（化工过程机械专业论文）精密注射成型若干关键问题的研究.pdf

： 毒 ：， 拳 学位论文数据集 i i i ii ii ii iii ii i l li iiii y 1810 7 6 0 中图分类号t q 3 2 0 6 6 + 2学科分类号 4 6 0 5 5 9 9 论文编号 l 0 0 1 0 2 0 0 7 0 0 9 6 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 l o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名谢鹏程学号 2 0 0 40 8 0 0 9 6 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源省，市，自治区项目研究方向高分子材料成型加工 论文题目精密注射成型若干关键问题的研究 注射成型，精密，超高速，可视化，流动不平衡，产生机理，超磁致 关键词 伸缩材料，前端控制式，磁致伸缩位移传感器 论文答辩日期2 0 0 7 年6 月5 日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师 杨卫民教授北京化工大学 评阅人1盲评 评阅人2盲评 评阅人3盲评 评阅人4盲评 评阅人5 盲评 答辫蚤员蝴何嘉松研究员中国科学院化学所 答辩委员1 詹茂盛 教授北京航空航天大学 答辩委员2黄萍高工北京市塑料研究所 答辩委员3江波教授北京化工大学 答辩委员4钱才富教授北京化工大学 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b tl3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 卜i 一 勺 精密注射成型若干关键问题的研究 摘要 近年来，“精密化、高效化、轻薄化”作为未来注射成型技术发展 的方向得到了广泛的研究。本文中研制了一套用于精密注射成型可视 化研究的装置，建立了精密注射成型中一模多腔“h ”型流道中不平衡 充填现象的流动模型，利用可视化技术从熔体流动行为和温度参数分 布两方面直观且全面的揭示了不平衡充填现象的产生机理。提出了一 种采用超磁致伸缩材料制作前端控制式超高速注射成型的新方法，研 制了高速精密注射机专用的磁致伸缩位移传感器。研究中开展的主要 工作如下： 1 注射充模可视化实验平台的研制及应用 研制了一套注射充模可视化实验装置。利用该可视化装置研究了 注射速度及重力作用对于熔体流动行为的影响。观察并记录了典型成 型缺陷产生过程，包括喷射与蛇形流动、缩痕、气泡等，提出了解决 这些成型缺陷的方法。 2 建立一模多腔不平衡流动理论模型，运用可视化及c a e 模拟 技术揭示不平衡充填现象的产生机理 建立了“h 型流道中由于熔体截面温度分布不匀而造成不平衡 流动的熔体流动模型，指出剪切生热对于流道中熔体截面温度分布的 影响明显，不均衡的温度分布结果是造成不平衡充填的最终原因。利 用“h 型流道中熔体充填过程的静态和动态可视化实验结果以及熔体 温度参数变化结果直观而全面揭示了充填不平衡现象的产生机理。提 出了一种不修改模具流道结构就可明显改善不平衡充填结果的“两步 注射法 。研究结果为完善一模多腔不平衡充填过程的c a e 模拟提供 了依据。 3 提出一种基于超磁致伸缩材料的超高速注射成型新方法 为解决传统超高速注射成型中螺杆作为执行元件在高应答性和控 制精度上的局限，提出了一种通过在注射螺杆前端设置一个具有高响 应速度、可灵敏控制的喷嘴，注射之前关闭喷嘴，预先对熔体进行压 缩，通过控制喷嘴开关状态和开启量来释放熔体实现超高速注射的新 方法。引入稀土超磁致伸缩材料来制作具有高响应速度、可灵敏控制 的电磁阀，用于控制喷嘴的开关状态和开启量大小。这种基于超磁致 伸缩材料的超高速注射新方法在国内外文献中没有报道。 4 前端控制式超高速注射成型关键部件的研制及相关实验研究 提出了可控喷嘴用超磁致伸缩微位移驱动器的设计理论和方法，通 过理论分析计算优化了驱动线圈和控制电路的设计。发明了一种基于 杠杆原理将多级杠杆叠加的位移传递和放大机构，制造了超磁致伸缩 位移驱动器实验样机。 采用不同材料对前端控制式超高速注射成型中喷嘴开启量、注射压 力、注射速度之间的关系进行研究。实验结果表明，在压力恒定的条 件下，可通过控制喷嘴开启量大小获得不同的注射充填速度。实验结 果为探索超高速注射成型规律，建立相应的控制方法提供了基础。 1一 摘要 5 磁致伸缩位移传感器的研制及性能研究 研制了精密注射机专用的高精度磁致伸缩位移传感器。在现行高 速精密注射机上分别将磁尺和电子尺用于注射机螺杆位移测量，针对 螺杆预塑化量、螺杆转速、注塑速度和熔体背压四个相关工艺参数设 定不同参数值采用正交实验法进行实验。结果表明，磁尺相对于电子 尺具有更高的计量精度，并能得到更高的制品重量重复精度。磁尺受 外界参数变化的影响更小，工作过程更稳定。研究结果从高精度计量 方面为提高精密注塑机重复精度提供了一种可行方案。 关键词：注射成型，精密，超高速，可视化，流动不平衡，产生机理， 超磁致伸缩材料，前端控制式，磁致伸缩位移传感器 j 摘要 一一 s t u d yo ns o m ec r i t i c a lp r o b l e m s i np r e c i s i o n i n j e c t i o nm o l d i n g a b s t r a c t p r e c i s i o n ，h i g he f f i c i e n c y , a n dt h i n w a l li n j e c t i o nm o l d i n g ，a st h e d e v e l o p m e n tt r e n do fc o n v e n t i o n a li n je c t i o nm o l d i n g ，w e r ew i d e l ys t u d i e d i nr e c e n ty e a r s i nt h i sp a p e r , as e to fv i s u a l i z a t i o nd e v i c ew a s d e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e d am o d e lo fi m b a l a n c ef i l l i n go f p r e c i s i o ni n je c t i o nm o l d i n g i nm u l t i c a v i t ym o l dw i t h h p a t t e r nr t l n n e rs y s t e mw a se s t a b l i s h e d t h e i m b a l a n c ef i l l i n gm e c h a n i s mw a sc l a r i f i e dt h o r o u g h l yb yt h ev i s u