（机械设计及理论专业论文）基于cae的注塑模阀式浇注控制研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着注塑成型工艺的发展，热流道技术解决了普通浇注系统在注塑成型中存 在的问题，改变了传统注塑模浇注系统的设计和应用，尤其是热流道阀式浇注控 制技术的应用与研究，已成为新的研究热点。阀式浇注的原理就是在热流道技术 的基础上，通过阀式浇口对注塑成型加以控制，实现“动态”充填过程，如何优 化工艺过程的控制参数，提高成型效率、成型件的精度和改善成型件的性能，需 要在浇注系统硬件结构设计、控制方法和注塑成型分析等方面进行深入研究。本 文正是基于以上观点，开展了以下相关方面的研究。 在介绍热流道技术的基础上，对热流道阀式浇注系统的功能特点与结构设计 作了分析，综合应用热流道技术与自动控制技术，研究热流道阀式浇注机理与充 填模式，探讨浇注系统的阀式浇注设计和控制方法，分析实现阀式浇注优化控制 的关键技术。 依据流变学理论，研究注塑过程中聚合物熔体在型腔内的充填变化情况，通 过建立以节点和充填分析为控制参数的数值模型，分析熔体在型腔内的前沿面位 置、温度、压力、分子取向等变化情况。通过概述注塑c a e 技术的应用现状，利 用c a e 技术对阀式浇注充填过程进行流动分析，研究阀式浇注对注塑制件质量影 响，进行阀式浇注充填模型的c a e 优化设计分析。 最后，应用m o l d f l o w 仿真与模拟典型注塑件的阀式浇注过程，以具体分析实 例探讨了如何利用m o l d n o w 软件进行阀式浇注系统设计的一般过程和步骤，对充 填过程中注塑压力、熔接痕、制件壁厚和纤维分子取向的相互影响关系进行了模 拟分析，取得了较理想的效果。 关键词：注塑模；热流道技术；阀式浇注；注塑c a e ；流动模拟 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fh o tr u n n e ri n j e c t i o nm o l d i n g ，t h eh o tr u n n e r t e c h n i q u eh a sb e e nw i d e l yh s e di nf i l l i n gm o d e l i ts o l v e sp r o b l e m so fg e n e r a li n j e c f i o n s y s t e mo fm o u l di nf i l l i n g ，a n di th a sc h a n g e dt h ed e s i g no ft r a d i t i o n a lf i l l i n gr u n n e r s y s t e m s p e c i a l l y , t h eu s i n go fc o n t r o lt e c h n i q u eo f v a l v e i n j e c t i o nh a sb e e ns t u d i e da s ah o t s p o t ，t h u s ，t h en e wf i l l i n gp r o c e s sw i l lb ed e v e l o p e d b a s e do nt h es t u d yo ft h e m e t h o d so fv a l v e i n j e c t i o n ，t h e t r e n d s f i l l i n gp r o c e s sw i l lb ec o n t r o l l e d ；i no r d e rt o o p t i m i z ef i l l i n gp r o c e s sa n di m p r o v ee f f i c i e n c ya n dc a p a b i l i t yo ff i l l i n gt h ed e s i g no f s y s t e ma n dc o n t r o lt e c h n i q u ea n df i l l i n gc a e s h o u l ds t u d y t h em a i nc o n t e n t so ft h i s p a p e rw e r em a d eu po f f o l l o w i n gp a r t s ： h lt h i sr e s e a r c h ，t h eu s i n go fh o tr u l m e rt e c h n i q u ei si n t r o d u c e d ，a n d ，w i t hh o t r u n n e ra n da u t o c o n t r o lt e c h n i q u e ，t h ef u n c t i o na n dd e s i g no fv a l v en o z z l eo fh o t r u n n e ra r ei n t r o d u c e dm o s t l y a sar e s u l t ，w i t ht h ee x p o u n d e