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浙江工业人学硕+ 学位论文 典型汽车注塑件的气辅注射成型工艺优化研究 摘要 在汽车塑料制品制造领域，类似于汽车把手等典型汽车注塑件的气辅成型工艺优化研究， 可借助于数值模拟技术，以达到效益最大化和缩短生产研发周期目的。本文将从以下两个方面 来考察工艺参数对气辅成型质量的影响情况：1 以不同截面形状加强筋为研究对象，考察工艺 参数对气辅成型质量的影响趋势情况。2 以典型汽车注塑件为研究对象，对比研究了考虑因子 间交互作用和不考虑因子间交互作用正交试验设计两种情况下的较好工艺条件，从而判断出哪 种工艺条件更符合实际情况。 全文的组织结构为： 第一章：简要综述了气辅注射成型技术的国内外研究现状，指出相关研究工作的不足之处， 并提出了本文所需要进一步深入研究的内容。 第二章：以常见气道结构的加强筋为研究对象，先对其进行初步的正交试验设计，并获得 各工艺参数的大致范围；然后，在该基础上再进行一次改进的正交试验设计，并获得较好工艺 参数组合。以上述获得的较好工艺参数组合为参考标准，通过改变某一个工艺参数而保持其他 工艺参数不变，对比研究了不同截面形状加强筋在气辅成型条件下的成型情况，并考察了单个 工艺参数对成型质量的影响趋势。 第三章：以气辅把手为研究对象，先对其进行不考虑因子间交互作用的正交试验设计，并 获得相对较好的气辅成型工艺条件；然后，再对其进行考虑因子间交互作用的正交试验设计， 并对试验结果数据进行方差分析，以便定量分析因子间交互作用对气辅成型质量的影响程度， 同时优化气辅成型工艺条件；最后，对比研究了两种不同正交试验条件下的较好工艺条件，并 指出考虑因子间交互作用的正交实验设计是比较符合实际情况。 第四章：以汽车后视镜产品为研究实例，结合第三章的正交试验设计方法，对比研究了考 虑因子间交互作用和不考虑因子间交互作用的两种不同正交试验条件下获得的较好工艺条件。 最后，对比后视镜产品的实际生产工艺，从而对实际生产提出改进意见和完善模拟分析优化的 成型方案。 浙江工业大学硕士学位论文 第五章：归纳总结本文的研究内容，并提出今后工作的展望。 关键词：气体辅助注射成型，工艺优化，交互作用，正交试验设计 浙江工业大学硕士学位论文 o p t i m i z 订i o no ft h eg a s a s s i s t e di n j e c t i o n m o l d i n gp r o c e s sf o rt h et y p i c a la u t o m o t i v e p l a s t i cp a r t s a b s t r a c t ht h ej e i e l do fm ea u t o m o t i v ep l a s t i c sm a n u f a c t l l r i n g ，o p t i m i z a t i o no fm eg a s - a s s i s t e di n j e c t i o n m o l d i n gp r o c e s sf o rt t l et y p i c a la u t o m o t i v ep l a s t i cp 砒s ，s u c h 嬲t 1 1 ec a rh a n d l e ，w i m 删m 嘶c a l s i m u l a t i o n ，h a sm a ) 【i m i z e de 伍c i e l l c ya n ds h o r t e dp r o d u c t i o nc y c l e t l l i sp 印e ra b o u t l ei m p a c to f p r o c e s sp a r a m e t e r so nf o m i n gq u a l i t yo ft h eg a s - a s s i s t e di n j e c t i o nm 0 1 d i n gi n c l u d e sn l ef o l l o w i n g ：1 t 1 1 e 曲sw i t hv 撕o u ss e c t i o n sh a v e b e e ns t u d i e d ，t oi 1 1 v e s t i g a t e 仃e n do fm ei i n p a c to fp r o c e s s p a r 锄e t e r so nf o r i i l i n gq u a l i t yo ft h eg a s a s s i s t e di n j e c t i o nm 0 1 d i n g 2 m et y p i c a la u t o m o t i v ep l a s t i c p a n sh a sb e e l l 咖d i e dt og e tt 、7 l ，o s e t so fp r o c e s sc o n d i t i o n su n d e rt h eg a s a s s i s t e d 蜘e c t i o nm 0 1 d i n g ， b yi n 巾1 锄e i l t i n g 猢g