小型轿车塑料件注塑成型分析及模具设计硕士学位论文.doc

分类号：TQ320.66 单位代码：10363 密 级： 公开 学 号：2080102105 题题 目目 小型轿车塑料件的注塑成型分析及模具设计小型轿车塑料件的注塑成型分析及模具设计 ANALYSIS OF THE INJECTION MOLDING AND MOLD DESIGN OF THE SMALL CAR PLASTIC PARTS 论文答辩日期： 2011-6-11 安徽工程大学学位论文原创性声明安徽工程大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学 位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写， 我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 安徽工程大学学位论文版权使用授权书安徽工程大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅或借阅。本人授权安徽工程科技学院可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在 年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密 。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 安徽工程大学硕士学位论文 I 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 安徽工程大学硕士学位论文 II 小型轿车塑料件的注塑成型分析及模具设计 摘 要 随着人们对高质量生活的追求，轿车行业正向着轻型化和低噪 音等方向发展。轿车塑料件能满足轿车行业发展的需求，因而在轿 车上的应用越来越广泛。传统方法在开发轿车重要的塑料内饰车门 时主要依赖人工经验，缺乏科学依据；这样塑料件从设计到注塑成 型一般需要重复多次，不但浪费大量人力和物力，而且注塑出的产 品经常会出现各种缺陷。然而注塑 CAE 技术可以很大程度地突破传 统方法的局限性。课题采用注塑 CAE 技术分析轿车车门部件的注塑 成型过程，通过对塑料件注塑成型过程分析有效地预测注塑过程出 现的各种问题，为模具设计提供了科学依据，提高了塑料件的开发 效率。 本论文结合理论最佳浇口位置分析和塑料件自身结构特点首先 确定出可能存在的浇口位置方案，并分别对各种方案进行可行性分 析，然后通过比较，在可行性的浇口位置方案中确定出实际最佳浇 口位置方案；以分析的结果为依据设计出浇注系统。然后根据塑件 结构特点和材料特性设计出可能存在的冷却方案，对这些方案进行 比较分析，确定出较优的方案；对较优方案进行改进分析，从而确 定最佳冷却系统。最后根据塑料件的工艺参数范围列出可采用的一 系列参数，以软件的 DOE 模块和流动分析模块为平台进行最优工艺 参数优化分析，从而确定出最优注塑工艺参数，并进行了成型零件 和分型抽芯系统的设计。 经过研究，论文确定了最佳浇注系统方案、冷却系统方案和最 佳注塑工艺参数。以这些分析的结果为依据设计了模具，从而提高 了模具设计效率，并为实际的塑料件注塑成型提供了科学指导。 关键词：塑料件，内饰门板，注塑成型，CAE，Moldflow 安徽工程大学硕士学位论文 III ANALYSIS OF THE INJECTION MOLDING AND MOLD DESIGN OF THE SMALL CAR PLASTIC PARTS ABSTRACT With the pursuit of high quality of life, the car industry is toward lightweight and low noise direction. Car plastic parts can meet the needs of the development of car industry, so they are more and more widely used in the car industry. The traditional method in the development of the important plastic interior door mainly relies on artificial experience, lack of scientific basis；many times are repeatly needed from design to injection molding，not only wasting much manpower and material resource, but also having various defects of the products. The injection molding CAE technology largely