do fv a l v e i 蜀e c t i o na n d f i l l i n gm o u l d ，t h ed e s i g no f v a l v en o z z l ea n dt h e o r yo f c o n t r o lh a v er e s e a r c h e d ，a n o t h e r , t h ek e yo f c o n t r o lt e c h n i q u et ov a l v e i i l j e c f i o ni sa n a l y s e da l s o a st h et h e o r yo fr h e o l o g yi sa n a l y z e d ，t h eg o v e r n i n ge q u m i o nf o rt h ev a r i a b l e so f n o d a lp r e s s u r ea n df i l l i n gf a c t o ra r ee s t a b l i s h e d t h e r e f o r es u c ha st h ep o s i t i o no f t h em e l tf r o n ta n dt e m p e r a t u r ea n dp r e s sa n df i b e ro r i e n t a t i o na r ed e t e r m i n e db yf i l lt h e f a c t o rf i e l d t h ef i l l i n gs i t u m i o ni nt h ec a v i t yi ne a c ht i m ei n s t a n tc a nb eo b t a i n e da s w e l l w i t ht h et e c h n i q u eo ff i l l i n gc a es u m m a r i z e d ，t h ea p p l i c a t i o no fc a ei nf i l l i n g t od e s i g nm o u l di sa n a l y z e d t h et h e o r yo fc a ei sak e yt e c h n i q u ef o rv a l v e i n j e c t i o n s y s t e mt ob ec o n t r o l l e d a c c o r d i n gt oa p p l i c a t i o no fc a e ，t h es i m u l a t i o no ff i l l i n g p r o c e s sw i l lb ea n a l y z e da n dt h eo p t i m u md e s i g no f f i l l i n gi sf i n d e dt r u l y a tl a s t ，w i t ht h es i m u l a t e do ft y p ep r o j e c t ，t h ef i l l i n gp r o c e s so fv a l v e i n j e c t i o n m a yb eo p t i m i z e c o n t r o l l e db ym o l d f l o w b e c a u s eo fi t ，t h ei n t e r r e l a t i o nm a yb e c o n t r o l l e df o rp r e s s f i l l i n ga n dm e l t - m a r ka n dw a l l - t h i c ka n df i b e ro r i e n t a t i o ni nf i l l i n g i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo ff i l l i n gp r o c e s s ，a n dt h ei m p o r t a n to p t i m i z e c o n t r o l t e c h n i q u eo fv a l v e - i n j e c t i o ni ss t u d i e d i tc a nb er e g a r d e da sb a s ef o ro p t i m i z e c o n t r o l o f f i l l i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o u l d ；h o tr u n n e r ；v a l v e i n j e c t i o n ；c a e ；s i m u l a t i o no f f i l l i n g i i 江苏大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 随着现代制造技术和塑料工业的蓬勃发展，塑料成型模具的升级换代势不可 挡，现代模具与传统模具不同，不仅形状与结构十分复杂，而且技术要求更高， 必须借助于现代科学技术，才能达到技术要求。