e i 】= l e n t so ft h eo n h o g o n a ld e s i g nw h e t h e rc o n s i d 耐n gi n t e r a c t i o nb 娟) l ，e e n f a c t o r so rn o t t h e n ，t l l et w os e t so fp r o c e s sc o n d i t i o n sh a v eb e e nc o m p a r e dt o1 e i n do u tw m c hi sm d r e a p p r o p r i a t ef o rp r o d u c ：t i o np r o c e s s t h eo r d e ro f p r e s e n t a t i o ni sa sf o l l o w s ： c h 印t e r1p r e s e n t sm eb r i e fr e v i e wo ft h eg a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n gr e s e a r c ha th o m ea n d a b r o a d ，a j l dp o i n t so u tw m c hs h o r t c o m i l l g s ，t l l e i lp u tf o 刑a r dw h a t t 1 1 i sp 印e rw i l ls t u d y i i lc h a p t e r2 ，m ec o 珊m o nr i bh a sb e e l ls t u d i e dt og e tm eb e s tp r o c e s sc o n d i t i o n su n d e r 缸1 e 9 2 l s a s s i s t e de c t i o nm 0 1 d i n g h n p l e m 伽【t i n ga r r a j l g e m e n t s f o rm ep r e l i m i n a 巧 o r t l l o g o n a l e x p 萌m e n t a ld e s i 朗i st on a m wr a n g eo fp r o c e s sp 戤吼e t e r s ，m e n ，a i l o t l l e r 曲p r o v e do m l o g o n a l e x p e r i m e n t a ld e s i g nb a s e do np r e l i m i n a 巧a r r a i l g 锄e i l t si s t og e tm eb e s tp r o c e s sc o n d i t i o n s i nm e l i 曲to fm ea b o v ep r o c e s sc o n d i t i o n s ，ac o m p 删i v es t u d yo fd i 侬= r e n ts h a p e so fr i b sa r ed o n e ，t o i n v e s t i g a t e 仃e i l do fm ei m p a c to ft h es i n 西ep r o c e s sp a r 锄e t e ro nf o m i n gq l l a l i t yu n d e rt h e g a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i i l g ，b yc h a n 西n go n eo fm ep a r a m e t e r sw m l e 1 eo m e r s 僦l a i l l i n g 啪c h a l l g e d i i lc h a p t e r3 ，l ec a rh a n d l e sh a v eb e e ns t u d i e dt og e tt w os e t so fp r o c e s sc o n d i t i o n su i l d e rm e 浙江工业人学硕十学位论文 g a s - a s s i s t e d 蜘e c t i o nm 0 1 d i n g ，b y 油p l 锄e i l t i n ga n 锄g e m t so ft l l eo n l l o g o n a le x p 嘶m e n t a ld e s i 印 w h e 1 e rc o n s i d e n gi m e r a c t i o nb e t w e e nf a c t o r so rn o t t h er e s u l t so fo r m o g o n a le x p 丽m 趿t a ld e s i g n w i l lb ep r o c e s s c db ya 1 1 a l y s i so fv 撕a i l c e ，a n ds h o w sm ei m p a c to ff a c t o r so nf o 肌i n gq u a 】i 