（精密仪器及机械专业论文）注塑制品模内收缩的可视化实验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 注塑成型技术是大批量生产具有复杂形状的高精度塑件的主要成型方法。注塑制品 的收缩是影响注塑制品尺寸精度的最主要因素。为了探寻注塑模具的型腔结构与注塑制 品的收缩之间的关系，本课题在全面分析注塑成型收缩研究概况的基础上，采用一种新 的实验手段和数据处理方法来进行注塑制品模内收缩的研究。 首先，在总结前人研制的注塑成型可视化模具结构的基础上，自行设计并制造了一 套用于观察注塑制品模内收缩的可视化实验模具。其特点是采用哈夫块结构、用两块石 英平板玻璃实现了以透射光方式观察型腔内塑件的收缩并能自动进行开、合模的动作。 其次，针对所设计的型腔结构，通过控制注射量的大小进行了6 组不同的短射，再 利用数码单镜头反光相机，对各组短射所得塑件在模内放置2 4 小时后的收缩情况，并 进行了图像采集。 然后利用数字图像处理技术，对采集到的模内收缩图像进行型腔边缘和塑件边缘的 提取，再通过直线拟合与计算交点，求得型腔轮廓的转折点位置与塑件轮廓的转折点位 置，从而得到了塑件收缩率与收缩方向的实验数据。 最后对模内收缩数字图像处理所得的实验数据进行综合分析，得出了以下结论：对 于所研究的6 组短射，随着塑件质心位置与浇口之间距离的增大，塑件各点的收缩方向 逐渐远离浇口，并交汇于浇口与质心之间的一个小范围区域：在模内收缩不受型腔结构 阻碍的前提下，塑件纵向的收缩率要大于横向的收缩率；塑件相邻两边的夹角沿着“趋 向1 8 矿”的原则来发生相对于型腔相邻边夹角的变化。 关键词：注塑成型；模内收缩；可视化；数字图像处理 注塑制品模内收缩的可视化实验研究 v i s u a li n v e s t i g a t i o no ft h ei n m o l ds h r i n k a g e o fi n j e c t i o n m o l d e dp l a s t i cp a r t s a b s t r a c t 删e e t i o nm o l d i n gi sap r i m a r yt e c h n o l o g yi t si th a sb e e nw i d e l yu s e di ny i e l d i n gc o m p l e x a n dh i 曲a c c u r a c yp l a s t i cp a r t s h o w e v e r , s h r i n k a g ei st h em o s ti n f l u e n c i n gf a c t o ri n d i m e n s i o n a lp r e c i s i o no f p r o d u c t i o n i no r d e rt o 矗f l dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es h a p eo f t h e c a v i t ya n dt h ep l a s t i cp a r ts h r i n k a g e ，b a s e d0 1 1p a r t i c u l a rl e a r n i n gf o r m e rr e s e a r c ho nt h i s s t o d y ，an c we x p e r i m e n t a lm e t h o da n dad a t ap r o c e s s i n gw a sa p p l i e dt oc o m p r e h e n dt h e s h r i n k a g ew h i c ho c c u r r e di nc a v i t y f i r s t l y an e wv i s u a lm o l dt h a tw o d db eu s e di no b s e r v i n gt h es h r i n k a g ef r o mt w o f a c e t o f a c ed i r e e t i o i l sw a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e di n d e p e n d e n t l yo nt h eb a s eo fo t h e r v i s u a le q u i p m e n t s h a l fs t r u c t u r ew a sa p p l i e da n dt w oq u a r t zp l a n eg l a s s e sw a gm o u n t e do n h a l f p a r t st oi n s u r et h es h r i n k a g ec a nb es e c nf r o mt w oo p p o s i t ed i r e c t i o n s s e c o n d l y , s i xg r o u p so fs h o r t - s h