（机械制造及其自动化专业论文）车用精密塑料齿轮注射成型工艺参数优化.pdf

原创性声明 i i i ii i1 11 1ii ii ii i ieiil y 1914 7 4 6 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：触一 日期：三丝l 年月生日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：妇导师签名盘洒如期：丛年月卫日 摘要 随着塑料作为一种工程材料不断的发展，塑料齿轮在所有的标准 齿轮应用中正在快速的取代金属齿轮，主要应用在汽车、家用器械、 工业机械、电脑和电气及医疗设备等领域中，尤其近几年在汽车领域 的应用更加广泛。因为相比较于金属齿轮，塑料齿轮的成本更低、重 量更轻、加工设计更灵活。本文以典型的精密齿轮注塑成型制品 p a 6 6 精密小模数齿轮为应用案例，以成型填充率和制件跳动偏差为 评价指标，研究工艺参数对齿轮这种复杂制件的影响规律，获得塑料 齿轮优化方案以提高制件成型质量。主要研究工作如下： 首先根据注塑模流动模拟理论，构建了熔体填充过程、流动过程、 保压过程的基本方程，通过合理的假设对模型进行了简化，并给出了 边界条件，为数值分析和求解奠定了坚实的理论基础。 其次通过p a 6 6 精密小模数齿轮啮合要求和注射成型理论分析， 以提高齿轮充填率作为质量目标来进行仿真研究，优化工艺参数。采 用模流分析软件m o l d f l o wm p l 6 1 进行了p a 6 6 精密齿轮充填过程中 流动趋势仿真和注射成型的充填仿真正交实验，并利用s n 法和目标 值法对仿真结果进行分析，预测模具温度、熔体温度、注射速率、保 压压力、保压时间对制品充填率的影响，获得了制件充填最佳的工艺 参数组合，同时确定了保压压力和熔体温度对制件充填率影响最大。 最后实验研究了不同工艺参数条件下p a 6 6 车用精密塑料齿轮注 射成型，对制品进行充填率分析，实验结果表明保压压力与熔体温度 对齿轮成型重量的影响最大，且齿轮成型质量随保压压力和熔体温度 的增加而增大，但后期增大的趋势趋于平缓。通过p a 6 6 精密小模数 齿轮充填仿真研究和注射成型实验研究相结合的方式，得到注射成型 最优工艺参数，对在该工艺参数下得到的齿轮进行啮合实验检测分 析，发现最优参数下齿轮啮合平稳、质量可靠，齿轮传动平稳和准确 的精度稳定在7 级和8 级之间。 关键词：注射成型，填充分析，正交试验设计，工艺参数优化，啮合 检测 a bs t r a c t a sad e e p e rd e v e l o p m e n to fp l a s t i c ，w h i c hi sa sa ne n g i n e e r i n g m a t e r i a l ，m e t a lg e a rh a sb e i n gr e p l a c e db yp l a s t i co n ei na p p l i c a t i o no fa l l s t a n d a r dg e a r , s u c ha si nt h ef i e l do fh o u s e h o l de q u i p m e n t ，i n d u s t r i a l m a c h i n e r y , c o m p u t e r a n de l e c t r i c a lm e d i c a l e q u i p m e n t ，e s p e c i a l l y a u t o m o t i v e c o m p a r e dw i t hm e t a lg e a r , p l a s t i cg e a rh a sa d v a n t a g e so f l o w e rc o s t s ，l i g h t e rw e i g h ta n dm o r ef l e x i b l ed e s i g n a sar e s e a r c ho b je c t o ft y p i c a li n j e c t i o nm o l d i n gp r o d u c to fp r e c i s i o ng e a r - _ - - p r e c i s i o ns m a l l m o d u l eg e a ro fp a 6 6 ，a n da ne v a l u a t i o ni n d e xo ff i l lr a t ea n db e a t d e v i a t i o n ，t h i sp a p e rs t u d i e do nt h ei m p a c to fp r o c e s sp a r a m e t e r