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硕士论文 大型注塑模具设计及应用技术研究 摘要 随着塑料工业与汽车、航天航空及家用电器行业的不断发展，使得大型塑件也受到 越来越广泛的重视和应用，相应地对大型注塑模具的设计也提出了更高的要求。本文以 大型塑件某工程机械仪表板为对象，主要应用了热流道技术、注塑模c a e 技术、注塑 成型工艺优化技术重点对其模具关键结构( 浇注系统、冷却系统) 及注塑成型工艺两个 方面进行设计。 在浇注系统设计中，针对大型塑件因结构复杂，熔体充填流程长导致的充填不均、 充填困难、塑件成型质量差等问题，仪表板模具的浇注系统整体采用多点进浇、冷热流 道结合的方式。应用m o l d f l o w 对不同浇注系统方案进行分析比较，确定了四浇口方案 较优，然后应用流变学理论计算浇注系统的尺寸，并不断调整优化，实现了浇注系统的 平衡。 冷却系统的设计合理与否对制品成型质量及生产效率有重要影响，这对大型注塑模 具来说尤为重要。虑到仪表板外形尺寸大，结构复杂，仪表板模具的型芯采用隔板式、 型腔采用直通式的冷却方式。应用传热学理论对冷却系统进行了初步设计计算，并得出 了管道的直径，然后应用m o l d f l o w 对不同冷却回路进行模拟比较，并不断调整优化冷 却管道布局，设计出的冷却系统满足均衡冷却要求，而且冷却时间较短。 在注塑成型工艺设计中，应用优化理论对工艺参数进行科学、合理、有效地设计。 首先运用t a g u c h i 实验设计方法安排注塑成型试验，对工艺参数进行了初步优化，然后 以t a g u e h i 正交试验矩阵为样本数据，应用b p 神经网络建立了工艺参数和翘曲量的关 系模型，并用遗传算法对该关系模型进行优化，得到了全局最优的工艺参数。 本文将热流道技术、数值模拟c a e 技术、注塑成型工艺优化技术应用到大型注塑 模具中，很大程度上改善了大型塑件注塑过程中出现的各种问题，减少了模具开发周期， 为生产出优质模具打下了坚实的基础。 关键词：大型注塑模具，热流道技术，注塑模c a e 技术，注塑工艺优化技术，仪表板， 浇注系统，冷却系统，工艺参数 硕士论文 a b s t r a c t 晰t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n ti nt h ep l a s t i ci n d u s t r ya n dt h ea u t o m o t i v e ，a e r o s p a c e a n dh o u s e h o l da p p l i a n c e s ，l a r g ep l a s t i cp a r t sa r ew i d e l ya p p l i e d i tp u t sf o r w a r dh i g h e r r e q u i r e m e n ti nt h ed e s i g no ft h el a r g e - s c a l ei n j e c t i o nm o l d i nt h i sp a p e r , h o tr u n n e r t e c h n o l o g y , c a et e c h n o l o g ya n dt h eo p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g ya r ea p p l i e dt od e s i g nt h ek e y s t r u c t u r es u c ha st h eg a t i n gs y s t e ma n dc o o l i n gs y s t e m ，a n dp r o c e s sp a r a m e t e r sd u r i n gt h e i n j e c t i o nm o l dd e s i g no fs o m ee n g i n e e r i n gm e c h a n i c a li n s t r u m e n tp a n e li n j e c t i o nm o l d i nt h eg a t i n gs y s t e md e s i g no ft h ei n j e c t i o nm o l d ，m u l t i p l ep o i n tg a t e sa n dh o ts p r u e w e r ee m p l o y e dt om a k e p l a s t i cm e l tf i l lu n i f o r m l y b a s e do nt h es