（机械制造及其自动化专业论文）微小体积塑件注塑成型质量缺陷的成因与预测.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 微注塑成型技术已得到日益广泛的应用，但由于微成型方法还不够完善，人们对微 成型过程的认识还不够深刻，所以需要从微观的角度结合微型塑件的实际特点，对其成 型过程进行深入研究。如何对注塑制品的质量进行有效的监测以及控制也成为突出的问 题。 由于微小塑件体积较小，直接通过尺寸测量来检验制品的成型质量比较困难。制品 的成型质量与模具型腔质量密切相关，在模具型腔质量合格的前提下，注塑制品充模时 越密实，则制品与型腔接触越紧密，制品的复制性越好，从而成型质量越好。因此，对 微小件制品的质量可以通过其重量加以监控。 为了对微小件成型质量的影响因素进行研究，选择了具有代表性的微齿轮作为研究 对象。设计制造了一模四腔的行星减速器微齿轮模具。以此为基础，进行了正交试验的 设计。分别完成了两组正交试验，试验中以注塑工艺参数：注射速度、注射压力、保压 时间等为试验因素，以一模的制品的重量为试验评价结果。其中一组实验作为预测模型 的训练数据，另一组实验数据与预测模型的预测值进行比较。 以制品的重量作为对制品成型质量的评价标准，应用极差分析的方法对影响制品质 量的因素的作用大小进行了分析。得到注射压力、熔体温度、注射速度、保压压力、保 压时间对制品重量的影响依次减小的结论。 研究了b p 神经网络，改进型神经网络，混合型多项式神经网络，混合神经网络， 小波神经网络，以注塑工艺参数为输入变量，一模的制品的重量为输出，建立了质量预 测模型。经过实际测试，得到b p 神经网络以及小波神经网络的预测能力可以达到预测 的要求，其预测相对误差分别为o 6 左右和o 7 5 左右，而其他预测模型的预测能力不 能达到预测要求。 同时，对行星轮的端面齿形进行拍照，通过图像处理的方法提取图像上的齿廓边界 点，计算该点的曲率半径，并与模具齿形上对应点的曲率半径相比较，以此来评价注塑 制品的成型质量。 关键词：微齿轮；正交试验；质量预测；注塑成型 微小体积塑件注塑成型质量缺陷的成因与预测 t h ec a u s e sa n dp r e d i c t i o no fq u a l 时d e f e c t sf o rm em i c r o 埘e c t i o n m o l d m gp 抓s a b s t r a c t n o wr n i c r o e c t i o nm o l d i n gh a sb e e i lw i d e l yu s e d b u ti t st e c h n o l o g yi si m m a 嘶，i ti s n e e d e dt ol e 锄m i c r oi n j e 曲o nm o l d i n gp r o c e s si nm em i c r ol e v e lc o m b i n i n gw i mm e p h y s i c a lc h a r a c t e r so ft h em i c r op l a s t i c s ni sb e c o m em o r ei l l l p o r t a n tm a th o w t 0m o n i t o r 觚d c o n t r o lt h em o l d i n gq u a l i 够o ft h em i c r 0i n j e c t i o np l a s t i c sp a r t s b e c a u s em em i c r 0i 巧e c t i o np l a s t i cp a r t sa f es os m a l l ，t l l eq u a l i t ye v a l u a t i o nb y m e a s u r i n gm ep a r td i m e n s i o n si sd i f j f i c u l t ni sw e l l k n o w nt l l a tt l l em o l d i n gq u a l i t yo ft h e p a nd 印e n d sm o s yo nt h eq u a l i t yo f t h em o u l dc a v i t y i fm em o u l dc a v 姆i sm a d es t r i c t l y ， t h ed 饥s e rm em o l d i n gp a r ti si nt h ei n j e c 石o nm 0 1 d i i 培p r o c e s s ，t l l ec l o s e rt ot l l ec a v i 够t l l e m o l d i n gp a r ti s ，a n dm er 印l i c a b i l i t yi s9 0 0 d s om eq u a l i t yo ft h em i c r oi n je c t i o np l a s t i cp a r t s c a nb em o i l i