o t ss a m p l e sw e r eo b t a i n e db yc o n t r o l l i n gt h es h o t q u a n t i t y ad i 西t a ls i n g l el e n sr e f l e c t i o nc a m e r aw a se m p l o y e dt ot a k et h es h r i n k a g ep i c t u r eo f t h es h o r t - s h o t ss a m p l ea f t e ri th a db e e nk e p ti nc a v i t yf o r2 4h o u r s t h e n , ad a t ep r o c e s s i n gw a su s e dt od i s t i n g u i s ht h eb o u n d a r yo f t h em o l dc a v i t ya n dt h e p l a s t i cs a m p l ei nt h ep i c t u r e t h ed a t ao f s h r i n k a g ea n di t sd i r e c t i o nw e r eg o tt h r o u g hl o c a t i n g t h e m a r g i n a lm m i n gp o i n t so f t h em o l dc a v i t ya n d t h ep l a s t i cs a m p l eb yu s i n gl i n ef i t t i n ga n d i n t e r s e c t a n tp o i n tc o m p u t i n g f i n a l l y , t h ec o n c l u s i o n sa 坞s u m m a r i z e dt h r o u g hc o m p r e h e n s i v ea n a l y z i n gt h ep r o c a s s e d d a t a t h es h r i n k a g ed i r e c t i o n sw i l lg r a d u a l l yc h a n g ea w a yf r o mt h eg a t ea n di n t e r s e c ti na l l a r e ab e t w e e nt h es a m p l ec o n t r o i da n dt h eg a t ew h i l et h e i rd i s t a n c ei n c r e a s i n g n 圮 l o n g i t u d i n a ls h r i n k a g ei sl a r g e rt h a nt h et r a l l s v e r s eu n d e rac o n d i t i o nt h a tn op r e v e n t i o n c o m e sf r o mt h ec a v i t y t h ea n g l eo ft w on c i g h b o r i n gb o r d e r so ft h ep l a s t i cs a m p l e , w h i l e r e l a t i v et ot h ec a v i t y , c h a n g e sa c c o r d i n gt o 1 8 0 0i n c l i n a t i o np r i n c i p l e k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n g ；i n - m o l ds h r i n k a g e ；v i s u a l i z a t i o n ；d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 篮羔烂 日期：巡：1 2 大连理t 大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、搏士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阑。本人授权大连理 工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，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：一蠡量趣 一 作者签名：一黛垦避 一 导师签氰弼塾哆 母回! 年堕月j 堑丌 大连蘧工夫学疆圭攀赣潦交 1 绪论 1 王麓觜蕊 模纂麓z 簸产菇建产串盛麓广瑟魏王琶装备。巍予袋麓模其避杼惫产煞爨藏 生产效率、节约暇材料、雠低成本，并且在寇的尺寸鞴度范嗣内髓傀诞产懿零 件的同性和飘换性，所以汽举、飞机、拖拉机、呶器、仪袭、玩鼠和日常用鼎 等产晶枯徽雾采用模具进行加工，据统计，利用横黛裔4 造的零件，在飞机、汽擎、 攘挝瓤、溆嚣、仪表等枫摭瞧子产鼹串占6 0 7 0 ；程邀援瓤、泶密壤、诗 葵爨簿惫予产菇审鑫8 0 戳上；穗巍簿车、葶袭、洗农瓿、奄浓箱、惫鼹璃簿 其王妲产晶巾蠢8 5 戳上“3 。