（机械制造及其自动化专业论文）注塑制品收缩规律的实验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着塑料性能的改善和注塑成型技术的发展，塑料制品的应用范围越来越广，同时 人们对注塑制品的精度和质量要求越来越高，然而注塑制品的收缩不仅影响了制品的尺 寸精度与表观质量，而且严重时还会引起制品结构变形与内在质量缺陷。精密注塑模具 设计时的收缩率选取和注塑工艺参数设定己成为精密注塑件生产中的两大难题，所以很 有必要对注塑制品收缩规律进行研究。 本课题在全面分析注塑成型收缩研究概况的基础上，用实验对注塑制品收缩规律进 行了全方位的研究。首先，利用正交试验研究了注塑工艺参数对注塑制品的收缩率以及 收缩各向异性( 纵向收缩率和横向收缩率的差异) 的影响规律，结果表明，在p p 常用 的工艺参数范围内，保压压力、保压时间和料温对注塑成型收缩影响较大，而保压压力 和注射速度对注塑成型收缩各向异性影响较大。接着在正交实验的基础上，对几种典型 形状塑件( 方形、凸形、凹形、扇形) 的收缩趋势进行了研究，证实了注塑制品是沿着 几何中心向内收缩的。最后采用单因素试验法研究了注塑制品厚度对其收缩率的影响规 律，发现注塑制品的厚度是影响塑件收缩率的一个重要因素，塑件的成型收缩率随塑件 厚度增大而增大，但是这种增大的趋势是非线性的，而塑件收缩各向异性的趋势随着塑 件厚度的增大而减小。 最后，本课题还利用注塑成型充模流动的静态可视化技术，观察了注塑成型中塑料 熔体的稳态扩展流动形式，通过分析稳态扩展流的三个阶段，清楚了塑料熔体的充模流 动过程，对注塑成型有了更深刻的认识。 关键词：注塑成型；收缩率；正交实验；静态可视化 注塑制品收缩规律的实验研究 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hf o rs h r i n k a g el a w so f i n j e c t i o nm o l d i n gp r o d u c t s a b s tr a c t w i t hi m p r o v e m e n to fp r o p e r t yo fp l a s t i c sa n dd e v e l o p m e n to fi n j e c t i o nm o l d i n g t e c h n o l o g y ，i n j e c t i o nm o l d i n gp r o d u c t sa r eu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y , a n dw i t hh i g b e r r e q u i r e m e n to fd i m e n s i o na c c u r a c ya n ds u r f a c eq u a l i t y b u ts h r i n k a g eo fi n j e c t i o nm o l d i n g p r o d u c t sc a l li n f l u e n c et h ed i m e n s i o na c c u r a c ya n ds u r f a c eq u a l i t y ，e v e nc a u s es t r u c t u r a l d i s t o r t i o no ri n s i d ed e f e c t s s e l e c t i o no fs h r i n k a g er a t ea n dp r o c e s sp a r a m e t e rb e c o m e sa d i f f i c u l t yi np r e c i s i o np l a s t i cp a r t sp r o d u c t i o n s oi ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h es h r i n k a g el a w s o f i n j e c t i o nm o l d i n gp r o d u c t s o n t h e b a s i so f r o u n d l ya n a l y z i n gs t u d ys t a t e o f s h r i n k a g e o f i n j e c t i o n m o l d i n g p r o d u c t s ， s h r i n k a g el a w so fi n j e c t i o nm o l d i n gp r o d u c t si sf u l l ys t u d i e dv i ae x p e r i m e n ti nt h i sp a p e r ，a t f i r s t , t h ei n f l u e n c eo fp r o c e s sp a r a m e t e ro ns h r i n k a g er a t ea n ds h r i n k a g ea n