（机械设计及理论专业论文）复杂壳体类塑件气辅注射成型工艺优化研究.pdf

摘要iiliifillfillllfllllllhill11! y i9 4 2 7 3 2摘要气辅注射成型工艺参数的确定是一个相当重要和复杂的过程，它直接对制品的质量产生影响。如何筛选成型过程中重要的工艺参数并优化组合以获得较好制品质量是目前该领域一大难题。本文将2 l 英寸彩电前壳作为研究对象，以正交试验设计方法为基础，利用遗传算法并结合径向基神经网络建立气辅注射成型工艺参数优化系统，可用于工艺参数组合的快速确定，为气辅注射成型过程中工艺参数优化提供了一种新的求解思路。本文主要研究工作如下：( 1 ) 综合考察分析了对制品质量影响严重的一些工艺参数；归纳总结了气辅注射成型常见缺陷及解决办法。( 2 ) 将正交试验设计方法与m o l df l o w2 0 1 0 数值模拟相结合，对2 l 英寸彩电前壳气辅注射成型工艺参数组合进行了初步优化。( 3 ) 利用多目标最优化方法建立了气辅注射成型工艺参数优化数学模型。( 4 ) 建立了工艺参数与制品质量指标间的径向基神经网络模型。以正交试验初步优化得到的工艺参数组合为依据，再按正交设计方法获得神经网络训练数据，通过网络训练，获得工艺参数与制品质量指标的映射关系，并验证了该模型的正确性。( 5 ) 选择多目标遗传算法策略，结合建立好的径向基神经网络模型，建立气辅注射成型工艺参数优化系统。通过该系统，得到了最佳工艺参数组合。最后通过数值模拟验证表明了基于神经网络一遗传算法的多目标优化方法用于气辅注射成型工艺参数优化的可行性和有效性。关键词：气辅注射成型，正交试验设计，径向基神经网络，遗传算法，多目标优化i ia b s t r a c ta bs t r a c th o wt oe f f e c t i v e l ya n dq u i c k l yd e t e r m i n ep r o c e s sp a r a m e t e r so fg a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g ( g a i m ) i saq u i t ei m p o r t a n ta n dc o m p l e xp r o c e s s ，w h i c hd i r e c t l ya f f e c to nq u a l i t yo fp r o d u c t s u pt on o w , i ti ss t i l lap r o b l e mh o wt oc h o o s et h ek e yp r o c e s sp a r a m e t e r sa n do p t i m i z et h e mt oo b t a i ng o o dp r o d u c tp e r f o r m a n c e 21i n c h e sc o l o rf r o n tp a n e li st a k e na ss t u d yo b j e c t o nt h eb a s i so fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n ，g a i mp r o c e s sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e db yu s i n gah y b r i ds y s t e mt h a tc o m b i n e sr a d i c a lb a s i sf u n c t i o n ( r b f ) n e u r a ln e t w o r kw i t hg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) 。i tc a l lb eu s e dt od e t e r m i n eo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e rc o m b i n a t i o nr a p i d l y ，a n da l s op r o v i d ean e ws o l u t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nf o rg a i m t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ：( 1 ) n ei n f l u e n c ef a c t o r so fs e v e r a lq u i t ei m p o