（机械电子工程专业论文）浇口设计对塑件收缩影响规律的数值模拟研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 塑料制品以其质量轻、价格廉且具有优良的综合机械性能而在电子、通信、家电、 机械、汽车及航空航天等工业领域获得广泛的应用。但塑料制品成型过程中的收缩，一 直是影响制品质量和尺寸精度的关键因素。尤其是注塑成型制品，因收缩而导致制品变 形和尺寸超差的现象经常发生，进而影响制品的应用或造成经济损失。生产实践表明， 影响制品成型收缩的因素有很多，其中模具的浇口设计就是重要因素之一。模具设计时， 针对不同的塑件结构，如何给出合理的浇口位置和尺寸，进而确定其收缩变化的规律， 是模具技术研究的重要内容之一。 本文在全面分析了注射成型收缩理论与实验研究进展的基础上，深入讨论了注射成 型中的材料特性、工艺条件及模具结构设计等因素对制品收缩的影响及各因素间的相互 作用关系。针对目前注射成型过程中收缩率的预测方法及模具设计时收缩率计算的不 足，结合注塑制品的生产实际和模具设计要求，应用c a e 分析技术及m o l d f l o w 模拟软 件，进行了浇口设计对塑件收缩规律影响的数值模拟研究。以手机壳体和测试仪器上盖 塑件为对象，通过变换其结构复杂程度而得到不同结构的塑件，再以p p 、p a 6 6 与a b s 三种不同性能的材料，分别进行了不同浇口类型、位置、尺寸和数量变化，对各种结构 塑件成型收缩影响的模拟分析。通过研究塑件结构特征变化及其压力场的分布差异，分 析了浇口设计对塑件收缩的影响关系。模拟数据采用正交实验方法进行处理，并通过极 差分析和贡献率的计算，获得了各因素间的作用关系及其对成型收缩的影响规律。分析 结果表明，塑件结构特征及浇口位置与数量变化对塑件成型收缩影响最为明显，而浇口 尺寸变化对成型型收缩的影响甚微。 最后对实际生产的某电器产品壳体塑件，用模拟实验总结的浇口设计对塑件收缩影 响的规律进行分析，发现实际生产的塑件收缩规律与模拟试验得到的规律十分接近。由 此表明，本文总结的浇口设计对塑件收缩影响的规律，对实际模具设计具有较好的指导 意义。 关键词；注塑模具；浇口设计；成型收缩；数值模拟；正交实验 大连理工大学硕士学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f p l a s t i cp a r ts h r i n k a g er u l eo ng a t e d e s i g no f m o u l d a b s t r a c t p l a s t i cp a r t sa l ew i d e l yu s e di ni n d u s t r i e ss u c ha se l e c t r o n i c s ，c o m m u n i c a t i o n s ，h o u s e h o l d a p p l i a n c e s ，m a c h i n e r y ，a u t o m o b i l e sa n da e r o s p a c e ，b e c a u s et h e yh a v el i g h tw e i g h ta n dl o w p r i c ea sw e l la se x c e l l e n ti n t e g r a t e dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h es h r i n k a g ei np l a s t i cm o l d i n g i sac r i t i c a lf a c t o rf o rp r o d u c t s q u a l i t ya n ds i z ep r e c i s i o n , e s p e c i a l l yi ni n j e c t i o nm o d d i n g i t t h a ta f f e c t st h e a p p l i c a t i o no ft h ep r o d u c t so r c a u s ee c o n o m i cl o s e so f t e l lr e s u l t si n d e f o r m a t i o na n do v e r s i z eo fp r o d u c t s f r o mm a n u f a c t u r i n gp r a c t i c e s ，i td e n o t e st h a tt h eg a t e d e s i g no f m o l l l di so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h es h r i n k a g eo f p l a s t i c s t h 盯e f o r e ，i ti sa l li m p o r t a n tc o n t e n to fm o d di n d u s t r yt h a tt od e t e r m i n et h er