so n c o m p l e xt h i n w a l lg e a r , o b t a i n e do p t i m i z e ds c h e m et oi m p r o v et h e q u a l i t ya n dp r o v i d e dan e ww a y f o rp r o c e s sp a r a m e t e r so fg e a r si n j e c t i o n m o l d i n g t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , f u n d a m e n t a le q u a t i o n so fm e l tf i l l i n gp r o c e s s ，f l o wp r o c e s s a n dp a c k i n gp r o c e s sw e r ec o n s t r u c t e db a s e do ni n j e c t i o nm o l df l o w s i m u l a t i o nt h e o r y t h em o d e lw a ss i m p l i f i e db yr e a s o n a b l ea s s u m p t i o n w i t hg i v e nb o u n d a r yc o n d i t i o n s t h o s ew e r es o l i dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n s f o rn u m e r i c a l l ya n a l y z i n ga n ds o l v i n g s e c o n d l y , s i m u l a t i o nr e s e a r c ho fi n c r e a s i n gg e a rf i l lr a t e ，w h i c hw a s s e e m e da s q u a l i t ys t a n d a r d ，w a sc o n s t r u c t e d t o o p t i m i z ep r o c e s s p a r a m e t e r sb yr e q u i r e m e n t so fp r e c i s i o ns m a l lm o d u l eg e a rm e s h i n ga n d t h e o r ya n a l y s i so fi n je c t i o nm o l d i n g p r e c i s i o ng e a rf i l l i n gp r o c e s so f f l o wt r e n dw a ss i m u l a t e da n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t so fi n j e c t i o n m o l d i n gf i l l i n gs i m u l a t i o nw e r ed o n eb ym o l df l o wa n a l y s i ss o f t w a r eo f m o l d f l o wm p l 6 1 t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n ，w h i c hp r e d i c t e dt h ei m p a c t o fm o l dt e m p e r a t u r e ，m e l tt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o nr a t e ，h o l d i n gp r e s s u r e a n dt i m eo np r o d u c tf i l lr a t e ，w a sa n a l y z e du s i n gt h em e t h o d so fs na n d t a r g e tv a l u e t h e n ，t h eb e s tp r o c e s sp a r a m e t e rc o m b i n a t i o no fp r o d u c t f i l l i n gw a so b t a i n e da n di t s c o n f i r m e dt h a tt h ei n f l u e n c eo fh o l d i n g p r e s s u r ea n d m e l