專利名稱：設(shè)計模具、擠壓模和型芯的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對用于塑料產(chǎn)品的模具、擠壓模和型芯的設(shè)計。
一種廣泛應(yīng)用的模制塑料的方法是擠壓管狀高溫熔化塑料；把熔化塑料密封在模具中；并且往里吹入空氣使管子膨脹。在此常規(guī)方法中，在把管狀熔化塑料即型坯布置在組合模各部分之間之后，封閉模具。當(dāng)接著往熔化塑料里吹入空氣時，該塑料緊緊地粘附到模具內(nèi)壁并呈現(xiàn)與此內(nèi)壁相同的形狀。然后通過繼續(xù)吹入高壓空氣同時在模具中保留塑料，使塑料冷卻并固化。這產(chǎn)生與模具形狀相同的模制產(chǎn)品。在模具冷卻并固化之后，打開模具并移出模制產(chǎn)品。
例如，當(dāng)模制產(chǎn)品是裝入液體后可進(jìn)行銷售的容器(例如瓶)時，打開模具時的樹脂溫度通常為大約50℃，并且需要12秒左右的時間把樹脂冷卻到此溫度。降低產(chǎn)品成本的一種途徑就是縮短此冷卻時間。
然而，如果縮短冷卻時間但模具仍然在高溫下打開時，高溫熔化塑料顯著收縮并且經(jīng)歷非線性變形。結(jié)果是無法獲得目標(biāo)模制產(chǎn)品形狀。因此以前不可能縮短冷卻時間。
為此，本發(fā)明人發(fā)明一種用于模具設(shè)計的方法及裝置，通過本發(fā)明，即使模制產(chǎn)品在高溫下從模具中移出時也能得到目標(biāo)模制產(chǎn)品形狀。這可通過使用有限元方法模擬變形過程然后在設(shè)計模具形狀時考慮此變形來實現(xiàn)(參見日本注冊專利號2955509和2957503)。
此模具設(shè)計方法重復(fù)進(jìn)行以下步驟對模制產(chǎn)品從模具中移出之后該產(chǎn)品初始形狀(即該產(chǎn)品剛從模具中移出后的形狀)發(fā)生的熱變形進(jìn)行模擬；根據(jù)此模擬計算模制產(chǎn)品的變形形狀和目標(biāo)形狀之間的差別；把此差別與極限值進(jìn)行比較；以及如果此差別超過極限值，則根據(jù)此差別改變前述初始形狀。
在此模具設(shè)計方法中，用于獲得模制產(chǎn)品所需形狀的最佳模具形狀可通過模擬已得到的初始形狀如何因熱收縮而變化來找到。然而，為了得到產(chǎn)品厚度分布，實際上還不得不制作模制產(chǎn)品并對其進(jìn)行測量，因此仍然有必要重復(fù)試制試驗?zāi)＞卟⑹褂迷撃＞咧谱髂Ｖ飘a(chǎn)品，直到獲得所需要的厚度分布，這在成本和時間上都是不利的。為了得到所需要的模制產(chǎn)品厚度分布，還有必要進(jìn)行大量的型坯擠壓模和型芯的試制。
鑒于此背景，本發(fā)明的目的在于提供設(shè)計模具、擠壓模和型芯但不需要試制的方法和裝置。
根據(jù)本發(fā)明第一方面，本發(fā)明提供一種設(shè)計模具、擠壓模和型芯的方法，所述方法包括第一步驟，模擬熔化樹脂的形狀在通過從擠壓模和型芯之間間隙擠壓所述樹脂而形成型坯時的變化；第二步驟，模擬熔化樹脂的形狀因夾緊圍繞擠壓型坯的模具和往型坯里吹入壓縮空氣而引起的變化；第三步驟，模擬發(fā)生在模制產(chǎn)品里的因模制產(chǎn)品在高溫狀態(tài)下從模具中移出之后冷卻而引起的熱變形，該模制產(chǎn)品是當(dāng)熔化樹脂在模具里已經(jīng)固化時而獲得的；以及第四步驟，從前述三個步驟模擬的結(jié)果確定可得到模制產(chǎn)品所需形狀的模具、擠壓模和型芯的形狀。