e a s o n a b l eg a t e p o s i t i o n , g a t es i z e ，a n dt h e n t h es h r i n k a g er u l e so f p l a s t i c sb a s e do nt h ep l a s t i cc o n f i g u r a t i o n s b a s e do nt h es h r i n k a g et h e o r yo fi n j e c t i o nm o l d i n ga n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ee f f e c t s o fm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c s p r o c e s sc o n d i t i o ma n dm o u l ds 咖c h l r e so nt h ep r o d u c ts h r i n k a g e 舔w e l l 嬲t h e i ri n t e r r e l a t i o n s h i pa l el u e u b r a t e di nt h et h e s i s a sf a r 器i tg o e s ，t h e r ea r em a n y d e f i c i e n c i e so fs h r i n k a g ep r e d i c t i n gm e t h o d si ni n j e c t i o nm o l d i n ga n ds k t i n k a g ec a l c u l a t i n g i nm o u l dd e s i g n i nt h el i g h to f t h e s ed i s a d v a n t a g e sa n dp l a s t i cm a n u f a c t u r ea sw e l la sm o u l d d e s i g n , t h ee f f e c to fg a t ed e s i g no nt h es h r i n k a g eo fp l a s t i ci ss i m u l a t e db yc a et e c h n o l o g y a n dm o l d _ f l o ws o f t w a r e 啊1 em o b i l es h e l la n dt e s te q u i p m e n t sc a pa l es t u d i e d b yc h a n g i n g c o m p l e x i t i e so f t h e i rs t r u c t u r e s ，d i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n sa l ea t t a i n e d t h r e ed i f f e r e n tm a t e r i a l s ( p p ，p a 6 6a n da b s ) a r ei n j e c t e dw i t hc h a n g e si n c l u d i n gd i f f e r e n tg a t et y p e s ，p o s i t i o n s ，s i z e s a n dn u m b e r sr e s p e c t i v e l y a n dt h e i re f f e c t so ns h r i n k a g ea l ea n a l y z e d 耶1 ee f f e c to fg a t e d e s i g no ns h r i n k a g ei ss t u d i e db ya n a l y z i n gs m l e u w a lc h a n g ea n dp l 鹤$ 1 1 r ef i e l dd i s t r i b u t i n g 1 1 s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ed e a l tb yo r t h o g o n a lm e t h o d 。