（机械工程专业论文）pet瓶胚注塑模具热流道关键技术研究及应用.pdf

摘要 摘要 热流道技术是国家制造业大力发展而迫切需求的一项新技术，采用该技术可减少制 品废料、缩短成型周期、提高制品精度。本文基于数值模拟技术将流动平衡和热平衡集 成应用于瓶胚注塑模具热流道设计，构建了p e t 瓶胚注塑模具热流道设计流程并应用于 工厂实际生产。 第一章，阐述了课题背景以及注塑模具的发展现状和热流道技术的研究现状，引出课 题研究目的和意义，提出本文的研究内容与总体框架。 第二章，分析了p e t 材料的流变特性及力学模型，阐述了p e t 材料的加工工艺性，并 结合m o l d f l o w 软件，给出了p e t 材料的粘度一剪切速率曲线图。对注塑工艺 采用的模具和成形设备进行了相应的说明。为随后的流动平衡设计奠定了理 论基础和验证实践。 第三章，基于p e t 材料特性及工艺加工性能，结合热流道系统原理，对热流道结构设 计进行了分析说明，讨论了针对p e t 瓶胚注塑模具热流道的不同流动平衡方 式，实现了基于m o l df l o w 软件的流动平衡数值模拟分析流程。 第四章，进行了基于有限元技术的热流道系统热平衡计算，给出了热流道系统的热规 划及加热功率的计算方法，并实现了基于a n s y s 软件的热流道系统温度场分 析，为热流道系统的热平衡状态提供了技术支撑。 第五章，基于娃哈哈集团公司5 9 6 m l 纯净水瓶热流道项目，结合c a e 分析结果，比较 了所设计的四种不同热流道结构设计方案，再利用热平衡的计算分析结果， 选择了最优方案。最后通过工厂生产进行了应用验证。 第六章，对本文的研究工作进行了总结，介绍了p e t 瓶胚注塑模具热流道设计进一步 研究展望。 关键词：热流道，p e t 瓶胚，流动平衡，热平衡，c a e 第1 页 a b s t r a c t h o tr u n n e ri san e w t e c h n o l o g yw h i c hh a su r g e n td e m a n di nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y 诵t l l w h i c hc a l lb r i n gl e s sw a s t e ，s h o r t e rp r o d u c t i o nc y c l ea n db e t t e rm a n u f a c t u r i n gp r e c i s i o n i n t h i st h e s i s ，t h ea u t h o rm a d ead e e pr e s e a r c ho nh o tr u n n e rs y s t e mw h i c hi sb a s e do nt h e i n t e g r a t i o nd i s c u s s i o na n ds t u d yo fc a et e c h n o l o g ya n dc o m p l e t e dap e tp r o j e c tf o rh o t r u n n e rd e s i g n i nc h a p t e ri ，c u r r e n td e v e l o p m e n to fi n j e c t i o nm o l da n dt h ea p p l i c a t i o no fh o tr u n n e r w e r ep r e s e n t e d b a s e do nt h ea n a l y s i so f e x i s t i n gp r o b l e m sa b o u th o tr u n n e rk e yt e c h n o l o g y , t h er e s e a r c ha i ma n dt h em a i nf r a m eo ft h i sd i s s e r t a t i o nw e r ep u tf o r w a r d i nc h a p t e r2 ，t h em o d e l so fp e tm a t e r i a lw e r ei n t r o d u c e d t h ef o r m i n gp r o c e d u r ea n d p r o c e s sd e s i g nb a s e do np e t w e r ep u tf o r w a r d o nt h eb a s i so ft h i st h e o r y , t h ep o w e rl a w m o d e lo fp e tm a t e r i a lw a sa d o p t e da n dm e t h o d i c a l l yf i t t e d t h eg e n e r a lc o n c e p to f p r o c e s s d e s i g nw a s a l s or e p r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h ef l o wt h e o r y i nc h a p t e r3 ，t