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热流道热嘴的结构设计
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时间: 2018-12-06 22:21 浏览量: 226

本文分析了热流道热嘴在注射压力下的疲劳强度问题。提出了壳体壁厚的设计计算方法。热嘴与流道板间螺纹联接时,还必须校核热嘴壳体承受弯曲变形下的强度。

1. 热流道热嘴壳体的破裂

图 1 所示为热流道系统中破裂热嘴的残片。热嘴壳体发生断裂的危险截面在图 2 和图 4 上被注明。图 2 所示热嘴与流道板轴向压紧装配时,破裂发生在热嘴的浇口部位。见图 2-a 在内螺纹退刀槽的根部,有应力集中。图 2-b 在嵌入圈绕线槽的根部,壁厚被削弱。图 2-c 装弹性卡圈的凹槽处,壳体壁厚过薄。或浇口套在定模板的配合面上。图 4 所示热嘴与流道板用螺纹联接,破坏截面位置与前者相同。 

热流道热嘴的结构设计  

图1  热嘴壳体的破裂       

注塑机的注射压力通常为 100MPa 左右。在注射周期中注射螺杆推进和保压阶段的时间只占(5%~10%)。模具里塑料制品在冷却阶段,压力迅速下降。热流道热嘴壳体承受的是周期性的圆周方向应力。热嘴壳体破裂多发生在注射生产一定时期之后。从开裂断面分析是属于疲劳破坏。壁厚过薄和应力集中是主要原因。

大多数企业制造的热嘴壳体用 4Cr5MnSiV1 钢,美国牌号 H13 。半精加工后,在较低的奥氏体温度 1000~1040℃ 加热后空冷。回火温度 600~650℃,得到 34~44HRC,然后精加工。从参考文献获知 “4Cr5MnSiV1 的疲劳极限”,取高温 540℃ 下疲劳极限 =370MPa 为热嘴壁厚强度的计算应力。

2. 热嘴与流道板压紧装配时壳体壁厚的设计和校核

热嘴中央的流道直径 4~18mm 。热嘴座与流道板在强压下产密合,支承面大,壁厚足够。如图 2 所示,热嘴的加热段为细长薄壁管道,外壁上开螺旋槽,嵌有电加热线圈。在浇口段装有导流梭,或套筒式针尖,有时为装入浇口套,须与热嘴螺纹联接。热嘴外壳等有用弹性卡夹轴向固定。在这些危险截面上壁厚,往往只有 1~2mm 。

 热流道热嘴的结构设计

图2  热嘴与流道板压紧装配时的危险截面

a -内螺纹退刀槽;b -电加热线圈的螺旋槽;c -弹性卡圈嵌槽

热嘴筒体受到塑料熔体内压,在薄壁圆管上周期性的周向应力  的作用下破裂。有热嘴壳体的强度校核式

                  (1)

又有壁厚的设计式

                                                     (2)

式中 

D ——圆管的外径,mm;

t ——圆管的壁厚,mm;

p ——圆管内流体的压力,MPa(N/mm2);

R m ——圆管的平均半径,mm;

           

——热嘴钢材的许用应力,MPa;

            

n ——安全系数。

热嘴壳体在注射压力下,承受比模具型腔更高的压力。塑料熔体在 (25~50)MPa 的高压下,才能充满型腔并得到补缩。处于上游的热流道浇注系统允许有 35MPa 的压力降。注射机在螺杆头前熔体的压力经主流道热嘴和热流道的压力损失后,到达分热嘴的浇口段,壳体内熔体压力大致有 p=65MPa(650×105Pa) 左右。又取安全系数 n=1.5,所以 =370/1.5=247MPa 。因此,热嘴壁厚的设计式简化成

             (3)

热嘴壳体的零件的流道直径从 4~20mm,典型的三个见图 3 所示。壳体外圆柱面上,割有电热线圈嵌装的螺旋槽。圆管的外径 D 应减去糟深。壳体外圆柱面上,还会切割环槽安装轴向档圈,外径 D 同样应减去糟深。计算孔径是热嘴内螺纹的外径或退刀槽外径。热流道热嘴的结构设计

