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擅要 论文题目:基于c a e 技术的熔断器壳体注塑工艺研究 学科名称:机械设计及理论 研究生:吴锦鹏签名: 指导教师:吉晓民教授签名: 摘要 本论文来源于库柏( c o o p e r ) 西安熔断器有限公司,主要目的为减少该薄壁熔断器塑件 的翘曲变形,改进产品结构,改进注塑工艺,该产品合格率由9 8 2 提升到9 9 5 以上。本 文基于c a e c a d 技术,通过数值模拟分析该熔断器壳体的注塑成型过程,分析了各因素对 翘曲的趋势关系,最终对产品结构进行改进,且运用了正交试验的方法,对熔断器壳体翘曲 变形的影响因素进行了分析研究,最终目的是为了减少其翘曲变形,改进现有工艺参数而 确定最佳工艺参数,最后还对模具的冷却系统进行了分析,从温度场的方向分析了控制翘 曲的方法,并得到了模具的三维模型。本论文主要的研究成果如下: 1 ) :基于薄壁塑件的注塑成型理论,深入探讨了薄壁塑件成型主要影响因素及控制方 法,为注塑数值模拟提供理论基础,并针对该熔断器给出了其翘曲变形的控制方法。 2 ) 运用s 0 1 dw o r k s 建立了改进后的熔断器塑件的三维实体模型,对该熔断器塑件的 注塑流动充填性进行数值模拟分析,而且对该熔断器塑件的结构合理性进行分析,通过数 值模拟分析翘曲值,最终以减少翘曲值为目标改进了薄壁塑件的结构。 3 ) 模拟分析熔断器注塑件注塑成型过程,对该熔断器塑件的流动充填性、压力、和 温度进行数值模拟,从而预测出该熔断器塑件成型过程中出现的翘曲缺陷,改进了成型过 程中压力、温度、时间三大工艺参数,正确指导了生产。 4 ) 通过正交试验,以减少注塑成型过程中的翘曲变形值为主要目的,对2 7 组实验进 行仿真数值模拟,得出相应的翘曲值,进而进行级差分析和方差分析,得到影响翘曲的主要 因素,并对独立和交互的因素进行规律总结和分析,得到了最佳成型工艺参数并指导生产。 5 ) 基于正交试验的结果,对成型参数进行模拟优化,使得模具温度保持在4 5 较为 合理,且建立了模具的三维模型,并确定了模具的冷却系统和浇注系统,最后分析了冷却 系统对模具温度场的影响,确定了冷却系统布置对模具温度趋势的关系。 通过本论文,设计者对该熔断器塑件的结构进行了改进,注塑工艺参数进行了优化,准 确的指导了生产,提高了该产品的质量。 关键字:薄壁塑件;c a e :翘曲变形;正交试验;熔断器 盟弘雏坐 递掣 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e :s t u d yo ni n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s so ff u s eh o u s e b a s e do nc a e m a j o r :m e c h a n i c a ld e s i g n e dt h e o 吖 n a m e :j i n p e n gw u s u p e r 、,i s o r l p r o f x i a o m i nj i a b s t r a c t s i g n a t u 陀 s i g n a t u 陀: 1 km e s i sr e s u i t s 舶mc 0 0 p e r ) ( i 觚向s ec o l l 砷r a t i o n t h ep 呻p o o f “sm e s i si s r e d u c i n gt l l e 、a 印o fm ep l 嬲t i cm s eh o u s e ,a n di m p r 0 v i i 培m e 鼬m c t u r co fp r o d u c t i o n n sp 嬲s r a t eb ei m p r 0 v e dt oa b o v e9 9 5 舶m9 8 2 b a s eo nt l l et e c m o l o g yo fc a da n dc a e 觚d s i m u l a t i o nb ym o l d f l o w jt l l ep a r a 加e t e ro fm o l d p r o c e s sh a v eb e e ni m p r 0 v e d ,f i n a l i y o p t i m i z em e 咖c t u 】r eo fp l 鹊t i ch o u s e b y 龇e n do f t l l et l l e s i s ,t h ew 唧、v a sb eq u a n t i z e db y s i m u l a t i o n ,a c c o r d i n gt 0 觚a l y s i st l l er o o tc a u s eo f l i sp r o b l e m 锄d 郴i n gt l l em e t l l o do f t h e d o et oo p t i i i l i z et h ep r o d u c ep r o c e s s n er e s u l t so ft l l et h e s i sa n dm em a i nw o r k 骶e 嬲b e l o w : 1 ) m f i r s tc h a p t e rf o c 憾0 n 锄m y s i sm e 聆s u l t so fm o l df l o wp r o c e s so ft h ep l a l s t i c 觚e h o u s e ,b a l s i n go nm en l e o d ,o fm o l dn o w o f t l l i r l r l e l 。