breaks through the limitation of traditional method. The issue analyzes the injection molding process of the car door parts by the injection molding CAE technology，and can effectively predict the problems arising in the molding process through the process of injection molding of plastic parts. The mold design can be provided scientific basis and the development efficiency of the plastic parts can be improved. Firstly, the article determines the possible ingate location programs together the theoretically best ingate location with structural characteristics of plastic parts, makes feasibility analysis between various programs and comparing the feasible programs, and determines the actual optimum ingate location; the gating system can be designed based on the results.Then we can make out the feasibly colling programs according to structural characteristics of plastic parts and material properties and make comparison to determine the optimum program; the optimum program will be improved to determine the best cooling system. Finally, we can make out a series of parameters according to the scope of the process parameters of plastic and carry out the analysis of optimal injection 安徽工程大学硕士学位论文 IV molding process parameters to determine the optimal injection molding process parameters; the formed parts and the parting and core-pulling system are also designed. The artical determines the best solution casting system, cooling system solutions and the best injection molding process parameters after the study. The mold is designed based on the results；the design efficiency is greatly improved and scientific guidance is provied in the actual injection molding of plastic parts. Author: Yu Xiaopeng(Materials Science and Engineering) Supervised by: Wang Jianli and Tao Feng KEY WORDS: Plastic parts, Interior door, Injection molding, CAE, Moldflow 安徽工程大学硕士学位论文 V 目录 第 1 章 绪论1 1.1 课题背景1 1.2 课题目的意义2 1.3 注塑 CAE 技术的研究现状和发展趋势3 1.4 课题研究内容和研究方案4 1.4.1 课题研究内容4 1.4.2 课题研究方案4 第 2 章 注塑成型与 Moldflow 模拟的理论基础5 2.1 注塑成型理论知识5 2.1.1 注塑成型原理与工艺过程5 2.1.2 注塑成型常见缺陷及解决方法28.6 2.2 Moldflow 软件模拟理论基础8 2.2.1 注塑 CAE 软件 Moldflow 简介29.8 2.2.2 聚合物流动性质30.9 2.2.3 聚合物流动基本方程31.9 