（机械电子工程专业论文）注塑工艺参数对制品温度和流动影响的研究及仿真分析.pdf

l 苏州大学学位论文使用授权声明 1 1 1 i i i l l l l l l l 咖1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 幽 y 19 0 9 6 5 3 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属 在年一月解密后适用本规定。 非涉密论文留 论文作者签名： 导师签名： 占 哜、犯 秤 日期：剑 一：一产 注塑t 艺参数对制品温度和流动的影响研究及仿真分析 摘要 摘要 注塑成型制品的质量是近年来注塑成型研究的重点和难点，注塑成型制品质 量控制方面的困难不仅来源于注塑模具的工艺设计、注塑过程的参数设计和注塑 材料的选择，还来源于对制品质量与各种影响因素之间的关系的准确判断。研究 工艺参数对制品质量的影响关系，确定工艺变量对制品质量指标的影响程度，是 选取控制变量、抽取工艺特性数据及制品质量特性数据、建立工艺参数与制品质 量之间的关系模型的前提。传统的注塑工艺大多是根据工人的注塑经验对注塑工 艺参数进行设置，根据注塑结果进行调试，这在设计和生产中浪费了大量的时间 和金钱，因此塑料成型模拟仿真技术对缩短产品的开发周期、提高塑料制品的质 量、降低生产成本具有很重要的意义。 本文在大量的实验的基础上，应用m p i ( m l d n o wp l a s t i ci n s i g h t ) 注塑仿真软 件对制品进行仿真模拟，结合控制变量和正交试验两种实验方法，重点研究了注 塑过程注塑工艺参数对制品的质量影响，并将两部分结果进行比较。可以运用模 拟仿真的方法调试模具，大大缩短了开模和调模的周期。基于正交试验方法研究 熔体温度、注塑压力、注塑速度、注塑时间及短玻璃纤维含量对制品质量的影响， 筛选重要影响工艺参数。通过控制变量实验设计，研究了各个工艺参数和短玻璃 纤维的含量对制品质量的影响的详细信息。本文的主要工作包括： ( 1 ) 基于注塑正交试验，选取熔体温度、注塑压力、注塑速度、注塑时间、 短玻璃纤维含量作为影响注塑过程中熔体流动性的主要工艺参数，每个注塑工艺 参数选取5 个不同水平值，结合正交试验表l 2 5 ( 5 5 ) 对5 因素5 水平的实验，在 两个不同模具中选用熔体流动性不同的材料注塑，获得近似最佳工艺组合，作为 后续控制变量实验的基准工艺设置。 ( 2 ) 在正交试验的基础上，分别对熔体温度、注塑压力、注塑速度，注塑时 间、短玻璃纤维含量等因素进行控制变量实验，通过实际的注塑实验和对制品的 测量检验，研究注塑工艺参数和短玻璃纤维含量对制品的质量的影响规律。 ( 3 ) 运用注塑成型模拟软件m p i ( m l d n o wp l 硒t i ci n s i 曲t ) ，对在不同注塑工 艺参数和短玻璃纤维含量下注塑制品温度和填充量的仿真模拟，获得熔体温度、 摘要 注塑工艺参数对制品温度和流动的影响研究及仿真分析 注塑压力、注塑速度，注塑时间和短玻璃纤维含量对注塑制品温度和填充量的影 响。 ( 4 ) 研究注塑工艺参数对制件温度和流动性质量的影响规律，对找到最佳注 塑参数有重大意义。不但能够提高制件的质量，还能够降低注塑产品的成本和生 产周期，大大提高了产品的竞争力。 关键词：m l d n o wp l a s t i ci n s i 曲t 注塑成型正交试验玻璃纤维 作者：朱建 指导老师：王传洋 r e s c a r c ha n ( is i n l u ia l i o na n a i y s i st h cc 1 1 b c l so f i n j c c t i o nm 州d i n gp 1 r a n l c t c r so np r o d u c i sc c m p c r a 【u r ca n dn o wa b s t r a c t r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o na n a l y s i st h ee f f e c t so fi n j e c t i o n m o l d i n gp a r a m e t e r so np r o d u c t st e m p e r a t u r e a n df l o w a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h eq u a l i t yo ft l l ei n j e c t i o nm o l d i n gi st h em o s ti m p o r t a n t 锄d d i 衔c u l ti nt h er e s e a r c ho ft h ei n j e c t i o nm o l d i n g t h ed i m c u