p l a s t i c 2 ) n e x ts t e p ,t i l e3 dm o d e lo fp l a s t i cw a sc r e a t e db yu s i n gs o l dw 0 r k s 1 1 1 ef i l lp r o c e s sw 觞 s i i i l u l a t e db yu s i n gm o l d f l o w ,砌dm e n o p t i r n j z i n gt l l es t m c n 鹏o fp l 硒t i ch o u s e n 圮 p 唧o s ei st 0r e d u c et t l ew 唧i i lt 1 1 em o l dp m c e s s 3 ) t h ei i n p o r t a i l c es t e pi st h i r dc h 印t e r a c c o r d i n gt ot 1 1 ea c t u a im o l dp r o c e s s ,t h ep a i i l e t e r o fm o l d p r o c e s sw 够b es e tu p 锄do p t i m i z e db ys i m u l a t i o n f i m l l ym e 唧w 够r e d u c e d 锄d i r i l p r 0 v e dt l l eq u a j i t ) ro fp l 嬲t i c sh o u s e 4 ) l a s ts t e pi sh o wt 0 锄a l y s i sm er c s u l to fs i m u l a t i o n 锄ds t 锄d a r di t b 弱eo nm et i l e o 巧o f d o e ,锄a l y s i st h e 他s l l l to fs i m u l a t i o n 锄ds l 姗衄a 巧t h e 恤n do fw a 叩t h ew o r ki n s t n j c t i o no f m o l dp r o c e s sw 勰m a d e n i 西安理工大学硕士学位论文 5 ) b a s e do nt h er e s u l to fs i m u l a t i o n ,t t l eb e s tp a r a m e t e ro ft h ep r o c e s sh a dg o t t h e c o n c l u s i o ni sk e e p i n gt l l em o d e lt e m p e m t ea b o u t4 5 , m a tc 锄m a d em ew a 叩s h o r t e r s ot h e c o o i i n gs y s t e m 觚df i l ls y s t e mw a l sb e 觚a l y z e d , 锄db ec r e a t e di i l3 dm o d e l a c c o r d i n gt ot 1 1 em e s i s ,t l l es 仃u c t u r eo fp l 舔t i c 丘坞eh o u s ew 弱i m p r o v e db e t t e r 1 1 l c p r o c e s so f n l o l df l o ww 弱a l s oc h 锄g e db e t t e r 锄dt l l es t 觚d a r dw o r ki n s 廿u c t i o nw 嬲b eu s e di n t 1 1 e p l 绷t k e yw o r d s :t h i np l a s t i ch o i l s e ;c a e ;w a 印;d o e ;f u s e 1 绪论 1 绪论 随着c a e 技术的快速发展和企业对产品品质和质量精度要求越来越高,传统的设计和 注塑成型方法已无法适应产品更新换代和质量要求的提高。本章主要介绍课题研究背景、 课题相关的国内外对注塑工艺研究现状和本文的研究路线以及方法。 1 1 课题研究背景 本课题来源于库柏( c o o p e r ) 西安熔断器有限公司,该企业主要生产国内外知名品牌 的熔断器产品,其中包含低压塑件熔断器和高压瓷件熔断器,如图卜1 示。由于生产的注塑 零件种类繁多且更新较快,但是在模具设计过程中试模和修模次数比较多,这样产品与模 具的开发周期势必会延长,影响到企业的交付周期,那么制约企业的发展。而且在模具与 产品的开发过程中存在着缺陷,其结果影响到了塑件成型的质量,产品合格率低,塑件质 量水平一般为9 8 2 以下,成本也很难控制在合理范围内。