热流道技术是注塑模浇注系统的 种先进技术，为解决普通浇注系统在注塑成型中存在的问题，人们在普通浇注 系统的基础上作了大量开发与应用研究，热流道技术已非常成功地应用于浇注系 统”1 。 模具c a d c a m c a e 技术的应用和热流道技术的成熟发展，尤其是应用注塑 c a e 技术对塑料熔体在模具型腔中的流动平衡分析，对浇注系统的流道分布、大 小、进料口位置进行优化确认，根据分析结果对阀式浇口的开关时机、打开方式 等进行控制，阀式浇注系统优化控制是基于热流道技术结合上述相关技术的进一 步发展，阀式浇注系统的控制研究已成为塑料成型行业新的研究热点，这是提高 大中型薄壁塑件品质的关键技术，也是一项具有重要作用和深远意义的以理论为 基础的高新技术。国际上，少数工业发达国家已研发出新型的注塑浇注系统控制 技术，美国g e 公司在薄壁件生产中开发了顺序阀式浇n ( s v g ) 技术，这是一种新 型级式控制的热流道技术，能够减少大型制件流长，有效地避免熔接线，降低成 型压力，在诸如笔记本电脑外壳等较大型薄壁类制品的生产中发挥了巨大作用。 目前，我国注塑模具设计与制造整体水平仍很低，一般处于凭人工经验阶段。从 保证塑料制品的质量出发，模具行业对模具的浇注系统都提出了流动平衡的要求， 少量企业可以初步应用c a e 注塑分析软件解决一些问题，特别在浇注系统的设计 上只是应用流动平衡分析，进行围绕浇口位置优化、流道平衡优化设计，个别企 业应用浇口顺序控制浇注方法作了初步尝试，对于浇注控制方式影响塑料流动性 应用研究不够，主要是如何能够减少或消除塑料制品表面融接缝对制品的质量影 响，减少塑料制品壁厚，改善注塑工艺条件，降低生产成本，减少能源消耗，在 这些方面我国仍处于较低的研究与应用水平。鉴于此，国内科研机构和学者针对 注塑工艺作了大量的研究：如郑州工学院以三维薄壁充填过程的一种数值模拟方 江苏大学硕士学位论文 法，实现了注塑充填过程的动态模拟，中科院化学所用c - m o l d 分析软件对二维平 板制件注塑充填过程进行计算机模拟分析，应用动态应力流变仪测试所用材料的 动态流变性能，研究了注射时间、浇口位置、材料性质对充填过程的影响。基于 这种状态，本文在分析普通热流道浇注系统的基础上，针对阀式浇注系统的优化 控制相关技术问题进行研究，以及在注塑模中的应用进行探讨。 1 2 热流道技术的发展和应用概况 早在1 9 4 0 年，e r k n o u l e s 热流道模具的专利就已获得承认，热流道技术的 应用与研究不断发展，其应用推广虽经历了一个较长时间，但其市场占有率仍逐 步扩大，8 0 年代中期，欧美发达工业国家的热流道模具占注塑模总数的i 0 2 0 ， 日本约为1 0 ，到9 0 年代后，美国的热流道模具在注塑模中已占4 0 以上，在大 型制品的注塑模具中的占有率更大，2 0 0 2 年上海的国际塑料橡胶工业展览会上， 世界各地模具制造商争相推出新型的热流道模具，在所有参展的注塑机演示时几 乎都应用了热流道模具。在国内，由于技术水平和经济条件的限制，热流道模具的 应用推广较慢，只是少数模具制造商根据客户要求应用热流道技术，已能够成功 地应用于大型制品如汽车保险杠、仪表板等注塑模具中。 热流道技术的推广和应用推动了注塑成型工艺向节能、低耗、高效方向发展， 随着注塑工艺的发展，热流道技术正不断完善和加快其推广应用，热流道技术功 能进一步扩大，性能也进一步提高。 目前，热流道模具的应用正处于大发展阶段，体现在如下的发展趋势： ( i ) 热流道元件的标准化、系列化。产品开发商要求模具设计和制造周期越 来越短，热流道元件标准化不仅有利于减少设计工作的重复和降低模具制造成本， 而且十分方便于热流道系统易损部件的更换和维修。 ( 2 ) 热流道c a d c a e 方面的发展。计算机辅助设计软件可大大减少设计时间， 将热流道系统的元件、流道尺寸、喷嘴、密封环、隔热件等制成零件库，供设计 时自由调用，方便修改，由此提高设计效率，目前，常用的设计软件为美国p t c 公司的p r o e 、美国e d s 公司的u g 等。国际上具有代表性的商品化热流道模具c a e 软件如美国m o l d f l o w 公司的m o l d f l o w ，德国i k v 研究所c a d c a e 软件，我国华 中科技大学开发的c a d c a e c a m 集成系统h s c 已在一些企业推广使用。采用c a e 江苏大学硕士学位论文 技术可以实现在计算机上试模，对整个注塑过程进行仿真分析和模拟熔体在型腔 中的充填过程，在一些大型塑料制件注塑模如汽车保险杠、仪表板等外形复杂， 精度要求高的热流道模具，通过计算机模拟分析，可以预测成型规律，加快模具 设计和产品开发。 ( 3 ) 热流道阀式浇注的研究。目前，针对热流道浇口的结构设计与控制作进 一步研究，例如，美国c m o l d 公司提出了顺序阀式浇口( s v g ) 技术的理论模型j ， 美国k o n a 热流道装置制造公司 7 1 已研制出一种新型的注塑控制技术一针尖热流 道控制技术，其原理是根据模腔压力变化，改变热流道系统中阀的位置，达到控 制的目的，实现了“动态”供料。