（载运工具运用工程专业论文）汽车薄壳注塑件翘曲变形及注塑工艺优化研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 常规汽车用注塑件注塑成型工艺已为人们所熟悉，相关理论已经非常成 熟，但薄壁注塑成型则不然。这是因为随着塑件壁厚不断变薄，聚合物熔体在 型腔中冷却迅速，使得成型难度加大，导致聚合物熔体在薄壁型腔内的流动行 为也与常规注塑成型有所不同，有许多问题尚待研究。汽车注塑薄壳件是一种 典型的注塑加工零件，翘曲是其制造过程中的主要缺陷。汽车诸多注塑薄壳件 制品由翘曲引起的形状偏差会严重影响产品的质量。注塑成型过程是一个高 度非线性、时变性的多参数作用过程。由于此过程具有多个参数相互作用并随 时间变化的特性，所以每个参数对最后制件质量的优劣都具有不同程度的影 响。为了减少最终制件的质量缺陷，提高生产质量，需要对整个成型周期中工 艺参数进行检测控制，使对最终制件质量影响较大的工艺参数能保持在最佳范 围内，从而确保制件质量达到最优。 本课题利用一套轿车薄壁制品模具对薄壁成型工艺进行研究。成型塑件壁 厚小于2 咖( 为了考虑厚度对填充行为的影响，试验期间曾对成型塑件壁厚进 行调整) 。塑件成型过程采用了m o l d f l o w 软件进行数值模拟，研究了注射压 力、注射速度、模具温度、熔体温度、注射量和塑件厚度等因素对填充率的影 响，同时也探讨了熔体温度与注射速度之间、注射速度与注射压力之间的交互 作用。 本文将汽车薄壁注塑件的数值仿真模拟结果应用于正交试验，通过极差分 析和方差分析方法，综合考察及评价了多个工艺参数对注塑翘曲变形量的影 响，获取了最佳的工艺参数组合；同时，还研究了不同工艺参数对注塑过程翘 曲变形的影响程度。研究结果表明：除注射时间外的其它工艺参数如注射温 度、保压时间等参数对翘曲量控制同样起到不可忽视的作用，最佳的工艺参数 组合可以使得塑件翘曲量变为最小在实际生产应用中，最佳工艺参数组合使 得翘曲变形产生的废品率大大降低，首次通过率得到显著改善，减少了二次加 工的几率和成本，产生了明显的经济效益。 关键词：薄壁注射成型；正交试验；影响因素 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r o c e s sa n dm e t h o do ft r a d i t i o n a l 硒c c t i o n m o l d i n g a r ca i l r e a d y c o n s u m m a t ew h i c ha r cd i f f e r e n tf l o r at h a ti nt h i n - w a l li n j e c t i o nm o l d i n g i ti sm u c h m o r ed i f f i c u l tt of i l lt h ec a v i t yb e c a u s et h cm e l ti sf i o z e nv e r yq u i c k l yw h e nt h e t h i c k n e s sb e c o m es m a l l e r a l s o ，t h ef l o wb e h a v i o ro ft h ep o l y m e rm e l ti nt h i n - w a l l i n j e c t i o nm o l d i n gi sd i f f e r e n tf r o mt h a ti nt r a d i t i o n a lc o n d i t i o n m a n yp r o b l e m sa r e u n s o l v e d t h i n - w a l lp l a s t i cp a r t sa r ev e r yt y p i c a lo n e si na u t op r o d u c t si nw h i c hw a r p i st h em a i nd e f e c ta n dl e dm a n yf m a la s s e m b l yf a i l u r e p l a s t i ci n j e c t i o ni sn o n - l i n e a r a n df l e x i b l em u l t i f a c t o r sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s d u et om a n yf a c t o r si n v o l v e d , t h e i r i m p a c t s0 1 1t h ef i n a lq u a l i t yi sd i f f e r e n t t od e c r e a s et h ed e f e c t i v ep a r t si np r o d u c t i o n ， w en e e dt oa d j u s ta n do p t i m i z et h ef a c t o r sa n do b t a i no n eb e s tg r o u pd a t at om e e tt h e q u a l i