r t a n tp r o c e s sp a r a m e t e r sf o r t h eq u a l i t yo fg a i mp a r tp r o d u c t sa r ec o m p r e h e n s i v es t u d i e d n ec o m m o nd e f e c t so fg a i ma r es u m m a r i z e da n dt h er e l e v a n ts o l u t i o n sa r eg i v e n ( 2 ) t h ep r e l i m i n a r yo p t i m i z a t i o ni sd o n eb a s e do no r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g na n dm o l d f l o w2 010s i m u l a t i o nm e t h o d s ( 3 ) t h eg a i mp r o c e s sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e db yu s i n gm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm e t h o d ( 4 ) t h er b fn e u r a ln e t w o r ki ss e t u pt os h o wt h er e l a t i o n s h i po fg a i mp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dt h eq u a l i t yo fp a r tp r o d u c t s a c c o r d i n gt ot h ep r e l i m i n a r yo p t i m u mg a i mp r o c e s sp a r a m e t e r sg o t t e nb yu s i n go r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n ，t r a i n i n gs a m p l ei sg e n e r a t e dt ot r a i nt h er b fn e u r a ln e t w o r ka n dt h ec o r r e c t n e s so ft h er b fn e u r a ln e t w o r ki sv e r i f i e d ( 5 ) t h eg a i mm u l t i - o b j e c t i v ep r o c e s sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ns y s t e mi sb u i l tw i t hr b fn e u r a ln e t w o r km o d e la n dg a t h eb e s tp r o c e s sp a r a m e t e r sc o m b i n a t i o ni so b t a i n e db yt h i ss y s t e m a tl a s t ，t h er e s u l t so fc a es i m u l a t i o ns h o wt h a tt h eo p t i m i z a t i o ns y s t e mi sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e i i ia b s t r a c tk e yw o r d s ：g a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n ，r a d i c a lb a s i sf u n c t i o n ( r b f ) n e u r a ln e t w o r k ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o ni v第1 章绪论1 1 概述第1 章绪论气体辅助注射成型技术( g a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g ，简称g a i m ) ，简称气辅注射成型技术【1 。2 】。气辅注射成型技术是兴起于2 0 世纪9 0 年代的一种新型聚合物成型加工技术，时至今日，该技术已经在世界各地得到了广泛关注和普遍应用。