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塑料注射制品的有限元分析 摘要 由于注塑成型具有速度快、自动化程度高，能一次成型出形状复杂，尺寸 精确的产品等优点，因此其产品作为结构件、功能件以及特殊用途的精密件而 广泛用到家电、信息产业、汽车工业等领域中。但传统的注塑成型普遍存在的 产品开发周期长，工艺参数复杂，过程质量难于控制等问题。针对上述问题本 文主要以电话机手柄上下壳两非等体积件共模结构为分析实例，基于m o l d f l o w 模流分析软件的m p i 平台，对注塑模具关键系统及注塑成型工艺参数的优化设 计展开了研究。 本文以电话机手柄上下壳为例通过c a d 模型建立和网格划分，网格匹配率 和纵横比合理的选择，建立了流动分析和冷却分析所需要有效的有限元模型， 为分析出准确的结果提供了可靠的保障。运用m o l d f l o w 模流分析软件，分析出 最佳浇口位置，预测制品可能产生的缺陷，予以修正。模拟各种方案，最终得 出比较合理的浇注系统和冷却管道设计方案。采用正交试验并结合生产实际得 出最佳的成型工艺参数。使用c a e 模拟技术可以减少试模、修模的次数，并缩 短模具设计与制造周期，减低生产成本。 关键词：注塑成型；模流分析；c a e 技术：填充平衡；正交试验 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fp l a s t i ci n je c t i o np r o d u c t s a b s t r a c t t h ei n j e c t i o nm o l d i n g ，w h i c hh a sa d v a n t a g e so fh i g hs p e e d ，f u l la u t o m a t i c p r o c e s s i n g ，w i t haf r i e n d l ye n v i r o n m e n ta n d t h ea b i l i t yo fm a k i n go u tc o m p l e xa n d p r e c i s i o np a r t si no n et i m e ，h a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d s ，s u c h a st h e e l e c t r o n i c s ，a u t o m o b i l e ，3 c ( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ，c o n s u m p t i o n ) i n d u s t r i e s e t c h o w e v e r ，i ti sd i f f i c u l tt od e s i g nm o l d ，o b t a i nr e a s o n a b l ep r o c e s sp a r a m e t e r sa n d c o n t r o lt h ep r o c e s sf o rt r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n g i nt h i sp a p e r ，i n j e c t i o n m o l d i n go fp h o n ew i t hd i f f e r e n tv o l u m et w o - c a v i t yi sr e g a r d e d a st h er e s e a r c h o b j e c t b a s e do nn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns o f t w a r em o l d f l o w m p i ，t h es t u d y i s d i s t r i b u t e di n t ot h eo p t i m i z a t i o no fi n j e c t i o nm o l d i n gk e ys y s t e m sa n dp r o c e s s p a r a m e t e r s i ti si m p o r t a n tq u e s t i o nt ob u i l da n dm e s hf i n i t ee l e m e n tm o d e li na n a l y s i s w h i c hi sa s s o c i a t e dw i t ht h ea c c u r a c yo fr e s u l t a p p l y i n gt h em o l d f l o ws o f t w a r e ， w h i c hi sp o w e r f u lt o o lo fg e t t i n gb e s tg a t e ，f o r e c a s t i n gt h ep o s s i b l ed e f e c t so f p l a s t i cp a r ti nt h ep r o c e s so fi n j e c t i o n f i n a l l yt h e b e s tp r o j e c t i o n so ff i l l i n gs y s t e m a n dc o o l i n gp i p e sa r ed e t a i n e db yc o m p a r i n gv a r i o u sw a y s i n t r o d u c i n gt h ec a e c a nr e d u c et h et i m e so fm o l d i n gt e s tm o l d i n gm e n d ，s h o r t e nt h ec i r c l eo f t h ed e s i g n a n dm a n u f a c t u r eo f m o l d ，a n dl e s s e nt h ec o s to fp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n g ，m o l d f l o wa n a l y s i s ，c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ； f i l lb a l a n c e ，o r t h o g o n a ld e s i g no fe x p e r i m e n t s 插图清单 图1 1 注射成型机基本组成2 图1 2 塑料注射成型工艺流程方框图2 图1 3 传统模具计划与制造过程4 图1 4 注塑模c a d c a e c a m 过程5 图1 - s m o l d f l o w 软件的操作流程7 图2 1 高聚物熔体流动曲线1 2 图2 2 基于中面模型的模拟过程1 4 图2 3 壁厚方向上的边界条件1 4 图2 4 基于表面模型的模拟过程1 5 图2 5 电话手柄上下壳三维模型1 6 图2 - 6 电话手柄上下壳网格划分1 7 图2 7 电话手柄上下壳修改前网格划分统计结果1 7 图2 8 电话手柄上下壳修改后网格划分统计结果1 7 图3 1 材料p v t 属性2l 图3 2 电话手柄上下壳最佳浇口位置分析2 1 图3 3 电话手柄上下壳填充时间分布图2 2 图3 4 电话手柄上下壳填充结束时压力分布图2 2 图3 5 结构设计图2 3 图3 6 初步设定方案的流动分析图2 3 图3 7 浇口位置压力曲线图2 4 图3 8 气泡和熔接痕分布图2 4 图3 - 9 迭代计算参数2 6 图3 1 0 迭代计算过程2 6 图3 1 1 调整后各部分流道及浇口尺寸2 7 图3 1 2 方案一、方案二填充时间2 8 图3 1 3 方案一、方案二最大锁模力2 8 图3 1 4 方案一、方案二分流道流速2 9 图3 1 5 方案一、方案二浇口位置压力曲线图3 0 图3 1 6 电话外壳修正后剪切速率图3 1 图4 1 指标随因素变化情况3 6 图5 1 冷却水道的连通方式4 2 图5 2 三种不同冷却回路管道布置图。4 3 图5 3a 布局制件表面温度分布4 5 图5 4b 布局制件表面温度4 5 图5 5c 布局制件表面温度。4 5 表格清单 表3 1 主流道位置变化与各分析结果2 7 表4 1 因素水平表3 3 表4 2 正交实验表安排和结果3 4 表4 3 试验结果3 5 表5 1 冷却水路直径4 0 表5 2 三种布局的冷却分析结果4 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我- - n i 作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：窃参拯字日期：伽年印月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金理王些太 堂一可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：芬物物 签字日期：，9 年印月7 妇 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：i f 髟抓( u 。l 签字日期：2 口【d 年v 月2 易日 电话： 邮编： 致谢 从2 0 0 7 年的金秋季节再次踏入学校算起，三年的研究生求学阶段行将结 束。在此期间，与老师和学长的交流，与同学的朝夕相处，获得真知卓见的喜 悦。本文的成稿算是这段宝贵经历的一种总结形式，藉此，向这三年间所有帮 助和支持我的老师、朋友和家人表示衷心的感谢! 