（机械制造及其自动化专业论文）汽车尾门饰板气辅成型模拟及工艺优化.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：工q 圣至q u d c ： 删f f | f f i f f f f f f f m i f f f f f i i f f i f i f f f i f 删 y 18 0 3 0 3 d i s s e r t a l i o nf o rt h em a s l e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g s i m u l a t i o na n dp r o c e s s o p t i m i z _ 姐i o nf o rg a sa s s i s t e d i n j e c t t i o nm o l d i n g o fa u t ot a i l g 钔r eg a r n i s h c a n d i d a t e ： l i us h u a n g s h u a n g s u p e r v i s o r ：p r o f c h uz h o n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ： m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea i l da u t o m a t i o n d a t eo fo r a ie x a m i n a t i o n ： j u n e 2 01o u n i v e r s i 锣：q i n g d a o1 e c h n 0 1 0 9 i c a lu n i v e r s i t y 硕士学位论文 汽车尾门饰板气辅成型模拟及工艺优化 学位论文答辩日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 青岛理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要“i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 气辅成型技术的发展1 1 2 气体辅助注射成型的应用2 1 2 1 气辅成型技术在国外的应用2 1 2 2 气辅成型技术在国内的应用3 1 3 气辅成型c a e 技术的研究现状3 1 3 1国外研究现状3 1 3 2 国内研究现状5 1 4 本课题研究内容6 第2 章气体辅助注射成型技术7 2 1 气辅成型的工艺过程7 2 2 气辅成型的工艺类型8 2 - 3 气辅成型的产品设计1 0 2 4 气辅成型的模具设计1 1 2 5 进气系统的设计1 2 2 5 1 气道的设计1 2 2 5 2 进气位置的选择1 3 2 5 3 气体注入方式1 4 第3 章气体辅助注射成型的c a e 技术1 5 3 1 气体辅助注射成型的基本理论1 5 3 2 熔体的粘度模型1 6 3 3 熔体充填的数学模型1 7 3 3 1扁平型腔中熔体的充填流动1 7 3 3 2 等效圆柱气道中熔体的流动1 8 3 4 气体穿透的数学模型1 9 3 5 边界条件1 9 3 6 气体辅助注射成型c a e 技术2 0 3 6 1气辅成型c a e 流程2 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 6 2 气辅成型c a e 分析的主要工艺参数2 5 3 6 3 气辅成型的主要缺陷数2 6 第4 章汽车尾门饰板气辅成型模拟分析2 8 4 1 制件结构及工艺分析2 8 4 2 模型前处理2 9 4 2 1c a d 模型的导入2 9 4 2 2网格划分3 1 4 2 3 定义成型条件一3 2 4 3 气辅成型工艺参数优化3 4 4 3 1 正交试验概述3 4 4 3 2 气辅成型正交试验方案设计3 5 4 3 3 气辅成型正交试验结果分析3 6 4 3 4 工艺参数的优化4 4 4 4 模拟结果分析4 7 4 4 1 方案1 模拟结果分析4 7 4 4 2 方案2 模拟结果分析4 9 4 4 3 两方案结果对比5 l 4 5 实例验证5 2 第5 章m o i d f i 伽二次开发5 4 5 1m o i d f i 洲二次开发概述5 4 5 2 气道长度的计算5 6 5 2 1 气道长度计算的程序设计5 6 5 2 2 气道长度计算5 9 5 3 正交试验的连续计算6 2 5 3 1正交试验的连续计算程序设计6 2 第6 章总结及展望6 7 6 1 总结：6 7 6 2 展望6 8 参考文献6 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作7 4 致谢7 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 气体辅助注射成型( g a s a s s i s t e di i l j e e t i o nm o l d i n g ，g a ) 是在传统注射成 型的基础上发展而来的一种新颖塑料加工技术，目前已在业界得到广泛应用。 