t h ei n t e r r e l a t i o n s h i p sa m o n gt h e s e r a t t e r sm a dt h e i re f f e c t so ns h r i n k a g er u l e sa l es t u d i e db yr a n g ea n a l y s i sa n dc o n t r i b u t i o nr a t e 1 1 ”r e s u l t si n d i c a t et h a ts u - a c m r a lc h a r a c t e r i s t i c s g a t ep o s i t i o na n dg a t en u m b e rh a v ed i s t i n c t e f f e c t so ns h i i n k a g e ，w h i l eg a t es i z eh a sl i t t l ee f f e a f i n a l l y , t h es h g i n k a g er u l e so f a na c t u a le l e c t r i c a ls h e l lp l a s t i ci ss t u d i e db ye x p e r i m e n t a n da f o r e m e n t i o n e ds i m u l a t i o nr e s u l t s i ts h o w st h a tt h e yc o n s i s t e n tw i t he a c ho t h e r t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h es h r i n k a g er u l e ss u m m a r i z e di nt h i sp a p e ra l eg o o dg u i d a n c e st oa c u m l m o u l dd e s i g n m k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o u l d ；g a t ed e s i g n ：m o l d i n gs h r i n k a g e ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； t a g u c h im e t h o d - i v - 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 x - 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：匕盔：整日期：2 = = z 堡：! ! 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：占盔篮作者签名：坦尘丛 导师签名：= i 鱼匙 j 迦i 年生月j - 目 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 近年来，全球制造业正以垂直整合的模式向亚太地区转移，我国正成为世界制造业 的重要基地。据权威数据显示，中国已成为世界第一制造大国。作为产品制造的重要工 艺装备，国民经济基础工业之一的模具工业将直面竞争的挑战。模具是工业生产的基础 工业装备，模具水平的高低是衡量一个国家制造水平的标志“。2 1 。国民经济的五大支柱产 业机械、电子、汽车、石化、建筑都要求模具工业的发展与之相适应。 模具成形因其生产效率高、产品质量好、材料消耗低、生产成本低而获得广泛应用， 这是其他加工制造方法所无法比拟的。模具是现代工业，特别是汽车、摩托车、航空、 仪表、仪器、医疗器械、电子通信、兵器、家用电器、五金工具、日用品等工业生产必 不可少的工艺装备。据资料统计，利用模具制造的零件数量，在飞机、汽车、摩托车、 拖拉机、电机、电器、仪器仪表等机电产品中占8 0 9 6 以上；在电脑、电视机、摄像机、 照相机、录像机等电子产品中占8 5 以上；在电冰箱、洗衣机、空调、电风扇、自行车、 手表等轻工业产品中占9 0 以上；在子弹、枪支等兵器产品中占9 5 以上。我国加入i r l o 以后，各行业产品的品种和数量不断增加，换型加快，对产品质量、样式和外观也不断 提出新要求，致使模具需求量增加，对模具的质量要求也越来越高，因此，迅速提高模 具技术水平已成为当务之急“1 。 目前，塑料己从部分代替金属、木材、玻璃及皮革而发展成为在国民经济中与钢铁、 木材、水泥三大传统材料并驾齐驱的重要材料。塑料工业之所以得到迅速发展，不仅因 为石油化学工业的发展为其提供了丰富的基本原料，而且随着高分子聚合物的力学性能 与耐热性不断得到改善，再加上塑料本身所具有的质量轻、抗腐蚀、绝缘性能好、消声 减震等特点，使塑料在汽车、机械、仪表、电子、家用电器、医疗卫生、文体等领域的 应用日益广泛。与此同时，应用于汽车、机械、仪表、电子等工业部门的塑料制品，对 其性能的要求也越来越高。 塑料工业是由树脂合成业、塑料加工业和塑料制品开发应用三个领域组成的。塑料 加工业起着承前启后的作用，是连接原料与制品的纽带。塑料制品的成型加工方法很多， 例如注塑、挤出、吹塑、压延、涂凝等等。由于注塑成型工艺的成型周期短，对各种塑 料的加工适应性强，能制造外形复杂、尺寸比较精确或带有金属嵌件的塑料制品，因此 成为塑料制品主要的成型加工方法。注塑制品已占塑料制品总量3 0 以上，在国民经济 的许多领域都有着广泛的应用脚。在这些应用场合，不仅要求塑料制品的精度高，而且 塑料制品形状也比较复杂，这使得对注塑成型制品收缩的控制变得十分重要。收缩不仅 降低了制品的尺寸精度与表观质量，同时还引起制品结构变形与内在质量缺陷。