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塑料模具 |
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成功的橱柜结构件解决方案 |
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作者： |
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在一种带有铰接系统的高端厨柜的应用中，采用可注射成型的LATIGLOSS增强混配材料来替代扎马克锌基压铸合金，不仅降低了重量和成本，而且产品的外表更为平整、精美。本文通过一系列的模拟分析，证明了LATIGLOSS材料在该应用中的独特优势。
在越来越多的替换金属的实例中，增强热塑性塑料是应用非常广泛的一种替代材料。与金属相比，这种可注射成型的塑料的优点及其所带来的成本效益为几乎所有的工业部门所关注。基于长期以来对增强聚合物及相关的工艺技术的持续研发与改进，目前欧洲最重要的、独立经营的混配商LATI公司已开发出了一系列新的、可注射成型的增强混配材料，从而在很多应用中成为替代扎马克锌基压铸合金（zamak）、铝合金或其他复合材料的更优之选。
多年来，LATI公司一直致力于为家具工业的设计构思提供独特的解决方案。在EFFEGI BREVETTI 项目中，通过与家具工程领域中的设计师们紧密合作，使得LATI高性能的混配料被成功地应用于一种带有铰接系统的高端厨柜中。由于取代了扎马克锌基压铸合金，在降低重量和成本的同时，还使产品的外表更为平整、精美。
这种新型的高端厨柜采用了一种独特的设计构思：以一块板为基体，其他所有的部件都安装在这块板上；用第二块板来固定所有的其他部件；第三块板通过杠杆系统被固定在移动门上；一个多层的杠杆系统配备了制动气体活塞，从而使其运动十分平滑；一种复杂的铰接系统被用在吊柜的垂直门上，铰接系统由防护罩保护。
带有铰接系统的高端厨柜
板的加工
以往，所有的组件都由扎马克锌基压铸合金制成。EFFEGI BREVETTI 项目组的主要任务是，引进一种可塑性混配物来替换扎马克锌基压铸合金，以减轻金属部件的重量，并降低成本。该项目开发的一个指导思想是，继续使用原有的金属部件成型设备。第一个需要重新设计加工的部件是大型锁定板，它能起到制约移动部件移动的作用。
当采用扎马克锌基压铸合金时，由于作用在该金属板上的外部载荷相对较小，因此不需要对其几何形状、加强筋和厚度等进行优化处理。其注射成型中使用了2个宽而薄的浇口，并且浇口的布置是沿型腔边缘摆放的。基于上述原因，在用塑料替换金属的最初阶段，并没有对板的几何形状进行优化，结果导致了诸如表面光洁度不好、尺寸稳定性较差以及整体性能差等问题的出现。
研究后发现，产生这些问题的主要原因是不合理的几何形状以及浇口处的快速冷却，从而使得在成型过程的最后阶段，保压压力明显降低。随之而来的问题是，在预压实验中，受气体活塞外力的作用，板的端部出现了断裂。显然，这种机械性能极好的混配料在此应用中失败的根本原因是增强纤维取向的不合理以及冷焊接痕的影响。
被重新设计的部件
材料的选择
一般，采用玻纤增强聚合物制成的产品很难同时在“优异的机械性能”与“良好的表面光洁度”之间获得完美的平衡。这是因为，玻璃纤维经常会在聚合物的表面留下痕迹，从而影响部件的外观。而要想获得完美无暇的光滑表面，就会以降低使用性能为代价。
在最初的实验中，最先采用了增强芳香族聚酰胺。但实验后发现，LATIGLOSS混配料才是最佳的解决方案。LATIGLOSS混配料的优点是：50%～60%的玻纤含量使其机械性能极佳，为特殊结构部件的应用提供了最佳选择；专利的基体配方使材料的色彩光亮，完全不会因为高含量玻璃纤维或碳纤维的增加而引起典型的缺陷，从而为成型部件带来了完美的表面光洁度；即使成型部件的几何构型有问题，仍具有优异的尺寸稳定性。其中，以聚酰胺66为基体原料的LATIGLOSS 66材料具有良好的加工性能，可在低温、低压下成型，对模塑设备的要求不高，因而被选为新的替换材料。
