（机械设计及理论专业论文）塑料进气歧管注塑过程仿真分析.pdf

摘要 摘要 随着汽车工业的飞速发展，汽车塑料件的使用更为明显。根据主要用途，大 体可分为功能件、结构件两种。不过这种划分是相对的，往往是二者兼顾或以其 中之一为主。汽车塑料化的趋势己由普通的装饰件和软垫转向结构件和功能件， 塑料进气歧管即是汽车中很复杂的结构件、又是要求很高的功能件。目前，国内 设计制造塑料进气歧管的技术还不过关。本文就是研究开发塑料迸气歧管方法的 部分内容。 针对国内目前还不能自主设计塑料进气歧管注塑模具。作者认为必须运用 c a e 技术事先对塑料进气歧管进行注塑过程仿真研究，才能实现此种模具设计的 成功。对于塑料进气歧管，变形问题是难点。本文首先对夏利轿车发动机塑料进 气歧管进行浇口设计仿真，主要研究了在不同数目及位置方案下制品的变形、气 泡、熔接痕等情况，得出以四浇点的形式充填为最佳，并确定了浇口的最佳位置。 总结出了在设计塑料进气歧管注塑模具时要注意的几个问题。为国内成功设计制 作塑料进气歧管模具做了非常关键而具有前期指导意义的工作。 注塑成型工艺是开发塑料进气歧管的重要环节。针对各种注塑工艺参数，鲡 温度、压力、时间等进行优化。研究了以玻纤增强尼龙6 6 为材料的夏利塑料进气 歧管的模具温度、熔体温度及保压啦线对交形的影响。确立了较为合适的注塑工 艺参数。并研究了在模流分析基础上求充模时间的新方法：拉格朗日插值模拟曲 线求极值。此方法减少了模流分析的次数，提高了效率。以变形为分析目标，采 用多种方案对比求最佳充模时间，最终把变形控制在了l m 以内。 本文的最终研究成果不仅能够直接指导夏利4 g b 发动机塑料进气歧管的模 具设计，而且为国内其它车型的发动机塑料进气歧管的模具设计提供了宝贵的经 验。为国内开发塑料进气歧管探索出一条有效的途径做出了重要贡献。 关键词：塑料进气歧管注塑模具仿真 拉格朗日插值 a b s t r a c t a b s t r a c t w i mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc a l si n d u s t r y , p l a s t i cp a r ti su s e dw i d e l yi nt h e c 盯a c c o r d i n gt om a i np u r p o s e , i tw a sd i v i d e dt ot w ok i n d s ：f u n c t i o np a r ta n d s m l e t u r ep a r t b u ts u c hp a r t i t i o ni sr e l a t i v e , p l a s t i ca i ri n t a k em a n i f o l di sn o to n l y f u n c t i o np a r tb u ta l s os t r u c t u r ep a r t n o wd o m e s t i cc o m p a n i e sh a v er i oa b i l i t yt o d e s i g ni t t h i sp a p e rb e l o n g st oap a r to f e x p l o i t i n gm e t h o d a i mt ob en o ta b l et od e s i g nm o u l do f p l a s t i ca i rm a n i f o l db yd o m e s t i ct e c h n i q u e a u t h o rt h i n kt h e 蠲e e t i o nm o u l dc a l lb ed e s i g n e ds u c c e s s f u l l yo n l yb yr e s e a r c h i n g i n j e c t i o nm o l d i n gs i m u l a t i o n f o rp l a s t i ca i ri n t a k em a n i f o l d , t h ew a r p a g ei sd i f f i c u l t t os o l v e b ys i m u l a t i n gi n j e c t i o np r o c e s s ，r e s e a r c h e dw a r p a g e ，a i rt r a p s ，w e l dl i n e so f i n t a k em a n i f o l d a n a l y t i cr e s u l ts h o w e df o u rg a t e sa r eb e t t e rt ox i a l i4 g b p l a s t i ca i r i n t a k em a n i f o l d , a n do b t a i n e dt h eb e s tg a t e sl o c a t i o n s u m m a r i z e ds o m ei m p o r t a n t