o f t w a r em o l d f l o w , d i f f e r e n t g a t ep r o j c o t sw e r es i m u l a t e da n da n a l y z e d i tw a sc o n c l u d e dt h a tf o u rp o i n tg a t e si so p t i m a l t h e nr h e o l o g i c a lt h e o r yw a su t i l i z e dt o c o m p u t et h ed i m e n s i o no ft h eg a t i n gs y s t e m b y c o n t i n u o u s l ya d j u s t i n gt h ed i m e n s i o nt h eb a l a n c eo f t h ei n j e c t i o ns y s t e mw a sr e a l i z e d i nt h ec o o l i n gs y s t e md e s i g no ft h ei n j e c t i o nm o l d ，t h ec o r ea d o p t sp a r t i t i o nt y p e ，a n dt h e c a v i t ya d o p t ss t r a i g h t - t h r o u g hc o o l i n gm o d e h e a tt r a n s f e rt h e o r yw a se m p l o y e dt o p r e l i m i n a r yd e s i g nt h ec o o l i n gs y s t e mo ft h ei n j e c t i o nm o l d b a s e do nt h ea b o v er e s u l t s ， d i f f e r e n tc o o l i n gp r o j c o t sw e r es i m u l a t e da n da n a l y z e d 、析t hm o l d f l o w i tw a sc o n c l u d e dt h a t t h eo p t i m a lc o o l i n gs y s t e mc a n s a t i s f yt h ed e m a n do fb a l a n c e dc o o l i n ga n ds h o r t e rt h ec o o l i n g t i m e d u r i n gt h ed e s i g no fp r o c e s sp a r a m e t e r s ，t a g u c h im e t h o dw a sf i r s te m p l o y e dt oo p t i m i z e t h ep r o c e s sp a r a m e t e r st or e d u c ew a r p a g e t h e n ，b a s e do nt h er e s u l to ft a g u c h io r t h o g o n a l e x p e r i m e n t ，t h eb pn e u r a ln e t w o r ki su s e dt ob u i l dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np a r a m e t e r sa n d w a r p a g e f i n a l l y , t h eg e n e t i ca l g o r i t h mw a se m p l o y e dt oo p t i m i z et h em o d e l ，a n do b t a i n e dt h e g l o b a lo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r s t h i sr e s e a r c hw o r kg i v e st h eo p t i m i z e dd e s i g no ft h ei n j e c t i o nm o l df o rt h ee n g i n e e r i n g m e c h a n i c a li n s t r u m e n tp a n e l ，a n dp r o v i d e sr e f e r e n c e s f o rt