豳魏可觅模基和貔们豹 薯常擞活是密切桶燕的，并 且模具的炭烈也璺现出多样化的趋势。模具的种类繁多，按其用途可将熊分为冷 冲雁模、嬲料模、陶瓷模、腾铸横、锻模、粉米榆众模、橡胶模、玻璃横等。冀 中塑辩模其体髓骜塑料工她的举麟发震，新型靛禽成静科秘馥性材粒鹩零鞭堪 壤，缓冀蟪爱戆祭懿嚣簿薹螫。蘩裁搂爨戆秘类豢爹，惫戆蓬蘩褒爨、簧遴模鬟， 注塑模凝和嫒辫骥其等，其巾淀熬摸其爨现代黧料袋囊王戴生产中艇用最为广泛 的模鼠之一。 注黧横鼠怒将熔融的树脂邋谶注魏机高聪打入模鼹型腔来冷却网化成趔塑 件的。滤灏成溅出于能够次成溅形状复杂，尺寸精确的产品，并盥邂墩予离教 攀、大懿爨懿蹩产方式，鞫嚣在萋辩裁蘸孛技广泛褒趱。渡爨壤整跫成淹豢产塑 瓣镑菇虢童簧警羧乏一锚。毽建，彀麓疆来我簪懿注射攘藏设谤囊瑟爨设诗磐熬 经验鞘瓶徽，缺惹科擎依据。对设计巾的缺陷生骤通道反复的试模、修檬采解决， 具有较大的随机性，不仅使横熙的舷产周期增长，成本增搿，而殿臌擞也 隰滩得 到保诚，撼懋可熊因此失去市场崴静力”1 。鼠此i 蒜就攒求人们迫切的澈变嫩产和 浚计方式，邀褥诗葵枫辅渤潍跨( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ，c a d ) 技术裁艨撩瓣裳， 诤冀税麓麓浚圣 鬏零黪蠢凌嫒旗爨我诗太爨酸繁蘸瓣舞动枣瓣疑惑寒。羲久渡 来，入稍纛潮麓毹预测注射成溅辩爨料熔体谯横蕊禳腔巾豹流动情况及黧料制 品在模擞溅腚内的冷却、固化过程，以便在模媳制潋之前就能发现 鼗计中襻猩的 问题，修澈圈纸丽不是返修檬舆，没射模c a e 技术的出现，使人们的邀愿麓炎 为瑗炭。计黧枫辅助工程( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g 。c a e ) 技术瞧避遮宠成 蚤静诗算_ 耱努瓣。淀奏重搂激蓉投拳裁蹩鬟鬃璧鬟燕王浚奎警鞠建熬擘黪蒸零壤谂， 建囊爨瓣熔锩纛模舆塑膣巾熬流动，传熟熬钧缓数学镁黧，剩臻数缀净舞瑷谂鞫 造其求解舟法，刺用计冀机阁彤举技术程计算机屏幕上形苏、直观地模拟出嶷际 成型中燃体的动态充填，冷却过稔，定量地络出成缀过程的状态参数( 血玎聪力、 注塑制品模内收缩的可视化实验研究 温度、速度等) 。利用注射模c a e 技术可在模具制造之前，在计算机上对模具设计 方案进行分析和模拟来代替实际的试模，预测设计中潜在的缺陷，突破了在注塑 机上反复试模、修模的传统模式，并为设计人员修改设计提供了科学的设计理论 与方法。c a e 技术的应用带来的直接好处是省时省力，减少试模、修模次数和提 高模具设计成功率，缩短模具设计制造周期，降低成本，提高产品质量。因此采 用c a d c a e 技术，则会事半功倍，取得显著的经济效益“4 1 。 注塑制品的成型是一个非常复杂的多因素耦合相互作用的动态过程，在这一 过程中每个因素对制品的成型质量都会产生重大的影响。对于注射成型过程可以 通过c a e 手段进行研究，通过计算机模拟整个注射过程并预测注射结果。但是计 算机模拟要想做到同真实的注射充模过程完全一致是很困难的，因为用计算机进 行模拟时，往往是忽略一部分因素的影响，同时c a e 软件也是以实验为基础的， 而且有些充模成型规律是在当前c a e 软件中还没有被体现的，因此这就需要通过 其他的手段进行研究才能够得到验证，这样动态可视化技术就应运而生。在充分 发挥c a e 软件功能的基础上，对注射充模过程辅助以可视化实验研究是很有意义 的。通过可视化技术可以直接观察到模腔内塑料树脂的成型过程，明确各种注射 成型缺陷的产生机理，同时通过可视化技术收集到的信息又可以用来验证c a e 数值模拟结果，迸一步优化c a e 技术，提高c a e 模拟软件对注塑过程模拟的正确 性。 1 2 注塑制品成型收缩的影响因素的研究概况 影响注塑制品成型收缩的因素有很多，成型材料的物理特性( 包括高聚合物 的分子链结构、结晶度、力学性能、流变性能等) 、注塑成型工艺条件( 包括注 射速度、保压压力、保压时间、冷却时间等) 和注塑模具设计( 包括模腔结构、 浇口位置和数量、冷却回路分布等) 等都影响其收缩行为。随着科学研究的发展， 国内外学者从不同的方向和角度，采用不同技术对塑料的收缩进行了研究，并且 取得了丰硕的成果。 目前，注塑制品收缩研究主要集中在以下两个方面：一是以注塑成型实验为 基础的研究；二是利用计算机辅助分析进行的研究。 ( 1 ) 注塑成型收缩的实验研究 国外对注塑成型收缩的实验研究工作起步较早，早期的研究工作主要集中在 寻找各种工艺条件和注塑制品收缩之间的关系上。 r g e g b e r s 和k g j o h n s o n 对不同牌号的h d p e 在不同的冷却时间、模具温度、 熔体温度和注射压力下，采用不同的浇口尺寸测试该材料的收缩情况，得出8 0 的收缩率是由制品厚度和浇口尺寸大小造成的，其余2 0 的收缩与成型条件有 一2 大连理工大学硕士学位论文 关”。