h es t r u c t u r eo fh o tr u n n e rs y s t e mw a sd i s c u s s e d h o tr u n n e l sw e r e d e s i g n e db yc o m m e r c i a ls o f t w a r em o l d f l o w t h e s ew e r ei n c l u d i n gw i t hb a l a n c ea n d n o n n a t u r a lb a l a n t er u n n e l s i nc h a p t e r4 ，t h em e t h o do fh e a tt r a n s f e rc a l c u l a t i n go nah o tr u n n e rw a sp r e s e n t e d t h e p r i n c i p l eo ft h eb a s ew a sp r e s e n t e d ，a n dt h ed e t a i lp r o c e s so fc a l c u l a t i o nw a si l l u s t r a t e d i nc h a p t e r5 ，aw o r k s h o pp r o j e c te x a m p l ew a sg i v e n i nw h i c h , f o u rd e s i g no fh o tr u n n e r w e r ee v a l u a t e dt h r o u g hc a ea n dh tc a l c u l a t i o n sa n db a s e do nt h e s er e s u l t s ，o n eo p t i m i z e d d e s i g nm a n i f o l dw a ss t a n d i n go u t i nc h a p t e r6 ，t h er e s e a r c hw o r ki ss u m m a r i z e da n dt h ef u t u r ew o r ko ft h i sr e s e a r c hw a s g i v e n k e y w o r d s ：h o tr u n n e r p e tp e r f o r mr u n n e rb a l a n c eh e a tb a l a n c ec a e 第1 i 页 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 【本章摘要】阐述了课题背景以及注塑模具的发展现状和热流道技术的研究现状， 引出课题研究目的和意义，提出本文的研究内容与总体框架。 1 1 课题背景 随着全球经济一体化的深入，模具工业在国民经济中所发挥的作用越来越明显，机 械、电子、汽车、石化和建筑五大经济支柱产业都需要模具工业的发展与之相适应。模 具生产技术水平的高低，决定着产品的质量、效益和新产品开发能力的强弱【l j 。 同时，随着市场竞争日益激烈，塑料制品的销售价格越来越低，而原料及制造价格 越来越高。企业迫切要求采取有效的措施节省塑料原材料，降低成本，提高产品竞争力。 普通浇注系统的注塑模具，其塑件脱模后有浇注系统凝料连接在塑件上，需要用人工或 机械的方法进行切除，造成人力资源的浪费并降低产品生产率。因此如何减少浇注系统 凝料或无浇注系统凝料便成为主要的技术创新方式。 热流道注射成型模具于1 9 5 8 年由美国i n e o e 公司开发成功。初期因为技术和价格的 原因，发展迟缓。直到近年来，随着现代加工技术的发展，热流道技术也得到了相应发 展和完善，其技术品种多达3 0 0 余种。加热方式从内热式发展为外热式，使热流道模具 升温更快，温度分布更均匀，换色更方便，寿命更长；价格大幅降低，目前的价格较5 年前几乎下降了一半。由于热流道浇注技术从根本上消除浇注系统凝料，能够大幅度节 省塑件的原材料、节约能源、提高生产率，从而能够迅速降低企业的成本，提高企业经 济效益，因此在国外应用发展很快，发达国家的使用率已达8 0 以上，并取得了良好的 经济效益。国内热流道模具已有生产，有些企业使用率达到2 0 - 3 0 ，但是总的来看， 比例还太低，亟待进一步发展。同时，国内拥有自主知识产权的热流道模具技术与产品 较少，由于热流道设计涉及的因素多，设计过程复杂，因此更加需引进或是研究新的设 计方法，以提高设计效率与质量。 第l 页 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 杭州娃哈哈集团公司是国内最大的食品饮料企业，目前己形成年产饮料1 0 0 0 万吨的 生产能力及与之相配套的制罐、制瓶、制盖等辅助生产能力。在整个食品饮料的主要成 本构成中，外包装占据了主要部分，如5 9 6 m l 的瓶装纯净水，包装成本占总成本的8 5 左右。于是节约原材料、降低生产成本的任务主要通过降低瓶体及瓶盖的制造成本来实 现。之前娃哈哈集团所有的制瓶、制盖设备都是从意大利、德国等欧美发达国家进口， 进口设备价格昂贵，为了提高企业自身的竞争力，娃哈哈集团准备实现这些设备的国产 化，特别是制瓶、制盖模具的完全国产化。