t yr e q u i r e m e n t i nt h i sr e s e a r c h , am o l do f a na u t om e t e rf a c ec o v e ri su s e d t h et h i c k n e s so ft h e e d ) v e rp a r ta r el e s st h a n2 m m ( i no r d e rt oc o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo ft h i c k n e s s ， a d d i t i o n a lm a c h i n i n gi sm a d et om o d i f yt h et h i c k n e s sd u r i n gt h ee x p e r i m e n t s ) t h e r e s e a r c hi sb a s e d0 nt h es i m u l a t i o no fm o l d f l o wa n dt h ee x p e r i m e n t sa r ea r r a n g e d u s i n gm e t h o do ft a g u c h i r a n g ea n a l y s i sa n da n o v aa n a l y s i sa r eu s e di n ：d a t a p r o c e s s i n g e f f e c t i v e f a c t o r s s u c h 船i n j e c t i o nm t e ，蝎e c t i o np r e s s u r e ，m e l t t e m p e r a t u r e ，m o l dt e m p e r a t u r e ，t h i c k n e s so ft h ep a r ta n di n j e c t i o nv o l u m ea r es t u d i e d a n dt h ei n t e r a c t i o n sb e 铆咖m e l tt e m p e r a t u r ea n d 两e c t i o nr a t e ，m j e c t i o nr a t ea n d i n j e c t i o np r e s s u r ea r ei n v o l v e d t h er e s u l t sa r eg i v e ni nt h ef o r mo f c o n t r i b u t i o nr a t e s s e v e r a lp r o c e s sp a r a m e t e r s i n f l u e n c i n gt h ew a r pd i s t o r t i o n a r es y n t h e t i c s s t u d i e d t a k i n gg e n e r a lt h i np l a s t i c s h e l la sr e s e a r c ho b j e c t , w ea r r a n g et h e c o m b i n a t i o no f p r o c e s sp a r a m e t e r si no r t h o g o n a le x p e r i m e n ta n dg e tr e s u l tt a b l ef r o m n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ei n j a c t i o nm o l d i n g i na d d i t i o n , t h ei n f l u e n c e so fv a r i o u s p r o c e s sp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d , a n dt h eo p t i m i z e dp a r a m e t e rc o m b i n a t i o ni s o b t a i n e dt om i n i m i z et h ew a r pd i s t o r t i o nq u a n t i t y au s e f u lc o n c l u s i o nt h e nb e r e a c h e d ：s e v e r a lo t h e rp a r a m e t e r sb e s i d e st h e 删e c t i o nt i m e , s u c ha si n j e c t i o n t e m p e r a t u r e ，p a c kt i m e ，a l s oi n f l u e n c ew a r pd i s t o r t i o n b a s e do na u t ot h i n - w a l lp a r t , 武汉理工大学硕士学位论文 w eb u i l ts i m u l a t e dm a t h e m a t i