张卫忠，刘廷华 8 】等在普通热流道开放式浇口 喷嘴的基础上，阐述了针阀式喷嘴热流道的结构特点、种类及技术难点。 1 3 热流道阀式浇注技术的研究意义 随着注塑产品朝着大而薄方向发展，阀式浇注技术应当成为解决大型薄壁 和其他特殊要求塑料制品注塑加工中熔接痕、欠注等缺陷的好方法，不仅可以完 善注塑制品表面质量和性能，更能实现制品的薄壁化、轻量化要求，起到节约材 料和能源、降低生产成本、缩短产品开发周期、增强市场竞争力的作用。所以， 很有必要研究与应用这一高新技术，为推动注塑成型学科的发展，及其在汽车、 家电、通讯等工业领域的应用发展打下良好基础。 综上所述，阀式浇注系统优化控制技术具有高科技含量和新颖性，代表着注 塑成型领域的最新技术，但是对于具体的阀式浇注系统，如何优化工艺过程的控 制参数以提高成型效率、成型件的精度和改善成型件的性能，同时尽量扩展该成 型技术的适用范围，需要在系统硬件结构设计和系统控制设计方面进行深入研究， 由于该技术涵盖许多相关高新技术，尤其是应用c a e 技术对熔体流动进行分析模 拟，需要科学准确地对浇注系统的流道分布、大小及进料口位置、型腔充填过程 等进行分析确定，并根据c a e 分析结果优化调整注塑工艺；需要对热流道的材料 选择、结构设计、温度控制和热流道的制造工艺提出更高的要求；自动控制系统 控制浇口阀门的运行必须平稳可靠、运动自如，达到控制的设计要求。本文正是 基于以上观点，开展了以下相关方面的研究。 江苏大学硕士学位论文 1 4 本文的研究内容 本课题的研究内容涉及注塑模热流道系统设计，阀式浇注优化控制，成型过 程的c a e 分析及模拟等。本论文的结构安排如下： 第一章绪论，主要介绍了热流道系统和阀式浇注技术的发展趋势： 第二章热流道阀式浇注技术，介绍热流道技术、热流道阀式浇注结构设计和 控制原理： 第三章注塑流动模拟理论，介绍塑料熔体的流动行为及计算机模拟理论，在 此基础上建立了注塑充填过程的数学模型： 第四章基于c a e 的阀式浇注模拟分析，主要介绍注塑模c a e 技术在注塑工 艺中的应用，研究基于c a e 的阀式浇注优化控制，在注塑模c a e 模 拟分析基础上进行阀式浇注过程模拟； 第五章分析实例，对注塑件进行阀式浇注模拟，分析模拟结果，达到优化控 制的目的： 第六章结论与展望，对研究工作进行总结，并展望本课题的研究前景。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章热流道阀式浇注技术 2 1 热流道系统 热流道系统一般由热流道元件、电热元件和温控器三部分组成，其主要功能 是通过电热元件的加热作用，由温度控制器准确控制，使浇注系统的熔料始终处 于熔融状态，实现无凝料把的注塑，热流道系统设计的关键是热流道系统的喷嘴和 热流道板设计。 热流道系统以浇口数量可分为两大类：单头热流道系统和多头热流道系统。单 头热流道系统主要由单个喷嘴、喷嘴头、喷嘴连接板、温控系统等组成；多头热 流道系统主要由多个喷嘴、喷嘴头、热流道板、喷嘴连接板、定位座、温控系统 等组成，相应的多头热流道系统内部就由主流道、分流道和浇口( 喷嘴) 构成。热 流道系统的基本组成结构： ( 1 ) 喷嘴喷嘴在热流道模具中是最关键的部件，2 0 世纪9 0 年代，国外热流 道技术发展很快，1 9 9 1 年，1 3 本t g k 热流道系统可采取内外同时加热，在喷嘴中 心设置鱼雷式分流俊，喷嘴的品种多达2 1 4 个，1 9 9 5 年加拿大m o l d - m a s t e r s 公 司应用先进的冶金技术，以钛钼合金等高耐磨合金制造喷嘴，德国的e k w i k o n 公 司开发出了线形多头喷嘴系列，使模具型腔的中心距减少到8 2 5 m m 。国内对喷 嘴的设计和开发由来己久，天津大学的魏汝梅等。1 对热流道喷嘴设计和热平衡分 析进行研究，详细给出了各种喷嘴设计中应考虑的因素，如喷嘴长度绝热层厚度喷 嘴材料和浇口处的热平衡等，1 9 9 7 年张广兴等对喷嘴浇口的形式和特点作了介绍 分析了点浇口的设计浇口直径和浇口带长度的设定依据，给出浇口直径和注射量 的关系曲线“4 ”3 山东的李健心将各种喷嘴细化分类，将喷嘴结构分为井式喷嘴、延 伸喷嘴、带轴向固定探针的喷嘴、多孔式喷嘴、带自锁探针的喷嘴等“。 ( 2 ) 热流道板，多型腔热流道模具需要在模具内设置加热流道板，热流道板 为一块被加热元件加热的钢质板块，其中间开有热流道孔。热流道板的作用是传 递熔融树脂到达各个型腔并保持树脂的熔融状态。因此，热流道板在满足需要的 同时，要尽可能减小本身散热面积及质量，以便升温容易和避免热量散失。根据 加热方式热流道板可分为外加热式和内加热式：外加热式是从外部对流道加热，在 江苏大学硕士学位论文 与流道平行的方向上开设加热孔，内插加热棒，或在流道侧面安装加热装置如加 热器、加热圈等：内加热式则是将加热棒设置在流道中，从流道内部进行加热。 热流道板设计时，需进行加热功率的计算以确定分区控温措施，此外，还要 考虑刚度、密封、隔热措施和热膨胀的影响等。 ( 3 ) 温控系统热流道的加热和温控系统基本上由加热元件、监控点和控制 系统所组成。加热元件一般常用加热棒、加热圈、加热板、间隔加热器、浇铸加 热器、嵌入式加热器等，要求其具有较高的瓦密度。