g r i d p h e b e r t 和l p s a l l o u m 通过实验测量t p o m 在充填体积为3 0 时， 玻璃纤维的温度变化对收缩的影响，并用统计法总结出了收缩与制品和模具温度 之间的关系”。g s a l l o u m ，d c h a r l a n d 和b s a n a c h r i n 在进行了大量实验后 认为影响塑件收缩率的工艺参数依次是保压压力，冷却时间、模具温度、最大注 塑压力、熔体温度( 按影响作用从大到小排列) ，他们认为塑件的收缩和工艺参 数呈线性关系，并且建立了平板塑件的收缩模型0 1 。b s a n s c h a g r i n ，s r i v a r d ， l p h e b e r t 和p g i r a r d 着重研究了纤维增强材料的收缩性能，建立了一个预 测纤维增强材料的收缩模型。通过实验，他们指出：影响增强纤维材料轴向收缩 和横向收缩的因素有保压压力、注塑速度、熔体温度、模具温度及增强纤维的比 例，其中增强纤维比例对收缩的影响最大，其次是保压压力和模具温度嘲。v l e o 和c c u r e l t i e z 研究了浇口的几何形状、工艺参数和模具弹性对制品最终尺寸的 影响“”。b h l e e 用工程优化的思想来指导设计塑料的产品和选择成型工艺，在 设计注塑制品方面率先打破了制品厚度尽可能均匀的规则，他认为通过改变制品 厚度和成型时间是可以有效地减少塑件的收缩不均匀和翘曲，他在正交实验法和 信噪比分析原理的引导下，将不同壁厚看作可控制的设计因素，而将注塑时间、 熔体温度、冷却速度等工艺变量看作噪声因素，从而得到了不同壁厚因子组合的 制品壁厚，并且对每种壁厚模型采用极差分析法，获得了最优壁厚和最佳工艺设 置1 “。 国内很多研究人员也用实验的方法对注塑制品收缩进行了大量的研究。 四川大学的王鹏驹、李化雨用实验方法研究了流动熔体流动性、分子取向、 添料等因素对聚碳酸脂成型收缩的影响。研究结果表明，p c 的尺寸稳定性较好， 收缩率为0 3 0 8 ；流动性好的p c 比流动性差的p c 的收缩率大；平行于流 动方向的收缩率比垂直于流动方向的大；添料的加入，会使p c 制品的成型收缩率 大大降低，并使得成型收缩率的波动大大减小了“”。 四川大学的杨其、王鹏驹等人采用a s t md 9 5 5 - 8 9 标准测定了a b s 塑料在不同 工艺条件下注射模塑的成型收缩率，得出了a b s 塑料的成型收缩率随工艺条件的 变化规律，为制定合理的工艺条件进行了正确的工艺控制和模具设计，从而为生 产出合格的产品提供了重要的依据n 3 1 。 河南科技学院的杨凤霞、片春嫒讨论了聚酰胺( p a ) 注塑成型过程中模腔平 均压力、熔体温度、模温、充模速率、成型时间等工艺条件对其收缩率的影响和 制品后收缩率的因素。给出了减小制品收缩率和提高制品尺寸稳定性的方法“。 漳州工业学校的王志连提出了产生注塑成型收缩的原因，并从塑料特性、塑 件结构、模具结构与注射工艺等方面深入分析了影响收缩波动的各种因素，给出 了确定的指导方法n ”。 注螫嗣鹣摸雨l | 殳壤豹霹援纯实验秘究 郑州大学的王利霞、王蓓等，以收缩和沉降斑作为衡量注塑制品质量的两个 重要指标，进行了正交模拟计算试验，研究了工艺参数对注塑制品内最大沉降斑 和体积收缩搴变化的影响，通避优化工艺参数，使体积收缩率的变化和沉鼯斑指 数透虱了菠夺“8 。 大连理工大学的于同敏等从黧料特性、成螫工芑及塑件结构方面避行了难交 模拟计算试验，揭示了注塑成型收缩和塑件尺寸之间的关系，提出了减小成型收 缩的相应措鸯艇，为精密注塑成戮提供了技术支持“”。 ( 2 ) 淀熄成型收缩的计算机辅助分析研究 注塑残囊浚缓瓣诗算掇璇秘分辑疆究毒秀季孛，一耪楚投霪毫分子携壤学、传 熟学等自己遴行编程谤算，另一牵争是利用现成静c a e 软件进行计算辊模瓠试验。 自编稷序模拟 r y c h a n g 和b d t s a u r 研究了塑料的结晶性能对制品的残余应力、收缩、翘 曲的影响，他们用改进的t a i t 方程来描述结晶塑料的p 一卜t 关系，用m a l k i n 结晶 动力学理论掇述了塑秘熬结燕 予为，雳线毪糕弹模型诗算了浚穗残余应力_ 葶拜热残 余应力，霉褥谤髯豹残余应力终为溢俸力学努辑豹裙始祭箨，爱三维鸯羧元法来 计算收缩和越曲。并用上述方法对结晶型塑料p p 和滗定型塑料a b s 的平板测塑件 的收缩、翘曲和缩痕进行了预测“”。w d i s c i p i o ，a w a g l e 和s p m c c a r t h y 研究 了塑料冷却、分子取向松弛和结晶性能( 对于结晶激黧料) 所造成的收缁，将收 缩翘曲特毪号糖辩热膨胀系数联系起来，著认为收缩越鞠结票菝赖于分予和纤维 豹取两、嚣力帮澄度分毒、残余寂力翡正臻羲溅。 1 j f g h a i s i t e n d ，j r r i n d e r i e 和n p s u c h 在塑料制品收缩研究中考虑了压 力、温度、体积三者之间的关系，根据塑料p v - t 实骏曲线分析可能产生的体积 收缩，并采用体积法对收缩量进行了补偿”1 。