tt e m p e r a t u r eo np r o d u c tf i l lr a t ew e r et h eb i g g e s t f i n a l l y , i n j e c t i o nm o l d i n go f p r e c i s i o ns m a l lm o d u l eg e a ro fp a 6 6 w a ss t u d i e du n d e rd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dp r o d u c tf i l lr a t ew a s a n a l y z e d e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a th o l d i n gp r e s s u r ea n dm e l t t e m p e r a t u r eh a v et h eg r e a t e s ti n f l u e n c eo ng e a rm o l d i n gq u a l i t y , w h i c h w o u l di n c r e a s ew i t ht h e ma d d i n g ，b u tl a t e rt h et e n d e n c yo fi n c r e a s et e n d s t ob eg e n t l e t h r o u g hf i l l i n gs i m u l a t i o ns t u d yo np r e c i s i o ns m a l lg e a ro f p a 6 6 ，c o m b i n i n gw i t he x p e r i m e n t a ls t u d yo ni n j e c t i o nm o l d i n g ，t h eb e s t o fo p t i m i z e dp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d t h ea n a l y s i so fg e a r m e s h i n ge x p e r i m e n t a lm e a s u r es h o w e dt h a tt h eg e a r , w h i c hw a sm o l d e d u n d e rt h eb e s tp r o c e s sp a r a m e t e r , h a dc h a r a c t e r i s t i c so fs m o o t hm e s h i n g ， r e l i a b l eq u a l i t ya n da c c u r a c yb e t w e e nl e v e l7a n d1 e v e l8 k e y w o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n g ，f i l l i n ga n a l y s i s ，o r t h o g o n a lt e s t ，p r o c e s s p a r a m e t e ro p t i m i z i n g ，m e s h i n gd e t e c t i o n 目录 摘要i 6 l 1 3 s t r a c t i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 塑料齿轮的发展概况及其在汽车中的应用1 1 3 注射成型工艺参数对制件影响规律的研究现状一3 1 4 课题的意义及论文主要研究内容5 第二章塑料齿轮注射成型过程中充填流动的理论分析7 2 1 注射成型中聚合物流动行为与影响因素。7 2 1 1 流体的流动行为7 2 1 2 熔体流变性能的影响因素7 2 2 聚合物充填过程的理论分析9 2 2 1 聚合物充填过程的理论基础9 2 2 2 聚合物充填过程的理论假设1 0 2 2 3 聚合物充填过程的粘度分析1 1 2 3 聚合物保压过程的理论分析1 1 2 3 1 聚合物保压过程的理论基础1 1 2 3 2 聚合物保压过程的粘度分析1 3 2 4 聚合物充填评价指标的理论分析1 4 2 5 本章小结1 4 第三章车用精密齿轮注塑成型数值模拟分析1 5 3 1概述。