首先感谢我的导师王晓枫教授。导师王晓枫教授的丰富理论知识与创新研 究思维相结合，在研究领域显示了很强的生命力。我的论文正是基于导师王晓 枫教授严谨的治学风格，其间王老师在研究方向上给予了很多的指导，从选题 到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关， 循循善诱，在每次与他交流后，自己对研究问题的看法都显得更清晰。我在攻 读硕士学位期间所取得的每一点进步都离不开导师的指导和帮助。在这三年时 间内，导师不仅在学业上给予了我精心指导，而且在生活上也给予了我无微不 至的关怀。值此论文完成之际，谨向我的导师表示衷心的感谢和崇高的敬意! 感谢c a d c a m 中心的曹文钢老师、陈科老师、吕新生老师、张晔老师在 我研究生期间所给予的指导与关怀! 感谢周海琴、周雍、铁巍巍、刘文辉、李晓枫、乔依男等同学对我研究工 作的支持和帮助! 感谢父母多年来对我的理解和支持，他们给予了我莫大的支持和关爱，使 我有不断进取的氛围和信心，才使我有再次得以提高自己的求学机会。 最后，感谢评阅本文和出席论文答辩的各位专家教授在百忙中给予本人的 指导。 作者：黄艳艳 2 0 1 0 4 第一章绪论 1 1 引言 塑料是高分子材料中最大的一类，是2 0 世纪才发展起来的一大新型材料。 作为国民经济中的一个非常重要的行业一一塑料工业，由于其具有优良的机械 性能和加工性能，且有质量轻、耐腐蚀、电绝缘性能好、比强度高等一系列优 点，因此在国民经济和人们日常生活的各个领域都得到了广泛的应用。尤其在 电子、机械化工、交通运输、航空航天以及日常消费品等领域，塑料已成为金 属的良好代用材料，并显示出了巨大的优越性和发展前景，出现了金属材料塑 料化的趋势，大大的促进了塑料工业的不断发展和塑料加工工艺的不断完善。 注射成型是塑料制品加工最重要的工艺方法之一，当前，几乎所有的塑料 都可以采用注射成型，除了少数几种塑料外。注射成型技术能够一次生产多种 结构复杂、尺寸精密和带有金属嵌件的制品，后期只需少量修整或完全不需修 整，即可完成塑件的生产。注塑成型在塑料加工行业中占有非常重要的地位， 具有成型周期短，可以一模多腔，生产率高，大批生产时成本低，易于实现自 动化半自动化生产等优点。但是由于塑料本身的特性及复杂的加工条件使材料 成型过程经历了相当复杂的变形，如固体输送、熔融、熔体输送、流动、压实、 相变、结晶、分子取向、纤维取向等，制品形状、边界条件的复杂及材料参数 的不确定性使得问题更加复杂化。长久以来，塑料注塑成型加工过程的控制、 模具设计与制造主要凭借于工程技术人员的经验和技巧，设计的是否合理只有 通过试模才能知道，制造所产生的缺陷主要靠修模来纠正。随着塑料制品日益 广泛的应用和人们生活水平的逐渐提高，对塑料制品的品味及内部质量要求越 来越高，在这种要求下，产品的复杂度和精确度也越来越高，但可供运用的产 品开发时间却愈来愈短。传统的注射模生产方式已不能适应现代社会发展需要。 如何在成千上万种材料、各种各样的几何造型和各有千秋的工艺当中，找出较 为理想的组合，成为了注塑成型工艺的关键，显然传统的方法是很难在短时间 内实现的。而利用c a e 技术，可以很好地解决上述问题。 c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 技术即计算机辅助工程技术。塑料模 具计算机辅助工程技术是利用高分子传热学、流变学、数值计算方法和计算机 图形学等一些基本理论，对注塑成型过程进行数值模拟，设计人员在模具制造 之前就可以较为形象地在计算机屏幕上模拟出实际注塑成型过程，避免了设计 中的盲目性，针对模拟中所产生的缺陷进行有目的的修改和设计。“试模工 作在模具加工前就能在计算机里完成，从而使工程技术人员能够预测成型工艺 参数对制品外观和性能的影响，找出最佳化成型工艺参数。这样运用了注塑模 c a e 系统后，就可以比较准确地设计模具，避免反复试模和修模，大大节约 了模具制造费用，提高模具与产品的质量，缩短模具设计和制造周期等。c a e 技术的应用带来很多好处：大大节省劳动力、减少试模、修模次数和注塑模具 的报废率，提高产品质量，缩短模具设计制造周期，降低成本，提高了生产效 率i i - s 。 1 2 注塑成型技术概述 注塑成型是热塑性塑料的主要成型方法。它的成型过程是，塑料在塑料注 射机的料筒中加热到一定温度，使其熔融并保持流动状态，然后在注射机挤压 系统的高压下，定温、定压、定量地注射到闭合的模腔内成型，熔料经过冷却 固化成与模腔相对应的形状，模具开启后将成型的塑件顶出，注射成型机基本 组成及成型过程图卜1 、1 - 2 所示。总体归纳起来塑料的注射成型过程实质上是 塑化、填充、保压、冷却四个重要过程【9 - l l 】。 喷嘴 图1 - 1 注射成型机基本组成 图卜2 塑料注射成型工艺流程方框图 1 塑化是注塑成型的准备过程，是指塑料在注塑机的料筒中经加热达到良 2 好可塑性的流动状态的全部过程。