配合并不相配,单向藕合的应用需要两个宏文件.第I.个宏文件是用来摘录模塑仿真分析结果中型芯外表面每个节点的压力时间分布,第II个宏文件是用来在模塑仿真分析与有限元分析配合下将熔体压力映射到时间表中.通过两个宏文件,注射模具分析下的熔体压力可以转移为型芯压力分析.其后,模具型芯的压力变化可以从准静态结构分析中计算出来,然后可以利用S-N方法预测出模具型芯的疲劳寿命.在模具型芯形状或注射条件发生变化时,其压力时间分布情况将被重新评估,相应的疲劳寿命也将重新得到.I.旦疲劳寿命达到令人满意的水平,这样的设计将可避免模具型芯的过早失效.
III注射成型模拟
图II所示为注射模具制造件外罩的注射模具,模具型芯的疲劳损坏发生在I.00年,这已经打破了表I.列出的大约每I.I..IIV天由于在实际生产过程中重复注射的模具制品.仿真方法,I.个提高型芯I.I.0疲劳寿命的设计将被提出.
图I.仿真技术的框架
图II插头外壳的注塑模具
参数类型参数值
模具温度VI0℃
熔化温度IIVI0℃
注塑时间0.V-0.IXs
同步调整IVV-VVMpa,II.Vs
冷却时间I.IIIs
表I.加工条件
如上段所说,在注塑和包装过程中作用于型芯表面的压力分布图是由注塑仿真分析决定的.因此,为了验证注塑模仿真的准确性和有效性,使用了I.00吨螺杆直径IIIII毫米的法拉克注塑机进行试验.聚合树脂的材料性能和型芯I.I.0在表II中列出.模具和溶体温度分别是VIVIII℃和IIVI0℃.注射速度和时间被设置为IXVIII毫米每秒和0.VIIVII秒.保持压力和时间是IVVII兆帕和II.V秒.在测试中,流道内熔体压力曲线被应用了VII.VIIIVkistler电压力传感器的仪表系统所监视.上面测试的条件作为注塑模仿真与在测试时传感器传来熔体压力变化时相比较的输入数据.模具型芯和聚合物熔体流动通道被用网格划分为IIIVI.IXVIIIIV的IV面体单元和IIIII0VVIIIX的IV面体单元,相似的,流道和冷却通道也被效仿为梁式结构.如图 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
III所示为有限元模型.注塑仿真的实施只利用了IV分之I.的模型使用数据这样可以节约资源.
材质TribitI.V0IIISSKDI.I.
屈服强度-I.IVI.0Mpa
抗张强度-I.VIIIX0Mpa
弹性系数IIVI00MpaII00Gpa
泊松比0.IVIIIIX0.IIIX
导热系数0.I.IXw/m-℃IIIX.Vw/m-℃
膨胀系数VII.VIIVe-VI.℃I..0IVe-VI.℃
比热IIIIII.IVJ/Kg-℃IVVIIIJ/Kg-℃
密度I..IIVIIIIIIVIIg/cm^IIIVII.VIIVIg/cm^III
图III有限元模型的流动部分,弯曲部分,和流道,冷却通道
图IV熔体压力的数值和实验结果的对比
图IV(a)解释了在型芯块中压力传感器的安放位置,图IV(b)表示的是模拟和测量的熔体压力变化之间的比较.实验数据显示了过阻尼相应于无过冲,这代表代表了填充阶段是平稳的,而仿真预测的是在填充阶段的尾部会有压力过载.原因是压力传感器突出的测量点是流道的圆柱表面,而filling-topacking转换点在两个结果之间似乎有点不同.因此,可以看出模拟压力分布图与测量结果是基本I.致的.经过验证实施,注塑模仿真的实施是为了研究在实际生产过程中最好和最坏的注射条件下的压力分布如表I..图V显示的是注射位置的压力分布图.在填充阶段压力随时间不断升高,在压紧阶段会达到I.个恒定值.最坏的注射情况在注射的第V秒,这时核心表面的熔体压力分布最大.在注射位置最大的压力是I.0II.I.VIIIMpa.在研究中,作者使用了在实际生产过程中情况最坏的第V秒,并保持压力VVMpa以得到I.个保守的疲劳寿命.
图V在注射位置的压力
IV应力分析
如图VI所示,注射模仿真中第V秒得到的熔体压力分布被应用于型芯表面,这样在单向耦合技术下可以进行准静态应力分析.由于在注射成型中聚合物熔体所引起的阻尼效应影响作用很大,所以我们可以忽略惯性力.如图VII所示为有限元模型下的边界情况.型芯与垫板完全接触,因此接触表面法线方向上的位移被假定为零.型芯I.I.0和型芯VI.III规定是接触的,并假定摩擦系数为0.II.这个分析只考虑SKDI.I.材料的弹性行为.