e x p e r i e n c eo nd e s i g n i n gi n j e e t i o nm o u l do f p l a s t i ca i ri n t a k em a n i f o l d m a d eo u tv e r y i n s t r u c t i v ew o r kt os u c c e e dt od e s i g ni n j e e t i o nm o u l do f p l a s t i ca i ri n t a k em a n i f o l d t h ei n j e c t i o nm o l d i n gi sr t li m p o r t a n tt a e h et oe x p l o i tp l a s t i ca i ri n t a k em a n i f o l d o p t i m i z e da l lk i n d so ft e e l m i ep a r a m e t e r s , s u c ha st e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，t i m e r e s e a r c h e dm o l ds i l l * f a c e t e m p e r a t u r e ，m e l tt e m p e r a t u r e a n dk e e pp r e s s u r e c u r t i u s i n f l u e n c et ow r a p o b t a i np r o p e rt e c h n i cp a r a m e t e r s i nb a s i so fw r a p ，a c q u i r e d t h eb e s tf i l lt i m eb ye o n s t r a e t i n gv a r ys c h e m e sa n dc o n t r o l l e dw r a pv a l u el e s st h a n l m m p r e s e n tan e wm e t h o dt oc a l c u l a t ef i l lt i m ei nb a s i so ft l l ef l o ws i m u l a t i o n ： l a g r a n g ei n s e r tv a l u es i m u l a t ec u et oo b t a i at h ee x t l e m t t m t h i sm e t h o dr e d u c e d n u m b e r so f f l o ws i m u l a t i o l r , i n c r e a s e de f f i c i e n c y 。 t h i sp a p e r f r u i t sn o to n l yw i l ls u p e r v i s ed i r e c t l ym o u l dd e s i g no fx i a l i4 g b p l a s t i ca i ri n t a k em a n i f o l d , b u ta l s ow i l lo f f e rv a l u a b l ee x p e r i e n c et od e s i g no t h e r e n g i n e so n 厶a n dc o m eo u ti m p o r t a n tc o n t r i b u t i o nf o re x p l o r i n g a ne f f e c t i v er o u t et o e x p l o i tp l a s t i ca i ri n t a k em a n i f o l d k e yw o r d s ：p l a s t i ca i ri n t a k em a n i f o l d , i n j e c t i o nm o u l d ，s i m u l a t i o n , l a g r a n g ei n t e r p o l a t i o n n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：匀压彳方多， 签字日期：和厂年，月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解吞壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：易压彳穸多， 签字日期：谢年 ，月，o 日 导师签名：彩和苏荔一导师签名：卅扣拟哥年一 签字日期：m 年f 月f 口日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 塑料在汽车制造工业得到了广泛的应用【“。汽车发动机采用熟塑性塑料，平 均每辆车可减少5 0 左右的重量，加工成本降低3 5 。