t o r e db yw e i g h t t os t u d yt h ec a u s e sm a ta f f e c tm i c r op a r tm o l d i i 坞p r o c e s sa 1 1 dm ee f f t i v ee v a l u a t i o n f o rn l em i c r 0p a nq u a l i t y ，m em i c r 0g e a ri ss t u d i e d t h em i c r 0g e a rm o l df o rp l a n e t 龇y r e d u c e rw m c hh 懿f o u rc a v i t i e si sd e s i 弘e d t w oe x p 耐m 饥t a l 粤o u p sa r ef i i l i s h e du s i i 培l e o r t h o g o n a le x p “m e i l t t l l ee x p 嘶m e i l t a lf i a c t o r sa r c 岫e c t i o ns p e c d ，i i l i e c t i o np r e s s u r e ， p a c l 【i n gt i m ee t ca n dm ew e i g h to f t h ep r o d u c ti st h e 唧嘶m e n l me v a j u a t i o nr e s u n s o n eo f m ee x p e r i m e i l t si sl l s e d 船m e 蹴nd a t af o rm eq u a l i t y p 同i c t i o nm o d l e ，m eo l e ri sl i s e d 雒 缸l ef e f h e i l c ed a t a c o m p a r i ：n gw i m l e 删i t yp r e d i c t i o ni n o d l e u s m gt h ee v a l u a t i o n 嘶t 嘶ao ft l l ep r o d u c tw e i g l l t ，廿l ef a c t o 瑙w l l i c ha f i - e c t l eq u a l 时o f m em o l d i 芏l ga r eg 融b ym er 觚g ea n a l y s i s t h ei 坷e c t i o np r e s s l l r e ，m e l tt 锄p e f a t l l r e ，h l j e c t i o n s p e e d ，p a c l ( i | 鸩p r e s s l l r e ，a n dp a c k i n gt i m ea f f e c to nt h ew e i g h ti 1 1m ed e s c e n d i i l g o r d e r t h eb pn e u r a ln e t w o f ki i n p r o v o dn e 眦a ln e t 、o f l ( ，m i x e dp o l y n o m l i a ln e u r a lr l e t w 诎， 血x e dn 即r a in e t 、or _ k w a v e l e tn e u r a ln e t 、0 r kh a v eb e 融s t u d i e d u s 证gm e 岫e c t i o np r o c e s s p 猢e t e r s 嬲t ：h ei i l p u tv a d a b l e ，n l ew e i g h to fp a r t si i lo n e m o l d 嬲m eo u t p u t ，t l l ep r e d i c t i o n m o d l ei sb u i l t 1 1 l r o u g ht 1 1 ea c t u a lt e s t ，m eb pn e i l r a l 玳i t w o f ka i 】i dt h ew a v e l e ti 咖r ks t l o wa 9 0 0 dp e m n i l 锄c e 1 1 1 er e l a t i v ee 玎o r sa r es 印a r a t e l y0 6 a n d0 7 5 o l e r sd o n tp e 面n n w e l l a r e rg e 仕i n gm e df a c ep i 咖eo fm l eg e 虬m r o u 曲m ei i i l a g em e m e d ，m ep o i 幽o n t h eg e a rt o o ma r eg o t t h em o l d i n gq u a l i t ) ，i se 、r a l u a t i 。