自1 9 9 9 年娃哈哈集团公司成立模具中心， 目前旗下模具及包装技术研究所和两家精密机械制造公司致力于饮料包装的研发和制 造，已实现所有制瓶、制盖模具的国产化。但始终在高端热流道国产化方面进展缓慢， 瓶胚、瓶盖热流道还需采购自h u s k y 、m o l d m a s t e r s 等国际知名热流道供应商。在此 背景下，本文对热流道技术中最关键的流动平衡及热平衡两方面进行研究，并取得成果， 在娃哈哈一步法a s b 吹瓶机1 2 腔瓶胚注塑模具项目中成功应用。 1 2 注塑模具的发展 塑料问世后几十年以来，与塑料相关的工业就成为集原材料、材料加工工艺、相关 制造设备和成型模具等为一体的高科技产业，获得了日新月异的完善与发展。其中，塑 料模具则是塑料制品生产的基础，同时，塑料模具工业的发展也同现代模具工业的发展 有密切的联系，大型塑料模具的设计技术与制造水平，常常标志着一个国家工业化的发 展程度。 塑料在不同的温度下则会表现出不同的材料加工性能，这些性能在很大程度上决定 塑料的可加工性。塑料成型就是将塑料原料连续输入到形状不一的模腔中，并使之塑化 成型。塑料的成型方法很多，最主要的成型方法有以下几种：注射成型法、挤出成型法、 中空吹塑成型法、压缩成型法、压注成型法和固相成型法。其中注射成型法又称注塑成 型法，是一类用途宽、占有率高、技术发展相对成熟的塑料加工方法，是热塑性塑料制 件最重要的加工方法之一。根据塑件成型的需要，注塑成型模具主要由以下基本部分组 成：成型模腔、浇注系统、导向部件、顶出机构、排气系统、温度控制系统和标准模架。 第2 页 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 其注塑成型原理为：塑料在注塑机料筒中加热到一定温度的流动( 可塑化) 状态后，在 一定压力和一定速度作用下通过浇注系统注射到成型模腔并填充，经过一定时间的保压 和冷却，固化成型为所需要形状性能塑料制品的过程【1 】。 注塑成型技术之所以得到广泛的应用，因为它具有以下优点：注塑成型工艺能按照 一定程序完成，注塑一般能一次成型，易于实现自动化，生产效率高，适合大批量生产； 模具通用简单，制品成本较低，操作易于掌握。注塑成型技术不仅能够加工特殊性能的 塑料，而且获取结构形状复杂的塑料制品。 国外注塑模具的发展已经相当成熟，其注塑成型技术在向多工位、高效率、自动化、 连续化、低成本方向发展。在国内，注塑模具设计也得到迅猛发展，其趋势则是向品种 多、更新快、交货期短、精度高、质量好、价格低等方向发展。注塑产品也从一般日用、 民用行业向国民经济几乎所有部门扩展，而且具有较高技术含量和和高附加价值的产品 不断增多。 1 3 热流道技术研究现状 热流道技术是塑料注射成形加工的一项新技术，能使注塑机喷嘴到注塑模具浇口的 塑料始终保持熔融状态，在每次开模时不需要固化作为废料取出，而滞留在浇注系统中 的熔料可在下一次注射时被注入型腔，这样可以大大提高注塑件的质量和生产效率。 1 3 1 热流道技术 热流道系统是热流道注塑成型模具中独特的组件，其功能为绝热地将热塑性熔体送 到成型模具附近或直接送入模腔。热流道系统主要由热流道组件( 主流道喷嘴、热流道 板和喷嘴) 、温度控制系统和辅助零件三部分组成。具体而言，热流道组件可以被视为 是注射成型机械的喷嘴延伸到模具型腔的迸料口，通过温度控制系统精确控制塑料的温 度，使系统中的塑料始终处于熔融状态，熔体的射出压力保持最小损失状态。因为热流 道浇注系统中的塑料长期保持熔融状态，在开模时只需取出成型塑件，而不必再进行传 统地取出浇道凝料和清理浇口等工作。图1 1 为一典型的注塑模具热流道结构示意图。 第3 页 浙江大学工程硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 热流道系统结构图 1 定位环2 承压圈 3 - 力热条4 主流道喷嘴5 热电偶每定模固定板7 热流道板8 垫板 9 喷嘴固定板1 0 氇! 腔固定板1 1 型腔1 2 止转销1 3 中心定位销1 4 _ 支撑垫1 5 加热圈 1 6 _ 冷却水道 自从1 9 4 0 年e r k n o w l e s 获得热流道模具专利以来，这项技术已经历了半个多世 纪的发展历程，但一度因为在使用中易产生故障而限制了其应用进一步推广。随着模具 工业的发展，热流道温度控制技术、热流道元件的结构可靠性和设计制造技术等方面都 有了长足的进步和完善，这使热流道技术重新获得人们的重视和青睐，现已成为与气体 辅助模塑并驾齐驱的一项热门的注塑成型技术【i 】。热流道模具借助于加热、绝热和温控 手段，使流道内的塑料始终保持熔融状态，相对冷流道模具而言，主要有以下优点圆： 1 流道内压力损耗小，熔体流动性好，密度容易均匀，制品的内应力大大降低。 因此制品变形程度减小，表面质量和力学性能有了很大提高。 2 全部或大部分消除了流道废料，物料的有效利用率高，同时节省了流道回料的 粉碎造粒等工序，所以省工、省时，而且大大降低能耗。 3 对于多点进料的模具，可通过使用针阀式浇口方便地控制各浇口的进料时间， 保证各型腔的进料平衡。 第4 页 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 4 缩短了开模距离与合模行程，并且冷却过程仅包括塑件的冷却时间，因而缩短 了成型周期，提高了生产效率。