因此,企业希望通过本课题研 究,改善模具设计与制造的效率与质量,改善注塑工艺以解决常见缺陷问题,特别是翘曲 缺陷问题,快速且有效的制造出质量较高的产品,提高企业的经济效益。为了提高注塑产 品质量,本课题选择了代表性的某熔断器壳体进行研究,希望提高该系列产品的注塑成型 质量。 图卜1 部分望件产品 f i gl ls 0 m ep l a s t i cp r 0 d u c t s 论文的意义在于通过对外壳塑料件注塑工艺的研究,探索出应用c a d c a e 技术进行选 择、优化塑件的注塑工艺参数和模具设计的合理性等,改善模具设计和注塑工艺,提高产 品质量和降低成本,同时对于其他塑料件成型工艺也具有普遍的指导意义。 1 2 研究现状 1 2 1 国内现状 国内对塑料成型的研究主要是将c a e 分析与试验设计、并将两者的数据分析结果结合 起来研究成型工艺对成型质量的影响,而研究注塑模具对成型质量的影响方面偏少,c a e 结合注塑模具的开发少之又少。而且注塑成型过程是一个多因素的、因素交叉影响注塑质 量的过程,并且这种影响是一个非线性的,影响的过程和结果都难以准确的数值描述,这 样就会使得一些常见的优化技术难以应用其中,那么成型过程对塑件质量的控制就是一大 核心问题。 l 西安理工大学硕士学位论文 a 基于c 矩的工艺优化研究 国内主要是应用c a e 分析与注塑工艺过程结合,通过比对初始方案与优化方案,进行 优化研究注塑工艺参数。目前国内有将模流分析软件应用到生产现场中,输入实际成型过 程中必要的工艺参数,对浇口的形状大小与位置关系进行仿真研究,总结了注塑压力与注 射时间对注塑成型质量的关系,总结了不同浇口对成型质量的影响。 文献乜1 使用可行性空间的优化方法对浇口位置的研究,得到了一种确定的方法。固定 注射速度及浇口位置,仿真塑料熔体在型腔内的流体长度,然后确定每种方案的可行域。 这一方法是固定一种设计参数,然后仿真分析其余变量,得到最优参数。通过比较优化方 案和初始方案,设计出较小的注射压力、锁模力和翘曲变形量等。 文献h 1 研究了有限元模型的转换方法,以有限元模型代替塑件的三维实体模型,解决 了转换过程中的失真问题。使用了m o l d f l o w 软件对转换模型进行仿真,模拟注塑过程,最 后使用人工神经网络技术,针对注塑工艺参数建立预测b p 网络模型,再对参数预测的过程 进行求解,将网络预测的结果与仿真结果进行比较以及试验误差分析,结论是b p 网络预测 是可靠的。这种方法是将c a d c a e 集成到了人工神经网络技术中,在注塑参数的快速预测 中以及参数的选取方面是非常有用的。 文献喳1 研究了温度分布不均匀引起的翘曲变形,使用数值计算得到了翘曲变形系数, 最后提出翘曲变形系数的概念。过程中采用弹性不变形理论以及有限单元法计算得到温度 应力,然后利用华中科技大学的结构分析程序得到了翘曲变形。 文献n 幻使用弹性本构方程得到了塑件壳体的残余应力分布,得到了壳体的翘曲变形。 华南理工大学研究者使用薄板理论分析塑料制品的翘曲,将壳体的面内变形简化为平面应 力问题,而将面向变形理解为薄壳弯曲问题,然后综合了这两类问题,使用平面问题的有 限元计算方法,计算除了壳体在空间的翘曲变形。 由于c a e 模拟分析能够仿真塑件注塑成型的生产过程,所以它是分析塑件质量缺陷非 常有用的工具,但是不足在于计算量大和计算时间长。更重要的是c a e 分析与生产实际的 差异,使得c a e 分析的准确性成为这一领域的瓶颈。 b 注塑模具的发展与研究 注塑模具在我国以每年1 3 的增长率增长,且已有7 0 余年的发展历史。特别是在大 型模具方面,比如大型的电视机外壳、大型的电冰箱外壳以及汽车的表盘外壳等模具的开 发方法都有成熟的技术。 在模具的制造过程中引进大量的c a d c a m 系统,比如s o l i dw o r k s 、p r o e 等先进的三 维设计软件。 国内在注塑模具c a d c a m 系统中的研究与应用也是发展迅猛的,如华中科技大学的 h s c 5 0 系统。但是,我国在c a d c a e c a m 技术的应用还是有限的,或缺乏资金或缺乏理念, 使得模具c a e 技术普及范围有限。在模具材料的选择方面,国内外有着鲜明的对比,国外 较采用耐磨且耐腐蚀的材料,机械性能和抛光处理都优于国内,这就限制了塑胶模具的使 1 绪论 用寿命和外观质量。标准化是象征着工业的发展速度,而模具的标准化在国内也迅速的发 展起来,比如标准模架、标准顶出推杆和标准流道原件在国内市场越来越多的出现。但是 这种标准化程度远远低于国外。 国内在小型的、精密的注塑模具开发与制造中,也是发展迅速的。国内已开始生产一 些小型的相机塑胶模具和小型齿轮模具,其精度可以控制塑件的壁厚在o 0 8 咖以下。这些 模具的制造精度均在o 0 2 咖到0 0 4 舳之间,其寿命可以使用5 0 万次以上。 国内在注塑成型模具的应用方面也有一些先进的研究成果,比如色彩注塑模具、异种 材料成型模具、以及脱模机构的先进设计等。还有一些大型的、壁厚塑件采用气体辅助注 塑成型技术,效果也是很好。而模具热流道技术的使用率在国内只有1 0 左右,与国外相 差较大。 