国内外学者对g a 蹦充填过程中气一熔二相流动、气体穿透、熔体前沿和气 一熔界面边界等问题进行了深入研究。在此基础上，本文研究了气一熔二相流在 扁平型腔、等效圆柱型腔中的流动和控制方程，气一熔界面、边界条件的假设和 边界条件的推导；归纳出气体辅助注射成型的产品设计、气道设计和模具设计的 准则。 本文以汽车尾门饰板作为研究对象，利用a u t o d e s km o l d f l o w 儿w 粥a 分析 模块对其进行气体辅助注射成型数值模拟分析。设置不同的浇注系统方案，考察 浇口和进气口位置对气辅成型质量的影响，结果表明：浇口设置在远离进气口处 的制件薄壁位置可有效防止气体渗透现象的产生；采用正交试验方法分析各工艺 参数对气辅成型质量的影响，结果表明：熔体预注射量对气体穿透长度的影响最 大，低于8 0 的预注射量会导致气体吹穿熔体；气体延迟时间越短，气体穿透长 度越好；气体压力对气体渗透的影响最大，采用较低气体压力保压可有效防止气 体渗透；熔体温度越高，进气口位置气体渗透越严重；在正交试验优化方案中， 采用m o l d f l o w 二次开发的气道长度计算和正交试验连续计算程序对工艺参数进行 优化，获得最佳工艺参数组合：熔体温度2 3 0 ，熔体预注射量8 7 ，气体最大 压力6 m p a ，气体延迟时间o 5 s 。 关键词：气体辅助注射成型；数值模拟；m o l d n o w ；正交试验；浇注系统 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t g a s - a s s i s t e d e c t i o nm o l d i n g ( g a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g ，g a i m ) i sa n o v e l 虹n do fp l a s t i cp r o c e s s i n gt e c l l l l o l o g yw h i c hi sb a s e do n 仃a d i t i o n a li n j e c t i o n m o l d i n g i th a sb e e na p p l i e dw i d e l yn o w t h ef i l l i n gp r o c e s so fg a d 订a b o u tt w op h a s e sn o wo fg a sa 1 1 dm e l t i n g ，p e n e t r a t i o n o fg a s ，t h ef 0 加e ri n t e r f 缸eo fm e l ta i l dt h eb o u n d a r yo fm o l t e n g a sh a v eb e e ns t l l d i e d d e e p l yb yt h es c h o l a r sa th o m ea u l da b r o a d b a s e do n “s ，土m sp a p e rs t u d i e st h en o w a n dc o n t r o le q u a t i o n sa _ b o u tt w op h a s e sn o wo fi n e l ta n dg a si nc y l i n “c a lc a v i t y a n d n a tc a v i t y m eg a s m o l t e ni n t e r f 犯e ，m eb o u n d a r yc o n d i t i o n so fh y p o t h e s i s ，b o u n d a r y c o n d i t i o n so fd e r i v a t i o na n dt h es t a n d a r do 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 gd e s i g n ， r u n n e rd e s i g i la n dm o u l dd e s i g l lw e r es u r i u i l 撕e d t i l ea u t o m o b i l et a i ld o o ra d o mp l a t ei st h er e s e a r c hd b j e c to ft h j sa n i c l e ，w a s s i 枷l a t e d b yg a s a s s i s t e da n a j y s i sm o d u l eo fa u t o d e s km o l d n o w a m i g a 蹦。