据统计，与冷流道模具相比，热流道模具的成 型周期一般可以缩短3 0 。 5 热流道均为自动切断浇口，可以提高自动化程度。 随着热流道模具的价格大幅降低，热流道技术的应用范围越来越广泛。热流道技术 在欧美等发达国家或地区已有几十年的发展应用历史，相关热流道模具生产极为活跃， 这些地方的注塑企业应用热流道技术的比例达到了5 0 6 0 ，最高的可达到8 0 左右， 企业效益十分明显。从总体上来看，北美和欧洲使用热流道技术时间较长，热流道使用 经验较多，热流道模具制造水平相应的高得多。欧美主要的热流道生产厂商有加拿大的 m o l d m a s t e r s 、h u s k y 公司，美国的i n c o e 、d m e 、h a s c o 、f a s t h e a t 公司， 德国的e w i k o n 、g u n t h e r 公司，英国的p l a s t h i n g 公司、意大利的t h e r m o p l y 公司等等。虽然这些知名厂商制造水平很高，但是其产品价格昂贵，交货期长，维修不 方便。相比之下，亚洲的热流道产品在价格和交货期上更具有竞争力。日本、新加坡、 韩国、台湾和香港的热流道技术水平在亚洲处于领先地位，如日本的s e i k i 公司、韩国 的y u d o 公司等等。此外，大洋洲新西兰的m a s t i p 公司也有一定的影响力。 国内的热流道模具应用也有十几年的历史，但传统的冷流道仍然占有相当大的比例， 热流道技术还处于研究和推广阶段，相关注塑企业的热流道技术应用总体水平还达不到 1 0 ，只有少数企业达到3 0 左右，其中大部分都从国外进口热流道系统。不过近年来 也有了较大的发展，如相关的热流道元件标准正在制定，热流道制造水平也有很大地提 高，而且出现了专业的热流道模具制造商，如深圳热流道科技公司、浙江的贝佳热流道 公司等等。 文献【l 】介绍了热流道模具的历史，从塑料制品的质量和成本两方面阐述了应用热流 道模具给企业带来经济效益等优点。具体地分析热流道的工作原理和基本结构，并讨论 了各种类型热流道系统的设计方法。 文献【2 】【3 】从应用角度帮助设计人员选择适合的热流道系统，并且分析热流道故障与 第5 页 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 解决方法。热流道故障主要表现为浇口残留物突出，流涎滴料和塑件外观表面差、材料 性能发生改变和热流道升温时间过长，通过对导致这些现象出现的原因分析，并提出了 相应的解决方法。 1 3 2 注塑过程计算机辅助工程( c a e ) 技术 将计算机技术创新应用于传统制造领域，是现代制造业发展的必由之路。计算机技 术创新作为工程设计和制造领域的第一推动力，它的主导作用日益明显。但是，计算机 技术创新始终是建立在千百年来人类工程实践的经验和理论之上，在不断的改良和重组 中获得创新。显然，如何将计算机技术创新应用于传统制造领域是工程技术界迫切需要 解决的问题。上世纪6 0 年代以来，出现了以有限元技术( f e m ) 为代表的计算机辅助 分析技术，并且在不长的时间里，已成为科技界和企业界的研究热点之一，且这些新概 念对制造业革命性的影响也已经显现出来【3 】。 许多工程分析问题，如固体力学中的位移场和应力场分析、电磁学中的电磁场分析、 振动特性分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析等，都可归结为在给定 条件下求解其控制方程( 常微分方程或偏微分方程) 的问题。对于大多数的工程技术问 题，由于物体的几何形状比较复杂或者问题的某些特征是非线性的，则很少有解析解。 这类问题的解决通常有两种途径：一是引入简化假设，将方程和边界条件简化为能够处 理的问题，从而得到它的简化状态的解。因此，人们在广泛吸收现代数学、力学理论的 基础上，借助于现代科学技术的产物一计算机来获得满足工程要求的数值解，这就是数 值模拟技术，它是现代工程学形成和发展的重要推动力之一【4 】。 从应用数学角度来看，有限元法的基本思想的提出，可以追溯到c o u r a n t 在1 9 4 3 年 的工作，他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结 合，在求解s t v e n a n t 扭转问题【5 】。一些应用数学家、物理学家和工程师由于各种原因都 涉足过有限元的概念。但是一直到1 9 6 0 年以后，随着电子数值计算机的广泛应用和发 展，有限元法的发展速度才显著加快。 塑料注塑过程c a e 分析的应用大致经历了四个阶段【6 】。 第6 页 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 上个世纪7 0 年代以前，由于计算机条件的限制，对充模过程和冷却过程都是采用 一维模拟。此阶段，英国、美国、加拿大的学者p e a r s o n ，j s t e v e n s e n ，j k a - m a l ，s k e n n i n g 等人对塑料熔体在圆盘形和矩形型腔内的流动行为进行了详尽的研究，计算塑料熔体在 等直径圆管、中心浇口的圆盘以及端部浇口的矩形型腔中的流动过程【7 】。 