熔体必须达到规定的成型温度才能进入模腔， 并能在限定的时间内达到所需要的数量，熔体温度保持均匀一致，不发生或极 少发生热分解。 2 填充是指从螺杆开始向前移动起，到模腔被塑料熔体充满为止。填充过 程中的一些重要工艺参数：熔体温度( ) 、注塑速度( r a m s ) 、注塑压力( m p a ) 、 填充时间( s ) 。熔体流动性能的好坏决定了熔体温度的高低。熔体温度越高， 熔体的粘度越小，流动性能越好，需要的注塑压力就越小，相反，熔体温度低， 熔体的流动性能就会降低，导致填充困难。但是熔温过高就会引起材料的降解， 导致材料的化学和物理性能降低。 螺杆沿轴向向前移动时，其头部向塑料熔体施加的压力称之为注塑压力。 其主要用于克服熔体在注塑成型过程中的流动阻力，同时还对熔体起一定的压 实作用。其对熔体的流动、充模及制品质量都有及其大的影响。只有选择合适 的注塑压力才能确保熔体在注塑过程中具有很好的流动性能和填充性能，同时 保证了制品的质量。成型制品塑料原料的品种、制品形状的复杂度、厚度、喷 嘴的结构形式、模具浇口的类型和尺寸以及注塑机类型等因素决定了注塑压力 的大小。 注塑速度小，由于先进入模内的塑料受到较多的冷却，粘度较大，后面的 塑料熔体就需要在较高的压力下才能进入模腔，所需填充时间就比较长，反之， 所需的压力则较小。这是因为注塑速度小塑料熔体受到较高的剪切应力，分子 的定向程度比较大。而高速填充时，塑料熔体通过喷嘴、主流道、分流道和浇 口时产生较多的摩擦热从而使熔体温度升高，使塑料的粘度降低，从而更加有 利于填充的进行。制品成型塑料材料的流动性能、制品几何形状、制品尺寸大 小、模具浇注系统的形式、成型所用的注塑方式和其他工艺条件等因素决定了 注塑速度的大小。 3 保压是指从熔体充满模腔时起到螺杆撤回时为止的一段时间。在保压阶 段，由于塑料熔体受到冷却而发生收缩，塑料仍然处于螺杆的稳压下，料筒内 的熔体会继续注入模腔内用以补足因收缩而留下的空隙。如果螺杆停原位不动， 压力就会衰减；如果螺杆是随着熔体注入模腔的同时向前做少许移动，则螺杆 能保持压力不变，那么在此阶段中模腔内压力维持不变。保压阶段有利于提高 制品的密度、降低收缩和克服制品表面缺陷等影响。 4 冷却是指从浇口的塑料完全冻结时起到制品从模腔中顶出为止这一阶 段。冷却时模腔内压力迅速下降，模腔内塑料在这一阶段内主要任务是继续冷 却以便制品在脱模时具有足够的刚度不致于发生扭曲变形。由于模内塑料的温 度、压力和体积在这一阶段中均有变化，到制品脱模时，模内压力不一定等于 外界压力，当二者不相等时，其差值称为残余应力。保压阶段的时间长短对残 余应力的大小有着及其重要的影响。在残余应力接近零时，脱模才比较顺利， 并能得到较为满意的制品u 2 。1 3 l 。 1 3 注塑模c a d c a l e c a m 技术概述 作为一个有机的整体注塑模c a d c a e c a m 系统，因其整套系统与企业的 人才、技术相结合，决定了企业的产品质量和生产效率。传统的模具设计与制 造过程大致分为：产品设计和模型重建一模具设计一模具制造一试模、修模一 注塑生产。从图1 3 中我们可以看到在模具制造装配完成之后，就要到事先选 定的注塑机上进行试模，如果试模顺利，就要对产品形状尺寸进行校核，检查 其与设计意图的匹配程度。如果在试模中发现，模具本身存在问题，那么就要 送回模具车间进行修模，直到试模成功生产出合格的产品。因此，修模、试模 是一个繁琐、复杂的过程。在许多情况下，还要涉及到设计方案的修改，从而 对模具进行较大程度的改变，造成反复的修模、试模。我们应该注意到，反复 的修模会造成模具内部质量的变化( 如出现内应力) ，导致整副模具的性能降低， 从而使最终的塑料制品不能达标，这时就存在着模具全部报废的可能【7 】【1 4 】。 产品设计和楼嬲i l 建 模奠设；l - 模强制造 试模、修模 汴塑，l 产 制图j 二 具、糕 奉j j f l 量 设祷、 注蛹 机，设 计铡造 人髓 图卜3 传统模具计划与制造过程 从以上的分析中可以看到传统的注塑成型工艺设计制造方法存在着许多弊 端，随着科技的日益进步，计算机水平不断的发展，c a d c a e c a m 技术在现 代模具设计与生产中已被广泛的应用。计算机辅助成型技术在提高一次试模成 功率的基础上，还可以在很大程度上提升模具设计与制造的质量、性能以及成 本。图1 - 4 给出了使用c a d c a e c a m 技术进行模具设计和制造的基本过程。 从图中我们可以看出c a d c a e c a m 技术模具设计和制造与传统的模具 设计制造最主要的差别：使用c a d c a e c a m 技术在模具加工之前进行c a e 分析，工程技术人员就可以在计算机中进修“试模，在“试模 中找出模具设 计的缺陷，从而能够有针对的对其修改。直到修改后的模具生产出合格的产品， 才能进行下一步的模具加工。