（机械制造及其自动化专业论文）薄壁塑件注塑成型特性的试验与数值模拟研究.pdf

大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 近年来，笔记本电脑和移动电话等3 c 产品更新换代的速度非常快，其设计理念r f 朝着“轻、薄、短、小”方向发展。薄壁化因具有减轻产品重量及减小产品外观尺寸、 便于集成设计及装配、缩短生产周期、节约材料和降低成本等优点成为各塑料消费行业 追求的目标，于是在常规注塑成型技术的基础上，薄壁注塑成型技术迅速发展起来。 本课题在选题过程中综合了国内外薄壁注塑成型技术的实际发展情况和考虑了目 前3 c 产品的发展方向后，提出了薄壁塑件注塑成型特性的试验与数值模拟研究。由于 对该技术的研究才刚刚开始，还没有形成基本的理论体系，而且国内对这方面的研究非 常少，所以该课题的开展可以加强国内在该领域的研究，并为下一步的研究打下了良好 的基础。 本课题设计制造了一套用于试验的简化手机底壳模具，该模具是一模二腔，潜伏式 浇口，成型塑件壁厚为o 5 m m 。对该塑件的成型过程应用m o l d f l o w 软件采用3 d 数值模 拟和正交试验法进行研究，并通过单因素法和方差分析法来探讨注射速度、熔体温度、 注射压力、模具温度和注射量等工艺参数及其交互作用对薄壁塑件成型特性的影响规 律，并绘制了用a b s 成型该塑件的成型区域，标明了该塑件的可成型性。 研究结果表明：模具温度是影响薄壁塑件成型的最重要工艺参数，注射压力和注射 量是影响薄壁塑件成型的重要工艺参数，相对而言，注射速度和熔体温度对薄壁塑件成 型的影响不显著；注射速度与熔体温度之间的交互作用对薄壁塑件成型的影响比较重 要，相对而言，模具温度与熔体温度之间的交互作用对薄壁塑件成型的影响不显著，其 他交互作用对薄壁塑件成型几乎没有影响，可以认为这些交互作用不存在：适当用量范 围的注射量是保证薄壁塑件能够完成填充的必要条件，注射压力具有峰值，并不是越高 越好；3 d 数值模拟技术可以应用在薄壁塑件的成型分析及模具设计中，并且具有很高 的可靠性。 关键词：薄壁注塑成型；流长厚度比；数值模拟；成型特性；正交试验 颜克辉；薄壁塑件注塑成型特性的试验与数值模拟研究 e x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c h o ft h ei n j e c t i o n m o l d i n gc h a r a c t e r i s t i cf o rt h i n - w a l lp l a s t i cp a r t s a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h e3 c ( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n a n dc o n s u m e r ) p r o d u c t s ，s u c ha s n o t e b o o kc o m p u t e ra n dm o b i l et e l e p h o n ee t c ，a r eu p d a t e dq u i c k l ya n dt h ed e s i g ni d e ai s d e v e l o p e df o r w a r d si n t ob e i n gl i g h t ，t h i n ，s h o r ta n ds m a l l ，n et h i n - w a l ld e s i g nc a nr e d u c et h e w e i g h ta n de x t e r n a ld i m e n s i o no ft h ep r o d u c t s ，b e n e f i ti n t e g r a t e dd e s i g na n da s s e m b l y ， s h o r t e np r o d u c t i o nm o l d i n gc y c l e s ，e c o n o m i z em a t e r i a la n dl o w e rc o s t s ，e t c i th a sb e c o m e t h eg o a lw h i c hv a r i o u sp l a s t i c se x p e n s ep r o f e s s i o np u r s u e s ot h et h i n - w a l li n j e c t i o nm o l d i n g ( t w i m ) t e c h n o l o g yi sb e i n gd e v e l o p e dr a p i d l yo nt h eb a s i so f c o n v e n t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n