7 0 年代中期至8 0 年代中期，对上述过程就采取了二维分析，开始用计算机对熔融 塑料在圆形、管形和长方形的模腔中的流动进行分析【8 】。b r o y e r ，g u t f i n g e r 和t a d m o l l 9 】 运用流动网格分析法( f l o w a n a l y s i sn e t w o r k ) 对二维等温流动进行了计算，并对保压、固 化及分子取向问题进行了有益探索。1 9 7 4 年，美国c o m e l l 大学k k w a n g 教授主持的 注射成型研究计划( c m 伸) 开始启动。完善了三维造型系统t i p s ，建立了注塑过程的 流动、保压、冷却的一维、二维、三维数学模型，开展了塑料熔体流变性能和热性能的 实验研究，创立了流动平衡计算的数学模型，成功地实现了注塑模型腔的三轴、五轴 n c 加工的计算机仿真。1 9 7 5 年，德国a c h e n 大学i k v 塑料工程研究所在gm e n g e s 教 授领导下，采用c a d 技术进行塑料成型工艺和计算机模拟方面的系统研究，开发了一 系列注塑模设计和工艺过程模拟的计算机软件。 8 0 年代开展三维流动与冷却分析，及保压、分子取向及翘曲预测【_ 7 1 。此时，注塑模 c a d c 削c a e 技术已进入实用阶段，出现了许多商品化的软件。设计软件比较著名 的有美国p t c 公司的p r o e n g i n e e r 、美国e d s 的u g 和以色列c i m a t r o n 公司的m o l d e x p e r t 等，熔体流动过程模拟软件中比较有代表性的有澳大利亚m o l d f l o w 公司的注塑流动和 冷却分析软件m o l d f l o w ，德国玳v 的c a d m o u i l d 系统，美国a ct e c h 公司的 c f l o w c p a c k 和c c o o l 软件，模具c a e 公司的m o l d c a e 、韩国的k - - m o l d 、美 国s d r c 公司的i - d e a s 软件、美国c v 公司的注塑模c a d c a m c a e 系统，美国 g e c a l m a 公司的注塑模c a d c a m c a e 系统等。 9 0 年代后开展流动、冷却、应力分析的注塑工艺全过程的集成化研究。m i n g - h u n g t s a i 等人【1 0 】提出三维惯性自由、不可流有限元模拟，并很好地模拟了液晶显示板微注射 成型流动情况。j k o s z k u l ，j n a b i a l e k t ”】以不同的流变学黏度模型对杯子进行填充冷却 分析。b a b u ro z e e l i k 与i b r a h i ms o n a t 1 4 】对手机盖进行冷却翘曲分析，对熔体温度、模 第7 页 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 具温度、保压压力和保压时间四因素进行方差分析，得出保压压力是影响翘曲变形的最 大因素。还有一些学者【1 5 】【1 6 1 对注塑工艺过程的集成和优化【1 7 】进行了研究。 国内注塑模c a d c 舢倒c a e 系统的研制起较晚，1 9 8 7 年由华中理工大学自行开发 了第一个注塑模c a d 系统。此后，华中理工大学进行了“彩电零件注塑模c a d 的研 究。连理工大学开发出的注塑模c a d 微机实用软件包，该系统以出工程图为主，并利 用编程的方法按照有关标准建立了相应的零件图形库。北航的c a x a i m d 是目前国内在 注塑模设计相关软件中的佼佼者，它是一个完全自主知识产权的软件，具有适应国内模 具的实际情况、在微机上应用且价格较低等特点。华中科技大学的模具国家重点实验室 开发的华塑c a e 软件、郑州工业大学的自主版权的z - - m o l d 模流分析软件已经在企业 开始推广应用【1 9 2 0 1 。左太平等人2 1 】利用a t o s 激光流动测量仪测量了汽车风扇得到 时间变形数据，利用m o l d f l o w 软件模拟出风扇成型过程，比较了m p i 的计算误差。 徐小青【2 2 】运用m o l d f l o w 软件的模拟功能，结合p r o e 三维造型设计，得到显示器外 壳注射模的注射工艺参数。赖鹏等人【2 3 1 使用m p i 冷却模块，通过不同的冷却方案比较 得到优化的冷却系统。 随着国内外技术的不断改进，热流道模具设计不仅要考虑注塑工艺全过程的集成化 研究，更加需要结合温度控制进行热力耦合的流动平衡计算。这也成为了当前研究热点 和关键技术之一。 1 3 3p e t 瓶胚注塑模热流道研究现状 食品饮料行业中，制造要求较高的模具主要是p e t 瓶的瓶胚注塑模具和吹瓶模具。 就目前而言，国内专业食品饮料模具企业一般分为两个档次。第一类，属于大规模知名 企业，包括南海星联、普什模具和娃哈哈等，但是这类企业相对较少，年产值达到1 亿 元人民币的企业可说是风毛麟角。第二类则是一些小型企业，这类企业多集中于南方地 区。目前，从我国食品饮料模具行业的情况看，一部分是社会化的，另一部分则是注塑 机和吹瓶机厂家配套自用或者是食品饮料企业自用的。 