l t yo f e c t i o nm o l d i n g q u a l i t y c o n t r o l d e p e n d s n o t o n l y o nt h ec o m p l e x p r o c e s sd y n 锄i c sa n d t l l e u n p r e d i c t a b i l i t ) ，o fm a t e r i a lb e h a v i o rr e l a t e dt ot l l ev a r i a t i o no ft e m p e r a 眦肌dp r e s s u r e ， b u ta l s oo nt l l el a c k i n go ft l l ee s t i m a t i o no ft h er e l a t i o n s h i pb e t 、v e e np a nq u a l i 哆a n d p r o c e s sp a r a m e t e r s s o ，i t st l l ep r e m i s eo fp a r tq u a l i t ) rc o n t r o l t os t u d ya n dm o d e lt 1 1 e r e l a t i o n s h i p b e t 、v e e ni n j e c t i o n - m o l d e d p a r tq u a l i t ) ，a n dp r o c e s sp a r 锄e t e r s t h e t r a d i t i o n a l i n j e c t i o nm o l d i n gi sm o s t l ya c c o r d i n g t 0w o r k e r s i n j e c t i o nm o l d i n g e x p e r i e n c et 0s e tt i l ep a r 锄e t e r s ，t h e na c c o r d i n gt ot l l er e s u l t s ，t r ya g a i n i ti sw 弱t e do f a1 0 to ft i m e 锄dm o n e yi nd e s i g n 锄dp r o d u c t i o n t h e r e f o r et h ep l a s t i cm o l d i n g s i m u l a t i o nt e c h n o l o g ) ri sv e uv i t a ls i g n i f i c a n c et os h o n e nn e wp r o d u c td e v e l o p m e n t c y c l e s ，i m p r o v ep l 舔t i c sq u a l i 坝r e d u c ep r o d u c t i o nc o s t b a s e do nal a r g en 啪b e ro fe x p e r i m e n t a lb 嬲i s ，a p p l i c a t i o nm l d f l o wm p i ( i n s i 曲t t 1 1 ep l a s t i c e c t i o nm o l d i n gs i m u l a t i o ns o 胁2 l r e ) f o rp r o d u c t ss i m u l a t i o n ，c o m b i n e d 晰t ht h ec o n 昀lv 撕a b l e s 锄do n h o g o n a lt e s tt w 0e x p e r i m e n t a lm e t h o d f o c u so nt h e p m c e s so fp l 嬲t i ci n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sp a r 锄e t e r so nt h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t i n n u e n c ec o m p a r e dt 0t h et w op a r t s u s i n gm p it 0d e b u g g i n gm o u l d ，c 锄g r e a t l y r e d u c i n g t l l e c a v i t y 觚d m o u l d i n g a d j u s t m e n tc y c l e b a s e do nt l l e o n h o g o n a l e x p e r i m e n tm e t h o d ，r e s e a r c ht l l e m e