db yc o m p 撕n gt 1 1 er a d l u so f 伽i r v a t i l r e o fm ec o r r e s p o n d i n gp o i n t sw i t hm ec o 玎e s p o n d i n gp o i 珧o nm em o l dc a v i t y i i 大连理工大学硕士学位论文 k e ，w o r d s ：m c r og e a r ；o r t h o g o n a le x p e r j m e n t ；q u a t yp r e d c t i o n ；i n j e c t l o n m o i d f n g - h i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：兰幽盗塑笙之兰叁塑茎型筮量丝丝蕉望笪亟型 作者签名：耋丝日期：兰里22 1 年笠月二上日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：筮童：丝塑型生壅塑堇墼筮麴堕鱼茎望生亟型 作者签名：查叁盔日期：兰! ! ! 年j 生月_ 三兰日 导师签名： 童迭垒日期：鲨2 年j 三月上日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1背景 目前，微成形技术已应用到微电子机械系统、微型光学仪器、微型医疗仪器、微型 传感器、磁盘读写装置、喷墨打印等。由于注塑成型技术的高效、批量制造优势，以及 聚合物材料的耐氧化、耐腐蚀、易成型、比强度高等优点，使以高分子材料为主的微注 塑成型技术异军突起，成为微成形技术的主要分支。随着人们对宏观加工领域的了解， 以及相应设备的不断完善；同时，在微小尺度研究中也体现出来与宏观状况不一样的物 质运动规律，以及所具有的特殊效应，人们越来越对微结构及微小件的加工产生兴趣。 伴随着能源、资源的短缺，人们已经认识到这些我们赖以生存的资源的有限性，人们开 始考虑节能的方法，而微尺寸的制造很可能在节能方面给人们带来新的希望。在生命研 究领域，以及航空航天领域都出现了对微小件的需求。例如，在生命领域我们可以制造 较小的疏通机械对阻塞的血管进行疏导，这些血管可以是在全身的各个部位，包括大脑。 我们也可以用微机械的方法，重建人体内的防御体系，这样我们可以更好地面对各种微 生物、病毒的挑战。在军事领域，微小制品也能在未来的战场上崭露头角。据报道，美 国已制造出较小的无人驾驶飞机，以及“小苍蝇”等，其中无人驾驶飞机的发动机部件 就是微制造的典范。在微小传感器方面微小件的制造也是很重要的。可以预想，在不久 的将来，这些微小的机械必然能在我们的生活中大放异彩。微注塑成型技术的发展时间 虽不长，但其应用价值与潜在市场己受到人们的广泛关注。目前微注塑成型技术与模具 存在的主要问题是，缺乏有效的微注塑成形分析技术及针对微型塑件注塑成型工艺的质 量控制方法；同时微型模具的微加工技术还不成熟，缺乏有效的微型注塑模具设计方法 及三维型腔的微细加工工艺。因而，造成微注塑成型过程与微型塑件质量无法有效的控 制和分析模拟及预测，影响微型塑件的应用及微注塑成型技术自身的发展。 在宏观注塑中，人们己认识到制品质量与很多因素有关，包括：机器参数、模具参 数、材料性能和成型工艺等。在现有的宏观质量预测方法中都有所体现。在微小件的注 塑过程中可以预想这些因素还将起到一定的作用，但微小件的注塑过程必然有其自身的 规律。因此，此课题的理论意义在于可以检验现有的质量预测理论在微小件的注塑质量 控制中的实用性，并可能提出较新的或针对微小件的质量预测方法。 微小体积塑件注塑成型质量缺陷的成因与预测 1 2 微注塑成型国内外研究现状 微注塑成型过程主要受工艺参数、模具结构、材料特性以及微尺度效应的影响，这 四种因素对制品微小特征成型质量的影响也是当前国内外学者研究的重点，并且取得了 一定的成果。 1 2 1工艺参数的影响 微注塑成型工艺参数主要包括注射速度、模具温度、注射压力、保压压力、熔体温 度及冷却时间等，这些参数对微特性复制度及产品质量的影响起到很重要的作用。由于 微塑件特征尺寸微小、模具型腔的表体比较大、微小熔体具有的热量较少以及熔体粘弹 特性不可忽略等原因，使得微注塑成型过程中工艺参数设置与传统注塑成型有所差别。 台湾龙华科技大学机械工程学院的沈永康在三维微注塑成型的分析一文中，用 t a g u c h i 方法分析了各个成型参数对微注塑成型件质量的影响。研究结果表明：模具温 度是影响微注塑成型的最重要的参数。在微注塑过程中，模具温度必须要高于塑料熔体 的玻璃体转化温度，否则就会发生欠注短射现象【l 】。 新加坡南洋理工大学的n a ns h i n go n g 和y e o wh w e ek 0 h 在微注塑成型塑料零件的 实验研究中，对各个成型参数对塑料零件的影响做了研究。结果显示：模具温度在型腔 的微结构填充中起着最重要的作用，注射压力和注射速率次之；型腔厚度减小，注射速 率的作用不会受到太多影响；相对于注射压力来讲，注射速率的作用更明显；注射时间 ( 填充和保压时间) 在填充过程中起的作用可以忽略不计；高的模具温度、高的注射速率 和高的注射压力是消除微流道填充不足成型缺陷，获得高质量微塑件必须考虑的3 个因 素【2 】o 美国奥克兰大学的d o n gg a n gy a 0 等研究分析了一种连通的微通道。