进气歧管从1 0 千克重的铸 铁管发展到3 6 千克的铸铝管，进而发展到2 千克左右的塑料管，是塑料应用于汽 车的重要里程碑。 在塑料进气歧管的开发制造中，模具设计是非常重要的环节，国内还没有自 主设计的能力，困扰模具设计师的主要问题之一就是制品变形。为了解决这个问 题，探求一种塑料进气歧管模具设计的方法，事先利用c a e 软件进行注塑过程仿 真分析以获得较小变形非常必要。 本课题就是针对夏利4 g b 系列发动机进气歧管进行注塑过程仿真分析，通过 仿真分析确定浇口最佳位置，优化浇口数目及注塑工艺参数，争取把变形控制在 较小范围内，从而指导模具设计及注塑过程。 1 2 塑料进气歧管 进气歧管是汽油机进气系统的主体部件，进气歧管内的进气流动性能对发动 机的动力性和经济性有很大影响。超过半数的电喷系统传感器都安装在进气歧管 上，如进气温度、m a p 、水温传感器、判缸传感器、碳罐清洗，此外还有节温体、 刹车助力、曲轴箱通风及油轨等。因此，进气歧管作为发动机最关键部件，其设 计制造技术难度很大。 发动机进气歧管( a i m ) 传统材料为铸铝，空气通过a i m 的分配进入到各气缸 内，使燃气充分燃烧。发动机部件要求性能有耐一4 0 - 1 5 0 4 c 温度的耐热性、耐热 老化、耐燃油、耐各种润滑油、耐化学性，耐落锤冲击性、振动和音频衰减性， 对振动和外力有优良的耐久性，另外材料还应密度小、翘曲小、成型容易【z j 。因 塑料a i m 不仅重量轻，而且由于内壁光滑，改进气体流动性( 提高流量) ，隔热效 果好，进气效率高，能提高了发动机性能和燃料利用率【3 】。所以塑料进气歧管已 被广泛采用。进气歧管用塑料材料有很多种 4 1 。一般采用玻璃纤维增强尼龙复合 材料1 5 1 ，这种尼龙复合材料的耐汽油性能较为良好，能承受住引擎所产生1 2 9 c 的高温以及马达的振动，并可以减少引擎的噪声水平。总结其优点如下： 第一章绪论 ( 1 ) 轻量化。与铝制进气歧管相比，塑料进气歧管质量降低4 0 - 6 0 。 ( 2 ) 降低成本塑料材质的产品其成本低于铝质产品，生产方式采用注塑 成型、振动摩擦焊接的工艺，具有成型工序少、提高生产效率、节省加工时间、 降低装配时间的特点。 ( 3 ) 塑料进气歧管的内表面非常光滑，气流阻力小，可提高充气效率，燃 油可充分燃烧。由于塑料进气歧管的导热性低于铝进气歧管，使气体受热膨胀率 降低，提高了气体的密度，便气体进入燃烧室的温度降低，这不仅改善了热起动 性，还可以提高发动机的效率和扭矩，改善了发动机的性能，减少废气排放。 4 ) 降低噪声。这是因为尼龙本身具有减振消声和耐磨性。 ( 5 ) 设计自由度大，特别是熔芯法制造的塑料进气歧管。 1 3 国内外塑料进气歧管的发展状况【2 】 塑料a i m 是第一个用于汽车发动机的塑料部件。最早为1 9 7 2 年的p o r s c h e 车 a i m ，选用了b a s f 公司的尼龙树朦，由于开发成功去芯成型法( i c s t c o r e p r o c e s s ) 唧，a i m 塑料化进展加快。但由于该法成型工艺复杂、成本高、生产效 率低，逐渐被其他新工艺替代，1 9 9 8 年后的占有份额已被低成本的m u l t i s h e l l 法超过，即目前较多的是注塑成型( 或吹塑成型) 与振动焊接法相结合，如美国改 用注塑双片尼龙6 a i m 部件，靠振动焊接把两片部件连接在一起。尼龙a i m 耐气缸 高温，能满足汽车厂一定的功能要求：减轻汽车质量、减少制各工序和降低制造 成本，德国b a s f 公司与许多公司合作开发成功去芯成型法，推进了制备复杂进气 歧管的工业化应用。1 9 9 0 年b 胛( 宝马) 汽车公司用3 5 玻纤增强尼龙6 6 5 , j 备的a i m 用于2 l 和2 5 l6 缸发动机，b a s f 公司为支持该公司研究开发和应用，开发了专用 尼龙6 6 ，并进行振动分析、声响性能和注射成型工艺等研究工作。m a n n h u m n e l 公司是最早加工生产尼龙 i m 厂家。进一步合作开发始于上世纪9 睥代初期。1 9 9 4 年g m 公司在美国首次开始系列生产全塑a i m ，同年韩国h u n d a i 公司采用去芯成型 法生产尼龙a i m ，德国大众汽车公司振动塑料焊接法制标准1 4l 和2 0la i m 获1 9 9 6 年s p e 大奖，更先进的是b 栅公司的4 缸和6 缸直喷柴油发动机，研究和设计 人员利用塑料良好的加工性，一体化制备气缸盖罩、空气过滤器或排气止逆阀和 a i m ，比铸铝有经济优势，而且从生态上讲，塑料也比金属有很大的优点 耳静国际上塑料迸气歧管最先进的生产工艺是多片摩擦犁吼，生产效率和成 本最低。国内还没有掌握模具设计及多片摩擦焊生产工艺的厂家。青岛华涛使用 韩国技术开模，产品有明显裂痕。浙江神龙投资开发塑料迸气歧管，技术不过关， 一直没有合格产品。外资公司如日本京滨( 广东分公司) 、意大利马瑞利、德国 西门子等也在国内承接塑料进气歧管项目，但都在国外设计开发，费用很高。 2 第一章绪论 1 4 塑料进气歧管设计制造难点 塑料迸气歧管开发是一个与内燃机、流体力学、固体力学、高分子材料、模 具及自动化等多学科相关的交叉项目，涉及发动机工作过程模拟、进气歧管结构 设计、三维流场分析、有限元结构分析、模具设计、摩擦焊夹具设计( 或熔芯法) 以及产品检测认证等。