第一步驟可包括通過給擠壓模和型芯之間間隙的形狀和給樹脂的物理特性賦值而得到型坯形狀和型坯厚度分布的步驟；第二步驟可包括預(yù)測型坯因被夾緊和吹氣而引起的變形以及獲得樹脂在被吹向模具空腔壁之后的厚度分布的步驟；第三步驟可包括預(yù)測收縮的步驟，該收縮作為在前面步驟中所得到的厚度分布的函數(shù)；以及第四步驟可包括從此收縮預(yù)測的結(jié)果獲得可得到模制產(chǎn)品所需形狀的模具形狀的步驟。
作為替代方案，第一步驟可通過給擠壓模和型芯之間間隙的形狀和給樹脂的物理特性賦值而得到型坯形狀和厚度分布的步驟；第二步驟可包括預(yù)測型坯因被夾緊和吹氣而引起的變形以及獲得樹脂在被吹向模具空腔壁之后的厚度分布的步驟；以及第四步驟可包括在模制產(chǎn)品強(qiáng)度和熱變形穩(wěn)定性方面評價樹脂在被吹向模具空腔壁之后的厚度分布以及根據(jù)此評價獲得可得到最佳厚度分布的擠壓模和型芯的形狀的步驟。
用于獲得型坯形狀和厚度分布的步驟優(yōu)選包括利用非線性粘彈性流體的完全展開流的公式計算流經(jīng)擠壓模和型芯之問間隙的熔化樹脂流的步驟；以及通過給熔化樹脂在已流過此間隙后的應(yīng)變賦值并利用拉伸后彈性復(fù)原中所用的公式計算熔化樹脂在已流過間隙后的特征的步驟。
也就是說，對于熔化樹脂的完全展開流優(yōu)選計算 c為常數(shù) …(1)邊界條件y(Rin)=v(Rout)=0，流速Q(mào)=∫RinRoutv·2πrdr]]>樹脂的物理特性優(yōu)選依據(jù)非線性粘彈性模型得到。例如，已描述使用Giesekus模型。為此目的，熔化樹脂的流動方向作為z軸，其徑向作為r軸。應(yīng)力。和速度v分解為在各軸上的分量，如公式(2)所示總應(yīng)力σ=-pδ+τ，其中p壓力τ.附加應(yīng)力 …(2)τ=Σjτj,]]>其中τj在松馳模式j(luò)中的附加應(yīng)力樹脂特性參數(shù)為松馳時間λj和用于松馳模式j(luò)的松馳模量Gj。Giesekus模型還需要稱為遷移因數(shù)的非線性參數(shù)α。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明提供一種設(shè)計模具、擠壓模和型芯的裝置，其中所述裝置包括第一部件，用于模擬熔化樹脂的形狀在通過從擠壓模和型芯之間間隙擠壓所述樹脂而形成型坯時的變化；第二部件，用于模擬熔化樹脂的形狀因夾緊圍繞擠壓型坯的模具和往型坯里吹入壓縮空氣而引起的變化；第三部件，用于模擬發(fā)生在模制產(chǎn)品里的因模制產(chǎn)品在高溫狀態(tài)下從模具中移出之后冷卻而引起的熱變形，該模制產(chǎn)品是當(dāng)熔化樹脂在模具里已經(jīng)固化時而獲得的；以及第四部件，從前述三個部件模擬的結(jié)果確定可得到模制產(chǎn)品所需形狀的模具、擠壓模和型芯的形狀。
現(xiàn)在僅通過實例并結(jié)合附圖描述本發(fā)明的特定實施例，其中附圖如下