此通道分成了 3 种不同的厚度：l m m 、1 5 0 pm 和2 5 um ，厚度1n h n 代表薄壁，1 5 0 um 代表超薄壁， 2 5um 代表微通道。试验采用逐级填充的方式，对填充结果分析得出结论：快速注射能 够降低成型的难度，并且在超薄壁和微通道填充中，实现完全填充的重要手段是提高模 具温度【引。 美国俄亥俄州立大学的徐国军等在微结构注塑成型的实验研究和数值分析一文中 对微结构注塑成型做了实验和理论上的研究。结果表明：微通道中的填充长度主要受注 射速度，模具温度和流道位置的影响。高的注射速度或者高的模具温度可以增加填充的 距离4 1 。 大连理工大学硕士学位论文 台湾的a c “o u 和r h c h e i l 验证了模具温度是影响微通道填充的重要因素，通过 对p m m a 材料的注射填充发现：当模具温度为9 2 时，即使注射压力提升到1 4 0 m p a 也填充不满微结构；当温度升到1 2 0 ，在压力很小的情况下就能成型出质量非常好的 微结构。但是当温度升到1 6 0 时，塑件局部就会出现凸起，即缩痕缺陷【5 1 。 丹麦科技大学的u a t h e i l a l e ，h n h a j l s e n 用实验和模拟的方法来研究影响复制微 结构质量的因素。研究结果表明：在微注塑成型过程中影响微结构复制质量的因素主要 有：成型条件、材料特性和模具结构。成型条件中，模具温度是最重要的影响因素，高 的模具温度可以提高微结构的复制精度；注射速率和保压压力也是比较重要的因素。模 具结构的影响：通过大量的实验验证，微结构的复制质量与模具结构的尺寸有线性关系； 微通道的宽度越宽，熔体流动性就越好，复制的质量也就越高【6 】。 英国加的夫的s h ab 等通过具有三种微结构( 孔、齿轮和针状) 的塑件成型工艺试验 研究，得出了料筒温度、模具温度、注射速度和微结构间距离四种因素与微结构成型质 量的关系，提出模具温度在传统注塑成型温度范围内时，微结构成型质量随料筒温度、 模具温度和注射速度的增加而提高，且与浇口位置有关，与微结构之间距离无关。该研 究中没有采用较高的模具温度设刮7 1 。 k u k l ac ，l o i b lh ，d e t t e rh 等指出，微注塑成型模具温度和传统注塑成型模具温度相 比必须提高，即采用“变温工艺”来控制模具温度。在注塑前将模具进行加热，注塑完 成后采用冷却技术使模具温度迅速降低到脱模温度，以缩短成型周期。该文同时提出， 模具间隙在5um 量级时不需要预先排气，只有模具间隙小于此值或有盲孔等结构时才 需要主动排气哺j 。 1 2 2 模具结构的影响 德国f a c h h o c h s c h u l e0 f f e n b u r g 的n o t zf 等指出为了提高微塑件成型质量，避免欠 注、烧焦、气泡等质量缺陷，在注塑成型微小零件时，可排空型腔内空气。在设计的微 注塑模具中，将定模板和动模板用封闭的外套包起来，通过真空罐、真空泵等构成的抽 真空装置将型腔中的气体排出【9 1 。 1 2 3 材料特性的影响 微注塑材料的热力学特性( 比热、热导率等) 以及材料的粘弹特性对微注塑成型质 量具有重要的影响。 台湾龙华科技大学机械工程学院的沈永康等通过实验指出：不同的材料对微结构的 填充也会产生很大的影响，流动性好的塑料，在注射压力很小，模具温度不高的情况就 微小体积塑件注塑成型质量缺陷的成因与预测 很容易填充满型腔。并通过三种塑性材料p p ，p o m 和p a 的比较，得出p p 是最适合注 塑成型的材料l l0 。 丹麦科技大学的u a t h e i l a l e ，h - n h a n s e n 分别用实验和模拟方法来研究影响微结构 复制质量的因素。指出：在材料特性中，熔体的粘度和弹性是影响复制质量的两个重要 性质。低粘度高弹性的熔体形成的微结构表面质量和力学性能也高。 德国的p i o t t e rv 等指出，对于具有微结构的模具必须通过提高模具温度才能保证成 型质量，避免成型缺陷的产生。实验中研究了几种常用的高分子材料的特性对微注塑成 型的影响。对于无定型塑料( 如p m m a ，p c ，p s u ) ，模具温度要高于其玻璃态转变温度； 对于半结晶形塑料( 如p o m ，p a ) ，通常要达到其结晶温度。而且在多数情况下，塑料熔 体在注射喷嘴处的温度要达到其最高可加工温度，才能避免熔体过早的冷却，造成填充 不满的现象发生。 1 2 4 微尺度效应的影响 微观熔体充模流动涉及的影响因素很多，相互作用关系复杂。相对于宏观充模流动， 其主要区别是熔体流动通道与型腔的截面尺寸较小及注塑熔体的质量微小，由此引发的 充模流动中的许多因素明显与宏观充模过程不同。宏观充模流动中可被忽略的影响因 素，在微观条件下可能成为主要因素。研究表明，除了与宏观充模流动同样的模具温度、 熔体温度、注射压力、注射速度、保压时间等因素外，微注塑成型中的一些微尺度效应 如：微结构中的粘度、熔体壁面滑移、熔体的表面张力、粘度耗散、喷泉流动等对熔体 在微流道中的流动也会产生一定的影响。 