l tt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o np r e s s u r e ，f i l l i n gs p e e d ， i n j e c t i o nt i m e 锄ds h o ng l a s sf i b e rc o n t e n to np r o d u c t sq u a l i t y ，s e l e c t i o nt 1 1 e m o s t i m p o n a n ti n n u e n c e t h r o u g ht i l es i n g l ef a c t o re x p e r i m e n td e s i g n ，r e s e a r c ho fe a c h p r o c e s sp a r a m e t e r s 鲫ds h o r tg l 硒sf i b e rc o n t e n to nt h ei n f l u e n c e6 ft h ep r o d u c tq u a l i t y d e t a i l e di n f o n n a t i o n t h em a i n 、v o r ko ft h i sp a p e ri n c l u d e ： a b s 丁r a c tr c s e a r c ha n ds i m u l a l i o na n a l y s i sf h ee i l b c bo i l n j e c l i o nn l o l d i n gp a r a n l e l e r so np r o d u c t sl e m p e r a t u r ea n dn o w ( 1 ) o n h o g o n a je x p e r i m e n t sb a s e do nt a g u c l l id o e ，s e l e c tm e m e l tt e m p e r a t l l r e ， e c t i o np r e s s u r e ，f i l l i n gs p e e d ，i n j e c t i o nt i m e ，s h o r tg l a s sf i b e rc o n t e n ta sm a i np r o c e s s p 缸a i t l e t e r so ni n f l u e n c em e l tl i q u i d i t yi n e c t i o np r o c e s s e a c hi 巧e c t i o nm o l d i n g p r o c e s sp a r a m e t e rs e l e c t i o nf i v ed i 脏r e n tl e v e l s ，c o m b i n e d 、v i t hm eo n h o g o n a l e x p e r i m e n tt a b l ev a l u e sl 2 5 ( 5 5 ) t o5f a c t o r s5l e v e l so fe x p e r i m e n t ，u s et w ol ( i n d so f m a t e r i a l sw i md i f r e r e n tm e l tl i q u i d i 够i nt w od i f r e r e n tm o u l d o b t a i n 印p r o x i m a t e o p t i m a lp r o c e s sc o m b i n a t i o n ，嬲s u b s e q u e ms i n g l ef a c t o re x p e r i m e n tb e n c h m a r k p r o c e s ss e t t i n g s ( 2 )b a s e d o nt h eo 九h o g o n a le x p e r i m e n t t bt h em e l tt e m p e r a t u r e i n j e c t i o n p r e s s u r e ，i n j e c t i o nm o l d i n gs p e e d i n j e c t i o nt i m e ，s h o ng l a s sf i b e rc o n t e n ta n df a c t o r s b ys i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t ，t h ea c t u a l i n j e c t i o ne x p e m e n t sa n dt h em e a s u r e m e n to f p