涉及学科广泛、设计制造难度非常大。由于国外技术封锁， 国内还处于摸索阶段。主要难点如下： ( 1 ) 结构方案设计：进气歧管必须用发动机工作过程模拟软件计算一维特 征参数( 商业软件有a v l 公司的b o o s t 和s t a r c d 公司的g t - p o w e r ) ，计算得出 稳压腔容积、各歧管截面、长度、曲率等参考值，以及发动机进气歧管结构空间 和传感器、执行器、节气门及各配合面边界条件，还要考虑塑料模具制造工艺要 求、摩擦焊接工艺要求、三维流场、应力强度、变形等。 ( 2 ) 注塑模具设计制造：塑料进气歧管不仅属于异形件，结构复杂，而且 是功能件、对各项指标要求很严格，特别是变形问题。所以设计塑料模具难度非 常大，目前国内公司没有此技术。 ( 3 ) 振动摩擦焊：多片摩擦焊是从迸气歧管的结构和模具设计考虑，把歧 管分成几部分，分别进行模具设计，然后注塑成型，最后把几个部分用振动摩擦 焊焊接起来。国内还没有掌握多片摩擦焊设计生产工艺的厂家。 ( 4 ) 注塑成型：注塑成型各工艺参数的设置不仅重要而且难度很大，直接 关系到制品能否合格。 1 5 本课题主要研究内容及意义 1 5 1 本课题的研究内容 模具设计作为开发塑料进气歧管的难点之一，目前国内技术还无法解决。特 别是制品的变形问题，常常令模具设计师束手无策。本人认为要想改变这种局面， 必须事先利用c 舡技术进行注塑过程仿真分析，把变形控制在一定的范围内，才 是解决塑料进气歧管模具设计的有效途径。本课题就是首次利用c a e 技术 ( m o l d f l o w 软件) 对夏利4 g b 发动机塑料进气歧管进行注塑过程仿真分析。通过 分析预测及优化探求一些切实可行的解决方案，来指导模具设计、指导注塑成 型，最终把制品变形控制在l m m 以内。主要研究内容如下： ( 1 ) 浇注系统在注塑成型过程中起着极其重要的作用，浇注系统是否合理， 直接影响到制品的表面质量，形位尺寸，制品物理力学性质，充模难易程度及熔 ， 第一章绪论 料在充模时的流动状态。本文将针对这个问题加以分析，探讨浇口数日及位置的 优化，以指导模具设计。 ( 2 ) 解决注塑成型中塑料进气歧管出现的翘曲问题是改善塑料进气歧管质 量关键所在。也是对塑料进气歧管的下一步制作工艺振动摩擦焊能够顺 利进行的必要保证。由于在设计注塑模中遇到的最多的也是最难解决的问题就是 翘曲问题。因为这个问题涉及到很多方面的原因，所以仅靠设计人员的经验很难 准确、快速的设计出符合要求的模具来。本课题通过注塑模c a e 技术来进行数值 模拟，利用m o l d f l o w 软件找出可能引起翘曲的主要原因，并进行优化设计，从而 给出解决方案，降低产品的翘曲变形。 ( 3 ) 温度、压力和时间是主要的注塑工艺参数，对制品的内在性能和表观 质量影响很大。在各种不同的工艺中，要想找出理想的组合，传统的凭经验调试 的方法是很难在短时间内实现的。本文就此问题作分析研究，探索较为合理的注 塑工艺参数。 ( 4 ) 探讨运用拉格朗日插值模拟曲线方程求最佳充模时间的方法。 1 5 2 本课题的意义 本课题是利用c a e 技术对夏利4 g b 发动机塑料进气歧管进行注塑过程仿真分 析，其意义主要表现在以下五方面： ( 1 ) 用此方法控制制品变形是成功设计塑料进气歧管模具的有效途径。不 仅能够直接指导夏利4 g b 发动机塑料进气歧管的模具设计，而且为国内其它车型 的发动机塑料进气歧管的模具设计提供宝贵经验，为国内开发塑料进气歧管探索 出一条有效的途径将做出重要贡献。 ( 2 ) 此方法可以预测注塑成型过程中产品缺陷，以便及早提出改进措施， 在计算机上模拟试模和修改设计方案，可以有效地指导塑料进气歧管的模具设 计，大大提高模具质量，减少实际试模次数，缩短模具设计周期，降低模具设计 成本。 ( 3 ) 可以帮助注塑工艺人员确定最佳的注射压力、锁模力、模具温度、熔 体温度、注射时间、保压压力和时问、冷却时间等工艺参数，以便注射出最佳的 塑料制品来，提高劳动生产率。 ( 4 ) 夏利4 g b 发动机塑料进气歧管拟采用振动摩擦焊工艺。对塑料制品的变 形有很高的要求，所以在注塑成型前，对进气歧管进行注塑过程仿真分析来减小 变形对成功实施振动摩擦焊也非常重要。 ( 5 ) 运用拉格朗日插值模拟曲线方程求最佳充模时间，可以减少模流分析 的次数，提高效率。 4 第二章注塑制造工艺与c a e 分析技术 2 1 概述 第二章注塑制造工艺及c a e 分析技术 获得注塑制品的过程，称之为注塑成型或者注射成型，它是塑料加工中普遍 采用的方法之一。该方法适用于全部熟塑性塑料和部分热固性塑料，制品数量比 其他常规的金属成型方法要大得多。由于注塑成型加工不仅产量多，而且适用于 多种原料，能够成批、连续地生产，并且具有稳定的尺寸，容易实现生产的自动 化和高速化，具有极高的经济效益。本章将介绍注塑工艺过程、注塑模具基本结 构和制品的常见缺陷及其解决措施。以上这些都是开发塑料进气歧管所面临的不 可忽视的内容。成功开发一种合格的产品，难度可想而知，而且不仅限于此。