c a lm o d e lt os i m u l a t et h ep l a s t i ci n j e c t i o na n do b t a i n e d t h ew a r pd a t a a n dm e a s u r ea n da n a l y z e dt h ei m p a c tt ot h et h i n - w a l lp a r to fd i f f e r e n t s i n g l ef a c t o r k e yw o r d s ：t h i n - w a l li n j e c t i o nm o l d i n g ；t a g u c h im e t h o d ；e f f e c t i v ef a c t o r s ； i l l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 轻量化是当今汽车材料发展的主要方向。据分析，汽车一般部件重量每减 轻l ，可节油l ；运动部件每减轻l ，可节油2 。根据最新资料介绍， 国外汽车自身质量同过去相比已减轻了2 0 2 6 。预计在未来的l o 年内，轿 车自身的重量还将继续减轻2 0 。 塑料及其复合材料是重要的汽车轻质材料它不仅可减轻零部件约4 0 的 质量，而且还可使成本降低4 0 左右。据统计，世界上平均每辆汽车对塑料的 用量在2 0 0 0 年就己达到1 0 5 k g ，约占汽车总质量的8 - 1 2 。发达国家车用 塑料现已占塑料总消耗量的7 - 1 1 ，预计将达到l o 一 1 1 t ”。 我国2 0 0 6 年汽车产量超过6 0 0 万辆，位居世界第四，这标志着中国汽车 工业由此步入了一个高速增长的发展阶段，并拉动下游形成了塑料等高增长产 业群，塑料工业为满足汽车制造业而实现了高速、跃增式的发展。近年来，我 国塑料在汽车中的用量也迅速上升。特别是塑料在轿车的用量较高，如奥迪a 2 型轿车的塑料件总质量已达2 0 0 k g 公斤，占总用材的2 4 6 。但我国汽车行业 应用塑料尚存在一些闯题有待解决，否则可能影响塑料在汽车材料份额韵进一 步提升：一是汽车专用塑料牌号少，产品性能不能满足选材要求，需进口或采 用改性塑料替代，如高分子量高密度聚乙烯( h m h d p e ) 、高强度p a 6 6 尼龙、 p a l l 尼龙、热塑性弹性体( t p e ) 、聚碳酸酯口c ) 、聚甲醛( p o l v 0 、发泡颗粒p p 成型材料等；二是汽车用塑料品种较多，材料标准混乱，不利于大批量生产与 应用，需对汽车现用的塑料材料进行品种简化；三是缺乏生产汽车专用塑料的 领头企业，现有生产企业规模小而分散，各有地盘和服务对象，技术水平不 一，模具开发能力差。塑料制品产品质量难以保证。 位于深圳市龙岗区公明镇的东江集团下属的东江集团精密注塑二厂是专业 给深圳b y d 福来尔，广州本田f i t 等汽车整装厂家提供汽车塑料制品的厂家： 产品包括车前灯罩、仪表盘、座椅靠背、行李仓底板、发动机气门室罩等产 品。 武汉理工大学硕士学位论文 随着紧凑型，微型汽车的增多， 化，结构复杂化发展。在此情况下， 车型上。 其所使用的塑料制品也相应朝着体积轻量 一些汽车薄壁注塑产品越来越出现在一些 根据轻便电子如手机制件所定义，“薄壁”是指壁厚小于1 咖；而对汽车 制件来说，“薄壁”可以是小于2i l g f l 。总之，薄壁制品要求改变加工工艺，有 更高的压力和速度、更短的冷却时间、改变制件顶出和浇1 2 1 排列。而加工工艺 的改变同时促进了模具、机器和制件设计的发展，对注射机和模具提出了更高 的要求。 翘曲变形是汽车薄壳塑料件注塑成型中的常见缺陷之，因为涉及到对翘 曲变形量的准确预测，而不同材料、不同形状的注塑件的翘曲变形规律差别很 大。翘曲变形问题的存在会影响注塑件的形状精度和表面质量，当翘曲变形量 超过允许误差后，就成为成形缺陷，进而影响产品装配。翘曲作为塑件变形的 重要特征之一，其研究有重要的应用价值 因此，利用数值模拟技术研究制件注塑成形，降低塑件成形的翘曲量，对 于提高汽车塑件产品精度、缩短新产品开发周期有着重要的意义 1 2 汽车薄壁件翘曲变形国内外研究现状 对各类大量汽车上日益增加的薄壁件( 壁厚小于2 r a m ) 翘曲变形做出准确预 测是有效控制翘曲缺陷的前提，长期以来，人们在翘曲预测方面做了大量的工 作，常见的研究方法有实验法和理论分析法。 1 2 1 实验法研究现状 用实验方法研究塑料制品的翘曲变形主要体现在研究材料性质、产品的几 何形状和大小、注塑成型工艺条件等对制品翘曲变形的影响。 早在六十年代，vl e o 和c h c u r e l l i e z 透过设计大量的实验，获取浇口几何 形状、保压参数( 保压压力和保压时间) 和模具的弹性对制品最终尺寸的影响1 2 1 c s l e e 和a d u s i n 等用n y l o n6 和p e t 作为聚合物基，研究了不同材料和不同 壁厚平板的翘曲特性。n i r o y u k ik i k u c h i 和k i y o h i t ok o y a m a 等实验研究了3 3 玻璃增强纤维p a 6 6 注塑磁盘的增强比率、线性热膨胀系数的各向异性、制品 厚度和翘曲之闻的关系，首次提出了翘曲指数概念，采用翘曲指数研究p a 6 6 2 武汉理工大学硕士学位论文 塑料制品的翘曲特性，并研究了翘曲指数、翘曲和纤维定向状态之间的关系和 屈服与翘曲指数的关系”1 。