国内一些大型饮料企业，如汇源、农夫等并不具备自己的模具制造厂，它们普遍采 第8 页 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 用外购的形式，瓶胚模基本上以海外购置居多。其主要原因是海外的瓶胚模质量很高， 使用寿命长。但相对外购而言，利用自己的企业生产瓶胚更具优势。这主要有两方面原 因，首先，由于自己生产可以使生产成本降低约3 0 5 0 。其次，也是更重要的一点， 就是在生产周期上自己生产占有很大优势。因为在与外协加工企业合作时需要多次反复 沟通，不但容易出现差错，而且浪费时间。拥有自主模具生产厂的企业，如果需要开发 一个新产品，那么在几天内即可指定出一整套方案，在加上审核时间推出成品的时间约 在半个月左右，这样新产品就可以迅速的被推向市场，更快的赢取利润。 为了提高生产效率及降低生产成本，p e t 瓶胚注塑模普遍采用大型群腔化模具结构， 即一模多腔，通过增加p e t 瓶胚模具的腔数，不但可减少注塑设备的数量，而且可降低 p e t 瓶胚的制造成本、提高生产效率。加拿大马斯特模具公司( m o l d m a s t e r s ) 推出完 全用于加工0 5 l 容量p e t 瓶胚的完全热均衡式热流道，用于单型面4 8 腔模具或2 3 2 的叠层模具上【2 4 1 。加拿大赫斯基公司( h u s k yi n j e c t i o nm o l d i n gs y s t e m sl t d ) 的注射p e t 瓶胚专用注塑机，成型一模9 6 个瓶胚，周期不到7 5 s ，合格率基本达到1 0 0 。瑞士 耐驰特公司( n e t s t a l m a s e h i n e n a g ) 的p e t - l i n e 机型的1 9 2 腔预成型机，每小时可生产9 万多个瓶胚【2 5 】。浙江黄岩裕盛聚酯模具厂制造有一模十二腔、一模十六腔、一模四十八 腔p e t 瓶胚注塑模系列，研制成功新一代y s 2 一模十六腔瓶胚注塑模具系列，并且能 够应用于国产注塑机，生产出进口品质的p e t 瓶胚【2 6 】。 同时，就此类模具本身而言，模具结构已经实现了通用化。模具的好坏很大程度上 取决设备的精度和加工工艺。国内诸如娃哈哈等规模较大的专业食品饮料模具企业已经 实现了该类模具的国产化，但是一般都仅限于成型部分以及冷半模的制作。作为模具的 主要部件的热流道系统，大部分研究工作还处于凭借经验或者依靠引进国外成熟的热流 道模具来实现，对经验的依赖性强，而且设计周期漫长，导致设计总成本升高。此类研 究存在的主要问题在于其研究的问题多为具体的，局部的细节难点，没有将各个问题整 体加以考虑，对现有方法的集成使用尚处于试验阶段，难以有效地为热流道设计过程中 遇到的问题提供整体解决方案。同时，鉴于p e t 瓶胚热流道的综合优势，要实现这些模 具的完全国产化，掌握拥有自主知识产权的注塑模具热流道设计方法是关键问题之所 第9 页 浙江大学工程硕士学位论文 第一章绪论 在。 因此，本文提出基于数值模拟技术，集成应用流动平衡和热平衡分析方法，创新性 地开发了p e t 瓶胚注塑模具热流道设计流程并应用于工厂实际生产。 1 4 课题研究意义及内容 1 4 1 课题研究意义 我国正处于p e t 瓶饮料包装行业的高速发展阶段，已经成为了p e t 瓶包装产品的 重要生产基地。目前，国内碳酸饮料包装中p e t 瓶的应用比例占5 7 4 ，未来几年国 内市场对p e t 瓶的需求量更是每年以两位数增长。我国p e t 瓶用模具生产设备的制造 技术始于8 0 年代，现阶段p e t 瓶胚模具的研究开发及制造技术还大大落后于国际先进 水平。国际上性能优良的p e t 瓶胚注塑设备不断进入我国，对我国的p e t 瓶胚注塑设 备企业构成极大的挑战，国产模具与设备存在着设计制造水平不足，模具的设计制造时 间长，模具的报废率高，返工工作量大等诸多问题【2 】。 同时，由于塑料的成型受多种因素的影响，如：分子的结晶和取向、纤维的取向、 熔体的可压缩性、产品的结构与形状、浇口的位置大小、熔体的冷却速度与温度、注射 的压力与速度等等。由于问题的复杂性，所以注塑成型加工过程主要依靠工艺人员和模 具设计人员经验和技巧，设计的是否合理只能通过试模才能知道，往往要经过多次的试 模修模才能得到比较满意的塑料制品。致使模具及塑料产品的设计与制造周期长、成本 高、档次低。 随着计算机技术的发展，人们开始利用计算机来模拟塑料成型的过程，通过模拟技 术与注塑成型技术相结合为改变这种状况提供了新的手段。c a e 技术通过建立高分子 聚合物成型过程的物理和数学模型，借助与有限元法、有限差分法和边界元法等数值计 算方法，分析型腔中塑料的流动、保压和冷却过程，计算制品和模具的应力分布，预测 制品的翘曲变形，并由此分析工艺条件、材料参数以及模具结构对制品质量的影响，达 到优化制品和模具结构、优选成型工艺参数的目的，从而使加工成型从一项实用技术变 第l o 页 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 为一门应用科学。同传统的模具设计相比，c a e 技术无论在提高生产率、保证产品质 量，还是在降低成本、减轻劳动强度等方面，都具有很大优越性。因此，对注塑成型模 拟以及优化技术的研究具有很高使用价值，对我国塑料工业的发展具有重要意义。 1 4 2 主要研究内容 本文以娃哈哈集团公司5 9 6 m l 纯净水热流道项目为研究背景，对热流道系统设计中 两项关键技术流动平衡和热平衡进行研究。