美国奥克兰大学的d o n gg a l l gy a 0 和马萨诸塞州立大学的b y u n gk i m 针对聚合物熔 体在微通道中的流动问题进行了理论研究和2 5 d 有限元数值分析。研究结果表明：微 尺度效应( 特别是粘度、壁面滑移) 在聚合物熔体的填充过程中起到重要的作用。当微通 道尺寸降至几个微米或更小时，壁面滑移现象才会发生( 因为壁面与流动熔体之间的剪 切应力非常大) 。在注射压力很高的情况下，表面张力作用就可以忽略不计。 美国北卡罗莱纳州大学的k o oj 等在深入分析牛顿流体微尺度效应的基础上，总结 了已有的相关研究，提出可将牛顿流体在微尺度下的流动分成三类，第一类为非稳态流 动，第二类为粘度变化流动，第三类为与通道尺寸无关的流动。指出在微尺度下入口效 应不可忽略，且与通道的长度及深宽比、r e 数等均相关；对于聚合物溶液和颗粒悬浮 液，非牛顿效应较为显著；壁面滑移可被忽略；表面粗糙度的影响与无量纲参数r e 数 和通道截面形状均有关；粘性耗散对流体流动的影响不可忽略，尤其是在微通道当量直 径小于1 0 0pm 时，粘性耗散的影响显著。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 由于微注塑与宏观注塑有本质上的区别，并且随着科技的发展微注塑技术有其自身 优势，所以对微注塑的研究是有意义的。当前虽有很多关于微注塑工艺以及对其成型质 量的重要影响因素的研究，也有微注塑微观机理方面的研究，但是，并没有对微注塑的 微观机理有完整的充分的认识。所以仍需要科研人员不断地努力。 1 3 微齿轮研究的现状 由于齿轮传动固有的一些优点，以及随着m e m s 技术的发展，各个国家的科技人 员都在尝试将齿轮的尺寸进行微小化。据报道，2 0 0 2 年日本信州大学教授远藤守信与日 本三家企业合作，研制成功了世界上最小尺寸的钟表用齿轮，直径仅有0 2 毫米。这种 齿轮是使用直径为8 0 纳米到1 0 0 纳米的碳纤维( v g c f ) 和树脂( 尼龙1 2 ) 混合而成 的复合材料制成的，其直径只有0 2 毫米。实验发现，这种齿轮能够与其它齿轮组合起 来，驱动钟表秒针走动。与现有的材料相比，这种含有碳纳米材料的复合材料不仅节省 加工时间，降低制造成本，而且耐磨性提高了1 0 倍，滑动性提高了5 倍，防止带电和 热传导等性能也良好。在医学领域，微齿轮也有重要的应用。齿项圆直径为5 9 6 m 的 聚合物微齿轮是血液透析回路中透析液输送泵的一个主要传动零件。国内上海交通大学 采用微细电火花( e d m ) 技术加工出模数o 0 8 0 0 4 m m 的金属微齿轮，并组装成微行 星减速器。该减速器与电磁型微电动机相配，可降低微电动机的转速、减小微电动机的 惯量、增大微电动机的输出力矩。 与金属材料相比，塑料在成本、设计、加工和性能上具有很多优势。塑料成型设计 的自由度保证了更高效的齿轮制造，可以用塑料成型内齿轮、齿轮组、蜗轮等产品。 塑料制造的齿轮一般不需要二次加工，且相对于冲压、机造金属齿轮在成本上可降 低5 0 9 0 。塑料齿轮还比金属齿轮轻、惰性好，可用在金属齿轮易腐蚀、退化的环 境，例如水表和化学设备的控制。 和金属齿轮相比，塑料齿轮可以通过偏转变形来吸收冲击载荷的作用，能较好地分 散轴偏斜和错齿造成的局部负荷变化。许多塑料固有的润滑特征使其成为打印机、玩具 和其它低负荷运转机构齿轮的理想材料。塑料齿轮除了在干燥的环境中运行外，还可用 油脂或油来润滑。塑料齿轮的应用领域比金属齿轮宽，它们推动了齿轮朝着承受更高负 荷、传送更大动力的方向发展。 本文采用塑料材料，使用微注塑的方法制成直径为2 3 m m 的渐开线直齿轮，同时 还计划在以上实验以及本文的研究基础之上，进一步降低齿轮的直径，最终达到研制出 具有应用价值的产品。 微小体积塑件注塑成型质量缺陷的成因与预测 1 4 微小件的质量缺陷及成因 实际实验过程中发现微小件成型的质量缺陷有：制品填充不满，制品有飞边，制品 有烧焦的区域，由于收缩的原因导致制品的形状误差。 制品不满就是制品没有完全成型，导致这种缺陷的原因有： ( 1 ) 进料调节不当。一是计算装置调节得不正确，塑化量较少不满足浇注系统以 及塑件所需要的塑料量；一是装料室内被压实和稍熔化的塑料形成了“料塞”，使部分 塑料从装料室中跳出，部分地堵住装料室出料口。 ( 2 ) 射入模具中的料量太少。一是塑料温度低，塑料流动性差。一是塑模的温度 低，沿成型部分表面流过的塑料很快冷却，从而使塑料丧失流动性。还有可能由于注塑 压力不够，而浇口冷凝过早，从而导致射入模具中的料量过少。 ( 3 ) 模具设计不合理。一是模具本身结构复杂，浇口数目不足或形式不当。一是 模腔内排气措施不力，这种原因导致制品不满的现象是屡见不鲜的，消除这种缺陷的设 计应开设有效的排气孔道，选择合理的浇口位置使空气容易排出，必要时将型腔的固气 区域的某个局部制成镶件，使空气从镶件缝隙逸出。 ( 4 ) 模具浇注系统有缺陷。一是流道太小、太簿或太长，增加了流动阻力。一是 流道、浇口有杂质、异物塑料炭化物堵塞所致。另外，流道、浇口粗糙有伤痕，光洁度 不足，影响物料流动。 飞边又称溢边、毛刺等。大多发生在摸具的分合位置上，导致该缺陷的主要原因有： ( 1 ) 模具分型面精度差，模具分型面上粘有凸出异物、活动模板变形曲翘等。 ( 2 ) 模具设计和入料配置不合理。一是在不影响制品完整性前提下，流道应设置 在质量对称中心上，避免出现偏向性流动。二是塑料在熔融状态下具有很高的流动性和 贯穿能力，容易进入活动的或固定的缝隙，要求模具的设计制造精度较高。 ( 3 ) 注塑机的锁模力不足。注塑成型时，由于机械上的缺陷，致使真正的锁模力 不足或不恒定，也会产生飞边。另一方面由于模具本身平行度不好，也会导致锁模不紧 密而产生飞边 ( 4 ) 注塑工艺条件差。一是塑料充模状态过分剧烈。一是预塑量调得不准确。也 就是说从料斗进入料筒的料量不一致。 制品烧焦是指制品的某一部分出现焦化、炭化的现象。其成因是： ( 1 ) 注塑速度过快。注塑速度调节不当，从而使注塑速度过快，由于熔体本身的 粘性，以及剪切作用，导致熔体在流动中产生过高的热量，从而使塑料变性。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 模具排气不畅。由于模具的排气部分不合理，从而导致气体的淤积，在注塑 压力的作用下，很容易出现绝热压缩的现象。伴随该现象会散发出较多的热量，使塑件 炭化。 塑件收缩是指制品成型后尺寸会发生一定的变化。这是塑料制品的固有缺陷。可以 通过合理的模具设计，塑料材料的合理选择，塑料的改性，待加工塑料的预处理以及对 塑件的热处理来降低塑料制品的收缩量，从而达到稳定尺寸的目的。 1 5 成型质量预测方法介绍 由于注塑制品的质量与很多因素有关，例如，注塑机的性能、模具的几何形状、注 塑的工艺参数以及操作者、环境等。因此，注塑制品的质量与这些参数之间呈现非线性 关系。而且，各影响质量的因素对最终的制品质量存在交互影响，有时交互性影响的贡 献甚至大于单个因素【l2 1 。由于注塑质量预测问题的复杂性，质量预测方法也由最初的 想找到对制品质量起主要影响的因素进而达到预测和控制的目的，发展为寻找影响质量 的主要因素结合基于模糊逻辑以及神经网络等智能化方法的预测方法，而不是仅仅对注 塑过程本身进行细节的研究。由耗时的质量统计预测方法，转变为智能化，多样化等方 法。 1 5 1 国外研究概况 在质量预测控制算法方面：最初是用统计工艺控制法( s p c ) 、统计质量控制法( s q c ) 来对制品质量进行控制。其基本过程是，选择一定数量的制品作为待检样品，然后对这 些样品进行抽检，并用统计学上的方法进行评定，并评定此时注塑机的工作状态，向相 关人员汇报。如果出现异常情况，则操作人员通过调节注塑机的工艺参数来达到稳定生 产。该方法虽然可行但很耗时，且要投入一定的人力物力。随后人们也寻找了其他一些 质量预测控制的方法。现有的方法中，有些是基于机理模型而建立的预测模型，但正如 前文所述注塑过程是很复杂的，同时人们也没有完全认识注塑过程，所以要建立机理模 型是很难的，需要研究人员丰富的经验，这样人们就考虑建立非机理模型的质量控制预 测方法。 对于机理模型，1 9 9 3 年，康奈尔大学的h h c h i a n g ，k h i m a s e l 【h a r ，n s a j l t h a i l a m e t a 1 在模具的填充和后填充阶段以及模具的加热和冷却阶段对聚合物熔体进行了传热 和流动分析。在分析过程中使用了统一的模型。应用混合有限元有限差分控制体积法 对非等温可压缩的普通h e l e s h a w 流动进行模拟。并进一步应用周期性传导模型组合三 维边界条件进行模具冷却分析。通过对实验与计算的结果的比较，得到了较好的结果 【1 3 】。 微小体积塑件注塑成型质量缺陷的成因与预测 1 9 9 7 年，韩国的k y e o n g h e eh a n & y a l l g t a e kh i l 的工作是为了预测塑件的收缩、 翘曲以及机械性能，建立了预测模型。为了预测以上制品缺陷，需要了解注塑过程的流 动进程。此文中用计算模型预测了注塑过程的填充以及后填充的流场。为了更精确地逼 近实际情况，一般的非牛顿h e l e s h a w 模型被作为假设，以便考虑聚合物的相变以及可 压缩性。使用混合的有限元有限差分控制体积的方法来求解方程。为了模拟粘度，使 用了c r o s s 粘度模型。包含半晶质材料潜热耗散效应的能量方程被解出来，用来预测固 化层以及温度分布的细节。计算结果与实验对比，结果比较满意【l4 1 。 1 9 9 8 年，挪威的e r i kj h 0 1 m ，h a n sp e t t e rl a n 舀a n g e n 对注塑过程建立了统一的有限 元模型。对在两个平板中间的流体应用2 dh e l e s h a w 模型，并用水平集的方法处理流 动前锋的高分子空气界面。在流动平面用有限元，垂直方向经特殊处理并结合时间上的 有限差分求解3 d 的传热方程。用局部网格技巧来改善高聚物空气界面的数据精度。这 个模型的主要优点是2 d 的有限元网格在所有的方程中都可以应用【l5 1 。 2 0 0 3 年，a l ig o k c ea n ds u r e s hg a d v a l l i 讨论了浇口对流动前锋的作用，结论是浇 口对远离浇口的流动前锋影响不断减弱。