e j f a h y 等采用磁盘来测试增强塑料制品出模后发 生翘曲变形的机制，并提出磁盘呈拱形或马鞍形变形的实验公式”。 m a k a y 和s o z d e n 等在大量实验数据的基础上，建立残余应力和翘曲之 间的实验关系，这样就无需考虑忽略塑料的粘弹行为和假设塑料固化时材料性 质与温度无关给翘曲预测带来误差p 1 。r a d f o r d 和d i e f c n d o f f 等实验研究了复合 材料在成型和使用过程中的变形。他们提出了基于经典层状薄板理论的预测制 品形状变化的数学模型 6 - ”。 实验方法研究翘曲变形，往往局限于某一特定的几何形状、特定的材料和 工艺条件，并不能全面考虑诸多因素对翘曲变形的影响，而且也不能在产品设 计阶段预测可能发生的翘曲变形的大小。 在实际使用中，经验公式的局限性也显而易见，不仅受实验条件的影响， 还与实验数据的处理方法、经验公式的应用条件等许多因素有关，并且一种经 验公式只适用于与实验状况相当接近的生产过程。 1 2 2 理论分析法研究现状 七十年代以前，翘曲变形分析大都采用定性分析，根据实际经验从制品设 计、模具设计及注塑工艺条件等方面采取措施，尽量避免发生大的翘曲变形。 固体力学、计算机科学、数值技术、材料科学等学科的发展，使得越来越多的 学者开始对注塑制品的翘曲进行理论上的研究。 ( 1 ) 收缩翘曲的研究 由于翘曲变形与不均匀收缩有关，许多学者从研究不同塑料在不同工艺条 件下的收缩行为入手，来分析收缩与制品翘曲的关系。 t h o m a s ，n m e c f f e r y 在注塑流动、保压、冷却模拟的基础上，通过实验和 线性回归方法，提出了预测注塑制品收缩的模型，在收缩预测的基础上，通过 结构分析模拟程序计算出制品的变形一。 h a r o l df g i l e s 等对g m t 材料的收缩和翘曲行为进行了详细的研究p j ， 他们认为，g m t 材料在成型过程中会发生纤维取向，树脂和纤维之间不同的收 缩特性与纤维取向后形成的各向异性共同作用是导致制品翘曲变形的主要原 因，他们通过改交具有不同纤维取向原料的布料方式，对纤维取向的影响程度 进行了验证，并且发现制品的收缩和翘曲之间具有一定的相关性。s e m m l c r 建 3 武汉理工大学硕士学位论文 立一种塑料制品收缩和翘曲的数学模型时，将纤维取向、工艺温度、物料p - v t 特性和两个可导致收缩和翘曲的特殊效应( 即热岛效应和回弹效应) 作为计算依 据埘叫。 磁c hs a i l e 认为用高收缩率的材料很难获得尺寸精度高的制品，力求高精 度，应尽量应用非晶态树脂和各方向收缩一致的树脂”。 m o l d f l o w 公司对很多材料在改变流动速度、保压压力、保压时间、模 具温度、充模时间、制品厚度等参数的条件下，测出制品的收缩。根据测试结 果，将制品的收缩分为三个部分：体积收缩、分子取向引起的不均匀收缩、不平 衡冷却引起的不均匀收缩。在此基础上，w a l s h 提出了能考虑更多基本变量( 体 积收缩、结晶含量、模具限制、塑料取向等) 的收缩预测方法，利用流动和冷却 分析结果来预测收缩应变。w a l s h , p e t e r 等在收缩预测基础上，计算制品翘 曲。利用己求出的收缩应变，将收缩应变输入结果分析程序，等效成节点载荷 后，通过线性或非线性分析可得到制品的翘曲变形，同时可以分离出影响特定 塑料制品翘曲变形的主要因素和次要因素，对实际有很大的指导意义。 由于影响收缩的因素很多，理论上很难预测收缩，所以大部分工作都是基 于试验研究，根据试验结果提出试验收缩模型，然后计算翘曲变形。 ( 2 ) 应力，翘曲的研究 塑料熔体在成型过程中，由于取向、收缩的不均匀，导致内应力的不均 匀，所以制品出模后，在不均匀内应力的作用下，发生翘曲变形。因此，许多 学者从力学角度分析、计算制品的内应力和翘曲。在国外一些文献中，翘曲被 看成是不均匀收缩产生的残余应力造成的。 在注塑成型冷却阶段，当温度高于玻璃化转交温度时，塑料是粘弹性流 体，并伴有应力松弛现象；当温度低于玻璃化转变温度时，塑料变成固态。塑料 在冷却过程中的这种液一固相转变和应力松弛，对准确预测制品残余应力和残 余变形很有影响。o s s w a l d 在预测压塑模零件的翘曲时，提出了3 d 弹性相转 换模型。m a t s u o - k a 等采用了简单弹性模型，结合对注塑成型过程的集成分析， 预测了增强型纤维塑料制品的翘曲 1 4 1 。c h i a n g 等既采用了基于l r w 模型，又 采用了纯流体弹性模型，预测注塑制品的收缩和翘曲”。k a b a n a m i 和c r o c h e t 采用了3 一d 粘弹模型来预测注塑制品的残余应力和最终形状。s h i h - j r l l gl i u 考 虑了冷却阶段塑料由液态变为固态的相转换和应力松弛行为。对未固化的区 域，塑料呈现粘性行为，用粘性流体模型描述，对己固化的区域，塑料呈粘弹 4 武汉理工大学硕士学位论文 行为，用标准线性固体模型来描述，采用粘一弹相转换模型和二维有限单元法 来预测热残余应力和相应的翘曲变形”。 