2.2.4 Moldflow 模拟流动过程控制方程32.10 第 3 章 基于 Moldflow 的浇注系统设计12 3.1 有限元模型的建立12 3.1.1 数据转换12 3.1.2 网格划分和修复12 3.2 浇注系统设计17 3.2.1 理论最佳浇口位置分析.18 3.2.2 实际最佳浇口位置分析21 3.2.3 模架选择32 3.2.4 浇口、分流道及主流道设计34 3.3 本章小结35 第 4 章 基于 Moldflow 的冷却系统设计36 4.1 冷却介质选定56.36 4.2 冷却方式选定36 4.3 冷却管道设计37 4.3.1 管道直径和长度确定59.37 4.3.2 管道数目确定60.37 4.3.3 冷却系统设计38 4.4 冷却方案比较分析39 4.4.1 冷却管道诊断39 4.4.2 冷却分析比较40 4.5 冷却改进42 4.5.1 改进管道设置42 4.5.2 改进管道分析42 4.6 本章小结43 安徽工程大学硕士学位论文 VI 第 5 章 注塑工艺参数的优化选择44 5.1 DOE 模块的熔体温度和模具温度优化选择44 5.1.1 DOE（流动）实验设置.45 5.1.2 熔体温度查看分析结果45 5.1.3 模具温度查看结果和分析比较47 5.2 流动模块参数优化选择49 5.2.1 注射速率优化选择50 5.2.2 保压压力优化选择52 5.3 其它注塑工艺参数的确定55 5.4 本章小结55 第 6 章 模具其它系统设计56 6.1 成型零件设计56 6.2 分型抽芯机构57 6.3 本章小结59 第 7 章 结论与展望60 参考文献61 攻读学位期间发表的学术论文目录65 致 谢66 安徽工程大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 上世纪 80 年代，在国家经济政策的支持引导下，我国模具工业迅速发展。 到 2002 年模具工业总产值约 360 亿元人民币，其中塑料模具占 30%左右1。小 型轿车塑料模具是塑料模具的重要组成部分。随着小型轿车塑料模具的发展， 塑料件的广泛使用使小型轿车向着轻型、高速、舒适和节能等方向发展。目前， 小型轿车用塑料件占轿车重量约为 7%-10%2。例如红旗轿车中塑料用量约为 88.33Kg，桑塔纳约为 67.2Kg，奥迪约为 89.98Kg3。小型轿车上的塑料件主要 有外装饰件、内装饰件和功能结构零件4。外装饰件指保险杠、车外板件、汽 车挡泥板、灯壳、后盖板、外门板和后导流板等。内装饰件指仪表板、车门内 板、方向盘、杂物箱、门把手、座椅和顶棚等。功能结构零件主要指发动机部 件及其罩下燃油进气系统和电器系统，如燃料箱、发动机部件等。这些塑料件 使用的材料主要有通用塑料、工程塑料和高性能工程塑料6。通用塑料有聚烯 烃热塑性弹性体(TPO)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、ABS 等7；工程塑料有聚酰 胺(PA)、聚碳酸脂(PC)、聚甲醛(POM)、聚苯醚(PPO)、热塑性聚脂(PET，PBT) 等8；高性能工程塑料有聚酰亚胺(PI)、聚醚砜(PES)、聚砜(PSU)和聚氨酯(PU) 等9。目前我国小型轿车塑料模具已经得到较好的发展。气辅注射成型模具技 术和热流道模具技术方面的有些成果已达到国际水平；注塑 CAE 技术在很多大 型企业已经得到使用，企业生产率和经济效益明显提高；市场需求的旺盛使越 来越多的企业家投资轿车塑料模具行业。然而，我国轿车塑料模具行业还有很 多不足之处。轿车塑料模具行业标准化水平低；精密、复杂的模具设计水平不 高；塑料件材料主要依赖进口。今后我国轿车塑料模具行业的发展方向是：提 高模具的标准化水平；提高精密、复杂模具的设计水平；自主开发增强塑料、 高性能树脂等材料；提高快速测量技术和逆向工程技术；提高对模具 CAD/CAM/CAE 软件的二次开发水平10。 安徽工程大学硕士学位论文 2 1.2 课题目的意义 图 1-1 为选用的零件，属于轿车内饰门板的一部分。 图 1-1 塑件三维模型 (a) 正面 (b) 反面 此件是轿车内饰门板部件，当轿车受到侧面的撞击后，塑料内饰门板不仅 可以对驾乘人员的身体躯干提供一定程度的保护作用，还可以美化轿车内部环 境。这个零件在注塑成型时常见的问题主要有欠注、内应力问题、熔接痕问题、 缩痕与凹陷、尺寸不稳定、开裂、气泡等。引起这些问题原因主要有塑料充填 不满、熔融温度和模具温度太高或太低、冷却效果不好、浇口位置不当和流道 设计不合理、注射压力和保压压力不足等11。一般通过增加料量、使用恰当的 冷却方案、开设恰当的浇口位置、增加注射压力和保压压力等方法来解决塑料 存在的问题12。对于门板内饰件，传统的方法在正式生产前，由设计人员凭经 验与直觉设计出模具，然后进行模具的制造装配。在试模时，如果发现门板内 饰件缺少特征、产生缩痕与凹陷、开裂、产生气泡等问题，就需要重新设置注 塑工艺参数，甚至还需要修改门板内饰件模型和重新设计模具13。通常这种工 作要反复很多次才能设计制造出优质模具，注塑出的产品质量才能保证。