哆f i n a l l m m e 似os e t so fp r o c e s sc o n d i t i o n sh a v eb e e l lc o m p a r e dt 0 向1 do u tw h i c hi sm o r e 印p r o p r i a t ef o r p r o d u c t i o np r o c e s s hg e i l e r a l ，也eo m l o g o n a le x p 甜m e l l t a ld e s i 朗w l l i c hc o n s i d 甜n gi n t e r a c t i o n b e t w e e nf a c t o r si si n1 i i l ew i m m ea c t u a ls i t u a t i o n h lc ：h a p t e r4 ，u s i n gm e t h o d si i lc h a p t e r3 ，m er e a n ，i e wm i r r o rp r o d u c t sh a v eb e e ns t u d i e dt og e t t 、) l ，os e t so fp r o c e s sc o n d i t i o i l su 1 1 d e rt l l eg a s 嬲s i s t e d 埘e c t i o nm o l d i i l g ，b yi n l p l e m e n t i n ga 盯锄g e m e n t s o ft h eo n h o g o n a le x p 嘶m e l l t a ld e s i 班w ，h e t h e rc o n s i d 耐n gi n t e r a c t i o nb e 觚e e nf a c t o r s o rn o t f i n a l l y ， c o m p a r i n g t h ep r o c e s sc o i l d i t i o n s 丘o mn 啪e r i c a ls i m u l a t i o nw i mt 1 1 ea c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s si st o s u g g e s ti m p r o v e m e n t sf o rp r o d u c t i o np r o c e s sa i l di l l l p r o v em en u 【m 舐c a ls i m u l 撕o nf o ro p t i m i z a t i o n o fg a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g h 1c h a p t c r5 ，a l la c h i e v e m e n t so fm ed i s s e 咖i o na r e 蚴撕z e da n dt l l e 如r d l e rr e s e a r c hw o r ki s p u t f - o 刑矾 k e yw o r d s ：g a s a s s i s t e d 蜘e c t i o nm o l d i n g ，p r o c e s so p t i m i z a t i o n ，m e r a c t i o nb e t w e e i lf a c t o r s ， o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提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 得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使 用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人承担本声明的法律责任。 作者签名：研7 k 乜 日期：w ) 眸，调一日 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。本人授权浙 江工业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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保新 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： 日期：- 驴j 年。月日 醐川妒p 易7 日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 研究意义 第1 章绪论 气体辅助注射成型是一种新型的注射成型工艺，它综合了结构发泡成型和注塑成型的优点 【l 】，是塑料工业的一次革命。它通过将高压气体引入到制件的壁厚部分，产生中空截面，推动 熔体完成充填过程。气辅注射成型可保证壁厚差异较大制品的成型质量，消除制品的成型应力、 翘曲和缩痕，提高制件的表面质量等。 