图3  三个热嘴壳体的结构尺寸

a)流道直径4mm;b) 流道直径8mm;c) 流道直径16mm

用式 (3) 校核计算图 3 上三个热嘴壳体的强度,图上危险截面的壁厚 t 都大于计算得热嘴最小壁厚 tmin 。见表 1 所列,壳体壁厚强度也都合格。共校核十三个热嘴壳体危险截面,有三个壁厚 t<tmin 是不合格,必须加厚到 tmin 或更厚。说明推导式 (3) 的许用应力  和流体的压力 p 的数据符合生产实际。

表1  三个热嘴壳体危险截面的壁厚校核     单位:mm

热流道热嘴的结构设计

表 2 所列 4Cr5MnSiV1 钢 (H13) 的热嘴壁厚最小值。适用于传统的流道板与热嘴用压力联接方式。热流道热嘴受到塑料熔体的周期性压力作用,危险截面的最小壁厚。近年来,推行整体式热流道系统。流道板与热嘴用螺纹联接时,流道板在注射温度下有横向热膨胀。而热嘴固定在低温的定模板里,热嘴在轴线方向有弯曲变形,热嘴壁厚上受到弯曲载荷,表 2 数据不能适用。

表2  4Cr5MnSiV1钢的热嘴壳体壁厚最小值tmin

单位:mm

热流道热嘴的结构设计

3. 热嘴与流道板螺纹联接时壁厚的校核计算

整体式热流道系统设计时,如图 4 所示的热嘴与流道板用螺纹联接。以此防止泄漏熔料。这种热嘴不需要凸肩支承。它的浇口端对准定模型腔板。此时热嘴壳体破裂的危险截面仍在浇口段。上述圆管壁的周期性的周向应力  引起的疲劳破坏依然存在。流道板从中央起始,有横向的热膨胀变形 。而热嘴的浇口段固定在定模板中。如图 5 所示的固定截面上有弯曲应力  作用。

                       热流道热嘴的结构设计  

                       图4  热嘴与流道板用螺纹联接

如图 5 所示,由于流道板的横向热伸长量 ,引起一端固定的悬臂圆筒的弯曲变形,自由端的弯矩 M 和作用力 F 关系式

                    (4)

由式 (4) 得热嘴浇口处的横向作用力

                              (5)

然后,计算危险截面在弯矩 作用下的弯曲应力

                                      (6)

两式中

Jb——热嘴筒体的危险截面轴惯性矩,mm4,圆筒;

Wb——热嘴筒体的危险截面抗弯截面模量,mm3,圆筒;

 ——流道板的横向热伸长量,mm;

l ——热嘴的有效长度,mm;

E——热嘴钢材在工作温度下阀针的弹性模量,MPa,

            400℃合金钢 E=170×103MPa 。

将危险截面上,轴向应力  和周向应力  作向量合成,可得到热嘴与流道板螺纹联接时壁厚的强度校核

                    (7)

由前述 4Cr5MnSiV1 钢的疲劳极限 =370MPa 。考虑到合成应力  比单周问应力  复杂,不确定因素多。安全系数 n 取 2,MPa 。

          热流道热嘴的结构设计

                              图5  热嘴的受力图

[例]以图 3b 的热嘴壳体,其流道直径 8mm。在危险截面上内孔 d=12mm,外径 D=18mm,有平均半径 Rm=7.5mm 。按横向热伸长量 =0.5mm,和热嘴的有效长度 l=200mm,计算现有壁厚 t=3mm,在热嘴与流道板螺纹联接有附加弯矩下,校核强度是否安全。

[解] 热嘴壳体在注射压力下,按式 (3) 计算 tmin=1.97mm 。

mm4

mm3

N

 MPa

 MPa

MPaMPa

计算结果说明: 

1)图 3b 的热嘴壳体壁厚 t=3mm,在热嘴与流道板螺纹联接有附加弯矩下,校核强度安全。说明小流道热嘴的柔性好,能采用热嘴与流道板螺纹联接方法。

2)图 3c 的大流道和大直径热嘴壳体,在热嘴与流道板螺纹联接有附加弯矩下,需要有大的壁厚,才有强度安全。大流道热嘴的刚性好了,但轴向柔度差。


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