如果 采用这种传统方法生产出没有缺陷的优质门板内饰件势必增加生产成本，延长 产品开发周期。如果采用注塑 CAE 技术来设计门板内饰件模具，成型的门板内 饰件常见的缺陷将会大大减少，这样就会很大程度地减少传统方法中反复试模 反复设计的问题14。 本课题采用注塑 CAE 技术来优化设计门板内饰件的某个部件模具，模具制 造加工前在注塑 CAE 软件 Moldflow 上模拟仿真注塑成型过程，预测门板内饰 件部件可能存在的充填不足，收缩变形等缺陷，然后采用更好的浇注系统方案， 冷却系统方案和注塑工艺参数。这样设计制造的模具就会减少试模修模次数， 提高制品质量和降低成本等，有重大的技术经济意义。 ab 安徽工程大学硕士学位论文 3 1.3 注塑 CAE 技术的研究现状和发展趋势 塑料模具在制造业中有着举足轻重的地位。传统的塑料模具设计要经过多 次试模修模才能生产出没有缺陷的塑件，这样就浪费大量的人力物力。随着数 学、力学、有限元学和计算机学的发展，注塑 CAE 技术逐渐发展起来。 20 世纪 60 年代，Copper、Ballman 和 Toor 最先用数值方法计算出了塑料 熔体在模具型腔中的流动过程，在此之后有许多研究人员对塑料熔体的一维流 动进行了深入的研究15。其中 Dusinberre 计算出了塑料熔体一维非稳态传热计 算模型，随后 Hieher 将一维流动推广到非牛顿流体的非等温流动进而得到了熔 体在模具型腔中的二维流动数学模型，该模型采用有限元差分法求解16。在此 之后，Austin C 和 wangH.P 采用了有限元分析法对冷却过程的温度场进行了计 算17。80 年代后期，研究人员采用了流动路径法实现了对塑料熔体在型腔中充 填过程的三维流动分析，并用有限元法和有限差分混合法对模具型腔内的温度、 压力和速度进行了求解，实现了用体积控制法来确定熔体流动前沿位置18。90 年代后期，成型过程中的流动、保压、冷却、及翘曲变形都得到了深入的研究， 随后人们也开展了 CAE 与 CAD/CAM 集成化研究19。 目前注塑成型 CAE 技术在国外已得到了普遍应用，国内开展塑料成型数值 模拟研究起步较晚，对于注塑成型 CAE 的应用主要是依赖国外的 CAE 系统和 设备，自主的知识产权很少。目前华中科技大学自行开发了 HSCAE 软件，并 和先前开发的 HSCAD 软件集成，已经成为国内一套比较成熟的注塑成型 CAE 软件20。华中理工大学模具技术国家重点实验室自主开发了国内第一个注塑 CAD/CAE/CAM 集成系统 HSCZ.O21。北京华正模具研究所与美国 Ac -Tech 公 司在目前国际上注塑成型 CAE 技术最新成果的基础上一起开发了注塑成型的中 文辅助软件 CAXA-IPD22。目前国际上知名的 CAE 软件有：美国 Advanced CAE Technology 公司最新推出的注塑模 CAE 系统 C-MOLD3.1；澳大利亚 Moldflow 公司的注塑模 CAE 软件 MF；美国和意大利 P (2) 由于熔体填充过程比较均衡，型腔中各部分基本上可以被熔体同时充 满，因此熔体密度变化很小，可假定熔体不可压缩; (3) 熔体粘度大，相对于粘性剪切力而言，惯性力和质量力忽略; (4) 忽略沿流动方向的热传导，仅考虑热对流，在厚度方向，忽略热对流， 仅考虑热传导; (5) 充模过程中，熔体温度变化范围不大，视比热容及导热系数为常数; (6) 忽略熔体前沿附近喷泉式流动的影响。 根据假设和简化，可以由前面的基本方程推出如下方程组： (2-7) 0 y vb x ub (2-8) 0 z u zx p 安徽工程大学硕士学位论文 11 (2-9) 0 z v zy p (2-10) b 是型腔壁厚的一半，是 x 方向的平均流速， 是 y 方向的平均流速，S u v 是流动率，对(2-7)和(2-8)两式积分，可得速度场： (2-11) b S x p u (2-12) b S y p v 将、 带入(2-6)中得到压力场控制方程： u v (2-13)0 y p S yx p S x 熔体温度在速度方向和厚度方向都会发生变化，划分网格时需要沿壁厚方 向划分差分网格，对每个单元体在壁厚方向上划分为 N 层，运用有限元和有限 差分混合法对能量方程（2-10）进行热对流项、粘性项、瞬态项和热传导项的 计算就可以得到温度场。 安徽工程大学硕士学位论文 12 第 3 章 基于 Moldflow 的浇注系统设计 本章首先对零件进行有限元模型的建立，然后在 Moldflow 软件内进行注塑 成型过程模拟分析，结合分析的结果进行浇注系统设计。 3.1 有限元模型的建立 零件在三维造型软件内通过适当的格式转化可以导入 CAE 软件进行有限元 网格划分，CAE 软件可以对有限元模型进行温度场、应力场等模拟分析。 3.1.1 数据转换 零件在三维造型软件 UG 中常用的转换格式有 stl 格式、igs 格式和 catia 格 式等33。stl 格式转换精度高，但对模型质量要求高；igs 格式很容易转换，但丢 失特征严重；catia 格式转换精度一般，丢失特征程度一般34。