h ed e s i g no fo t h e rl a r g e s c a l e i n j e c t i o nm o l d k e yw o r d l a r g e - s c a l ei n j e c t i o nm o l d ，h o tr u n n e r , c a e ，o p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g y , i n s t r u m e n tp a n e l ，g a t i n gs y s t e m ，c o o l i n gs y s t e m ，p r o c e s sp a r a m e t e r i i 硕士论文大型注塑模具设计及应用技术研究 目录 摘墨要。i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 课题的研究背景及意义1 1 2 大型注塑模具的概述2 1 2 1 大型注塑模具的划分2 1 2 2 大型注塑模具的设计特点2 1 3 大型注塑模具应用技术的研究现状4 1 3 1 注塑成型技术4 1 3 2 注塑模c a e 技术6 1 3 3 注塑成型工艺优化技术7 1 4 论文的主要研究内容8 2 大型注塑模具的设计9 2 1 大型注塑模具的基本结构9 2 2 大型塑件注塑过程中的主要问题1 l 2 2 1 注塑过程中的主要问题1 1 2 2 2 主要的改善方法1 2 2 3 仪表板注塑模具的整体设计方案1 2 2 3 1 塑件结构工艺性分析1 2 2 3 2 注塑机的选取1 4 2 3 3 分型面的选择1 4 2 3 4 模具主要结构的设计方案1 5 2 3 5 注塑成型工艺的设计方案1 6 2 4 本章小结1 6 3 基于m o l d f l o w 的大型注塑模具浇注系统的设计1 7 3 1 仪表板m o l d f l o w 分析前处理1 7 3 1 1 模型的简化1 7 3 1 2 模型的导入1 8 3 1 3 网格划分与修复1 8 3 1 4 制件材料以及成型工艺的选择2 0 3 2 基于m o l d f l o w 的浇口位置及浇口数目确定2 0 3 2 1 最佳浇口位置的预测2 0 i i i 目录 硕士论文 3 2 2 制定浇口设计方案2 1 3 2 3 基于m p f f l o w 模块的流动模拟分析2 2 3 2 4 基于m p i w a r p 模块的翘曲变形分析2 5 3 2 5m p i 模拟结果的综合比较2 6 3 3 浇注系统的流变学计算2 6 3 3 1 浇注系统的结构设计2 7 3 3 2 浇注系统的尺寸计算2 7 3 3 3 浇注系统的平衡2 8 3 4 本章小结2 9 4 基于m o l d f l o w 的大型注塑模具冷却系统的设计3 1 4 1 冷却系统的设计概述3 1 4 1 1 冷却系统设计原则3 1 4 1 2 冷却系统的结构3 1 4 2 冷却系统的传热学设计计算3 2 4 2 1 冷却系统的初步计算3 2 4 2 2 冷却回路的布置3 5 4 3 基于m p i c o o l 模块的冷却回路分析3 7 4 4 本章小结3 8 5 基于t a g u c h id o e 的注塑成型工艺参数优化设计3 9 5 1t a g u c h i 试验设计方法3 9 5 1 1t a g u c h i 试验设计方法3 9 5 1 2t a g u c h i 设计的基本步骤4 0 5 2 正交试验设计4 2 5 2 1 注塑工艺参数和优化目标的选定4 2 5 2 2 试验水平的确定及正交表的选取4 2 5 3 工艺参数对翘曲量的影响分析4 4 5 3 1 工艺参数对翘曲量的影响趋势4 5 5 3 2 工艺参数对翘曲量的影响程度4 6 5 4 本章小结4 6 6 基于神经网络和遗传算法的注塑成型工艺参数优化设计4 8 6 1 基于b p 神经网络的翘曲模型的建立4 8 6 1 1b p 神经网络的模型与算法4 8 6 1 2 翘曲模型的b p 神经网络设计5 0 6 1 3 翘曲模型的建立5 3 t v 硕士论文 大型注塑模具设计及应用技术研究 6 2 基于遗传算法的工艺参数优化设计5 5 6 2 1 遗传算法概述5 5 6 2 2 注塑成型工艺优化的遗传算法实施5 6 6 2 3 工艺参数的优化5 7 6 3 本章小结6 0 7 总结与展望6 1 7 1 研究总结6 1 7 2 研究展望6 2 致谢6 3 参考文献6 4 附录6 8 v 硕士论文 大型注塑模具设计及应用技术研究 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 塑料工业是国民经济中的一个非常重要的行业，由于塑料具有密度小、耐腐蚀性强、 电绝缘性能好等优点，引起了人们的普遍关注。