c 基于c 矩的模具结构研究 随着我国工业水平的高速发展,特别是重型工艺装备的发展尤为重要,注塑件的使用 越来越普遍,相应的精度与质量要求越来越高。模具的更新换代是企业领先市场的标志, 传统的开发方法已经滞后,那么,引进c a e 技术开发高精度和高质量的注塑模具势在必行。 引进c a e 技术之后,企业的生产效率会大幅度提升、产品质量会大幅度提升、以及相应的 生产成本会比传统的开发模式降低很多。c a e 技术可以从模具的开发到产品生产的整个过 程对未来产品质量进行预测以及模拟仿真,做到先知先觉的对问题进行改进。 综上,c a e 技术一方面可以应用到模具和产品的开发阶段,另一方面可以应用到产品 和模具的制造过程,甚至产品与模具的装配阶段。相比于传统的设计方法,完全经由开发 者的经验设计模具,再到调试模具,这样反复的进行,直到问题完全解决,不仅耗费大量 的人力财力,而且整个开发周期相当的长。所以传统的开发方法不能评价整个开发过程与 生产过程的所以因素,也不可能对所有可能出现的问题进行综合性的评价。而采用c a e 技 术,在所有的生产成本投入以前能对所有可能出现的问题进行预测和和改进。比如在注塑 成型过程中,可以使用c a e 软件提前预测成型过程中的重要工艺参数,如温度、压力和时 间等重要的参数以及成型质量等问题。这样就可以从模具的开发、制造整个过程解决塑件 成型的质量问题,更快更高效的满足了客户需求。 在这一方面,文献1 使用有限元的方法对模具的温度场与压力场进行研究,预测了注 塑过程中的残余应力分布以及翘曲变形等质量缺陷,并以较长的塑件为例,对成型参数进 行分析,给出了缺陷产生的原因以及对应的改进措施,结论是模具流道设计的不合格,使 得型腔温度场分布不均匀导致翘曲变形。 总而言之,国内对塑料成型的研究主要是将c a e 分析与试验设计、并将两者的数据分析 结果结合起来研究成型工艺对成型质量的影响,而对模具结构的研究相比之下比较少,尤 其是将c a e 技术应用到模具结构的开发与改进中很少。 3 西安理工大学硕士学位论文 1 2 2 国外现状 国外对注塑成型的研究,主要集中在原材料性能、产品结构设计和模具结构等方面, 特别是试验研究较多。 试验方法的研究,开始于六十年代,主要是针对塑件的材料和塑件的几何形状,以及注 塑工艺条件等,综合这些因素研究其对塑件质量的影响。 a 基于材料与产品质量研究 文献嘲1 通过试验对不同材料与壁厚之间的关系进行了研究,不同壁厚与翘曲变形进行 了研究,并且以指数的概念对翘曲进行定义,进一步的研究了翘曲指数与材料屈服的关系。 b 基于试验的成型过程研究 文献啪3 根据试验得到浇注口的几何形状对塑件尺寸的影响,还有通过对保压压力、保 压时间以及模具的弹性变形的研究,得到其对塑件尺寸变形的影响。还有通过试验对塑件 出模后形成的翘曲变形进行了研究,并且提出马鞍形变形的实验公式。在通过大量的试验 之后,得出了残余应力和翘曲变形之间的函数关系,并通过试验提出了基于层状薄板理论 的预测翘曲变形的数学模型。 但是,试验方法有其局限性。这种方法对于翘曲变形的研究往往只是选择一种固定的 材料和工艺参数,而且研究的对象局限于一定的几何形状,这样势必不能考虑诸多因素对 翘曲变形的影响,而且在产品的开发之中和生产之前不能对质量缺陷进行预测。那么,如 果将这样的试验公式应用到生产实际中,往往就会不适应,因为生产实际的环境必定与试 验环境有差别。 试验方法结合实际经验的研究开始于六十年代至七十年代,对于翘曲变形的研究主要 为定性分析研究。根据实际经验通过调整模具和工艺参数来控制塑件质量缺陷。七十年代 开始,随着固体力学、计算机科学、数值分析技术以及材料学等学科的发展,翘曲变形的 理论研究便越来越热。研究方向其主要为材料的收缩性和翘曲变形的关系,应力和翘曲变 形的关系。 c 材料收缩性和翘曲的关系研究 文献呻1 使用线性回归法,并通过试验研究了注塑的流动性以及保压与冷却的关系,得 到了一种预测模型,可以预测塑件翘曲变形,但是要通过塑件结构模拟程序得到计算结果。 文献n 们研究了翘曲变形与g m t 材料的关系,发现不同材料的排布方式对于材料的取向 影响程度不同,并得以验证,得到的结论是材料的不同收缩性与材料的各向异性是导致翘 曲变形的根本原因。研究认为材料的收缩率与翘曲变形呈正比例关系,高的收缩率将会导 致大的翘曲变形。根据不同的材料在不同的成型参数条件下进行试验,得到了不同的翘曲 变形值,最后将翘曲变形分为三类,其一是塑件的体积收缩变形;其二是材料的取向导致 成型过程中的收缩:其三是冷却过程造成的不均匀收缩。 基于国外在以上的研究成果,另一部分研究考虑了更多的变量对翘曲变形进行预测, 4 1 绪论 包含材料特性与模具结构等,方法是综合了熔体流动和冷却系统对翘曲变形进行研究。 由材料的特性预测成型的翘曲变形,所考虑的因素是有限的,实际上影响因素是很多 的,所以理论上这种预测是不准确的。故以上的研究多半是在试验的基础上进行研究的, 然后基于试验结果提出某种收缩模型,进而通过程序计算翘曲变形。 d 应力与翘曲的关系研究 这种观点认为翘曲变形发生的根本原因是塑件在出模后因不均匀的内应力导致塑件 翘曲的发生,而这种不均匀的内应力是因为成型过程中的材料取向和体积的收缩产生的。 国外学者以这种观点为基础,使用力学理论计算塑件的内应力大小和翘曲变形。 