因此， 浇口设计对塑件成型收缩影响规律的数值模拟研究 成型收缩已成为困扰注塑成形及其模具设计领域的重要难题，也是进一步提高注塑制品 尺寸精度与质量，扩展其应用领域的关键问题。因此。研究塑件收缩规律对塑件设计和 模具设计与制造有着十分重要的意义。 1 1国内外注塑制品收缩研究的概况及发展趋势 影响注塑制品收缩的因素很多，成型材料( 包括高聚物的分子链结构、结晶度、力 学性能、流变性能等) 、工艺条件( 包括注射速度、保压压力，保压时间、冷却时间等) 和模具设计( 包括塑件结构、浇口位置和数量、冷却回路分布等) 等都影响其收缩行为。 随着科学技术的发展，国内外学者从多方面和不同角度，采用了不同的技术与方法对注 塑制品收缩进行了研究，并且取得了很多研究成果。 目前，人们对成型收缩的研究主要集中在两个方面，一是以实验为基础的研究。这 类研究大多是以不同组分材料的标准或简单试件，采用多因素正交实验方法，来测量试 件在不同工艺参数作用下，其收缩的变化值，再将实验结果数据拟合出材料收缩率与各 工艺参数之间的函数关系。模具设计时依此函数关系计算成型零件收缩的补偿值。这种 方法因与实际成形时的制品结构与工艺条件差别较大，因而难以获得较为准确的收缩值 和高精度制品。但它仍是材料收缩率进一步研究的基础。二是以计算机模拟分析为主的 研究。这类研究大多是采用弹性或粘弹性以及热弹性或热粘弹性理论模型为本构关系， 应用有限元或有限差分等方法，计算熔体充模流动时的温度场、压力场和速度场等的变 化，来模拟制品的成型过程及其质量变化。但现有的研究一般都比较注重熔体充模时的 流动行为和残余应力对制品质量与变形的研究，而缺乏从制品不同结构形状及模具浇口 位置、尺寸与数量变化时，其收缩作用对制品尺寸与形状精度影响的研究。 1 1 1 注颦成型收缩的实验研究 用实验方法研究注塑制品的收缩主要体现在研究材料性质、塑件的几何形状和大 小、注塑成型工艺条件等对制品收缩的影响。 近期，许多学者开始研究收缩的各向异性，并在收缩的基础上分析制品的翘曲。 m i n g c h i hh u a n g 等1 6 应用t a g u c h i 实验设计方法，通过c m o l d 数值模拟代替实际实 验，分析了工艺参数对薄壁件翘曲的影响。结果得出保压压力对制品翘曲影响最大，其 次是模具温度、熔体温度和保压时间。然而，浇口尺寸和注射时间对薄壁件翘曲影响不 大。此外，应用t a g u c h i 方法优化了工艺条件，降低了制件翘曲。实验中考虑了模具温 度和熔体温度的交互作用以及熔体温度和注射时阿韵交互作用。其中，模具温度和熔体 温度交互作用对翘曲影响的贡献率达到2 3 6 3 ，是不能忽略的因素。v l e o 和 c c u r e - l t i e z 实验研究了浇口形状、保压参数和模具弹性交形对制品最终尺寸的影响【”。 大连理工大学硕士学位论文 郑州大学李倩等研究了熔体温度、注射压力、保压压力、模具温度和试样厚度等对注塑 制件流向和横向收缩的影响规，律【s j 。c h e t a n n i r k h e ，s a l i s hs s h 嬲m 和c a r o lm f m p a r y 应用m o l d f l o w 软件预测收缩的三种模型，研究了影响结晶性和非结晶性材料收缩的因 素阴。km b j a n s e n 等【l o 】用4 种非结晶材料( p c ，p s ，a b s 和h i p s ) 和3 种半结晶材料 ( p b x ，p b t + 3 ( p “3 f 和h d p e ) ，就加工参数的变化对注塑件收缩的影响作了系统研究。 s j l i 【l l 】等应用t a g u c h id o e 研究了工艺参数及其交互作用对一个薄壁电话外壳收 缩、翘曲的影响及工艺优化，研究发现保压压力是影响收缩和翘曲的最重要参数。由于 注塑工艺条件及机器设备对于收缩与翘曲的影响不同，其优化的工艺条件并不相同。 b h m i n 1 2 】应用响应曲面法对制品三个方向的收缩建立回归方程，并进行工艺优化。在 此基础上b h m i l l 通过在线测量重量对制品质量进行在线监控。 应用实验方法研究注塑制品的收缩，能够更加真实反映塑件的收缩情况，但是有时 候会局限于某一特定的几何形状、特定的材料和工艺条件，并不能全面考虑诸多因素对 收缩影响的规律，而且也不能在制品设计阶段预测可能发生的收缩方向和大小。 1 1 2 注塑成型收缩的理论研究 随着流体力学、计算机科学、数值技术及高分子材料等学科的发展，使得越来越多 的学者开始注重对注塑制品的收缩进行理论上的研究和用计算机对注塑成型过程进行 数值模拟。 在注塑材料方面，t a o c c h a n g 1 3 】应用c a e 模拟预测结合t a g u c h i 实验设计法对 半结晶材料h d p e 和非结晶材料g p s 、a b s 在注射成型中的收缩问题进行了系统的研究。 发现结晶性材料h d p e 比无定型材料g p s 和a b s 收缩大，对于h d p e ，垂直流向收缩比平 行流向收缩大，而g p s 和a b s 则刚好相反。对这三种材料，模具温度、熔体温度、保压 压力及保压时间对收缩的影响较大。大连理工大学的研究者则从高聚物流变学的角度， 深入分析了引起注塑制品内应力的各种因素及其内在联系，并从制品设计、模具设计、 塑料材料与成型工艺条件等方面给出了避免或减少制品内应力的相应对策 1 4 1 。 