i s o t r o p y ( d i f f e r e n c eb e t w e e nt r a n s v e r s es h r i n k a g er a t ea n dl o n g i t u d i n a ls h r i n k a g er a t e ) o fi n j e c t i o n m o l d i n gp r o d u c t si ss t u d i e dt h r o u g ho r t h o g o n a le x p e r i m e n t i t sf o u n dt h a th o l d i n gp r e s s u r e ， h o l d i n gt i m ea n dm e l tt e m p e r a t u r ea r es i g n i f i c a n te f f e c tf a c t o r so nt h es h r i n k a g er a t eo f i n j e c t i o nm o l d i n gp r o d u c t s w h i l eh o l d i n gp r e s s u r ea n di n j e c t i o nr a t i n f l u e n c es h r i n k a g e a n i s o t r o p yg r e a t l y o nt h eb a s i so f t h ef o r m e ro r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，s h r i n k a g et r e n do f s o m e 坷e c t i o nm o l d i n gp a r t sw i t ht y p i c a ls l t a p e ( s q u a r e ，c o n v e x ，c o n c a v e ，s e c t o r - s h a p e d ) a r e s t u d i e de x p e r i m e n t a l l y r e s u l ti n d i c a t e dt h a tp l a s t i cp a r t ss h r i n ka l o n gi t sg e o m e t r yc e n t r e t h e nas i n g l ef a c t o re x p e r i m e n ti su s e dt or e s e a r c ht h er e g u l a r i t yo f i n f l u e n c eo f t h i c k n e s so n s h r i n k a g er a t e i ti si n d i c a t e dt h a tt h i c k n e s si sa ni m p o r t a n tf a c t o ro fs h r i n k a g er a t e ，t h e s h r i n k a g er a t ei n c r e a s ew i t ht h i c k n e s sn o n l i n e a r l y , w h i l es h r i n k a g ea n i s o t r o p yr e d u c ew i t h t h i c k n e s s a tl a s t ，as t a t i cv i s u a l i z a t i o nm e t h o df o rf i l l i n go fi n j e c t i o nm o l d i n gi su s e dt oo b s e r v e t h es t e a d ye x p a n d i n gf l o wo f t h em e l tp l a s t i ci nm o l dc a v i t y a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f t h e t h r e es t a g e so f e x p a n d i n gf l o w ，f i l l i n gi ni n j e c t i o nm o l d i n gi su n d e r s t o o dm o r ei m p r e s s i v e l y k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n g ：s h r i n k a g er a t e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；s t a t i c v i s u a l i z a t i o n 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：本兰 一一日期：丝2 1 l 一金 大连理工大学硕士研究生学位论文 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、博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阅。