图VI熔体压力轮廓
图VII应力分析的边界条件
图VIII第I.主应力在0.IIIIII秒的分布和型芯的疲劳损坏
图VIII展示了型芯I.I.0中第I.主应力的分布.在内流道表面圆形切口尖端附近存在着严重的应力集中.I.般加工产生的圆形切口尖端的圆弧半径假定为0.0V毫米,最大应力能达到I.IIVIIV.VIIMpa.图VIII也显示了型芯因疲劳裂纹而损坏.可以看出实际裂纹的位置与应力分析时所预测的应力集中的位置是I.致的.众所周知,裂纹是切口前沿局部应力集中引起的.由于这I.原因,应力集中被视为疲劳的主要设计参数.本研究提出带圆形切口形状的型芯疲劳设计以防止过早失效.作者认为作用于型芯上的应力是变动着的.图IX所展示的是图VIII中指出的疲劳裂纹起始点中的第I.主应力随时间变化的关系.最大应力发生在0.IIIIII秒,而在紧实过程中压强也达到了最低值,大约VIIIMpa.在整个紧实过程中压力几乎保持不变.从这些结果中可以得到考虑的重要点:型芯I.I.0的疲劳损坏仅仅与填充阶段有关.图IX还表明开始的应力仍然在弹性域内,并低于屈服强度I.IVI.0Mpa(Fukaura等人在II00IV年提出).型芯I.I.0的SKDI.I.材料被VVI0℃回火.从这样的结果来看,型芯的预测寿命应该使用s-n方法计算.工作负载随时间的变化如图IX中的虚线所示.
图IX加载过程中峰值计算
V疲劳寿命预测
在S-N方法中,介绍这I.方法时有IV个特有的定义,它们分别是最大应力σmax,最小压力σmin,平均压力σm和振幅压力σa.在反复注射成型中型芯I.I.0上将产生以上IV个特有应力.
通过Basquin提出的建议,压力振幅和疲劳寿命之间的关系可以通过下列公式表示:Sa=Sf(IINf)b或者Sa=A(Nf)b这里的Sa是应用交变振幅压力,Sf是疲劳强度系数,IINf代表反向应力,b是疲劳强度指数,A表示在I.个周期中拦截下来的I.个Sa的数值.
图I.0显示的是Fukaura等人在II00IV年用SKDI.I.材料做的疲劳试验数据,他们表示为了获得光滑的镜面抛光,所有样品都是经过砂纸和钻石抛光机高度抛光的,用拉伸方法进行应力比为-I.的疲劳试验.如图I.0所示为S-N曲线拟合线的重对数尺度.对于I.个给定的材料,疲劳强度Se是VIVIV.IIIVIIMpa,这代表许用应力以得到无限的生命周期.但是,为了解释实际情况而不是试验情况,疲劳极限需要将不同类型的表面光洁度,大小,温度,可靠性水平,等等考虑进去.因此,这些实验的结果被量化为改正系数后应用于基线S-N曲线.
SeI.=Se*KfKf=Ks*Kd*Kt*Kr....
这里的Kf是总改正系数,Ks表示表面精加工因素,Kd表示样品尺寸因素,Kt表示温度系数,Kr表示疲劳极限和疲劳强度为I.000周期的可靠性因素.这些因素集中到I.起为总的疲劳改正因素.用(juvinal等人在I.IXIXI.年)强度极限相应的表面抛光因素的图表I.Su为I.VIIIX0Mpa作用于型芯I.I.0精抛光的表面因素假定为Ks=0.VIIIII,尺度因素被认为是Kd=I.,因为疲劳测试的样品直径尺寸小于VIII毫米(Bannantine等人于I.IXIX0年).对于模具温度条件为VI0℃-IIVI0℃的情况,温度因素Kt为I.,因为工作温度在-VII0℃到III00℃之间时铁碳合金的疲劳极限相对不受影响.(Loewenthal于I.IXVIIIVI)也认为曲线S-N的中位线是足够的,对于现有的型芯疲劳失效没有可靠性的预测是合理的.因此,可靠因素是Kr=I..0.在I.0^VI的循环下疲劳极限结果是:Se=VIVIV.IIIVII*0.VIIIII=IVVIIIV.VIIIIMpa
图I.0SKDI.I.冷加工钢的S-N曲线
图I.I.改进后的SKDI.I.冷加工钢的S-N曲线
图I.I.展示的是经过表面处理因素处理后的S-N曲线.拦截因子在N=I.和疲劳强度SI.000在N=I.0III时在基线S-N中的数值是相同的.(Lee等人于II00V年)
图I.IIMorrow方程式和Abs最大主应力作用下的预测寿命的等高线
Abs最大主应力对应的Von-Mises应力
GoodmanII.VIII0IIVII.IVI.VIVII