从而我们可以减少了实际的试模和修模的次数， 大大的缩短了模具的设计和制造过程，提高了产品质量和生产效率。 4 图卜4 注塑模c a d c a e c a m 过程 1 计算机辅助设计( c a d ) 在样品或图纸的基础上利用c a d 软件进行三维造型；在真实感效果评价 满意的基础上进行模具c a d 设计。 2 计算机辅助工程分析( c a e ) c a e 技术是一项较新的科学技术，方法理论基础主要有计算力学的边界 元、有限元、结构优化设计及模态分析等，c a d c a m 技术水平的提高为c a e 发展提供了动力，计算机和图形显示设备高性能性为其提供了发展条件。 注塑成型c a e 模拟分析的结果为模具设计和制造提供可靠、优化的参考数 据为工程技术人员提供了有力的设计和修改方向，其中主要内容如下： 1 ) 浇注系统的平衡，浇口的数量、位置和大小； 2 ) 熔接痕的位置预测； 3 ) 型腔内部的温度变化； 4 ) 注塑过程中的注射压力和熔融料体在填充过程中的压力损失； 5 ) 熔融料体的温度变化； 6 ) 剪切应力、剪切速度。 根据注塑成型c a e 分析结果，就可以判断模具及其浇注、冷却系统的设计 是否合理，其中的一些基本原则如下： 1 ) 各流道的压差要比较小，压力损失要基本一致； 2 ) 整个浇注系统要基本平衡，即保证熔融体要同时到达，同时填充型腔； 3 ) 型腔要基本同时填充完毕： 4 ) 填充时间要尽可能的短，总体注射压力要小，压力损失也要小； 5 ) 填充结束时熔融料体的温度梯度不大； 6 ) 熔接痕和气穴位置合理，不影响产品质量。 3 计算机辅助制造( c a m ) 我们把借助计算机完成各项任务制造称之为计算机辅助制造，包括生产工 艺准备和制造工程本身。 注塑模c a m 的主要功能包括： 1 ) 整个模具生产工艺过程设计由计算机来完成； 2 ) 辅助进行模具车间现场管理； 3 ) 由计算机完成从模具产品的几何造型到工艺模型的转换； 4 ) 自动编制加工程序； 5 ) 模具零件的自动加工在数控机床上进行； 6 ) 利用仿真技术测试数控刀具轨迹，检测过切以及加工表面干涉等。 1 4m o l d f l o w 软件的介绍 m o l d f l o w 公司是一家专业从事塑料计算机辅助工程分析( c a e ) 的跨国性 软件和咨询公司，其总部位于美国波士顿，它是塑料分析软件的创造者。目前 m o l d f l o w 软件包括三大部分：快速试模分析( m p a ) 、高级成型分析( m p i ) 和品质控制专家分析软件( m p x ) 。本文主要是使用软件的第二部分高级成型 分析( m p i ) 。这是一款专业性模流分析软件。它可以在计算机上对整个注塑成 型过程进行模拟分析，包括最佳浇口位置、填充、保压、冷却、翘曲、流道平 衡、最佳成型工艺、纤维取向、结构应力和收缩分析等。在设计阶段就可以找 出产品可能出现的缺陷，提高了一次试模的成功率，以达到降低生产成本，缩 短生产周期的目的 1 5 l 。 一、m o l d f l o w 软件在注塑模具设计中的主要作用： 优化塑料制品。塑料制件的厚度、浇口的数量、所在的位置以及流道系 统设计等对塑料制品的好坏和质量有着及其重大的作用。传统的模具设计全凭 工程设计人员的经验来设计，往往设计出的制品不尽合理，而且浪费大量的人 力和时间。而运用m o l d f l o w 软件，在保证制品能全部充满的基础上，还可以得 到制品的实际最小壁厚，优化制品结构，降低材料成本，缩短生产周期等。 优化模具结构。塑料制品的多样性、错综复杂性和设计人员的技术局限 性，所以传统的模具设计总是要经过的不断的试模、修模才能完美达到要求， 利用m o l d f l o w 软件，可以得到制品的最佳浇口数量与位置，获取合理的流道系 统与冷却系统，并对浇口尺寸、型腔尺寸、流道尺寸和冷却系统尺寸进行优化 设计，在计算机上进行虚拟的试模、修模，明显的提高了模具质量，减少了实 际中试模、修模次数。 优化注塑工艺参数。由于工程技术人员设计经验经验的局限性，往往很 难准确地设置制品最合理的成型工艺参数，选取合理的材料和判定最优的工艺 方案。运用m o l d f l o w 软件，可以辅助工程技术人员确定最佳的注射时间、保压 时间、注射压力、保压压力、锁模力、模具温度、熔体温度和冷却时间，以注 射出最理想的塑料制品。 6 二、m o l d f l o w 软件分析流程介绍 图卜5 m o l d f l o w 软件的操作流程 1 5 本文的研究背景、内容以及章节安排 1 电话机手柄上下壳的尺寸精度应满足上下的装配要求，装配后上下壳装 配结合处表面应显平滑、光洁，不得有明显的不齐和凹凸感。电话机手柄作为 生活用品，既要满足其使用要求，又必须具有好的外形。所以弧形的外表面要 求具有较高的表面质量，表面不得有熔接痕、气泡、收缩不均引起的凹凸、飞 边、顶白等缺陷。另外在目前激烈的市场竞争的环境下，产品的生命周期缩短， 更新换代日益频繁。