w b h n i e v e l s t e i n 和g m e n g e s 着 重研究了保羼艇力摸具温度、制晶厚度、熔体流动方向对收缩的影响，采用线性 叠麴蒙毽获撵镁测牧缓戆经验援蹩”“。l 耩。b + j a n s e n ，g t i t o m a n t i o 建黢7 一 个薄壁络鑫缝注塑制品的残余疲力和收缩的篱单弹住模型。该模型描述7 带板平 面方向和厚度方向的各向异性收缩，并指出收缩的产缴是由塑件变形中不间的强 制力而引起的m 】。 s f w l s h 考虑结晶、流动方向、模内限定效应和冷却应力松弛的影响，给出 了各囊舅援瓣渡缭帮苓弱因素影螭熬麓投公式，比较夔礁瓣颈测了竣缠翻戆麴静 大小鼢。 郑州大学的申长雨、陈静波椁在基于注射成型傈聪过程的认识上，通过使用 粘性、可雁缩非牛顿流体的基本方程，得到了注射模保压分析过程的控制方程， 采用数值方法实现了对保压过瑕的数值模拟以及收缩计算。 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学的姜开宇等以大量的试验为基础研究了各种工艺参数对大型 聚氨酯弹性收缩的影响，通过建立了制品的结构模型，基于人工神经网络的技术 对大型聚氨酯弹性体进行预测”1 。 运用c a e 软件模拟 对注塑成型过程的数值模拟始于2 0 世纪6 0 年代。2 0 世纪9 0 年代以后，流 动、保压、冷却分析的计算逐步成熟，许多学者在此基础上开始预测制品的形状 尺寸( 即进行翘曲分析) 从而开发出了很多用于模拟成型收缩的软件，例如澳大 利亚m o l d f l o w 公司的m o l d f l o w 软件，美国a c t e c h 公司的c - m o l d 软件，还有 国内华中理工大学开发的塑料注塑模c a d c a e c a m 系统h s c 6 0 ，郑州工业大学 研制的z - m o l d 分析软件等。 g o r d i l o ，a r i z a ，d 和s a n c h e z s o t o 在考虑塑料的几何因素( 如：塑件厚度、 长度、取向) 和工艺条件( 如：注射温度、保压压力、保压时间) 的影响下，揭 示c m o l d 系统模拟结构和实验的塑件收缩的一致性”1 。 c h e t a n n i r k h e ，s a t i s hs s h a r m a 和c a r o lm b a r r y 用m o l d f l o w 软件预测收缩 的三种模型研究了影响预测结晶型和非结晶型材料收缩的因素o ”。 日本丰田中央研究所的i m a p 软件与澳大利亚m o l d f l o w 公司的m o l d f l o w 软件 采用热弹性模型来计算注塑制品的残余应力与翘曲变形啪1 。 上海交通大学马浩军利用m o l d f l o w 软件，分析了几种典型注塑件的收缩以及 引起凹陷等问题的原因啪1 。 大多数的注塑成型收缩的计算机模拟试验是通过使用现有的注塑模c a e 软 件来研究注塑工艺参数、塑件结构等对注塑制品收缩率的影响，由于模拟时采用 的成型材料及注塑工艺条件和具体实际情况存在着一定的差异，所以该类研究只 能对预测注塑制品的收缩起到辅助的作用。 1 3 注塑成型可视化的研究概况 注塑成型制品现在已广泛用于工业产品的结构零件或装饰部件，因此其成型 质量显得越来越重要。表面成型缺陷不仅影响制品外表面的美观，而且往往也是 注塑成型工艺条件、模具和成型物料选择不当的反映或者是产品内在质量不良的 外部表征，所以人们采用各种方法试图准确找出塑料成型过程中缺陷产生的原 因。 对于注塑成型过程的可视化实验研究，早期主要通过短射( 或称欠注) 、双 色注射、脉冲着磁显影等静态可视化实验手段来探寻注塑成型的规律，研究成型 产品质量缺陷产生的原因，并在这些方面积累了一定的实际经验。静态可视化技 5 注塑制品模内收缩的可视化实验研究 术中，利用双料筒进行双色注射成型的着色静态可视化和在物料中混入磁性材料 的着磁静态可视化能够较好地反映物料流动轨迹。 着色静态可视化方法是在一个成型周期中，通过入口切换装置顺次或交替将 两种不同颜色的树脂注射到型腔中，利用成型结果中不同颜色的物料分布可直观 的反映出整个成型过程。 脉冲着磁显影方法是将磁带记录的原理应用到可视化研究中。树脂原料中首 先混入一定比例的磁粉，注射过程中通过浇口位置铁心产成的脉冲磁场使一部分 磁粉着磁，再将制品切片放入磁场检测液中显影实现可视化研究。该方法可对夹 层、型腔内阶梯处流动、补偿流动、低速或高速充模过程、纤维趋向和流动问的 关系、流动前锋的流动状态、半导体封装过程等进行可视化实验分析。但磁粉的 加入对树脂性能有所改变，并且实验条件要求苛刻，影响其应用效果。 静态可视化实验所能提供的信息比较有限，而利用透明视窗和摄像机的动态 可视化研究使人们能够直接观察到注塑成型过程，这对研究注塑成型机理、找出 注塑制品质量缺陷的产生原因等有重要意义，因此注塑成型动态可视化技术越来 越被研究者所关注。 日本在动态可视化模具方面起步较早，技术也比较成熟，尤以日本东京大学 横井实验室为代表。横井秀俊教授等人研制成功了二向可视化模具、基于热电偶 传感器的脱模过程可视化模具、基于图像扫描器的脱模过程可视化模具、半导体 封固成型可视化模具、半导体封固成型模向可视化模具、大型三维可视化模具、 直流道可视化模具、能够对流动前沿位置进行跟踪观察的实验装置等啪1 。