t h r o u 曲 s e t t i n gd i 脆r e n tg a t i n gs y s t e mp l a i l s ，w ec 柚a c q u i r et h er e s u l t sa b o u tt h ee 骶c t so fm e p o s i t i o no fg a t ea i l di n t a k eo nt h e 埘e c t i o nq u a l i t y t h er e s u l ts h o w st h a ti ft h eg a t ei s f 打a w a yf 而mt h ei n t 砒汜s t h i nw a l lp o s i t i o n ，i tc a ne f ! f ；e c t i 、，e l ya v o i dp e n e t r a t i n g p h e n o i n e n o n t h ep r o c e s sp a u r a 玎舱t e r s se f ! f t so ni n j e c t i o np e r c e n t a gw e r ea n a l y s e db y o n h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：m ei n f l u e n c eo fp r e i n j e c t i o n q u a n t i t yo f t h em e l ti sb i g g e s tt ot h el e n g ho f p e n e t r a t i n g 1 0 w e rt h a i l8 0 ，m ei n e l tw i l l b ep e n e t r a t e d t h es h o r t e ro fd e l a yt i m e ，t h eb e t t e ro f p e n e t r a t el e n g t h t h eg a sp r e s s u r e i sb 远g e s tt ot h eg a ss e e p a g e si n n u e n c e ，t h el o w e rg a sp r e s s u r ec a ne f f e c t i v e l yp r e v e n t g a sp e 咖e a b i l i t y t h el l i g h e ro fi n e l tt e i n p e r a n l r e ，t h em o r es e r i o u so fa j rp e m l e a b i l i t yi n t h ei n t a k e i i lm ee x p e r i i n e n tp r o c e s s ，t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fm 0 1 d n o wa b o u t a i r w a yl e n 垂h 锄do n h o g o n a le x p e r i m e n ti sm a d et og e tt h eb e s tt e c l u l i c a jp a r a m e t e r s ： 2 3 0d e g r e e so fm e ht e m p e r a t u r e ，t h eb e s tg a si n j e c t i o ni s8 7 ，t h em a x i m u mp r e s s u r e 6 m p a ，t h ed e l a yt i m eo fg a si 1 1 j e c t i o no 5s k e yw o r d ：g a s a l s s i s t e di n j e e t i o nm o l d i n g ；s i m u l a t i o n ；m o l d f l o w ；o r t h o g o n a jt e s t ； g a t i n gs y s t e m i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 气辅成型技术的发展 气体辅助注射成型( g a s a s s i s t i 甜圳e c t i o nm o l d i n g ，g a 订) 技术是在常规注 射成型基础上发展起来的一种新颖的中空塑料制品成型加工技术。g a 蹦技术最早 可以追溯到二十世纪七十年代。1 9 7 5 年，德国的e m s tf r i e d e r i c h 第一个发明了气 体辅助注射成型工艺并申请了专利。