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。 忙些挺匆夼色 作者签名：彳rc 引币箍幺呼b 导师签名： 皆r 幻u 皿年月上日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 国内外研究概况及发展趋势 1 1 1 注塑制品收缩的研究概况及发展趋势 注塑成型是一个复杂的多因素耦合作用的动态加工过程，加工过程中的每个因素都 对制品的成型质量产生重要影响，其中成型收缩是影响制品质量的关键因素之一。成型 收缩不仅影响注塑制品的尺寸精度与表观质量，而且严重时还会引起制品结构变形与内 在质量缺陷。因此，成型收缩已成为注塑成型领域的重要难题，也是进一步提高注塑制 品尺寸精度与表观质量，扩展其应用领域有待于解决的关键问题之一【l 】。目前，国内外 学者从不同角度，采用不同技术对注塑制品收缩进行了研究，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三个方面：一是以实验为基础的研究：二 是注塑成型收缩的理论研究；三是计算机模拟实验研究。 ( 1 ) 注塑成型收缩的实验研究 用实验方法研究注塑制品的收缩主要体现在研究材料性质、塑件几何形状和大小、 注塑成型工艺条件等对注塑制品收缩率的影响。 早期的实验研究主要集中在研究各种工艺条件和注塑制品收缩之间的关系。r g e g b e r s 和k g j o h n s o n 对不同牌号h d p e 在不同冷却时间、模具温度、熔体温度和注 射压力下，采用不同浇口尺寸测试其收缩情况，得出8 0 收缩与制品厚度和浇口尺寸有 关，2 0 收缩与成型条件有关的结论 2 1 。g p h e b e r t 和l p s a l l o u m 实验研究了p o m 在充填3 0 玻璃纤维时温度的变化对收缩的影响，并用统计的方法总结出收缩与模具温 度之间关系p j 。 2 0 世纪7 0 年代，注塑成型收缩的研究进入了简单经验模型阶段。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 通过大量实验，发现注塑制品的收缩和工艺参数呈线性关系， 建立了平板的收缩模型1 4 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 研究了纤维 增强材料的收缩性能，提出了预测纤维增强材料的收缩模型并且通过实验指出：影响增 强纤维材料纵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，其中重点是增强比例，其次是保压压力和模具温度p 】。 近期，许多学者开始研究收缩的各向异性，并在收缩的基础上分析制品的翘曲。v l e o 和c c u r e l t i e z 研究了浇1 3 几何形状、工艺参数和模具弹性对制品最终尺寸的影响【6 】。 b h l e e 用工程优化思想来设计塑料产品和选择成型工艺，在设计注塑模制品时，首次 打破制品壁厚尽可能均匀的不成文规则，他认为，在预定的尺寸误差范围内，通过改变 注塑制品收缩规律的实验研究 制品壁厚和成型时间是减少收缩不均匀性和翘曲的一种有效方法，并利用正交实验和信 噪比分析原理，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，得到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，获得最优壁厚和最佳工艺设置【7 】。 r s a h u ，d o n g a n gy 和b k i m 突破了传统设计中先给定产品几何形状的方法，通过 反复实验，他们将壁厚、保压时间、熔体温度、模具温度、保压压力作为优化设计的设 计变量，采用t a g u c h i 法求解减少收缩不均匀引起的翘曲变形的优化问题，并给出注 塑制品的理想厚度和体积【8 】。 国内很多研究人员【8 05 】也用实验的方法对注塑制品收缩进行了大量的研究。 西北工业大学克惠、窦开昌【1 5 】和郑州大学李倩、王丽霞【1 6 】等都采用注塑实验，通过 大量实验，究了熔体温度、注射压力、保压压力、模具温度和试样厚度等对注塑件塑件 收缩率的影响规律。 大连理工大学的于同敏等从塑料特性、成型工艺条件及塑件结构方面，揭示了注塑 成型收缩和塑件尺寸精度之间的关系，提出减小成型收缩的相应的措施，为精密注塑成 型提供了技术基础7 j 。 应用实验方法研究注塑制品的收缩，能够真实地反映塑件的收缩情况，但是有时候 会局限于某一特定材料和工艺条件范围内，不能全面考虑诸多因素对收缩的影响，但它 仍然是注塑成型收缩的基础，起着不可替代的作用。 ( 2 ) 注塑成型收缩的理论研究 注塑成型收缩理论研究主要根据实际经验，从制品设计，模具设计以及注塑工艺条 件等方面采取措施，减小收缩不均匀，随着计算机技术的发展，人们开始注重计算机对 注塑成型过程数值模拟理论的研究。 