随着国民经济的高速发展以及国家产业 政策的调整，汽车、轻工、建材等行业及航空航天、医疗等新兴产业对塑料零部件的需 求也越来越大，并呈现“以塑代钢、“以塑代木 的发展趋势。 塑料制品的成型方法有很多，主要包括注塑成型、挤出成型、压塑成型、吹塑成型 等。其中注塑成型的塑料制品约占塑料制品总量的三分之一，已然成为使用最广泛的塑 料成型方法。模具作为注塑成型的重要工艺装备，在成型过程中处于核心地位，其设计 与制造水平直接影响着制品质量及生产效率等【1j 。十一五期间，我国模具工业每年均以 1 0 2 0 左右的速度快速增长，塑料模具在模具总量中的比例也在逐年提高，并且逐渐向 大型化、复杂化、高精度方向发展1 2 j 。 我国作为世界制造大国，经过多年的发展，在模具制造数量和质量等方面都有了很 大进步。但我国还不是模具制造强国，与世界先进模具制造水平相比，我们在模具的制 造精度、开发周期、使用寿命及可靠性等方面还存在较大的差距，以大型模具为代表的 高技术含量模具仍需大量进口。在大型注塑模具的设计上，由于模具体积大、结构复杂、 开发周期长、塑件成型缺陷多等特殊性，国外已普遍使用热流道、气辅成型等先进注塑 成型技术加以改善，并结合注塑模c a e 技术对大型注塑模具进行优化设计，大大提高 了模具设计水平和生产效率。而国内热流道、气辅成型技术等应用水平还不高，c a e 技术的应用范围还不广，实际使用经验还比较欠缺，制约着大型注塑模具的发展。 不过，随着注塑模c a e 技术的快速发展与逐步推广应用，目前国内许多企业开始 将数值模拟技术作为缩短开发周期、降低制品成本和提高制品质量与竞争力的重要手段 【3 。5 】。设计人员利用c a e 技术的数值模拟功能，可以有效避免设计中的盲目性，在模具 设计阶段就能模拟注射成型的全过程，从而使设计者能尽早发现问题，及时修改模具设 计，而不是等到制模之后再返修模具，节约了制造成本，缩短了开发周期，对价格昂贵 的大型注塑模具来说具有很大的现实意义。 但是，这种基于数值模拟的优化设计方法仍然没有摆脱传统开发模式，模具设计和 工艺确定本质上仍然靠尝试法完成，只是将试模过程放在计算机上进行。近几年，将优 化技术和数值模拟技术相结合的注塑成型优化设计受到了普遍重视1 6 d 1 | 。它是基于最优 化理论，通过建立优化模型来反映设计者的主要设计要求，并构建有效算法对模型进行 求解，进而得到最优的模具结构及成型工艺参数i l2 。因此，业界对注塑成型优化设计有 着迫切的需求，也是大型注塑模具设计中的热点研究方向。 1 1 绪论硕士论文 本论文正是在这种背景下提出的，受江苏省工程车辆环保型内饰件工程技术研究中 心( b m 2 0 1 0 3 5 4 ) 委托，以大型塑件某工程机械仪表板为分析对象，对大型注塑模具的 设计与应用技术进行研究。根据大型注塑模具自身的特点、设计难度以及塑件的成型缺 陷，重点对大型注塑模具的注塑成型技术、数值模拟c a e 技术、注塑成型工艺优化技 术进行应用研究，为大型注塑模具探索一种实用的设计方法。 1 2 大型注塑模具的概述 随着塑料工业的快速发展，塑料制品的应用已遍及工业界的各个领域，并且越来越 大型化、复杂化。典型的大型塑件如汽车前后保险杠、大型周转箱、汽车仪表板、电视 机前框等，其尺寸远超过常规塑料件，而且结构复杂、壁厚较薄，工艺要求高，对大型 模具的设计和制造提出了更高的要求，也促使大型注塑模具技术得到了快速发展。 1 2 1 大型注塑模具的划分 大型注塑模具迄今尚无科学和肯定的定义，常根据模具的重量、注塑机的锁模力和 注塑量或制件的最大投影面积等来划分。通常把大型注射机( 锁模力在6 3 0 0 k n ，额定 注射量在3 0 0 0 c m 3 以上) 所使用的模具称为大型注塑模具【1 3 】，如表1 1 所示。 表1 1 国产注塑机级别的划分 或把模具质量超过2 0 0 0 k g ，制件最大投影面积大于0 1 聊2 的模具称为大型注塑模具， 如表1 2 所示。 表1 2 按质量划分模具类型 1 2 2 大型注塑模具的设计特点 一般来说，大型注塑模具的设计流程和中小型注塑模具基本相同，但相对来说，大 型注塑模具的设备要求及制造成本更高，开发和制造周期更长，而且模具结构复杂、自 动化程度要求也较高；此外，在成型过程中还容易出现熔体充模困难，成型收缩不均匀， 翘曲变形过大等问题，以致制品表面缩痕及熔接痕等缺陷严重，尺寸精度不高。因此， 硕士论文大型注塑模具设计及应用技术研究 大型注射模具的设计需要注意的问题更多，设计理念也具有其特殊性，必须紧紧抓住大 型模具的特点进行设计。大型注塑模具有以下设计特点【1 4 ，1 5 l ： ( 1 ) 从选材上来讲，必须考虑模具材料是否经济合理。 