塑料的结晶性能对制品的残余应力、翘曲变形也有影响。其中较为成熟的 方法是ry c h a n g 和b d t s a u r 所采用的，他们用改进的t a i t 方程来描述结 晶塑料的压力一体积温度关系，用m a l k i n 结晶动力学描述塑料的结晶行 为，用线性热粘弹模型计算流动残余应力和热残余应力，计算出的残余应力作 为固体力学分析的初始条件，用三维有限元法来计算出翘曲。并用上述方法对 结晶型塑料p o l r o p y i 点n e 和无定形a b s 平板的收缩、翘曲进行预测，且 对其结果进行了比较1 。 b u s h i r o 和s t o k e s 以名义变量的方法来研究自材料参数到工艺参数等一系列 广泛的参数对扁状制品翘曲的影响。假设材料是热流变学上简单的热粘弹材 料，且忽略流动影响，用无定形热塑性塑料熔体层在平行冷板间的固化来构造 注塑成型中制品翘曲的机理 1 8 - t 9 。 j a c q u e s 模拟了汽车无定形塑料平扳由于不均匀冷却而造成的热翘曲。在采 用一维有限差分分析注塑成型的传热过程后，将制品分为多层，根据各层的温 度不同，计算经过玻璃化转变后的应力，通过采用纯弯曲理论计算出翘曲。这 种方法可以分析简单制品受到热应力作用下的翘曲变形四1 。t a m m a 等人分别 采用传统有限元法和无限单元法分析制品的传热，并用梁的弯曲理论计算由温 度变化而导致的热残余应力和翘曲变形 2 1 - 2 2 】。t a k a a hm a t s u o k a 等通过采用三 维薄壁注塑件的几何模型，将模具冷却、塑料充模一保压一冷却、纤维定向、 材料特性和应力分析集成后，预测翘曲1 。h i r o y u k ik i k u c h i 和k i y o h i t ok o y a - i d a 采用有限单元法来计算翘曲，首先求出熔体的流动场和纤维定向后，再求出 热应力，最后利用非线性结构分析软件m a r c 来计算翘曲洲。 郑州工学院的申长雨等几位学者提出了翘曲变形系数的概念，主要考虑温 度不均匀分布引起翘曲变形，并采用数值计算方法计算出了翘曲变形系数。而 后，采用弹性不变形理论、有限单元法计算温度应力，利用大连理工大学的结 构分析程序来计算出翘曲大小p 1 。西北工业大学的吴建军等人用一维粘弹性本 构方程求解了塑件的残余应力，用悬臂梁理论求解了用品的变形脚】【”j 。华中 理工大学的卢义强博士用薄板理论分析制品的翘曲变形，将制品的面内变形看 作平面应力问题，将面向变形看作薄扳弯曲问题，两类变形叠加后，采用平面 问题及薄板弯曲问题的有限元法计算制品在三维空间坐标内的变形四1 。 5 武汉理工大学硕士学位论文 也有学者同时考虑了保压过程中保压压力对塑料的取向、残余应力的分 布、制品最终变形的影响。k a b a l l e i i l i 。c r o c h e t 等，提出了真三维方法来计算残 余应力和最终形状( 收缩和翘曲) 。他们考虑了保压阶段的影响，将制品分成三 层，由三维网格来分析残余应力和变形。在此方法的基础上，k a b 姐e m i ， v m t a n u r t 等作了改进，提出了在保压阶段以后所引起的残余应力和变形的数 值模拟模型“”。计算残余应力时，采用了热粘弹模型( 包含体积松弛) 。其采用 的有限单元法是基于由平面单元集合而成的壳层理论，该理论正适用于形状复 杂的薄壁注塑制品。 应力翘曲变形的研究以其比较完善的力学理论背景，在近几年得到了迅速 发展，开发基于制品内应力的三维翘曲变形分析软件是目前许多科研机构的重 点研究方向。 1 3 汽车塑件成型翘曲变形控制技术研究现状 汽车薄壳件注塑成形过程中翘曲缺陷控制方法按原理来分，主要可以分为 三类，一是通过修改工件的几何形状，来减少翘曲交形：二是通过改变注塑模 具的结构，减少翘曲变形：三是调整工艺参数，来抑制翘曲变形的发生。 1 3 1 修改工件的几何形状 n e l s o nc b m d w m 指出，不正确的产品设计所导致的翘曲是最严重的，几 乎不可能通过成型工艺条件来修正，不均匀壁厚、筋板、浮雕等都能引起不均 匀收缩，从而导致翘曲1 。 b h l e e 在塑料制品设计中，首次打破制品壁厚应尽可能均匀的不成文规 则p “。他认为，在预定的尺寸误差范围内，有意改变注塑制品的壁厚，是减少 制品翘曲的一种方法。他采用正交实验方法得到不同壁厚因子组合的制品壁 厚，且对每种壁厚模型，采用差异分析法，获得了最优壁厚和相应的最佳工艺 条件设置。 r a k e s hs h ud o n g a n gy a 和b y u n g 鼬m 阱“】等从产品设计方法学上讨论了 减少翘曲的方法，传统的设计是先给定产品几何形状，通过反复试验，在一定 范围内选择变量。他们则采用基于优化的基因算法、正交法等方法来优化产品 设计空间，以减少翘益，并给出制品的理想厚度和体积。 6 武汉理工大学硕士学位论文 从产品设计方法学上研究塑件的翘曲变形，实际上是将工程优化设计方法 应用于注塑行业，即把影响产品翘曲变形的产品的几何形状作为设计变量，以 最小的翘曲变形作为优化设计的设计目标，对产品的几何形状进行优化设计。 1 3 2 改变模具的结构 在模具设计方面，影响塑件变形的因素主要有浇注系统、冷却系统与顶出 系统等。 ( 1 ) 浇注系统的设计 注塑模具浇口的位置、形式和浇口的数量将影响塑料在模具型腔内的填充 状态，从而导致塑件变形。 