在注塑工艺条件和成型过程研究上，km b 3 a m e n ，g t i t o m a n l i o 提供了一个薄 壁平板结晶性注塑制品的残余应力和收缩的简单的弹性模型。该模型描述了平板平面方 向和厚度方向的各向异性收缩，并指出收缩是由塑件变形中不同的强制力引起的“目。 从模具结构和设计方面的研究，r s a h u ，d o n g a n gy 和b k i m 突破了传统设计中 先给定制品几何形状的方法，通过反复试验，他们将壁厚、保压时间、熔体温度、模具 温度、保压压力作为优化设计的设计变量，采用t a g u c h i 法求解减少收缩不均匀引起的 翘曲变形的优化问题，并给出注塑制品的理想厚度和体积“”。漳州工业学校王志连提出 浇口设计对塑件成型收缩影响规律的数值模拟研究 了注塑成型收缩的产生原因，并从塑料特性、塑件结构、模具结构与注射工艺条件等方 面深入分析了影响收缩波动的各种因素，给出了确定收缩的指导方法“”。对于侧浇口的 设计，也有研究者提出：侧浇口厚度尺寸过小，其成型收缩会变大，并提出侧浇口厚度 应为制品厚度的2 3 以上n 目。 1 i 3注塑模c a e 软件及其应用 注塑制品收缩的预测，仍处于计算机模拟研究阶段。这是由于塑件产生收缩的原因 很多，除前面提及的材料、结构、工艺参数等，还与注塑过程的流动、保压、冷却各阶 段有关。国际上已有多家公司开发出了注塑制品收缩和翘曲分析的注塑模c a e 软件并且 得到了广泛的应用。 早在上世5 0 年代，美国学者就对聚合物成型过程( 尤其是塑化挤出) 的数值模拟建 模做了一系列研究工作，同期，瑞士的学者给出了有关挤出的重要模型。t a d m o r 和k l e i n 在书中首次给出了塑化挤出的完整模型，包括固体输送、塑化和熔体输送等。 上世纪7 0 年代初期，有关塑化挤出模拟软件e x t r u d 己商品化，该软件很大程度上 是基于t a d m o r 和k l e i n 书中所描述的模型。7 0 年代以来，很多大学和企业的研究者们 都致力于注射、挤出和其它工艺的计算模型的研究。然而，这些计算模型对加工技术产 生的影响并不大，直到1 9 7 8 年m o l d f l o w 公司推出了第一个注塑成型充填阶段的模拟软 件m o l d f i o w 软件。m o l d f i o w 软件主要包括流动模拟、冷却分析、翘曲分析和应力分析 程序等。m o l d f l o w sm p i 软件有两种模型可以直接用于注塑制品收缩模拟，一种是残余 应变模型：另一种是修正的残余应力模型。后者在熔体温度较低的情况下，更能准确预 测出塑件的收缩。而另外的未修正的残余应力模型不能直接用于注塑制品收缩模拟，但 可以通过模拟注塑制品翘曲的结果来分析收缩状况。8 0 年代，随着c - m o l d 软件的问世 及其它一些软件广泛用于注射成型过程，模具设计才成为依赖于计算机预测的工程科 学。c - m o l d 是基于p - v - t 曲线计算体积收缩，主要考虑不均匀冷却、不均匀面内密度 分布、取向效应和边隅，边缘效应。通过采用“等效p v - t ”数据和结晶动力学来测量塑 料材料特性，提高了收缩预测模拟精度。 上世纪8 0 年代以来，北美和欧洲的许多研究小组对聚合物熔体流经管道、口模和 成型设备的各个方面进行了深入的调查研究，推出了关于聚合物流动的有限元分析软件 f i d a p 、p o l y f l o w 、n e k t o n 和p o l y c a d 等。9 0 年代，己将研究重点置于材料的粘弹性、 复杂三维模拟以及取向、残余应力和固化现象的研究。另外，计算方法在双螺杆挤出、 热成型、薄膜吹塑、反应注射成型和气体辅助注射成型的工艺条件设定方面的应用，也 成为研究热点。 大连理工大学硕士学位论文 我国注塑模c a e 技术研究始于2 0 世纪7 0 年代末，发展也很迅速。“八五”期间， 由北京航空航天大学、华中理工大学、四川大学等单位联合进行了国家重点科技攻关课 题“注塑模a m c e ，c m 集成系统”的开发研究，并于1 9 9 6 年通过鉴定，部分成果 已投入实际应用，使我国的注塑模c 胱胱j 心证研究和应用水平有了较大提高。目 前出现的拥有自主版权的软件有，华中科技大学开发的塑料注塑模c a d c a e c a m 系 统h s c 2 0 ，郑州工业大学研制的z - m o l d 分析软件等。这些软件正在一些模具企业中 推广和使用，有待在应用中逐步完善 1 9 - 2 1 】。 为了对各种成型加工过程进行更精确的模拟，目前各国学者都在研究新模型、新算 法及新的成型模拟系统，并将模拟软件与制品设计、模具设计与制造紧密结合，开发一 体化的c a d ，c a m ，c a p p ，p d m ，e r p 集成技术。使计算机模拟技术向智能化、集成化、 网络化方向发展。 注塑模c a e 软件应用在注塑制品收缩预测上，对其是否正确进行判断，许多学者都 是用实验方法和预测值比较，但由于具体实验中的影响因素很多，实验方法所得到的数 值往往跟预测值不一致，所以，在分析制品收缩方面，注塑模c a e 软件也只是起指导性 作用。 