g t e c h n o l o g y t h i sp a p e rs y n t h e s i z e st h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n to ft w i m t e c h n o l o g y a n dc o n s i d e r so r i e n t a t i o no f3 cp r o d u c t s e x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho f t h ei n j e c t i o nm o l d i n gc h a r a c t e r i s t i cf o rt h i n - w a l lp l a s t i cp a r t sa r ep u tf o r w a r d - b e c a u s et h e r e s e a r c ho ft w l mi sj u s ta tt h eb e g i n n i n g ，a n d t h et h e o r ys y s t e mo ni th a sn o tf o r m e d c o m p l e t e l y ，m o r e o v e r , i ti sf e wi nd o m e s t i c ，t h i sp a p e rc a n r e i n f o r c ed o m e s t i cr e s e a r c hi nt h i s d o m a i n ，a n dw i l lb u i l tt h eg o o df o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r er e s e a r c h a ni n j e c t i o nm o l df o r s i m p l i f i e db o r o ms h e l lo fm o b i l ep h o n ei sd e s i g n e d a n d m a n u f a c t u r e df o re x p e r i m e n t sw h i c hh a s2c a v i t i e s ，s u b m a r i n eg a t ea n dc a nm o l dp l a s t i cp a r t s o f0 5 m mw a l l t h em o l d i n gp r o c e s so f p l a s t i cp a r t si ss t u d i e du s i n g3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n w i t hm o l d f l o ws o f t w a r ea n do r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o d t h ee f f e c t so fp r o c e s s p a r a m e t e r s ( i n j e c t i o nr a t e ，i n j e c f i o np r e s s u r e ，m e l tt e m p e r a t u r e ，s h o t s i z ea n dm o l d t e m p e r a t u r ee t c ) a n di t si n t e r a c t i o no nt h em o l d i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h i n - w a l lp l a s t i cp a r t sa r e d i s c u s s e db ys i n g l ef a c t o rm e t h o da n da n a l y s i so fv a r i a n c e t h em o l d i n ga r e aw h i c ht h e p r o d u c tc a nb em o l dw i t ha b s i sd r a w n , i ts h o w st h em o l d i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h ep r o d u c t t h er e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et h a t ：i nt h ep r o c e s so fm o l d i n gt h i n - w a l lp l a s t i c sp a r t s ， m o l dt e m p e r a t u r ei st h em o s