此文认为在充填过程中型腔中的高聚物流动对 制品的质量影响很大。随机的扰动、粘度的变化、型腔壁对流动的扰动都能产生意想不 到的流动模式，而这会导致产生制品的质量缺陷。基于传感器反馈的过程控制能够降低 这种扰动的影响。此文就浇口对流动前锋的影响进行分析研究，应用达西法则，得到了 一维解析解。并得到当小区域左右流动前锋的压力梯度相等时，就是压力平衡场，此时， 浇口控制效应失去作用的结论。对于高维情况，研究人员倾向于使用有限元分析的方法 【1 6 】 o 由于注塑件生产工艺的复杂性，不仅仅注塑工艺参数对制品的最终质量有影响，而 且在产品冷却固化项出过程中还有很多因素决定产品的最终质量。2 0 0 5 年，o m a rm b a t a i n e ha n db a m e ye 锄e c k i 建立了推杆在推出制品时的力学火系。用数值模拟以及 结构模拟的方法计算了制品与模具表面之| 、日j 的局部反作用力。然后用实验获得摩擦系 数。在以上工作的基础上，用所建。莎的力学关系预测出局部以及整体的推杆的作用力。 此作者还制作了盒子样的制品，对模拟分析计算结果进行了实验验证。并计算了顶“ 过 程中局部的最大顶出力，该研究对制品的质量保证有一定的应用价值【l7 1 。 对于非机理模型，国外多以模糊方法，以及近年来发展迅速的神经网络方法居多， 这也是与智能化的总体发展趋势相适应的。但直接用模糊方法多是根据专家的经验建立 i ft h e n 条件，然后根据实际的制品的质量缺陷进行判断并作出相应的调整，而用来直 接进行制品的质量控制的应用很少。就神经网络来说，1 9 9 7 年，h h d e m i r c ia j l dj o l l np 一8 一 t 大连理工大学硕士学位论文 c o u l t e r 等人，聚焦于基于神经网络的智能化方法的流动前沿控制。此文认为在充模过程 中，流动前锋对制品质量很重要，因为它决定了型腔的排气位置以及熔接线产生的位置。 该控制方法是通过控制两个不同的浇口的注射速率，从而达到控制实际的流动前锋逼近 想要得到的流动前锋的目的。通过摄像的办法获得型腔中的填充过程图像( 流动前锋) ， 并同时记录两个浇口的注射速率。从这些图像中找到那些符合本模具设计要求的图像 ( 满足流动过程中止在排气孔处，熔接痕在不重要的区域的图像) ，以此来构建神经网 络的训练数据并对所建立的神经网络进行训练。这样，训练后的神经网络就可以对一组 输入的流动前锋位置以及相应的浇口速度来计算下一时刻的流动前锋的位置。从神经网 络计算结果中找到与目标流动前锋最接近的结果，以及导致该结果的两个浇口的注射速 率。将这两个注塑速率信息传递给两个泵，泵按照所指定的要求来控制浇口的注塑速率。 将这个过程不断地重复下去最终达到控制填充的目的【l 引。 2 0 0 1 年，新加坡的w h e ，y f z h a n g ，k s l e ee t a l 建立了针对注塑的模糊神经网 络。系统输入包括5 个零件缺陷信息，零件重量及模具信息( 流动长度，厚度蔓。输入 参数的属性用模糊条件及相应的模糊数来描述。在相关专家经验的基础上，建立相应的 i ft h e n 条件，并得到相应的模糊输出。然后，用此模糊关系得到的输入输出作为神经 网络的输入输出，来训练神经网络，最终通过神经网络的学习和记忆能力将模糊规则融 合到神经网络中，通过改变神经网络的输入可以得到相应的输出结果【l9 1 。 美国的j o s 印hc h e n & m a n d a r as a v a g e & j i ej 锄e sz h u 建立了基于神经网络对飞边 产生进行预测的监测系统。通过对飞边的产生进行检测，并提醒工作人员从而达到对质 量的控制。该系统包括两部分系统。一是检测系统，该系统利用加速度传感器收集注翅 过程的变化的信号，并经过处理得到待判断值。二是极限阈值系统，该系统利用神经网 络从工艺参数的设置得到控制极限预测阈值，并能随着不同的工艺参数设置得到相应的 控制极限预测阈值。通过对检测系统的信号分析，并与极限预测阂值进 j 二比较，如果偏 大则说明已经有飞边产生，反之，则没有产生飞边。经过试验后得到该预测模型可以达 到9 2 7 的精度。 在上文中已经提到美国康涅狄格大学的s u z a n n el b w 0 l la n dd o u g l a s j c o o p e r 建立了基于压力模式的神经网络质量控制系统。该方法是通过神经网络建立 型腔压力模式与保压压力以及料同温度之间的关系。将这个神经网络作为控制器，通过 传感器对型腔压力的测量得到型腔压力模式曲线，将这个压力模式输入神经网络控制器 进行模式识别得到相应的保压压力以及料筒温度，这时通过注塑机的控制系统进行调 整，来达到对注塑制品质量的控制。这里需要强调的是，该作者已经认识到模具的型腔 压力与注塑制品的质量是有关系的。2 0 0 6 年，郑州大学的郑晓培也进行了型腔压力模式 微小体积塑件注塑成型质量缺陷的成因与预测 与注塑制品质量关系的研究。他认为状态变量直接影响到模具内熔体的流动状态和最终 制品质量。应用成型过程的数值模拟只能代替试模来反复验证工艺参数是否合适，难以 得到最佳工艺设置，且由于成型中外界扰动的影响，难以保证制品质量的稳定性，因此， 对成型工艺进行优化和控制，提高加工变量的稳定性以生产出高质量的制品具有重要的 意义。