l5 3 2 试验方法的选择与设计1 5 3 2 1 常见的试验方法1 5 3 2 2 试验方法的选择1 5 3 2 3 正交法设计的理论基础1 6 3 2 4 指标和因素的确定1 8 3 3 材料的选择1 9 3 4 车用精密齿轮注射成型仿真研究2 0 3 4 1 仿真研究因子与水平及正交表选择2 0 3 4 2 车用精密齿轮参数化精确模型的建立2 l i i i 3 4 3 车用精密齿轮注塑模型的建立2 3 3 4 4 充填仿真正交试验及结果与讨论2 5 3 5 本章小结2 7 第四章车用精密齿轮注射成型实验研究2 8 4 1 概述2 8 4 2 实验设备与材料一2 8 4 3 齿轮注射成型模具设计3 0 4 3 1 齿轮模具型腔设计一31 4 3 2 齿轮模具浇口设计31 4 3 3 齿轮模具排气设计3 2 4 3 4 齿轮模具结构动作3 2 4 4 充填流动实验及其结果分析3 3 4 4 1 充填流动实验3 3 4 4 2 实验结果分析3 3 4 5 单因素实验及注射成型工艺参数对制品影响分析3 4 4 5 1 单因素实验3 4 4 5 2 精密电子天平称重3 4 4 5 3 注射成型工艺参数对齿轮重量影响分析3 5 4 6 齿轮双面啮合仪检测实验及实验结果分析3 6 4 6 1 齿轮检测概况一3 6 4 6 2 齿轮双面啮合检测实验3 6 4 6 3 最优工艺参数制件的跳动偏差的检测与分析3 7 4 7 本章小结3 8 第五章结论与展望4 0 5 1 全文工作总结。4 0 5 2 未来工作展望4 1 参考文献4 3 致谢4 8 攻读硕士学位期间发表学术论文情况4 9 i v 硕l ：学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 塑料在过去的5 0 年里经历了从新型材料到重要工业材料的一个变化历程。 塑料齿轮更是随之有了巨大的发展，今天它们已经应用到如汽车、缝纫机、钟表、 航天和导弹系统等许多的领域中，为这些装备传递扭矩或传递运动形式。目前汽 车工业已经成为塑料齿轮发展最快的一大领域，而且新的、更难加工的齿轮应用 领域中塑料齿轮也正在快速的取代金属齿轮，这是一个世界性的趋势。相比较于 金属器件，塑料齿轮的成本更低、重量较轻、噪音更低、加工设计更灵活i ，塑 料齿轮有两个特点：一是齿轮模数较小，大多为m 1 5 小型齿轮；二是齿轮的 精度不高，多为g b t 1 0 0 9 5 2 0 0 1 的9 级齿轮，精密塑料齿轮也仅为8 级，这是 注塑成型工艺特性所决定的。同等的啮合传动品质与噪声效果，精度等级的选定 塑料齿轮可比金属齿轮降低1 2 级，这是因为塑料齿轮轮齿有一定的柔韧性， 制件的弹性模量较小，齿轮齿形、齿向误差对轮系的啮合噪声的敏感性比金属齿 轮低。但是塑料齿轮成型存在收缩和变形，金属齿轮设计准则不能完全应用于精 密塑料齿轮的设计【2 3 1 ，因此开展塑料齿轮注射成型新工艺的研究，解决成型中 出现的难题对促进塑料齿轮的发展有重要的意义。 1 2 塑料齿轮的发展概况及其在汽车中的应用 齿轮应用的历史很长，最早可追溯到公元前4 0 0 - 2 0 0 年前。我国山西出土的 青铜齿轮是迄今的发现最早的齿轮。现代齿轮是1 8 世纪，欧洲工业革命以后发 展起来的，先是摆线齿轮，而后是渐开线齿轮。法国学者p h i l i p p ed el ah i r e 在1 6 9 4 年首先提出渐开线可作为齿形曲线。1 7 3 3 年，法国人c a m u sm 明确了关 于接触点轨迹的概念，指出轮齿接触点的公法线须通过中心连线上的节点。1 7 6 5 年，瑞士的e u l e r l 阐明了相啮合的一对齿轮齿形曲线的曲率半径和曲率中心位 置的关系，建立了渐开线解析研究的数学基础。之后s a c a r y 进一步完成这一方 法，提出了现在的e u l e r s a c a r y 方程。1 8 7 3 年，德国工程师h o p p e 奠定了现代 变位齿轮的基础，阐明了对不同齿数的齿轮在压力角改变时的渐开线齿形。 塑料齿轮的出现和发展却是近几十年随着聚合物这种新型材料发展起来的。 塑料齿轮传动噪声低、吸振、自润滑 4 1 ，并且因为可以开模加工，生产效率更高， 一般不需要二次加工，相对于冲压、机造金属齿轮在成本上可降低5 0 - 9 0 。目 前世界塑料齿轮飞速发展，正朝更大或更小的尺寸、更复杂的几何形状、更高强 度的方向发展，呈现以下特点： ( 1 ) 工艺的先进性和材料的多样性。先进的塑料齿轮成型方法不断出现， 硕i ：学位论文 第一章绪论 如二次注射成型法、汽辅法、注射压制模塑法成型和改进成型工艺参数。材料方 面，随着现代工程技术的发展，许多从前产量低、价格高、性能优异的新型 高分子材料变得越来越便宜，能够适合大规模工业生产。 ( 2 ) 尺寸往两个极端方向发展。一是往“大 的发展。早期塑料齿轮一般 直径小于2 5 4 m m 、传输能力不超过1 8 4 w ( 0 2 5 马力) 的直齿轮，现在可以制成 直径4 5 7 2 m m ( 1 8 英寸) 、传输能力7 3 5 k w ( 1 0 马力) 以上。