文献口1 根据简单的弹性模型集成了注塑过程中的大部分工艺参数,对纤维塑料的翘曲 变形进行预测,还有学者使用此模型对残余应力进行预测,最终确定塑件的翘曲变形;还 有学者根据纯流体弹性模型,预测塑件的翘曲变形。 文献1 研究了熔体转换过程,在冷却阶段对这一过程得应力松弛力进行研究,分别采 用粘性流体模型与粘弹模型对固化区域和非固化区域进行研究,结论是对翘曲变形使用标 准线性固体模型描述。 国外还有一种观点是材料的结晶性能是导致塑件残余应力与翘曲变形的主导因素。文 献阳1 使用方程来描述材料的压力、体积与温度三者的关系,使用粘弹模型计算塑件的残余 应力,再将计算结果应用到固体力学中,使用有限元法进行翘曲变形分析。 文献n 阳在一种假设的基础上研究翘曲变形机理。其方法是从流变力学理论上假设材料 是简单的粘弹性材料,研究材料的参数和注塑工艺参数对翘曲变形的影响,并且这种假设 忽略了熔体流动的影响,即不考虑流动理论。 部分研究从工艺的角度,针对保压压力对材料应力和翘曲变形的影响进行了研究,而 最终使用三维方法对塑件的残余应力和翘曲变形进行计算。这种方法是研究了整个保压过 程,在该过程中将塑件划分为三维网格,且基于薄壳理论与粘弹模型,以此来计算分析残 余应力和翘曲变形,从而针对残余应力和翘曲变形进一步的提出了保压过程模型,希望利 用此模型来控制翘曲变形和残余应力。 1 3 本文的主要内容 本文的主要任务是基于c a e 技术完成熔断器壳体的工艺研究,分析并解决翘曲变形问 题,指导实际生产,主要内容如下: ( 1 ) 第2 章探讨了影响注塑成型质量的因素,总结出针对此产品的关键影响因素及支持 此因素的理论方法以及该理论在本文中的应用。 ( 2 ) 第3 章介绍了目前较为流行的c a e 模流仿真软件m o l d f l o w 和正交试验方法,本文以 此为技术路线展开。 ( 3 ) 第4 章针对改进前壳体进行充填流动分析,并对产品结构进行改进,满足成型充填 分析。 5 西安理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 第5 章通过正交试验方法对实际工艺进行优选,并对结果进行评价分析,把握五大 因素的影响规律。 ( 5 ) 第6 章针对改进后的产品应用到模具改进,主要为浇注口的设计和模具冷却流道的 设计与改进,并设计模具的三维模型。 ( 6 ) 第7 章为结论部分,介绍了本文的研究成果和后期任务。 1 4 本文的组织架构 基于以上现状的研究和总结,本文拟从以下路线展开,本文的组织架构如图卜2 : 6 理 论 研 究 技 术 路 线 应 用 研 究 图卜2 本文组织架构 f i 9 1 2s n 佻t u 托o f t h et h 骼i s 2 翘曲变形的影响因素与控制方法 2 翘曲变形的影响因素与控制方法 熔断器壳体的注塑过程中,主要表现为塑件棱边的翘曲变形,但其控制方法主要依靠 后期工艺调整来改进,质量一致性较差,而且随机性很大。本章主要对这种缺陷进行根本 原因分析和总结,寻求可靠且稳定的改进方法。 2 1 翘曲变形影响因素 翘曲变形主要是因为在注塑的过程中塑料件的应力变形产生的,而这种应力变形是因 为塑件的内外因素不平衡导致的,这种不均衡使得塑件产生不均匀的收缩,塑件尺寸偏离 模具型腔,所以产生翘曲变形。翘曲变形可以分为两种形式,一种是稳定翘曲,另一种是非 稳定翘曲。稳定翘曲是指翘曲变形与收缩成正比;非稳定翘曲是指由于平面应变过大导致 塑件弯曲。一般的均匀收缩只引起体积的变化,而不均匀收缩会引起翘曲变形。主要表现 在以下方面:塑件不同部位的收缩不同;沿塑件厚度方向的收缩不同;与分子 取向平行和垂直方向收缩不同【l l 】。 由于熔断器塑件外壳是薄壁件,而且形状复杂,翘曲变形又是非常常见的缺陷,特别 容易发生薄壁边缘处,一直是困扰工程师的一道难题。 翘曲变形涉及的范围很广,从实际的生产过程看注塑原料的选择,塑件的结构设计, 模具结构,成型工艺参数等都会对翘曲变形产生影响。主要因素分析如图2 一l 示。 浇 浇 图2 1 翘曲要因图 f i 萨- lr o o tc a u o f w a 巾 2 1 1 塑料材料对翘曲变形的影响 本文观点认为,聚合物分子的取向的各异性是造成翘曲变形的一个重要因素。因为在 整个注塑充填过程中,熔体是由高压区域向低压区域扩散的,聚合物分子的排列方式与流 体流动的方式是相同的,但是也有一些沿着垂直于流体方向的分子取向排列方式。那么, 7 西安理工大学硕士学位论文 就使得沿着熔体流动方向的分子取向远远大于其在垂直方向的分子取向,这时分子是呈卷 曲状态的,在充填过程完成之后压力得到释放,两个方向上的分子在该方向上的缩短程度 不一致,即产生了不均匀收缩致使翘曲变形的产生n 幻。 因此在选择材料时要充分考虑塑料的取向性能,尤其是纤维增强材料,纤维的取向增 加了各方向异性的收缩,它对塑件性能的影响要远高于分子取向的影响。虽然纤维增强材 料的刚性较高,但是会增加产品的翘曲变形。 另外,因为塑料本身的粘性、流动性与力学性能的差异在不同程度上影响了成型过程 中产生的翘曲变形。熔断器壳体质量要求较高,在选材方面应该选择流动性较好的材料, 相反,这样的材料的往往是刚度较小,使得较小的残余应力造成了其过程中的翘曲变形。 为了保证塑件的质量和精度,必须选择综合性能合适的注塑材料,该熔断器塑件选用 a b s 原料,流动性较纤维材料好。 