确e d e r i c h 改进了中空制品的生产方法，在熔 融物料充填后，然后将加压气体也通过喷嘴上的进气孔向熔融物料注入气体，通 过气体推动将熔融物料紧贴模具内表面。后来在1 9 8 3 年，采用可控内压成型法 ( c i 即r e s ) 取代采用结构发泡成型法来制造中空装饰材料解决产品外观问题。1 9 8 6 年，在德国塑料工业展览会上，c i n p r e s 技术作为一种新的聚合物成型工艺而被加 以推广，被称之为“塑料加工业的未来技术”。从2 0 世纪9 0 年代起，气辅成型技 术不断完善和发展，开始逐渐应用到实际工业生产中。 同普通注射成型工艺相比，气体辅助注射成型具有以下显著优点【7 - 9 】： ( 1 ) 降低注射压力和锁模力，延长模具寿命，改善了注塑机的工作条件。由 于熔体的流动速率与熔体压力梯度和熔体的流动性成正比，当熔体以一定的流动 速率充填时，随着模腔内熔体的流动长度增加，入口压力相应增加从而保持一定 的压力梯度，这是传统的注射成型入口压力不断增加的原因。在气辅成型工艺过 程中，气体可以把压力有效传递到熔体前沿而不会产生明显的压力降。因此当气 体推动熔体前进时，有效降低了注射压力和锁模力，降低注射机的吨位和模具壁 厚。 ( 2 ) 能够消除表面缩痕、提高制品外观质量 在气辅成型过程中，通过气体的二次穿透补偿熔体冷却所造成的体积收缩， 使制品表面紧贴模具型腔；另外，气体将制品的厚壁掏空从而减小缩痕的产生。 ( 3 ) 制件翘曲变形小，尺寸稳定性高 由于注射压力小且塑件内部各处气体相等，压力分布均匀，所以冷却过程中 产生的残余应力减小，出模后塑件的翘曲变形也相应减小，提高产品的尺寸稳定 性。 美国g e 公司采用气辅成型技术生产汽车门内嵌板，该零件厚度从3 i i l 到 2 0 衄不等，形状复杂，采用传统注射成型完成是不可能的，而采用气辅技术实现 了一次成型。同时，制品的装配时间由原来的3 3 0 s 缩短为5 2 s ，装配时间减少近 8 0 【1 2 1 。 美国s 匈a r 塑料公司采用气辅技术成型汽车顶棚，注塑机吨位和残余应力大大 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 降低，翘曲变形得到有效控制，同时，制件的刚性增强，能够承受7 5 公分厚的积 雪13 1 。气辅成型技术在其它汽车零部件的生产中也被广泛的应用f 1 4 1 ，如车牌座、 仪表板、后视镜、货箱内饰、空气过滤器外罩、杂物箱、气流引导板等。 气辅成型技术在家电领域也得到了广泛的应用。1 9 9 1 年日本家电企业率先成 功地将气辅成型技术应用于“画王2 9 ”电视机前壳的生产1 4 1 5 】。随后，松下 ( p a n a s o n i c ) 大型电视机外壳( 7 4 c m ) 采用气辅成型技术将电视机外壳平均厚度 从0 3 6 c m 减少至0 2 5 4 c m ，质量减轻3 5 ，注射时间减少5 0 ，生产周期大为缩 短。产品表面缩痕消失，外观质量提高，产品合格率大幅度提高。同时，外壳所 需的装配部件的数量从普通注射的1 7 个减少到8 个，装配时间减少一半，产品生 产成本大大降低。 。 随着环保意识的增强和木材供应量的逐渐减少，气辅成型技术在仿木家具领 域应用也逐渐增多。 1 2 2 气辅成型技术在国内的应用 在我国，气辅成型技术虽然起步较晚，但得到国家相关部门和企业极大重视， 气辅成型技术得到广泛的推广应用1 5 j 7 1 。自中科院化学研究所工程塑料国家工程 研究中心1 9 9 5 年初率先引进了英国c i n p r e sg a u s 埘e c t i o nl t d 全套气辅设备用于塑 料家具生产以来，气辅注射成型技术的应用获得了极大的发展。 目前，气辅成型技术主要应用于家电行业，如海尔、海信、长虹、康佳、创维 等厂家广泛采用气辅成型技术生产大屏幕电视机外壳。根据南京熊猫集团的统计， 采用气辅成型技术成产的电视机壳，每件可节省材料2 5 3 5 ，注塑机锁模力 降低4 0 ，生产周期缩短4 0 。 气辅成型技术在汽车行业也获得广泛应用，一汽集团采用气辅成型技术生产汽 ， 车导流板。成都航天塑胶集团公司首先引进气辅技术生产汽车门内饰件。东风集 团引进了美国的气辅成型技术，生产汽车前后保险杠、杂物箱等内、外饰件。 1 3 气辅成型c a e 技术的研究现状 1 3 1 国外研究现状 2 0 世纪7 0 年代初，c a e 技术开始应用于c 蹦方面。在c 蹦数值模拟分析的 基础上，w a n g 明等人开始采用体积控制法，结合有限元法及有限差分法来模拟 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 g a 蹦中的充填过程。 2 0 世纪9 0 年代初，一些国外研究机构开始对g a 订充填流动模拟进行研究。 k 删s l i 【1 明等人基于二维幂率流体模型，采用配备渐进展开法研究非牛顿流体 在圆管和矩形截面管道中仿g a 蹦的两相流动，以c a 忱( 修正的毛细管数) 为参数 求出气体穿透厚度比例，并得出树脂表层的厚度随着非牛顿指数的增大而增大的 结论。 