气辅注射成型工艺设计涉及到的参数包括：熔体预注射量、熔体注射时间、气体延迟时间、 气体注射压力、气体注射时间等，这些工艺参数对气辅成型制品的成型质量起着关键作用。借 助于数值模拟技术，对气辅注射成型工艺过程进行填充、保压、翘曲、收缩等方面的数值模拟 分析，可确定工艺参数的较好组合和获得较好的制品成型质量。 气辅注射成型技术己在汽车、家电、包装及其它一些大型或超厚塑件等生产领域得到广泛 的应用。由于塑料的优越特性，在汽车设计中大量采用塑料件，不仅可以实现汽车结构轻量化 设计，而且可以综合地反映对汽车设计性能的要求，即轻量化、安全、防腐和舒适性等。汽车 零部件中的很多部件，比如车门把手、后视镜、保险杠、车座牌等，已经采用气辅注射成型技 术来提高产品的外观质量和使用性能。 在汽车塑料制品制造领域，类似于汽车门把手等典型汽车注塑件的气辅成型质量不是很稳 定，需要寻找更简便的方法获得较好的成型工艺条件。目前，工厂中普遍的做法是靠工人师傅 进行比较长时间的试模，这个过程一般需要半天或者一天多时间，才能获得相对较好的成型工 艺参数。虽然试模过程中产生的废品可以得到回收利用，但是试模耗费的时间比较长，经济效 益不好。借助于数值模拟技术，可对气辅成型工艺条件进行优化分析，从而使生产效益最大化， 同时也缩短了气辅注射成型的研发周期。 气辅注射成型数值模拟方面的研究主要集中在加强筋方面，其重点是考察各个工艺参数单 独对气辅成型质量的影响情况，并且都采用中面模型来建立分析模型。同样地，气辅注射成型 数值模拟技术应用方面研究基本上采用的是相对比较成熟的中面模型来建立分析模型，所得到 的分析结果存在不同程度的局限性和不稳定性。气辅注射成型工艺优化研究主要指的是气辅成 型工艺参数优化研究，一般采用正交试验设计方法来考察多因素多水平的工艺参数间关系，但 没有考虑工艺参数之间交互作用对气辅成型质量的影响。 浙江j 业人学硕士学位论文 基于以上分析，本论文研究的重点是：以典型汽车注塑件为研究对象，建立其三维实体分 析模型，然后采用正交试验设计方法来获得典型汽车注塑件的较好气辅成型工艺参数组合。对 比研究考虑因子间变互作用和不考虑因子自j 交互作用两种情况下的较好工艺条件，从而得出符 合实际情况的较好工艺条件。最后，通过实例验证本文提出方法的有效性。 1 2 国内外研究现状 气辅注射成型技术综合了结构发泡成型和注塑成型的优点，为塑料制品的设计和制造提供 了更大的灵活性和自f 扣度。对其技术本身的研究改进、新技术的开发以及商业应用都在不断发 展。气辅注射成型技术可分为内部气辅注射成型、外部气辅注射成型、多腔控制气辅注射成型、 气辅挤出成型叫类。目前，国际上也出现了咀液体介质作为辅助液体的注塑成型，如水辅注射 成型等l “。 典型气辅注射成型过程可分为：熔体充填、气体注入、气体保压、排出气体和制件顶出五 个阶段。首先，开启进料阀门，把聚合物熔体注入到模具型腔内( 称为欠料注射) ，这一阶段与 传统注塑成型相同，见图l 一1 所示。接着，关闭进料阀门将高压惰性气体( 通常为氮气) 注入 到聚合物熔体内音【5 ，气体将沿着阻力最小的方向推动聚合物熔体填先模具型腔，从而在熔体内 部形成中空截丽，见罔1 2 所示。当气体填充过程结束后，气体在聚合物熔体冷却过程中也起 到保压补缩的作用“”，见罔1 3 所示。直到气辅制品冷却后，排出气体并退螺杆再次加料，进 行下循环的气辅成型t 艺，见罔1 4 所不。 e 1 1 _ l 笮 等避蕊兰兰 重 军三塞 t h 2 口 图1 0 气体保压 l p ” j ：事军 t = i ” 重 霉 幽1 4 排出气体 气辅注射成霉过程中的熔体流动是非牛顿特性的聚合物熔体在高压气体作用下的非稳态 非等温流动过程，且熔体是可压缩的。焙体充填阶段与传统注射成型中熔体充填过程是完全 2 浙江工业大学硕十学位论文 样的。气体充填阶段的聚合物熔体，由于高压气体对其干涉，熔体的流动变得更加复杂。气体 保压阶段是可压缩、非牛顿流体在非等温状态下的非稳态流动和传热过程。模拟上述这些流动 过程都是十分复杂的【2 ，3 1 。目前，国内外对气辅注射成型过程的研究主要分为成型机理研究和工 艺优化研究两大类。 1 2 1 气辅成型机理研究 气辅注射成型的机理研究可分为熔体充填、气体注入、气体保压等三部分，对应于气辅成 型过程的相应阶段。目前的研究思路是基于非等温状态下非牛顿流体的h e l e s h a w 流动方程， 并引入聚合物熔体流动和气体运动的简化和假设条件，得出各个阶段的数学模型。 ( 1 ) 熔体充填阶段 气辅注射成型技术的熔体充填阶段与传统注射成型的熔体充填阶段是基本一致的，并沿用 了传统注射成型相对成熟的数值模拟技术。充填过程的数学模型是基于非等温状态下非牛顿流 体的广义h e l e s h a w 流动方程【5 6 】。美国学者c a h i e b e r 和s f s h e n 7 1 将h e l e s h a w 流动推广到 非牛顿流体的非等温流动情况，得到了描述二维流动的数学模型，如1 1 ，1 2 ，1 3 所示。 运动方程：鲁( 刁老) _ 篆= ，昙( 刁笔) 一爹= 。，-。，运动方程： 瑟l 。瑟j 叙 ，瑟l 。