基于数值模拟技术将流动平衡和热平衡集成 应用于p e t 瓶胚注塑模具热流道设计，实现了p e t 瓶胚注塑模具热流道设计流程并应 用于工厂实际生产。 其主要研究内容可以分为以下三部分： ( 1 ) p e t 流变学模型与注塑工艺 分析了p e t 材料的流变特性及力学模型，阐述了p e t 材料的加工工艺性，并结 合m o l d f l o w 软件，给出了p e t 材料的粘度剪切速率曲线图。对注塑工艺采用 的模具和成形设备进行了相应的说明。 ( 2 ) 热流道结构设计与分析 基于p e t 材料特性及工艺加工性能，结合热流道系统原理，对热流道结构设计 进行了分析，讨论了针对p e t 瓶胚注塑模具热流道的不同流动平衡方式，实现 了基于m o l df l o w 软件的流动平衡数值模拟分析； ( 3 ) 热流道热平衡计算与分析 进行了基于有限元技术的热流道系统热平衡计算，给出了热流道系统的热规划 及加热功率的计算方法，并实现了基于a n s y s 软件的热流道系统温度场分析， 为热流道系统的热平衡状态提供了技术支撑； 论文共分六章，绪论提出课题的研究背景和研究内容，第二章重点研究p e t 材料的 流变学模型与注塑工艺，为第三章的热流道结构设计与分析奠定坚实的基础，第四章热 流道的热平衡计算与分析，并根据分析结果完善热流道结构设计，第五章设计研发娃哈 哈5 9 6 纯净水瓶胚热流道项目，完成应用实例，最后总结与展望。论文的总体框架如图 第l l 页 浙江大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 2 所示。 第二章 k 第三章 l 第四章 p e t 流变学模 ，灞 热流道的结构 雪 热流道热平衡 型与注塑上艺r设计与分析r计算与分析 i u l 第五章实际应用案例 上山 i 第六章总结与展望 1 5 本章小结 图1 2 论文框架 本章介绍了课题的研究背景及发展现状，提出了需要解决的问题及思路，并以此形 成了可以的研究意义及研究内容。 第1 2 页 浙江大学工程硕士学位论文第二章p e t 流变学模型与注塑工艺 第二章p e t 流变学模型与注塑工艺 【本章摘要】分析了p e t 材料的流变特性及力学模型，阐述了p e t 材料的加工工艺 性，并结合m o l df l o w 软件，给出了p e t 材料的粘度一剪切速率曲线图。对注塑工艺采 用的模具和成形设备进行了相应的说明。为随后的流动平衡设计奠定了理论基础和验证 实践。 2 1p e t 流变学模型 p e t 学名为聚对苯二甲酸乙二醇酯( p o l y e t h y l e l l et e r e p h t h a l a t e ) ，俗称涤纶树脂。p e t 具有线性分子链，是半结晶聚合物，其中无定形态和有序形态相互交织。是将对苯二甲 酸与乙二醇聚合而成之饱和聚酯，本身具有良好的透明性、光泽度及气体阻隔性，符合 食品安全标准，并可回收再利用【27 1 。 p e t 是热塑性聚酯，属部分结晶型塑料，热变形温度7 0 ，软化温度8 0 ，结晶 温度峰值1 6 0 。c ，熔融温度2 4 5 2 6 0 c ，相对密度1 3 1 4 9 e r a 3 【2 8 】。p e t 为乳白色或浅黄 色，表面平滑有光泽，在较宽的温度范围内有优良的物理机械性能，弯曲强度为2 0 0 m p a ， 弹性模量达4 0 0 0 m p a ，耐蠕变及疲劳性也很好，表面硬度高，机械性能与热固性塑料 相近1 2 9 1 。表2 1 所示为一典型p e t 原料的机械性能指标。 表2 1e a s t a p a k9 9 21 机械性能指标 性能指标数值性能指标数值 拉伸强度1 5 2 m p a收缩率 0 012 0 0 2 0 弯曲模量 10 3 4 3 m p a介电强度16 9 k v m m 冲击强度 8 5 j m熔点2 5 4 比重 1 6 7介电常数3 8 第1 3 页 浙江大学工程硕士学位论文第二章p e t 流变学模型与注塑工艺 p e t 的一个重要用途就是吹塑制品，包括用于拉伸吹塑包装用的聚酯瓶。用p e t 注塑拉伸吹塑的瓶子具有较好的外观和机械性能，如优良的透光性，光泽度高，机械强 度高，耐化学腐蚀，卫生性能好等优点，使得p e t 制品在软饮料、日用化学、调味品、 医药等包装领域得到广泛的应用【3 0 】【3 2 1 。 研究注塑成型除了需要了解塑料的物料机械性能，还必须了解塑料的流变特性。流 变学是- n 根据应力、应变和时间来研究材料的流动和变形的科学。 由于分子间存在相互作用力，因此流动过程中分子间就会产生反抗分子相对位移的 内摩擦力，流体的黏度就是分子间内摩擦力的宏观度量，即黏度是表征流体内部抵抗流 动阻力的物理量，多用流体的剪切应力与剪切速率之比加以表示【3 3 】。 其中，流经圆形截面热流道的流体剪切速率可以表示为： 尹= 罟 ( 2 1 ) 式中 户为剪切速率；q 为流道体积率；d 为流道直径。 上式也表明，流体的剪切速率与流道体积率成正比，而与流道直径的三次方成反比。 针对流体剪切速率的改变，由于流道直径的三次方的反比关系，所以其影响效果更为明 显。 根据流体流动特性流体可以划分为牛顿流体和非牛顿流体。 