ti m p o r t a n tp r o c e s sp a r a m e t e r ，i n j e c t i o np r e s s u r ea n ds h o ts i z ea r e s u b o r d i n a t ef a c t o r s ，r e l a t i v e l y , t h ee f f e c t so fi n j c c t i o nr a t ea n dm e l tt e m p e r a t u r ea r en o t n o t a b l e t h ei n t e r a c t i o no fi n j e c t i o nr a t ea n dm e l tt e m p e r a t u r ei ss i g n i f i c a n tt ot h em o l d i n g ， r e l a t i v e l y ，t h ei n t e r a c t i o no fm o l dt e m p e r a t u r ea n dm e l tt e m p e r a t u r ei s l e s si n f l u e n t i a la n d o t h e ri n t e r a c t i o nc a i lb en e g l e c t e d i tr e a l l yi sw o r t hm e n t i o n i n gt h a tt h ep r o p e rs h o ts i z ei st h e n e c e s s a r yc o n d i t i o ni nt h em o l d i n gp r o c e s sa n di n j e c t i o np r e s s u r eh a so n ep e a kv a l u e ，b u tt o o 大连理工大学硕士研究生学位论文 h i 业v a l u e w i l lp l a yab l o c kr o l e t h e n ，3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o u l db ea p p l i e di na n a l y s i s a n dm o l dd e s i g no f t h i n w a l lp l a s t i cp a r t s ，w i t hh i 曲d e p e n d a b i l i t y 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 ：f l o wl e n g t h t h i c k n e s sr a t i o ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ：m o l d i n gc h a r a c t e r i s t i c ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t 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：座丕垂绎日期：丝芝丝：掣 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。 作者签名：越耋旌作者签名：趄丝：经 导师签名：互芭蟹丝 丝丛年盟日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 塑料成型加工是将塑料原料转变为塑料制品的关键环节，模具是塑料成型加工的一 种重要工艺装备，同时又是原料及设备的“效益放大器”，模具生产的最终产品的价值 往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。美国工业界认为“模具工业是美国工业的基石”， 日本则称“模具是进入富裕社会的原动力”，欧美其他一些发达国家认为“模具是磁力 工业”。因此，模具工业是国民经济的基础工业，被称为“工业之母”，模具生产技术 水平的高低，已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志。模具工业的重要性已引 起国家的高度重视，因此早在1 9 8 9 年3 月国务院颁布的关于当前产业政策要点的决 定中就把模具制造列为机械工业技术改造序列的第一位【1 】：在国务院2 0 0 0 年7 月颁布 的当前国家鼓励发展的产业、产品和技术目录中，信息产业、机械工业、汽车工业 和轻纺工业四大领域均把模具放在重要位置【z 】。 塑料成型加工及其模具技术是- - i 3 不断发展的综合学科，它不仅随着高分子材料合 成技术的提高、流变学理论的完善、成型设备的革新、成型工艺的成熟而进步，也随着 c a e 等技术在塑料成型加工领域的渗透而发展。 注塑成型是塑料成型加工的主要方法。