r o d u c t si n s p e c t i o n ，t h e 埘e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sp a “u n e t e r sa n ds h o ng l a s s 丘b e r c o n t e n ti n f l u e n c eo nt h ep r o d u c l sq u a l i t y u s i n gi n j e c t i o nm o l d i n gs i m u l a t i o ns o r w a r em p i ( m l d f l o w p l a s t i ci n s i g h t ) ，t o s i m u l a t i o nt h ei n j e c t i o np r o d u c t st e m p e r a t u r ea n df i l l i n gq u a n t i t ys i m u l a t i o nu n d e r d i a e r e n tp a r 锄e t e r sa n dg l a s sn b e rc o n t e n t t 6o b t a i nt h a tm e l tt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o n p r e s s u p e ，f i i n gs p e e d i n j e c t i o nt i m ea n ds h o r tg l a s sf i b e rc o n t e n tt h ei n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r ea n df 1 1 l i n gq u a n t i t y ( 4 ) r e s e a r c hi n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so ft h ep r o d u c tt e m p e r a t u r ea n d l i q u i d i t ym l e so ft h ei n n u e n c eo nt h eq u a l i t yo f6 n d t h eb e s ti n j e c t i o np a r a m e t e r sh a v e s i g n i f i c a n tm e a n i n g c a i ln o to n l yi m p r o v et h ep m d u c t sq u a i i t y b u ta l s oc a nr e d u c et h e c o s to fi n j e c t i o np r o d u c t sa i l dp r o d u c t i o nc y c l e ，g r e a t i yi m p r o v i n gt b ep r o d u c t s c o m p e t i t i v e n e s s k e y w o r d s ：m i d n o w p l a s t i ci n s i g h t l n j e c t i o nm o l d i n go l r t h o g o n a lg l a s s 矗b e r i v w r i t t e n b y z h uj i a n s u p e r v i s e db yw a n gc h u a n y a n g r c s c a r c ha n is i m u i a l i o na n a i y s ；sl h cc n c “o i 1 n i c c i nm o i d i n gp i l r m l l c l c r so np 1 0 d u c i sl c m p c r a i u r ca n df l l l w a b s t r a c t v 目录 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2 注塑工艺参数设置2 1 2 1 注塑的工艺过程3 1 2 2 注塑工艺参数4 1 3 注塑成型技术研究进展6 1 4 选题的依据和意义8 1 5 课题的研究内容及技术路线9 1 6 本章小结1 l 第二章熔体充模流动的理论分析1 2 2 1 粘性流体力学的基本方程1 2 2 2 传统注塑成型中熔体流动行为的数学模型。1 3 2 2 1 简化与假设13 2 2 2 熔体流动行为基本方程1 4 2 2 3 边界条件及初始条件l5 2 2 4 粘度模型15 2 3 粘度模型应用17 2 4 本章小结2 0 第三章试验研究。2 l 3 1 注塑成型的原理和工艺一2 l 3 2 实验部分。