针对牛顿流体，其黏度与温度和压强都有关系，根据牛顿黏度定律蚓：流体两层间 的剪切应力与剪切速率成正比，有： 式中， r 为剪切应力；为剪切粘度。 f ：_ d v ：肜 ( 2 2 ) f = = y 【2 2 ) 口v 对于非牛顿流体，其剪切速率与流体流动特性的关系如图2 1 所示。粘度随剪切速 率增加而变大的材料称为膨胀性流体；粘度随剪切速率增加而变小的材料称为伪塑性流 第1 4 页 浙江大学工程硕士学位论文 第二章p 盯流变学模型与注塑工艺 体【3 5 1 。 t 一! 生 - 图2 1 流体粘度剪切速率示意图【3 5 】 p e t 材料常用的黏度模型有幂律黏度模型、b i r d - c a r r e a u 黏度模型、c r o s s 黏度模 型及二次多项式黏度模型。各黏度模型各有优缺点，不同的材料可用不同的模型进行最 佳描述。其中，幂律黏度模型是最简单但描述效果也是最有限的数学模型。 = 风户( “1 ) ( 2 3 ) 式中， 刀为无量指数；风为p e t 材料零剪切速率时的粘度；为温度的函数。 有： 一唧眺一劫 仁4 ， 式中， 胁为在瓦时的值；a e 为激活能。 利用相关数学软件( m i e r o s o f te x c e l ) 可以计算当温度一定时，粘度一剪切速率的关 系曲线如图2 2 所示。其剪切速率的变化范围为1 - 1 0 e 0 51 s ，可以涵盖整个成形过程 第1 5 页 浙江大学工程硕士学位论文 第二章p e t 流变学模型与注塑工艺 范围。 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 d 1 0 0 01 0 0 010 0 010 0 0 010 0 0 0 1 0 0 0 e + 0 5 s h e a rr a t e 【1i s l 图2 2p e t 粘度剪切速率曲线图 圆柱状的热流道中，等温状态下的熔融p e t 材料的流速分布可以定义为径向位置的 函数： 式中， r 为最大半径。 对于平均流速有： 一v r 3 , 删+ m 、1 f 【- 蝴n + l 第1 6 页 ( 2 5 ) 一一臣一，=ou一 浙江大学工程硕士学位论文第二章p e t 流变学模型与注塑工艺 式中， p 为压力降；为长度。 = 焘 筹( 剀i ( 2 6 ) 根据方程( 2 5 ) ，可以计算出幂律黏度模型中黏度指数对圆形管道等温流体流速分布 的影响如图2 3 所示。 0 1 53 o l o c a lv e l o c 时 u m s e c p o 慨rl a wi n d e x 1 1 ( p lu g 。f l o w ) a b s a c r y l i c p s p v c l d p e p p h d p e p 盯 ( n e w t o n i a nf l o w ) m 2 3 幂律黏度模型中黏度指数对流速分布的影响m 】 由此可以表明，圆形流道中的p e t 材料的最大剪切速率一般都出现在流道壁处，此 第1 7 页 浙江大学工程硕士学位论文第二章p e t 流变学模型与注塑工艺 时有，= r ，相应的剪切应力达到最大值。随着指数的减小，流速的分布更为平稳，具 有较高的平均流速和较窄的流速分布区间。低剪切速率的情况下，伪塑性流体与牛顿流 体近似。流道壁处的平均剪切速率可以表示为： = 罟( 等) 仁7 ， 2 i i 百j q - ) 式中， q 为体积流动率；d 为流道直径；n 为幂指数。 2 2 材料加工工艺性 p e t 最初应用于食品包装和纺织品纤维，世界上第一个p e t 瓶于2 0 世纪7 0 年代诞 生于美国杜邦( d u p 饼盯) 公司，8 0 年代随着p e t 树脂合成工艺及注拉吹成型技术的 逐步发展，推动了p e t 瓶的工业化生产，从而开创了p e t 应于饮料包装的新历程。生 产p e t 所用乙二醇比生产p b t 所用丁二醇的价格几乎便宜一半，所以p e t 树脂和增 强p e t 是工程塑料中价格是最低的，具有很高的性价比。 用于吹塑的p e t 为饱和线性热塑性聚酯，它的最大用途之所以是用来吹塑碳酸饮料 瓶，是因为它的c 0 2 、0 2 和水蒸汽阻隔性能高，强度、耐冲击性、耐化学药品性和耐 压性高，透明度和光泽度很好，外观性能良好以及纯度高。吹塑级p e t 的特性粘度( 聊 较高，一般为7 0 8 5 m l g ，这是为了使吹塑瓶能够有较高的机械性能和透明度。一般来 说，值为7 0 7 5 m l g 的p e t 适于拉伸吹塑容积较大( 2 l 以上) 的瓶子，而小容积瓶 则优先选用高值的p e t 。结晶和取向是影响拉伸吹塑p e t 瓶成型过程和性能的关键 要素。p e t 是一种可结晶的聚合物，其结晶度一般为0 3 0 ，但结晶速率很小。分子 取向可使p e t 分子有序排列，从而促进晶体形成，这种晶体被称为应变诱导晶体。由于 晶粒很小，不会折射光线，因此经取向的p e t 瓶为透明的。 p e t 的玻璃化转变温度( t g ) 介于7 5 8 0 之间，射出成型温度约为2 7 0 3 1 0 ，模 具温度约为1 3 0 1 5 0 。此外，p e t 射出成型时若料温过高、螺杆剪切力太大或转速太 快均容易产生乙醛而导致酸化。 第1 8 页 浙江大学工程硕士学位论文 第二章p e t 流变学模型与注塑工艺 p e t 的三种转变温度与无定