1 2 课题的主要内容和方法 目前在注塑模具的设计与制造中，对收缩率的取值问题的处理是比较简单的。模具 设计者在拿到注塑制品的图纸后，往往在注塑材料的收缩率波动范围内选取中间值，或 者取塑料供应商所提供的收缩率值，然后对所有的尺寸按照选定的收缩值一律进行放 大，得到模具的成型尺寸。这种做法的实质，意味着无论制品是什么形状、模具有几个 浇口以及浇口的位置在哪里，制品上各尺寸的收缩率都是相同的。实际上，只有单浇口 并且制品上各边界点温度条件完全相同的情况下，制品各尺寸收缩率才会完全相同，符 合这一条件的注塑制品只有浇口位于圆心的圆盘，也就是说，对所有尺寸采用同一收缩 率的做法只适用于中心浇口的圆盘制品。 本文针对注塑制品收缩率计算中的不足，考虑塑件的形状特征、浇口类型、浇口位 置、浇口尺寸、浇口的数量因素对制品收缩的影响，探讨具有不同结构特征的塑件，当 浇口类型、浇口位置、浇口尺寸与浇口数量不同时，塑件的收缩变化规律。研究的主要 内容有以下几点： ( 1 ) 深入分析了注塑成型收缩的机理和影响注塑制品收缩的各方面因素，其中包 括：材料特性、工艺条件和模具结构设计等因素。 浇口设计对塑件成型收缩影响规律的数值模拟研究 ( 2 ) 在全面分析了注塑成型收缩研究现状及进展的基础上，针对实际生产中，塑件 结构变化引起的收缩差异，应用c a e 模拟方法及m o l d f l o w 软件，通过选用不同材料的 典型塑件，以及逐步增加塑件的结构复杂程度的方法，研究了塑件结构变化与浇口设计 对成型收缩的影响规律，并用极差分析和方差分析方法研究了各工艺因素对不同结构塑 件成型收缩的影响关系。 ( 3 ) 用模拟实验总结出的不同结构塑件的收缩规律与实际生产中的塑件成型时的 收缩情况，进行了对比分析。 大连理工大学硕士学位论文 2 影响注塑制品收缩的因素 2 1 注射成型收缩的原因 注射成型周期是塑料经历了由固体颗粒被加热成为熔融状态而充满模具型腔，然后 又在闭合模具内被冷却为固态制品的全过程。塑料的热胀冷缩现象比金属更为显著，因 此，冷却至室温的注塑制品体积总是小于成型模具在常温下的模腔体积，这就是注塑制 品的成型收缩，通常用收缩率表示，即常温下制品体积与模腔容积的差异相对于模腔容 积的百分比来表示幽，即体积收缩： 。：v r n - - v px l u u r ，o o = 一 y 。 ( 2 1 ) 式中，j ，一注塑成型制品的收缩性。 矿。一常温下注塑模具型腔的容积； y 。一常温下注射成型制品的体积。 如果要求注塑制品符合图纸所规定的尺寸，则在设计注塑模具时，需要根据注塑制 品各个尺寸的实际收缩值，在模具成型尺寸中给以补偿。实际工程应用中，注塑制品尺 寸的收缩率用下式来表示，即线性收缩： ，一， 岛= 竿1 0 0 ( 2 2 ) 1 向 式中，岛注射成型制品尺寸，的收缩率； z ，一常温下与，相对应的模具型腔尺寸； ，一常温下注射成型制品的某尺寸。 注塑制品的成型收缩主要有以下几种原因造成的。 ( 1 ) 热收缩 。 高温塑料熔体在注射模内冷却成型为塑料制品时，塑料材料必须遵循的热胀冷缩的 物理规律是引起成型收缩的主要原因之，这种完全是温度下降所引起的收缩，通常称 为热收缩。热收缩量与熔体之间的温差成正比，它是成型收缩中最重要的收缩。 ( 2 ) 结晶收缩 注塑结晶性塑料制品在其成型的冷却过程中，塑料内部一般都会发生结晶。结晶将 浇口设计对塑件成型收缩影响规律的数值模拟研究 会使塑料大分子的构成由无规律的线团状态转变为规则有序的紧密排列，于是制品的体 积将会因此而收缩，制品的线尺寸也会因体积收缩而减小。因此结晶变化是引起制品收 缩的重要因素之一。结晶收缩的大小与制品中的结晶度有关，结晶度越高，结晶的体积 收缩量越大。结晶型塑料在其熔体凝固的过程中，随着冷却速度的不同而发生不同程度 的结晶，非结晶型塑料成型制品的体积收缩是热收缩；结晶性塑料注射成型制品的体积 收缩，包括热收缩与结晶收缩，因而结晶性塑料制品的塑件收缩值会大于非结晶性注塑 制品的收缩。 ( 3 ) 取向收缩 塑料熔体在注射过程中要经过模具浇注系统进入模腔，而其在浇注系统的流速和切 应力均比它们在模腔中的数值大得多。因此熔体在浇注系统中流动时将会发生非常明显 的取向结构，然而由于熔体流入模腔之后其流速和所受的切应力大幅度减小，而且也不 可能一瞬间完成冷却固化，所以在浇注系统中已经形成的取向结构将会在一定程度上被 熔体中剩余的热量所分解，从而导致某些已经伸直有序排列的大分子链结构将会恢复到 原来的卷曲状的无规则线团状态，于是塑料将会因此而收缩，与收缩方向一致的制品尺 寸将会随着收缩而减小，这种收缩称为取向收缩。很明显，它很大程度上影响着塑件的 成型收缩。取向收缩的大小与取向方位和取向程度有关，通常，取向收缩沿着取向方位 表现显著，而在与取向垂直方向上的收缩值较小，此外，取向收缩的数值一般均和取向 程度成正比。 ( 4 ) 负收缩 负收缩实际上是一种弹性效应，它是指制品从注射模中脱出后，塑件的温度尚未达 到室温，而模腔压力突然消失了，由于弹性恢复产生的体积膨胀现象。