监控点为设置在整个流道中靠 近薄弱部位或工作面附近的温度监测，其使用热电藕来测温。控制系统的作用是 调控整个热流道系统的温度，使其温度波动能被控制在某一设定的范围内。 2 2 热流道阀式浇注系统 随着热流道技术应用和研究的不断深入，人们己能较好掌握热流道的结构设 计与制造、温度控制等方面技术，但应用阀式浇注控制热流道进行充填认识还不 足，所谓热流道阀式浇注就是在浇注系统内部设置阀门装置，实现对塑料熔体的 充填过程加以控制。 2 2 1 阀式浇注系统组成与结构 根据阀门装置的设置位置，阀式浇注可以分为阀式喷嘴和阀式分流道两种结 构组成。 2 2 1 1 阀式浇注系统的阀式喷嘴 在热流道系统中，最苛刻的部件是喷嘴，人们在长时间内所发展的喷嘴种类 繁多，技术要求复杂“2 1 “。根据加热方式分为内热式喷嘴和外热式喷嘴，根据进料 方式的不同，喷嘴又分为开放方式喷嘴和阀式喷嘴，本文简要介绍针阀式喷嘴。 针阀式喷嘴是在传统的开放式浇口中设置动作迅速的阀针，用来控制注塑时 喷嘴的开闭。针阀式喷嘴工作时，首先是处于阀针关闭状态，注塑机料筒及模具 热流道内的树脂已熔融，当模具闭合锁紧后，喷嘴处的阀针快速后退使浇口打开， 当塑料充填满模具型腔时，利用控制阀针的关闭来调控浇口封闭，并可调控保压 和补缩。 针阀式喷嘴的特点： ( 1 ) 在制品上不会留下进浇口的残料，进浇口处痕迹平滑，适合于产品表面 江苏大学硕士学位论文 质量要求较高的制品成型。 ( 2 ) 可防止开模时出现拉丝现象以及低粘度塑料的流延问题。 ( 3 ) 能有效地控制浇口封闭时机，调控保压和补缩。 人们在生产实践中，认识到针阀式喷嘴带来良好的使用效果，已经研究和应用 多种形式的针阀式喷嘴。根据阀针运动的形式针阀式喷嘴可分为以下几种类型： f 1 ) 弹簧针阀式喷嘴 这种喷嘴如图2 1 所示，其特点是结构简单、容易保养，弹簧阀针( 如图中1 和2 ) 的开闭依靠熔融树脂的压力变化控制，设计时主要考虑塑料泄漏及阀针的 锁紧力，缺点是阀针开闭使熔体压力有损耗、弹簧的失效等。 l 2 忒渊鲻麟 锄煞趱隧戮 b 1 ： 钎燃盼 | 1 弹簧2 阀针3 喷嘴 图2 1 弹簧针阀式喷嘴示意图 ( 2 ) 气压或液压阀杆针阀式喷嘴。如图2 2 。 1 连杆2 气缸( 液压缸) 3 阀针 图2 2 气压或液压阀杆针阀式喷嘴示意图f 9 7 l 2 江苏大学硕士学位论文 喷嘴阀针的开与关由模具上附加的气缸或液压油缸控制，在配置控制系统后， 可自由设定浇口开闭的时间，也可以进行顺序控制阀针开闭，但气缸或油缸尺寸较 大需放置于模具外部。 ( 3 ) 滑槽针阀式喷嘴。在模具中设计斜滑槽，由油缸带动拉杆在斜槽中滑动， 从而拉动阀针上下移动来控制喷嘴开闭。 ( 4 ) 气压或液压驱动齿轮齿条针阀式喷嘴。气压或液压缸通过连杆作用，带动 齿轮齿条动作使阀针运动，该结构运动动作可靠，但机构复杂，而且安装难度大。 针阀式喷嘴根据阀针的功能形式可分为以下几种类型： ( 1 ) 带有轴向固定探针的喷嘴 若点浇口平头部分能深入到喷嘴环形开口内，则塑件表面将会光滑地断开， 其环形开口将圆形截面转换成环形截面，这种喷嘴口可通过在喷嘴加一根探针来 形成。这种喷嘴的另一优点就是直接将热量传递到浇口区域，使喷嘴端口总是处 于熔化开通状态，通过改变喷嘴开口的长度及形状，可控制浇口分离，并避免拉 丝。 ( 2 ) 带自锁探针的喷嘴 使用热流道注射模成型粘度很低的塑料时，为了避免产生流涎和拉丝现象， 可采用带自锁探针的喷嘴( 见图2 1 ) 。在注射时，熔体从流道流向浇口，并通过流 动压力克服弹簧作用力，将浇口孔打开，熔体通过浇口顶端进入型腔。一旦注射 完毕，压力下降，浇口孔在弹簧力作用下重新闭合。浇口点由探针端部密封，在 塑料表面留下光滑或不明显的痕迹。带自锁探针的喷嘴种类很多，如有单模腔弹 簧式、液压杠杆式以及带内加热器的结构等。 尽管针阀式喷嘴有着良好的使用效果，但由于其结构复杂，针阀式喷嘴的设 计与制造困难，并且在塑料熔体充填过程中，阀针承受复杂多变的高压流体冲击， 其强度和刚度难以达到设计要求。 2 2 1 2 阀式浇注系统的阀式分流道 为克服针阀式喷嘴结构设计上存在的问题，可以在浇注系统的分流道设置阀 门控制装置，如图2 3 所示，在分流道和喷嘴连接交界口处设置阀门，阀门的运 作由控制系统控制，根据注塑充填需要，控制浇注系统中从分流道进入喷嘴的塑 料熔体，对熔体充填过程的流体压力、速度和阀门的关闭实行调控，从而达到优 江苏大学硕士学位论文 化控制的目的。 1 2 1 分流道2 阀门3 喷嘴 图2 3 分流道阀式组成结构示意图 分流道阀式结构实质上是阀式喷嘴阀门位置的移动改变，使得塑料充填由喷 嘴浇口处的阀针控制转变为喷嘴进料端口的阀门控制，这不仅简化了阀式浇注系 统的结构，使设计与制造更加容易，并且提高了系统的机械性能和控制性能。 2 22 阀式浇注系统的控制原理 热流道系统在设置阀门装置后，可以对塑料熔体的充填过程加以控制，实现 熔体充填过程的“动态”控制，应用注塑c a e 技术，结合自动控制技术，通过控 制系统控制阀门的运作，控制流体的速度和压力，就能够实现注塑充填过程的优 化控制，其原理如图2 4 。