2 1 2 结构设计对塑件翘曲变形的影响 不合理的产品结构设计所导致的翘曲是最为严重的,而且几乎不可能通过注塑工艺来 修正的,不均匀壁厚、倒角过渡等均能引起不均匀收缩,因而产生了翘曲变形。注塑成型 中,壁薄的地方会先冷却,厚的地方后冷却。壁厚尺寸差异较大时,体积收缩率差异就大, 相应的残余应力也会大,而当残余应力克服了本身的结构强度,就会导致翘曲。因此在产 品结构设计中要避免这些导致不均匀收缩的因素,本课题对产品结构进行了分析和仿真研 究。 2 1 3 工艺参数对翘曲变形的影响 工艺参数主要包括保压压力、保压时间、冷却时间、熔体温度、模具温度、注射压力、 注射速度等,这些都会对塑件翘曲变形产生或多或少的影响。 保压压力是流体流动的动力,较高的保压压力,可以改变熔体的流动性,使得熔体可 以充分的填充到型腔的任意一部分,减少因为充料的不均衡产生的收缩变形,相反,较低 的保压压力,往往会使得熔体的残余应力增加,浇注口处会发生回流的现象,浇注口处会 发生较大的翘曲变形,而型腔内的熔体因为压力不够或欠压而导致体积的回弹收缩产生的 翘曲变形。 保压时间的延长有益于减少收缩产生的翘曲变形,同样也是因为短的保压时间会造成 型腔内的充料不足产生的收缩变形,浇注口处也会发生熔体回流的现象,那么,较长的保 压时间势必会影响到生产产能,所以合理的保压时间也是生产中的关键因素。 因此,保压压力要适中,保压时间延长至浇口凝固为止,可使产生的残余应力较小。 壳体在拿出模具之后往往会发生较大的翘曲变形,很大部分是因为冷却时间过短,因 为壳体还没有冷却到一定的温度。特别是对热传导性能较差的材料,一定要在模具内保持 足够的冷却定型时间,保证塑件中心的完全冷却。较长的冷却时间同样也会对产能造成压 力。 8 2 翘曲变形的影响因素与控制方法 熔体温度是充填过程的必要条件,过高的熔体温度会与冷却温度和室内温度形成高的 温度差,迫使壳体产生收缩变形;熔体温度过低,则流动性差,勉强以高速成型会产生高 的残余应力,如果没有足够的时间来释放残余应力,就会导致翘曲; 模具温度是充填过程的外在条件,较高的模具温度使得型腔内熔体冷热均衡,且在靠 近型腔壁处的凝固层会相应减少,这样有利于流体的流动,也有利于型腔内的压力损失, 相反,较低的模具温度,使得壳体与型腔的温度差较大,壳体的冷却速率会很高且不均衡, 就会产生残余应力和收缩变形。因此应适当的调高模温和料温来减小翘曲。 如果充填过程的剪切速率过高,就会增加熔体流动方向和垂直于其方向上的分子取向 差异,也就增加了收缩变形,而注射压力与注射速度与剪切速率呈正比例关系。如果充填 过渡,壳体在成型后不容易从型腔内拿出,这样容易造成脱模过程中的变形,所以注射压 力也不能过大。因此注射压力和注射速度应在可行的范围内调低。以上只是定性的对各个 工艺参数进行了单独的分析,在实际的成型过程中,各个参数之间的耦合作用对翘曲变形 的影响是很复杂的u 引。 2 1 4 模具结构对翘曲变形的影响 模具结构主要受到浇注系统、冷却系统和顶出系统三因素的影响。浇注系统的影响。 熔体在型腔内的充填状态与浇注口的位置和数量有直接的关系,如果浇注系统设计不 合理,塑件就会因为内应力不平衡而发生翘曲变形。如果熔体流动距离设计过长,在型腔 内冻结层和中心流动层之间因为流动引起的内应力就会加大。如果熔体流动距离较短,型 腔内冻结层厚度减小,此时内应力减少,塑件翘曲变形就会减少。 此外采用热流道也有助于减小塑件的翘曲变形。热流道系统可以看成是模压机械注嘴 向模具中的延伸。当采用热流道系统时,因冷流道喂料系统造成的冷冻层效应也会消除, 由于塑件具有较低的残余内应力,所以模塑造成的取向度也会降低,从而减小翘曲。冷却 系统的影响。在注塑成型过程中,由于型腔和型芯之间冷却速率的不同,导致沿塑件厚度 方向的热收缩不同。当塑件被顶出后,这种收缩差异就会导致弯曲力矩的产生,从而引起 翘曲变形或者残余应力,这取决于塑件刚性的大小。如果塑件有足够的刚性来抵抗弯曲力 矩,则会保持其几何外形不变。但是这种情况下,内应力会导致塑件的力学性能下降,而 且一旦在装配、喷涂或使用过程中暴露于高温下,就会发生翘曲变形。因此冷却系统的设 置,要控制模具型芯、型腔之间的温差,并尽量保持型芯、型腔各处温度的均匀一致,这 样可以减少因温度差产生的不均匀收缩,进而减少翘曲变形。 型腔温度的不均匀是翘曲产生的重要原因,而温度分布的均匀与否是由冷却水管的布 局决定的,首先水管设置的位置在型腔热量集中的位置,相反的容易冷却的位置需要延缓 冷却,故冷却水管的布置间距要合理,通常要小于水管直径的三倍,这样才能保证冷却的 均匀。其次水管的长度应该合理,过长的水管相反会不好,因为过长的水管意味着容纳较 多的冷却水,当热量由冷却水带出时,水管的温度会增加,那么水管与型腔的温度差会增 加,产生不均匀的温度分布,导致注塑质量缺陷。 9 西安理工大学硕士学位论文 顶出系统的设计也至关重要,项出系统的布置要平衡决定了顶出力的平衡与否,如果 顶出力不平衡容易使壳体翘曲变形。为了防止项出时因壳体单位面积受力过大而产生的翘 曲变形,顶出杆的截面积应该设计的合理,不能过小。壳体项出时顶出系统各部分的速度 应保持一致,以防定位不好导致的翘曲变形。因此要控制塑件的顶出速度,并提高模具的 强度和定位精度u 。 