注射制品的弹性 体积膨胀现象起因于塑料本身的体积可压缩性，它虽然和收缩的基本概念刚好相反，但 在考虑制品总的成型收缩率时又不能将其忽略，故从方便起见，特将它作为一种负收缩 进行处理，负收缩的大小与塑料品种、成型温度以及成型时的各种压力因素( 如注射压 力、保压力和模腔压力等) 有关。 ( 5 ) 后收缩 塑料制品脱模后，因各种压力的松弛将会产生时效变形，由时效变形引起的制品尺 寸缩小的现象叫后收缩，对后收缩可以采取退火方法进行减小或消除口3 1 。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 影响注射成型收缩的因素 目前在工程实践中，模具设计者普遍采用平均收缩率或极值法来计算注塑制件的收 缩值。一些学者和设计者也从影响塑件收缩的因素上进行了研究和实验。研究表明，影 响注射成型收缩的因素主要有以下几方面： 2 2 1 与注塑材料有关的因素 ( 1 ) 塑料品种 不同的树脂材料，其收缩率大小不同，即使是同一品种的树脂材料，不同厂家生产， 或者同一厂家生产不同批号的同一种材料，其收缩率都不一样。而且由于树脂本身固有 的特性，收缩率范围有宽有窄。材料性质不同，其p v t 关系也不相同，故其热收缩 就不相同。如有的是结晶性材料，有的是非结晶性材料，但即使是同一结晶性材料，其 结晶度不同，结晶收缩也就不同。 ( 2 ) 玻璃纤维含量 同样品种的塑料收缩情况因玻璃纤维含量的不同而变化。当玻璃纤维含量增加时， 其收缩率则减小，一般热塑性树脂加入2 0 4 0 的玻璃纤维，其收缩率可下降1 4 1 2 。 但是从注射成型实践中得出，在料流流动方向上，这种情况几乎不受塑件壁厚的影响。 而在与料流呈垂直方向上，在壁厚不变的情况下，收缩率随着玻璃纤维含量的增加而减 小，在薄壁情况下，塑件的收缩率几乎不受玻璃纤维含有量的影响。 2 2 2 与注塑工艺条件有关的因素 ( 1 ) 压力 注射成型中压力包括注射压力、保压压力和模腔压力等。这些因素均对塑件收缩行 为有明显的影响。 较高的保压压力和模腔压力使型腔内制品密实，收缩减小，尤其是保压阶段的压力 对制品的收缩产生影响更大。这可解释为熔融树脂在成型压力作用下受到压缩，压力越 高，发生的压缩量越大，压力解除后的弹性恢复也越大，使得塑件尺寸更加接近型腔尺 寸，因此收缩量越小。 ( 2 ) 温度 料温 温度对高聚物熔体粘度有重大影响，其对于成型收缩的影响是热收缩、结晶收缩、 取向收缩和保压收缩综合作用的结果，如果前面三种收缩的影响比较大，制品最终表现 出的收缩将随着熔体的温度升高而增大；相反，保压补缩作用较大时，收缩将会随着温 度升高而减小嘲。 浇口设计对塑件成型收缩影响规律的数值模拟研究 模具温度 模具温度是控制制品冷却定型的主要因素，它对成型收缩率的影响主要表现在浇口 冻结后制品脱模之前这段过程。而在浇口冻结之前，模温升高虽有增大热收缩的趋势， 但也正是较高的模温使得浇口冻结时间延长，导致注射压力和保压力的影响增强，补缩 作用和负收缩量均会增大。如果浇口发生冻结，注射压力和保压压力的影响将会消失， 随着模温的升高，冷却定型时间亦将延长，故脱模后制品收缩率一般都会增大。 ( 3 ) 时间 成型时间是指螺杆在前进中推动熔体物料充满模腔，以及螺杆保压状态在内的这段 时间。保压时间越长有利于熔体补缩压实，塑件密度越大，收缩越小。当浇口凝封后， 保压对减小制品收缩不再起作用，过长的保压时间会延长成型周期。一般来说，冷却时 间长，冷却可以均匀进行，当模具内的物料得以充分固化时，从模内脱出的制品尺寸与 模腔尺寸接近，因而成型收缩小。 2 2 3 与模具结构特征有关的因素 塑件的结构决定了模具成型结构、模腔的形状与尺寸、浇口的形式、数量、位置与 大小，以及模具冷却( 或加热) 回路的分布。模具成型结构从根本上决定了充模过程中塑 料熔体流动前沿的推进情况与熔接痕的位置，以及模内冷却过程结束时，注塑制品的温 度分布与收缩分布。 ( 1 ) 浇口 浇口的结构形式，尺寸和开设位置等，均对成型收缩有影响，这是因为它们都对塑 料熔体的充模流动具有强烈的影响所致，其中影响最大的是浇口截面积，当注射工艺条 件一定时，浇口的截面积越大，越有利于压力的传递，并推迟浇1 3 的凝固，注射压力和 保压压力的补缩作用将会因此加强，制品的体积收缩和线性收缩将随之减小。浇口的开 设位置决定了熔料的流动形式，决定了塑件各方向的收缩行为嘲。 ( 2 ) 嵌件 注塑制品中的金属嵌件，虽然能够满足局部的功能要求，但是对注塑制品的收缩有 阻碍作用，使制品在脱模前一直处于非自由收缩状态，存在模内限定效应，在嵌件周围， 不仅阻碍料流的流动方向，密度分布及收缩等，而且嵌件本身的温度也较低。因此，在 注射成型过程中，有嵌件的制品比一般塑件的收缩要小。而且，如果设计形状过于复杂 或尺寸过大的嵌件，还会造成整个塑件不同结构之问收缩的波动，由于各个结构间相互 限定作用，结构复杂的塑件一般要比结构简单的塑件收缩小。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 塑件壁厚 一般制品壁厚的部位，冷却缓慢，当浇口封闭时，此处物料芯都的温度仍然较高， 在浇口封闭后，芯部冷却收缩得不到补偿，使此处的收缩量较大。通常在注塑成型制品 的结构设计中，应避免出现厚度差别较大的部位，而是让制品各处的壁厚尽可能相等。 但是，塑料种类不同，壁厚对收缩的影响也不同。