圖1為吹模法工藝的流程圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例的用于設(shè)計模具、擠壓模和型芯的方法的流程圖；圖3示出擠壓模和型芯的形狀；圖4A-4C示出在模制之后對壁厚的測量值以及對應(yīng)的模擬結(jié)果；圖5示出擠壓模型和型芯的配置，并指出該兩者之間的間隙Δa和Δb；圖6示出一程序流程圖，該流程用于獲得產(chǎn)生近似線性變形的擠壓模和型芯的形狀；圖7為根據(jù)本發(fā)明實施例的設(shè)計裝置的主要部分的方框圖；圖8示出儲能模量和損耗模量的值的實例；以及圖9示出應(yīng)用用于型坯形成模擬的基礎(chǔ)公式的位置。
如圖1所示，吹模法包括以下工藝從擠壓模和型芯之間的間隙擠壓熔化樹脂，形成型坯(P1)；夾緊圍繞擠壓型坯的模具(P2)；往型坯里吹入壓縮空氣(P3)；冷卻模具里的熔化樹脂，使之固化(P4)；以及打開模具并移出由此獲得的模制產(chǎn)品(P5)。在本發(fā)明中，由于模制產(chǎn)品在高溫狀態(tài)下從模具中移出，該產(chǎn)品經(jīng)歷因冷卻而引起的熱變形。
如圖2所示，本發(fā)明模擬所有這些工藝。即，首先，與樹脂特性有關(guān)的數(shù)據(jù)從動態(tài)粘彈性數(shù)據(jù)(D1)和樹脂其它物理特性(D2)獲得(S1)，并且利用此樹脂特性數(shù)據(jù)和模制條件(D3)對熔化樹脂在擠壓過程(P1)中形狀的變化進(jìn)行模擬(S2，下稱“擠壓模擬”)。其次，用于型坯有限元方法(FEM)的數(shù)據(jù)從與模具空腔形狀和模具位置(D4)有關(guān)的數(shù)據(jù)獲得(S3)，并且利用FEM數(shù)據(jù)和與吹氣條件和樹脂特性有關(guān)的數(shù)據(jù)(D5)對熔化樹脂在夾緊(P2)和吹氣(P3)過程中形狀的變化進(jìn)行模擬(S4，下稱“夾緊-吹氣模擬”)。再次，對模制產(chǎn)品在冷卻(P4)和打開模具(P5)之后的熱變形進(jìn)行模擬(S5，下稱“冷卻-熱變形模擬”)。最后，從這些模擬的結(jié)果確定可得到模制產(chǎn)品所需形狀的模具、擠壓模和型芯的形狀(S6)。
擠壓模擬使用流體完全展開流中采用的公式來計算流經(jīng)擠壓模和型芯之間間隙的熔化樹脂流；在熔化樹脂已流過該間隙時給該樹脂的應(yīng)變賦值之后，使用拉伸后彈性復(fù)原所用的公式來計算熔化樹脂已流過該間隙之后的特征。下面將描述這兩組公式。
為確定模具形狀尤其是空腔的形狀，重復(fù)進(jìn)行冷卻-熱變形模擬，并選擇可得到最佳結(jié)果的形狀。為確定擠壓模和型芯的形狀尤其是兩者之間所形成的如圖3所示的間隙的形狀，使用擠壓模擬和夾緊-吹氣模擬來確定可得到所需模制產(chǎn)品厚度分布的形狀。
使用表1所示的三組模制條件。在每種情況下，型芯的外徑是16mm。對于模制條件A，使用內(nèi)徑19mm(a=b)的圓形擠壓模；對于模制條件B，使用19.2mm(a)×19.0mm(b)的橢圓擠壓模；對于模制條件C，使用19.4mm(a)×19.0mm(b)的橢圓擠壓模，此處的a和b在圖3中定義。另外，在每種情況下，模制周期為16.6秒，型坯長度為255mm，樹脂溫度為200℃，吹氣氣壓為0.57MPa。這些條件得到如表2所示的和如圖4A-4C所繪制的模制結(jié)果，圖4A-4C也給出模擬結(jié)果，如圖中實線所示。
表1模制條件A B C擠壓模[mm]φ19.019.2×19.019.4×19.0型芯[mm]φ16.0