流动距离越长，由冻结层与中心流动层之间流动和补缩引起的内应力越 大，反之，流动距离越短，从浇口到制件流动末端的流动时间越短，充模时冻 结层厚度减薄，内应力降低，惩曲变形也会因此大为减少。 如图1 1 和图1 2 ，4 点浇口所需的注射压力和锁模力最大，相比之下，六 个浇口所所需的注射压力和锁模较小，出现的熔接痕较少、较长，气穴也较少， 6 点浇口方案较优。 图1 1 传统成型4 点浇口 图1 2 成型6 点浇口 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 冷却系统的设计 在注射过程中，塑件冷却速度的不均匀也将形成塑件收缩的不均匀，这种 收缩差别导致产生弯曲力矩，使塑件发生翘曲。 例如在注射成型平板形汽车塑件如保险杠时所用的模具型腔、型芯的温度 相差过大，由于贴近冷模腔面的熔体很快冷却下来，而贴近热模腔面的料层则 会继续收缩，收缩的不均匀将使塑件翘曲。因此，注塑模的冷却应当注意型 腔、型芯的温度趋于平衡，两者的温差不能太大。 除了考虑塑件内外表面的温度趋于平衡外，还应考虑塑件各侧的温度一 致，即模具冷却时要尽量保持型腔、型芯各处温度均匀一致，使塑件各处的冷 却速度均衡，从而使各处的收缩更趋均匀，有效地防止变形的产生。因此，模 具上冷却水孔的布置至关重要。在管壁至型腔表面距离确定后，应尽可能使冷 却水孔之间的距离小，才能保证型腔壁的温度均匀一致。同时，由于冷却介质 的温度随冷却水道长度的增加而上升，使模具的型腔、型苍沿水道产生温差。 因此，要求每个冷却回路的水道长度不小于2 m 。在大型模具中应设置数条冷 却回路，一条回路的进口位于另一条回路的出口附近。 ( 3 ) 顶出系统的设计 顶出系统的设计也直接影响塑件的变形。如果顶出系统布置不平衡，将造 成顶出力的不平衡，使塑件变形。因此，在设计顶出系统时应力求与脱模阻力 相平衡。另外，顶出杆的截面积不能太小，以防塑件局部受力过大( 尤其在脱模 温度太高时) 而使塑件产生变形。项杆的布置应尽量靠近脱模阻力大的部位。在 不影响塑件质量( 包括使用要求、尺寸精度与外观等) 的前提下，应尽可能多设 顶杆以减少塑件的总体变形。 用软质塑料来生产大型深腔薄壁如汽车后备箱的塑件时，由于脱模阻力较 大，而材料又较软，如果完全采用单一的机械式顶出方式，将使塑件产生变 形，甚至顶穿或产生折叠而造成塑件报废，如改用多元件联合或气( 液) 压与机 械式顶出相结合的方式效果会更好。 1 3 3 调整工艺参数 传统的提高塑料制品质量的方法主要是改进模具设计和采用材料性能较好 的树脂。一方面，随着计算机技术在塑料成型领域中的应用，可以很方便地用 c a e 技术对模具的设计进行分析、改进，以避免代价昂贵的机械失误并缩短生 8 武汉理工大学硕士学位论文 产周期，但是模具设计的改进仍然受到很多的条件制约，如：制件的复杂程度、 机械加工的难度等；另一方面，尽管材料的性能在不断的提高，但不够稳定，难 以保证成型加工难度。而且，即使采用最佳的模具设计和最优的材料性能，有 时仍然很难获得令人满意的制品。由于成型过程的工艺参数直接决定了熔体在 模腔中的流动状态，对制品质量有着最直接最深远的影响，因此找到制件成型 的最优工艺条件，对成型过程进行工艺控制，是提高塑料制品质量，减少塑件 翘曲变形的有效途径。 注塑模c a e 系统可以帮助注塑工艺人员确定最佳的注射压力、锁模力、模 具温度、熔体温度、注射时间、保压压力和时间、冷却时间等工艺参数，以便 注射出最佳的塑料制品来。 1 4 论文工作内容 1 4 1 课题的主要研究内容 汽车注塑薄壳件是一种典型的注塑加工零件，翘曲是其制造过程中的主要 缺陷。汽车诸多注塑薄壳件制品由翘曲引起的形状偏差会严重影响产品的装配 精度。注塑成型过程是一个高度非线性、时变性的多参数作用过程。由于此过 程具有多个参数相互作用并随时间变化的特性，所以每个参数对最后制件质量 的优劣都具有不同程度的影响。为了减少最终制件的质量缺陷、提高生产质 量，需要对整个成型周期中工艺参数的值进行检测控制，使对最终制件质量影 响较大的工艺参数值能保持在最佳的范围内，从而确保最终制件质量达到最 优。 本文从以下几方面展开对汽车薄壳注塑件成形工艺参数优化的研究： ( 1 ) 分析汽车薄壳件注塑成型模拟过程中一些主要的工艺参数，如注射温 度、模具温度、注射压力、注射时间、保压压力、保压时间等对工件翘曲变形 的影响。 ( 2 ) 以一般汽车注塑薄壳件为例，通过大量模拟计算确定某种常用塑料工艺 参数的选取准则，指导工艺的制定。 ( 3 ) 通过对工艺参数的优化组合，找出影响汽车薄壳件翘曲变形的主次因 素，从而得出工艺制程中考虑调整各参数的优先顺序。 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 2 课题采用的技术路线 1 以通用汽车薄壳件为研究对象，利用c a d 软件p r o e 进行薄壳件、浇注 系统和冷却系统的建模，然后导入c a e 软件进行填充、保压、冷却、翘曲分析 过程仿真。 2 通过正交试验的方法得到各工艺参数对工件翘曲变形的影响程度，确定 使翘曲变形最小时的最佳工艺参数组合。 1 5 本章小结 本章介绍了目前汽车塑料注塑成型领域特别是薄壳制品制造中存在的缺 陷一翘曲变形问题，并着重介绍了国内外对于注塑件翘曲变形的控制方法与预 测方法，以及此研究对于汽车薄壳件注塑工艺的改进的重要意义，进而提出了 本文的研究背景及研究内容。