日本树研工业公 司开发了一种树脂齿轮，通过将碳纳米管、碳纤维和聚丙烯等材料混合注射而出， 强度提高且摩擦阻力下降、润滑性提高、能导电和屏蔽电磁波。二是往“小 发 展。微型齿轮是微机械系统最常用的零件之一，越来越广泛地应用于钟表、微型 泵、微型传动等领域，微型齿轮可在微注塑成型技术指导下以较低的成本批量生 产。 ( 3 ) 塑料齿轮应用领域越来越宽。目前，塑料齿轮已经替代金属齿轮用于 汽车的车窗升降器系统及其它方面、洗衣机传动装置、通风和空调系统的减振驱 动器、军用陀螺仪、小型航空器上用的控制表层稳定的动力螺旋器等。 当前，塑料齿轮发展最快的一个领域是汽车工业，塑料齿轮正不断的替代金 属齿轮。汽车业中塑料齿轮正越来越广泛的用于自动升降窗、汽车刹车、动力座 椅、点火系统、各种各样的关闭和门闩系统，如图1 - 1 所示。根据中国汽车工业 协会发布的2 0 0 9 年国产汽车产销统计，我国汽车工业迅猛发展，已成为世界第 一汽车生产和销售国家，去年国产汽车产销1 3 7 9 1 万辆和1 3 6 4 4 8 万辆，同比 增长4 8 3 和4 6 1 5 。以笔者所在城市长沙来说，2 0 0 9 年长沙汽车产量达到 1 6 万辆，计划到2 0 1 5 年，长沙汽车产业整车生产能力将达1 2 0 万辆，汽车及零 部件制造业销售收入可望达到2 5 0 0 亿元，汽车产业集群将形成千亿产业集群。 以一个车窗升降器用塑料齿轮1 5 元来算，2 0 0 9 年全国汽车需求产值就在 1 6 5 4 9 2 万以上，长沙也有1 4 4 0 万的产值需求。所以，对汽车塑料齿轮应用进 行研究，对降低汽车成本，促进技术提升，有积极的作用。 图1 - 1 塑料齿轮在汽车中的应用 f i g 1 1a p p l i c a t i o i lo fp l a s t i cg e a ri na u t o m o t i r e 2 硕上学位论文 第一章绪论 1 3 注射成型工艺参数对制件影响规律的研究现状 注射成型是一个多变量的复杂非线性过程，注射成型制件的质量是各工艺参 数相互影响的结果，成型高质量高精度制件的关键是如何得到最优工艺参数【5 7 】。 塑料齿轮制品的齿形复杂化和高精度要求使得工艺参数对制品质量的影响呈现 出有别于其它制件的注射成型的规律，工艺优化更加困难。世界各国对注射成型 工艺参数优化对制件各个方面的影响研究也在不断深入，开展了许多卓有成效的 研究工作。 英国加的夫大学制造工程中心的b s h a 等人结合正交实验研究了不同材料下 工艺参数对某实验试件上的一组矩形悬臂( r e c t a n g a rl e g s ) 结构充填深度的影响， 得到熔体温度、注射速度和模具温度三个参数对p o m 材料的结构试件的影响都 很大，而p p 和a b s 材料的结构试件，只是熔体温度和注射速度为关键的影响因素， 模具温度影响很小【8 l 。b s h a 等人还研究了注射成型中熔体温度、模具温度、注 射速度对微制件的表明质量影响规律【9 】。瑞士保罗谢尔研究所的h s c h i f l 等人针 对v 形槽( v - g r o o v e ) 这种微结构试件研究工艺参数的影响规律和材料的成型性 能，得到结果v 形槽的高度尺寸h 可以随模具温度增加而增大，但是模具温度必 须保持低于材料玻璃温度【1 0 1 。瑞士k a t z ( p l a s t i e st r a i n i n ga n dt c c h n o l o g yc e n t r e ) 的d i p l i n g 等人也针对v 形槽微结构研究工艺参数对微结构成型质量的影响， 结论说明模具温度和保压压力对成型质量有影响，但模具温度影响最大，模具温 度增加，v 形槽微结构的高宽比会随之线性增加【l l 】。 美国路易斯安那州立大学化工系的d e s p am s 等研究了模具温度和注射速度 对h d p e 材料高深宽比微结构制品( 两柱间隔为9 0 a c n ，高为7 5 0 a n ，截面为 1 8 0 a n 1 8 0 n n 的柱形微结构阵列) 充填深度的影响，得到对微结构充填影响 大小依次为模具温度、注射速度1 1 2 】。美国俄亥俄州立大学化学工程系的l i y o n gy u 等人通过实验和仿真研究了熔体温度、注射速度、模具温度、保压压力对p i d m a 和p c 在流道中充填的影响，发现注射速度、流道特征宽度和模具温度对注射成型 充填过程起十分重要的作用，而熔体温度的影响相对而言并不明显【1 3 ，- 4 1 。 新加坡南洋理工大学机械制造工程学院的n s o n g 等人的研究表明：模具温 度是影响微注射成型充填质量最重要的工艺参数，注射压力和注射速率影响次 之，高模温、高注射速率和高注射压力可以提高微注射成型制品的成型品质，当 模腔尺寸减小时，注射速度比注射压力的影响更大，而注射时间在充填过程中并 不重要【1 5 】。