p o s i l i l s h 【冽等人将毛细管数c a 作为参数引入到牛顿流体硅胶膏的等温气辅成 型过程中，研究发现n e w t o n j a n 流体的表层熔体厚度比与毛细管数c a 的关系。其 研究表明，当毛细管数c a 的值大于2 时，表层熔体厚度比接近o 3 4 且保持不变。 但聚合物熔体一般是非牛顿流体，其流动行为与牛顿流体有很大差异，所以所得 结论仍有值得商榷之处。 t u m g f 2 1 1 等人借鉴传统注射成型充模流动分析的研究，采用粒子跟踪算法对熔 体和气体前沿进行跟踪，实现了非等温条件下熔体在型腔中流动的数学描述。其 实质是根据熔体和气体进入型腔的时间，分别计算区域内的熔体和气体，从而确 定充填过程中充模过程中熔体，气体的空间分布。 d m g a 0 等人采用控制体积法来处理g a 刀充填过程中熔体前沿和气一熔 界面这两类移动边界问题。 m o n i z e r l 2 3 1 等人对气体辅助注射成型制件中气泡现象进行了研究，得出g a 订 中气泡效应能减小制件壁厚的结论。 p a r v e z 【矧等人采用m o l d n o w 软件模拟了气辅成型过程中气体穿透情况，研究 了工艺参数和气道结构对气辅成型的影响，指出了熔体预注射量和气体延迟时间 两个参数对熔体表层厚度、气指现象有重要的关联。 在气辅成型数值模拟软件研究方面，国外研究机构开发了许多商业化气辅成 型模拟软件。主要有美国c o m e l l 大学w 缸g 教授的研究团队开发的c m o l d 中的 g g a s f l o w 模块，德国亚深大学m e n g e s 教授领导的( v 研究所开发的 c a d m o u l d m e g i t ，加拿大国家研究协会工业材料研究所g a o 等开发的g a 口模 拟软件。澳大利亚m o f d f l o w 公司将c m o l d 公司收购后，经过几十年的持续努 力和发展，m o l d n o w 已成为全球塑料行业公认的分析标准，在g a 蹦模拟方面 m 0 1 d n o w m p 粥a 订模块也一直在国际上独领风骚。2 0 0 8 年5 月1 日，a u t o d e s k 宣布对m o l d n o w 的收购。2 0 0 9 年7 月7 日，a u t o d e s k 公司推出最新版本的 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 a u t o d e s km o l d f l o w2 0 l o 软件2 5 御。 1 3 2 国内研究现状 我国在气辅成型c a e 研究方面的起步相对较晚。从上世纪8 0 年代开始，国 内高校和研究机构进行较为深入地研究，取得了骄人的成绩。 我国台湾地区g a 诅研究工作开展较早一些，s m c h a o 【2 7 】等人研究了气辅控 制单元的气压模型，首次引入了非线性动态模型进行实验验证。非线性动态模型 能够预测气辅注射成型过程中的界面运动规律，帮助理解工艺特征和不同工艺参 数之间的关系，但实用性差。因此，s m c h a 0 等人又提出了基于非线性模型基本 特征的二次方模型，该模型可精确预测气体注射压力瞬时变化。 s c c h e n 汹】等人采用改进的数值模型对带加强肋的薄板零件和环形圆管零件 进行了气辅注射成型的一次穿透、二次穿透的理论和实验研究，从制件的结构、 性能、气道设计等多方面研究了气辅注射成型流动过程的规律和特点，取得了较 好的成果。 近年来，国内研究机构和高校对g a m 进行较为深入地研究。郑州大学申长 雨2 9 1 领导的研究团体对研究了g a 蹦充模过程中的控制参数对气辅成型的影响。 华中科技大学周华刚刈等人采用参数摄动法中的匹配渐进展开法求解得出了气体 穿透厚度。华中科技大学国家模具技术重点实验室【3 l 】提出基于修正c r o s s 粘度模型 和n o n n e w t o n i a i l 、非等温状态下的广义h e l e s h a w 流动数学模型，研究了薄壁 制件的气辅成型充模流动规律，并经过合理的简化和假设求解本构方程。与此同 时，开发出h s c a e 软件的气辅分析模块。上海交通大学国家模具c a d 工程研究 中心的辛勇教授 3 2 】以电视机外壳为例，针对薄壁气辅注塑件沿圆形截面气道穿透 推进形成模壁表层熔体的充模流动过程中的气体注射压力、熔体温度、非牛顿指 数影响气体穿透充模过程进行了数值模拟研究，同时还对模具中的浇口数、气道 数及其布局等进行了优化，得到了质量更优的塑件。南昌大学机电工程学院柳和 生【3 3 1 研究团体以矩形平板为例，进行了等温条件下和非等温条件下气辅成型过程 中熔体流动的速度场和压力场数值模拟研究，给出了不同时刻熔体内的等压力线 和流线图，以便指导生产。吉林大学梁继才彤】研究小组研究了气体穿透聚合物熔 体的扩散特征和气体压力控制曲线对气体穿透的影响，讨论了气体辅助成型制品 中滞留痕缺陷的形成原因和防治方法。