a l i z a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t so fm e l tf l o wb e h a v i o ra n dt h em e a s u r e m e n tr e s u i t so f m e l tt e m p e r a t u r e an e wm e t h o do fu l t r ah i g h s p e e di n j e c t i o nm o l d i n g b a s e do ng i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l sw a s p r o p o s e d am a g n e t o s t r i c t i v e d i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e rs p e c i f i cu s e df o rh i g hs p e e dp r e c i s i o ni n j e c t i o n m o l d i n gm a c h i n ew a sd e v e l o p e d t h em a i nr e s e a r c hr e s u i t sa r e a s f o l l o w e d 1 d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fv i s u a l i z a t i o n e x p e r i m e n t a l d e v i c ef o ri n j e c t i o nm o l d i n g as e to fv i s u a l i z a t i o n e x p e r i m e n t a ld e v i c ew a sd e v e l o p e d t h e i n f l u e n c eo fi n je c t i o n m o l d i n gs p e e da n dg r a v i t yo nm e l tf l o wb e h a v i o r w e r es t u d i e du s i n gt h ev i s u a l d e v i c e g e n e r a t i o n p r o c e s s e so fs e v e r a l v 恤l t y p i c a li n j e c t i o nm o l d i n gd e f e c t s ，s u c h a sj e t t i n ga n ds n a k ef l o w , s i n km a r k ， b u b b l e ，w e r ed i r e c t l yo b s e r v e da n dr e c o r d e d m e t h o d so fi m p r o v i n gt h e s e d e f e c t sw e r ep r o p o s e d 2 e s t a b l i s h m e n ta n dc l a r i f i c a t i o no ft h em o d e lo fi m b a l a n c ef i l l i n g m e c h a n i s mi nm u l t i c a v i t ym o l dw i t h h p a t t e r nr u n n e rs y s t e m o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h em o d e lo fi m b a l a n c ef i l l i n g m e c h a n i s mi nm u l t i - c a v i t ym o l dw i t h h p a t t e r nr u n n e rs y s t e mw a s s u p p o s e d i ti s c l a r i f i e dt h a tt h em e c h a n i s mo fi m b a l a n c ef i l l i n gr e s u l t s f r o md i s s y m m e t r i c a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no nt h ec r o s s s e c t i o no fr u n n e r , i ss t r o n g l yi n f l u e n c e db ys h e a rh e a ta n dc o o l i n gp r o c e s si nt h er u n n e r t h e i m b a l a n c ef i l l i n gm e c h a n i s mw a sc l a r i f i e dt h o r o u g h l yb yt h ev i s u a l i z a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f m e l tf l o wb e h a v i o ra n dt h em e a s u r e m e n tr e s u l t so f m e l tt e m p e r a t u r e m o r e o v e r , m e t h o do fi m p r o v i n gi m b a l a n c ef i l l i n gn a m e d “t w o s t e p ”p r o c e s sw a sp r o p o s e d 3 an e wm e t h o do fu l t r ah i g hs p e e di n j e c t i o nm o l d i n g c o n v e n t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ew a sr e s t r i c t e dt oi m p l e m e n t u l n a h i g hs p e e di n j e c t i o nm o l d i n gb y t h ec o n t r o l l i n gr e s p o n s ea n d p r e c i s i o no fs c r e wa d v a n c e t h e r e f o r e ，an e wt y p eo fi n j e c t i o ns y s t e mw i t h aq u i c kr e s p o n s en o z z l eb a s e do ng