2 1 5 熔断器壳体翘曲变形分析 针对以上分析,熔断器壳体因为其特殊的结构要求,本文对其主要缺陷总结为两大类, 其一前期设计缺陷,包括产品结构和模具结构;其二后期成型工艺缺陷,主要包括温度、 压力和时间参数;其三为模具结构的不合理,主要表现在浇注口大小和冷却流道的结构设 计。以熔断器壳体为研究对象,其缺陷定性分析如下: ( 1 ) 塑件结构对翘曲变形的影响,其一塑件壁厚设计的不合理或型腔尺寸变化不合理, 拐点弯曲较大,使得熔体在型腔内流动不均匀,导致塑件残余应力较大:其二倒角过渡设 计的不合理:以上均为流体流动过程中残余应力克服塑件自身的结构强度时,产生的翘曲 变形;模具结构对翘曲变形的影响,模具浇注口设计和冷却系统的设计不合理,产生的残 余应力,从而产生塑件的翘曲变形。 ( 2 ) 注塑过程主要是压力、温度和时间的过程关系,其中包含保压压力,注射压力,熔 体温度,模具温度,保压时间和冷却时间,它们设计的合理与否是整个注塑成型过程的关 键因素。熔体温度与熔体流动性呈正比例关系,温度较低时,熔体的内应力较大,在没有 足够的时间和空间释放时,就产生了翘曲变形。如果保压压力过小,在浇注口处会出现熔 体回流的现象,也会使得型腔内的熔体密度减少,使得塑件产生体积的不均衡收缩,从而 产生翘曲变形;如果保压压力过大,熔体内会产生较高的流动残余应力,形成翘曲变形; 如果保压时间过短,就会发生因为浇注口没有冷却凝固产生熔体回流的现象,从而形成残 余应力,还会因为补料不充足而产生大的收缩变形,产生翘曲;较长的保压时间会影响到 生产产能;如果冷却时间过短,在没有达到出模温度时壳体也容易发生翘曲变形:如果冷 却时间长,生产效率会降低:如果模具温度过低,塑件与模具的温度差就大,塑件的残余 剪切应力提高,翘曲变形加大;模具温度较高则能减小注射过程中型腔内冷凝层的厚度, 翘曲变形就会减少,而且型芯与型腔的温度差不要太大,否则也会引起翘曲变形。 2 2 注塑成型过程c 矩技术理论基础 c a e 主要指利用计算机技术对工程和产品进行性能和安全可靠性分析,对其未来的工 作状态进行仿真分析,较早的发现产品缺陷,求证产品功能和性能的可靠性。注塑成型 c a e 技术是利用塑料加工过程高分子流变学、传热学、数值计算方法和计算机图形学等基 本理论,结合产品工艺信息与设计参数,建立塑料成型过程的物理和数学模型,构造有效 的数值计算方法,对塑料注塑成型过程进行数值模拟,形象、直观地在计算机屏幕上模拟 出实际成型过程,定量的给出成型过程的参数状态( 如温度、压力、速度等) ,预测产品潜 l o 2 矗曲变形的影响因素与控制方法 在缺陷并给出优化途径的综合性软件系统。注塑成型c a e 技术的应用,突破了传统的“设 计一验证一再设计”的事后设计模式,减少试模、修模次数和模具报废率,极大的提高了 设计效率,降低设计成本,提高产品质量n 钉。 注塑成型c a e 技术充分的融入了流变力学理论,以流变力学为基础,平衡注塑过程中 内在和外在因素,减少应力变形导致的注塑缺陷。熔体在充填过程中的流动属于不稳定流 动,而且流动的速度、温度和压力以及影响流动的因素均随时间变化,所以把熔体的填充 流动认为是典型的不稳定流动口1 。 注塑过程中影响熔体流变性能的主要因素包括熔体粘度和流动性。以下为熔体粘度模 型、流行模型和翘曲模型的探讨。 2 2 1 粘度理论模型n j 町 温度、压力与剪切速率直接决定了材料的粘度,应该选取能综合描述这些因素的粘度 模型。目前,较常见的粘度模型有:幂律模型、c r o s s e x p 模型和c r o s s w l f 模型。所以, 在模型的选择中首先应选取材料的性能及剪切速率,以此确定粘度模型。 材料的性质和剪切速率决定了粘度模型的选取,c r o s s w l f 模型综合考虑了压力、温 度以及剪切速率与粘度的关系,同时这种模型对于存在冷却系统的熔体流动非常的适应, 而且在拟合粘度变化时,对于熔体的玻璃态转化过程,此时刻的温度特别适应,m o l d f l o w 软件中熔体的填充模型就采用此模型。 “、 c r o s s w l f 模型的数学表达式为,如公式( 2 1 ) 示: 叼( 以尸) :上墼尘 l + ( 掣) - 一 f ( 2 1 ) 叩。( 丁,p ) :qe x p 【二罂】 ( 2 2 ) 彳2 + ( r r ) t = 嘎+ 岛户 彳2 = 彳2 + d 3 p ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式中:n :剪切粘度;t :温度;p :压力;l 。:零剪切粘度;【:流动剪切常数;n : 牛顿指数;d 。、a 。、a :模型常数;t :参考温度,通常被认为是材料的玻璃化转变温度; d :对应的低压下的玻璃态转化温度:d ,:压力影响系数,表示粘度的压力依赖性。y :剪 切速率,其表达式,按公式( 2 5 ) 计算, l ;:【( 罢) 2 + ( 罢) 2 】i ( 2 5 ) 西安理工大学硕士学位论文 2 - 2 2 流动理论模型n 刖刀 基于热力学理论与连续介质力学理论,可以得到熔体流动的控制方程,充填过程是非 稳态的、非等温的流动过程,也满足粘性流体力学基本方程。 