(论文)注射工艺参数对超薄塑件成型影响实验研究

第46卷第2期 2 0 0 6年3月 大 连 理 工 大 学 学 报 Journal of Dalian Un iversity of Technology Vol . 46, No. 2 Mar.2 0 0 6 材料、 机械工程文章编号: 100028608(2006)0220198204 收稿日期: 2004212215; 修回日期: 2006201220. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50275020). 作者简介:宋满仓3(19642 ), 男,博士,副教授;王敏杰(19582 ), 男,教授,博士生导师. 注射工艺参数对超薄塑件成型影响实验研究 宋 满 仓3, 刘 柱, 于 同 敏, 王 敏 杰 (大连理工大学 模具研究所,辽宁 大连 116024 ) 摘要:超薄塑件在微机电领域具有巨大的应用潜力,为研究其注塑成型特性,设计制造了一 可成型超薄塑件的模具,利用正交试验方法和数值模拟技术研究了各工艺参数(注射速度、 注 射压力、 熔体温度及注射量等)对超薄塑件注塑成型充模过程的影响.研究结果表明注射量 及注射速度对超薄塑件注塑成型的填充起主导作用,提高注射速度能大幅度地提高填充率; 熔体温度和注射压力相对于注射量和注射速度只起次要作用,但在填充过程中,较高的熔体 温度和注射压力也是必要的.该结论为深入开展超薄塑件成型缺陷(如翘曲、 熔接痕)的形成 机理研究提供了有益的借鉴. 关键词:注射工艺参数;超薄塑件;正交试验;数值模拟 中图分类号: TQ 320文献标识码: A 0 引 言 作为微机电系统(M EM S)辅助工艺的微注 塑成型技术以其制造成本低、 生产周期短、 成型工 艺简单、 构件质量更易于保证等优点引起了世界 范围的关注.Yu等1对具有微流道特征嵌件模 具的填充行为进行了研究; Yao等2分析了一组 超薄壁矩形塑件的填充行为; Zhao等3、Shen 等4对较复杂微型塑件的成型条件进行了研究. 但对超薄塑件成型特性的研究还鲜见报道. 超薄塑件是微型塑件的一种特例,一般是指 流长厚比L?T(L为流动长度;T为塑件厚度)在 100( 或者 150) 以上的塑件.由于冷凝层的影响, 在超薄塑件的生产过程中,普通注塑成型的工艺 条件通常会导致型腔充填不足,并且微型腔内聚 合物熔体的流动行为与宏观情况下相比所涉及的 因素更多、 更复杂,也给工艺参数的选择带来一定 的困难.本文对超薄塑件注塑成型的充模过程进 行实验研究及数值模拟,以找出影响超薄塑件注 塑成型的主要影响因素,从而减少试模次数,提高 成型质量,并为深入开展微成型技术研究提供有 用的借鉴资料. 1 实验设备与方法 1. 1 实验设备与模具 本实验所使用的设备为BOY 12A型注塑机, 最小注射量可达0. 1 cm 3; 最大注射压力180 M Pa;最大注射速度240 mm? s( 注射时所选择的 注射速度大小一般用其与最大注射速度的比值的 百分数表示 ). 借鉴传统的研究方法5,本文所使用的填充 模型为两个体积相同、 厚度均为0. 2 mm的圆形 和矩形薄片,相应的型腔与流道尺寸如图1所示. 实验中所用材料为聚丙烯(PP). 图1 实验模具型腔简图 Fig11 Cavities and runners of testing mold 1. 2 实验方法 本文通过注射实验来研究各注射工艺参数对 超薄塑件成型的影响.为获得最佳化的参数设 计,本文选用正交试验设计法6、 7 作为实验研究 手段.正交试验设计能科学地给出分析实验结果 的方案.通过分析可得到因素之间的主次关系、 指标与因素的关系以及进一步实验的方向. 超薄塑件成型过程的影响因素有很多,也很 复杂.根据正交试验挑因素的原则,排除人为及 环境因素等不可控因素和固定用量因素,考虑较 为可取的影响因素为注射压力、 注射速度、 熔体温 度和注射量等4个因素,指定塑件填充体积为考 查特性指标.由于模具型腔为厚度相等的两个薄 片,可以用填充面积代替体积作为考查指标. 2 正交试验结果与讨论 测量不完整的圆形面积比测量不完整的矩形 面积误差大,所以本文选择矩形填充面积作为考 查指标.为减小试验误差,采取相同条件下多次 重复试验,当试验塑件填充稳定(指填充的面积几 乎不发生变化)以后,连续注射5次,选取这些稳 定的塑件作为试验结果测量的依据.填充面积可 通过用投影仪测量熔体前沿位置得到,误差在0. 1 mm 2, 而由于是定性研究,目前的精度指标可以满 足要求. BOY 12A型注塑机的注射量以螺杆前端与 喷嘴间的距离来计量,经简单的单因素试验,本文 选择距离6. 5、7. 0、7. 5和8. 0 mm作为注射量的 4个水平进行试验研究,其他因素各水平如表1所 示. 表1 因素水平表 Tab11 Levels table of factors 因素 水平 1 2 3 4 A(注射速度 ? % ) 10203040 B(熔体温度 ? )210220230240 C(注射压力 ?M Pa)8090100110 D(注射量 ?mm)6. 57. 07. 58. 0 正交试验的安排、 数据的记录及计算结果均 列于表2中.从结果(极差R值)中可以看出, 4个 表2 试验方案及结果 Tab12 Project and results of experi ment 试验号 因素 A B AB C D 1 2 3 4 5 结果数据 (面积mm2) 11(10)1(210)3(100)2(7. 