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章注塑成型基本理论 注塑成型( i n j e c t i o nm o l d i n g ，也称注射成型，简称注塑) 是将塑料原料加工 成制品的主要方法，可成型各种各样的塑料制品。由于它具有应用面广，成型 周期短、生产效率高、易成型形状复杂的制品、制品精度高、生产操作容易实 现机械化和自动化等多方面的优点，因此在整个塑料制品生产行业中，占有非 常重要的地位。 在注塑成型生产中，塑料、注塑机和注塑所用的模具是三个必不可少的物 质条件。 2 1 塑料及其性能 塑料是一种以树脂为主要成分，加入各种能够改善其加工及使用性能的添 加剂，在特定温度、压力等条件的作用下，能够制成设计要求的形状，并可在 常温、常压下保持此形状的一类高分子材料。塑料一般在常温下是玻璃态，若 加热则变为高弹态，进而变为粘流态，此时具有优良的可塑性。在塑料成形过 程中，除极少数几种工艺外，均要求塑料处于粘流态。 2 1 1 塑料组成及分类 树脂是塑料的主要成分，它决定着塑料的基本性能。树脂按其来源可分为 天然树脂和合成树脂。天然树脂来自大自然，如蛋自质和琥珀等。合成树脂的 种类繁多，但塑料工业经常使用的树脂主要有几十种。除树脂外，绝大部分的 塑料中还需加入各种添加剂以改善其加工及使用性能。常用的添加剂种类有增 塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、阻燃剂、填料及发泡剂等。 树腊是高分子化合物，其分子由无数个单体构成，这些单体单元称为链 节。树脂的一个分子中可以包含数百、数干甚至数十万个链节，因此树脂的相 对分子质量( 即分子量) 可以由数万、数十万到数百万。 塑料的种类很多，尚未有明确的分类标准。目前常用的分类方法是按塑料 材料受热后的性能表现不同，分为热塑性塑料和热固性塑料，其中热塑性塑料 发展最快、产量最多、用途最广。 武汉理工大学硕士学位论文 1 热塑性塑料热塑性塑料的特点是受热变软或熔化，成为可流动的稳定 粘稠液体，在此状态下具有可塑性，可塑制成一定形状的塑件；冷却后保持既得 的形状；再加热又可变软并制成另一形状。在该过程中一般只有物理变化，其变 化过程可逆。常用的热塑性塑料有：聚氯乙烯、聚苯乙烯和a b s 等。迄今为 止，除氟塑料外，几乎所有的热塑性塑料都可用注塑成型。 2 热固性塑料热固性塑料在加热之初，分子呈线形结构，具有可溶性和 可塑性，可塑制成一定形状的塑件：继续加热时，温度达到一定程度后，分子 呈网状结构，树脂变成不溶或不熔的体形结构，使形状固定下来不再变化：再 加热，也不再软化、不再具有可塑性。在加热变化过程中既有物理变化，又有 化学变化，因而其变化过程是不可逆的。常用的热固性塑料有酚醛树脂和环氧 树脂等。近年来，某些热固性塑料也可用于注塑成型。 2 1 2 热塑性塑料的流动性和结晶性 塑料流动性是比较塑料成型加工难易的一项指标，流动性好的塑料容易充 满复杂的型腔，获得精确的形状。塑料的流动性不仅依赖于成型条件，而且还 取决于聚合物的性质。热塑性塑料的流动性一般可根据聚合物熔体流动速率指 数( 简称熔融指数) 、相对分子质量、阿基米德螺旋线长度以及表观粘度等一系 列指标进行衡量。相对分子质量小、熔融指数大、螺旋线长度长、表观粘度小 则流动性好。熔融指数是热塑性塑料规定品级的重要数据。 1 粘性流动行为 流体在管道内流动时，可呈现层流和湍流两种不同的流动状态。层流( 也称 粘性流动或流线流动) 特征是流体的质点沿着平行于流道轴线的方向相对运动； 湍流( 也称紊流) 特征是流体的质点除向前运动外，还在主流动的横向上作不规 则的任意运动，质点的流线呈紊乱状态。当雷诺数大于临界值以后层流转变为 湍流。临界值与流道的断面形状、流道壁的表面粗糙度和熔体的粘度等有关。 塑料熔体在成型过程中的流动状态基本属于层流。 熔体流动和形变都是在外力的作用下实现的，其中最为重要的是剪切应 力，因为成型时塑料熔体在设备或模具中流动的压降、所需功率以及制品质量 等均受其制约。剪切力还直接影响到熔体粘度。 武汉理工大学硕士学位论文 牛顿在研究低分子液体的流动时，发现剪切应力和剪切速率存在着一定关 系，液层单位面积上所施力的剪切应力与液层间的速度梯度成正比，这就是著 名的牛顿粘性定律。 凡是符合牛顿粘性定律的流体就是牛顿流体，不符合则称为非牛顿流体， 实践表明，只有气体、低分子化合物的渡体真正属于牛顿流体，绝大多数聚合 物熔体在塑料成型条件下均为非牛顿流体。 根据非牛顿流体的剪切应力与剪切速率间呈现非线性关系的不同特征，非 牛顿流体又可以分为粘性流体、时间依赖性流体和粘弹性流体三大类。其中与 模具密切相关的是粘性流体，这类流体流动时的特点是其剪切速率只依赖于所 施加剪切应力的大小，而与剪切力所施加的时间无关。 2 热塑性塑料的结晶性 熟塑性塑料按大分子排列状态分为无定形( 非结晶型) 和结晶型两类。无定 形塑料的聚合物大分子的排列是无序的，如聚苯乙烯、a b s 等；结晶型塑料聚合 物的分子链能够有序地紧密堆砌产生结晶结构，但并不是1 0 0 的结晶度，一 般结晶度在1 0 - 6 0 之间，所以也称为半结晶，如聚乙烯、聚丙烯等。