课题零件采用 catia 格式转换，然后导入 moldflowCADdoctor（模型处理软件）中进行模型修 补，最后将修补的模型以 udm 格式导出，转入 Moldflow 中。转入 Moldflow 中 的模型如图 3-1 所示。 图 3-1 导入的模型 3.1.2 网格划分和修复 Moldflow 软件主要有三种网格类型：中面网格（Midplane） ，表面网格 （Fusion）和实体网格（3D）35。 中面网格由三节点的三角形单元组成，网格创建在模型壁厚的中间处，形 成单层网格，一般用于产品厚度方向远小于流动方向尺寸的模型，将三维流动 问题简化为流动方向的二维问题36。 表面网格也是由三节点的三角形单元组成，网格创建在模型的上下两层表 安徽工程大学硕士学位论文 13 面上，一般用于薄壁实体模型分析。与中面模型不同之处是表面模型采用了一 系列相关的算法，将沿中面流动的单股熔体演变为上下表面协调流动的双股流。 不过必须将所有表面网格的节点进行厚度方向的配对，低于 50%的匹配率将会 导致分析失败36。 实体网格是由四节点的四面体单元组成，每一个四面体单元又是由四个中 面模型中的三角形单元组成的，利用 3D 网格可以更精确的进行三维流动仿真， 不过该模型技术难点多，计算量大，计算时间长36。 论文的塑件很薄，为了获得较好的网格效果以及较精确的模拟分析，采用 表面网格来对模型进行有限元网格划分。 零件网格划分先采用软件推荐尺寸全局网格边长 32.05mm，弦高 0.1mm， 合并公差为 0.1mm。网格设置如图 3-2 所示。 图 3-2 初次网格设置 根据这个网格设置划分的网格如图 3-3 所示。 图 3-3 初次划分的网格 安徽工程大学硕士学位论文 14 划分网格后查看网格统计：三角形单元数目 20898 个，节点数目 10943 个， 柱体单元数目 0 个，网格连通区域 7 个，网格体积为 795.476cm3，网格面积为 4439.24cm2；自由边数目 1203 个，共用边数目 30744 个，交叉边数目 1 个；配 向不正确的单元数目 0 个；相交单元数目 317 个，完全重叠的单元数目 4 个， 复制柱体单元数目 0 个；三角形最小纵横比为 1.16（在 Moldflow 软件中网格单 元只有三角形，三角形纵横比指三角形单元的底与高之比） ，三角形最大纵横比 为 630.673，三角形平均纵横比为 3.784；网格匹配百分比为 79.7%(网格匹配率 指表面网格上下的匹配率)，相互百分比为 69.7%。 Moldflow 模拟分析合理的网格要求：网格连通性为 1，三角形最大纵横比 在 20 以内，三角形平均纵横比小于 6，网格匹配率大于 50%，一般 80%以上才 能获得良好分析效果37。从上面的网格统计可以看出网格不理想。需要进行网 格诊断和修复。网格纵横比诊断和配向诊断如图 3-4,3-5 所示。 图 3-4 网格纵横比诊断 上图是划分的网格三角形纵横比诊断图，模型图中有颜色的线条所指示的 是模型上的三角形单元，通过线条颜色和右边的条幅颜色对比可以查看三角形 单元的纵横比。从图中可以看出三角形单元最大纵横比为 630.7，显然不符合网 格的三角形最大纵横比在 20 以内的要求。 安徽工程大学硕士学位论文 15 图 3-5 网格配向诊断 图 3-5 是网格配向诊断图，网格配向指网格单元的取向。正确的网格配向 是网格外表面和图中右边条幅“顶部”颜色一致，网格内表面和图中右边条幅 “底部”颜色一致，这样模型从外部看需要网格颜色全部和图中右边条幅“顶 部”颜色一致才是取向正确。从图中标识的配向不正确单元可以看出，网格颜 色和图中右边条幅“底部”颜色一样的一些取向错误网格。 这时要进行重新划分网格和网格的修复。网格的修复方法有自动修复和手 动修复。自动修复运用网格修复向导来修复网格。手动修复有重新划分网格法、 删除问题网格法、插入移动合并节点法、重新创建单元法、单元取向法等。重 新划分网格时，网格尺寸设置越小，匹配率越高。可以逐渐以 5mm 缩减来重新 划分几次网格，得到理想匹配率的网格尺寸为全局网格 5mm，弦高 0.1mm，合 并公差 0.1mm，如图 3-6 所示。 图 3-6 最终网格设置 安徽工程大学硕士学位论文 16 修复后的网格如图 3-7 所示。 图 3-7 最终划分的网格 查看网格统计：三角形单元数目 18538 个，节点数目 9299 个，柱体单元数 目 0 个，网格连通区域 1 个，网格体积为 809.826cm3，网格面积为 4437.62cm2；自由边数目 388 个，共用边数目 27547 个，交叉边数目 0 个；配 向不正确的单元数目 0 个；相交单元数目 0 个，完全重叠的单元数目 0 个，复 制柱体单元数目 0 个；三角形最小纵横比为 1.157，三角形最大纵横比为 19.334，三角形平均纵横比为 2.86；网格匹配百分比为 81.9%，相互百分比为 74.9%。 合理的网格要求：网格连通性为 1，最大纵横比在 20 内，平均纵横比小于 6，网格匹配率大于 50%。