据统计，注塑成型的塑料制品约占所有塑料 制品总量的1 3 ，注塑模约占塑料模具数量的1 2 以上【3 1 。注塑成型所得的塑料制品具有 高精度、高复杂程度和高一致性等优点，同时该成型方法效率高而且消耗低，对各种塑 料的加工适用性强，因此有很大的市场需求和良好的发展前景。目前，注塑成型所得的 塑料制品广泛应用于包装、建筑、汽车、电子电气、生活用品、农业、化工、纺织、医 疗卫生、文体用品、国防和宇航等领域。 从世界发达国家的生产情况来看，模具产值已经大于机床工业的总产值，其发展速 度超过了机床、汽车和电子等工业，而且他们只生产高附加值的模具，低附加值的模具 则转到其他发展中国家生产【4 】。新中国成立以来，我国模具工业有了很大发展，模具水 平有了较大提高，但与发达国家相比还有很大差距。加入w t o 后，在给我国机械工业 尤其是模具工业带来严峻挑战的同时，也带来了巨大的机遇，我们必须尽快提高我国模 具工业的整体技术水平并迎头赶上发达国家的模具技术水平。 1 1 薄壁注塑成型技术产生的背景 近年来，笔记本电脑、移动电话和个人数字助理( p d a ) 等3 c ( c o m p u t e r ， c o m m t m i c a t i o na n dc o n s u m e r ) 产品更新换代的速度非常快，这类产品的设计理念正朝 颜克辉：薄壁塑件注塑成型特性的试验与数值模拟研究 着“轻、薄、短、小”方向发展，同时人们对这些产品的需求也在快速增长，于是在常 规注塑成型技术的基础上，薄壁注塑成型技术迅速发展起来。 笔记本电脑和移动电话的减重趋势，在日本被以“克的战争( g r a m w a r ) ”来形容。 东芝公司的笔记本电脑总重量从1 9 8 6 年的6 8 公斤、1 9 9 0 年的3 1 公斤、1 9 9 6 年的2 2 公斤发展到1 9 9 7 年l i b r e t t 0 5 0 的8 4 0 克，减轻幅度相当惊人。若从壁厚的发展来看，笔 记本电脑从a b s 塑料制成的2 0 m m 外壳到1 s m m 厚度p c a b s 的应用，直至目前正在 开发的p c 材料1 0 m m 壁厚。移动电话也有类似的发展，1 0 年前外壳壁厚约在1 5 至 2 5 m m ，目前是以1 0 m m 塑料的外壳为主流，不久的将来，会有更薄壁厚的产品问世。 薄壁成型的发展并不止局限于笔记本电脑和移动电话，例如台式电脑外壳、监视器外壳 和电视机外壳等【5 1 。 与常规注塑成型技术相比，薄壁注塑成型技术所成型的塑件具有薄壁化的特点。薄 壁化具有以下优点： ( 1 ) 可以减轻产品重量、减小产品外观尺寸： ( 2 ) 能为相同尺寸的产品提供更多的空间以容纳更多的功能性元件，增加产品功能； ( 3 ) 使产品便于集成设计及装配； ( 4 ) 缩短生产周期、提高产品竞争力； ( 5 ) 节约材料、降低成本等。 所以薄壁注塑成型技术已引起人们的高度重视，以美国、德国和日本等国为首的发 达国家纷纷投资大力开发研究该技术，它已成为塑料成型行业中新的研究热点，是一项 具有深远意义和重要作用的未来技术。 1 2 薄壁注塑成型技术的发展现状 薄壁注塑成型技术是一种仅有十几年发展历史的新兴技术。目前，薄壁注塑成型理 论还没有比较系统、权威的说法，其研究正在进行中，研究主要集中在国外和我国台湾 地区。与常规注塑成型技术相比，薄壁注塑成型技术在注塑机、模具设计、制品设计和 塑料原料方面等都发生了很大的变化。 1 2 1 薄壁注塑成型技术的定义 薄壁注塑成型( t h i n - w a l l 枷e c t i o nm o l d i n g , t w i m ) 技术，也称为薄壁塑件注塑成 型技术，得名于其所成型的对象，即薄壁塑件。目前关于薄壁注塑成型还没有统一的定 义，m a h i s h i 和m a l o n e y 6 l 把其定义为流长厚度比l r ( l ：l e n g t h ，t ：t h i c k n e s s ；u t 简称流长比，即从熔体进入模具到熔体必须充填的型腔最远点的流动长度l 和相应平均 壁厚之比) 在1 0 0 或者1 5 0 以上的注塑为薄壁注塑；而w h e t t e n 和f a s s e t 6 】是这样定义 大连理工大学硕士研究生学位论文 薄壁注塑成型的：所成型塑件的厚度小于l m m ，同时塑件的投影面积在5 0 c m 2 以上的注 塑成型；还有人把所成型塑件的壁厚小于1 m m m ( 或者1 5 r a m 明) 或者是t d ( t ：t h i c k n e s s ， 塑件厚度；d ：d i a m e t e r ，塑件直径，针对圆盘型塑件) 在0 0 5 1 9 d a 下的注塑成型定义为 薄壁注塑成型。由此可看到要给出一个适合所有塑料原料和塑件形状的薄壁注塑成型定 义还是比较困难的；同时随着技术的发展，薄壁注塑成型定义的临界值也将发生变化， 它应该是一个相对的概念。 1 2 2 薄壁注塑成型的注塑机 常规的注塑机很难在薄壁注塑成型中有用武之地。