工作时，首先分析注塑制品的注塑工艺性能，可以根 据注塑制品的质量要求进行注塑c a e 分析，得出注塑成型工艺参数和阀门运作的 控制参数，在注塑机螺杆推进进行注塑时，由自动控制系统控制阀式浇注系统的 阀门关闭，控制塑料熔体的注射速度、压力和流动方向等影响制品质量的关键因 图2 4 阀式浇注系统的控制原理示意图 9 江苏大学硕士学位论文 素，优化充填过程，从而生产出高质量的注塑产品。 阀式浇注技术是热流道浇注系统设计及控制方法的综合应用，在原来热流道 浇注系统中加上一个可以控制开、关的阀门装置，注塑时浇口阀门的开和关根据 具体要求决定其工作方式，图2 5 中a ，b 所示为典型的注塑充填过程，各浇口的 控制为：第一步，开始时，两侧浇口关闭，打开模具中间的浇口，塑料向两旁充 填；第二步，当熔体到达两侧浇口处时，其浇口打开进行浇注，直至熔体到达模 具型腔各处并注满。 两侧浇口 a 第一步充填过程 b 第二步充填过程 图2 5 阀式浇注的充填模型图 通过阀式浇口控制注塑过程，熔体按顺序注入注塑模型腔，各浇口之间的熔 接痕可以消除或避免，因而塑料制品的强度和表面质量得到很大提高，同时，由 于浇注顺序控制后，注塑时的压力和熔体温度相对于普通浇口而言可降低许多， 这样大型复杂和薄壁类制件注塑成型就很容易实现，也可以有效地避免浇注不足 1 0 江苏大学硕士学位论文 的问题。并且，阀式浇注控制的运用可以降低注塑压力，所以注塑同样的制品， 较普通浇口模具对注塑设备的注塑压力、锁模力等技术指标要求要低得多。 2 3 阀式浇注优化控制的关键技术 ( 1 ) 阀式浇口位置的优化 实现阀式浇注系统优化控制，首先是浇口位置的合理确定，类似于普通浇口， 根据经验选择，然后采用c a e 软件进行模拟，目前，成熟的商品化软件如c - m o l d 、 m o l d f l o w 等的应用十分广泛，能够很好地解决浇口位置的优化问题，按流动平衡 的要求，理想的流动模式应该是流动前沿在同一时刻，以相同的速度到达型腔的各 部位，尽可能缩短流动前沿到达边界的时间差。由于浇口的工作组合方式不同， 特别是各浇口的开关时机、打开方式变化很多，这给分析带来了极大困难，所以 阀式浇口的位置优化是一个难题，也是有待于科研人员努力研究的课题。 ( 2 ) 优化分析充填模型 在优化阀式浇口位置的基础上进一步分析充填模型，由于注塑过程中各浇口 的控制是动态的，注塑机理完全不同于普通注塑模式，给分析研究带来了困难， 目前，国内外有针对性的研究工作甚少，尚处于起步阶段，急需开展基础应用研 究工作来填补这方面的技术空白。我们可以通过建立阀式浇注系统控制模式与注 塑压力、流动长度、制件壁厚与熔接痕相互影响的数值模型，采用理论研究、数 值分析和实验相结合的方法，在注塑c a e 分析的基础上综合应用热流道技术和自 动控制技术，解决注塑过程中阀式浇注优化控制的关键技术问题，形成优化控制 的基础理论，为大型复杂及薄壁类注塑件的成型加工方法提供理论依据。 2 4 阀式浇注控制设计 2 4 1 控制方式 前面已对热流道模具的阀式浇注系统结构与功能设计作了介绍，在此基础上， 进行控制机构装置的设计，对浇口阀门的关闭实行控制。可见，为实现优化控制 注塑充填过程，需要对浇口的阀门( 阀针) 加以适当合理的控制，根据分析结果 对阀式浇口的开关时机、打开方式等进行控制，其控制方式可以有两种： 1 机械控制机构。通过现有注塑机改造，用常规电器元件和液压元件组成控 1 1 江苏大学硕士学位论文 制系统，热流道喷嘴的阀针控制由机械机构控制，喷嘴的阀针结合注塑机螺杆运 动过程中其位置参数信息，以及塑料熔体充填流动状况，确定阀门开与关的控制。 这主要由人工控制注塑机，在反复试模过程中，获得浇口位置的熔体充填流动数 据，并由此控制浇口的充填。这种控制方式简单，操作方便，但不易掌握熔体充 填流动数据，并且浪费大量的人力物力，只适用于技术条件不够的生产企业应用。 2 自动控制系统。可以通过单独的控制系统控制，阀式浇注的阀门( 阀针) 联接自动控制系统，由自动控制系统和控制装置，在软件的自动控制程序控制下， 较容易实现控制阀门的开与关。当然，程序控制注塑模具阀式充填，对注塑设备 也有特殊的要求，它需要有一套控制系统来控制浇口喷嘴的阀门运作，主要问题是 自动控制系统如何与注塑设备协调工作，并且控制系统要反应灵敏、工作正常， 关键是在分析注塑时间、注塑压力、注塑温度等基础上，如何确定控制系统的数 据采集作为控制依据。 自动控制系统由微处理机和各种传感器、比例阀、伺服阀等液压元件组成， 控制系统可采取开环和闭环控制两种方式。对开环控制系统，当被控制对象予以 设定值之后，系统就会使被控制量( 压力、速度、温度等) 得到实际值，并经仪表 显示出来。开环控制容易受实际加工中很多因素的影响：油温变化、机器、阀门 的磨损和摩擦、以及其他不确定因素等都会使给定值与实际值之间产生偏差，但 一般无须再重新修正这种偏差。当这种偏差需要进行修正或消除时，就必须加上 带有调节器的反馈控制系统。对这种具有反馈调节的控制技术称为闭环控制。 闭环控制的工作原理是“检测偏差，纠正偏差”，即：输出量通过适当的测量 装置将信号的全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较，比较的结果称 为偏差。