瑟砂 ( 1 1 ) 连续性方程： 昙( 厉) 一号( 6 _ ) = ( 1 - 2 ) 能量方程：尸q ( 鲁+ “罢+ v 等) = 尼窘+ 扩 m 3 ， 式中，6 ，尸，少，c 。，后分别为半壁厚、压力、剪切速率、粘度、比热容、热导率；“为x 方向 速度；v 为y 方向速度。 对上述方程，通过分别采用有限差分和有限元有限差分混合求解，采用“网格扩展法”确 定了流动前沿位置。该数学模型切合工程实际和兼顾了数值计算的可行性，后来的相关研究大 多采用了该模型娜】。 在熔体充填阶段，聚合物熔体在型腔中主要靠压力驱动，并且速度差较小和充填时间短， 有些研究认为该过程可视为非牛顿不可压缩流体在非等温条件下的广义h e l e s h a w 流动。也有 学者考虑熔体的可压缩性及相变等因素，将熔体的流动视为非牛顿、可压流体在非等温条件下 的广义h e l e s h a w 流动，并得到了描述可压缩流体的数学模型【1 0 1 ，但其效果有待进一步验证。 3 浙江t 业大学硕+ 学位论文 ( 2 1 气体注入阶段 当气体注入型腔中的熔体后，由于气体和熔体两种性质完全不同物质的动力学相互作用， 使得该过程变得非常复杂。一方面，熔体在气体的推动下充满模具型腔；另一方面，气体在熔 体中穿透形成中空部分。从而形成气体在熔体中的穿透部分( 称为首次气体穿透) 和熔体填充 部分两个区域、气体穿透前沿和熔体流动前沿两个自由移动边界，如图i 5 所示队。 幽l 一5 气恽在错体甲的芽遮特壮 基于非等温条件下非牛顿流体的广义h d e s h a w 流动的控制方程，国内外对描述聚合物熔 体的流变性能和气体穿透前沿和熔体流动自u 沿两个自由移动边界的数学模型进行了大量的试验 和理论研究，1 2 ”。 为简化研究对象的复杂性，一些史献中引入了聚合物熔体流动和气体运动的简化和假设条 件”，从而把非牛顿流体问题转化为叶= 顿流体问题，得出了拙述十顿流体运动的数学模型， 如l _ 4 ，1 5 ，】6 所示。 塑+ 堕出：o 连续性方程： 出 印 ( 1 4 1 运动方程：罢鲁 - 罢 2 。，考昙c - 妻 2 。，一，运动方程： 出出l 出 ，砂、出( 1 5 1 能量方程：，。f 詈+ “罢+ v 等 = t 窘+ m e ， 式中，户一压力，一温度，p 一密度，o l 熔体的比热，女一熔体的热传导率，_ 熔伴的 a = 剪切粘度，这里采用修正的c r o s s 粘度模型：y 一剪切速率， 榭+ ( 老 2 的坐标，：为型腔厚度方向的坐标，“，。分别为o ，方向的熔体流速。 scc h e i l 对气辅注射成型过程中的气体穿透机理进行了人量的试验和理论研究，但这些 d 浙江工业大学硕+ 学位论文 研究忽略了熔体中气体压力的变化。同时，熔体流动方程由边界条件为气体熔体交界面上压力 均匀分布的h e l e s h a w 流动方程来描述。该数学模型可较好地追踪熔体前沿和气体前沿，但存 在的问题是事先需要通过试验来估算气体分布情况。c t l i 【1 4 】考虑气体区域、熔体区域以及 气体熔体交界面处的压力随时间变化，并结合非等温条件下非牛顿流体的h e l e s h a w 流动方程 得出了描述圆管中首次气体穿透的数学模型。 气辅注塑成型表层熔体形成的机理研究主要集中在圆管中气辅注塑成型过程，采用 p e r n 】r b a t i n 法对圆管形状的注塑件进行理论和试验研究【1 5 】。表层熔体的形成不仅涉及到高粘性 非牛顿流体特性、瞬态特性，而且熔体温度、模具温度、气体延迟时间以及气体压力都对熔体 表层壁厚的形成有影响【l6 | 。 ( 3 ) 气体保压阶段 c h i a l l g 和h i e b 0 7 ，1 7 1 对传统注射成型的三维制件保压过程进行了理论和试验研究，建立了 聚合物熔体的非等温、可压缩、非稳态流动的数学模型。他们认为，在气辅注射成型过程中， 由于高压气体的干涉，基于传统注塑成型理论建立起来的数学模型并不适用该情况。气体保压 阶段是可压缩、非牛顿流体在非等温状态下的非稳态流动和传热过程。 气体保压阶段，制件在气体保持压力的情况下冷却，在冷却过程中，熔体内部的气体均匀 地向外施压，补充因熔体冷却凝固所带来的体积收缩( 称为二次气体穿透) ，使得制品外表紧贴 模壁，从而得到良好的表面质量。而首次气体穿透则是利用高压气体推动熔体向前流动，直至 将整个型腔充满【18 1 。 基于h e l e s h a w 流动模型，s c c h e l l 得出了在非等温条件下，圆管中的非牛顿、非弹性流 体的控制方程【1 9 2 0 1 ，如1 7 ，1 8 ，1 9 所示。 运动方程： o _ 鲁( 叩鲁) 一芸，o - 昙( 刁鲁) 一号 m 7 ， 连续性方程：警+ 丢( 厉) + 杀( 6 - ) = o ( 1 8 ) 能量方程： p q ( 詈+ “罢+ v 等) = 丢( 尼警) + m 9 ， 式中，p ，r ，“，分别为压力、温度、x 和y 方向的熔体速度，6 为型腔中熔体的z 方向厚度 一半值，“，y 为”，1 ，在z 方向上的平均值。巧，p ，c 。，后分别代表粘度，密度，比热容和传导系数。 在保压阶段，气体继续保持一定的压力用于补偿熔体冷却收缩部分。