梁瑞凤3 5 1 对塑料家具制件进行了气辅注射 5 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章气体辅助注射成型技术 气体辅助注射成型技术，是从二十世纪八十年代发展起来的一项新型的塑料 成型技术。g a m 结合了结构发泡成型和注塑成型的优点，利用高压气体掏空塑件 厚壁形成气道推动熔体充满型腔，通过气体保压冷却成型塑件。g a 蹦可有效消除 塑件表面缩痕、提高生产效率、能够使壁厚不均匀的塑件一次成型，被广泛应用 于汽车、家电类产品的生产，被誉为塑料成型加工业的一项划时代的革命技术。 2 1 气辅成型的工艺过程 ( a ) 熔体注射 ( a ) m e l ti n j e c t i o n 隳 ， 萨t ，。 ， ， ， ， ， ( b ) 气体注射 ( b ) g a s i n j e c t i 伽 一团陪芦 ( c ) 气体保压( d ) 脱模 ( c ) g a sh o l d i n g( d ) m o l du n l o a d i n g 图2 1 气体辅助注射成型工艺过程图 f i g 2 一lg a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n gp i o c e s s 气体辅助注射成型工艺主要包括熔体注射、气体注射、气体保压和脱模四个 阶段3 】【3 7 - 3 9 1 ，其工艺过程如图2 1 所示： ( 1 ) 熔体充填：熔融聚合物注入模具型腔内，一般熔体充填体积占型腔体 积的5 0 1 0 0 。具体的预注射量按照产品的结构形状和工艺要求，由c a e 分析 和试验确定。 ( 2 ) 气体注射( 首次气体充填) ：注入一定量的熔体后，经过适当的延迟 时间，将高压惰性气体( 氮气) 通过进气口注入到熔体的内部，熔体流动前沿在 7 欠料注射工艺过程如图2 2 所示。首先，将熔融塑料注入模具型腔，预注射量 依照产品的工艺要求确定，一般熔体占型腔5 0 1 0 0 左右；经过适当的气体延 迟时间，然后将高压惰性气体( 氮气) 注入熔体内部，在高压气体推动下熔体料 流前锋继续向前流动，充满整个型腔；经过适当时间的气体保压和冷却作用，使 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 制品外表面紧贴模壁，减少因熔体体积收缩而引起的制件收缩变形；最后，排出 制件内部气体，开模顶出制件。该工艺适合棒状制品的成型，也适用板状制品或 局部壁厚差异大的薄壁制品成型。 ( 2 ) 满料注射成型法 在满料注射中，首先将熔融塑料充满整个型腔，然后再注入气体。由于熔体 已充满模腔，气体只起到保压的作用，注入气体的体积取决于聚合物的体积收缩。 由于熔体的密度和凝固后的密度存在明显差异，可以减轻制件的质量，采用气体 保压补缩可以有效避免产品产生缩痕、翘曲，满足高质量外观的要求。 满料注射成型主要有以下几种形式： 1 ) 熔体回流法 熔体回流法的工艺过程如图2 3 所示。首先，向模具型腔注满熔体，然后注 入气体。在气体压力作用下，部分熔体回流注塑机。该方法主要用于热流道模具， 优点是成型中不会出现短射；缺点是回流的熔体会影响材料质量，从而影响成型 制件的质量。 一 一 蒸 ( b ) 注入气体，熔体回流 ( b ) g a si n j e c t i n g ，m e l tf l o wb a c kt ob a r r e l ( c ) 气体保压( d ) 排气、开模、顶出制件 ( c ) g a sh o l d i n g ( d ) g a se x h a u s t ，m o l do p e na n dp a r te j e c t i n g 图2 3 熔体回流法 f i g 2 3m e l tr e t u m i n gm e t i l o d 2 ) 溢料成型法 溢料成型法又叫副腔成型法，在模具型腔外设置一个与主型腔连通的副型 腔，通过可控阀门控制副型腔与主型腔的连通，其成型工艺过程如图2 4 所示。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 匪 气 寨 茌、 萋 ( a ) 关闭副型腔，注射熔体( b ) 副型腔打开，注射气体 ( a ) o v e r f l o wc a v i t yc l o ，m e l tf i l l i n g( b ) o v e m o wc a v i t yo p e n ，g a si n j e c t i o n 穗 忝 。