新加坡制造技术研究院的z h a oj 等人通过正交实验研究了注射速度、 模具温度、熔体温度、注射量、保压时间对一组p o m 材料微齿轮( 最小齿轮直 径为1 r a m ) 直径的影响，并进行了工艺参数优化，结果表明保压时间与注射量影 响最显著【l 引。 硕十学位论文 第一章绪论 对于塑料齿轮成型参数对齿轮制件的影响规律，国内不少学者也开展了这个 方面的研究。同济大学郝一舒、倪贝多分析并建立塑料斜齿轮注塑成型模型，模 拟p o m 塑料熔料温度为2 2 5 情况下，齿轮填充模流分析过程，如图l 一2 所示，结 果表明温度变化不会对轮齿冷却变形产生影响，熔料温度不要太高和保压时间适 当延长能提高斜齿轮精度【1 7 】。大连理工大学郑伟、庄俭等采用m o l d f l o w 软件模 拟与正交实验相结合的方法，以m e m s 领域常用的微型齿轮塑件为对象，选用了 p o m 等三种不同塑料材料进行实验，得到微注塑成型工艺参数对微小塑件成型 质量影响大小依次为熔体温度、注射速率、注射压力和模具温度l l 引。兰州理工 大学曹雄刚、靳伍银等模拟了塑料齿轮注射成型过程，采用t a g u c h i i e 交实验设 计方法，对塑料齿轮翘曲变形量的影响规律进行了研究，以减小成型过程中翘曲 变形量为质量目标，得到工艺参数对翘曲变形量影响主次顺序为填充时间、保压 压力、熔体温度、保压时间、冷却时间，得出降低熔体温度、增加保压压力、延 长填充时间可减少翘曲的结论【1 9 】，如图1 3 、图1 4 所示。宁波大学贺华波、邓 益民采用m o l d f l o w 分析塑料齿轮的成型工艺，采用单因素法分析注射时间、模具 温度、熔料温度、保压时间和保压压力变化对制品成型质量容积收缩率和凹痕的 影响关系，为实际注塑过程提供了合理的注射成型工艺参数【2 0 l 。 匾隧 m ) 潞度分稚隔 d 冷却时嘲傍粕髑( 毋浇逆流率变化羯 图卜2 塑料齿轮填充分析图 4 硕i ：学位论文 第一章绪论 吨 o t # m i m _ - t _ 图1 - 3 塑料齿轮v o n m i s o s 应力分布局部放大图 图1 - 4 塑料齿轮变形的局部放大图 f i g l - 3 p a r ti a le n l a r g e m e n tf i g u r eo ft h e f i g l - 4 p a r ti a le n l a r g m e n tf i g u r e v o nm i s o ss t r o s sd i s t r i b u t i o no fp l a s t i c o fp l a s t i cg e a rd e f o r m a t i o n g e a r 国内外不少研究者也利用制品成型重量反映制件充填情况，作为制件质量评 价指标，如中南大学机电工程学院沈龙江等实验研究了工艺参数对微圆柱阵列注 射成型充填的影响规律，以微制品和流道系统重量为质量目标进行分析，得出增 加熔体温度和模具温度可使保压压力更有效地传递到微型腔使制品重量增加。通 过影像测量仪观测分析，得到重量大的制品则微结构充填效果好【2 l 】。p p o s t a w a 等人通过回归分析来研究制品重量与成型工艺参数之间的函数关系【2 2 】，m u s ar 等人研究通过p w t 与p t 控制来减少无定型塑料注射成型零件重量的波动1 2 3 1 ， y iy a n g ，王利霞则研究通过制品重量的预测与闭环控制来实现制品成型质量的预 测与闭环控制【2 4 乃】。新加坡制造技术研究院的z h a oj 等人的研究表明微齿轮的 直径和成型重量对工艺参数变化的响应规律相似【2 6 1 ，h a r r y 等人的研究表明制品 重量与长度之间具有明显的线性关裂2 7 ，2 引。 各国研究人员在进行成型工艺参数对制件的影响的研究时，针对不同的制件 结构，以该结构尺寸、翘曲度、表面质量、重量等作为质量评价指标1 2 9 , 3 0 1 ，设计 了不同的试验方法进行工艺参数的优化。由于研究选择的试验设计方法、质量评 价指标和参数取值范围不尽相同，试验对象的几何结构和制件材料也各有特点， 研究出的结论必然会存在差异，因此简单地将某种产品的成型工艺参数对制件影 响应用到所有精密注射成型产品上和将某种材料的成型工艺参数对制件的影响 应用到所有材料上是不科学的。本文以成型重量为质量评价指标，以具有广泛应 用前景的精密零件一- - p a 6 6 精密小模数齿轮为应用案例，进行工艺优化研究。 1 4 课题的意义及论文主要研究内容 精密塑料齿轮与普通制件( 一般精度) 在制品设计和模具设计时是有所区别 的，主要不同有两点：一是工艺上的不同。塑料齿轮根据加工工艺分为切削加工 和非切削加工两类，非切削加工又包括注射成型、压缩成型等。而精密塑料齿轮 硕1 ：学位论文 第一章绪论 主要采用注射成型工艺。