i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l s ( g m m ) p r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ei n j e c t i o ns y s t e mi sc a p a b l eo fi m p l e m e n t i n g u l t r ah i g hs p e e di n j e c t i o nm o l d i n gt h r o u g hc o n t r o l l i n gp o r tw i d t ho ft h e n o z z l e ，m e a n w h i l e ，m e l t sw i t h s u f f i c i e n tp r e c o m p r e s sp o t e n t i a le n e r g y v i 一 气一 u n d e rc o n s t a n ti n j e c t i o n m o l d i n gp r e s s u r ew i t hah y d r a u l i ca c c u n l u l a t o r s y s t e m t h em e t h o do fi m p l e m e n t i n gu l t r ah i g hs p e e di n je c t i o nm o l d i n gi s n e v e rr e p o r t e di nt h el i t e r a t u r e s 4 d e v e l o p m e n ta n de x p e r i m e n t a ls t u d yo f t h e k e yp a r t so f f o r e s i d ec o n t r o lu l t r ah i g hs p e e di n j e c t i o nm o l d i n g t h ed e s i g n i n gt h e o r i e sa n dm e t h o d so f m i c r o d i s p l a c e m e n ta c t u a t o rf o r c o n t r o l l a b l en o z z l eb a s e do ng m m a r ep r o p o s e d t h e d e s i g n i n gp r o c e s so f s u c hc o m p o n e n t sa sm i c r o d i s p l a c e m e n tt r a n s f e ra n d a m p l i f i e rm e c h a n i s m ， d r i v i n gc o i la n dc o n t r o lc i r c u i t r yi sp r e s e n t e dp a r t i c u l a r l y f u r t h e r m o r e ，a n e wt y p eo fm u l t i l e v e ll e v e rm e c h a n i s mw a si n v e n t e d t ot r a n s f e ra n d m a g n i f yo u t p u t m i c r o d i s p l a c e m e n t as a m p l eo f m i c r o d i s p l a c e m e n t a c t u a t o rb a s e do ng m m m a n u f a c t u r e d t h ei n f l u e n c eo fn o z z l ep o r t o p e n i n gw i d t hp a r a m e t e ro ni n je c t i o n s p e e du n d e rd if f e r e n ti n je c t i o np r e s s u r e sw a si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r a s ar e s u l t ，i tw a sf o u n dt h a ti n j e c t i o n s p e e dc o u l db ei n c r e a s e dt h r o u g h v a r y i n gn o z z l ep o r t o p e n i n gw i d t hu n d e rk e e p i n gc o n s t a n t i n je c t i o n p r e s s u r e t h er e s u l t so b t a i n e df r o mt h i s s t u d y a r ev a l u a b l e f o r e s t a b l i s h m e n to fc o n t r o l t h e o r yo ff o r e s i d e c o n t r o lh i g hs p e e di n j e c t i o n m o l d i n g 5 d e v e l o p m e n ta n de x p e r i m e n t a l s t u d y o f m a g n e t o s t r i c t i v e d i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e r am a g n e t o s t r i c t i v e d i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e rs p e c i a lf o r p r e c i s i o n v i i l i n j e c t i o nm o l d i n gw a sd e v e l o p e d b o t hp o t e n t i o m e t e ra n d m a g n e t o s t r i c t i v e d i s p l a c e m e n t s e n s o ru s e dt om e a s u r et h ed i s p l a c e m e n t o fs c r e w t h e i n f l u e n c eo fs u c hp a r a m e t e r sa sp r e f o r ma n ds p e e do fs c r e w , i n j e c t i o n s p e e da n d b a c kp r e s s u r ew a ss t u d i e dw i t ho r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o