( c ) 关闭副型腔，气体保压( d ) 排气、开模、顶出制件 ( c ) o v e m o wc a v i t yc l o s e ，g a sh o l d i n g( d ) g a se x h a u s t ，m o l do p e na i l dp a j te j e c t i o n 图2 _ 4 溢流成型法 f i g 2 4o v e m o wm o l d i n gm e t l l o d 首先，将副型腔关闭，熔体注满主型腔后打开副型腔，同时开始向主型腔注 入高压气体。在高压气体作用下多余的熔体进入到副型腔，此时关闭副型腔进入 气体保压阶段，对型腔中的熔体进行保压补缩。最后，开模顶出制品。该方法优 点是制件表面无迟滞痕，表面质量好，副型腔内可以成型质量要求不高的制件： 缺点是模具结构复杂，制件需二次加工，副产品成型质量差等。 ( a ) 熔体注射 ( a ) m e l tf i l l i n g ( b ) 型芯后退，气体注射 ( b ) m o l d c o r eb a c k w a r d ，g a si n j e c t i o n 曜庄 ( c ) 气体保压 ( d ) 排气、开模、顶出制件 ( c ) g a sh o l d i n g ( d ) g a se x h a u s t ，m o l do p e na n dp a r te j e c t i o n 图2 5 型芯成型法 f i g 2 5c o r em o l d i n gm e t h o d 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 ) 活动型芯法 活动型芯法是在模具型腔中采用活动型芯，具体工艺过程如图2 5 所示。 首先，将活动型芯处于最长伸出位置，然向型腔中充满熔融塑料；当熔体注 射结束，开始注射气体时，型芯逐渐后退，气体进行穿透；待活动型芯退到最短 伸出位置时，气体进行保压补缩，最后形成具有一定型芯形状的制件。采用该法 成型制件，熔体注射量便于控制，但制件内表面会形成迟滞痕迹。 2 3 气辅成型的产品设计 当零件设计出现以下一个或几个情况时，传统注塑成型难以实现，应考虑采 用气体辅助注射成型工艺【3 】： ( 1 ) 零件必须很平，而且需要残余应力很小 ( 2 ) 结构性能需要，壁厚差异大 ( 3 ) 零件有许多内部结构，可能引起凹陷 ( 4 ) 零件很大，一般大于4 0 0 0 m m 2 ，且外观要求高 ( 5 ) 产品数量大可以补偿气辅投入成本 根据上述特点，采用气辅成型的塑料制品主要可分为以下几类： ( 1 ) 管状和棒状零件，如车门把手、方向盘、吊环、椅子扶手、衣架等。采 用传统注塑成型工艺，管状产品厚度太大，冷却后很容易收缩变形，而管状产品 的厚截面适合气体穿透形成气道，采用气体保压消除表面成型缺陷。 ( 2 ) 大型平板类零件，如大尺寸电视机壳、仪表盘、洗衣机面板等。大型平 板零件利用加强筋加强平板的性能，但加强筋又会使平板产生缩痕和翘曲变形等 缺陷，不符合外观要求。采用气辅成型工艺将加强筋作为气道，消除了翘曲变形 和表面缺陷，同时增加了零件的强度和刚度。 ( 3 ) 壁厚差异大的复杂零件，如汽车内饰件、汽车保险杠、家电外壳等。传 统注塑成型很难将复杂件一次成型，采用气辅成型工艺可以减少零件数量，降低 生产成本。本文第4 章的实例分析就是针对壁厚差异大的某汽车内饰件进行气辅 成型工艺分析。 2 4 气辅制品的模具设计 气辅模具设计与普通注塑模具设计相似，模具及制件结构设计产生的缺陷并 青岛理工大学工学硕士学位论文 不能通过调整成型工艺参数来弥补，应及时修改模具和制件结构的设计，普通注 塑模具的设计原则在气辅模具设计中依然适用，以下主要介绍其不同部分设计时 应注意事项删： ( 1 ) 气辅成型生产型腔体积比较大的制件时，料流通过浇口时受到很高的剪 应力，容易产生喷射和蠕动等现象。设计时要适当加大浇口尺寸、在制品较薄处 设置浇口等方法来避免出现喷射现象。 ( 2 ) 由于气辅成型中熔体预注射量、气体压力曲线等参数很难控制，因此采 用气辅成型时一般要求一模一腔。采用多型腔设计时，要求采用平衡式的浇注系 统布置形式。 ( 3 ) 气辅成型一般只使用一个浇口，其位置的设置要保证欠料注射部分的熔 体均匀充满型腔并避免产生喷射。若气针安装在注射机喷嘴和浇注系统中，浇口 尺寸必须足够大，防止气体注入前熔体在此处凝结。 ( 4 ) 流道的几何形状相对于浇口应是对称或单方向的，气体流动方向与熔体 流动方向必须相同。 ( 5 ) 当气辅成型采用满料注射时，气道末端应开设溢料槽，以得到理想的气 道。 2 5 进气系统的设计 2 5 1 气道的设计 采用气辅注射成型的产品在设计时预先设置需要气体穿透的部分称为气道， 气道的设计影响着气体的穿透，从而最终决定制件的质量。气体总是沿着阻力最 小的方向前进，在设计时往往将加强筋和肋板等较厚的部位用做气道，气道设计 主要遵循以下原则4 1 4 2 】： 壁一一一 图2 _ 6 气道截面图 f i g 2 _ 6t h es e c t i o n0 fg a sm n n e r 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 气道的横截面形状尽可能设计成圆形。