他们通 过自己开发研制的可视化设备研究了叉状的注塑制品的料流过程，发现相比模具 温度和材料特性，不均衡的模具设计会带来更多的问题；此外，低粘度的树脂材 料可以更均衡的填满型腔；注射速率的高低在很大程度上影响熔体的流动行为。 日本东京工业大学的佐藤薰教授等人对充模过程进行动态可视化观察，研究 了波纹状流动痕迹的成型机理，得到了流动痕是由于紧邻接触线后方的正在固化 的区域的不均匀热收缩引起的结论。“。 美国伊利诺斯州大学的d a n i e lz t u r n e r ，k e i t hd h j e l m s t a d 等人做了玻 璃纤维增强塑料的三维流动可视化实验。通过实验清楚了玻璃纤维增强塑料的注 塑填充过程”“。 美国德拉瓦大学机械系的s i m o nb i c k e r t o n ，s u r e s hg a d v a n i 针对液体模 塑工艺，做了跟踪熔体前沿流动情况和注塑压力过程的可视化实验，他们实验模 具型腔是一个简单的矩形形状，模腔的厚度可调。此外，他们还对造成实验误差 的来源作了分析，。 大连理工大学硕士学位论文 土耳其g a z i 大学机械教育系的a o z d e m i r ，0 u l u e r 等人设计制造了一套可 视化实验模具，研究热塑性材料h d p e 和p p 填充模腔过程中的融熔流体前沿情况。 通过五种不同的注射压力和六种不同的注射速率组合改变成型工艺参数。填充过 程由每秒钟2 5 桢图像的可携式摄像机摄影纪录，然后转换成j p g 和b m p 格式的 图片，进行处理。同时用m o l d f l o w 软件作了注塑模拟分析，并对模拟分析和实验 结果作了比较1 。 法国南特大学的y o u s s e ff a r o u q 等人设计了一套测量注塑模温度场的实验 装置，模腔内装有微型热电偶。同时，用m o l d f l o w 和c a t l d 软件模拟分析温度场 的分布，通过对温度场的分布的研究工作达到对注塑模制件尺寸的控制”。 瑞士机械工程有限公司的工程师将压力传感器放置在模腔内靠近浇口位置， 用收到的压力信号对注塑机进行监控，达到对注塑过程的更好控制，此外，还研 究了直接和间接模腔压力测量的原则。 国内关于可视化技术在注射充模的研究还处于起步阶段，研究的人员比较 少，8 0 年代，西北工业大学林德宽、马天宝采用银幕投影和高速摄影法，观察熔 料在玻璃透明模中的充模行为，并对充模流动形式、补料与卸料、融合与拼缝、 收缩、凹陷与缩孔、浇口及其位置的影响等作了深入的讨论与分析，重点总结了 铺展流动充模的特点。”，林德宽、马天宝利用透明模具设备研究塑料注射充模流 变，观测研究喷射充模流动与熔接痕。通过利用改变型腔厚度、浇口尺寸位置， 以及在不同位置安放特殊形状嵌件的方法，探讨产生喷射现象和熔接痕形成的规 律。发现喷射流动产生的原因除与浇口尺寸有关外，还与材料的性质、浇口位置、 型腔厚度等有密切关系；熔接痕产生的原因有许多，比如塑料制品带有嵌件或有 孔、制品壁厚不均匀；有两个以上的浇口等，他们提出了防止喷射及改善熔接质 量的建议。同时，利用在透明模内装置偏振光镜片，分析了注射制品浇口区附近 及熔接痕的内应力分布规律。 北京化工大学注射成型可视化实验室的杨卫明教授等人在这方面做了大量 的研究工作“，他们在东京大学的可视化模具的基础上，通过对模具中玻璃形 状的改进并采用插件形式的视窗，改善了可视化模具的观察环境，开发出了改进 型的可视化模具。最近，他们采用动态和静态两种可视化方法进行实验验证的过 程。同时利用c a e 软件m o l d f l o w 计算并分析填充过程后，利用动态和静态两种可 视化方法进行实验验证的过程，对多型腔“h ”型流道系统的注射成型填充不平 衡现象的产生机理进行了研究，揭示了导致不平衡填充的根本原因在于熔体经 过分叉后流道截面内不对称的温度分布所致“2 “1 ，孙翔、杨为民等人采用可视化 方法，借助于注射成型可视化实验装置，直接观察并记录了注射成型过程中缩痕、 喷射、银纹、气泡等几种典型缺陷的产生过程。分析了这些缺陷的产生机理，为 注塑制品模内收缩的可视化实验研究 研究排除制品缺陷提供了理论依据，还可能发现加工成型过程中的某些未知现 象。 江苏工学院的骆志高等人利用热电偶对注塑模腔温度场进行动态测量，并由 实验数据推导出一元回归曲线方程，找出了注塑模温度场和冷却系统之间的规 律。 上海交通大学的黄峡宏等人设计带压力传感器和热电偶的矩形模具进行了 聚苯乙烯在不同工艺条件下的注射成型实验3 。 首钢日电电子公司的祝斌为了解决半导体树脂封装体中造成的流动空隙问 题，应用玻璃嵌入式新型可视化模具观察树脂在模腔中的流动状态以及空隙的分 布。同时，还对玻璃模腔和金属模腔在相同工艺条件下的试封样品的树脂流动情 况进行了分析比较，得出了即使模腔面采用玻璃材质，树脂的流动也未受到很大 影响的结论。在实验装置上，还在模腔门部及上侧模腔插入水晶压电式压力传感 器来测量模腔内树脂的压力“”。 哈尔滨工业大学的戴福洪等人开发了一种用于树脂流动检测的新型光纤传 感器，并利用该光纤传感器捕捉塑料熔体流动前沿的监测“。 