因此，最大限度地缩短开发周期，确保产品质量，降低制 造成本显得越来越重要。 目前，注塑成型生产仍要凭经验做事，新产品开发就意味着反反复复的试 模、修模。在后续生产中，又因为工艺参数未经过优化配置失去有效控制，又 造成很多产品的报废，这样就延长了产品上市周期，增加了生产成本，减少利 润，在目前制造业这个微利时代很难生存。由于这些压力，就必要提出一套系 统化的方法，来优化、设置、控制电话机成型从研发到试制再到量产的整个过 程，这就是本课题研究的来源及背景。 2 不同体积塑件放在同一模具中，采用同一批熔料并用同一水平的工艺参 数同时成型，可以得到质量、性能一致的塑料制件；降低生产成本，提高生产 7 效率。但是如果实际注塑流程中的任一环节设计出错，反而会加重多件共模塑 件的缺陷，如熔体流动不平衡引起的充填不足、部分型腔过保压等。本文以电 话机外壳为研究对象，运用p r o e 建立三维模型、m o l d f l o w 进行模流分析，针 对非等体积塑件共模注塑成型的流道平衡设置和冷却系统设置，采用正交试验 选取最优成型工艺参数。运用c a e 优化分析方法，对不同模具结构和注射成型 工艺参数的优劣进行预测比较，实现模具结构设计和制件成型过程中关键环节 的优化，以确保缩短生产周期，避免质量缺陷。 3 本文章节安排 分析总结注塑模c a e 技术，其应用于注塑成型过程的每一个环节，从产品 结构优化到工艺参数的调整等。本文是根据实际生产中提出的科研需求，结合 了不同阶段的模具结构系统组成和成型过程，对电话机手柄上、下外壳的典型 盒装制件进行浇注系统、冷却系统的结构优化，对充模过程中模具温度、熔料 温度和填充时间的确定等。 下面给出论文章节内容安排： 第一章，绪论：简述塑料注塑成型的过程、传统的注塑模设计制造过程和 应用c a d c a e c a m 注塑模设计制造过程，对常用的注塑成型c a e 分析软件 m o l d f l o w 做以简单介绍； 第二章，针对模流分析技术，阐述了充填过程中塑料熔体的流变学粘度模 型以及充填流动模拟的网格技术。基于电话机手柄外壳分析实例介绍了模型 c a d 三维实体建模、模拟前网格修复以及模型简化等。 第三章，浇注系统平衡设置，针对m o l d f l o w 流动填充分析模块，研究不同 体积型腔的流动平衡。本文提出了两种方案：方案一改变流道尺寸的大小：方 案二改变主流道的位置。从而使非等体积壳体填充时平衡度在规定的范围内。 用c a e 软件分析时发现，在注塑过程中剪切速率大于材料所允许的最大剪切速 率，解决方案有两种：一、延长注射时间；二、改变浇口的大小。据前所述， 浇注系统已经平衡，如果随意改变浇口的大小，会影响浇注系统的平衡，为解 决此问题本文改用扇形浇口； 第四章，成型工艺参数的优化。电话机手柄是作为生活用品，必须有良好 的外形，其表面质量要求比较高，如果型腔壁剪切应力过大会产生残余应力而 影响制品的表面质量。本文以型腔壁剪切应力为指标，以模具温度、熔料温度 和填充时间为因子进行正交试验，并结合实际的生产情况，分析出最优的成型 工业参数： 第五章，冷却系统设置。电话机手柄外壳体积相差比较大，因此型腔的冷 却时间也不相同，本文通过不同冷却管道的设置，分别分析了电话机上、下壳 浇注系统的固化时间以及模型温度分布，得出冷却管道布局( b ) 、( c ) 的固化 时间最短，上下壳冷却时间差值较小，模型温度分布较为均匀； 8 第六章，结论与展望：对研究工作进行总结。 9 第二章充填流动基本原理及模型预处理 在充填流动过程中，塑料熔体处于变化的压力、温度和剪切速率的状态， 注射成型流动是非稳态、非等温的过程；绝大多数塑料熔体的剪切粘度随剪切 速率的增大而减小，属于非牛顿流体，表现出“剪切变稀 的流变特性。因此， 注射成型流动填充过程属于非牛顿流体、非等温、非稳态的流动过程，基于粘 性流体力学的基本方程在原则上能够求解，但由于实际充填过程的复杂性，必 须在不同阶段引入合理而必要的假设与简化，并结合特定的边界条件，才能用 数值的方法进行求解【l 争1 9 】。本章主要引入基本力学的数值求解方程，通过分析 阶段与边界特定条件，得到充填模拟过程的控制方程，从而得出不同物理场的 信息。最终把数值模拟前期处理理论运用到本课题模型中，例如研究对象建模、 网格划分等，为后续工作做好铺垫。 2 1 熔体充模过程分析 1 模具温度、熔体温度及充模时间的相互影响 当熔体温度以确定的充模时间充入型腔时，一方面与较冷的模壁接触形成 冷凝层，并通过冷凝层而散失热量。另一方面，由于冷凝层的存在，使流道面 积变小，阻碍了熔体的流动，又将产生巨大的摩擦热，该摩擦热与所散失热量 的比较结果，决定了熔体温度的上升或下降。而熔体温度的上升或下降又反过 来影响冷凝层的厚度和熔体的粘度。如模温降低，则散失热量增大，熔体的温 度将降低，这将导致冷凝层厚度的增加和熔体粘度的增大，两者均使摩擦热增 大，当摩擦热与散失的热量达到新的平衡时，这一调节过程才结束。