断裂出现在板的端部
结构分析及优化
对于应用在结构部件中的聚合物材料，首先需要检验其在应用的整个生命周期内，是否能够承受一些边界条件以及外界载荷，以便于在开模前对部件的几何形状进行必要的修正。为此，EFFEGI BREVETTI 项目组进行了以下分析计算：对板可承受的外力进行静态评估，因为柜门的顺利 “开/关”是在气体活塞外力的推动下完成的；在考虑活塞外力的基础上，预测板的使用寿命，一般要求达到10年。
初始的几何形状：应力分布
改进后的几何形状：应力分布
在此应用中，活塞的推力很大，一般超过80kg，这样大的外力即使是对于扎马克锌基压铸合金板而言，也会在静态实验中使其外壳和锁定凸耳被冲断。通过有限元分析可以判断，断裂是由活塞处的弯曲应力引起的，而不是拉伸力。接下来，需要对板的蠕变现象进行深入研究。一般，板的蠕变是由持续的内应力引起的。
为了模拟板被固定到家具上时的受力情况，先假定它被连接到一理想的刚性表面上。模拟结果显示，即使这块板能够承受活塞的推力，也会在10年的使用期内出现明显的弯曲，从而导致其使用功能的减退。因此，有必要对板的几何形状进行修正以提高其整体性能。在此，使用有限元模拟（FE）技术显得非常必要。
为了使纤维沿着有效的方向排列，以获得必要的功能，对板的三维结构和加强筋的分布重新进行了调整，同时对板的厚度也重新进行了修订，结果，应力分布得到明显改善。
经改进，原来应力过度集中而极易产生断裂的区域现在变成了应力可以承受的区域。计算结果显示，这个区域的Von Mises应力减少了多达50%，从100MPa减小到了40 MPa。另外，蠕变现象也明显减少，从而避免了结构变形，满足了使用寿命的要求。计算表明，即使连续使用10年，也只产生0.2mm的位移。
加强筋的分布
Moldflow分析和模塑工艺的优化
对于板类结构件，除了必须具有极高的力学性能外，还必须具有良好的平整度。
EFFEGI BREVETTI 项目组利用 Moldflow软件进行了有限元动态模拟分析，以对整个模塑工艺进行筛选。通过对注射、填充和变形过程的仔细研究，认真评估了这些工艺参数以及结构增强方案对模塑部件的影响。
初始的几何形状：蠕变变形
模拟结果表明，LATIGLOSS材料对模塑工艺的要求与那些普通的、填充了大量玻璃纤维的聚酰胺66的情况相当接近。此外，在80～90℃的模塑温度下，还获得了优异的表面光洁度。该模塑过程简便，不像PPA或其他芳香族聚酰胺材料那样，由于较高的熔体粘度而导致填充模腔时需要很高的熔融温度。
模拟结果还表明，应该从增强整个板的刚性的纤维取向方向上，尤其是应该沿着结构加强筋来寻找部件产生变形的原因。
这种模拟对于确定合适的工艺方案是一种强有力的工具，它有助于选定一个合适的壁厚和流峰，从而控制线性伸缩量。在EFFEGI BREVETTI 项目组与LATI的努力下，用LATIGLOSS材料生产出了高质量的部件。随着板的平整度得到提高，其在家具上的安装更为便利。
改进后的形状：蠕变变形
金属件替换范围的扩展
随着第一块金属替换件的成功，EFFEGI BREVETTI 项目组马上将这个成功的解决方案应用于替换整个铰接系统中的其他金属件。这些新替换的塑料板具有美观的外表和优异的整体机械性能，使得EFFEGI BREVETTI 项目组可以把LATIGLOSS混配物继续成功地应用在结构件和覆盖件上，同时还满足了客户对部件外观和性能的要求。
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(10/28/2008) |
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