注塑材料方面，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、翘曲变形的影响，他们用改进的t a i t 方程来描述结晶性塑料的p v - t 关系， 用m a l k i n 结晶动力学理论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，将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 来计算收缩和翘曲【1 8 】。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 研究塑料冷却、分子取向 松弛和结晶性能( 对于结晶性材料) 所造成的收缩，将收缩翘曲特性与材料热膨胀系数 联系起来，并认为塑件收缩、翘曲的结果依赖于分子和纤维取向、压力和温度分布、并 且对残余应力分布作出了正确预测【l ”。 注塑工艺条件和成型过程研究方面，w 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 h 在注 塑制品收缩研究中考虑了压力、温度、体积三者关系，根据塑料p - v t 曲线分析可能产 大连理工大学硕士学位论文 生的体积收缩，并采用变体积法对收缩量进行补偿1 2 0 。w b h n i e v e l s t e i n 和g m c ”n g e s 着重研究保压压力、模具温度、制品厚度和熔体流动方向对收缩的影响，并采 用线性叠加原理获得预测收缩的经验模型【2 1 】。k m b j a n s e n , g t i t o m a n l i o 建立了一个 薄壁结晶性注塑制品的残余应力和收缩的弹性模型，描述了平板平面方向和厚度方向的 各向异性收缩，并指出收缩是由塑件变形中不同的强制力引起的【2 2 】。 模具结构和设计方面，漳州工业学校王志连指出了注塑成型收缩率的产生原因，并 从塑料特性、塑件结构、模具结构与注塑工艺条件等方面深入分析了影响收缩波动的各 种因素，给出了确定收缩的指导方法【2 引。 s f w a 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 各向异性的收缩和不同因素影响大小的加权公式，正确预测收缩和翘曲 2 4 1 。 注塑成型过程数值模拟理论方面，r y c h a n g 和b d t s a u r 利用c m o l d 软件修j 下 了用一种有限元和有限差分混合的方法模拟注塑模填充、保压和冷却过程后而预测的收 缩率、翘曲和缩痕的结果。大连理工大学的李海梅搏士等则采用热粘弹性模型计算脱模 前的残余应力，再用热弹性模型计算脱模后的翘曲变形f 2 ”“。 大连理工大学的祝铁丽根据注塑成型生产过程的特点，将模具型腔划分为由浇注系 统起始的若干条流动路径，建立注塑制品收缩的理论模型，用有限差分法求解江塑成型 生产过程的控制方程，研制了流动、保压、模内冷却和模外冷却过程的数值分析程序， 在此基础上由模具成型结构预测注塑制品收缩率分布趋势，并结合塑料供应商提供的收 缩率数据，确定注塑制品各点收缩率 2 7 - 2 s l 。 华中科技大学郭志英博士基于板壳理论和有限元方法对翘曲变形进行c a e 分析， 提出翘曲变形有限元模拟数学模型，并对模拟结果进行实验验证【2 ”o l 。 日本丰田中央研究所的i m a p 软件与澳大利亚m o u ) f l o w 公司的m o l d f l o w 软件 采用热弹性模型计算注塑制品的残余应力与翘曲变形1 3 1 1 。 注塑成型收缩的理论研究仍然是一个很重要的研究方向，随着流体力学、计算机科 学、数值技术及高分子材料等学科的发展，越来越多的学者开始注重对注塑制品的收缩 进行理论上的研究和用计算机对注塑成型过程进行数值模拟，特别是注塑成型过程的数 值模拟的研究将会有更好的发展前景。 ( 1 ) 注塑成型收缩的计算机模拟实验研究 二十世纪9 0 年代以后，随着流动、保压、冷却分析的计算逐步成熟，特别是推出 了一批优秀的c a e 软件，如澳大利亚m o l d f l o w 公司的m o l d f l o w 软件与日本丰田中 央研究所的i m a p 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 分析软件等的推出。许多学者在此基础上， 注塑制品收缩规律的实验研究 开始利用这些软件对塑件收缩进行模拟实验研究，预测注塑制品的形状尺寸，翘曲变形 等。 g o r d i l o ，a a r i z a , d 和s a n c h e z s o t o 考虑了塑件的几何因素和工艺条件的影响，揭 示了c m o l d 系统模拟结果和实验的塑件收缩的一致性f 3 2 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 f m p a r y 用m o l d f l o w 软件预测收缩的 三种模型，研究了影响结晶性和非结晶性材料收缩的因素 3 3 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 的凹陷等问题的原因【j 4 1 。 