由此，可 以得到模具温度、熔体温度、和充模时间这三个内在相关的变量，他们在一定 的平衡状态下使模具完成充模过程。 2 充模时间与注射压力的相互影响 当充模时间缩短时，注射速率将提高，较高的注射速率将在熔体内产生较 大的剪切速率，从而需要较高的注射压力；充模时间延长时，注射速率将降低， 这虽然降低了剪切速率，但由于热量的大量损失，增加了熔体的粘度和冷凝层 的厚度，同样使注射压力提高。 由此可知，充模时间缩短所产生的高压是由于流动速率的影响，而充模时 间延长所产生的高压则是由于热量损失而产生的高粘度和冷凝层引起的流通面 积减小所造成的。在这两种情况之间，必然存在最佳的充模时间，即注射压力 最低。 3 充模过程中产生的各种塑件质量问题分析 ( 1 ) 翘曲 1 0 塑件的翘曲是由于塑件中某一区域相对于另一区域的收缩率不同造成的。 在充模过程中，分子取向程度的差异将产生不同的收缩率。 在充填时，熔体总是首先充填最易充填的区域，这就产生了不同区域分子 取向程度的差异，从而使制件产生翘曲。因而对流动过程进行平衡分析，使各 区域同时完成充填是消除塑件翘曲的重要途径。 ( 2 ) 气穴 在注射时，熔体首先到达离浇口最近的周壁边缘。如果周壁厚度大于底部 厚度，则周壁的熔体可能先于底部的熔体而到达角部，这类现象称为充模过程 中的跑道效应。塑件的气穴一般是由跑道效应而产生的。 ( 3 ) 表面及内部结构缺陷 对多浇口的情况，由两侧浇口注射的熔体与中间浇口注射的熔体相遇后停 止前进，并反向流动。由于熔体的反向流动，使已形成的冷凝层重新被熔解， 分子的取向产生紊乱，结果使塑件表面及结构的完整性受到影响，这种现象在 充模过程中称为逆流效应。 ( 4 ) 滞留效应引起的充填不完整 当塑件具有厚薄的不均匀的截面时，熔体总是首先充填较厚的截面，因此 已到达薄截面处的熔体，在厚截面充填期间将驻留不动，并产生冷凝。只有当 较厚的截面充填结束后，薄截面区域才得以充填，由于冷凝的存在，可能导致 充填不完整，这种现象称为滞留效应。 ( 5 ) 熔接线和融合痕 熔接线是由两束熔体前沿相遇形成的，而融合痕则是由两束熔体并行流动 时形成的。熔接线和融合痕的位置应处于对塑件的外观和结构不敏感的区域， 否则将影响塑件的强度和外观质量。 综上所述，塑料熔体的注塑模型腔中的流动行为直接影响着塑件的性能和 质量，而塑料熔体的流动行为又取决于型腔和浇注系统的设计及注塑工艺参数 的选择，为保证模具和由模具生产的质量，必须对流动过程进行分析预测【l 】。 2 2 充模过程中塑料熔体的流变学粘度模型 在塑料熔体充模流动的过程中，压力、温度和剪切速率处于不断的变化状 态，要想全面描述加工条件的变化对流动性质的影响，就必须知道在温度、压 力、剪切速率在不同条件下的注塑材料的特性。目前，这些数据只能在一定条 件下测出，无法解决在所有条件下对数据的测量。解决的途径是建立能描述一 般条件下材料特性的粘度模型，这类模型一旦建立起来，我们就可以从有限的 实验中确定模型参数，并将这些模型参数运用到其他条件中。 绝大多数的塑料熔体属于非牛顿流体，其主要特性表现为剪切粘度随剪切 速率的增大而减小，即“剪切变稀 的流变特性，其高聚物熔体流动曲线图如 图2 一l 所示。高聚物熔体的流动曲线可分为3 个区：第一牛顿区、假塑性区和 第二牛顿区。第一牛顿区，粘度最大而且恒定，为最大牛顿粘度，记为珈。准 确地说，它是低剪切速率下的粘度向零剪切速率推得到的极限值，因此又被称 为零剪切速率。在假塑性区内，粘度随剪切速率呈指数变化。在第二牛顿区， 熔体粘度又次恒定且具有最小值，成为最小牛顿剪切粘度或无穷剪切粘度，记 为和。 7 图2 1 高聚物熔体流动曲线 虽然目前仍没有确切的流变学公式来反映非牛顿塑料熔体本质， 一些简化模型来表示。下面是一些常用的粘度模型： 1 幂律模型 q ( t ，t ) - - m ( t ) t 小1 但可以用 ( 2 - 1 ) m ( t ) = a e 驴= m o g ( t ) ( 2 2 ) 其中刁为流动指数，彳，t 。为材料常数。采用对数表示可以得到 l n r = i n m o + l n g ( t ) + ( 疗一1 ) h l 户 ( 2 - 3 ) 在对数坐标系中，l n r 和1 1 1 户呈线性关系，其斜率为n 1 ，在高剪切速率下 熔体的流变行为可以用其斜率来描述。它的缺陷是无法对低剪切速率的熔体粘 度进行描述，尤其是零剪切速率的流变行为。由于充模阶段熔体通常具有比较 高的剪切速率，因此幂律模型在充模流动分析过程中它仍被广泛采用。 2 二次幂律模型 为了对传统的幂律模型无法描述低剪切速率时的粘度特性进行改进，在其 基础上引入二次幂律模型，采用对数形式如下： i n t = c o + c ll i l ( 户) + c 21 1 1 ( 户2 ) + c 31 1 1 ( 户) t + c 4 t + c t 2 ( 2 - 4 ) 其中c l 反映出“剪切变稀 的特性，c 4 反映了粘度随温度幂律衰减效应 ( c 4 k 2 k 3 k 4 k 5 b 因素列：k l k 2 k 3 k 4 k 6 c 因素列：k 5 k 4 k 3 k 2 k l 所以优方案为a 。