大型模具的价格较贵，在满足生产要求情况下应尽量采用价廉的材料，以降低模具 成本。 ( 2 ) 从计算准则上来讲，大型注塑模具必须满足刚度和强度要求。 通常情况下中小型注塑模具的型腔受力结构件只需要进行强度校核。但大型注塑模 具成型面积较大，熔体充模的瞬时压力很高，有可能使模具型腔侧壁或动模垫板产生弹 性变形等问题，因此，大型注塑模具设计不仅要满足强度要求，还必须满足刚度要求。 ( 3 ) 从结构上来讲，必须考虑模具设计是否合理、加工是否方便。 中小型模具的型腔和型芯常设计成整体式，但大型模具体积庞大，结构复杂，为方 便型腔的机械加工和热处理，节约贵重金属、减少精加工量等，常采用组合式的型腔和 型芯结构，某些结构还可以做成局部镶嵌式以便于更换；此外，大型注塑模具对浇注系 统的要求更高，而且往往被作为重点优化设计对象，通常采用多点进浇方式；再者，在 大型注射模具设计过程中需要解决加热、冷却的矛盾，为达到目的，通常需在模具型腔 周围设置流道系统，通入热、冷水对模具进行加热和冷却，从而达到对模温的合理控制； 最后，大型注塑模具的排气要求较高，除了利用分型面、型芯、推杆等间隙排气外，还 需要在塑料熔体流动的末端或制品壁厚较薄的地方设专用的排气槽。 ( 4 ) 从注塑成型方法上来看，大型注塑模具常采用先进注塑成型技术。 国内外对于大型塑件的成型尝试了很多种方法。其中，热流道技术、气辅注射成型 技术，以及在它们基础上又发展起来的顺序注塑成型技术、水辅注塑成型技术、振动气 辅成型技术等先进注塑成型技术在一定程度上很好地解决了熔体充模困难、变形翘曲严 重及大量原材料浪费等现象。 由上述大型注塑模具的常见问题及设计特点可以看出，大型注塑模具的设计与制造 存在一定的风险。国外比较知名的公司如美国的d m e 公司、德国的h a s c o 公司、日 本的池上金型株式会社等都有专门的研发设计和生产制造部门，对设计人员和技术工人 也有专门的职业能力要求。而国内对大型注塑模具的研究起步较晚，设计制造经验比较 欠缺，热流道、气辅成型技术等先进注塑成型技术应用水平也不高，c a e 技术的应用范 围还不广，实际使用经验比较欠缺，很多厂家还停留在传统的经验试凑法上【l 引。因此， 制造出来的大型注塑模具的质量还不是很高。 1 绪论 硕士论文 1 3 大型注塑模具应用技术的研究现状 1 3 1 注塑成型技术 热流道技术及气辅成型技术是大型注塑模具中最常用的注塑成型方法，下面对这两 种技术进行简要介绍。 ( 1 ) 热流道技术 热流道技术是指在注塑模浇注系统的附近或中心设有加热棒和加热圈，通过加热系 统和温度控制系统精确控制塑料的温度，使从注塑机喷嘴送往浇口的这一段热流道中的 塑料始终保持熔融状态，开模时不需要将热流道中的凝料随制品一同取出，而使其滞留 在浇注系统中保持熔融，在下一次注塑成型时即可再次被注入型腔中【l 。 与普通浇注系统相比，热流道浇注系统具有以下优点： 1 ) 大量节约原材料，降低成本，提高熔体充模质量； 2 ) 缩短成型周期，提高生产效率，可以实现模具的高度自动化； 3 ) 改善制品使用性能和表面质量； 4 ) 不使用三板式模具即可以使用点浇口，可适当增大制品成型的高度。 基于上述优点，热流道技术在注塑模中受到广泛应用，特别是在一些大型塑件注塑 成型中，很大程度上改善了由于熔体充模流程长而导致的充模困难，充模质量不高，温 度、压力降比较大等问题。 热流道技术最早出现在欧美等发达国家，早在1 9 4 0 年1 2 月，美国人e r k n o w l e s 就申请了热流道技术的专利权。1 9 5 8 年世界上第一家热流道专业公司美国i n c o e 热流 道公司开发出第一套热流道注射成型模具。加拿大m o l d m a s t e r s 公司，美国d m e 公司和德国h a s c o 等公司的热流道产品品种齐全，制造精良，在模具市场上影响较大。 此外，很多学者对热流道技术也进行了大量理论和实验研究，得到了许多有价值的科研 成果，促进了热流道技术的应用和发展。c a r l o s ”j 等借助于有限元数值模拟，研究了热 流道顺序注塑成型对充填结果的影响，指出了热流道浇注系统设计的必要性。s p i n a 1 9 】 通过研究汽车零部件的热流道顺序注塑成型过程，继而合理设计其阀浇口启闭顺序，有 效地改善了熔接痕缺陷。k o v a c i c 2 0 】等对热流道系统中的常见问题及解决方法作了汇总， 并指出温度、材料、元器件等是在解决问题时需首要考虑的因素。据统计，2 0 世纪9 0 年代美国生产的大型注塑模具中热流道的使用率就达到了9 0 以上，热流道模具占塑 料模具总量4 0 以上。近几年，国外的注塑生产已经相当的依赖于热流道技术，热流 道模具的使用率增长至5 0 8 0 。