气辅注射成型技术的主要原理是在塑料成型过程中，先将惰性气体在很高的压力作用下注入熔体中，再将气体保持一定的压力，最终在塑料制品内部形成中空截面。气辅注射成型与普通注塑成型相比，得到的制品不仅具有高强度、高表面质量，而且还具有成型周期短、节省原材料、提高生产效率和延长模具工作寿命等优点。为汽车、家电、日用品等塑料加工行业提供了崭新的应用领域，被誉为注塑成型时代一项划时代的革命【孓5 1 。1 1 1 气辅注射成型的基本原理气辅注射成型过程可分为熔体注射、气体注射、保压冷却和脱模顶出四个阶段【每7 1 。第一阶段熔体注射( 图1 1 ( a ) ) ：将塑料熔体注射到模具型腔内，熔体预注射量一般占型腔体积的6 0 , - - - 9 9 ，具体的预注射量根据不同结构制品，通过工艺试验和c a e 模拟分析确定。第二阶段气体注射( 图1 1 ( b ) ) ：利用气辅设备将高压惰性气体注入熔体芯部，使高压气体推动熔体继续向前流动，最终充满型腔形成中空截面的制品。第三阶段气体保压( 图1 1 ( c ) ) ：此阶段包括两个过程：高压保压和低压保压。该阶段通过保持一定的气体压力使制件逐渐冷却，可使制品获得均匀的保压。气体注入到熔体芯部，由于气体压力的作用，可以使制品的内表面由内向外的紧贴模具型腔的内壁，而且还可以利用气体二次穿透，来补偿或减少制品由于冷却固化引起的部分体积收缩。第四阶段气体排出与制件顶出( 图1 1 ( d ) ) ：制品经过气体保压和冷却之后，会具有较高的强度、硬度和较好的表观质量。这时可以排出制品中的气体，第1 章绪论待制品进一步冷却后方可顶出。( a ) 熔体注射( b ) 气体注射( c ) 气体保压( d ) 气体排出与制件顶出图1 1 气辅注射成型基本原理图1 1 2 气辅注射成型工艺的特点气辅注射成型技术自上世纪9 0 年代得到广泛关注以来，在家电、日用品、汽车等塑料加工行业得到了广泛的应用，通过这些应用使气辅注射成型技术优越性得到了很好的展现。气辅注射成型技术是从传统注塑成型和结构发泡技术发展起来的，它兼有二者的优点。但任何生产技术的应用都是具有两面性的，在具有优点的同时必然会具有一定局限性。下面就气辅注射成型技术的优缺点作具体的阐述p j 。1 气辅注射成型技术的优点气辅注射成型技术可以成功的加工厚壁和壁厚局部不均匀的制品。气辅注射成型与其他成型方式相比较，加工所得到的气辅制品残余应力降低、翘曲变形小、减少或消除缩痕、合模力吨位降低、注射压力降低、气道取代热流道系2第1 章绪论统从而降低模具成本、材料适应性好、更大的设计自由度和使制品综合性能的提高；与结构发泡相比，制品外观质量得到改善( 也就是减少或消除休整过程) ；气辅注射成型加工得到的中空制品，具有更加容易填充、刚度与质量之比更大、物料流动距离更长的特点。对于大型复杂的注塑制品，应用气辅注射成型技术比传统注射获得的制品收益率大得多，而且成本、成型周期也短。表1 1 是2 9 英寸电视机壳的气辅注射成型设计和传统的注射成型设计在各个方面的比较。表1 12 9 寸电视机壳的气辅注射设计和传统注射设计的对比对比项目气辅注射设计传统注射设计经济效益单副模具成型且不开多副模具模具结构降低了模具成本需要滑块结构需要内滑块结构加强筋壁厚、数量加强筋壁薄、数量少产品机构件简化，模具加工工时筋板设计少、结构简化且面复杂缩短壁厚2 5 4 m m3 5 m m节省材料3 5 浇口数量4 个6 8 个废料减少锁模力约6 0 0 0 t约1 4 0 0 t模具寿命延长、成本降低成型周期3 5 7 5 秒9 0 1 0 0 秒生产效率提高2 气辅注射成型技术的缺点如果不是因为气辅注射成型技术具有一定的局限性，那么，这项技术在这3 0 年间应该应用的更加广泛了。( 1 ) 气辅注射成型工艺参数的个数要比传统注塑成型多几倍，各工艺参数之间的交互影响和敏感性更加严重，工艺参数对制品质量的制约也愈来愈严重，这些使得在成型过程中对这些工艺参数的设置和控制越来越困难。( 2 ) 气辅注射成型制品的气道结构设计、气体喷嘴的设计、气体注射位置的选择及模具设计的不尽合理，会造成气体无法穿透气道、气针堵塞、气指等问题，严重的会导致废品率的上升、生产不稳定、制件效率和质量的下降。( 3 ) 没有通用的气辅注射成型设备和模具，需要改装传统注射机的喷嘴、添加气体入口和使用净化的氮气，或添加一些压力和温度传感器以提高成型过程的控制精度。这些会使生产成本大大提高，从而压缩了产品收益率。第1 章绪论( 4 ) 对工艺设计人员和操作人员的知识水平和技术要求较高，不能通过经验来确定成型工艺参数和预测制品的成型缺陷，而是需要使用c a e 软件，在产品实际投入生产前进行数值模拟分析，确定最佳的成型方案和合理的工艺参数。