比如薄壁注塑成型的填充时间很 短，在很短的时间内不可能遵循速度陷线，因此必须使用高解析度的微处理器来控制注 塑机：在整个薄壁注塑成型过程中，应同时各自独立地控制压力和速度，常规注塑机的 充填阶段用速度控制，保压阶段再转为压力控制的方法已不适用；另外，薄壁注塑成型 注塑机的液压系统要采用液压伺服系统，其注射单元中要增加储能器，以协助注塑机产 生足够大的充填压力，提供瞬时的加、减速度，同时有助于快速合模。薄壁注塑成型注 塑机一般需要小的料简，而传统注塑机的料筒都比较大。由于塑件壁厚比较小，所以每 次需要射出的量就较少，如果使用过大的料筒，容易引起塑料原料因停留时间过长而裂 解，因此。在注塑机的选用上宜以每次射出量是机器最大射出量的3 5 7 5 为佳，避免 塑料原料裂解产生的制品不良问题。所以机械设备制造商与研究机构共同合作努力，研 制出了专用的注塑设备。如台湾中精机公司的v s 1 0 0 注塑机、德国d r b o y 公司开发 的b o y 型系列注塑机以及b a t t c n f c l d 、h r b u r g 和? s w 等著名注塑机生产厂商开发的专用 注塑机。 1 2 3 薄壁注塑成型模具的设计技术 薄壁注塑成型时模具设计是至关重要的一步。成型薄壁制品时一般需要专用模具。 与常规制品的标准化模具相比，薄壁制品模具从模具结构、浇注系统、冷却系统、排气 系统和脱模系统等都有可能发生了重大变化，主要表现在以下几个方面f l 0 】： 1 、模具结构为承受成型时的高压，薄壁注塑成型模具的刚度要大、强度要高。 因此模具的动、定模板及其支承板厚度通常比常规模具的模板要厚，支撑柱要多，模具 内可能要多设景内锁紧定位机构，以保证精确定位和良好的侧支撑，防止弯曲和偏移。 另外，高射出速度增加了模具的磨损，因此模具要采用较高硬度的工具钢，高磨损、高 冲蚀区( 如饶口处) 硬度应大于汇5 5 。 2 、浇注系统成型薄壁塑件，特别是塑件厚度非常小时，要使用大浇口，而且浇 口应该大于壁厚。如是直浇口应设置冷料并，以减少浇口应力，协助填充。减少塑件去 颜克辉：薄壁塑件注塑成型特性的试验与数值模拟研究 除浇口时的损坏。为保证有足够的压力充填薄的型腔，流道系统中应尽可能减少压力降， 流道压降最好不要超过注塑机提供压力的1 5 。为此，流道截面设计要比传统的大一些， 同时要限制熔体的驻留时间，以防止塑料降解裂化。当是一模多腔时，浇注系统的平衡 性要求远高于常规模具的要求。 有一些薄壁塑件模具的浇注系统中引入了热流道技术和顺序阀式浇口( s v g ) 技术。 热流道技术能够使熔体经过较长的流动路径后还能在浇口处提供尽可能高的压力，薄壁 注塑成型模具使用外加热式热流道，为把压降减到最小，流道不应有尖角和死区，以便 熔体不粘结在流道壁上。然而，热流道虽然能大大减小压降和循环时间，但却使熔体在 高温下停留的时间过长，容易使塑料降解裂化，所以必须限制驻留时间。s v g 技术是美 国g e 公司在薄壁塑件成型中开发的一种新型级式控制热流道技术，是一种减小大型塑 件流长的高级技术。s v g 能有效地避免熔接线，降低成型压力，在诸如笔记本电脑外壳 等较大型薄壁塑件的生产中发挥了巨大的作用。 3 、冷却系统薄壁塑件不像常规塑件那样可以承受较大的因传热不均而产生的残 余应力。为保证塑件的尺寸稳定性。把收缩和翘曲控制在可以接受的范围内，就必须加 强模具的冷却，确保冷却均衡。较好的冷却措施有在型芯及型腔内采用不闭合冷却线， 加大冷却长度，必要的地方加入高传导率金属镶块，以加快热传导。1 4 、排气系统薄壁注塑成型模具一般需要有良好的排气性，最好可以进行抽真空 操作。由于填充时间短，注射速度高，模具的充分排气尤其是流动前沿聚集区的充分排 气非常重要，以防困气引燃。气体通常通过型芯、顶杆、加强筋、导柱及分型面等处排 出。流道的末端也要充分排气。甚至有些工艺师用0 型密封圈密封分型面，把型腔抽 成真空以减轻排气的负荷。日本s u m i t o m o 公司用多孔工具钢做小嵌件来解决小件塑件 的排气问题。 5 、脱模系统因为薄壁塑件的壁和筋都很薄，非常容易损坏，而且沿厚度方向收 缩很小，同时高保压压力使收缩更小，使得加强筋和其他小结构很容易粘合。为避免顶 穿和粘模，薄壁注塑成型应使用比常规注塑成型数量更多、尺寸更大的顶杆。 1 2 4 薄壁注塑成型制品的设计技术 薄壁制品的设计规则与常规的厚壁制品也有很大不同，而且还受到成型局限性和塑 料原料选择的影响。薄壁制品要求具有高的冲击强度、良好的外观质量和尺寸稳定性以 及精密的尺寸公差，并能承受大的静态载荷。设计过程中要重点考虑制品的刚性、抗冲 击性和可制造性等。如刚性，随着厚度的减薄，特别是厚度接近l m m 甚至更薄时，制 品的剐度要求呈非线性迅速上升，因此刚度的设计非常重要，以通过刚度的增加来补偿 大连理工大学硕士研究生学位论文 壁厚的减薄；按常规制品的设计经验，筋底部的厚度应小于壁厚的6 0 ，这样可以避免 在筋底部形成凹缩及缩孔，但是由于薄壁制品能有效限制局部收缩，因此允许设计更厚 的筋。 1 2 5 薄壁注塑成型塑料原料的选择 薄壁注塑成型所使用的塑料原料的流动性要好，需要拥有大的流动长度、高的冲击 强度、高的热变形温度、高的热稳定性、低的方向性以及良好的尺寸稳定性。