因此，现阶段欧美等发达国家掌握着最为先进的热 流道技术，采用热流道技术的高品质模具也得以大量出口，占据了较大的市场。 目前，国内对热流道技术也越来越重视起来，模具行业十二五计划已将热流道技术 指定为重点发展的关键技术，国内很多高校和科研机构也对热流道技术展开了应用研 4 硕士论文 大型注塑模具设计及应用技术研究 究，并取得了一定成果。四川大学的张卫忠【2 l j 等重点研究了针阀式喷嘴热流道的结构特 点、产品种类及技术难点。华中科技大学的肖小峰【2 2 】等将热流道技术应用于某洗衣机双 缸注塑模具中，投产后的制品完全满足要求。浙江大学的梅启武】通过建立热流道知识 单元的基本概念和表达模型，提出了基于知识的热流道结构设计方法，完成详细的结构 设计，并获得了较好的实际应用结果。蒋贤志乜4 1 等针对热流道使用过程中出现的问题进 行了分析总结。但总体来说，国内热流道技术尚处于起步阶段，应用水平较欠缺，自主 生产的热流道模具质量还不高，对于一些精度要求高的大型复杂塑件，其热流道系统还 需要进口。因此，制订热流道元器件的国家标准，积极生产价廉高质量的元器件，做好 热流道技术的宣传推广，是发展热流道模具的关键。 ( 2 ) 气体辅助注塑成型( g a i m ) 气体辅助注塑成型简称气辅成型或气辅技术，是为克服传统注塑成型的局限性而发 展起来的一种新工艺。它的原理是在聚合物熔体充模后将高压惰性气体( 一般为氮气) 注 入型腔，气体沿阻力最小的方向( 一般在壁厚区域) 推动聚合物熔体充满模腔并且进行保 压，待聚合物熔体冷却凝固后开模顶出制件【2 4 1 。 与传统注塑成型相比，由于气体的辅助充模作用，气辅成型可以改善熔体在型腔内 的充填流动情况，使气道内部各处的压力分布均匀，消除表面缩痕，减小翘曲变形，使 塑件尺寸稳定；同时，还可以大幅度降低型腔内的压力，减小模具损耗，降低对注塑机 锁模力的要求；再者，由于气体在塑件内部产生中空气道，可以减轻塑件重量，节省原 材料：此外，气辅成型还能缩短塑件的生产周期，节约生产时间。基于上述优点，气辅 成型特别适用于大型结构复杂制品、管道状制品和厚薄壁一体的复杂结构制品的一次成 型，在大型家电、汽车内饰件、复杂零部件、日用品等诸多领域得到广泛应用1 2 引。 气辅成型技术自诞生以来就表现出强大的优势和广阔的发展前景，在欧美等发达国 家深受重视，并得到广泛应用。德国b a t t e n f e l d 公司、英国g a si n j e c t i o n 公司和美国 n i t r o j e c t i o n 公司的气辅注塑成型设备技术先进，一直处于世界领先地位。m o l d f l o w 公 司还专门推出应用于气辅成型过程的c a e 分析软件包。另外，很多学者对气辅成型技 术也进行了大量的理论和实验研究，取得很多重要科研成果。c h i e n 2 6 1 等研究了不同截 面形状的气道对不同材质气辅制品的气指缺陷的影响。g a o t 27 】等研究了气道设计对气辅 成型中气体穿透情况的影响，并总结了气道设计的基本原则。h a n t 2 8 j 等研究了气辅成型 的冷却过程，提出了一种基于反向气体辅助注射成型的控制方法，大大提高气辅成型的 冷却效率。 为适应高品质模具对先进注塑技术的发展要求，国内对气辅成型技术也越来越重视 起来。国内电视机行业如深圳康佳、四川长虹、青岛海信、南京熊猫等集团公司纷纷引 进气辅装置以生产大屏幕( 2 5 英寸以上) 的电视机外壳。汽车制造行业近几年也很热衷于 g a i m 技术的应用【2 9 1 ，很多汽车内外饰如汽车保险杠、仪表盘、车门手柄等都先后采用 1 绪论 硕士论文 了g a i m 技术，并取得了很好经济效益。但总体来说，由于1 9 9 4 年才开始引进全套气 辅设备进行应用研究，所以现阶段国内气辅成型技术应用率还较低，应用水平还较欠缺， 对其中的关键技术掌握还不够充分，不过已经呈现较好的发展趋势。 1 3 2 注塑模c a e 技术 注塑模c a e 技术即注塑成型数值模拟技术，它根据塑料加工流变学和传热学等基 本理论建立起塑料熔体在成型过程中的流动、传热等的物理数学模型，并以此进行求解， 利用计算机的可视化技术，形象、直观地模拟出实际成型中熔体的流动、冷却等过程， 并定量描述成型过程中的速度、压力和温度等状态参数，以使设计人员在试模之前就可 以对注塑成型过程进行预测，发现可能的缺陷以便及时作出调整。因此，注塑模c a e 技术的运用带来的直接好处是省时省力，减少试模、修模次数和模具报废率，缩短模具 设计制造周期，降低成本，提高制品质量。特别是对于设计制造周期长、成本高、成型 过程问题多的大型、精密、复杂中高档模具来说，注塑模c a e 技术的优越性更是不言 而喻的。 