在 实际操作过程中还会遇到各种各样的问题。计算机辅助功能c a e 技术就是解决这 些问题的有效途径之一。 2 2 注塑成型工艺及特性 完整的注塑过程上共包括塑化、填充、保压和冷却四个主要阶段。模具闭合， 塑料原料被塑化并注射入型腔，当塑料填满型腔后，保持一定的压力并继续向型 腔注入适当的塑料，保压结束后将模具冷却一段时间，然后将制件从模具内顶出， 进入下一个成型周期( 图2 - 1 ) 第二章注塑制造工艺与c a e 分析技术 图2 1 螺杆式注塑机注射成型原理图 卜料斗2 一传动装置3 - 注射缸4 _ 螺杆5 一加热装置6 - 喷嘴7 一注射模 2 2 1 塑化 塑化是指塑料在料筒内经加热达到流动状态并具有良好的可塑性的全过程。 塑料原料被与旋转的注塑机螺杆摩擦产生的热量，或者被柱塞式注塑机料筒外部 的加热器供给的热量，高温均匀熔融，为注射入模具型腔做好了准备。可以说塑 化是注塑成型的准备过程。塑料熔体在进入型腔之前应达到规定的成型温度并能 在规定时间内提供足够数量的熔融塑料，熔料各点温度应均匀一致，不发生或极 少发生热分解以保证生产的连续进行。 2 。2 2 填充 这一阶段从柱塞或螺杆开始向前移动起，将己被塑化的塑料熔体注入模具型 腔，直至模腔被塑料熔体充满为止。充模开始时模腔中压力为零，待模腔充满时， 料流压力迅速上升而达到最大值。模塑压力与充模的时间有关，在充模过程中， 熔体一方面因为与冷模壁的接触而迅速冷却，另一方面，由于压力流动而产生剪 切热。两种效应的综合作用决定了熔体的温度从而决定了注射压力的大小。 充模时间过长，先进入模内的塑料受到较多的冷却，粘度增高，后面的塑料 就需要在较高的压力下才能进入模腔，塑料熔体受到较高的剪切应力，分子取向 程度比较大。由于料温较低，分子取向没有足够时间松弛，制品固化，制品中冻 结的取向分子将使制品具有各向异性。这种制品在温度变化较大的使用过程中会 出现裂纹，裂纹的方向与分子取向方向是一致的。而且，制品的热稳定性也较差， 这因为塑料的软化点随着分子取向程度增高而降低。高速充模时，塑料熔体通过 喷嘴、主流道、分流道和浇口时将产生较多的摩擦热而使料温升高，型腔充满时， 塑料熔体的温度就能保持较高的值。分子取向程度可减少，制品熔接强度也可提 高。充模过快时，在嵌件后部的熔接往往不好，致使制品强度变劣。 2 2 3 保压 这是指熔体充满模腔时起至柱塞或螺杆撤回时为止的一段时间。当模腔被完 全充满后，塑料熔体会因受到冷却而发生收缩，但塑料仍然处于柱塞或螺杆的稳 压下，料筒内的熔料会向模腔内继续流入以补足因收缩而留出的空隙。如果柱塞 或螺杆停在原位不动，压力曲线略有衰减：如果柱塞或螺杆保持压力不变，也就 是随着熔料入模的同时向前做少许移动，则在此段中模内压力维持不变( 图2 - 2 ) 。 6 第二章注塑制造工艺与c a e 分析技术 图2 _ 2 注塑成型过程压力变化随线 此时压力曲线即与时间轴平行。保压阶段对于提高制品的密度、降低收缩和克服 制品表面缺陷都有影响。此外，由于塑料还在流动，而且温度又不断下降，定向 分子容易被冻结，所以这一阶段是大分子定向形成的主要阶段。这一阶段时间愈 长，分子定向程度也将愈大。保压阶段中，模腔内的熔体保持在高压状态，直到 熔体冷却凝固，保压压力应保持足够高以避免制件出现凹痕，但是压力过高，会 造成脱模不易，以及残余应力过大等不良后果。保压阶段结束之后，浇口冻结， 成型过程进入冷却阶段，同时螺杆开始旋转或者柱塞开始移动，进行下个成型周 期的塑料塑化。 2 2 4 冷却 这一阶段是指浇1 3 的塑料完全冻结时起到制品从模腔中顶出时为止。模腔内 压力迅速下降，模腔内塑料在这一阶段内主要是继续进行冷却，以便制品在脱模 时具有足够的刚度而不致发生扭曲变形。在这一阶段内，虽无塑料从浇口流出或 流进，但模内还可能有少量的流动，因此依然能产生少量的分子定向。由于模内 塑料的温度、压力和体积在这一阶段中均有变化，到制品脱模时，模内压力不一 定等于外界压力，模内压力与外界压力的差值成为残余应力。残余应力的大小与 压实阶段的时间长短有密切关系。残余压力为正值时，脱模比较困难，制品容易 被刮伤或破裂，残余压力为负值时，制品表面容易有陷痕或内部有真空泡。所以， 只有在残余压力接近零时，脱模才比较顺利，并能获得满意的制品【刀。 2 3 注塑模具结构 注射模具的结构是由塑件的复杂程度和注塑机的形式等因素决定的，凡是注 射模均可分为动模和定模两大部分。注射时动模与定模闭合构成型腔和浇注系 统，开模时动模与定模分离，取出塑件。定模安装在注塑机固定模板上，而动模 7 第二章注塑制造工艺与c a e 分析技术 则安装在注射机的移动模板上。图2 3 所示为注塑模具的简单结构及开模情况嘲。 图z 一3 注塑模具的简单结构及开模情况 注射模的总体功能结拇分为： ( 1 ) 成形零部件一是注射模的核心部分，包括凹模、凸模和型芯，这些零 件直接与塑料接触并做出塑件的形状【9 】。 ( 2 ) 浇注系统一将注射机喷嘴过来的熔融塑料过渡到型腔中，起了输送管 道的作用 ( 3 ) 导向机构一起到三个作用。一是保证动模和定模在合模时准确对合。 避免模具中其它零部件发生碰撞和干涉，即导向作用：二是先导向后合模，保证 塑件形状和尺寸的精确度，即定位作用：- - 是承受侧压力【l o 】。 ( 4 ) 分型抽芯机构一当塑件侧壁带有通孔、凹穴、凸台等，阻碍成型后的 塑件从模内脱出时，必须将这些成型零件做成活动型芯，带有活动型芯的机构就 是分型抽芯机构 1 l 】。 1 5 ) 脱模机构一将模腔中定型后的塑件从模具中脱落并取出的部件。 ( 6 ) 温度调节系统一控制模具的温度，使熔溶塑料在充满模腔后迅速可靠 定型。 ( 7 ) 排溢、排气系统一充模时，排除溶料进入后模腔中多余的气体或料流 末端冷料等：开模时，引入气体有利于塑件从模腔中脱出。 ( 8 ) 模桨一是注射模的夤絮和基体，模具的每一部分都要寄生于箕串透 过它将模具的各个部分有机地联系在一起。并与注射机相连接【1 2 1 。 2 4 注塑制品几种常见缺陷 第二章注塑制造工艺与c a e 分析技术 模具c a e 主要是对各种注塑制品的缺陷进行预测，以便进行改进，因此对注 塑制品的常见缺陷应有较深了解。 注射成型质量分为内部质量和外部质量两方面的内容。内部质量也称为性 质质量，它包括制品内部的组织结构形态( 如结晶和取向) 、制品的物理力学性能 和熔接痕强度，以及与塑料收缩有关的制品尺寸和形状精度，外部质量主要就是 表面质量，它包括表面粗糙度和表观缺陷状况等。最常见的表观缺陷有凹陷、缩 孔、气孔、流纹、暗斑、暗纹、银纹、发白、剥层、烧焦、变形翘曲、没有光泽、 颜色不均、浇口裂纹、表面龟裂以及溢料飞边等等。而内外部质量之间并不是互 相独立无关的问题，例如，制品表观的凹陷或缩孔往往也就是塑料内部收缩不均 造成的结果。 注塑过程中塑料需经过受热软化、熔融、注塑、保压和冷却定型等五个阶 段的物理变化过程。塑料内部产生大分子定向、结晶以及残余应力等。由于注射 成型过程中的成型条件( 如注射压力、螺杆背压、注射速度、注射量、锁模力、 料筒温度、模具温度) 的选择不当或模具本身存在的问题，因而会使注塑制品出 现许多不良现象和缺陷。 缺陷的种类很多，而在工厂实际中，主要考虑气泡、熔接缝、填充不满、 翘曲几种主要情况，本论文也是主要针对此进行考虑的，对这几种主要缺陷的特 征、产生原因进行了讨论并提出了预防和解决措施。 2 4 1 凹痕及气泡 产品凹痕通常由于制品上受力不足、物料充模不足及制品设计不合理，凹痕 常出现在与薄壁相近的厚壁部分。气泡的造成是由于模腔内塑料不足，外圈塑料 冷却固化，内部塑料产生收缩形成真空。多半由于吸湿性材料未干燥好，以及物 料中残留单体及其它化合物而造成的。判断气泡造成的原因，只要观察塑料制品 的气泡在开模时瞬时出现还是冷却后出现，如果开模时出现，多半是物料问题： 如果是冷却后出现的则属于模具或注塑条件问题。其具体解决措施为： ( 1 ) 物料方面 塑料中的水分及挥发物来自两个方面：其一是塑料在制造中未能全部除净水 分，或在储存、运输过程中，由于包装及储存条件不当而吸收的水分；另一方面 则是来自成型过程中化学反应或热敏分解等的副产物。这些水分及挥发物在成型 中变成气体，影响塑件质量，因此，在注塑前降低物料中的挥发物，干燥物料。 ( 2 ) 注塑条件方面 从注塑条件方面考虑，会引起凹痕的因素有：注射量不足、注射压力和保压 压力太低、注射时间和保压时间及注射周期过短、注射速度慢。为避免制品出现 9 第二章注塑制造工艺与c a e 分析技术 凹痕缺陷，应增加装料量、提高注射压力和保压压力、增加注塑时间和保压时间、 提高注射速度。 ( 3 ) 模具方面 浇口过小或流道尺寸太小，流动阻力大，物料充模不足，冷却后就形成凹痕。 所以要增大浇口、主流道、分流道、喷嘴孔的尺寸，还要考虑浇口的位置设置， 满足平衡充模速率的要求，避免填充不足引起的凹痕，另外，如果可能，减少制 品壁厚差异，将浇口进料设置在制品壁厚部位。 ( 4 ) 温度方面 物料太热会造成过量收缩；物料太冷造成充料压实不足；模温太低造成充模 不足，这些因素都会引起凹痕的出现。模温太高造成模壁处物料不能很快固化： 模温太低，会引起气泡的产生。物料温度和模具温度过热或过低都会产生缺陷， 为此，应根据物料特性及产品结构适当控制温度。 ( 5 ) 冷却条件原因 在冷却阶段。接触塑料的面过热，冷却效果不好，产品在脱模后继续收缩， 形成凹痕。模具的关键部位应有效设置冷却水道，或将制件在热水中冷却对消除 或减塑料注射成型工艺模拟少凹痕有着很好的效果。 2 4 2 熔接线 在注塑制品中常遇到接合缝，制品受到外力等环境作用时，常在接合缝处发 生破坏。当制品采用多浇口或有孔、锻件，或设计的制品厚度不均时，熔体在模 具内发生两个方同以上的流动，在两股料流的汇集处就形成接合缝，又称熔接线。 熔接线的强度依赖于流动前沿熔体之间互相结合的特性。在大多数情况下无法消 除熔接线，只能通过改变模具结构、制品设计以及工艺条件来将熔接线移动到不 影响制品外观或容易处理的地方。克服熔接线的方法有： ( 1 ) 设备方面 如果是注塑机塑化不良导致熔体温度不均，可延长模塑周期，使塑化更完全， 必要时更换塑化容量大的机器。 ( 2 ) 模具方面 对于由模具温度过低产生熔接线缺陷，应适当提高模具温度或有目的地提高 熔接缝处的局部温度：如果是流道细小、过狭或过浅，冷料井小引起的，应增加 流道的尺寸，提高流道效率，同时增加冷料井的容积。