控制系统根据这一偏差信号的大小和方向进行工作，以使偏差减小或消 除，从而使输出量和输入量保持一致或基本保持一致。常用的反馈控制系统可分 为二类： 定值调节系统：其给定值是常数，控制系统自动保持和调节控制量为常值。 变值调节系统：其给定值是变化的，变化规律通过程序控制系统，自动地将 控制量按程序设定的变化要求控制。 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 4 2 控制系统的设计和分析 目前，自动控制系统实现对被控制参数控制的主要途径有两种： 1 在注塑充填过程中，根据模具型腔内压力或温度变化情况，通过压力传感 器将信号送给自动控制系统，控制系统做运算和判别，并将数据反馈给控制电路， 这样来控制喷嘴的阀针运作。如美国马萨诸塞州格洛斯特市的k o n g 热流道装置制 造公司( 现己和f u r o t o o l 合并组成d v n i s e o h o t r u n n e r s 公司) ，己研发出一种新型 的注塑控制技术即针尖热流道控制技术。其原理就是根据模腔压力变化，改变热 流道系统中阀针的位置，达到控制的日的。据介绍，此项新的系统使成型加工时 提高对充模和保压的控制，从而可以生产出更优质的制件，提高制件的质量稳定 性，并缩短生产周期。该系统实际上是实现了动态供料的设想。这样，在任何可 想象出的场合中，都可改进制件的质量i “动态供料”热流道装置的闭回路系统可 通过调节喷嘴前梢小孔的尺寸，来控制流入模腔中的熔体流动，它又是根据前梢 处的压力传感器所传来的信号并作此调节的。用动态供料法后，在一套多浇口模 具中可以设计成每个浇口通向模腔的流道都是等同的，但也要求更多的技巧，是 建立在操作人员己有的对工艺熟悉了解的基础上，并对喷嘴的设计与控制要求很 高，要求传感器及系统信息响应和反馈控制灵敏可靠。 图2 6 流程示意图1 江苏大学硕士学位论文 利用塑料熔体在模具型腔内的流动压力p 或温度k 变化作为控制参数，其工 作流程为图2 6 的流程示意图1 。 2 根据c a e 模拟分析，c a e 技术不仅可以分析充填过程的流动情况如注塑时 间、注塑压力、注塑温度等，以及充填效果如气穴、熔接痕、收缩变形等，而且， 可以根据平衡流动的要求，自动计算出优化的浇注系统结构与尺寸和浇口位置。 在c a e 优化分析的基础上，模拟塑料注射成型过程，应用自动控制系统控制浇口 运作，就可以很容易实现控制系统数据采集的问题，以熔体在模具型腔内的前锋 面流动位置时间参数，作为阀门浇口控制依据，这样来确定从注塑开始到阀门浇 口打开的时间t ，其工作流程如图2 7 流程示意图2 。 图2 7 流程示意图2 控制系统按控制对象可分为半自动和全自动两种。上述的自动控制系统可以 单独控制模具的浇注系统，只是针对塑料熔体进入模具型腔完成充填过程的控制， 自动控制系统是独立于注塑设备的，这样实现阀式浇注的优化控制相对要容易。 假如控制系统控制整个注塑工艺过程，则注塑机的运行、模具的开闭、控制机构 的执行都需要监控，进行闭模、注射、保压、冷却、开模等自动控制注塑全过程， 整个工作流程如图2 8 。 所以，阀式浇注优化控制综合应用了热流道技术、自动控制技术、注塑c a e 技术，上述只是就相关技术问题进行初步研究，本文针对注塑c a e 技术优化控制 1 4 江苏大学硕士学位论文 阀式浇注的问题，在后继章节中详细论述。 图2 8 流程示意图3 江苏大学硕士学位论文 第三章注塑流动模拟理论 塑料熔体在型腔中的流变行为极其复杂，在充填过程中塑料熔体的流动行为 是瞬态非等温、非牛顿粘性流体的流动，因而，流变行为直接影响着塑件的质量， 对该问题的研究如文献【2 0 3 5 】主要针对塑料熔体在模具型腔中的流动状态参数，即 速度场、温度场、和压力场，从而确定合理的流道尺寸、形式、浇口数量、位置 以及注塑工艺参数。本章在对充填机理分析的基础上，建立注射成型三维流动的 数学模型。 3 1注塑充填过程塑料熔体的流动机理 3 1 1 流变学基本理论 图3 1 为一简单的矩形模具型腔，其厚度方向的尺寸远小于平面流动方向，实 际生产中的模具要复杂得多，也可能包含几个浇口。如图中( a ) 所示，熔体由浇口 注入依次向右充满型腔，等值线代表不同时刻熔体的流动前沿位置，横截面上熔 体流动如图中( b ) 所示。在整个充填过程中，熔体流动主要包括3 个区域，a 区域是 入口区，流动是径向的，前沿呈圆弧状；b 区域是完全发展区，熔体以几乎完全发 展的形式在薄壁中流动，对于等温充模前沿是平的，而对于非等温充模，前沿呈 曲线性，这种流动在整个充模过程中占主导地位；c 区域为前沿区，这里的流动形 态称为泉涌流( f o u n t a i n f l o w ) ，熔体从中线分开向模壁流动，这主要是因为熔体前 沿与冷空气的接触，形成了一个粘度较高的前沿膜。由于前沿膜的存在，使熔体交 替发生以下两个过程：一是受到前沿膜的阻止，熔体不能直线向前流动而转向模 壁方向；- - 是前沿膜后热核区的熔体冲破前沿膜形成新的前沿膜。泉涌流动对于反 应注射、纤维增强注射以及分子取向研究至关重要，但如果流动分析的目的是获 得流动前沿位置，估计一些充模特征如充填时间、型腔压力等，可以忽略这种局部 效应。 当热的塑料熔体与模壁接触时会在型腔表面形成冷凝层，熔体象“三明治” 一样被夹在冷凝层之间，如图中( c ) 所示。