d t h er e s u i t ss h o w e dt h a tt h eh i g h e rm e a s u r e m e n tp r e c i s i o na n dh i g h e r r e p e a t a b i l i t yo fp r o d u c t s c a nb eo b t a i n e db ya d o p t i n gm a g n e t o s t r i c t i v e d i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e r a n dm a g n e t o s t r i c t i v ed i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e ri s l e s si m p a c t e db ys u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n tf a c t o r s t h er e s e a r c h r e s u l t s p r o v i d e as o l u t i o nm e t h o df o ri m p r o v i n gp r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n g r e p e a t a b i l i t y k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n g ，p r e c i s i o n ，u l t r a h i g h s p e e d ， v i s u a l i z a t i o n ，i m b a l a n c ef i l l i n g ，m e c h a n i s m ，g i a n t m a g n e t o s t r i c t i v e m a t e r i a l s ，f o r e s i d ec o n t r o l ，m a g n e t o s t r i c t i v ed i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e r v i i i ，f 一 1一 k ， ，l k 目录 目录 第一章绪论”1 1 1 注射成型概论l 1 1 1 注射成型发展概述2 1 1 2 注射成型发展趋势3 1 2 精密注射成型最新研究进展4 1 2 1 精密注射机研究进展4 1 2 2 精密注射成型模具研究进展9 1 2 3 精密注射成型工艺研究进展1 1 1 2 4 精密注射成型材料研究进展1 4 1 3 研究目的和思路1 5 1 4 主要研究内容1 6 第一篇基于可视化及c a e 技术的高效精密注射成型研究1 8 第二章注射成型可视化及c a e 技术研究现状1 8 2 1 可视化技术概述1 8 2 1 1 可视化技术研究进展1 8 2 1 2 可视化技术原理1 9 2 2c a e 模拟技术概述2 1 2 2 1 注射成型c a e 技术2 l 2 2 2 注射成型c a e 有限元基础2 l 2 2 3 注射成型c a e 技术发展及应用2 4 2 3 本章小结2 5 第三章注射充模过程可视化实验装置的研制及应用2 6 3 1 多型腔流动不平衡现象2 6 3 1 1 国内可视化实验装置的研制2 6 i x 北京化t 大学博一l ：学位论文 3 1 2 国外可视化实验装置的研制2 7 3 2 注射充模可视化装置的研制”2 8 3 3 基于可视化技术的注射成型过程研究3 1 3 3 1 注射速度对熔体流动行为的影响3 1 3 3 2 重力作用对熔体行为的影响3 2 3 3 3 喷射及蛇形流动3 2 3 3 4 缩痕“3 3 3 3 5 气孔“3 4 3 4 本章小结3 4 第四章注射成型多模腔充填不平衡现象产生机理研究3 6 4 1 流动不平衡的理论分析3 6 4 2 流动不平衡的假想模型3 8 4 3 多型腔不平衡充填可视化实验研究4 0 4 3 1 不平衡充填过程可视化实验结果4 0 4 3 2 不平衡充填过程熔体温度测量结果4 1 4 4 不平衡充填现象的c a e 模拟分析4 4 4 4 1 不平衡充填熔体流动行为模拟过程4 4 4 4 2 模拟结果与讨论4 5 4 4 2 1 熔体流程行为的模拟结果4 5 4 4 2 2 不平衡充填温度场模拟结果4 9 4 4 2 3 讨论5 0 4 4 3 结论5 0 4 5 解决流动不平衡现象方法研究5 1 4 6 本章小结5 2 本篇小结5 3 第二篇磁致伸缩原理精密注射成型相关研究”5 4 第五章超磁致伸缩原理超高速精密注射成型的研究”5 4 5 1 超高速精密注射成型概述5 4 5 2 传统超高速注射成型发展的主要制约因素5 6 x “ 臼 气 目录 5 3 前端控制式超高速精密注射成型原理及特点5 7 5 4 超磁致伸缩材料概述6 0 5 4 1 超磁致伸缩材料的研究进展6 0 5 4 2 超磁致伸缩材料工作特性6 1 5 4 3 超磁致伸缩材料的应用6 3 5 5 基于超磁材料的前端控制式超高速精密注射成型关键部件设计6 4 5 5 1 可控喷嘴结构原理6 4 5 5 2 可控喷嘴用超磁致伸缩微位移驱动器组成及工作原理6 5 5 5 3 微位移驱动器的设计原理及方法6 7 5 5 3 1 超磁致伸缩材料驱动线圈优化设计6 7 5 5 3 2 微位移放大机构设计6 9 5 5 3 3 控制电路设计7 1 5 5 3 4 微位移驱动器性能测试结果与分析7 l 5 6 前端控制式超高速精密注射成型实验q 000 7 2 5 6 1 实验方案设计7 2 5 6 2 注射机7 2 5 6 3 实验材料及模具7 3 5 6 4 结果与讨论7 3 5 6 5 结论7 5 5 7 本章小结7 5 第六章基于磁致伸缩位移传感器的高速精密注射成型研究7 7 6 1 磁致伸缩位移传感器概述7 7 6 2 磁致伸缩位移传感器结构及原理7 8 6 3 磁致伸缩位移传感器应用现状7 9 6 3 1p v t 在线测试仪7 9 6 3 2 磁尺内置式注射机用伺服油缸8 1 6 4 磁尺与电子尺性能对比实验8 1 6 4 1 电子尺工作原理8 l 6 4 2 位移传感器时间漂移测试8 2 6 4 3 位移传感器输出电压重复精度实验8 3 6 5 基于磁尺的高速精密注射成型实验研究8 3 6 5 1 实验方法及实验参数设定8 3 x l 北京化_ t 大学博i 学位论文 6 5 2 实验设备“8 4 6 5 3 实验材料及模具“8 5 6 5 4 实验结果及讨论“8 5 6 5 5 结论”9 0 6 6 本章小结9 0 本篇小结9 1 第七章结论及研究展望”9 4 7 1 结论9 4 7 2 研究展望9 6 参考文献9 7 致谢1 0 5 研究成果及发表的学术论文1 0 7 作者简介1 0 9 x i i co n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1g e n e r a l i t yo f i n j e c t i o nm o l d i n g 。