注塑齿轮热变形数值模拟及模具优化分析

摘要

本文根据管状减速器生产中对于提高注塑齿轮加工质量的要求，从试验研究和理论分析两个方面对注塑齿轮加工过程中影响尺寸和形状精度的重要因素进行了研究。并利用ANSYS软件对注塑齿轮在注塑成型冷却中的热变形情况进行了模拟分析，在此基础上提出了注塑齿轮模具优化设计方法。 论文首先在系统分析注塑成型收缩机理和主要影响因素的基础上，进行了生产工艺研究。试验中对不同压力、温度条件下注塑件的尺寸变化进行了实测分析，研究了注塑工艺对注塑成型收缩率的影响，以达到最小的成型收缩率减小注塑成型误差为目标，应用Taguchi实验设计理论，进行生产工艺参数优化，为注塑齿轮产品生产工艺技术改进和质量的提高提供了参数依据。 为正确进行注塑齿轮热变形模拟分析的需要，本文还对注塑齿轮生产使用的尼龙复合材料进行了热膨胀系数的实验测定，并与注塑试验数据结合，计算得到了材料的固化相变收缩率和热收缩率。 通过对有限元方法的研究和注塑脱模冷却的分析，建立了注塑齿轮的热变形分析脱模冷却模型，并利用ANSYS软件中的热应力耦合模块对注塑齿轮的冷却变形过程进行了热应力耦合场的有限元模拟分析。结果表明，在注塑成型后的冷却过程中，由于注塑齿轮齿廓各处的收缩差异造成了齿轮齿廓形状的变形，是造成减速器运转异常的一个重要原因。 为了提高注塑齿轮的精度，在对热变形造成的误差分析的基础上，本文提出了采用误差补偿进行注塑模具型腔优化设计的方法，即运用反向工程的方法，进行注塑齿轮模具型腔优化分析。首先以室温下标准齿轮为基础，用ANSYS软件逆向求解出注塑固化点时齿形廓面形状参数，并通过固化相变收缩率求得齿轮模具齿廓形状曲线对应点坐标列表。最后利用MATLAB软件对所求型腔节点进行曲线拟合，获得了可用于模具数控加工的曲线函数。本研究在有限元分析技术的实际应用方面作了有益的尝试，对于促进注塑工艺技术的改进和注塑模具设计水平的提高，具有良好的借鉴实用价值。

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文摘

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致谢

第一章绪论

1.1引言

1.2注塑成型原理

1.3注塑成型技术发展

1.4注塑齿轮生产中的热变形

1.5注塑成型模具设计分析

1.5.1注塑成型模具设计方法

1.5.2注塑模型腔工作尺寸的确定

1.6本课题研究的主要内容

第二章注塑成型技术的试验研究

2.1注塑成型变形特性分析

2.1.1注塑成型收缩机理

2.1.2注塑制品的成型收缩率

2.2注塑成型工艺参数对收缩率影响

2.2.1实验条件

2.2.2工艺条件

2.2.3实验分析

2.3注塑成型工艺优化

2.3.1实验设计理论和方法

2.3.2结果分析

2.4注塑固化收缩率的测定

2.4.1材料热膨胀系数测定

2.4.2热收缩率、固化收缩率

2.5本章小结

第三章注塑成型分析的理论基础

3.1注塑成型力学方程的推导

3.1.1连续方程

3.1.2运动方程

3.1.3能量方程

3.1.4注塑成型基本力学方程的简化应用

3.2注塑齿轮固化相变收缩

3.3热变形分析的相关理论

3.3.1传热学经典理论

3.3.2热传递方式

3.3.3热变形分析的相关力学公式

3.4有限元分析方法

第四章注塑齿轮热变形过程的有限元模拟

4.1 ANSYS有限元分析软件

4.2耦合场分析

4.3注塑齿轮冷却热变形的有限元模拟过程

4.3.1定义单元类型和选项

4.3.2定义单元实常数

4.3.3定义材料特性

4.3.4玻纤复合材料力学性能参数

4.3.5建立模型、划分网格

4.3.6单元转换

4.3.7设置热求解选项

4.3.8用命令流实现循环求解

4.4热应力耦合的实现

4.5计算结果

4.6热变形效应齿形误差分析

4.6.1标准渐开线的拟合

4.6.2齿形误差分析

4.7模拟分析方法的验证

4.8本章小结

第五章 注塑齿轮模具型腔的优化分析

5.1注塑齿轮模具设计常规方法及弊端

5.2注塑齿轮热变形的误差补偿

5.2.1 ANSYS热变形逆向求解的几点说明

5.2.2注塑齿轮的ANSYS热分析

5.2.3脱模齿廓节点坐标

5.3注塑齿轮固化相变逆向求解

5.4基于MATLAB曲线拟合工具箱的模具型腔曲线拟合

5.4.1 MATLAB曲线拟合工具箱简介

5.4.2模具型腔曲线的拟合

5.5本章小节

第六章总结与展望

6.1课题工作总结

6.2课题展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文