气道的截面形状( 如图2 6 ) 通 常有凸圆形、三角形和圆角形。7 圆形气道可以保证气道周围壁厚均匀，实验表明 围绕气体通道的截面壁厚近似为气道半径的1 3 ； 司司 原始方案 优化方案 。 图2 7 气道拐角设计截面图 f i g 2 - 7t h es e c t i o no fg a s1 1 j n n e rc o m e r ( 2 ) 气道的拐角处应设计圆角过渡，如图2 7 所示。尖角容易引起气体分布 不均匀，导致截面变薄，制品强度削弱； ( 3 ) 气道应避免形成闭环回路，因为闭环气道会产生料塞而使气流无法汇合， 不能实现气体穿透目的。 ( 4 ) 合理设计气道尺寸。根据制件几何尺寸和气道在制件所处位置确定，气 道尺寸要求其理论壁厚与气道直径的比值至少为2 ：l 或2 5 ：1 。 ( 5 ) 气体的布置尽量保持气体和熔体的流动方向一致，以保证气体在制品内 尽量穿透。因为气体可以无损失的将入口压力传递到气一熔体界面，使得制件内 部压力分布均匀，残余应力小，翘曲变形小。 2 5 2 进气位置的选择 气体注入位置的设定是气辅成型模具设计的关键，影响着气体穿透的效果。 确定进气口位置时考虑以下几点3 】： ( 1 ) 进气口位置，尽量靠近浇口，保证气体和熔体流动方向一致，但距离浇 口也不要太近，浇口处熔体温度高气体容易渗透到薄壁区域； ( 2 ) 确定进气位置时，要考虑到流动的平衡，便于气体的穿透； ( 3 ) 设置的进气位置应该避免两股料流交汇融合，料流交汇处容易出现熔接 线和缩痕如图2 8 所示。提高压力和延长保压时间可以改善缩痕，但不易消除熔接 线； ( 4 ) 欠料注射时，注料和注气最好采用自下而上或水平注入方式，避免采用 自上而下的注入方式，防止熔体因自重产生流涎。 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 此处可能出现熔接线和缩痕 ， 气体注射 气体保压 冷却周期的保压 图2 8 料流交汇图 f i g 2 - 8r n l e i n t e r s e c t i o no fr i l a t e 订a lf l o w i n g 2 5 3 气体注入方式 目前，气体注气方式主要有三种：喷嘴注气、流道内注气和型腔内注气3 】【柏】。 ( 1 ) 喷嘴注气方式 喷嘴注气方式是最简单的一种方式，它对模具的改动最少，但气体的注射位 置被限制，只能在浇口处。采用喷嘴进气方式的模具需要用到较大的浇口和主流 道，以保证气体在聚合物凝固之前形成气道，设置浇口位置要考虑熔体的流动平 衡，非平衡填充无法实现理想的气体穿透如图2 9 所示。由于气体控制比较困难， 喷嘴注气方式一般应用于单模腔模具。 ( a ) 平衡流动( b ) 非平衡流动 ( a ) e q u i l i b r i u mf l o w( b ) n o n e q u i l i b u mf l o w 图2 - 9 流动平衡对气体穿透影响 f 适2 9t h ee f 五e c to fn o wb a l 觚c e0 ng a sp e n e 廿a t i o n ( 2 ) 流道内注气方式 流道内注气相比喷嘴进气，进气位置选择更加灵活，缺点是气针容易堵塞， 需经常清理。在设计模具时，一般气针放置在凹槽内，使气针避开熔体流。采用 气针进气的模具，在设计时要重点考虑气针是否位于开模方向上。如果不再开模 方向，需增加机构将气针在开模前抽出。 1 4 ( 3 ) 型 制件内 最灵活的注 浇口结构， 生的气孔在 气辅成型成 青岛理工大学工学硕士学位论文 第3 章气体辅助注射成型的c a e 技术 3 1 气体辅助注射成型的基本理论 气体辅助注射成型与传统注射成相比增加了气体注射阶段，熔体注射阶段与 传统注射成型基本相同，区别在于气体辅助注射成型熔体注射量不一定达到 1 0 0 ，熔体流动阶段可采用传统注射成型的数学模型。气体注射阶段涉及到气一 熔两相混合流动，气体穿透熔体形成气道，并推动熔体运动直至充满整个型腔。 熔体凝固层气道熔体前沿未充填型腔 图3 1 气体注射阶段示意图 f i g 3 - 1r 1 1 l ep h a o fg a si n j e c t i o n 气体注射阶段可分为四个部分如图3 1 所示：紧贴模具壁的塑料凝固层； 中空气道部分；熔体充填部分；未充填部分。气体注射阶段包括两个自由边 界：熔体流动前沿和气体穿透前沿，数学模型主要基于两个流动场前沿建立的。 由于气体和熔体在物理性质和运动性能差异较大，从连续介质力学的一般理论出 发，运用能量守恒、动量守恒及质量守恒定律对二者共同遵循的一般规律进行描 述，再根据二者物理特性和不同的充填特点引入不同的假设和简化，分别建立各 自的数学模型，使二者的运动在气一熔界面上保持一致【4 3 舶】。 采用气体辅助注射成型的制件大部分是壁厚差异大的薄壁制件，除壁厚突变 区域外，其他区域的厚度方向上的尺寸一般远远小于其他两个方向