他进行了压力模式的识别工作，结合多项式表示法和子模式分析建立压力随时间 变化的函数关系，通过确定各个子模式中多项式的系数来识别不同的压力曲线，并把这 些系数作为神经网络的输入。还建立了神经网络预测系统。根据工艺参数对质量指标的 影响度选取控制变量，以实验设计获得的近似优化解为基线条件，抽取工艺特性及制品 质量特性数据，应用人工神经网络技术建立了工艺参数与压力模式，压力模式和制品质 量之间的关系模型【2 1 1 。 美国的t a t i a n ap e t r o v a ，d a v i dk a z m e r 建立了一种混合的质量预测方法。 即将神经网络和注塑过程相结合，建立混合质量预测模型。在本研究中熔体压力被选为研 究焦点，原因：首先，熔体压力是可观测的量，并且型腔压力与制品成型质量之间拥有 连续性变化关系；熔体压力是很多输入变量的综合作用结果，因此对制品质量具有重要 的影响。另一方面，很多质量特性，如短射等质量缺陷不能以连续反馈的方式直接观察 到。此文在建立了混合神经网络的同时，建立了普通的神经网络。经过训练对比，在数 据量较小的时候，混合神经网络具有较高的预测精度。但是，随着数据量的增加，普通 神经网络的预测精度比混合神经网络的预测精度要耐2 2 】。 瑞士的j i t e n d e rk r a i ，a m i rm l 萄i m i ，p a u lx i r o u c h a l ( i s 用工艺参数( 1 、熔体温度； 2 、模具温度；3 、输入的第一相速率；4 、输入的第二相速率。) 建立了神经网络的关 于高压铸造的预测模型。该模型有三个输出：填充时间、固化时间、多孔性。并建立了 比较适宜操作的人机交互界面。作者找到了4 8 8 8 3 的结构并达到了需要的预测精度 【2 3 】 o 马来西亚的b h m s a d e 出建立了4 2 3 结构的b p 神经网络。该网络用c a e 模拟软件 的结果作为神经网络的训练数据，最终实现了重要工艺参数与制品质量之间的预测模型 【2 4 】 o 日本的t s k w a l ( ，t s u z u l 【i ，w b b a e 等人在研究光学透镜注塑工艺中发现注塑工 艺对透镜的成型质量具有重要的影响。为了达到较高的成型质量作者通过改变工艺条件 从而改变微透镜的多孔性以及厚度的变形量进而达到找到理想的工艺条件来改善微透 镜成型的表面曲线。作者在用软件模拟的同时，并用模拟的数据作为训练数据建立了神 经网络预测制品成型的多孔性以及厚度的变形量【2 5 1 。 大连理工大学硕士学位论文 1 5 2 国内研究概况 国内对质量预测的方法有，灰色理论、模糊理论、回归分析、数值模拟、遗传算法 以及专家系统等。下面进行简要概述。 灰色理论：四川大学的袁明友，肖先勇，杨洪耕等人运用灰色理论的思想对1 9 8 9 年至1 9 9 6 年的某供电局的售电量原始数据序列建立了灰色理论模型g m ( 1 ，1 ) ，并 对1 9 9 7 年至2 0 0 0 年的售电量进行预测，得到的预测结果与实际售电量差别很小，这说 明所建立的模型是比较精确的，可以用于售电量的预测。但对于远期负荷的预测，由于 影响负荷变化的因素很多，采用这种方法的精度会受到影响【26 1 。杜卫新，王永祥，郝天 轩研究了g m ( 1 ，n ) ，g m ( 0 ，n ) 瓦斯含量预测模型的数学原理，收集郑煤集团 告成矿地质勘探期间及生产期间的瓦斯含量实测资料，获得1 6 个可靠点，选取基岩厚 度、新生界厚度、煤层厚度、煤层水分、煤层灰分、5 0m 顶板含砂率6 个因素作灰色建 模预测的指标，分别建立了g m ( 1 ，6 ) 和g m ( o ，6 ) 瓦斯含量多变量预测模型。根 据计算和评价结果，g m ( 1 ，6 ) 和g m ( o ，6 ) 瓦斯含量预测模型精度均能够满足工 程精度的要求，说明利用灰色模型来预测瓦斯含量是可行的。由于前者精度略高于后者， 故建议告成矿采用g m ( 1 ，6 ) 模型来进行未知地区煤层瓦斯含量的预测。需要注意， 由于模型没有考虑构造的影响，在实际预测时，还应根据构造对待预测区的影响关系和 影响程度对模型的预测结果进行修正【2 7 】。孔玲爽，阳春华，王雅琳针对长流程工业过程 中产品质量难以实时检测且不易实现优化控制的难题，通过对生产数据特性和质量预测 要求的分析，提出了一种基于g m ( 1 ，1 ) 灰色模型和机理模型集成的质量预测模型。 首先根据过程机理知识建立了粗糙质量预测模型，然后运用灰色预测中的残差辨识理 论，用机理预测模型的残差时间序列建立残差g m ( 1 ，1 ) 模型，其预测结果补偿机理 模型的预测值，验证结果表明，该质量预测模型能获得较理想的质量预测精度，其应用 可使产品质量得到显著的提高【2 引。 模糊理论：大连理工大学模具研究所的于同敏、查志锋、李俊龙等人建立了模糊神 经网络对制品缺陷进行分析诊断【2 引。 回归分析：郑家裕在人造板生产的质量预测与质量控制中使用了线性回归方法。考 虑到对纤维板的吸水率的众多影响因素中，石蜡乳液的施加量对其影响最大，故建