王利霞、王蓓、申长雨等人，将c a e 及t a g u c h i d o e 技术结合，以收缩和沉降斑 作为衡量注塑制品质量的两个重要指标，采用l 9 ( 3 4 ) 正交矩阵进行模拟实验。研究工艺 参数对注塑制品内最大沉降斑和体收缩率变化的影响，优化工艺参数，使体收缩率变化 和沉降斑指数达到最小【3 ”。 注塑成型收缩的计算机模拟实验研究，大多用现有的注塑模c a e 软件进行模拟实 验，研究注塑工艺参数、塑件结构等对注塑制品的收缩影响规律，而对其正确性的研究， 许多学者都是用实验方法和预测值比较，由于模拟实验和具体实验具有定的差异，并 不能具有代表性，所以，该类研究只能对注塑制品收缩的研究方面起辅助作用。 综上所述，国内外对成型收缩的研究很多，主要集中在以下三个方面。是以实验 为基础的研究。这类研究大多是以简单试件，采用多因素实验方法，测量试件在不同工 艺参数作用下的收缩率的变化值，研究注塑制品收缩规律，这种方法与实际成型时的制 品结构与工艺条件有一定差异，但它仍是材料收缩率进一步研究的基础，对实际的注塑 成型的工艺参数设定和模具设计时的收缩率选取等方面有着十分重要的意义。二是注塑 成型收缩的理论研究。这类研究大多是对高聚物的弹性或粘弹性以及热弹性或热粘弹性 理论模型等研究，以及有限元或有限差分等方法的应用，为注塑成型提供理论指导和计 算机模拟提供更精确的计算方法。其中注塑成型数值模拟理论对塑料制品的生产有着重 要的实际意义，注塑成型计算机数值模拟理论研究将是一个很有发展前景的研究方向， 但是这些理论都需要通过注塑成型实验得出和验证。三是计算机模拟实验研究。该类研 究大多是以某种成熟的注塑模c a i 软件为平台，采用模拟实验得方法，研究江塑工艺 参数、塑件结构等对注塑制品收缩的影响规律，该类研究对实验设备要求低，但模拟实 验和实际还是有一定的差异，该方法只能是一种辅助的研究方法，不能完全替代实验研 究。 国内外对注塑制品的收缩从以上三个方面作了大量的研究，但是单从注塑工艺参数 对注塑成型收缩影响研究并不是很多，另外实验研究中大多采用的是矩形平板作为实验 一一 大连理工大学硕士学位论文 研究对象，对实际塑料制品中常见的几种典型形状塑件的收缩研究却不多见，而且对制 品厚度和制品收缩关系的研究也不多见。 1 1 2 注塑成型可视化技术的研究概况及发展趋势 注塑成型可视化技术在高聚物成型的研究中占有很重要的地位，利用可视化技术直 接观察模具型腔内熔体流动过程，验证c a e 数值模拟结果，同时还能够明确各种注塑 成型缺陷的产生过程。通过可视化技术收集到的信息又可以作为优化模具设计的重要依 据，从而得到高质量的成型制品。 国内外将可视化技术应用到注塑成型研究中，已经取得了一些比较成功的经验。日 本东京大学生产技术研究所早在1 9 8 7 年就开发了一套可视化模具，利用可视化技术开 展了一系列的注塑充模分析，取得了丰硕的成果【3 6 l 。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，他们在东京大学的可视化模具的基础 上，开发出了一幅改进型的可视化模具【3 7 】。最近，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，对多型腔“h ”型流道 系统的淀塑成型填充不平衡现象的产生机理进行了研究1 3 8 4 9 1 ；最近他们借助于注塑成型 可视化实验装置，直接观察并记录了注塑成型过程中缩痕、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，为研究排除制品缺陷提供了理论依据 【4 。香港科技大学的高福荣利用自行开发的可视化实验装置对注塑成型的塑化过程进行 了系统的观察，着重讨论了不同的工艺条件对塑化性能的影响，同时借助示踪粒子对固 相速度进行了测量，实验所取得的数据为注塑成型熔融模型的建立和对模型的验证提供 了依据，同时也是注射螺杆优化设计的基础数据【4 ”。 近年来，温度、压力等测量技术的不断进步促进了可视化实验研究领域的进一步拓 展。同时，伴随着c a e 模拟技术的逐步成熟及其预测精度的不断提高，在以后的注塑 成型过程研究中将两者有机结合将成为最主要的研究手段。注塑成型动态可视化方面已 经取得了一定的成果，但是注塑成型静态可视化方面的研究很少。 。2 课题研究意义 随着塑料制品在机械、电子、航空、仪器仪表等行业的广泛应用，人们对注塑制品 的精度和表观质量要求越来越高。然而，注塑成型收缩是影响制品质量的关键因素之一， 它不仅影响了制品的尺寸精度与表观质量，同时严重时还会引起制品结构变形与内在质 量缺陷。因此，注塑成型收缩己成为困扰注塑模具设计和注塑工艺参数制定的重要难题， 也是进一步提高注塑制品尺寸精度与质量，扩展其应用领域的关键问题。在实际的注塑 制品的生产中，经常会遇到由于注塑工艺参数的设计不合理，制品某些尺寸不能很好的 注塑制品收缩规律的实验研究 满足精度要求，实际解决此类的方法往往是反复的试模，直至打出满足要求的塑件，这 严重的影响了生产效率。另外，人们在一些典型形状的塑件的收缩趋势方面存在一些不 同的理解和认识，丽在实际的模具设计的工作零部件尺寸计算时，往往根据经验，推测 塑件成型后的收缩趋势，如果收缩趋势预测错误，用根掘此判断设计出的模具，无论如 何调整泣塑工艺参数都不能生产出满足要求的塑件。