台湾长庚大学机械系的刘士荣等人利用动态可视化技术研究液体辅助射出 的成型过程。他们设计制造了一套用于研究流动可视化的实验模具，用高速摄像 机纪录物料填充矩形模腔的过程，其中模腔的尺寸和形状有多种可以更换，他们 还对气体辅助射出成型和液体辅助射出成型过程作了比较。 台北科技大学的黄荣堂等人用设计的小尺寸、抗腐蚀的压力传感器测量注塑 模型腔内的压力变化，他们运用m e m s 技术，使传感单元达到了高性能、低功耗”1 。 可视化技术在注射充模领域具有巨大的研究潜力。可视化技术与c a e 模拟技 术的有机结合将成为注射成型过程研究的一种重要手段。 1 4 课题研究的意义和内容 1 4 1 课题研究的意义 注塑制品的收缩可以划分为模内收缩与模外收缩两个阶段。以往有关注塑制 品收缩的实验研究都是在注塑制品脱模后进行模腔尺寸与塑件尺寸的测量，所测 量到的塑件收缩包含了模内收缩与模外收缩，与实际注塑成型的情况相符，但是 有两个缺点：1 测量精度不高；2 数据信息不全。 注塑制品脱模后进行收缩测量的已有方法中，游标卡尺、千分尺、三坐标测 量机等接触式测量仪器因存在测量力而引起较大的塑件尺寸测量误差，并且取点 数量不足、数据之间的内部联系难以分析；至于非接触式测量仪器中常用的万能 8 大连理工大学硕士学位论文 工具显微镜和投影仪，由于需要人工采集数据点，因此在数据采集过程中，塑件 以及模腔的轮廓边缘点的拾取没有固定的准则，由此带来了取点误差。为了提高 注塑制品收缩测量的精度，首先应采用非接触式测量方法，其次要在轮廓边缘点 的定位问题上有统一的准则。 注塑制品脱模后进行收缩测量的第二个不足是只能进行塑件尺寸与模腔尺 寸的对比，而不能获得收缩方向上的信息。并且注塑制品很可能由于厚度方向上 的不均匀而引起脱模后的翘曲变形，或在脱模时可能在推出系统的作用下发生变 形，从而对收缩的研究带来变形等干扰因素。因此，模内收缩的研究与模外收缩 的研究各有其必要性，需要结合起来，其中首先应进行模内收缩的研究，它是进 行模外收缩研究的基础。 图像采集与数字图像处理相结合的测量方法属于非接触式测量方式。它与万 能工具显微镜和投影仪的测量方法相比，不仅在轮廓边缘点的定位问题上能够避 免人工选取时无统一准则所带来的误差，而且数据点采集完整、数据记录效率高， 将大大降低塑件轮廓取点与模腔轮廓取点时工作人员的劳动强度。 为此，运用图像处理技术进行模内收缩的可视化研究是非常有意义的。 1 4 2 课题研究的内容 首先，借鉴已有的注塑成型充模过程可视化实验模具结构，结合本课题的研 究目标，设计制造一套经济实用的注塑成型模内收缩可视化实验模具。 其次，利用注塑成型模内收缩可视化实验模具进行系列的注塑成型实验，并 对塑件在模内的收缩进行图像采集，获得大量的模内收缩图像，供下一步处理。 再次，对采集到的模内收缩图像利用数字图像处理技术提取出模腔边缘与塑 件边缘，在此基础上进一步得到收缩方向与收缩率的测量结果。 最后，对大量的处理数据进行分析归纳，总结出一些模内收缩规律。 一9 注塑镧慧攘内羧续懿霹撬证实验瓣究 2 注塑成型模内收缩可视化实验装置的研究 秘用透孵褫窑进行注塑成烈霹税纯鼹察，是通过程注射模具内嵌入瓣菇滠赢 歪靛石英瑗壤，采蔫爱瓣笼( 黧黧2 ，l 瑟示) 或者透掰毙( 翔踅2 2 掰示) 戆方 式，通过商遴摄像机或照相机等黼像采集设备来采榘注塑成型过程的图像。 图2 1 测拜l 反射光送行蕊察鹣方式 f i g 2 + 1 t h ev i s u a lm e t h o do f r e f l e c t i o n 口 照相机 圈2 。2 利用透射光进行观察的方式 f i g 2 2t h ev i s u a lm e t h o do f t r a n s m i s s i o n 为了能够采集到清蹶的模内收缡图像，本研究采用透射光的方式进纷搿视他 试验装嚣夔疆翻。与嚣建复射必避翁鼹察稳魄，囊恁遴瓣毙遴行褒察骞瑷下饶熹： ( 1 ) 躐察效果好。利用反射光进行露察的方式，不麓使塑件边缘麓黧腔边 缘之间的空隙成为与塑件及型腔肖高的亮度反差的区域，从而不利于在麟续图像 处理中提取嫩件边缘与型腔边缘。而利用透射光的方式进行观察，因为用予勾勒 大连理工大学硕士学位论文 型腔轮廓的金属材料是不透明的，所以只要使观察- t 女 j 笼罩与黑暗之中，则塑件 与型腔之间能够透过对面入射光线的明亮空隙必然会与黑的型腔产生极大的亮 度反差，至于在塑件边缘处制造亮度反差的问题可以通过在注塑材料中加入深颜 色不透明的色母料来解决。 ( 2 ) 温度场和塑料熔体流场均衡。与利用反射光进行观察的方式中型腔上、 下表面分别为石英玻璃板和金属板相比，利用透射光进行观察的方式中型腔的 上、下表面皆为石英玻璃板，因此不存在型腔厚度方向上因热散失速度不同而带 来的温度场不均衡问题以及因流动阻力不同而带来的塑料熔体流场不均衡的问 题。 2 1 注塑成型模内收缩可视化实验模具的结构 进行可视化实验装置设计制造过程中需要考虑的因素很多，其中最重要的是 透明视窗的材料和结构的选择。因为可视化窗口是用人们可以观察到型腔内塑料 流动与收缩等情况的透明材料( 即无机玻璃与有机玻璃) 而不是钢来做成型结构 的，而玻璃要满足实验的装配要求和使用要求则存在很大的困难，因此玻璃的正 确选择是实验成败的重要原因。