0)72. 2 22(20)11(80)3(7. 5)119. 3 33(30)14(110)1(6. 5)120. 7 44(40)12(90)4(8. 0)141. 1 512(220)23132. 2 62242103. 4 73214138. 4 84231122. 4 913(230)44137. 8 10232194. 7 113333145. 2 124312161. 1 1314(240)1166. 3 142434183. 4 153422144. 3 164443146. 4 各列 “1” 对应值相加408. 5453. 3485. 1404. 1 各列 “2” 对应值相加500. 8496. 4512. 3481. 0 各列 “3” 对应值相加548. 6538. 8523. 2543. 1 各列 “4” 对应值相加571. 0540. 4508. 3600. 7 极差R162. 5 87. 1 38. 1196. 6 991 第2期 宋满仓等:注射工艺参数对超薄塑件成型影响实验研究 因素中,注射量及注射速度是对填充起主导作用 的重要因素,注射压力和熔体温度可能是不重要 因素,熔体温度相对于注射压力所起的作用更为 明显. 由表2可以画出各因素不同水平与试验指标 的关系图,以便从图形上直接看出试验指标随各 因素水平变化的关系.具体来说,以各因素的不 同水平实际取值为横坐标,试验指标结果之和 (S)为纵坐标,得出本试验各因素趋势图,合并在 一张图中,如图2所示. 图2 趋势图 Fig12 T rend figure 从图2中可以看出,填充面积随着注射速度 的增加有显著增长的趋势;对于熔体温度的增加 填充面积也显示出与注射速度增加相同的趋势, 但增长速度并没有那么明显;随着注射压力的增 长,填充面积先是增加而后趋于稳定;对于注射量 的增长填充面积也有显著的增长. 3 数值模拟分析 在试验的同时本文也使用Moldflow模流分 析软件对型腔的填充过程进行了模拟研究,分别 对注射速度、 熔体温度及注射压力等工艺参数采 用单因素法进行模拟.为了能对多个工艺参数的 情况加以比较,将各个工艺参数的变动作为横坐 标,填充率 (每次填充到模具型腔内的塑料材料 体积占整个模具型腔体积的百分比)作为纵坐标 共同绘制在同一张图中.注射速度曲线由1至5 点从20%到40%等差递增,熔体温度曲线由1至 7点从190 到250 等差递增,注射压力曲线 由1至7点从50M Pa到110M Pa等差递增.随 着各工艺参数的增长,其填充性能的曲线如图3 所示.对比图2与3,可以看出试验结果与模拟结 果的填充面积(填充率 )的增长趋势很相似. 图3 模拟中各参数对填充的影响 Fig13 Effects of process parameters on molding in si mulation 4 结 论 (1)注射量及注射速度对超薄塑件注塑成型 的填充过程起主导作用,适当用量范围的注射量 及高的注射速度能大幅度地提高填充率. (2)熔体温度和注射压力相对于注射量和注 射速度只起次要作用,提升熔体温度比提升注射 压力对提高填充率更加有效,而在超薄塑件注塑 成型的填充过程中,高的熔体温度和注射压力也 是必要的. (3)由于目前实验条件所限,模具温度对填 充率的影响有待进一步深入研究. 参考文献: 1 YU L Y, KOH C G, LEE L J,et al.Experi mental investigation and numerical si mulation of injection molding w ith m icro2features J .Polym Eng and Sci, 2002, 42(5): 8712888. 2 YAO D G, KI M B.Increasing flow length in thin wall injection molding using a rapidly heated mold J .Polymer-PlasticsTechnol andEng,2002, 41(5): 8192832. 3 ZHAO J, MA YES R H, CHEN G,et al.Effects of process parameters on m icro molding process J . Polym Eng and Sci, 2003, 43(9): 154221554. 4 SHENYK,YEHSL ,CHENSH. 002大 连 理 工 大 学 学 报第46卷 Three2di mensional non2N ew tonian computations of m icro2injectionmolding w iththefiniteelement method J .Int Commun HeatMass Transf, 2002, 29(5): 6432652. 5瞿金平,黄汉雄,吴瞬英.塑料工业手册:注塑、 模压 工艺与设备M .北京:化学工业出版社, 2001: 50253. 6柳昌庆,刘玎介.测试技术与实验方法M .北京: 中国矿业大学出版社, 1997. 7中国现场统计研究会三次设计组,全国总工会电教 中心.正交法和三次设计M .北京:科学出版社, 1985. Research on effects of injection proces