冷凝层的存在会改变型腔内流动的截面 积和增大流动阻力，在一些特殊情况下，它还可能因为完全冷却而引起短射 1 6 江苏大学硕士学位论文 f s h o r t s h o t ) 。而当制品采用多浇口或有孔、嵌件、或设计的制品厚度不均时，熔体 在模具内发生两个方向以上的流动，在两股料流的汇集处就形成了熔接线。图中( d ) 为纤维增强注射时熔接线的形成状况，它的性质是由熔体流动前沿的流变状态、分 子聚集态结构以及纤维取向所决定，凡影响分子链缠结、结晶取向和分子热作用 的因素都会影响到熔接线的强度。在如何建立充模过程的数学模型时，需要首先 认识到模具型腔的几何复杂性和聚合物熔体的非牛顿特征，因此在建立熔体流动 的控制方程前，首先假定流体是连续体，这意味着忽略了微观的分子结构形态。这 种假定使我们能够在流体的某一点定义它的物理变量，如速度、密度等，以及这些 物理变量的导数。连续体假设不仅使我们能够准确地描述流体运动，而且能够使 我们采用许多标准的数学工具，如微积分等。由连续介质力学及热力学理论可以 得到一般流体运动和热传导过程控制方程。 23 ( - 】 卜生一 li 眨叠 二瘟 nc 曩匿 审心 耜 汕) f n 图3 1注射模注射过程中各种流动形态忙7 i 1 浇口2 模壁3 冷凝层4 熔接线 a 入口区b 发展区c 前沿区d 热核区e 泉涌区 3 1 2 流变学基本方程 塑料熔体在加工过程中的流动，首先表现为连续介质的性质，因此，其流变 场在一定意义上同连续介质力学有密切的关系，应首先遵循物质不灭定律、动量 定律及能量守恒定律。 ( a ) 连续性方程 连续性方程是物质不灭定律在流动场中的具体应用。在流动场中，取一控制 元，根据质量守恒，应有： 1 7 等麓 江苏大学硕士学位论文 输人量= 输出量 由此导出连续性方程： 塑_ - ( 娑+ 了a , o v y + 攀) (31)8t 、瓠a v8 z 。 “ 其中v 。、v ，、v ：分别为沿x 、y 、z 方向的速度分量。 c o ) 运动方程 在注塑成型过程中，塑料的流动伴随着动量的变化，用动量守恒定律对流动 速率进行分析，可得到熔体流动的运动方程。式( 3 2 ) 、( 3 3 ) 和( 3 4 ) 分别为在x 、y 、 z 轴上运动方程的分量表达式： p 鲁：玑v ：以+ 玑昙v 玉昭；一挈 ( 3 2 ) p 警= 仉v 2 。+ 仉品v ：+ 昭，一詈 ( s 3 ) p 鲁：仉v ：匕+ 玑昙v 玉昭：一挈( 3 4 ) 式中，第一、二项为粘性对动量的影响，第三项为重力对动量的影响，第四项为 静压力对动量的影响。 ( 3 ) 能量守恒方程： 在注塑成型中，塑料由固态经加热变为液态，又从液态经冷却转化为固态， 这个过程始终伴随着能量的交换，根据能量守恒定律： 总能量( e ) = 内能( u ) + 动能( k ) = 流动能量( v 方向) 十热传能量( q ) + 应力作功能量( f 方向) + 重 力作功能量( g 方向) 由此推出能量守恒方程： 等= 一寻懈赫+ q + 亏两+ 品； ( 3 _ 5 ) p 。鲁= 胛2 h ，( 娲+ e 寻孑 ( 3 6 ) 式中： p c ，i d t 反映了单位时间内流动场某一点因温度变化而引起的热量变化 量 江苏大学硕士学位论文 胛2 t 表示随空间位置变化而引起的温度变化及其相应能量的变化， a p 一_ + 丁( 鼍，( v v ) 是由于随温度变化而引起的膨胀或压缩能量的变化，对塑料 熔体，该项一般较小可忽略不计， k v 2 t e v v 表示机械应力作用于流体时温度的变化及相应的摩擦粘性 热效应。 ( 4 1 流变本构方程 塑料熔体的流动过程，除粘性流动外，还伴随着弹性变形及一系列松驰现象， 仅用以上的守恒定律，加上边界条件和初始条件，不足以确定其流动和变形，还 必须找出应力和应变的本构方程。流变本构方程一般有三种类型：表征松驰时 间谱的流变本构方程( 积分型) ；表征三维空间的流变本构方程( 微分型) ；基 于因果关系的流变本构方程。对于所有的普遍流体，剪切应力是由剪切速率难一 确定的，即本构关系为： f 劬 ( 3 7 ) 但就具体表达式而言，对不同的流体，流变本构方程不同，对同一性质的流 体，其流变本构方程目前也存在着不同的模型。因此，在进行注塑过程的流变分 析时，应首先根据问题的复杂程度及精度要求选用一合适的流变本构方程，例如 对圆柱管中的塑料熔体流动，通常采用指数形式的方程： ”缈2 ( 3 8 ) 3 2 数学模型的建立 3 21 基本假设 注塑模的流动问题是一个粘弹、非稳态及非等温的复杂问题，加上模腔内流 动几何状态的复杂性，要想精确描述其流动过程是非常困难的。因此，在实际应 用中必须做适当简化和假定。在工程实际中，用注塑加工的塑件一般都是薄壁件， 壁厚方向的尺寸远小于其它两个方向的尺寸，因此可假定熔体是在扁平型腔中的 流动。在此假定基础上，将流动过程做以下简化： 江苏大学硕士学位论文 传热过程：腔壁以热传导为主，忽略沿壁厚方向的对流传热，而型腔内的 流动则以对流传热为主，忽略沿流动方向的热传导。 受力：模腔内流动以粘滞力为主，忽略惯性力的影响，仅考虑熔体的剪切 应力，忽略正应力的影响，假定压力沿厚度方向