表2模制結(jié)果AB C厚度分布[mm] 如圖4A、4B、4C所示容器重量[g]51.1752.17 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通過從圖4A-4C所示的模擬結(jié)果選擇近似于所需厚度分布的那組結(jié)果，從而選取擠壓模和型芯的形狀。這些選擇一般使得前面、后面和側(cè)面的厚度近似相同。設(shè)計模具空腔的形狀，使得在根據(jù)此厚度分布進(jìn)行冷卻-熱變形時獲得目標(biāo)模制產(chǎn)品形狀。
如上所述，在選擇擠壓模和型芯的形狀之后并在設(shè)計模具空腔形狀之前，可獲得其產(chǎn)生的熱變形更接近于線性變形的擠壓模和型芯形狀。這將結(jié)合圖5和圖6進(jìn)行解釋。圖5示出擠壓模和型芯的配置以及兩者之間的間隙Δa和Δb。間隙Δa對應(yīng)模制產(chǎn)品側(cè)面的厚度，而間隙Δb對應(yīng)模制產(chǎn)品前面或后面的厚度。圖6示出用于獲得更好擠壓模和型芯形狀的程序。
如圖6所示，先前選擇的擠壓模和型芯用作初始形狀(S11)，并且通過擠壓模擬和夾緊-吹氣模擬得到模制產(chǎn)品的厚度分布(S12)。接著使用此模制產(chǎn)品厚度分布進(jìn)行冷卻-熱變形模擬，得到模制產(chǎn)品在變形之后的形狀(S13)。然后判斷模制產(chǎn)品的變形是否接近于線性變形(S14)。如果不是，并且如果模制產(chǎn)品的前面和后面相對于側(cè)面已經(jīng)膨脹，就降低比率Δa/Δb。另一方面，如果前面和后面相對于側(cè)面已經(jīng)沉陷，就增加該比率(S15)。接著重復(fù)進(jìn)行S11-S15，直到此變形近似于線性變形。
根據(jù)本發(fā)明的用于設(shè)計模具、擠壓模和型芯的方法通過圖7所述的設(shè)計裝置來完成。該裝置包括擠壓模擬模塊1，用于模擬熔化樹脂的形狀在通過從擠壓模和型芯之間間隙擠壓所述樹脂而形成型坯時的變化；夾緊-吹氣模擬模塊2，用于模擬熔化樹脂的形狀因夾緊圍繞擠壓型坯的模具和往型坯里吹入壓縮空氣而引起的變化；冷卻-熱變形模擬模塊3，用于模擬在模制產(chǎn)品里發(fā)生的熱變形，該變形是因模制產(chǎn)品在高溫狀態(tài)下從模具中移出之后冷卻而引起的，而模制產(chǎn)品是當(dāng)熔化樹脂在模具里固化而得到的；以及形狀設(shè)計模塊4，用于從這些模擬的結(jié)果來確定可產(chǎn)生近似線性熱變形的擠壓模和型芯形狀，并確定可得到模制產(chǎn)品所需形狀的模具形狀。形狀設(shè)計模塊4通過重復(fù)進(jìn)行擠壓、夾緊-吹氣和冷卻-熱變形模擬來設(shè)計模具、擠壓模和型芯的形狀。
此設(shè)計裝置還包括閱讀器件5，通過閱讀已寫到記錄介質(zhì)諸如CD-ROM 6上的程序并把此程序裝入計算機(jī)，該計算機(jī)就可作為根據(jù)本發(fā)明的用于模具、擠壓模和型芯的設(shè)計裝置來運(yùn)行。
現(xiàn)在再次結(jié)合附圖2描述這些各種模擬的流程。當(dāng)已為儲能和損耗模量或為粘性提供測量值時，可為每個由設(shè)計者設(shè)定的松馳時間計算松馳模量。通過把表示樹脂非線性的參數(shù)加到松馳時間和已獲得的彈性模量上，可獲得全套的表示樹脂物理特性的數(shù)據(jù)。