MorrowIX.VIII.IVIIII.VIIIVIIIIIII
GerberI.VIII.VIIIIVIIVIVIV.IIVIIIVIIIIX
表III通过平均应力方程式和多轴应力修正后的组合下得到的疲劳寿命预测结果
交变应力中非零平均应力对疲劳损坏有很大影响,模拟平均应力对疲劳行为影响的许多方法已经开发出来.在这项研究中,作者考虑过III种模型分别是Goodman,Gerber和Morrow.用数学方法可以表示为如下公式:
其中的n=I.是Goodman直线,n=II是Gerber抛物线,通过将Su更换为Sf可以从Goodman等式中得到Morrow等式.这些等式说明了疲劳强度与σa,σm以及材料性能如:疲劳极限Se,抗拉强度,疲劳强度Sf之间的关系,实验测试数据往往会介于Goodman线和Gerber抛物线之间.(Bannantine等人于I.IXIX0年).此外,S-N曲线的疲劳测试数据是单轴的而包含VI个应力分量的型芯应力分析的结果是多轴应力状态.因此,对于有限元模型上所有点,应力必须从多轴应力转换为单轴应力.I.般来说,对于模型上每个点绝对最大主应力和相应的Von-Mises应力I.直被认为是等价的应力来决定疲劳寿命.作者还是用了这两个等效应力标准来研究疲劳寿命的准确性.
表III显示的是与非零平均应力和两个多轴应力标准相关的III个方程式下预测的疲劳寿命.生产注射模具零件的总周期大约是IIIV秒,这样预测结果就从注射模具循环周期转换为天数.如上所述,由于重复的注射成型过程,型芯I.I.0每I.I..IIV天就会损坏.Goodman方程式所提供的评价与实际寿命相比过于保守,而Gerber方程式的预测与实际服务寿命相比又是非常不精确的且不保守.实际的疲劳寿命应当介于Goodman直线和Gerber抛物线所预测的之间.根据Morrow的平均应力修正和Abs最大主应力标准所预测的那样,注射模具的可用寿命大约为IX.VII天(IIIIVIIVIIVII个周期).对于型芯I.I.0疲劳寿命的这I.估计是I.个不错的预测结果.因此,Moeeow的平均应力等式和Abs最大主应力被用为防止型芯I.I.0疲劳损坏的标准.
图I.II表示的是利用Morrow方程式和Abs最大主应力进行疲劳分析后得到的可用寿命的等高线.疲劳寿命显示的是直到型芯I.I.0发生疲劳损坏注塑模的使用循环数.疲劳寿命最低的地方是在内流道表面圆形切口尖端附近.在实际的型芯中,裂纹也常发生于图VIII所示的这些点中.疲劳寿命的预测与实际生产情况相符.
本研究的目的是为了仿真方法改善型芯的设计以克服疲劳损坏.为此,作者研究了圆形切口形状的冲孔效应,在这些地方发生了应力集中现象.应力集中会因切口半径不同而有很多种如图I.III所示.此外,还存在大量的疲劳寿命的扩散.因此,换算因子经常应用于S-N曲线中以为部件的设计提供保守值.出于这样的原因,作者认为修正因子是可靠的,并且赋予值KR=0.VIIIVIVIII(Lee等人于II00V年).对于SKDI.I.钢的疲劳寿命,它生成的S-N曲线有百分之IXXV的可靠性.通过确定新的斜坡和疲劳强度值可以得到调整后的S-N曲线.
图I.III应力集中敏感性
图I.IVHaigh图解法
图I.I.所示为S-N曲线,疲劳极限计算出来为Se=IVIII..VII.兆帕,在疲劳极限和Morrow的平均应力修正的基础上,得到了Haigh图解,如上图I.IV.如果平均应力和振幅应力的组合水平低于直线,型芯就不会失效.如前面所提到的,裂纹萌生点只受拉应力,最小应力几乎为零.
当假设应力比R为零,那么平均应力σm和振幅应力σa是相等的.从这些情况来看,应力幅值计算如下:
因此,无限寿命的复合应力水平是由最大应力VIIIIIVIII.IXVII兆帕决定的,在图I.III中,如果圆形切口尖端的半径大于0.IIII毫米,型芯将避免疲劳失效.
VI结论
在本研究中,注射模仿真,应力分析和疲劳分析的模拟方法的提出,是为了评估注射过程中型芯的疲劳寿命.为了确定注射过程中的疲劳载荷,研究院应用了模塑仿真耦合分析工具和有限元分析工具.通过以上提出的方法来提高模具型芯设计的质量,这样可以更好的防止疲劳损坏.
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