b 。c 。，即是模具温度8 0 熔料温度2 6 0 c 填充时间1 5 s 。通过 直观法分析得到的优方案a 。b 。c 。并不包含在正交表中已做过的2 5 个试验方案中，这正 体现了正交试验设计的优越性。为了便于比较，将指标随着因素各水平的变化情 况绘成图4 - 1 。从图中可以清晰的看到随着模具温度和熔体温度的升高，型腔 壁剪切应力是减小的，且熔体温度影响较为明显。随着填充时间的延长型腔壁 剪切应力是逐渐增大的，这是因为延长填充时间，注塑速率减低，随着充填的 过程进行，热损失增加，熔体温度降低，粘度增加，使注射压力提高，型腔壁 剪切应力也随之增加。缩短填充时间，注射速率过高，则型腔进料口附近的剪 切应力过高；延长填充时间，注射速率过低，则填充终了时剪切应力过高。本 文模拟的是填充结束时的型腔壁剪切应力，因此会随着填充时间的增大而增大。 型腔壁剪切 肋 牛05 0 6 07 0 印己己02 3 02 4 q 2 5 02 6 01 522 533 5 abc 图4 一i 指标随因素变化情况 4 2 3 正交试验结果验证 经上述直观法分析各因素的最优水平组合是a 。b 。c 。因此把模具温度设置为 8 0 ，熔体温度为2 6 0 ，填充时间1 5 s 在m o l d f l o w 中进行结果验证。经过 试验后发现型腔壁体积剪切速率为0 2 3 8 8 m p a ，是上述2 5 个试验结果中最低的。 说明试验分析是正确的。 4 2 4 实际注塑成型中工艺参数的选择 优化成型工艺条件，必须考虑以下三点： 1 熔体温度应足够高，以降低型腔壁剪切应力水平，但温度不能过高，以 防聚合物降解。 2 模具温度对剪切应力水平的影响并不是很显著，从图4 1 中可以看出。 但与冷却时间和制品表面有关，以使填充终了时熔体温度不致太低。 3 填充时间必须优选，填充时间太短，则进料口附近剪切应力过高，填充 时间按太长，则熔体温度太低填充终了时应力过高，也有可能使熔接线质量变 士刍 左0 a b s 材料所推荐的模具温度4 0 ( 2 - 8 0 c ，熔体温度2 2 0 c 2 6 0 c 。在聚 合物不降解的条件下尽可能选取高的熔体温度，本文取2 6 0 c ，为了保证制品 表面质量，冷却时间不至于过长模具温度6 0 ，填充时间2 s 。 4 3 本章小结 采用正交试验设计方法，研究获得了影响电话机外壳型腔壁剪切应力的参 数，以及这些参数显著性排序。通过对试验结果分析可知，型腔壁剪切应力随 着模具温度和熔料温度的升高而降低，且熔体温度对剪切应力影响较大；随着 填充时间的延长剪切应力逐渐升高。基于正交试验得出工艺最优方案a ，b ，c 。 结合生产需要，选择a ，b 。c ：作为本论文模型的成型工艺参数。 3 7 第五章冷却分析 在注塑成型过程中，模具的温度不仅直接影响塑料的充模和塑件的定型， 而且也直接影响塑件质量和注射周期。因此必须对模具进行有效的冷却，使其 模具温度保持在规定的范围内。只有将熔融状态的熔料传导给模具的热量，尽 可能快速全部地散发出去，才是较为有效的冷却。 冷却分析用以优化制件的冷却过程，主要有两个目标：第一塑件质量，第 二是成型周期。首先是表面光洁度，模具温度会影响塑件的外观质量。模具温 度变化时，塑件表面的光洁度也会随之变化，高的模具温度能够使塑件表面更 具光泽。残余应力和翘曲变形是另一个质量问题。当模具温度上升、冷却速率 变慢时，则塑件释放更多的应力，减小了翘曲变形。当塑件两侧的温度不同时， 由于非均匀收缩将导致塑件翘曲或弯曲变形。当注塑模具进行了冷却优化的时， 制品的冷却时间才能被降低到最小。这通常意味着制品可在较高温度出模而不 产生大的翘曲，但总体变形仍能维持在规定的误差内 3 0 - 3 2 】。 由于两腔的体积不同，塑料熔体进入型腔后，与模具的接触面积也不一样， 故而冷却效果也必定迥异，一定需要慎重配置冷却水道的几何位置、尺寸大小 和形状，以期达到电话机手柄上下壳能在同时顶出以缩短成型周期。 5 1 冷却系统设计要点 根据塑件的具体情况和实践经验，模具冷却系统的设计【1 1 儿3 3 1 要归纳如下： 1 冷却水道的排列与成型面的形状应尽可能的相符，且水道与成型各处应 取相同的距离。 2 冷却水道应使成型零件表面冷却均匀，模具的温差不大。一般情况下， 冷却水道设置的数量越多，其冷却效果越好，越均匀。 3 冷却水道的直径一般在由8 m m 由1 2 r a m 之间选取。直径太小不容易加 工，而直径过大，对冷却效果不利。 水道中的冷却介质的流动状态大体上可以分为两种：一种是冷却介质在管 路中流动状态比较平稳，称为层流状态；在这种状态时，水道中的冷却介质以 直线形式平稳地流过，冷却介质参与冷却的工作只有与管壁相接触的部分，其 余部分则空载流过，所以带走的热量不多。然而当冷却介质没有完全充满水道 时，它带走的热量就更少。另一