1 2 气辅注射成型技术的组成气辅注射技术的组成主要包括三个主要部分：气辅注射成型装置、c a e 分析软件和气辅注射成型工艺开发与应用【1 2 1 ，如图1 2 所示。气辅注射成型装置主要包括压力发生器、氮气产生装置、气体压力控制元件和气体注入元件；c a e分析软件主要是m o l df l o w2 010 或c m o l d 模拟仿真软件；气辅注射成型技术的核心是气辅注射成型工艺开发与应用，这个需要由用户自行研发或引进。图1 2 气辅注射成型技术组成4可视化模块第1 章绪论1 3 气辅注射成型工艺国内外研究现状1 3 1 气辅注射成型技术国内外应用早在2 0 世纪7 0 年代，人们就对气辅注塑成型技术原理有了一定的了解，经过科研人员近2 0 年的不懈研究，到9 0 年代，这项技术才逐步地应用到生产技术上来。气辅注射成型技术最初只应用于加工桌子、椅子、把手等制品，随着计算机辅助技术的发展和气辅注射成型技术的日趋完善，使得这项技术的应用范围越来越广泛，目前可以加工更加复杂的制品。在汽车领域，德国的i k v 研究所将气辅注射成型技术用于b m w ( 宝马公司) 车的前后保险杠、车门把手等汽车塑料制品的生产中。b a t t e n f e l d 公司的a i rm o u l d 系统在德国已成功地用于加工显示器外壳、大尺寸彩电外壳、汽车保险杠、汽车后视镜、汽车空调面板、椅子扶手等注塑制品。日本m a z d a 公司通过采用多点注气方式一次成型加工更薄壁厚，强度更高的汽车保险杠。美国c h r y s l e r ( 克莱斯勒) 公司早期应用b a t t e n f e l d 的a i r - m o u l d 成型方法加工的汽车把手可比用传统工艺加工的把手组装元件从2 2 个减少到1 4 个、质量减轻了0 7 5 k g 、单个成本降低$ 1 5 ；后来又与具有丰富气辅注射成型加工经验的c a s c a d ee n g i n e e r i n g 公司合作，生产出了世界首例全塑汽车车身，使一辆传统汽车零件从4 4 0 0 减少到了11 0 0 个。美国d e l p h ii n t e r i o r & l i g h t i n gs y s t e m s 采用通用汽车公司的气辅注射成型技术生产车门组件，这个门板由6 1 个部分组成( 窗调节回程板、附属走线槽、扶手支撑座和喇叭安装座等) ，以前这些元件大部分都有金属制造而且需要组装，使用气辅注射成型技术后改用p c 和聚脂，加入3 0 的玻纤合成材料一次成型，零件厚度为3 m m 2 0 m m 不等，也使其成本降低了5 1 0 ，减轻了车门质量，可使每辆车减轻1 5 k g ；同时也使零件的装配时间由原来的3 3 0 s 减少到了5 2 s ，降低工作噪声等。气辅注射成型技术在家电领域的应用尤其在彩电外壳的加工生产方面比较突出，目前已经具有不可或缺的地位。1 9 9 1 年日本率先成功的应用气辅注射成型技术加工了2 9 英寸电视机前框。随后松下( p a n a s o n i c ) 公司也成功的应用气辅注射成型工艺加工了更大尺寸的电视机外壳( 7 4 c m ) 。通过气辅技术的应用不但降低了模具设计和机器成本，而且取得了难以置信的工艺效果，电视机外壳厚度从3 6 m m 减到2 5 m m ，注塑时间减少近一半，制品质量减轻了3 5 ，表面缩第1 章绪论痕、翘曲，熔接缝等都得到了改善。日本佳能公司的传真机基座也采用了气辅注射成型工艺，该工艺能够将传真机加强筋厚度从1 3 m m 提高到2 m m ，并且保证制品表面的光洁度，同时使制品的壁厚从2 5 m m 降到了2 m m 。气辅注射成型技术在小型注塑件得到了更加广泛的应用。例如，l o g i t e c h 公司( 罗技公司) 应用气辅注射成型技术加工生产的计算机鼠标，成功避免了由于鼠标的外壳壁厚变化出现缩痕，如图1 3 ( a ) 。还有像a b s 材质的便携式c d 盒，该产品的壁厚仅l m m ，采用传统的注塑加工得到的产品翘曲变形量很大，高达2 m m ；而采用3 点注气的气辅注射成型技术后，制件翘曲变形量降为0 2 m m 【1 3 。19 1 ，如图1 3 ( b )【2 0 】0近些年，气辅注射成型工艺在国内也得到了广泛的推广和应用。从1 9 9 5 年中科院化学所率先引进英国全套气辅注射成型设备开始，国内的一些家电公司也陆续引进并应用了此技术。例如，深圳康佳、珠海格力、青岛海尔、四川长虹、南京熊猫等。在汽车应用方面成都塑胶集团最先引进了气辅设备加工汽车内饰件；其次东风集团、一汽大众以及一汽集团下属的轿车公司也采用气辅技术加工汽车保险杠、后视镜、仪表盘、车门、杂物箱等【2 m 3 1 。