在可视化实验装置设计和制造过程中对玻璃选择 需要考虑和解决的问题如下： ( 1 ) 耐高温问题。在注塑成型过程中，型腔部分直接与高温的熔融塑料相 接触，因此要求所选用的窗口材料能够耐受3 0 0 。c 以上的高温。这样有机玻璃便 被排除选择。 ( 2 ) 强度问题。无机玻璃刚性大，抗冲击能力弱，型腔内塑料熔体压力急 剧增大时，易使玻璃破碎。 ( 3 ) 加工问题。与金属相比，无机玻璃的加工难度要大得多。如果所设计 的可视化窗口形状复杂，加工成本将大幅度上升。 至于热膨胀系数不同的问题，由于无机玻璃的热膨胀系数比金属的热膨胀系 数小( 普通玻璃的热膨胀系数为9 6 1 0 1 k ，金属的热膨胀系数为1 1 1 0 k ) ， 因此不会出现因玻璃热膨胀速度超过金属热膨胀速度而将玻璃挤破的情况。 从强度因素上考虑，在无机玻璃中把透明石英玻璃作为可视化窗口材料的最 终选择。这是因为石英玻璃具有以下优点： ( 1 ) 耐高温性能好。石英玻璃的软化温度为1 7 3 0 。 ( 2 ) 耐急冷急热性能好。石英玻璃的热膨胀系数为5 4 x1 0 1 k ，仅为普通 玻璃的1 2 0 。由于石英玻璃热膨胀系数极小，故具有很高的耐急冷急热性，透 明石英玻璃在电炉中于1 1 0 0 c 下灼热1 5 分钟，然后投入冷水中，可以经受3 5 次循环而不破裂。 注塑制品模内收缩的可视化实验研究 ( 3 ) 强度高。透明石英玻璃由高纯度石英砂熔炼而成，内部杂质与缺陷极 少，表面结构致密，抗压强度达1 0 0 0 m p a 。 我们在借鉴前人的注塑成型充模过程可视化实验装置的基础上，设计制造了 一套用于观察注塑成型模内收缩的可视化实验模具，如图2 3 所示。 乱模具装配主视图 a f r o n tv i e wo f m o l da s s e m b l y 大连理工大学硕士学位论文 b 模具装配右视图 b l a t e r a lv i e wo f m o l d 釉s e m b l y 图2 3 可视化注塑模具装配图 f i g 2 3t h ea s s e m b l ym a po f t h ev i s u a ld e v i c e 1 0 1 一定模固定板；1 0 2 一定模板；1 0 3 一动模固定板；2 0 1 一前石英玻璃板：2 0 2 一动模前镶块 2 0 3 一动模后镶块；2 0 4 一后石英玻璃板；3 0 1 - 定位环；3 0 2 - 浇口套；3 0 3 一前支承块； 3 0 4 一前锁紧块；3 0 5 一动模前压块；3 0 6 - 前垫块：3 0 7 - 后垫块；3 0 8 一动模后压块； 3 0 9 一底项杆；3 1 0 一后锁紧块；3 1 1 一后支承块；3 1 2 一斜导柱；3 1 3 一导柱；3 1 4 一导套； 4 0 1 一圆柱头内六角螺钉m 6 x 2 0 ；4 0 2 - 圆柱头内六角螺钉 1 8 x 6 0 ：4 0 3 一圆柱销中8 x 0 5 ； 4 0 4 - 平端紧定螺钉m 1 2 x 1 5 14 0 5 一圆柱头内六角螺钉_ 1 1 2 x 8 5 ；4 0 6 - 圆柱销o1 0 x 4 5 ； 4 0 7 圆柱头内六角螺钉m 1 2 x 3 0 ；4 0 8 一圆柱头内六角螺钉m 1 2 x 4 5 ；4 0 9 一圆柱销中1 0 x 4 5 ； 4 1 0 一圆柱头内六角螺钉_ 1 1 2 x 3 0 ；4 1 1 - 圆柱头内六角螺钉m 8 x 7 5 。 模具开模时，动模固定板1 0 3 带动哈夫块向后移动，固定在定模板1 0 2 上的 斜导柱3 1 2 为哈夫块提供侧向分型力，哈夫块在在侧向分型力的作用下，沿着t 型槽向两边滑动，直到斜导柱完全与哈夫块分离，侧向分型结束。 合模时，动模部分前移，斜导柱进入哈夫块的导向孔后，为哈夫块侧向合模 驱动力，哈夫块沿着t 型槽滑动，最终完成合模动作。 1 3 注塑制品模内收缩的可视化实验研究 锁紧块3 0 4 、3 1 0 为模具提供注塑成型时的锁模力。为保证模具型腔的可见 性，模具的前、后锁紧块又各分成了左、右两部分，以使位于中间的型腔不被左、 右两个锁紧块遮住( 如图2 3 b 所示) 。动模固定板上的支撑块用来改善锁紧块 的受力情况，以提高锁紧块的锁模可靠性。 在对模腔进行设计时，为了研究型腔结构对注塑制品模内收缩过程的影响， 我们设计了飞机形的模腔结构，并初步研究了台阶型结构对注塑制品在模内收缩 过程中的影响。模腔的轮廓如图2 4 所示，图中标出的点a 、b 、c 、d 、e 、f 、 g 、h 是在目前的模内收缩研究中涉及到的模腔轮廓转折点。设计模腔轮廓时有 意设置了这些转折点或称标志点，以便于将模腔上的点与塑件上的点对应起来。 图2 4 模腔的轮廓 f i g 2 4 t h es h u c t u r eo f t h ec a v i t y 2 2 图像采集设备 本次实验主要是为了通过可视化实验装置来观察塑件的模内收缩情况并对 注塑制品轮廓与模腔轮廓进行图像采集，以便通过图像处理来研究模内收缩过程 中的一些规律，因此图像采集设备在本次实验中起到非常重要的作用