所以本课题将通过实验，研究注塑 工艺参数和注塑成型制品的横向收缩、纵向收缩以及这两个方向收缩影差异( 本文定义 平行于进料方向的尺寸为纵向尺寸，用z 表示，该尺寸的线性收缩率定义为纵向收率， 用& 表示；垂直于进料方向的尺寸为横向尺寸，用日表示，该尺寸的线性收缩率定义 为横向收缩率，用勋表示) 之间的关系，弄清典型形状塑件的收缩趋势，指导实际注 塑工艺参数设定和模具设计中的工作零部件尺寸计算。同时通过实验找出塑件厚度对成 型收缩率的影响规律，为精密注塑成型提供参考。 可视化方法是研究高分子材料加工成型过程的重要手段，它与c a e 相辅相成，推 动着高分子材料加工成型科学与技术的快速发展。可视化方法对于发现n i 成型过程中 的某些未知现象，揭示成型缺陷的产生机理等方面有着不可替代的重要作用，在实际中， 可以通过可视化技术直接观察型腔内树脂流动过程，帮助人们更好的理解注塑成型的全 过程，同时可以验证c a e 数值模拟结果，还能够明确各种注塑成型缺陷的产生过程。 通过可视化技术收集到的信息又可以作为优化模具设计的重要依据，从而得到高质量的 注塑制品。本课题利用注塑成型充模流动的静态可视化方法，观察和分析注塑成型中塑 料熔体的充模流动过程，加深对注塑成型充模流动的理解。 1 3 课题的研究内容 本课题是为了通过实验研究注塑成型制品的收缩规律，指导实际的注塑成型工艺参 数设定和模具设计而提出的，本课题的主要内容有： ( 1 ) 研究注塑成型工艺参数对注塑成型收缩的影响规律，即在料温、注射压力、保 压时间、保压压力、注射速率这几个重要的注塑工艺参数中，哪些对注塑成型收缩的影 响程度大，同时对这些工艺参数注塑制品的收缩各向异性的关系进行研究； ( 2 ) 弄清几种典型形状塑件( 方型、凸形、凹形、扇形) 的收缩趋势； ( 3 ) 研究塑件厚度对注塑成型收缩的影响规律； ( 4 ) 实现注塑成型充模流动的静态可视化，并根据对具有充模流动痕迹的塑件的观 察理解充模流动过程。 大连理t 大学硕士学静论文 2 注塑工艺参数对注塑成型收缩的影响 2 1 注塑成型收缩简介 2 1 1 注塑成型收缩的定义 注塑成型周期是指塑料由固体颗粒或粉末加热成为熔融状态，在注射压力的作用下 充满模具型腔，然后在较冷的闭合模具型腔内被冷却为固态制品的全过程。塑料的热胀 冷缩现象比金属更为显著，因此，冷却至室温的注塑制品体积总是小于成型模具在常温 下的型腔体积，这就是注塑制品的成型收缩，通常用收缩率表示，即常温下制品体积与 型腔容积的差异相对于型腔容积的百分比来表示，即体积收缩率： 矿一p 墨= 二苎_ 上1 0 0 ( 2 1 ) 匕 式中，岛为注塑成型制品的收缩率； 为常温下模具型腔的容积； 为常温下成型制品的体积。 如果要求注塑制品符合图纸所规定的尺寸，则在设计注塑模具时，需要根据注塑制 品各个尺寸的收缩率在模具成型尺寸中给以补偿。注塑制品某尺寸的收缩率用下式来表 示，即线性收缩率： ，一， 墨= ! r 上x 1 0 0 ( 2 2 ) 式中，岛为注塑成型制品尺寸0 的线性收缩率； k 为常温下与制品尺寸厶相对应的模具型腔尺寸； 厶为常温下注塑成型制品的某尺寸。 2 1 2 注塑成型收缩机理 从事注塑成型加工领域的科研人员对注塑成型制品的收缩特性从理论和实验方面 都作了大量的研究，指出注塑制品的成型收缩主要有以下几种原因造成i 筝 4 2 1 。 ( 1 ) 热收缩 高温塑料熔体在模具型腔内冷却成型为塑料制品时，塑料材料必须遵循的热胀冷缩 的物理规律是引起成型收缩的主要原因之一，这种完全由温度下降所引起的收缩，通常 称为热收缩。热收缩量与熔体之间的温差成正比，它是成型收缩中最重要的收缩，表现 为线性收缩。 注塑制品收缩规律的实验研究 ( 2 ) 结晶收缩 结晶性塑料制品在其成型的冷却过程中，塑料内部会发生结晶。结晶将会使塑料大 分子由无规律的排列转变为规则有序的紧密排列，于是制品的体积将会因此而收缩，制 品的线尺寸也会因体积收缩而减小。因此结晶变化是引起制品收缩的重要因素之一。结 晶收缩的大小与制品中的结晶度有关，结晶度越高，结晶的体积收缩量越大。对于结晶 性塑料制品来讲，结晶的体积收缩值一般都比热收缩的体积收缩值大。 ( 3 ) 取向收缩 塑料熔体在注射过程，经过模具浇注系统进入型腔时会发生明显的取向结构。然而 由于熔体流入模具型腔之后其流速和所受的切应力大幅度减小，而且也不可能在瞬问冷 却固化，所以在浇注系统中形成的取向结构将会发生解取向，从而导致某些已经伸直且 有序排列的大分子链结构将会恢复到卷曲状的无规则线团状态，于是塑料将会因此而收 缩，与取向方向一致的制品尺寸将会随着收缩而减小，这种收缩称为取向收缩。它很大 程度上影响着塑件的成型收缩。取向收缩的大小与取向方位和取向程度有关，通常，取 向收缩沿着取向方向表现显著，而在与取向垂直方向上收缩值较小，取向收缩的数值一 般和耿向程度成正比。 ( 4 ) 负收缩 负收缩实际上是一种弹性效应，它是指具有一定形状的制品从模具型腔中脱出后， 塑件的温度尚未达到室温，而型腔压力突然消失了，由于弹性恢复产生的体积膨胀现象。 