基于尸一y z 方程， 浙江工业大学硕士学位论文 得出了用于计算熔体收缩和压缩后的体积变化方程 2 0 1 ， 1 ，( p ，r ) = v o ( 丁) 1 一c h l 1 + 叫b ( 丁) + 一( r ，p ) ( 1 1 0 ) 式中，( 丁) = 届+ 屈( 丁一屈) ，b ( 丁) = 屈脚 一尼( 丁一屈) z ( 尸) = 孱+ 孱p ，v f ( 尸，r ) = 岛却 屈( 丁一屈) 一岛p 其中层，屈，屈，屈，屈，孱，历，屈，属为材料系数。 1 2 2 气辅成型工艺优化研究 熔体温度、气体注射压力、气体延迟时间、熔体预注射量等各种工艺参数都会对气辅成型 结果产生影响。为研究上述各种工艺参数对气辅注塑成型产品的影响情况，研究人员做了大量 的试验研究和数据分析。目前，多数的研究方法还只是考察单个参数对成型结果的影响趋势。 ( 1 ) 气辅成型c a e 技术 气辅成型c a e 分析的普遍思路是：利用非等温条件下非牛顿流体的广义h e l e s h a w 流动模 型，引入合理简化和假设，建立气辅成型过程的首次气体充填和保压过程中的二次气体穿透过 程的压力控制方程和气液交界面运动方程 2 4 ，2 6 1 ，并采用有限元法有限差分法等进行数值模拟。 最后，通过试验验证其数值模拟结果的正确性和可靠性。 h i e b e r 和l s n 【m g 【2 l 】借鉴传统注塑成型充模流动分析的研究成果，实现了聚合物熔体在气 体作用下在型腔中流动的数学描述。s c c h e n 【2 2 】将气体视为内部压力均匀的芯层材料，由试验 测量决定表层熔体厚度，避免了描述气体熔体界面的物理和数学模型。并采用双充填因子跟踪 算法实现对熔体和气体前沿推进的数值预测。l s t u m g 采用粒子跟踪算法对两边界进行跟踪， 其算法的核心是基于熔体和气体进入型腔的时间来区分计算区域内的熔体和气体，从而确定充 填过程中熔体气体的空间分布。而d mg a o 2 3 】贝0 采用体积控制法，其核心思想是利用节点压力 计算出流入或流出节点控制体积的流量，从而根据控制体积的情况近似确定熔体前沿和熔体 气体边界的位置。上述研究主要集中在气辅成型过程中气体、熔体二相的相互作用，以及熔体 涂敷层厚度的变化过程。 气辅成型c a e 技术分析模型的网格类型包括：一维条状网格、二维三角形网格( 中面模型) 和四面体网格( 三维实体模型) 。中面模型得到的模拟结果虽然与实际情况有些差别，但是它的 优势在于计算速度快和时间短。一维条状网格在分析非对称结构的制件时，缺乏足够的可靠性。 虽然有些商业化的气辅成型软件提供了对模型的三维实体气辅成型分析功能，但是还缺乏中面 模型分析功能所能完成的冷却、翘曲以及应力分析方面的能力。 6 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 基于数值模拟方法的单工艺参数优化研究 s c c h e i l 【1 6 2 刀研究了圆管中气辅成型的影响表层熔体形成因素得出：在等温条件下，牛顿 流体所形成的表层熔体厚度比值约为o 3 ，熔体的剪切作用降低了表层熔体厚度比值。而在非等 温条件下，型腔壁处的熔体固化层可以提高表层熔体厚度比值；熔体气体前沿之间的压力梯度 值对表层熔体形成有显著的影响，但在气体注射压力低情况，熔体气体界面之间的剪切应力却 起着关键作用。 c t “1 2 列研究了气辅欠注成型中气体穿透深度的影响因素，并把试验结果与c m o l d 软件 模拟得到的结果进行了比较。结果表明：当熔体温度和气体延迟时间增加时，可获得最大的气 体穿透深度。熔体预注射量小和熔体注入速度低有助于提高气体穿透深度。众多影响因素中， 气体注射压力对成型结果的影响最小。l i u 和c h a i l g 2 9 1 指出：气辅满射成型过程中，当熔体温 度、气体延迟时间和气体保压时间提高时，获得了更好的气体穿透深度。l g 刚研究加强筋中 的二次气体穿透现象时，得出了熔体温度和气体延迟时间对二次气体穿透深度的影响最大。提 高熔体温度、模具温度以及气体注射压力同样获得了较好的气体穿透深度，但是增加气体延迟 时间却获得了相反的结果。 d m g a o 2 3 】研究了多气道对气体辅助注射成型的优化作用，发现适当的多气道设计能达到 均衡的成型效果，消除了气体的薄壁穿透现象。k s l e e 【3 l 】用有限元方法和溯因网络法得出了l 形板气辅注射成型时的较好控制参数，并准确预测了l 形板的翘曲现象。n a l l s 1 1 i n go n g 【3 2 】对五 种不同形状的t 形板进行了气辅注射成型中的预注射量、气体延迟时间、气体注射压力以及熔 体温度等工艺参数对气体穿透深度、弯曲强度、翘曲程度和气指现象的影响程度研究。结果表 明：预注射量对气辅成型质量的影响最大，增加预注射量不仅可以提高气体穿透深度，也可以 导致制件弯曲强度降低。其它三个工艺参数的影响取决于制件的形状。同时，气体注射压力不 能减少翘曲的发生。 总体而言，上述研究侧重点在于如何获得单个工艺参数对气体穿透深度或者表层熔体厚度 的影响，并没有全面的考虑多个工艺参数同时对气体穿透深度的影响。上述研究对象一般以加 强筋结构为主，几何形状比较简单，采用的分析模型一般采用中面模型，得到的分析结果存在 局限性和不稳定性。 ( 3 ) 单工艺参数优化的应用研究 气辅成型工艺优化方面的应用研究主要集中在气辅成型工艺参数的优化分析，这些研究目 的是获得较好气体穿透深度，改善原有传统注射成型的不足。下面是几个典型的气辅成型工艺 优化方面的例子。 7 浙江t 业大学硕十学位论文 m g i l e l 叫对汽车后盖的塑料板进行了数值模拟分析和统计试验世计方法来优化设计。通过 安排气体注入口的不同位置获得了均匀的制件温度分布，如图1 6 所示。 国1 6 汽车后盖塑料板 冒囊露 f 婚l 簟 鳇蕾雹茎差：! 、兰二：三一一一7 凹1 4 显示器底座创1 复杂形状的制件 s m ac h u n g c h e n 4 埘计算机显示器底座进行了气辅注射成型分析，考察气道形状设计对其 弯曲强度的影响。气道设计增强了底座的结构性能，同时减轻了底座质量，如图1 7 所示。 am 盯c l l l a 对图1 8 所示的复杂形状制件采用中面模型，而不是复杂的二维实体模型进行数值 分析，同样得到了准确的预期结果。数值模拟得到的防止气体吹破熔体前沿的熔体预注射量火 小与试验结果一致。试验得到制件内的气道布局和形状与模拟结果非常接近。并比较r 三维实 体模型和中面模型二者在充填模拟中的熔体前沿位置关系。 气辅成型工艺优化的应用研究不是很多，特别是复杂气辅注望件的工艺优化研究。上述这 些研究的对象几何形状比较复杂，都是采用中面模型进行改善气体穿透深度方面的研究。由于 中面模型本身就是简化的分析模型，利用中面模型分析复杂形状塑什的气辅成型过程，获得的 气辅成型工艺条件与实际情况存在差距。 总的来说，上述这些研究所采用的分析模型一般都是中面模型。虽然分析模型的几何形状 比较复杂，但是仍可以建立中面模型。由于中而模型将熔体的充模流动视为扩展层流，忽略了 熔体在厚度方向的速度分量，并假定熔体中的压力不随厚度方向变化。因此，分析结果是有限 的，不完整的。为了更准确的描述熔体和气体的相互作用，应采用三维实体模型以获得更好的 分析结果。 1 3 本文研究内容 回顾前述的立献综述，可以发现目前气辅成型方面的研究在以下几个方面需要进一步探讨： ：1 ) 气辅成型工艺优化方面的研究仅对工艺参数单独对气辅成型质量进行了研究，没有做 全面的工艺优化研究，并且没有考虑工艺参数之间交互作用的影响。 8 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 研究对象的几何形状比较简单，一般为加强筋或者简单几何模型。大多数研究所采用 的分析模型一般为中面模型，较少使用实体模型来分析气辅成型工艺。 ( 3 ) 气辅成型工艺优化方面研究所依据的评价指标比较单一，不能全面反映气辅成型质量。 针对上述问题，本论文拟以典型汽车注塑件为对象，研究典型汽车注塑件在气辅成型工艺 条件下的工艺优化分析，具体包括： ( 1 ) 气辅成型工艺参数对气辅成型质量的影响趋势分析 对加强筋结构进行两次正交试验设计，以便获得较好的气辅成型工艺参数组合，并分析各 工艺参数单独对气辅成型质量评价指标的影响程度。结合已获得的较好工艺参数组合，通过改 变某一个工艺参数且保持其他工艺参数不变，对比研究四种不同截面形状加强筋在气辅成型工 艺条件下的单个工艺参数对气辅成型质量的影响趋势。 ( 2 ) 分别探讨考虑因子间交互作用与不考虑因子间交互作用两种情况下的气辅成型工艺优 化分析 先对典型汽车注塑件进行不考虑因子间交互作用的正交试验设计，获得一组较好工艺参数 组合；其次，再对其进行考虑因子间交互作用的正交试验设计，对获得试验结果数据进行方差 分析，以便定量分析因子间交互作用对气辅成型质量评价指标的影响程度。接着，综合考虑各 评价指标的具体要求，并获得一组较好工艺参数组合；最后，对比两种情况下的典型汽车注塑 件成型质量情况，得出哪种情况下的工艺条件更符合实际情况。 ( 3 ) 汽车后视镜产品的气辅成型工艺优化应用研究 结合考虑因子间交互作用的正交试验设计方法，对汽车后视镜产品进行气辅工艺优化分析。 然后，再对其进行不考虑交互作用的正交试验设计，并获得较好工艺参数组合。最后，对比后 视镜产品的实际生产工艺，从而对实际生产提出改进意见和完善模拟分析优化的成型方案。 本论文的具体章节安排如下所示： 第一章：简要综述气辅注射成型技术的国内外研究现状，指出相关研究工作的不足之处， 并提出本文所需要进一步深入研究的内容。 第二章：以常见气道结构的加强筋为研究对象，先对其进行初步的正交试验设计，以便获 得各工艺参数的大致范围。然后，在该基础上再进行一次改进的正交试验设计，并获得较好工 艺参数组合。以上述获得的较好工艺参数组合为参考标准，通过改变某一个工艺参数而保持其 他工艺参数不变，对比研究不同截面形状加强筋在气辅成型条件下的成型情况，考察单个工艺 参数对成型质量的影响趋势。 第三章：以气辅把手为研究对象，先对其进行不考虑因子间交互作用的正交试验设计，并 9 浙江工业大学硕士学位论文 获得相对较好的气辅成型工艺条件；其次，再对其进行考虑因子间交互作用的正交试验设计方 法，并对其试验结果数据进行方差分析，以便定量分析因子间交互作用对气辅成型质量的影响 程度，同时优化气辅成型工艺条件；最后，对比两种不同正交试验条件下的较好工艺条件，得 出哪个最符合实际情况。 