二是应用注射成型工艺时型腔的设计方法不同。精度要 求不高的齿轮，一般设计中采用齿轮渐开线齿廓等距放大后得到模具型腔尺寸， 这种方法简便易行，但是实际生产中收缩会导致齿形变形，齿顶部变薄，齿根部 变厚，齿廓变形后不再是渐开线模样，影响齿轮传动。 本文以某型汽车用p a 6 6 精密齿轮注射成型为研究案例，选取精密复杂结构 零件注射成型中的一个共性问题进行研究探讨，对掌握精密结构件注射成型规 律，促进新产品开发具有重要意义。主要完成以下几项研究工作，具体内容如下： 1 运用模流分析软件m p i 对p a 6 6 精密小模数齿轮进行成型重量仿真，探讨 工艺参数( 熔体温度、模具温度、注射时间、保压压力、保压时间) 对其 成型重量的影响规律； 2 以充填率作为衡量p a 6 6 车用精密塑料齿轮质量的指标，在仿真研究的基础 上实验研究工艺参数对p a 6 6 车用精密塑料齿轮的填充影响规律，选取最佳 的工艺参数。 3 在仿真的基础上进行车用精密齿轮注射成型充填和流动趋势实验，对制件 进行充填情况和流动趋势分析，研究工艺参数对p a 6 6 精密小模数齿轮充填 流动的影响规律，与仿真结果进行对比分析。 4 质量评价及对比分析：采用最优的工艺条件，对注塑成型的车用精密齿轮 的跳动偏差等进行对比研究，以反映最优参数条件下齿轮的成型质量。 论文的主要框架结构如图1 5 所示。 p a 6 6 精密小模数齿轮注射成型工艺参数优化 l 塑料齿轮注射成型过程的 塑料齿轮流动充填仿真研 数学模型 究 i _ i l 塑料齿轮注射成型试验研究 i 塑料齿轮啮合检测研究 塑料齿轮上艺参数优化分析 图1 - 5 全文框架结构 f i 9 1 5 s t r u c t u r eo ft h i sp a p e r 6 硕f ：学位论文第_ 二章塑料齿轮注射成型过程中充填流动的理论分析 第二章塑料齿轮注射成型过程中充填流动的理论分析 2 1注射成型中聚合物流动行为与影响因素 2 1 1 流体的流动行为 聚合物熔体的注射充模过程，是一个复杂的非等温、非稳态的非牛顿流体流 动和传热过程。熔体的流动行为随着其压力、温度、剪切速率等物理量在这一过 程中的变化，直接影响制件的内部结构、取向、残余应力和最终形状【3 i 】。不可 压缩的理想流体在很小的剪切应力作用下就会流动，这种流动是纯粘性流动，当 外力释放后，发生的流动会立即停止，但是粘性形变不能恢复。流体在流动过程 中流体层间所产生的剪应力与法向速度梯度成正比，与压力无关f 3 2 弼1 ，即遵循牛 顿粘性定律，表述为： 。d ， f27 7 0y 2 i o 二d t ( 2 - 1 ) 式中，多、分别为剪切速率、牛顿黏度( 与时间及多无关的材料常数) 。凡 是符合牛顿黏性定律的流体称为牛顿流体。 凡是不符合牛顿黏性定律的流体统称为非牛顿流体。除了极少数塑料熔体如 聚碳酸t i e d t , ，大多数熔体只有在剪切应力很大或很小时，才满足牛顿粘性定律。 非牛顿型流体包括粘性流体、粘弹性流体和时间依赖性流体三种。在常用塑料中， 只有少数聚合物的融液呈现时间依赖性。目前一般将非牛顿流体都简化为粘性流 体处理，必要时进行某种修正。粘性流体的特点是在受力流动时，其剪切速率只 依赖于切应力的大小，而与切应力的作用时间无关。 2 1 2 熔体流变性能的影响因素 粘度是描述聚合物熔体流变行为最重要的量度。对于牛顿型流体，其牛顿 粘度r 为常数，对于非牛顿型流体，其表观粘度7 7 的影响因素很多【3 6 3 8 】。聚合 物熔体在一定剪切速率作用下的黏度主要由两个方面决定：聚合物内的自由体积 和大分子长链之间的缠绕。自由体积是聚合物中未被聚合物占领的空隙，它是大 分子长链段进行扩散运动的场所。凡是会引起自由体积增加的因素都能活跃大分 子的运动，并导致聚合物熔体黏度的降低。另一方面大分子长链之间的缠绕使缠 结分子链之间的运动变得非常困难，凡是会减少这种缠结作用的因素都能加速分 子的运动，并导致聚合物熔体黏度的降低。常见的如温度、压力、应力、应变速 率和低分子物质等对黏度的影响，大都能用这两方面的因素来解释。 7 硕+ ：学位论文 第二章塑料岗轮注射成型过程中充填流动的理论分析 1 、温度对黏度的影响 热塑性聚合物熔体处于黏流温度以上时黏度会随着温度的升高而呈现指数 曲线降低。黏度对温度的依赖关系可用阿伦尼乌斯公式表示： r = a e x p ( - 募t ) ( 2 2 ) 式中，a 为当温度趋近于无穷时的粘度常数；r 为气体常数 ( r = 1 9 8 7 c a l ( m o e l k ) ) ；e 为聚合物的黏流活化能；t 为温度。 当温度包括从玻璃化到熔点这样大的范围时，聚合物的黏流活化能则不是常 数。