l 1 1 1s u m m a r i z a t i o no f i n j e c t i o nm o l d i n g 。j 1 1 2d e v e l o p m e n t t r e n d o f i n j e c f i o n m o l d i n g j 1 2r e c e n td e v e l o p m e n to fp r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n g 。4 1 2 1r e c e n td e v e l o p m e n to f p r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e 。f 1 2 2r e c e n td e v e l o p m e n to f p r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n g m o l d 。9 1 2 3r e c e n td e v e l o p m e n to fp r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n g t e c h n i c s 。11 1 2 4r e c e n td e v e l o p m e n to f p r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n g m a t e r i a l s 。1 4 1 3p u r p o s e sa n di d e a si ns t u d y 1 4m a i ns t u d yi s s u e s 1 6 p a r t1s t u d y o l l p r e c i s i o n i n j e c t i o nm o l d i n g b a s e do n v i s u a l i z a t i o na n dc a et e c h n o l o g y 1 8 c h a p t e r 2p r e s e n ts t a t u so fs t u d i e so nv i s u a l i z a t i o na n dc a e t e c h n o l o g y + 。 1 。 2 1s u m m a f i z m i o no f v i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y 。1 d 2 1 1r e c e n td e v e l o p m e n to f v i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y 。1 8 2 1 2p r i n c i p l eo f v i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y l y 2 2s u m m a r i z a t i o no f c a et c c h n o l o g y ”+ ”。z l 2 2 1c a eo f i n j e c f i o nm o l d i n g z l 2 2 2f e mb a s i co f c a eo f i n j e c t i o nm o l d i n g 。+ 。+ 。z 1 2 2 3 d e v e l o p m e r i ta n da p p l i c a t i o no fc a et e c h n o l o g yi ni n j e c t i o nm o l d i n g 。2 4 2 3c h a p t e rb r i e fs u m m a r y 。z ) c h a p t e r 3d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n o fv i s u a l i z a t i o n d e v i c ef o ri n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s 。2 6 x l i i 北京化工大学博：i j 学位论文 3 1i m b a l a n c ef i l l i n gp h e n o m e n ai nm u l t i - c a v i t ym o l d 2 6 3 1 1d e v e l o p m e n to fd o m e s t i cs t u d yv i s u a l i z a t i o nd e v i c e 。2 6 3 1 2d e v e l o p m e n to ff o r e i g ns t u d yo nv i s u a l i z a t i o nd e v i c e 一2 7 3 2d e v e l o p m e n to f v i s u a l i z a t i o nd e v i c ef o ri n j e c t i o nm o l d i n g - 2 8 3 3s t u d yo ni n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sb a s e do nv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y 31 3 3 ii n f l u e n c eo f i n j e c t i o nr a t eo nm e l tf l o wb e h a v i o r 3 1 3 3 2i n f l u e n c eo f g r a v i t yo nm e l tf l o wb e h a v i o r 3 2 3 3 3j e t t i n ga n ds n a k ef l o w 3 2 3 3 4s i n km a r k 3 3 3 3 5b u b b l e 3 4 3 4c h a p t e rb r i e f s u m m a r y 3 4 c h a p t e r 4s t u d yo nm e c h a n i s mo fi m b a l a n c e f i l l i n g i n m u l t i c a v i t ym o l d 3 6 4 2t h e o r e t i c a la n a l y s i so f i m b a l a n c ef i l l i n g 。- 3 6 4 2