2 2 3 2 1 试验设备2 2 3 2 2 实验材料2 4 3 3 实验方案2 7 3 3 1 试管注塑实验2 7 3 3 2 薄片实验设计3 5 3 3 3 流动性分析3 8 3 4 本章小结4 l 第四章基于m o l d n o w 模拟仿真分析4 2 4 1m o l d n o w 软件模拟注塑4 2 4 2 试管模拟仿真4 3 4 2 2 实验模型4 3 4 2 3 试验方法4 4 4 2 4 温度仿真设计4 5 4 3 薄片模拟仿真4 8 4 3 1 实验材料。4 8 4 3 2 实验模型4 8 4 - 3 3 试验方法4 9 4 3 4 填充度仿真设计5 0 4 4 本章小结。5 7 第五章结论与展望5 8 5 1 本文主要结论5 8 5 2 本研究方向的展望。5 8 参考文献6 0 攻读学位期间本人出版或公开发表的论文6 5 致谢6 6 注塑t 艺参数对制品温度和流动影响的研究及仿真分析 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着科学技术水平的不断提高以及加工方法的改进，塑料这一世纪才发展起 来的新材料已经在我们的同常生活中占据了重要的地位，成为国民经济中不可缺 少的一部分。塑料成型技术是指把粉、粒料或液状树脂及添加剂等原料加工成具 有一定使用价值的制品的一种技术。塑料制品性能的优劣及规格多少与成型技术 密不可分。注塑成型又称注塑模塑，是塑料加工中重要的成型方法之一，其技术 已发展的相当成熟，且应用非常普遍，注塑制品己占领塑料制品总量的3 0 以上， 在国民经济的许多领域有着广泛的应用【l 以2 1 。 注塑成型分两个阶段，开发设计阶段包括产品设计、模具设计和模具制造和 生产阶段，包括购买材料、试模和成型。传统的注塑方法是在正式生产前，由设 计人员凭经验与直觉设计模具，模具装配完毕后，通常需要几次试模，发现问题 后，不仅需要重新设置工艺参数，甚至还需要修改塑料制品和模具设计，这势必 增加生产成本，延长产品开发周期。采用m p i ( m l d f l o wp l 嬲t i ci n s i 曲t ) 技术，可 以完全代替试模，m p i ( m l d n o wp l 弱t i c1 1 1 s i 曲t ) 技术提供了从制品设计到生产的 完整解决方案，在模具制造之前，预测塑料熔体在型腔中的整个成型过程，帮助 发现潜在的问题，有效地防止问题发生，大大缩短了开发周期，降低生产成本。 利用m p i ( m l d n o wp l 硒t i c1 1 1 s i 曲t ) 技术可以在模具加工前，在计算机上对整 个注塑成型过程进行模拟分析，准确预测熔体在型腔内的填充、保压、冷却情况， 以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况， 以便设计者能尽早发现问题，及时修改制件和模具设计，而不是等到试模以后再 返修模具。这不仅是对传统模具设计方法的一种突破，而且对减少甚至避免模具 返修报废、提高制品质量和降低成本等，都有着重大的技术经济意义。 近年来，模具行业发展迅猛，在制造业的地位日益突出。针对模具设计和塑 料成型的软件可以协助设计人员及早发现模具设计和成型质量方面存在的问题， 从而能够便捷地修改设计方案，有效地降低成本和缩短生产周期。公司研发的系 第一章绪论注塑工艺参数对制品温度和流动影响的研究及仿真分析 列软件为注塑成型设计和生产提供了高效的解决方法。 1 2 注塑工艺参数设置 塑料工业是国民经济中一个非常重要的行业。由于塑料的机械性能和加工性 能优良，而且具有质量轻、耐腐蚀、电绝缘性能好、强度高等优点，引起了人们 的关注，获得了迅速的发展，在汽车、家电、仪器仪表、建筑装饰等领域得到了 广泛的应用，并有以塑代钢、以塑代木的趋势。 注塑成型是根据金属压铸成型原理发展而来的塑料制品的主要加工方法，其 使用注塑机和注塑模具把塑料原材料转变成塑料制品。其基本原理就是利用塑料 的可挤压性和可模塑性，首先将松散的粒状或粉术状物料从注塑机的料斗送入高 温的机筒内加热熔融塑化，使之成为粘流态熔体，然后在柱塞或螺杆的推动下， 以较大的流速通过机筒前端的喷嘴注塑进入温度较低的闭合模具中，经过保压、 冷却后，开启模具便可以从模腔中脱出具有一定形状和尺寸的塑料制品。 注塑成型在整个塑料产品生产行业占有非常重要的地位。早期的注塑成型方 法主要用于生产热塑性塑料产品。随着塑料工业的迅速发展以及塑料制品应用范 围的不断扩大，注塑成型方法已经推广应用到热固性塑料制品和一些塑料复合材 料制品的生产中。目前，除了少数几种塑料外，几乎所有的塑料都可以采用注塑 成型。据统计，注塑制品约占整个塑料制品总产量的3 0 ，全世界每年生产的注 塑模数量约占所有塑料成型模具的5 0 。 模具在注塑成型过程中处于核心地位，作为聚合物成型的重要工艺装备，其 设计与制造水平直接关系到产品的质量、品种及更新速度。