将划分后网格质量统计信息和合理的网格要求标准进 行比较后，网格满足要求。 网格的诊断如图 3-8,3-9,3-10 所示。 图 3-8 最终的网格纵横比诊断 从图 3-8 中可以看出，最大网格纵横比为 19.33，满足网格纵横比的要求。 安徽工程大学硕士学位论文 17 图 3-9 最终的网格连通性诊断 从图 3-9 中可以看出模型网格颜色和图中右边条幅“已连接”部分的颜色 一致，模型网格连通性为 1，满足网格要求。 图 3-10 最终的网格配向诊断 从图 3-10 中可以看出网格颜色和图中右边条幅“顶部”颜色一致，网格配 向正确。 从上述网格诊断图分析可以证明网格合理。 3.2 浇注系统设计 浇注系统指模具中从注射机喷嘴到型腔的塑料流动通道，可分为普通流道 浇注系统和无流道浇注系统两大类型38。普通浇注系统由主流道、分流道、浇 口和冷料穴组成，如图 3-11 所示。设计浇注系统时，应从以下几个方面综合考 虑38： (1) 通过浇注系统中浇口位置的合适选择 以获得外形清晰、尺寸稳定、内 应力小、无气泡、无缩孔、无凹陷的制件； (2) 制品的外形、尺寸和对外观的要求也影响着整个浇注系统的形状和尺 寸； 安徽工程大学硕士学位论文 18 (3) 多腔模中型腔的数量直接关系着浇注系统中分流道的布置； 图 3-11 卧式注射机用模具的浇注系统38 1-主流道衬套；2-主流道；3-冷料井；4-分流道；5-浇口；6-型腔 3.2.1 理论最佳浇口位置分析 浇口位置的选择非常重要，直接影响到塑件在注塑过程中的充填行为、收 缩行为、翘曲变形以及塑件的最终尺寸、机械性能水平和表面质量等39。 理论最佳浇口位置指软件根据塑件结构特点分析出的最佳浇口位置。在理 论最佳浇口位置分析之前要进行材料和注塑机的选择。 塑料件常用的材料性质和用途如表 3-1 所示。 表 3-1 常用塑料特性和用途40 聚乙烯 （PE） 聚丙烯 （PP） 聚氯乙烯 (PVC) 聚苯乙烯 （PS） 共聚丙烯 腈-丁二烯- 苯乙烯 （ABS） 聚酰胺 （PA） 聚碳酸酯 （PC） 聚砜 （PSU） 性质 密度和结 晶度较低， 质地柔软， 透明性好 绝缘性好， 抗弯疲劳 强度高 化学稳定 性高，不 易燃烧 刚性大， 电性能优 良 较高冲击 强度，良 好机械性 能 有良好的 力学性能， 较低的熔 融粘度 在温度变 化大时能 保持良好 的尺寸 对温度很 敏感 用途 用于制薄 膜和日用 品 用于制作 机械零件， 各种壳体 之类 用于制作 防腐管道 之类 常用于制 造仪表外 壳和各种 电气设备 常用于各 种机械内 饰件壳体 常用于制 作轴，轴 承外壳之 类 常用于凸 轮，蜗杆 外壳之类 用于制造 开关，电 刷等电子 元件 安徽工程大学硕士学位论文 19 ABS 树脂除具有表 3-1 中所列的有较高冲击强度外，还具有其它方面的优 点：耐低温性、耐热性、耐化学药品性以及优良的电气性能；具有塑件成品尺 寸稳定、容易加工、表面光泽好等特点；便于着色、涂装；可以进行热压、粘 接电镀和焊接等二次加工41。现在人们对轿车内饰件向着耐热、耐候、美观和 低气味等目标追求，而 ABS 的各种良好性能可以满足这种需求，所以被广泛地 用作轿车塑料件的原材料，所以课题零件选择 ABS 材料。 课题选用的 ABS 材料的牌号为 Bulksam TM-21，材料制造商为 UMG ABS Ltd，熔体密度为 0.93569g/cm3，固体密度为 1.0541g/cm3；弹性模量为 2240MPa，泊松比为 0.392，剪切模量为 804.6 MPa；材料拉伸断裂点 50%，屈 服极限 100MPa。 课题选用 ABS 材料的工艺参数：材料适用的模具表面温度范围为 45到 85，推荐的模具表面温度范围为 65；材料的熔体温度范围为 235到 275， 推荐的熔体温度为 255；材料的玻璃化温度为 110；最大剪切应力为 0.28 MPa；注射速率范围为 148cm3/s 到 168cm3/s，推荐的注射速率是 159 cm3/s；保 压压力范围为 140 MPa 到 160 MPa，推荐的保压压力为 152.9 MPa42。 选择软件默认的注塑机，注塑机最大锁模力 4000tonne，注塑机最大注射压 力 500MPa，注塑机最大注射速率 500cm3/s。 根据选择的材料和注塑机进行注塑工艺设置如图 3-12。 图 3-12 工艺设置 按照图 3-12 的注塑工艺设置进行理论最佳浇口位置分析，可得理论最佳浇 口如图 3-13 所示： 安徽工程大学硕士学位论文 20 图 3-13 理论最佳浇口 从图 3-13 中可以看出最佳浇口区域处于零件侧面处，但是零件要求表面光 洁，所以为了零件表面质量浇口应该开设在侧边，根据零件结构，浇口开设在 两个长侧边较合适。零件长 803mm，宽 294mm，平均厚度 2mm，采用多浇口 浇注；零件属于薄板零件，采用两个浇口较合适。侧边处最佳浇口区域根据图 中右边条幅所示在零件图中可以看出；这样在侧边最佳浇口区域处选择一点作 为第一个浇口位置，选择的第一个浇口位置如图中 A 点所示。