1 9 6 0 年，美国学者t o o l ，b a l l m a n 和c o o p e r 3 0 】最先采用数值方法对塑料熔体的充模 过程进行了分析，随后，许多研究学者对此进行了大量研究。西方学者在6 0 年代完成 了一维流动和冷却数值模拟，7 0 年代完成了二维分析程序，8 0 年代开展了三维流动与 冷却分析。进入9 0 年代后，开展了成型过程流动、保压、冷却、应力应变及翘曲的全 过程模拟。相应的许多优秀的注塑模c a e 软件也不断问世，1 9 7 8 年澳大利亚m o l d f l o w 公司推出了第一个注塑成型充填阶段的模拟软件m o l d f l o w l 0 ，美国的a d v a n c e d t e c h n o l o g y 公司也在1 9 7 8 年推出了c f l o w l 0 ，但在2 0 0 0 年被m o l d f l o w 公司兼并， m o l d f l o w 软件以市场占有率8 7 及连续五年17 的增长率成为全球主流的注塑成型数 值分析软件。 我国从2 0 世纪8 0 年代初开始进行塑料注塑成型数值模拟方面的研究，在塑料熔体 充模、保压及冷却过程的数学模型和数值求解算法方面取得了不少成果。李海梅等【3 l j 建立注塑件的残余热应力二维积分型热黏弹本构方程的递推公式，并推导出了单元的有 限元求解公式。申长雨等【3 2 】构建了计算注塑制品内应力非线性黏弹性本构方程。赵涛【3 3 1 运用m o l d f l o w 针对汽车大型内饰件的几何特性对其注塑缺陷进行预测，并对其模具进 行优化设计，提高了制品质量。杨良波【3 4 】等应用m o l d f l o w 软件的对大型边框制品进行 模流分析，并改善了制品熔接痕缺陷。此外，国内也开发了相应的注塑模c a e 软件， 例如郑州大学国家橡塑模具工程研究中心的开发的z m o l d 软件、华中理工大学模具技 术国家重点实验室推出的h s c a e 软件等，已经在多家企业中得到应用，实现了商品化。 总体来说，国内开发的注塑模c a e 软件在流动、保压、冷却等方面基本上达到了国外 水平，但计算精度和算法效率还有待提高。从应用水平上来讲，国内企业在模具设计制 6 硕士论文 大型注塑模具设计及应用技术研究 造过程中c a e 软件应用还不够广泛，应用经验不足，相关工程应用人员也比较欠缺。 因此为提高我国模具设计水平，应继续大力发展注塑模c a e 技术。 1 3 3 注塑成型工艺优化技术 注塑成型制品的质量主要取决于材料性能、制品结构、模具的设计与加工、注塑成 型工艺等方面。传统提高塑料制品质量的方法主要是改进模具结构设计和采用材料性能 较好的树脂，但是模具设计往往受制件的复杂程度和机械加工的制约，材料性能的改善 也有其局限性。随着注塑模c a e 技术的发展，设计人员越来越重视对成型过程进行工 艺控制，并将其视为提高制品质量的有效途径。由于注塑成型存在非线性、多变量等特 性，使得其成型工艺的设置比较困难，靠试凑法调整工艺参数的传统优化方式难以满足 现代人们对优化效率及优化程度的要求，为此，设计人员在合理配置工艺参数方面进行 了大量研究。 目前，国内外很多研究学者将基于统计分析的试验设计方法与注塑模c a e 技术结 合使用以进行成型工艺的优化设计。该方法着重研究如何科学地设计试验方案，正确地 分析试验数据，得出试验中各因素对制品质量的影响，并给出最佳的工艺参数水平组合。 c h a n g 3 5 等利用t a g u c h i 法和注塑模c a e 技术分析了工艺条件对塑件收缩行为的影 响，并给出了减小塑件收缩行为的工艺条件。c h e n 3 6 】利用正交试验法和注塑模c a e 技 术，通过均值分析和方差分析得出注塑工艺参数对翘曲变形的影响。l i a o 了7 】等应用 t a g u c h id o e 研究了工艺参数及其交互作用对某一薄壁电话外壳收缩、翘曲的影响，得 出保压压力是影响收缩和翘曲的最重要参数。刘春太1 3 8 j 等利用t a g u c h i 法对产品的熔接 线性能进行了优化。郑晓培【3 9 】等利用t a g u c h i 方法和c a e 技术研究了工艺参数对a b s 、 h d p e 和p p 等材料注塑制品沉降斑的影响，并对工艺参数进行了优化。郑生容【4 0 】等对 基于t a g u c h i 试验的注塑参数优化方法做了系统的总结。 还有一些研究学者将基于启发式搜索的优化方法和注塑模c a e 技术结合用于注塑 工艺优化。基于启发式搜索的现代优化算法主要有模拟退火算法、遗传算法和人工神经 网络等。y e 4 l 】等利用注塑模c a e 软件和遗传算法确定了减小塑件沉降斑的最优工艺参 数，并对参数的影响程度进行了排序。l i n 4 2 】等将遗传算法和梯度法应用到注塑成型工 艺优化中，并比较了两种算法的优缺点。