另外，还 要考虑塑料原料的低温冲击刚性、阻燃性、机械装配性以及外观质量等。目前，薄壁注 塑成型应用较多的塑料原料有聚碳酸酯( p c ) 、丙烯睛一丁二烯一苯乙烯( a b s ) 、p c a b s 共混物和p a 6 等。这可能是由于随着壁厚降低，需要使用具有更好物理性能的塑料来维 持制品强度。 1 2 6 注塑模数值模拟技术 注塑模数值模拟技术是根据塑料加工流交学和传热学的基本理论，建立熔体在模具 型腔内的流动、传热数学模型，利用数值计算理论构造其求解方法，利用计算机可视化 技术形象、直观地模拟出实际成型中熔体的动态填充、冷却过程的一门分析技术。 传统的注塑成型主要是技术人员凭经验来把握，而注塑成型过程非常复杂，塑料熔 体的流动性能千差万别，制品和模具的结构千变万化，工艺条件各不相同，成型缺陷各 式各样，模具设计往往需要反复的试模、修模才能投入生产，很少有一次成功的，发现 问题后，不仅要重新调整工艺参数，甚至要修改塑料制品和模具，不但费时费力，而且 降低了产品的开发速度。而利用注塑模数值模拟技术可以在模具加工前，用计算机对整 个注塑成型过程进行模拟分析，预测熔体的填充、保压、冷却、脱模等方面的情况，进 行优化设计，以使技术人员尽早发现问题，而不等到试模以后再返修模具。由此可见， 注塑模数值模拟技术无论在提高生产效率、保证产品质量、增加产品市场竞争力，还是 在降低成本、减轻劳动强度等方面，都具有很大的优越性和重大的技术经济意义。 对于薄壁注塑成型，出于同样的目的，人们希望对其充填行为事先进行计算机模拟i 但对于薄壁注塑成型的模拟在全球范围内也是刚刚起步，还没有专用的软件，所以人们 都还是使用现有的比较著名的商业注塑模数值模拟软件( 主要是m o l d f l o w 和c m o l d ， 2 0 0 0 年2 月，m o l d f l o w 公司合并c - m o l d 公司) 来模拟其填充行为。 1 2 7 薄壁注塑成型技术的国内外研究现状 在世界范围内，对于薄壁注塑成型技术的研究正在进行之中，每个研究者的结论也 不尽相同，至今还没有比较系统、权威的结论。 颜克辉：薄壁塑俘注塑成型特性的试验与数值模拟研究 奥克兰大学机械工程系的姚东刚等】对不同厚度的矩形薄壁塑件成型行为进行了 研究。使用c m o l d 软件来模拟其填充行为，所用材料为聚碳酸脂( p c ) ，模具温度一 种是室温，另一种是2 6 5 ( 即聚合物熔体的温度) ，塑件壁厚分别为：o 2 5 、o 5 、1 和2 m m ，注射速度为1 0 0 和1 0 0 0 s e c 1 。在室温下的模拟研究表明：当壁厚减小时，要 填充相同的l 胛值注射压力急剧上升；在低注射速度下要填充相同的i 仃值，所需的注 射压力也要比高注射速度下高很多。在2 6 5 下的模拟研究表明：要填充相同的l t 值 所需的注射压力比在室温下时要低很多；在高速注射时，当壁厚减小时，注射压力升高 并不明显；当低速注射时，注射压力几乎没有变化，同时所需压力还比在高速注射时要 低。模拟结果表明模具温度在薄壁注塑成型中起重要作用：在低速、高模具温度下注塑 时，l ，r 值可以很大，且注射压力也不是很高，这和当前认为在成型薄壁塑件时要采用 高速、高压的工艺参数相反。实验使用快速热响应( r a p i dt h e r m a lr e s p o n s e ，r t r ) 模 具来进行验证，但在注射压力方面与数值模拟出现了较大的差异，分析可能是模具的浇 口和流道没有加热的原因。 l o s c h t 他1 通过实验发现塑件厚度愈薄，要想将塑件完全填充，则需要的注射压力与 注射速度就越高。m a l o n e 3 ：1 3 】以一个l m m 厚，半径1 5 4 r n m 的1 ，4 圆盘状塑件用p c 和 a b s 两种材料使用m o l d f l o w 软件来模拟，结论表明高的注射速度可以提高剪应变率且 增加剪切热以增大材料的流长比。t a n k t a k o m t 1 4 1 以厚度l m m 、面积为5 0 e m 2 的塑件用 a b s 和p c 材料来做实验和模拟，研究表明成型材料主要受模具温度与熔体温度影响， 而提高熔体温度到接近临界温度可以增加熔体流动的长度，提高模具温度也可以改善熔 体流动的长度与塑件的延伸强度。m a h i s h i t 播l 使用c - m o l d 软件模拟了薄壁圆盘件的填充 情况，研究表明在整个注塑成型过程中需要高注射速度和高注射压力。 j a n s e ne t a 1 【1 6 】通过改变保压压力、注射速度、模具温度和熔体温度研究了p s 、a b s 、 p c 、h i p s 、p b t 、p b t g f 3 0 和h d p e 七种热塑性塑料的收缩情况，结果发现保压压力 和熔体温度对塑件的收缩影响最大，而注射速度和模具温度的影响不大。 美国l a n l 的国家实验室1 1 7 ) 在研究中发现，在诸多影响模拟精度的因素中，粘度 的压力依赖性排在前列，如不考虑压力对粘度的影响，随着压力的增加，模拟误差将增 大。