以 A 点为第一个 浇口位置再进行第二次最佳浇口分析以确定第二个浇口位置，如图 3-14 所示。 图 3-14 第二浇口位置选择 从图中可以看出，深色区域为第二个最佳浇口位置，同样为了使零件表面 光洁，第二个浇口位置也只能开设在侧边。根据零件结构，可以选择四个节点 作为第二个浇口位置。四个预选节点分别如图中标识为 B、C、D、E 点。这样 可以制定出四套浇口位置方案；A、D 两浇口位置构成方案一，A、E 构成方案 二，A、B 构成方案三，A、C 构成方案四。对每个浇口位置方案进行模拟分析， 预测浇口位置方案是否可行，并对可行的浇口方案进行比较分析以确定出最佳 浇口方案。下文将从充填时间、型腔残余应力、流动前沿处温度和成型缺陷等 方面分别对浇口方案进行分析。 安徽工程大学硕士学位论文 21 3.2.2 实际最佳浇口位置分析 1.浇口位置方案一 浇口位置 A、D 构成浇口位置方案一，A 点距大端 275mm，D 点距大端 285mm，如图 3-15 所示。 图 3-15 浇口位置方案一 充填时间指塑料熔体从浇口处进入模腔直到整个模腔充满的一段时间43。 对浇口位置方案一进行流动分析后查看充填时间如图 3-16 所示。 图 3-16 方案一充填时间 从充填时间图可以看出，浇口位置方案一的充填最后区域出现充填不足， 这样注塑出来的产品就会缺边；这种缺陷因为最后充填的最薄区域离浇口位置 D 点很远而产生。所以不能采用浇口位置方案一。 安徽工程大学硕士学位论文 22 2.浇口位置方案二 浇口位置 A、E 构成浇口位置方案二，A 点距大端 275mm ，E 点距大端 350mm，如图 3-17 所示。 图 3-17 浇口位置方案二 对浇口位置方案二进行流动分析后，查看分析结果如图 3-18。 图 3-18 方案二充填时间 从图 3-18 可以看出，塑件充填完全，没有出现欠注现象，充填时间是 2.856s。在最后充填的两侧区域取两点查看的充填时间是 2.836s 和 2.517s，相 差 0.3s，基本实现充填平衡。从充填时间图角度看，这种浇口位置方案合理。 熔接痕一般产生于两股料流相遇时，多产生于多浇口浇注方案中。熔接痕 的出现会影响塑件的外观和强度。熔接痕的出现是很难免的，但一般要求不能 让熔接痕出现在塑件应力集中的部位以及塑件的主要表面区域44。熔接痕如图 3-19 所示。 安徽工程大学硕士学位论文 23 图 3-19 方案二熔接痕 从图 3-19 中可以看出，在塑件主要表面处出现了熔接痕。图中两个浇口位 置分布在塑件两侧，从浇口位置处流入的塑料熔体在塑件主要表面区域相遇而 形成图中熔接痕，主要表面区域出现的这些熔接痕将会对塑件强度有很严重的 影响，而且这些熔接痕难以去除，将大大影响塑件的外观。所以，图中出现的 熔接痕情况是不能接受的，这种浇口位置方案是不能采用的。 3.浇口位置方案三与方案四分析比较 浇口位置方案三和方案四如图 3-20 所示。方案三由浇口位置 A、B 构成， A 点距大端 275mm，B 点距大端 225mm；方案四由浇口位置 A、C 构成，C 点 距大端 320mm。 图 3-20 两种浇口位置方案 (a)方案三 (b)方案四 ab 安徽工程大学硕士学位论文 24 下面将从充填时间、流动前沿处温度、顶出时的体积收缩率等方面对这两 种浇口位置方案进行全面考察。通过分析比较达到两个目的：第一，考察这两 种浇口位置方案是否可行；第二，在这两种浇口位置方案中选择较好的方案。 (1) 充填时间 充填时间图可以考察出充填是否完全，如果充填不完全，产品将成为废品。 另外从充填时间图也可以分析出充填是否平衡。 图 3-21 两种方案的充填时间 (a) 方案三 (b) 方案四 从图 3-21 中可以看出，浇口位置方案三和浇口位置方案四充填充分，没有 出现欠注现象，所以浇口位置方案三和浇口位置方案四从充填角度来说可以采 用。从浇口位置方案三充填时间图上最后充填区域取两个节点的充填时间是 3.302s 和 2.588s，相差约 0.7s，充填平衡性不强；浇口位置方案四最后充填区 域两节点的充填时间是 3.414s 和 2.825s，相差约 0.6s，充填平衡性也不强。从 充填时间图可以看出，浇口位置方案三的充填时间是 3.313s，浇口位置方案四 的充填时间是 3.422s，两种方案的充填时间差不多，从充填时间角度说，两种 方案优劣差不多。 (2) 流动前沿处温度 流动前沿处温度指塑料熔体流到型腔各处的温度44。流动前沿处温度差异 越大，塑件翘曲变形越大，塑件越容易产生开裂等缺陷。流动前沿处温度的变 化要在材料的熔体温度范围内，如果温度过高，材料将会发生降解，温度太低， 将会发生滞留，出现短射44。ABS 材料的熔体温度范围为 230到 280，所以 流动前沿处温度要在这个范围内浇口方案才是可行的。 ab 安徽工程大学硕士学位论文 25 图 3-22 两种方案的流动前沿处温度 (a) 方案三 (b) 方案四 流动前沿处温度的变化是个很复杂的过程，受到剪切速率和塑件壁厚以及 浇口位置等影响。剪切速率产生剪切热可以使温度升高，壁厚薄的区域会出现 滞留现象就会降低温度，浇口位置不同则温度的变化又会不同。