图1 3 ( a ) 罗技公司鼠标图1 3 ( b ) a m p 公司便携式c d 盒1 3 2 气辅注射成垂工艺优化研究进晨国内外的学者和专家近几年来在气辅注塑成型工艺方面也做了一定的研究工作。国外2 0 0 1 年麻省理工大学c h e n 等【2 4 1 将增加气体穿透长度作为目标对气辅注射成型工艺条件进行了优化研究，通过定义气体穿透成本，把多目标优化问题转化为以气体穿透成本的目标函数，其它质量指标为约束条件的单目标优化问题来进行研究。2 0 0 3 年m u l v a n e y j o h n s o n 等口5 1 建立了气辅注射成型专家系6第1 章绪论统对气辅注塑成型进行了优化研究。z h a o 等【2 6 】用正交实验设计方法对气辅注塑成型进行了优化研究。2 0 0 5 年c h e nc h u n s h e n g 等1 2 7 】采用有限元与正交试验设计方法相结合来模拟气辅注射成型过程，从而获得生产某p s 制品的最优工艺参数。2 0 0 6 年m i g u e ls a n c h e z s o t o 掣邛】以汽车塑料外盖为模型，用实验设计方法对气辅注射成型工艺参数进行了优化研究，熔体注入口和气体的入口通过数值模拟的方法确定，利用实验设计法研究了工艺参数对气辅注射成型制品质量的影响。国内欧长劲等1 2 9 - 3 0 l 用正交试验法和模拟仿真相结合得到一组优化的工艺参数组合，这种工艺参数设定的方法可以在有限的实验次数下快速地确定出一组较优化的工艺参数：通过建立并训练模糊神经网络，实现了对气辅注射成型注射压力的精确控制，表明了模糊神经网络在气辅注射成型工艺参数优化设定方面的可行性。郑子军【3 i j 运用正交实验对c a e 模拟结果进行综合平衡分析，这种方法可用于气辅注射成型工艺参数组合确定；利用b p 神经网络实现了根据缺陷指标进行高效快速气辅工艺参数的智能设定。青岛大学贺斌1 3 2 】采用气辅注射c a e 技术在彩电前壳模具设计中的应用进行研究，利用气辅注射c a e 技术对模具浇口设置、气道布置及熔体充填形态进行模拟分析，并对制品壁厚进行优化。蒋志辉等【3 3 】采用正交试验与神经网络相结合对引起制品翘曲变形缺陷的的重要气辅工艺参数进行了优化。2 0 0 8 年南昌大学柳和生等【3 4 】基于h e l e s h a w 模型，采用c a e 技术，利用m o l d f l o w 模拟仿真软件研究了气辅注射成型重要工艺参数与制品性能指标之间的关系，即成型过程中熔体注射温度、熔体预注射量、气体注射压力、气体注射延迟时间与气体在气道中的穿透长度、制品成型后的厚度、熔体填充时间等性能指标的关系。魏常武1 35 j 利用正交试验设计方法选取四因素三水平正交表，结合c a e 模拟仿真软件m o l d f l o w 研究了不同工艺参数对气体穿透的影响，用极差法分析了各因素对气体穿透的影响程度，最后对工艺参数进行了优化组合。，1 4 选题意义和主要研究内容1 4 1 选囊意义目前，国内的塑料2 n - r 业，量大面广，但是由于该技术的专利保护，在很7第1 章绪论长时间和很大范围内限制了其广泛应用。在美、日、欧等发达国家和地区，气辅技术已经逐渐得到了更快的发展和广阔的应用。在国外气辅模具占整个模具的2 0 左右，而我国目前的比例为5 。由此看来，气辅注射成型技术的发展和应用还有很大的上升空间。在当今市场竞争越来越激烈的大背景下，如何摆脱国外企业对气辅注射成型技术的垄断问题，这需要我国在吸收消化国外成熟气辅注射成型技术的基础上自主研发气辅注射成型新技术、新设备、新产品，只有这样才能提高产品的市场竞争力。复杂壳体类零件通常由于功能需要都存在局部截面较厚的结构，且塑料本身的导热性不良造成沿壁厚冷却速度的不一致，用传统的注塑成型工艺易产生缩痕和翘曲变形，而使用气辅注塑技术能够克服这一问题。与传统的注射成型工艺相比，气辅注射成型工艺相关的参数较多，其中影响比较大的工艺参数包括：塑料熔体温度、塑料熔体预填充量、注射时间、延迟时间、气体压力、气体保压时间等。工艺参数数量的增加提高了确定注射成型工艺的难度，采用传统试模的方法来解决成型缺陷，既费时，又不经济，甚至无法解决问题。因此采用什么方法来快速解决这一问题，实现气辅注射成型工艺参数的优化。解决这一课题对企业提高市场竞争力有重要意义。气辅注塑技术在江西起步较晚，使用也较少。南昌宝龙科技实业有限公司是专业生产t c l 彩色电视机前壳的企业，也是江西省唯一一家使用气辅注塑技术的厂家。t c l 彩色电视机前壳包含有加强筋、螺纹孔等，属于复杂壳体类零件，在其生产中也发现了成型缺陷问题。气辅注射成型技术的研究和上述课题的解决对气辅技术在江西的发展、推广应用、提高企业的经济效益有重要意义。