a l 伽1 【4 3 j 应用c a e 软件及t a g u c h id o e 技术获 得了使制品收缩最小的工艺参数组合，而且通过建立神经网络模型实现了对制品收缩率 的预测。申长雨等m 】采用神经网络建立了注塑工艺参数与不均匀收缩率的关系模型，然 后用混和遗传算法优化了注塑工艺参数，改善了制品质量。 注塑成型工艺优化设计是当前的一个热点研究问题，通过优化成型工艺，可以方便 经济、有效地提高制品质量，降低生产成本，对实际生产有很大的指导意义。但是，目 前研究所建立的优化模型还不够准确，不能很好的与实际生产要求相符。另外，优化效 l 绪论硕士论文 率也待改进，这就需要构建快速有效的优化算法，扩大优化技术在注塑成型模具设计中 的应用。 1 4 论文的主要研究内容 本文是在已有中小型注塑模具设计的基础上，重点研究大型注塑模具设计中的相关 理论及技术应用问题，主要从对成型质量有关键影响的模具主要部分及注塑成型工艺两 个方面进行大型注塑模具的设计与研究，几乎不涉及模具的具体结构。本文以某工程机 械仪表板的大型注塑模具开发为背景，以注塑模c a e 软件m o l d f l o w 为工作平台，结合 热流道注塑成型技术、工艺参数优化理论进行大型注塑模具的设计，主要包括以下三个 研究内容： ( 1 ) 大型注塑模浇注系统设计技术研究 对于大型塑件而言，塑料熔体在模具中的流程比较大，经常出现充模困难、熔接痕 及气穴数量多等质量问题。本文将针对上述问题加以分析，探讨大型注塑模浇注系统的 设计特点，研究流变学设计理论、热流道技术及m o l d f l o w 的m p i f l o w 、m p i w r a p 模 块在大型注塑模浇注系统设计中的应用。 ( 2 ) 大型注塑模冷却系统设计技术研究 冷却时间在整个塑件生产周期所占的比例最高，而冷却系统设计的合理性直接关系 到制件的冷却是否均匀，以及能否缩短冷却时间以提高生产效率，这对大型注塑模具的 设计来说非常重要。本文主要分析冷却系统对塑件质量的影响、对塑件成型周期的影响 以及大型注塑模冷却系统的设计特点，研究传热学设计理论以及m o l d f l o w 的m p i c o o l 模块在大型注塑模冷却系统设计中的应用。 ( 3 ) 大型注塑模注塑成型工艺参数优化技术研究 针对大型塑件在注塑过程中的主要问题，分析其产生原因及改善方法。研究t a g u c h i 实验设计法、神经网络和遗传算法等在注塑成型工艺优化中的应用，优化设计对塑件成 型缺陷有重要影响的工艺参数，以获得较优的成型质量。 8 硕士论文大型注塑模具设计及应用技术研究 2 大型注塑模具的设计 一般来说，大型注塑模具的设计流程和中小型注塑模具基本相同，但是大型注塑模 具的结构更复杂，设备要求及制造成本更高，开发和制造周期更长，注塑成型过程中出 现的问题更多。因此，大型注射模具的设计难度较大。本章根据大型注塑模具的特点介 绍其模具的基本结构，分析大型塑件在注塑过程中出现的主要问题，并以此进行综合考 虑来确定仪表板注塑模具的整体设计方案。 2 1 大型注塑模具的基本结构 注塑模具可分为动模和定模两大部分，动模部分安装在注塑机的移动模板上，定模 部分安装在注塑机的固定板上，通过注塑机的开模闭模完成注塑过程。按各部分功能划 分，注塑模具通常由成型部分、浇注系统、导向机构、侧向分型与抽芯机构、推出机构、 温度调节系统、排气系统、支撑零部件等结构组成，大型注射模具也不例外，但它又有 自己的特点，现分别介绍如下t 图2 1 注塑模具的结构【4 5 】 1 动模板2 定模扳3 冷却水道4 定模座板5 定位圈6 浇口套7 凸模8 导柱9 导套1 0 动 模座板11 支撑板1 2 支承柱1 3 推板1 4 推板固定板1 5 拉料杆1 6 推板导柱1 7 推板导套 l8 推杆1 9 复位杆2 0 垫块 ( 1 ) 成型部分 成型部分是指与塑件直接接触、成型塑件内表面和外表面的模具部分，它由凸模( 型 芯) 、凹模( 型腔) 以及嵌件和镶块等组成。凸模( 型芯) 形成塑件的内表面形状，凹 模形成塑件的外表面形状，合模后凸模和凹模便构成了模具型腔。图2 1 所示的模具中， 9 2 大型注塑模具的设计 硕士论文 模腔由动模板1 、定模板2 等组成。大型注塑模具常采用组合式的型腔和型芯结构，某 些结构还可以做成局部镶嵌式以方便加工。 ( 2 ) 浇注系统 浇注系统是指塑料熔体从注塑机的喷嘴进入模具型腔所流经的通道。浇注系统通常 包括主分流道、浇口及冷料穴等。浇注系统对塑料熔体充模情况、排气溢流、模具的压 力传递等起到重要的作用。大型注塑模因其塑件外形尺寸大、塑料熔体充填流程长等特 点，大多采用1 模1 腔、多点进浇方式。 ( 3 ) 导向机构 注塑模的导向机构主要作用是确保动