注塑制品的弹性体积膨胀现象起因于塑料本身的体积可压缩性，它虽然和收缩的基本概 念刚好相的反，但在考虑制品总的成型收缩率时又不能将其忽略，故特将它作为一种负 收缩进行处理，负收缩的大小与塑料品种、成型温度以及成型时的各种压力等有关。 ( 5 ) 后收缩 塑料制品脱模后，因各种压力的松弛将会产生时效变形，由时效变形引起的制品尺 寸缩小的现象叫后收缩，对后收缩可以采取退火方法进行减小或消除。 2 1 3 收缩过程 注塑制品的收缩过程由可以分为三个阶段：浇口凝固前的收缩、冷却收缩和脱模后 的收缩。实际测得的总收缩量是以上三阶段发生的收缩量的总和。 第一阶段，浇口凝固前的收缩( 保压阶段) 。这一阶段制品的收缩很大程度上取决 于浇口凝固前熔体的补偿程度。熔体一进入模具内，由于此时模具温度较低，熔体温度 急速下降，而熔体的密度和粘度不断提高，熔体的补偿能力取决于保压压力的大小，以 及维持该压力向模内传递的时间。这个过程一直持续到浇口凝固并封闭为止。所以这一 大连理工大学硕士学位论文 阶段的收缩主要取决于保压压力的大小和保压时间的长短，保压压力越大，保压时间越 长，这一段的收缩率越小。 第二阶段，冷却过程中的收缩( 冷却阶段) 。从浇口开始凝固直至脱模的整个阶段 为冷却阶段。此阶段再无其它新的熔体进入型腔，制品的质量和密度不再发生变化。该 阶段，非结晶聚合物的收缩是按照膨胀系数收缩的，收缩的大小主要取决于模具温度和 冷却速度，模具温度低，冷却速度快，分子取向冻结，来不及解取向，制品有较小的收 缩；对结晶性塑料来说，在这一阶段主要是由结晶度影响的收缩，因此凡影响结晶度的 因素都会影响收缩。冷却过程中，制品的收缩与模具温度、冷却时间及冷却速率有关， 如果模具温度高，冷却速度慢，分子有充分的松弛时间，结晶趋于更完全，收缩率就可 能增大。反之，冷却速度快，则结晶度较小，收缩率可能较小。 、 第三阶段，脱模后制品的自由收缩。脱模后的注塑制品需要在室温下静置一段时间， 由于内应力的存在，制品中在一定温度下已经取向的分子链段会产生松弛，结晶性聚合 物发生二次结晶。冻结取向越大，则越容易发生应力松弛，制品收缩也越大，尺寸变化也 大。自由收缩量和制品尺寸、聚合物热膨胀系数、脱模时制品温度、工作环境温度等有 关。自由收缩量可以有下式表示： 厶= ，a ( 一力( 2 3 ) 4 f 式中，厶为自由收缩量； 厶为制品脱模后沿收缩方向的长度； a 为聚合物热膨胀系数； 乃为脱模时制品温度，； 兀为工作环境温度，。 2 1 4 影响注塑成型收缩的因素 影响注塑制品收缩的因素很多，成型材料( 高聚物的分子链结构、结晶度、力学性 能、流变性能等) 、工艺条件( 注射速度、保压压力，保压时间、冷却时间等) 和模具 设计( 塑件结构、浇口位置和数量、冷却回路分布等) 等都影响其收缩行为。 ( 1 ) 与注塑材料特性有关的因素 塑料品种 不同的材料，其固有的收缩率大小不同，即使是同一品种的塑料，不同厂家生产， 或者同一厂家生产不同批号的同一种塑料，其收缩率都不一样。而且由于树脂本身固有 的特性，收缩率范围有宽有窄。这是因为材料性质不同，其p v t 图也不相同，其热收 一9 注塑制品收缩规律的实验研究 缩就不相同。有的是结晶性材料，有的是非结晶性材料，即使都是同一结晶性材料，其 结晶度不同，结晶收缩也就不同。 玻璃纤维含量 同一种的塑料收缩情况因玻璃纤维含量的不同而变化，但是从注塑成型实践中得 出，在料流流动方向上，这种情况几乎不受塑件厚度的影响。而在与料流呈垂直方向上， 在厚度不变的情况下，收缩率随着玻璃纤维含有的增加而减小，在薄壁的情况下，塑件 的收缩率几乎不受玻璃纤维含有量的影响。 ( 2 ) 与注塑工艺条件有关的因素 压力 注塑成型中压力包括注射压力，保压压力和型腔压力等。这些因素均对塑件收缩行 为有明显的影响作用。 提高注射压力，能够降低制品的收缩率。这是因为压力增大，注射速度提高，充模 过程加快后，一方面因塑料熔体的剪切发热而提高了熔体温度、减小了流动阻力，另一 方面还可以在熔体温度尚高、流动阻力较小的状态下较早进入保压补料阶段。 较高的保压压力和型腔压力使型腔内制品密实，收缩减小，尤其是保压阶段的压力 对制品的收缩率产生影响更大。这可解释为熔体在成型压力作用下受到压缩，压力越高， 发q 三的压缩量越大，压力解除后的弹性恢复也越大，使得塑件塑件尺寸更加接近型腔尺 寸，因此收缩量越小。 温度 料温对高聚物熔体粘度影响很大。在粘流温度以上，高聚物的粘度随着温度的升高， 熔体的自由体积增加，分子间的互相作用力减弱，使高聚物的流动性增加，熔体的粘度 随着温度升高以指数方式降低，因而在高聚物注塑加工中，提高熔体的充模能力。 模具温度对成型收缩率的影响主要表现在浇1 3 冻结后制品脱模之前这段过程。而在 浇口冻结之前，模温升高虽有增大热收缩的趋势，但是较高的模温使得浇口冻结时间延 长，导致注射压力和保压力的影响增强，补缩作用和负收缩量均会增大。所以，总收缩 是两种反向收缩综合作用的结果，其数值不一定随着模温的升高而增大。浇口冻结后， 注射压力和保压力的影响消失，随着模温的升高，冷却定型时间延长，脱模后制品收缩 率一般都会增大。 时间 注射时间是指注射螺杆连续推进，对熔料连续压缩所持续的时间。在浇1 ：3 封闭前， 注射时间越短，收缩率越大，而且收缩率的变化幅度也越大，当注射时问达到或超过浇 1 3 的凝固时间这个时刻时，即使再延长注射时间，制品重量和收缩率也不再发生变化。 