模具工业是国民经济 的基础工业，塑料模具是塑料工业发展的瓶颈。在塑料制品加工中，材料本身的 特性以及复杂的加工条件使材料成型过程经历了相当复杂的变形过程，如固体输 送、熔融、熔体输送、流动、压实、相变、结晶、分子取向、纤维取向、翘曲变 形等，制品形状、边界条件的复杂及材料参数的不确定性使得问题更加复杂化。 由于问题的复杂性，长期以来，高聚物成型加工过程的控制和模具设计与制造主 要依赖于工艺人员和设计人员的经验和技巧，设计的合理性只能通过试模才能知 道，制造的缺陷主要依靠试模来纠正，致使模具及高聚物产品的设计与制造周期 长、成本高、档次低。随着材料和新成型方法的不断出现，问题更加突出。我国 2 注塑工艺参数对制品温度和流动影响的研究及仿真分析第一章绪论 模具技术水平大约落后于国外2 0 年。现在模具生产只能满足需要的6 0 左右，每 年进口精密复杂模具高达数亿美元。 随着计算机技术的发展和人们岁计算力学、流体力学、聚合物加工流变学、 传热学等学科研究的深入，c a e 技术与注塑成型技术相结合，以改变这种状况提 供了新的手段。c a e 技术通过建立高聚物成型过程的物理和数学模型，构造有效 的数值计算方法，借助于计算机仿真模拟确定加工条件的变化规律、预测制品的 结构和性能、确定高聚物制品和模具设计参数及工艺条件的最佳方案，使高聚物 成型加工及模具设计建立在科学分析的基础上，为优化模具设计和控制产品成型 过程以获得理想的最终“定构提供科学依据和设计分析手段，指导高分子成型， 提高高分子材料使用水平。成型模拟技术使高聚物成型加工过程在流场、力场、 热场等作用下所出现的各种物理现象和化学变化的描述更加数字化和定量化，从 而使加工成型从一项实用技术变为一门应用科学。塑料成型c a e 技术对缩短产品 的开发周期、提高塑料制品的质量、降低生产成本具有很重要的意义。 1 2 1 注塑的工艺过程【1 3 1 6 1 注塑成型加工过程是一个循环的周期过程，一般包括三个阶段，即注塑阶段、 保压及压实阶段、固化及冷却阶段。注塑成型过程如图1 1 所示。 注塑成型加工过程从聚合物颗粒通过料斗进入螺杆开始。首先聚合物颗粒在 转动螺杆的输送作用下不断沿螺槽方向向前转动，同时转动的螺杆把机械能转化 为热能，使聚合物颗粒得到软化和熔解。聚合物材料在螺杆剪切热与料筒外部热 源的作用下很快塑化并熔融，转变成粘流体并储存在料简f ； 端的区域( 即存料区) 。 与此同时，存料区中的熔体具有一定的压力，当熔体压力大于螺杆后退所要克服 的阻力时，螺杆开始一边转动一边向后移动。知道螺杆碰到行程开关为止。这一 整个过程成为塑化过程。此后又一螺杆的静止阶段，然后随着螺杆向前运动，熔 体的物料通过喷嘴模具流道成型模腔系统的通道，将螺杆头部的塑料熔体注入模 具型腔中，这一过程称为注塑过程。在注塑过程中，塑料熔体轴向移动是由螺杆 注塑速度控制的。注塑一结束，由于熔体和模具的热传导，型腔内的熔体开始固 化。由于固化和冷却的作用，制品会发生收缩，因此为了补充收缩必须在一定的 压力作用下补充物料，这一过程称为压实- 保压过程。在这一阶段，螺杆移动很慢， 压力可以进行变化控制。通过一些冷却介质( 通常是冷却水) 的流通，热量连续 3 第一章绪论注塑t 艺参数对制品温度和流动影响的研究及仿真分析 从模具中通过模具内的孔散出，最终制件得到固化，这就是冷却过程。在冷却过 程中，在螺杆内同时发生了塑化过程。最后，通过一个排出装置把制件从模具中 分离出来( 或用手动的方法) 。这是一个循环过程结束，一个新的循环过程又开始 了。从注塑成型加工的周期过程中，可以看出，螺杆在塑化和注塑时，均要发生 轴向位移，同时螺杆又处于时转时停的间歇式工作状态，因此形成了螺杆塑化过 程的非稳定性。 幽一 ( a ) 模具闭合( b ) 充填模腔 ( c ) 保压( d ) 冷却、固化 ( e ) 顶出塑件( f ) 开始下一个循环 图1 1 注塑成型过程 f i g 1 一lt h ei n j e c t i o nm o l d i n gp i o c e s s 1 2 2 注塑工艺参数 注塑成型过程中主要有三大参数体系：压力、时间和温度。其中与压力有关 的指标主要有：注塑压力、保压压力；与温度有关的指标：熔体温度、模具温度； 与时间有关的条件有：注塑时间( 注塑速率) 、保压时间、冷却时间等。 1 2 2 1 压力参数 ( 1 ) 注塑压力 压力与塑件的许多特性有关，提高注塑压力有助于熔体充模，增加塑件密度， 减少塑件收缩，提高尺寸稳定性等。一般来说，较高的注塑压力对产品的综合性 4 注塑1 二艺参数对制品温度和流动影响的研究及仿真分析第一章绪论 能是有益的，但过高的注塑压力容易造成熔体的喷射式流动等不良影响。 ( 2 ) 保压压力 在注塑成型的保压补缩阶段，保压压力对模腔内塑料熔体进行压实以及维持 向模腔内进行补料流动。保压压力可影响塑件的缩痕，尺寸稳定性，以及浇口附 近的取向度和脱模等。