如图 3-22 所示， 浇口位置方案三流动前沿温度图左边部分温度先降低后上升，降低区域是温度 随熔体流动温度场的降低，温度上升区域是因为剪切速率产生的剪切热使得温 度上升；图的右边温度一直都是上升的，主要是剪切热作用。浇口位置方案四 流动前沿温度图左边温度先上升是剪切热使之上升；右图先降低后升高，先降 低是由于温度场随熔体前进的降低，后升高是由于剪切热作用。从图中可以看 出，浇口位置三流动前沿处最小温度是 252.5，最大温度是 259.6，温度变 化范围在 ABS 材料熔体温度范围 230-280范围内，材料不会发生降解和滞 留现象，从流动前沿处温度来说此种方案可以采用；浇口位置四流动前沿处最 大温度 258.1，最小温度 253.3，温度范围也在 ABS 材料的熔体温度范围 230-280内，也不会发生材料降解和滞留现象，所以也可以采用此种方案。 浇口位置方案三的温差约 7，浇口位置方案四的温差约 5，浇口位置方案四 的温差比浇口位置方案三小，塑件翘曲变形也会比方案三小，所以从流动前沿 处温度来说，浇口位置方案四更好。 (3) 顶出时的体积收缩率 顶出时体积收缩率指塑件顶出时各处体积的收缩率45。塑件顶出时体积收 缩率或最高最低体积收缩率差异越大，塑件越易产生缩孔，塑件强度越低，质 量越差，翘曲变形越大，越易产生断裂45。材料的拉伸断裂点一般在材料收缩 率为 50%处，所以，体积收缩率要小于 50%材料才不会因收缩而断裂。 ab 安徽工程大学硕士学位论文 26 图 3-23 两种方案的体积收缩率 (a) 方案三 (b) 方案四 图 3-23 中体积收缩率主要因冷却收缩产生。从图中可以看出，浇口位置方 案三的最大体积收缩率是 9.418%，最小体积收缩率是 6.799%，体积收缩率小 于极限收缩率 50%，这种差异不会引起塑件断裂，可以采用这种浇口位置方案。 浇口位置方案四顶出时体积收缩率图看出，最大体积收缩率为 5.314%，最小是 0.1964%，体积收缩率也小于 50%，同样这种差异也不会引起塑件断裂，这种 浇口方案也是可以采用的。浇口位置四的最大体积收缩率比浇口位置方案三的 最大体积收缩率约小 4%，这样浇口位置方案四注塑的塑件变形会更小，产品质 量会更好，所以从顶出时的体积收缩率角度来说，浇口位置方案四更好。 (4) 气穴分布 气穴指模腔内气体所在的区域。气穴越多，塑件产生的缺陷会越多，塑件 强度会越低，质量越差46。如果气穴很多，则这种方案将不宜采用。 图 3-24 两种方案的气穴 (a) 方案三 (b) 方案四 ab a b 安徽工程大学硕士学位论文 27 图 3-24 中的气穴形成主要有两个原因：第一，外层塑料熔体冷却固化的同 时内层的熔体产生收缩形成真空而产生气穴；第二，塑料熔体挥发气体而产生 气穴。从图中可以看出，浇口位置方案三和浇口位置方案四的气穴较少，从气 穴来说，这两种方案都是可以采用的。两种方案的气穴分布差不多，所以两种 方案从气穴来说优劣相当。 (5) 第一主方向型腔残余应力 型腔第一主方向型腔残余应力指坐标系中 x 方向上的残余应力47。第一主 方向型腔残余应力越大，塑件越容易产生开裂等缺陷，而且型腔残余应力差异 也不能很大，差异很大也会产生开裂47。当塑件收缩达到屈服极限时就会出现 塑性变形，再加大应力塑件就会断裂，所以残余应力一般尽量小于屈服极限， 即在 100MPa 范围内。 图 3-25 两种方案的型腔残余应力 (a) 方案三 (b) 方案四 从图 3-25 中可以看出浇口位置方案三的第一主方向型腔最大残余应力是 77.83MPa，最小残余应力是 50.87MPa，残余应力小于屈服极限，当然塑件不会 断裂，所以这种浇口位置方案可以采用；浇口位置方案四的第一主方向最大型 腔残余应力为 60.05MPa，最小残余应力为 30.66MPa，残余应力也小于屈服极 限，塑件也不会断裂，所以方案四也可以采用。浇口位置方案四的最大型腔残 余应力小于浇口位置方案三的最大型腔残余应力，这样浇口位置方案四的变形 就会小些，塑件质量就会更好些，所以从第一主方向型腔残余应力角度来说， 方案四优于方案三。 a b 安徽工程大学硕士学位论文 28 (6) 熔接痕 从图 3-26 中看出，两种浇口位置方案的熔接痕主要出现在一些侧边区域， 塑件主要表面区域光滑，侧边出现的一些熔接痕是允许的，可以通过一些塑件 后处理手段来去除，两种浇口位置方案从熔接痕角度来说都是可行的。从图中 也可以看出，两种浇口位置方案的熔接痕分布差不多，所以从熔接痕角度来比 较两种方案都差不多。 图 3-26 两种方案的熔接痕 (a) 方案三 (b) 方案四 4. 浇口位置方案改进 从上面分析得到浇口位置方案四是较优方案，可是这种方案充填平衡性不 好，所以需要进行方案改进。根据充填平衡性要求，将第二浇口位置 C 点移到 如图 3-27 的 F 点进行改进分析，F 点距大端 388mm。这里的分析主要从各个方 面来分析改进的浇口位置方案是否可以采用，然后与浇口位置方案四比较，考 察改进的方案是否最优。 图 3-27 改进的浇口位置方案 ab 安徽工程大学硕士学