大连理工大学硕士学位论文 保压时间越长有利于熔体补缩压实，塑件密度越大，收缩率越小。当浇口凝封后， 保压对制品收缩的减小不再起作用，过长的保压时间会延长成型周期。 冷却时间对制品成型收缩率的影响因树脂种类、制品厚度、熔体温度、模内温度和 结晶方式等不同。对于非结晶性树脂来说，冷却时间对制品收缩的影响不大。然而对于 结晶性树脂，若冷却时间过长，结晶得到充分进行，结晶度高，成型收缩就会增大。 ( 3 ) 与模具结构特征有关的因素 塑件的结构决定了模具成型结构，模具型腔的形状与尺寸，浇口的形式、数量、位 置与大小，以及模具冷却( 或加热) 回路的分布。模具成型结构从根本上决定了充模过 程中塑料熔体流动情况以及注塑制品的温度分布与收缩分布。 浇口 浇口的结构、形式、尺寸和开设位置等，均对成型收缩率有影响，因为这些因素对 塑料熔体的充模流动影响较大，其中影响最大的是浇口截面积，当注塑工艺条件一定时， 浇口的截面积越大，越有利于压力的传递，提高模内压力，并推迟浇口的凝固，注射压 力和保压压力的补缩作用因此加强，制品的体积收缩和线性收缩将随之减小。 馓件设计 注塑制品中的嵌件，虽然能够满足局部的功能要求，但是对注塑制品的收缩有阻碍 作用，使制品在脱模前一直处于非自由收缩状态，存在模内限定效应，在嵌件周围，不 仅阻碍熔体的流动方向，密度分布及收缩等，而且嵌件本身的温度也较低。因此，在注 塑成型过程中，有设计嵌件的制品比一般塑件的收缩率要小，结构复杂的塑件一般要比 结构简单的塑件收缩率复杂。 塑件厚度 一般制品较厚的部位，冷趋缓慢，当浇口封闭时，此处物料芯部的温度仍然较高， 热容较大，在浇口封闭后，芯部冷却收缩得不到补偿，使此处的收缩量较大。通常在注 塑成型制品的形状设计中，避免出现厚度差别较大的部位，让注塑成型制品各处的厚度 尽可能相等。 冷却系统 模具冷却通道布置与尺寸设计直接影响着模具温度分布和塑件的冷却过程，影响型 腔表面的温度，从而影响注塑制品各点的冷却速度与收缩过程。型腔表面距离模具冷却 回路较近的地方，受冷却介质的影响较强，使此处的塑料熔体冷却的快，一方面缩短了 温度变化的作用时间，使塑料的实际比容值与平衡状态下的比容值之间的差距增大，另 一方面当进入模内收缩阶段时，此处的注塑成型制品表面温度已经很低，所以能够发生 的收缩程度较小。 注塑制品收缩规律的实验研究 2 2 实验目的 在实际注塑制品生产中，经常会遇到由于注塑工艺参数设定不合理，制品某些尺寸 不能满足精度要求的问题，实际解决此类问题的方法，通常是反复的试模，直到打出满 足要求的塑件为止，这样严重的影响了生产效率。所以很有必要研究注塑工艺参数和注 塑成型制品的横向收缩、纵向收缩以及这两个方向收缩影差异之j 日j 的关系，指导实际注 塑工艺参数设定，减少试模次数，提高生产效率。本章实验将研究工艺参数对方形平板 塑件纵向收缩率和横向收缩率的影响规律，及其对两个方向收缩差异的影响，即本章实 验的目的有以下两个： ( 1 ) 研究注塑工艺参数对注塑制品横向和纵向收缩率的影响，确定哪些工艺参数对 这两个方向收缩率的影响程度较大，哪些影响较小。 ( 2 ) 注塑工艺参数对成型收缩各向异性的影响，即通过研究注塑工艺参数对横向和 纵向收缩差异的影响，确定哪些工艺参数对注塑成型收缩的各向异性的影响程度较大。 2 3 实验设备与材料 2 3 1 实验设备 ( 1 ) 注塑机 实验采用香港华大机械有限公司生产的r n 1 2 0 f 型注塑机，其外形如图2 1 所示， 各部分技术参数见表2 ，1 ： 表2 1 华大t t i - 1 2 0 f 型注塑机技术参数 t a b 2 1t e c h n o l o g yp a r a m e t e r so f h u a d at t i - 1 2 0 fi n j e c f i o nm a c h i n e 华大t t i - 1 2 0 f 型注塑机技术参数 注射部分锁模部分 螺杆直径 4 0 衄 锁模力 1 2 0 t 螺杆长径比 2 0 锁模行程 3 4 0 m m 理论注射体积 2 1 5c 矗 模板最大间距7 1 0 m 理论注射量 2 2 5 8g 容模量 1 3 0 - 3 7 0l m 注射速度 1 5 6c m 3 s 顶杆行程 9 5 m i l l 最大注射压力 1 7 8m p a顶杆力4t 熔料量7 4 r g h顶杆数 1 螺杆行程 1 7 1 姗 四柱间距 3 8 0 x 3 8 0n m 螺杆最大转速 2 6 0r r a i n 晟大行程 3 0 0 岫 1 2 一 大连理工大学硕士学位论文 t t i i2 0 f 型注塑机采用3 2 0 行4 0 点阵单色液晶显示器，显示数据和设定参数，薄 膜键盘控制显示页面和机器功能。该注塑机具有手动、半自动和全自动三种操作模式。 图2 1 华大t t i 1 2 0 f 型注塑机 f i g 2 1h u a d at t i 12 0 fr e j e c t i o nm a c h i n e ( 2 1 三座标测量机 实验采用日本东京精密公司生产的龙门移动式三坐标测量机g j 8 0 0 d r 8 0 0 6 0 0 8 0 0