图1 1 表明模腔内压力分布不同，在高压区粘度的依赖性非常明显。同时还发现， 熔体的密度变化、由压缩功转化的粘性热甚至熔体的粘弹性本身都可能会影响薄壁注塑 成型的模拟精度。 大连理工大学硕士研究生学位论文 图1 1 压力对粘度的影响 f i g 1 ，1i n f l u e n c eo f p r c s s u r ct ov i s c o s i t y a i n o y a 和a m o n o 6 发现p v t 数据会影响填充时间和型腔压力，他们还发现传热系 数对压力的预测有很大的影响。s r i d h a r 和n a r h t 6 】发现比热和热传导对型腔压力几乎没有 影响，但会影响冷却时间和塑件的收缩和翘曲。 台湾龙华科技大学机械工程系的沈永康等【硌】使用在注塑成型数值模拟中公认的 h e l e - s h a w 流动模型来描述非牛顿流体，使用的是m o l d f l o w 软件，塑件是一笔记本电脑 外壳( 如图1 2 ) ，其厚度分别为0 9 和1 0 m m ，材料是加入不同比例玻璃纤维的聚丙 烯( p p ) 。模拟中采用正交实验表来安排填充时间、注射压力、熔体温度和模具温度等 图1 2 笔记本电脑 f i g 1 2n o t e b o o kc o m p u t e r 颜克辉：薄壁塑件注塑成型特性的试验与数值模拟研究 工艺参数。模拟结果表明在薄壁注塑成型中模具温度是最重要的工艺参数，如果模具温 度过低就会发生短射；薄壁注塑成型中的注射压力、模具温度和熔体温度均高于常规注 塑成型中的取值。 台湾地区的m i n g c h i hh u a n g 等同使用m o l d f l o w 软件对l m m 厚塑件( 如图1 3 ) 的 翘曲进行了数值模拟。模拟时采用正交实验方法来分析填充时间、模具温度、浇口尺寸、 熔体温度、保压时间和保压压力等参数对其翘曲的影响。研究表明模具温度和熔体温度 的交互作用影响最大，保压压力、模具温度、熔体温度和保压时间的影响依次递减，而 浇口尺寸和填充时间的影响很小。 国1 3 几何模型的有限元网格 f i g 1 3t h ef i n i t ee l e m e n t so f t h eg e o m e t r i c a lm o d e l 台湾地区的s j l i a o 等 8 】对一薄壁手机面盖板的收缩和翘曲情况使用c - m o l d 软件 进行了数值模拟。研究表明保压压力、注射速度、模具温度和熔体温度等工艺参数中保 压压力的影响最大；减小收缩和避免翘曲的最佳工艺参数组合有所不同；塑件的形状对 最佳工艺参数组合有影响。 宋满仓等1 1 8 】通过实验和m o l d f l o w 软件对一圆形塑件和一个矩形塑件( 壁厚为0 1 和0 2 r a m ) 进行了研究，研究表明：注射量及注射速度对薄壁塑件注塑成型的填充过程 起主导作用，适当用量范围的注射量及高的注射速度能大幅度地提高填充率：熔体温度 和注射压力相对于注射量和注射速度只起次要作用；但由于实验条件所限没有研究模具 温度的影响。 谷诤巍【19 】认为薄璧注塑成型的粘度模型应该是一个压力、温度敏感模型，并能适应 宽广的剪切速率范围。所以他选用了7 参数的c r o s s - - w l f 粘度模型并从流体力学基本 理论出发，重新确定了边界条件来建立数学模型，并采用有限元隋限差分和控制体积法 一8 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 相结合的数值求解方法对轿车后视镜托板( 平均厚度1 1 m m ，最小厚度0 8 m m ) 的成型 过程进行了模拟，验证了薄壁注塑成型中粘度对压力的依赖性。 以上的这些研究工作大都还是停留在以定性分析为主的阶段，很少有进行定量分析 的，只是取得了一定的研究成果，所以还需要做更多的工作来研究薄壁注塑成型理论。 1 3 薄壁注塑成型中的主要问题 虽然塑件薄壁化有很多优点，但却降低了塑件的可成型性，以至于用常规的注塑成 型方法无法成型这些薄壁塑件。在进行薄壁塑件的成型时，主要有三个常见问题：短射、 翘曲变形和熔接线。 1 、短射短射( s h o r ts h o t s ) 是指由于模具型腔填充不完全造成塑件不完整的质量 缺陷，即熔体在完成填充之前就已经凝结。 如果某塑件填充不完整，则无需考虑其他质量缺陷就可判定该塑件是不合格产品， 只有在塑件填充完整之后考虑塑件的其他质量缺陷才有意义。所以短射是薄壁注塑成型 中最主要的问题，也是本文所要研究的内容薄壁塑件的填充成型特性。 常规注塑成型的填充过程和冷却过程是交织在一起的，当聚合物熔体流动时，熔体 前沿遇到相对温度较低的型芯表面或型腔壁，就会在其表面形成一层冷凝层，熔体在冷 冷凝层 形i 多多7 孑沥 ；孑乞缎；乡多乡心,二, 图1 4 注塑成型时型腔内流动情况 f 追1 4f l o wo f 岫e c t i o nm o l d i n gi nc a v i t y 一面 一 i工截t|_i上一t 颜克辉：薄壁塑件注塑成型特性的试验与数值模拟研究 凝层内继续向前流动( 熔体像“三明治”一样被夹在中间) ，随着冷凝层厚度的增加， 实际型腔流道就在变窄，冷凝层厚度对聚合物的流动有着显著的影响。