在圖8中，該圖示出如何得到樹脂特性的實例，儲能和損耗模量的測量值分別由填充的圓(●)和三角形(▲)表示。儲能模量G′(ω)和損耗模量G″(ω)可由下式表示G′(ω)=Σj=1MGjλj2ω21+λj2ω2,G″(ω)=Σj=1MGjλjω1+λj2ω2-----(3)]]>此處M為松馳模式的數(shù)量。在本實施例中采用11個松馳模式。使用儲能和損耗模量的測量值并運(yùn)用最小二乘法來確定對于給定松馳時間λj的松馳模量Gj。圖8中的實線是通過把以此方式得到的值λj和Gj代入公式(3)而計算得到的。
在綜合模制條件和由樹脂物理特性得出的數(shù)據(jù)之后，計算型坯形成。如圖9所示，該計算分成作用到不同區(qū)域的三部分。這些部分和區(qū)域如下所述(1)在熔化樹脂流經(jīng)擠壓模的區(qū)域中，使用完全展開流的公式，并且根據(jù)以上公式(1)來計算流動，其中下標(biāo)i在公式(1)中被忽略。這得出作用在擠壓模中的垂直應(yīng)力σji和γji。在公式(1)中忽略的下標(biāo)i表示型坯被恒定重量所劃分的每個單元的編號。獲得擠壓模內(nèi)的應(yīng)變εd的方法在后面描述。這些為σji和γji并單獨(dú)為εd得到的這些值在后續(xù)用于拉伸后彈性復(fù)原的公式中用作初始值。
(2)在熔化樹脂從擠壓模流出的區(qū)域中，使用拉伸后彈性復(fù)原所用的公式，并且計算型坯形成，如下所示 此處N1為在擠壓模內(nèi)發(fā)生的第一垂直應(yīng)力差，并且由N1=γi-σi得出，σi和γi的值由公式(1)得到。ve是從擠壓模擠壓熔化樹脂的速度，ti是單元i擠壓過程的時間。p為熔化樹脂的密度而g為重力加速度。剛擠壓后的垂直應(yīng)力σji和γji及應(yīng)變εi從公式(4)得到。
(3)在型坯垂下的區(qū)域中，使用在收縮和膨脹中所用的公式，并且計算型坯形成，如下所示γi-σi=ρgνeti-1exp(εi) 單元i的形狀和厚度根據(jù)此處獲得的應(yīng)變εi來確定。通過綜合所有單元的結(jié)果確定整個型坯的形狀和厚度分布。確定上述的擠壓模內(nèi)部應(yīng)變εd，使從公式(5)得到的型坯長度與目標(biāo)長度匹配。這通常依靠重復(fù)計算公式(1)、(4)和(5)來實現(xiàn)。
通過綜合與模具有關(guān)的數(shù)據(jù)和與單元如何劃分有關(guān)的信息，從由上述推出的型坯形狀和厚度分布來得到型坯的FEM數(shù)據(jù)。夾緊-吹氣模擬依靠此型坯FEM數(shù)據(jù)運(yùn)行，隨后運(yùn)行冷卻-熱變形模擬。這些模擬使擠壓模和型芯能被設(shè)計得使型坯熱變形近似于線性，并使模具能被設(shè)計為獲得模制產(chǎn)品的所需形狀。
如以上所解釋的，通過在計算機(jī)上模擬模制工藝，本發(fā)明使模具、擠壓模和型芯得以設(shè)計并且不需要試制。
權(quán)利要求
1．一種設(shè)計模具、擠壓模和型芯的方法，其中所述方法包括第一步驟，模擬熔化樹脂的形狀在通過從擠壓模和型芯之間間隙擠壓所述樹脂而形成型坯時的變化；第二步驟，模擬熔化樹脂的形狀因夾緊圍繞擠壓型坯的模具和往型坯里吹入壓縮空氣而引起的變化；第三步驟，模擬發(fā)生在模制產(chǎn)品里的因模制產(chǎn)品在高溫狀態(tài)下從模具中移出之后冷卻而引起的熱變形，該模制產(chǎn)品是當(dāng)熔化樹脂在模具里已經(jīng)固化時而獲得的；以及第四步驟，從前述三個步驟模擬的結(jié)果確定可得到模制產(chǎn)品所需形狀的模具、擠壓模和型芯的形狀。