二者在 外观上也有区别，一般无定形塑料是透明的，而结晶型的是不透明或半透明 的。但也有例外情况，如a b s 为无定形塑料，却并不透明。 2 1 3 塑料的优点和应用领域 1 塑料的优点 不同种类的塑料具有不同的优点，综合起来可归纳如下：质量轻、密度不； 比强度高；耐化学腐蚀能力强：绝缘性能好；光学性能好：具有多种防护性能；加工性 能好、经济效益显著。 应该指出的是，塑料也存在一些缺点，在应用中受到一定的限制。一般塑 料的刚性差、耐热性差：在低温下易开裂：塑料的导热系数小，这对散热而言很 不利：塑料易燃烧，在光和热作用下性能容易变坏，发生老化现象等。所以，在 选择塑料时要注意扬长避短。 2 塑料的应用领域 目前，塑料制品主要应用在以下领域： ( 1 ) 包装领域塑料的最大消费市场是包装，在发达国家塑料制品的消费总量 中，包装材料占1 珥以上。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 建筑领域由于塑料材料的综合性能和节能效果较好，塑料在建筑领域中 具有广泛的应用，如塑料门窗、塑料内外墙装饰材料等的大量使用。 ( 3 ) 电子电器领域随着计算机、光学复印机和其他商用办公设备及电子产品 的设计迅速向短、小、轻、薄方向发展，塑料在电子电器工业领域的应用量也 越来越大。 ( 4 ) 汽车领域汽车生产厂家对减轻汽车车体重量的迫切要求，促进了塑料在 汽车领域中的应用。目前，高强度、质量轻的塑料制品正广泛应用在交通运输 领域中。 ( 5 ) 医疗卫生领域医用塑料制品已成为塑料材料向高技术、高附加值发展的 一个主要方向，并在生物和医学工程研究领域中发展成为一门相当重要的边缘 学科。比如人造骨和人造肺等的应用。 ( 6 ) 农业领域新型地膜、功能性农膜和可降解薄膜等已成为当今农业领域中 新的研究、应用趋势。 塑料在生活用品、文体用品和化工等领域也有很大应用。现在，塑料正在 迅速进入国防、宇航、海洋开发和信息产业等技术领域，并逐渐向其他领域拓 宽。 2 2 注塑成型工艺参数 注塑成型就是利用塑料的可挤压性和可模塑性，首先将松散的粒料或粉状 成型物料从注塑机的料斗中送入高温的科侮内加热熔融塑化，使之成为粘液态 熔体，然后在柱塞或螺杆的高压推动下，以很大的流速通过料筒前端的喷嘴注 射进入闭合的模具中，经过保压冷却定型后，开启模具便可以从模腔中脱出具 有一定形状和尺寸的塑件。 注塑成型中主要的工艺参数有以下几个： 1 注射压力注射压力是指注射时螺杆或拄塞头部作用于熔体上的压力。 2 注射速度注射速度是指螺杆在注射时的移动速度，其单位为e m s 。除注 射速度外，还可以用注射速率、注射时间等来表示。 3 熔料温度熔料温度( 料温) 指塑化塑料的温度和从喷嘴射出的熔体温度， 前者称为塑化温度，后者称为熔体温度。 4 模具温度模具温度是指与制品接触的模具型腔表面的温度。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 5 保压压力保压压力是指对型腔内塑料熔体进行压实以及维持向型腔内进 行补料流动所需要的压力。 6 保压时间保压时间是指保压压力持续作用的时间。 7 冷却时间冷却时间指保压结束到开启模具所经历的时间。 2 3 注塑机 注塑机是进行注塑成型的必备条件之一，注塑机按塑料在料筒中的塑化方 式分为螺杆式和柱塞式两种。但按其外形又可分为立式、卧式和直角式三种， 目前较为常用的是卧式螺杆注塑机。注塑机由注塑系统，锁模装置和液压传动 与电器控制系统组成。 模具是为了将塑料原料成型成某种形状而用来承接射出塑料熔体的部件。 模具虽不是注塑机的一部分，但注塑机必须与各种不同模具配合才能生产出各 种塑件。 2 3 1 注塑系统 注塑系统是注塑机的主要部分，它能够使塑料原料在螺杆或柱塞的旋转推 进或推动下均匀塑化，在高压下快速注入模具。注塑系统包括加料装置、料 筒、螺杆、喷嘴、加压和驱动装置等。 加料装置一般为锥形漏斗，根据注塑机的不同还配有自动上料装置或者干 燥装置。 料筒是为塑料原料加热的容器，要求具有耐压、耐热、耐疲劳、抗腐蚀、 传热性好等特点。料筒外部一般都配有加热装置可以实现分段加热和控制。 螺杆是螺杆式注塑机中的最重要部件。螺杆在长度方向上被分为三个区， 依次是固体输送区( 进料区) 、熔融区( 塑化区) 和熔体输送区( 计量区) ，其长度比 例在2 ：1 ：l 左右。螺杆在料筒内旋转时，首先将来自料筒的塑料原料卷入料 筒，并逐步将其向前推进、压实、排气和塑化，随后塑料熔体就不断地被推到 螺杆顶部与喷嘴之间，而螺杆本身则因受熔体的压力而缓慢后移。当积存的熔 体达到一次注射量时，螺杆停止转动。注塑时，螺杆传递液压或机械力使熔体 注入模具。塑化时主要靠加热的料筒把热量传给塑料使其软化和熔融，另外螺 杆转动所产生的摩擦热或剪切热也会起一部分作用。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 喷嘴是连接料筒和模具的过渡部分。注塑时，料筒内的熔体在螺杆或柱塞 的作用下，高压快速流经喷嘴注入模具。 加压装置是使螺杆或柱塞在注塑周期中进行往复运动完成注塑的装置。加 压装置的动力源有液压和机械力两种。 驱动装置是使螺杆转动从而完成对塑料预塑化的装置。常用的驱动装置有 单速交流电机和液压马达两种。 2 3 2 锁模装置 注塑机上实