因为常规注塑成 型时塑件的厚度较厚，所以此时冷凝层对注塑成型的影响还不是很大。但在薄壁注塑成 型中，由于冷凝层的厚度与塑件厚度之比随着塑件厚度的变薄逐渐增加，所以此时这个 影响就很大，特别是二者的尺寸可以相互比较时。 研究表明当塑件的厚度减小时，冷凝层对流动的影响将会以指数形式增加，这也更 说明了冷凝层在薄壁注塑成型中的影响之大。如果仅从注塑成型时的示意图( 图1 4 ) 考虑，则需要注塑机有高的注射速度，使塑料熔体填充型腔的速度超过冷凝层成长的速 度( 或者使冷凝层的成长速度变慢) ，这样才可在流动截面封闭前完成填充动作，进行 薄壁塑件的注塑成型。 f a s s e t 2 0 1 指出：当流动长度为3 0 0 r a m ，塑件壁厚为3 0 r a m 时，此时流长厚度比l 仃 为1 0 0 ，使用常规注塑成型技术就很容易达到；但当塑件壁厚下降至1 0 m m 以下时，这 个曾经很容易达到的流长厚度比( 1 0 0 ) 就变得非常难达到了。 2 、翘曲变形翘曲变形( w a r p a g e ) 是不均匀的内部应力导致的塑件缺陷。 翘曲变形产生的原因是收缩不均匀、取向不均匀和冷却不均匀。翘曲变形值超过一 定数值之后塑件将被视为不合格，而且薄壁塑件对翘曲的要求更为严格。 可以通过平衡冷却系统、调节冷却时间、保压压力以及保压时间等措施来改善塑件 的翘曲变形缺陷。 3 、熔接线熔接线( w e l d l i n e ) 是型腔内两个或多个熔体流动前沿熔合时形成的界 线。 熔接线不但影响塑件的外观质量，而且在熔接线处易产生应力集中，削弱塑件的机 械强度，对塑件特别是薄壁塑件的机械性能尤为不利，受外力后塑件非常容易在熔接线 处开裂。 在设计时可以通过减少浇口数目或改变浇口位置来减少或改变熔接线的位嚣，来满 足塑件的设计要求。 1 4 课题的提出以及研究内容和方法 综上所述，由于薄壁注塑成型技术的研究才刚刚开始，还没有形成基本的理论体系， 而且目前国内对薄壁注塑成型进行试验与数值模拟研究的非常少，所以本课题的开展可 以加强国内在该领域的研究，有助于积累经验，为今后进一步的研究打下良好的基础； 同时手机、笔记本电脑等3 c 产品正朝着轻便化、薄壁化方向迅速发展，而且消费电子 市场对小巧、轻便、紧凑、新颖和时尚的通讯电子设备需求快速增长。所以本课题设计 大连理j 】二大学硕士研究生学位论文 一简化手机底壳制品，其壁厚为0 5 m m ，并相应设计制造试验模具，期望通过对该薄壁 制品成型过程的数值模拟和试验研究。来获得关于薄壁注塑成型的有用数据和经验，总 结其成型规律，以便用于指导实际生产。 首先使用p r o e 软件对制品进行三维实体造型，而后使用m o l d f l o w 软件来确定最佳 浇口的位置，最后设计出成型制品所用的模具，完成本课题的准备工作。 根据所设定的模拟条件使用m o l d f l o w 5 0 软件进行数值模拟。采用实体网格( 3 d ) 来划分模型，即应用m o l d f l o w 的3 d 分析技术来模拟。模拟方法是对注射速度、注射压 力、模具温度和熔体温度等工艺参数使用单因素法采用渐变的趋势进行模拟，分析模拟 结果并总结各个参数对薄壁塑件成型特性的影响。 因为在试验中要考虑注射速度、注射压力、注射量、模具温度和熔体温度等工艺参 数及其交互作用，而且每个工艺参数又有很多不同水平，所以试验中采用正交表来安排 试验条件。应用方差分析法来探讨各工艺参数及其交互作用对薄壁塑件成型特性的影 响，同时绘出用a b s 塑料原料成型该塑件的成型区域，以说明该塑件的可成型性。 对试验结果和数值模拟结果进行比较分析，总结薄壁注塑成型规律，并确定数值模 拟在薄壁注塑成型中的可信度。 颜克辉：薄壁塑件注塑成型特性的试验与数值模拟研究 2 注塑成型基本理论 注塑成型( 坷e e 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，如蛋白质和琥珀等。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荆 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。 树脂是高分子化合物，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、数千甚至数十万个链节，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。 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。 大连理工大学硕士研究生学位论文 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