此外，熔接线的产生还与 浇口位置的开设有关，浇口开设要尽量避免熔体在嵌件、孔洞的周围流动。发生 喷射充模的浇口要设法修正、迁移或加挡块缓冲。尽量不用或少用多浇口。排气 不良或没有排气孔也会导致熔接线的产生，此时，应该开设、扩张或疏通排气通 1 0 第二章注塑制造工艺与c a e 分析技术 道，其中包括利用镶件、顶针缝隙排气。 ( 3 ) 注塑工艺方面 实际生产经验表明，注射压力内提高有助于克服流道阻力，把压力传递到流 动前峰，使接合缝处在高压下熔合。增加了接合缝处的密度，使熔合缝强度得到 提高；高速注射可使熔料来不及降温就到达汇合处，低速注射可让型腔内的空气 有时间排出，所以调好注射速度也非常重要。机筒和喷嘴的温度高，塑料的乳度 小，流态通畅，熔接痕变细；机筒和喷嘴的温度低，可以减少气态物质的分解， 因此，调节好注塑机喷嘴和机筒的温度对克服熔接线缺陷也有帮助。 ( 4 ) 物料方面 物科应干燥并尽量减少配方中的液体添加齐j ，对流动性差或热敏性高的塑料 适当添加润滑剂及稳定剂，必要时改用流动性好的或耐热性高的塑料。 ( 5 ) 制品设计方面 应适当增加塑件壁厚，这将有利于压力传递，还要使塑料熔体保持较高的温 度。此外还要注意嵌件的位置，如果嵌件位置不当，应以调整。 2 4 3 填充不满 填充不满是指材料未完全充满模具型腔而导致的制品不完整现象。它一般发 生在薄壁区域或远离浇口的区域，主要表现为制品整体有缩瘪倾向、多型腔模具 部分型腔局部充填不足等。从理论上讲，任何增加塑料熔体流动阻力或者阻止足 够材料漉入到型腔的因素都会5 l 起填充不满，如浇日、流道尺寸太小，塑件壁太 薄，过低的熔体温度和模具温度导致的熔体粘度过大，而流动性降低。注射压力 低和螺杆转速小都会使熔体的流速过慢，注塑机控制阀门的破损导致压力损失和 材料泄漏，由于熔体滞流或注射时间太长引起的熔体流动前锋过早凝固等。针对 这些问题，应从以下几方面考虑。以期解决问题。 ( 1 ) 设备方面 若是注塑机容量太小，应选用容量更大的注射机：如果由于料斗或喷嘴部分 被堵塞引起填充不满现象，应清理料斗或喷嘴内的堵塞物。此外，还应检查注塑 机加料控制系统操作是否正常及设备注射周期是否正常。 ( 2 ) 注塑工艺条件 注塑工艺参数主要为时间、压力、温度三要素。若填充不足是由工艺参数设 置不合理引起的，应适当调整工艺参数，提高注射压力或提高温度，提高注射速 度，增加注射时间及预塑时间， ( 3 ) 模具方面 模具设计不合理或浇注系统有缺陷都会引起填充不满。为此，应适当增加流 第二章注塑制造工艺与c a e 分析技术 道及浇口尺寸，对于多型腔模具要仔细考虑流道及浇口大小尺寸，以确保流动平 衡，避免填充不满的缺陷发生。此外，还要合理布置浇口的位置及数目，在确定 浇口位置和数目时，应针对塑件的几何形状特征及技术要求，来分析塑件的流动 状态、填充条件及排气条件等因素。对于可能由于排气不足引起的填充不满，要 开设排气孔或排气槽。 ( 4 ) 物料方面 主要是物料的流动性太差引起的，因此根据工艺及技术要求，选择流动性好， 又能满足工艺技术要求的材料。 2 4 4 翘曲 翘曲变形是指注塑制品的形状偏离了模具型腔的形状，它是塑料制品常见的 质量缺陷之一。翘曲变形与塑件的收缩有关。一般均匀收缩只引起塑件体积上的 变化，只有不均匀收缩才会引起翘曲变形引起收缩变化的主要因素有：沿流动 方向和垂直于流动方向的分子和纤维取向。如果成型塑料件具有较高的分子取 向，分子链会在取向方向上产生很大程度的收缩而导致各向异性的收缩，对于纤 维增强塑料件，由于收缩率的不一致( 增强纤维收缩率较小) 会造成沿纤维排列方 向收缩较小，而在横向收缩较大：沿制件厚度方向的非均匀冷却。从模壁到制 件中心材料的冷却与收缩的不一致，将导致制件在脱模后产生翘曲；由于制件 厚度变化引起的非一致冷却速率。塑料制件壁厚不同，冷却速度也不相同；非 对称的制件几何形状，如一平板上有许多肋排列在一个方向上或处于制件的一 侧，也会导致不一致的冷却；成型制件内部的温度和保压状态的变化等，如浇 口附近的压力过大和远离浇口位置的压力不足。为了减少或控制翘曲变形的发 生，应该考虑以下的方法： ( 1 ) 注塑工艺方面 在工艺方面，要快速充模，这样会使熔体热传递时间缩短，能够用充分的物 料来补偿热收缩。此外，可以提高注射压力和保压时间，能使翘曲减至最小。 ( 2 ) 物料方面 在物料方面，聚合物分子量分布越窄则翘曲越小，因此，选用结晶型聚合物 其制品易收缩或翘曲，而结晶度高，密度大的制品翘曲倾向会减小。 ( 3 ) 模具设计方面 在模具方面，由于冷却部位温度控制不均匀会使制件取向和结晶度产生差 异，从而引起内应力不均，最终导致翘油。脱模力不均匀或脱模顶出面积不当也 会引起翘曲发生。对于浇注系统的设计，如果浇口太小而不能使物料在浇口封闭 之前填满模腔将会引起翘曲变形；另外，在薄的断面处开浇口也会造成较高的内 1 2 第二章注塑制造工艺与c a e 分析技术 应力而导致翘曲发生，所以应在厚断面处开浇口。 总括起来，减少翘曲的办法是：减小取向，增大浇口尺寸，适当降低熔体和 模具温度，加快注射速度，增大注射压力，延长注射时间和保压时间，减小浇口 处的压力，增加壁厚，增加筋和圆角处的补强。 