结晶型塑料中，除了聚甲醛表现出特 殊的影响方式外，其余均随着壁厚的增加，收缩增大。聚甲醛塑料当壁厚为3 m m 时收 缩最小，当壁厚小于或大于3 m m 时，收缩则增大。而如聚乙烯和聚丙烯塑料则随着壁 厚的增大，收缩增大。对于非结晶型塑料其收缩受壁厚影响很小1 2 ”。 ( 4 ) 冷却系统 模具冷却回路的分布，影响型腔表面的温度，从而影响注塑制品各点的冷却速度与 收缩过程。冷却回路距离模具模腔表面较近的地方，受冷却介质的影响较强，使此处的 塑料熔体冷却的快，这一方面缩短了冷却时间，使塑料的实际比容值与平衡状态下的比 容值之间的差距增大，另一方面当进入模内收缩阶段时，此处的注塑成型制品表顽温度 已经很低，所以能够发生的收缩程度很小。 模具冷却通道布置与尺寸设计直接影响着模具温度分布和塑件的冷却过程，其设计 不当也会影响成型收缩的波动。由于塑件形状复杂，壁厚不一致，充模顺序先后不同， 常出现冷却不均匀的情况，造成较大的收缩波动，改善这一状况，可将冷却水先通过较 高温度的地方，甚至在冷却快的地方通温水，慢的地方通冷水，这样可减小收缩波动， 避免塑件产生变形开裂m ，。 浇口设计对塑件成型收缩影响规律的数值模拟研究 3 浇口设计对注塑制品收缩影响的模拟实验 3 1 模拟实验目的及其必要性 本实验中，以手机上盖和仪器上盖为基本模型，并在此基础上通过改变其局部结构 而得到的五种塑件为研究对象，遥过改变浇口类型、数量、位置及浇口尺寸来研究浇口 设计对不同结构塑件的收缩规律。 树脂材料的性能、塑件结构、浇口参数( 如浇口类型、数量、位置及尺寸) 等决定 了模具的结构。若对本文研究工作中所需要的模具一一生产加工出来，则需要4 0 套之 多，这需要大量的人力、物力和财力，同时模具加工周期长，影响了研究工作的进度； 另一方面，本实验中对于选用的同一种材料，不论塑件结构、浇口参数如何变化，都要 求其他工艺参数( 如模具温度、熔体温度、注射速率、注射压力等) 完全相同，但是由 于模具结构的不同，在选用同一种材料进行注射成型时，很难使各套模具都具有相同的 模具温度( 而模具温度又影响塑件成型收缩) ，从而对研究工作结论的准确性产生不利 影响。 鉴于本文的研究工作用传统的生产加工模具进行实验的局限性，因此采用c a e 分析 软件来模拟塑件结构变化时，浇口设计对塑件收缩影响的规律，是具有很好的实际意义 的。利用c a e 分析软件可以在计算机上对整个注射成型过程进行模拟分析，包括填充、 保压、冷却、翘曲、纤维取向及收缩等分析，找出塑件结构因素、浇口位置因素等对收 缩的影响规律，为模具设计提供参考或指导。塑料模具的设计不但要采用c a d 技术，而 且还要采用c a e 技术，这是必然的发展趋势啪1 。 3 ，2 模拟实验条件 3 2 1 模拟实验应用的软件m o l d f l o w 简介 m o l d f l o w 公司自1 9 7 8 年成立以来，在模拟分析产品设计上享有极好的声誉。 m o l d f l o w 与1 9 8 6 年成立的同类软件公司c - - m o l d 于2 0 0 0 年2 月1 1 日合并后，结合两 者的优势为已有市场提供更专业更有效的服务与支持。l o l d f l o w 公司的主要产品有： m o l d f l o wp l a s t i c sa d v i s e r s 一塑料产品及模具设计的c a d 整合方案；m o l d f l o wp a r t i n s i g h t 专业模流分析软件；m o l d f l o w 蜘l dx p e r r 运用与注塑机及控制器的计 算机辅助分析专家系统等。 m o l d f l o w 软件是用一套程序通过建模，选择合适的材料数据和预测压力、温度、剪 切速率、剪切应力、冷却时间、及一系列其它结果，进行模具和产品设计。m o l d f l o w 大连理工大学硕士学位论文 的流动分析软件( m p i f l o w ) 在功能上分为两组：一是工艺过程，包括流动分析、保压 分析和流动平衡分析；二是前处理和后处理，包括建模( 前处理) ，分析结果的图形显 示和产生报告( 后处理) 。m o l d f l o w 软件的子程序有m a t a b ，s m o d ，f m e s h ，狐l ，f r e s ，w f i i g 和师。 ( 1 ) m a t a b 是m o l d f l o w 软件的数据库，存入了各种通用塑料的型号、规格、特性及 供应厂商等，用户只要输入简单命令，就可查出所需的数据，并自动形成材料数据文件， 用户还可以自由加入数据库尚未存储的塑料名称和数据。 ( 2 ) s m o d 子程序：s m o d 是生成三维线框模型的程序。应用s m o d 生成的模型可被“划 分网格”生成有限单元，然后用三维有限元分析软件进行分析。s m o d 的输入是用命令而 不是用菜单方式进行的。 ( 3 ) f m e s h 子程序：用于时格化任意规则和不规则表面的程序。它可直接从s m o d 模型文件里读表面模型，同时用户可以在表面上附加单个点，并把这些点变成网格节点。 ( 4 ) m f l 子程序：m f l 是有限元流动分析程序，是m o l d f l o w 软件里的核心程序。主