第四章：以汽车后视镜产品为研究实例，结合第三章的正交试验设计方法，对比研究考虑 因子间交互作用和不考虑因子间交互作用的正交试验设计方法获得的较好工艺条件，从而判断 出哪组工艺条件最符合实际生产情况。最后，对比后视镜产品的实际工艺条件，从而对实际生 产提出改进意见和完善模拟分析优化的成型方案。 第五章：归纳总结本文的研究内容，并提出今后工作的展望。 1 4 本章小结 介绍了气辅注射成型技术及其应用，对气辅注射成型技术的研究现状进行了概述，详细说 明了气辅成型机理研究和气辅成型工艺优化研究。针对目前气辅成型工艺优化研究热点，提出 了本文的研究内容，并简要说明了全文组织结构。 l o 浙江工业人学硕士学位论文 第2 章气辅工艺参数对塑件成型质量的影响趋势研究 2 1引言 气道结构设计是关系到气辅成型工艺成败的关键因素。在气辅成型制品中，气道通道部位 壁厚应比较厚，从而限定气体流动，避免气体穿透熔体时发生气指现象。制品结构决定气道截 面形状，气道形状对制品气辅成型质量的好坏有直接关系 3 6 1 。不同截面形状气道结构的几何尺 寸、位置布局都会影响到气体穿透效果和气体对熔体流动的干涉，从而最终影响气辅成型制品 的质量。 除气道结构对气辅成型质量有影响外，其他诸如熔体温度、熔体预注射量、气体注射压力、 气体延迟时间和气体注射时间等工艺参数对制件的气辅成型质量也有很大影响【3 7 1 。本章以常见 气道结构的加强筋为研究对象，先对其进行初步的正交试验设计，以便获得各工艺参数的大致 范围。然后，在该基础上再进行一次改进的正交试验设计，并获得较好工艺参数组合。以上述 获得的较好工艺参数组合为参考标准，通过改变某一个工艺参数而保持其他工艺参数不变，对 比研究不同截面形状加强筋在气辅成型条件下的成型情况，考察单个工艺参数对成型质量的影 响趋势。 2 2 加强筋结构的气道设计 2 2 1 气辅成型制件的模具设计特点【3 8 】 ( 1 ) 壁厚 气体辅助注射成型中，制件壁厚可以取较小尺寸，气体可利用加强筋等作为压力分布的通 道在制件中均匀分布压力。制件的壁厚一般为3 6 m m ，只要气体能通过流道进入制件，在流动 距离较短或尺寸较小的制件中，壁厚还可更薄( 1 5 2 5 1 1 1 】m ) 。 ( 2 ) 厚薄壁之间的过渡 传统注塑制件的设计要求之一就是保持壁厚均匀，而对气辅注塑成型制件来说，可在同一 制件上有不同的壁厚，在壁的厚薄交接处用气体通道作为过渡，见图2 1 、图2 2 所示。 浙江上业人学硕士学位论文 凹2 - 1 气1 五坦追州j 甘械趣蒜幽2 - 2 气体迪近圳j 瑚厚擘夏谨址 f 3 1 加强筋 在传统注塑成型中，为减小外表面的凹陷，在加强筋与制件相接处，加强筋的厚度一般大 于相接擘壁厚的1 0 0 1 2 5 ，可不导致表面叫陷。注塑制件加强筋儿何形状的设计如图2 3 所示，图( b ) 和图( c ) 为气体辅助注射成型制件加强筋的设计。 ( a ) 传统注射中的强筋议计( b ) 气辅# 打中的 u 强箭一1 ( 0 气辅射中的m 强筋。 酗2 3 注射制品加强筋设训 气辅成型中的加强筋高度( h ) 町以人于壁厚的3 倍，宽度( w ) 可为相接处壁厚的2 倍，两个 加强筋之间的距离不小于相接处壁厚的2 倍，加强筋两侧的脱模斜度应为每边1 。 222 气道设计的一般原则 由于气体总是沿着阻力最小的方向及压力梯度最大方向推动熔体前进，容易在内部熔体温 度较高的较厚部位进行穿透，因此在制件设计叫通常把加强筋或肋扳较厚的部位h j 作气道。总 的柬说，气体辅助注射成型的制件与模具设计，应遵循下面几个设计原则【” ： f 1 1 沿气体通道部位的制件壁厚应较厚，以确保气体在预定的通道内流动，而不会进入邻近 的薄壁部位，若气体穿透到薄壁部位形成了气指效应，则将会影响制品的总体刚度和刚 性。 ( 2 ) 为适当选择浇口位置，应对塑料熔体流八模具中的流动情况进行分析，一般只使用一个 浇口，浇口位置应使“欠料注射”的熔体町以均匀地充满型腔。 ( 3 ) 气体通道的几何形状相对于浇口应是对称或单方向的。气体通道必须是连续的，但小能 自成环路。晶有效的气体通道是圆形截面。 般情况下，气体通道的体积应小于整个制 品体积的1 0 。 浙江工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 普通注塑件加强筋的厚度应比塑件主体壁厚薄( 约为其一半) ，即使这样也免不了在加 强筋所在壁的对面产生凹陷，因此应尽量少采用。在气辅成型中加强筋作为气体通道， 不但可避免产生凹陷，而且可大大地增加塑件的刚度，粗大的加强筋通常不会增加制品 总重，因为平板部分可减薄，在筋中还有大量的气体形成中空。 ( 5 ) 塑料熔体和气体的注入口最好设在制件壁厚处，且该处不宜作为流动的末端。 ( 6 ) 由于气体流动会自动寻找阻力最小的路径，因此沿流动方向气体不会与气道外形尖锐的 转角同步流动，而会走圆弧捷径，这样会造成气道壁厚不均。采用逐渐转变的带圆角外 形可获得较均匀壁厚。从气道的横截面看，气体倾向于走圆形截面，因此气道部分的塑 件外形最好带圆角，同时，其截面高度与宽度之比最好接近于1 ，否则气道外围塑料厚 度差异较大。 ( 7 ) 对于短射成型来说，注入气体前塑料熔体充满型腔的百分数和延迟时间是控制气体通道 长度的主要因素，此外塑料的进一步收缩也会使通道继续加