保压压力在经验上一般控制在注塑压力的4 0 8 0 之间， 而具体保压压力的确定，主要考虑塑件材料的特性及制件的结构，并克服熔体从 机筒到型腔的流动阻力，将熔体送入型腔并将之压实。 1 2 2 2 温度参数 ( 1 ) 模具温度 模具温度是指在成型过程中的模腔表面的温度，模具温度影响熔体的充模流 动行为、制品的冷却速度和成型后的制品性能等。结晶型塑料的模温控制直接决 定了冷却速率，从而进一步决定结晶的速率。模温高时冷却速率小，结晶速率变 化大，有利于分子的松弛过程，分子取向效应小。因此，要保证制品的成型质量， 必须有一个高低适宜的模温范围。 ( 2 ) 熔体温度 熔体温度主要取决于机筒和喷嘴两部分的温度，影响物料的塑化和熔体的注 塑充模。从总体上看，提高熔体温度有利于改善充模状况以及在模腔内的传递， 降低取向性等，有利于制品的综合性能的提高，但过高的温度也不可取。当熔体 温度接近注塑温度范围的上限时，一方面容易产生较多的飞边，影响制品表观质 量；另一方面，过高的温度会使塑料发生降解作用，使塑件强度降低，失去弹性 等，影响使用性能。因此，熔体温度必须进行很好的控制。 1 2 2 3 时间参数 ( 1 ) 注塑时间 注塑时间是控制注塑速率的参数之一。注塑时间越短，则注塑速率越高，注 塑速率的大小对塑件的性能有很大的影响。实验证明，过高过低的注塑速率都会 导致冲击强度的下降。另一方面，过低的注塑速率使塑件熔接缝强度下降，总取 向作用增大，内应力增高等，影响制品力学性能。 ( 2 ) 保压时间 保压时间和冷却时间的长短也对塑件的质量产生直接影响。缩短保压时间， 5 第一章绪论 注塑1 = 艺参数对制品温度和流动影响的研究及仿真分析 会使模腔压力降低加快，有可能产生倒流，使塑件产生缩孔、凹陷等缺陷，并影 响塑件尺寸的稳定性。加长保压时间，可提高塑件尺寸的稳定性避免上述缺陷的 产生，得到致密的产品。同时会使模腔压力提高，改变由于温度不均而产生的内 应力。 1 3 注塑成型技术研究进展 注塑成型技术已经是一项比较成熟的技术，但是随着注塑产品在家电、汽车 等高科技领域的应用，对制品的质量、性能及产品更新换代提出了更高的要求。 高质量精度高灵敏度的严格要求成为阻止塑料制品快速进入这些高尖领域的限制 和束缚。注塑成型是一个多变量的过程，在注塑成型过程中，影响制品质量的因 素可以分为四类：机械参数、材料参数、工艺参数和扰动，其中机器参数同注塑 成型机直接相关用以表征机器的机械特征，它包括：喷嘴温度、料筒温度、液压 系统背压、模具温度、螺杆旋转速度及注塑机和模具的几何特征等。材料参数为 注塑材料的一些典型特征，一般由材料供应商提供，包括材料的流变性能、热物 理性能( 包括密度、分子量、分子组成、比热和热传导率等等) 。工艺参数反映了 成型过程中材料的状态，受材料参数、机器参数的影响，注塑成型过程中的典型 工艺参数有：熔体压力和熔体温度在型腔中的分布、模具内的热流分布、熔体注 塑速率等等。当然这些参数虽然被划分在不同的范围内，但是相互之间有着密切 的关系，互相产生影响到材料参数、机器参数决定了工艺参数。由于复杂的动态 工艺及材料特征，使得注塑技术难以预测及控制制件的质量。因此，怎样提高注 塑制品质量和性能成为该领域的重要研究课题。 注塑成型是复杂的非线性、多变量且具有周期性的非稳态过程。成型过程中 聚合物在型腔中的状态如温度、压力、形变等直接决定了制品的质量，因此如何 实现机器设置参数和熔体状态参数之间的闭环控制成为注塑成型技术的研究热 点，该技术的实现将会提高制品质量。压力和温度为两个主要状态变量，目前的 状态变量监控研究主要集中在压力和温度的监控上，也有关于熔体黏度的监控。 初期的状态控制主要针对单个变量，选用对整个成型周期或对某个阶段影响最大 的工艺参数，例如型腔压力或熔体温度，或者针对某个特定目标选择单个工艺参 数作为控制变量，而不考虑工艺参数之间的相互影响。注塑成型过程中各个工艺 6 注塑t 艺参数对制品温度和流动影响的研究及仿真分析第一章绪论 参数之间的影响程度相当大，控制单一变量很容易对整个成型过程的控制失去平 衡。研究者逐渐将研究重点放在了多变量的控制方法上，同时选用对某个阶段或 整体成型周期影响较大的几个参数，并尽可能的考虑到所选控制变量互相之间的 相互影响。 近几年，将优化算法与数值模拟结合自动化模具设计的研究得到普遍重视。 在工艺设置和调节方面，目前仅限于应用c a e 分析代替试模来反复验证工艺设置 是否合适，这种方法只能使工艺调节到无明显制品缺陷的工艺条件，而很难达到 最优工艺设置。而且，对于大型复杂的制品，由于工艺模型及几何模型的复杂性， c a e 分析的时间较长，限制了其在工艺优化及控制方面的应用【1 7 。2 6 1 。 2 0 0 0 申长雨【2 7 】等研究了作为基于知识的注塑模c a e 技术的有机组成部分，采 用人工神经网络作为工艺参数优化系统的核心技术，通过建立压力、温度网络模 型，成功地模拟了注塑成型过程中对成型质量有重要影响的关键参数，设计合理 的优化策略，快速有效地将最优的工艺参数提供给用户。 