1 ) 连续方程 对于流体的连续性,通常解释为当流体做稳定的流动时,且质量没有损失,在单位时 间内通过任意一截面的流量相等。 连续性方程使用质量守恒定律对运动流体进行表达,物理意义是在流体的运动过程中 其质量保持不变,按公式( 2 6 ) 计算。 空+ v ( p y ) :o ( 2 6 ) 夙 ” 连续方程写成直角坐标形式,按( 2 7 ) 计算: 鱼+ 旦逊+ 旦业+ 旦邋:o( 2 7 ) 夙揪 匆 钇 2 ) 运动方程 运动方程使用动量守恒定律对运动流体进行表示,物理意义可理解为流体动量的时间 变化率等于作用于其上的外力总合,按公式( 2 8 ) 计算。 p 罟= 矿+ v ( 2 8 ) 运动方程写成直角坐标形式,按公式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 计算: p 罟= 以一亟学+ 昙c 2 叩罢,+ 若晰c 塞+ 考卅昙m 芸+ 警, c 2 9 , p 罟= 鹤一亟学+ 丢m c 罢+ 考,+ 昙c 2 叩考,+ 昙所当- 砉, c 2 。) p 罟= 以一煎学+ 丢晰c 尝+ 老卅丢c 砌警,+ 昙m 宝+ 考, ( 2 ) 3 ) 能量方程 能量方程使用能量守恒定律对运动流体的进行表示,物理意义可以理解为该系统所作 的功与施加给该系统的能量之和等于系统内能的增加,按公式( 2 1 2 ) 计算。 心v = 鲁一p v y + v ( 胛r ) + 腭+ 驴 ( 2 1 2 ) 能量方程写成直角坐标形式,按公式( 2 1 3 ) 计算: 1 2 2 翘曲变形的影响因素与控制方法 舻p c 署+ “鼍+ v 等+ w 暑, 一p ( 乳y ) + 叩 2 ( 参2 + 2 ( 考) 2 + 2 ( 老) 2 “考+ 塞) 2 + ( 老+ 罢) 2 + ( 塞+ 考) 2 ) ( 2 1 3 )斑咖 化四锻比咖彩印 一孚c v 盯+ 丢c 尼豢,+ 昙c 七茜,+ 丢c 七署,+ 肿 式中:v ,p ,f ,t ,c ,p ,k ,q ,分别为速度矢量、密度、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、单位流体的热源强度和粘性耗散 功。 2 2 3 翘曲理论模型1 刀 翘曲变形可以归结为塑件成型过程中内在和外在因素的不平衡,塑件本身因应力产 生应变所致。这种不均衡主要表现在材料本身的收缩特性和成型过程中压力、温度和时间 的关系。其数学模型,按公式( 2 1 4 ) 计算: i = s f + g :r + s f + s f + s p ( 2 1 4 ) 式中: s t :与应力相对应的真实的应力分量 s i :静水压力产生的应变 s t :因温度不均匀产生的应变,与膨胀系数有关 s ,:结晶收缩产生的应变 s ,:化学反应产生的应变 :d :分子量取向产生的应变 。 为了便于研究,所考虑的各种应变常常被看成是时间或压力的函数,按公式( 2 1 5 ) 计算: g 泞f ( p ) 或s ? = f ( t ) ( 2 1 5 ) 式中,e 表示前面所述的各种应变。在各向同性的条件下,各种应变的表达式,按公式 ( 2 1 6 ) 计算: 1 3 西安理工大学硕士学位论文 脚p a d t c c 呻 ( 2 1 6 ) c ,d r c o 此 式中:p :静水压力;t :温度;由:结晶度,是随时间变化的温度函数;r :化学反应时 的一种转换系数,也是随时问变化的温度函数;:分子取向度;:压缩系数;q :热膨 胀系数;c c ,c r ,c o 分别为与聚合物结晶、化学反应和分子链取向相关的常数;s :下脚标, 表示固化时刻。 求解塑件翘曲的初始条件一般为塑件脱模后的残余应力、残余应变、分子链( 或纤 维) 取向和脱模温度、环境温度等。其中,残余应力包括:在熔体流动充模和保压阶段产 生的流动应力、塑件收缩不均产生的收缩应力、冷却不均产生的热应力和分子( 或纤维) 取向产生的取向应力。同时考虑残余应力和残余应变的塑件翘曲变形的数值计算,按公式 ( 2 1 7 ) 计算: 【k 】【艿】= 【尺7 】+ 【题】一【如】 ( 2 1 7 ) 式中:n :塑件离散单元总数; k :单元刚度矩阵; 6 :单元位移列阵; r : 等效温度载荷列阵; r 。 :等效收缩应力列阵; :等效初始应力( 残余应力) 载荷 列阵。 塑件翘曲变形的根本原因是本身内部的应力过大所致,求解上式,可以得到在残余 热应力、残余保压应力、残余流动应力和不均匀收缩应力作用下的应力和应变分布,预测 壳体的翘曲变形。 2 2 4 冷却理论模型n a l 刀 冷却过程占到整个成型周期的3 4 以上,这一过程是指壳体凝固到壳体出模这一阶段。 冷却过程是熔体固化的过程,也是热量交换的过程,其中固化放出的热量是由冷却水管中 的冷却水交换到外界。所以,型腔的温度控制至关重要,它的均匀性分布是成型质量的关 键控制因素。那么,有必要对模具的温度控制和效果进行研究,模具温度主要由冷却系统 进行调节和控制的。故使用热传导控制方程对冷却系统进行研究: ( 1 ) 热传导控制微分方程,按( 2 1 8 ) 计算 苦c t 薏,+ 昙( 七,詈) + 昙( t 鼍,

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