w i l l i a m s 等发现在玻璃化温度豫以上到r g + 1 0 0 的温度区间，非结晶态聚合 物黏度的对数与其所处的温度条件下的自由体积分数乘反比，对于非结晶性树脂 一般都适用，即有w l f 公式： k 舞若 协3 ) 式中，c l 、c 2 为对应的自由体积分数，聚合物在玻璃化温度强时的黏度约 为1 0 1 2 p 口d 数量级，随着温度的升高，自由体积增大，聚合物黏度降低。 2 、压力对黏度的影响 聚合物的聚集态没有想象的那么紧密，实际上存在很多微小空隙，即自由 体积，从而使聚合物的熔体有了可压缩性。在成型过程中，聚合物熔体通常要受 到自身静压力和外部动压力两者的联合作用。聚合物有可压缩性，当受到压力作 用从而使自由体积减小时，大分子间的距离缩小而作用力增强，熔体的黏度也将 随之增加。物性基本上与分子的微观运动有关，流体力学中的物性是宏观考察分 子的运动。例如塑料的黏度与剪切应变速率、温度、压力等状态有关。黏度与分 子取向、自由体积结晶化程度等微观结构有关。 3 、黏度对剪切速率或剪切应力的依赖性 在通常情况下，大多数聚合物熔体都表现为非牛顿流体，其黏度对剪切速 率有很强的依赖性。在剪切速率低值范围内，聚合物熔体的黏度约为 1 0 2 1 0 8p 口b ，分子量越大黏度越大。当剪切速率增加时，大多数聚合物熔体 的粘性下降。用来表征塑料熔体流变性能的最简单最常用的是幂律函数模型： 刀一1 r l = 庀元( 2 4 ) 8 硕十学位论文第一二章塑料衡轮注射成型过程中充填流动的理论分析 2 2 聚合物充填过程的理论分析 2 2 1 聚合物充填过程的理论基础 对于注射成型的大多数聚合物制件，要把聚合物熔体注入型腔内需要很大的 注射压力，高达i o o m p a ，甚至更高。注射成型充模过程中，熔体流动存在两个 不同的区域：主流区和前沿流区。熔体的流动行为在这两个流动区域内是有区别 的，主流区的熔体流动行为简单，而在前沿区的流动较复杂。因为在前沿区注射 的熔体温度远高于模壁温度，聚合物熔体碰到模壁由于温差将会被冷凝，从而使 流动路径变窄、压力增加，熔体在这个时候在流动速度方面发生显著的变化一 是熔体在原主流方向上速度减慢，二是在厚度方向上获得一个不是很大的速度， 但它完全改变了熔体充模的形式。这个时候可以看到熔体流动的线路如喷泉那 般，从中心涌向模腔壁面，这种流动现象常称为喷泉流动【3 9 】。 注射成型充模过程满足粘性流体力学的基本方程，其过程是非牛顿流体、非 等温、非稳态的流动和传热过程。根据热力学理论及连续介质力学，能够得到一 般流体流动和热传导过程控制方程1 4 0 , 4 1 1 。 1 连续性方程 连续性方程的含义是流体的质量在运动过程中保持不变，是质量守恒定律对 于运动流体的表达式。 o f , o ( p u ) o ( p v ) o ( p w ) n 百十1 f 十1 厂十i - u ( 2 - 5 ) a fa ! x a ya z 、二。j ， 2 运动方程 运动方程的含义是流体动量的时间变化率等于作用于其上的外力总合，是动 量守恒定律对于运动流体的表达式。 p 告= p e 一半+ 昙c 2 刀罢，+ 专 刁( 象+ 考) + 昙 刀( 考 + 警) ( 2 6 a ) p 告= p 一半+ 参c 2 叩多，+ 昙 刁( 塞+ 考) + 昙 瑁( 芳+ 警) ( 2 6 b ) p 告= p e 一煎半+ 昙c 2 刁i o w ，+ 丢( 豢+ 警) + 昙卜( 多+ 謇) ( 2 6 c ) 9 硕1 ：学位论文 第二章塑料齿轮注射成型过程中充填流动的理论分析 3 就重万栏 能量方程的其含义是系统内能的增加等于该系统所作的功与加给该系统的 能量之和，是能量守恒定律对于运动流体的表达式。 p c pf 要+ “罢+ v 豢+ w 等1 ：一p ( v 矿)胪p i 百棚瓦w 石州瓦j _ 一p 【盯y ) + 踞 2 ( 罢) 2 + 2 ( 考) 2 + 2 ( 警) 2 + ( 暑爹+ 塞) 2 + ( 暑 + 豢) 2 + ( 爹+ 害 2 一孚( v 盯+ 昙( 七篆) + 专( 七茜) + 昙( 后笔) + p g ( 2 7 ) 以上各式中，p 、v 、f 、厶勺、p 、七、q 、分别为密度、速度矢量、 单位体积流体的质量力、应力张量、比热容、流体的静压强、流体导热系数、单 付流体的热源隅席和粘件辑散功。 2 2 2 聚合物充填过程的理论假设 一般注射成型制件的特点是其中两个方向( x ，y 方向) 的尺寸远大于其它方 向( z 方向) ，因此我们假设熔体是在扁平型腔内流动，并且该型腔的温度和结构 在厚度方向上呈对称分布，这样的流动行为有h e l e s h a w 流体的性质【4 2 】。 ( 1 ) 因为熔体粘度比较大，所以惯性力和质量力比粘性剪切应力小很多，故 可忽略不计； ( 2 ) 充模过程中的熔体温度变化范围比较小，假定熔体的导热系数k 和比热 容为常数： ( 3 ) 假定z 方向的速度分量为w = o ，则压力为x ，y 的函数，沿z 方向，即厚 度