宋满仓【2 8 】等基于数值模拟技术，研究了注塑工艺化及制品质量闭环控制的理 论方法。在利用工艺模型静态确定了工艺参数最优值之后，对注塑成型过程进行 闭环控制，利用在线测量值与当前工艺参数最优值之间的偏差进行调解以保持各 个工艺参数值的相对稳定，同时，计算机还根据在线测量值对当前工艺参数最优 值进行适当调整，使静态工艺参数最优值变为动态工艺参数最优值，实现了真正 意义上的工艺参数最优值。 近年来，研究者们采用多种方法对工艺优化进行了研究。由于实际实验中， 制品质量指标与工艺参数之间的关系复杂，难以给出确定的表达式，实验设计法 成为研究工艺参数对制品质量指标的影响、优化工艺的主要方法之一。 m a 晒l a m e r a 俐考察了熔体温度、模具温度、注塑速率、注塑压力对p p 等热塑 性塑料熔接线应力场的影响，认为对于玻璃化聚合物和表现出屈服的无定型聚合 物，熔体温度和模具温度是影响熔接线拉伸屈服强度的主要因素，而注塑速率和 注塑压力影响不大。同年m a l g u a m e r a 又观察了4 种p p 树脂熔接区域的微观结构， 发现提高熔体温度和模具温度可以改善熔接线屈服强度，提高注塑速度也可以改 善熔接线的屈服强度，但影响程度要比熔体温度和模具温度小的多，而冷却速率 对熔接线性能影响不大。s e l d e n 【3 0 】对p a 6 ( 3 5 玻纤) 、p p s ( 4 0 玻纤) 、p p ( 4 0 7 第一章绪论注塑工艺参数对制品温度和流动影响的研究及仿真分析 滑石粉) 、p p o 和a b s 等五种材料在不同的保压压力、注塑速率、熔体温度和模 具温度下的进行了弯曲、拉伸和冲击测试，发现相同加工条件下，五种材料的各 向异性程度各不相同，p p s 和p a 6 呈强烈的各向异性，沿流动方向上的强度是横 向强度的2 5 3 0 倍，p a 的横向强度甚至低于熔接缝的强度，a b s 和p p o 的各向异 性程度稍低，而p p 几乎呈各向同性。一些研究者认为增加温度会增加熔接线强度， 而有些研究者则提出相反的结论。t i t o m a m i o 【3 1 1 和p i c c a r o l o 【3 2 】发现熔接线强度对注 塑时间( 注塑速度、注塑体积流率、注塑压力) 都非常敏感，会随着注塑时间的 缩短而增强。l i u 【3 3 】等采用t a g u c l l i 方法对p s 材料进行了实验，关注的工艺参数包 括嵌件尺寸、注塑压力、熔体温度、保压压力、模具温度和注塑速度，发现对熔 接线强度影响最剧烈的因素是熔体温度，占到6 7 4 6 ，其次为模具温度和保压压 力，分别占到1 7 7 和1 3 3 9 ，而嵌件集合尺寸、注塑压力以及注塑速度的影响 很小。如何建立起熔接线强度与工艺条件的定量关系是目前该领域国内外的研究 仍面临的问题。 y o u i l g 【3 4 j 对纤维增强复合材料成型过程浇口位置的优化进行了研究。基于边界 充模时间差及最大温度差等构造目标函数，采用遗传算法对浇口位置进行了优化， 从而得到均匀的充模过程。s c h a n g l 3 5 】等人采用t a g u c l l i 方法和灰色理论对短玻璃 纤维增强材料的注塑成型过程的工艺参数进行了优化，以使剪切层最厚。d i l l m 觚 运动d o e ( d e s i 印o fe x p e r i m e n t ) 方法对影响流动的所有参数进行分析，得到几 个重要的工艺参数，然后以这几个参数为设计变量建立了优化模型，对注塑成型 优化进行了研究。 1 4 选题的依据和意义 塑料工业是国民经济中的一个非常重要的行业。模具在注塑成型过程中处于 核心地位，作为聚合物成型的重压工艺装备，其设计与制造水平直接关系到产品 的质量、品种及更新速度。模具工业是国民经济的基础工业，塑料模具是塑料工 业发展的瓶颈。随着计算机技术的发展和人们对计算力学、流体力学、聚合物加 工流变学、传热血等学科的深入，成型模拟( c a e ) 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。 在注塑成型过程中存在很多不确定因素，因此对注塑制件质量影响很大。设 r 注塑丁艺参数对制品温度和流动影响的研究及仿真分析第一章绪论 置注塑过程中注塑工艺参数和选择不同的注塑材料，通过比较制件的温度的变化 情况，制件的填充量和制件成型百分比；并运用m p i ( m l d f l o wp l a l s t i ci n s i g h t ) 仿 真软件，对注塑成型过程中的填充阶段进行模拟仿真，以确定各注塑参数对制件 温度、质量、填充流体的流动性等指标的影响，以找到最佳注塑条件。最终将实 验结果和模拟仿真结果进行比较，验证仿真的真实性，说明该研究对实际生产具 有重要的理论意义和工程应用价值。 1 5 课题的研究内容及技术路线 随着注塑成型技术的发展和各个国家对此技术的日益重视，近年来对注塑成 型技术中注塑参数对注塑质量