2．一種如權(quán)利要求1所述的設(shè)計模具、擠壓模和型芯的方法，其中第一步驟包括通過給擠壓模和型芯之間間隙的形狀和給樹脂的物理特性賦值而得到型坯形狀和厚度分布的步驟；第二步驟包括預(yù)測型坯因被夾緊和吹氣而引起的變形以及獲得樹脂在被吹向模具空腔壁之后的厚度分布的步驟；第三步驟包括預(yù)測收縮的步驟，該收縮作為所得到的厚度分布的函數(shù)；以及第四步驟包括從此收縮預(yù)測的結(jié)果獲得可得到模制產(chǎn)品所需形狀的模具形狀的步驟。
3．一種如權(quán)利要求1所述的設(shè)計模具、擠壓模和型芯的方法，其中第一步驟包括通過給擠壓模和型芯之間間隙的形狀和給樹脂的物理特性賦值而得到型坯形狀和厚度分布的步驟；第二步驟包括預(yù)測型坯因被夾緊和吹氣而引起的變形以及獲得樹脂在被吹向模具空腔壁之后的厚度分布的步驟；以及第四步驟包括在模制產(chǎn)品強(qiáng)度和熱變形穩(wěn)定性方面評價樹脂在被吹向模具空腔壁之后的厚度分布以及根據(jù)此評價獲得可得到最佳厚度分布的擠壓模和型芯的形狀的步驟。
4．一種如權(quán)利要求2或3所述的設(shè)計模具、擠壓模和型芯的方法，其中，用于獲得型坯形狀和厚度分布的步驟包括利用非線性粘彈性流體的完全展開流的公式計算流經(jīng)擠壓模和型芯之間間隙的熔化樹脂流的步驟；以及通過給熔化樹脂在已流過此間隙時的應(yīng)變賦值并利用拉伸后彈性復(fù)原中所用的公式計算熔化樹脂在已流過間隙后的特征的步驟。
5．一種設(shè)計模具、擠壓模和型芯的裝置，其中所述裝置包括第一部件，用于模擬熔化樹脂的形狀在通過從擠壓模和型芯之間間隙擠壓所述樹脂而形成型坯時的變化；第二部件，用于模擬熔化樹脂的形狀因夾緊圍繞擠壓型坯的模具和往型坯里吹入壓縮空氣而引起的變化；第三部件，用于模擬發(fā)生在模制產(chǎn)品里的因模制產(chǎn)品在高溫狀態(tài)下從模具中移出之后冷卻而引起的熱變形，該模制產(chǎn)品是當(dāng)熔化樹脂在模具里已經(jīng)固化時而獲得的；以及第四部件，從第一、第二和第三部件模擬的結(jié)果確定可得到模制產(chǎn)品所需形狀的模具、擠壓模和型芯的形狀。
全文摘要
本發(fā)明進(jìn)行如下模擬:(1)模擬熔化樹脂的形狀在通過從擠壓模和型芯之間間隙擠壓所述樹脂而形成型坯時的變化;(2)模擬熔化樹脂的形狀因夾緊圍繞擠壓型坯的模具和往型坯里吹入壓縮空氣而引起的變化;以及(3)模擬發(fā)生在模制產(chǎn)品里的因模制產(chǎn)品在高溫狀態(tài)下從模具中移出之后冷卻而引起的熱變形,該模制產(chǎn)品是當(dāng)熔化樹脂在模具里已經(jīng)固化時而獲得的。從這些模擬的結(jié)果確定可得到模制產(chǎn)品所需形狀的模具、擠壓模和型芯的形狀。
文檔編號B29C33/38GK1312153SQ0111095
公開日2001年9月12日 申請日期2001年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月7日
發(fā)明者成島毅, 木村毅, 西峰尚秀 申請人:花王株式會社