2 5c a e 基本知识 塑料制品的传统设计与制造方法为概念设计、产品设计、模具设计、模具 制造、试模、生产等过程依序进行。如图2 4 所示，只有在实际试模或对产品测 试后才能发现问题，并根据出现的问题修模，甚至更改设计，如此反复进行，直 到试模和产品测试没有问题为止。这一过程既耗资又费时，严重影响了新产品的 开发和面市。 图2 - 4传统塑料制品的设计与制造方法 c 肛( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 技术即计算机辅助工程技术，它是计算 机辅助设计计算机辅助制造( c a d c 埘) 技术向纵深方向发展的要求。一般认为 c a e 技术是一个包含数值计算技术、数据库、计算机图形学、工程分析与仿真等 在内的一个综合性软件系统，其核心技术是工程问题模型化和数值实现方法。 注射模c a e 技术就是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论，建立塑料熔 体在模具型腔中的流动、传热的物理数学模型，利用数值计算理论构造其求解方 法，利用计算机图形学技术在计算机屏幕上形象、直观地模拟出实际成型中熔体 的动态充填、冷却过程，定量她给出成型过程的状态参数( 如压力、温度、速度 等) 。利用注射模c a e 技术可在模具制造之前，在计算机上对模具设计方案进行分 析和模拟来代替实际的试模，预测设计中潜在的缺陷，突破了传统的在注塑机上 反复试模、修模的束缚，为设计人员修改设计提供了科学的依据，其在产品开发、 生产过程中的流程如图2 5 所示【1 3 】利用c a e 技术在产品开发的任何一个阶段，都 第二章注塑制造工艺与c a e 分析技术 可以检验设计方案的可行性，防患于未然。由于计算机运算迅速，较短时间内可 以测试好几种甚至几十种设计方案，较之传统的修模、换模、试模，就人工、时 间、经费、材料、能源、场地而言，都具有明显的优势0 4 - 1 5 】。 i c a e 图2 - 5采用c a e 技术的塑料注射模设计方法 注塑模c e 技术的研究工作主要集中在流动模拟、冷却模拟，保压、翘曲和 工艺参数优化等方面按照技术的发展历程，注塑成型模拟技术主要经历了如下 三个阶段：中性层模拟、三维真实感模拟和三维模拟f 蚓各个阶段都有不同特点。 2 5 1 中性层模拟技术 在八、九十年代，国内外的注塑模c e 软件采用的是基于塑料制品中心层面 的流动模拟技术，简称中性层模拟技术。国外一些著名的注塑模c a e 软件供应商 如美国a c t e e h 公司、澳大利亚m o l d f l o w 公司，其主要的c a e 软件产品均采用中性 层模拟技术。中性层模拟技术，其实现过程如图2 - 6 所示。首先将薄壁塑料制品 抽象成近似的平面和曲面，这些面被称为中性层面。在这些中性层面上生成二维 平面三角网格，利用这些平面三角网格进行有限元计算。并将最终产生的分析结 果( 各时间段温度场、压力场、流动前沿等) 在中心层面上用不同的色彩显示。 ( d ) 图2 - 6基于中性层模型的模拟过程 ( a ) 3 d 实体表面模型 ( b ) 中性层模型( c ) 中性层网络剖分( d ) 模拟结果显示 由于中性层模拟技术使用的仅是二维平面三角网格，为了分析厚度上的流动 与导热过程，在分析过程中又利用了三角网格的厚度信息，所以该技术又被称为 1 4 第二章注塑制造工艺与c a e 分析技术 2 5 维流动模拟技术。这种技术能分析形状复杂的塑料制品，但也存在很大的局 限性【1 7 】主要表现为： ( 1 ) 将三维塑料制品尤其是形状复杂的塑料制品抽象成中心层面非常复杂， e a e 软件的使用人员必须理解中性层的概念，且操作过程十分繁琐。 ( 2 ) 由于不能直接利用其它造型系统生成的三维塑料制品的实体信息，必须 建立独立的中心层造型工具，而独立开发的e a e 系统造型功能又往往很差，因此 设计效率低下，c a d 与c a e 的集成也不可能实现。 ( 3 ) 分析结果在中心层面上显示缺乏真实感。 2 5 2 三维真实感( 双面流) 模拟技术 九十年代后期，一种新的流动模拟技术一三维真实感流动模拟引起了人们 的关注。这种技术无需中心层面，可直接在三维实体模型上分析，为注塑模 c a d c a e 无缝集成、注塑过程的虚拟化提供了可能。 三维真实感模拟技术算法的核心仍采用二维有限元与一维有限差分的藕合， 但无需生成中心层面，可直接在三维实体模型上分析与显示。其实现原理如图2 7 所示。首先读取塑料制品的三维实体信息，利用实体表面信息生成所有表面的二 维平面三角网格。对薄壁塑料制品，可对所有三角网格的节点进行厚度方向配对， 产生节点配对信息及节点厚度信息。再利用三角网格数据、节点配对信息和厚度 信息进行有限元计算，产生的流动分析结果直接在三维实体表面显示。 一豫一论 ( a ) 图2 7 ( a ) 三维实体 ( b ) 三维真实感模拟技术 ( b ) 表面三角网络 ( c ) ( c ) 结果显示 由于是直接读取三维实体信息生成表面三角网格，真实感模拟技术免去了中 心层模拟技术中先抽象出中心层面，再生成三角网格这一复杂步骤，同时也充分 利用了其它c a d 造型系统生成的三维实体信息。在结果显示方面，由于真实感模 拟技术将分析