1 4 2 课题来源和主要研究内容1 4 2 1 课题来源本课题来源于江西省教育厅青年科学基金项目“复杂壳体类塑件气辅注塑成型工艺优化研究”( 项目编号：g j j 0 9 4 1 4 ) 。1 4 2 2 主要研究内容为获得满意的制品，解决成型过程中出现的成型缺陷，本文以优化气辅注射成型工艺参数为目标，引入智能多目标方法，提出了基于正交试验、神经网8第l 章绪论络和遗传算法，将气辅注射成型过程的主要工艺参数作为设计变量，制品质量作为优化目标，建立n n g a 气辅注射成型工艺参数优化系统。综上所述，本文将在以下几个方面进行研究：( 1 ) 学习和总结相关的气辅注射成型技术和理论，主要研究气辅注射成型工艺参数对彩电前壳气辅注射成型过程中的翘曲变形和气体穿透情况的影响。( 2 ) 以2 1 英寸t c l 彩电前壳为研究对象，利用p r o e 对复杂壳体类气辅塑件建立c a d 模型，转换成s t l 文件导入h y p e rm e s h 软件中对模型进行模型中面抽取并作划分网格处理，再转换成n a s 文件导入c a e 软件m o l df l o wp l a s t i ci n s i g h t2 0 1 0 ( 简称m p i ) 进行数值模拟仿真。( 3 ) 以制品翘曲和气体穿透作为质量指标，分析筛选主要的气辅注射成型工艺参数作为优化对象，采用正交试验设计方法对气辅注射成型工艺参数进行初步优化，分析主要工艺参数对制品质量的影响程度，并得到一组较优的工艺参数组合。( 4 ) 以正交试验优化设计之后得到的工艺参数组合为基准，对各个工艺参数进行微调，确定工艺参数变量的取值空间，再进行数值模拟，将数值模拟的结果作为r b f 神经网络训练样本数据，训练r b f 神经网络模型并进行验证，从而建立成型工艺参数与制品质量之间的映射关系。( 5 ) 建立气辅注射成型多目标优化数学模型，然后将多目标函数转换成遗传算法的适应度函数。以m a t l a b 软件为平台建立气辅注射成型多目标优化系统，得到最优的工艺参数组合。最后通过数值模拟仿真对优化结果进行验证。1 5 本章小结本章介绍了气辅注射成型的基本原理，气辅注射成型的优缺点以及组成；阐述了近几年来国内外气辅注射成型发展应用以及国内外在气辅注射成型工艺参数优化方面的研究进展。9第2 章气辅注射成型1 二艺与c a e 技术第2 章气辅注射成型工艺与c a e 技术2 1 气辅注射成型工艺的分类气辅注射成型技术根据它们的加工工艺不同可分为【3 , 3 6 1 ：欠料注射和满料注射。满料注射又分为三种：带有溢流腔的气辅注射成型工艺、将熔体顶回螺杆的工艺和带有往复式型芯的模具。( 1 ) 欠料注射成型工艺欠料注射【3 7 3 9 】( 如图2 1 所示) 又称标准气辅注射成型工艺。这种工艺是先在模具内冲入部分熔体后，立刻或延迟很短时间后注入气体。通过气体的注入，推动熔体向前流动形成气道，直至最终填满整个型腔。为了熔体前锋不被气体穿破，在注入气体之前要有足够量的塑料熔体。欠料注射成型工艺不仅适合棒状类制品成型，而且还适用于板状制品或局部厚壁的板状制品成型。在成型加工时，熔体和气体的注入位置要特殊考虑。图2 1 欠料注射成型工艺( 2 ) 带有溢流腔的成型工艺带有溢流腔的成型工艺是先将熔体充满整个型腔，立刻或稍后注入气体。熔体充满了整个型腔，就没有多余的体积让气体进入，只有通过迫使一些熔体进入溢流腔，气体才可以进入型腔内，原理如图2 2 。为了更好的控制该成型过程，在溢流腔与型腔之间设置了一个控制阀。气体开始注入的时间将直接影响壁厚。为了使型腔中的熔体早些固化进而达到增加制品壁厚的目的，可以通过延长熔体充模与气体注入的时间间隔来实现。由于型腔已经被完全充满，气体注射时间的间隔将不会影响制品的表面质量。1 0第2 章气辅注射成型一l 艺与c a e 技术这种工艺用于解决产品的收缩或翘曲缺陷，制品质量减少不明显。该工艺广泛应用于板状和厚壁结构的板状产品，同样适用于难以成型的制品。罄电蕈氍氍图2 2 带有溢流腔的成型工艺( 3 ) 将熔体顶回螺杆工艺聚合物熔体的注入与气体的注入位置不同，分别从模具型腔的两侧注入。首先将聚合物熔体从型腔一例注入并完全充满型腔，通过预设的一段很短的时间间隔后，再将气体从型腔另一侧注入。在气体注入后，部分熔体被推回注塑系统中。熔体推回的螺杆行程必须根据气体代替熔体的体积来设定，而且要避免气体与螺杆中的塑料混合而在制品表面形成“银纹 。熔体顶回螺杆工艺原理如图2 3 所示。注入口和流道的设计要能够保证熔体在流道内顺畅的流动，小的注入口和流道易使回流的熔体凝固。因为气体注入前时间间隔更长，塑料熔体排除较慢，所以使用该技术，塑料制品的壁厚要大于带溢流腔成型工艺的壁厚。本工艺适用于棒状类制品及可容许熔体被推回到注射装置的大气道制品瞄嶝景色阵固鲁图2 - 3 熔体项回螺杆工艺( 4 ) 带有往复式型芯成型工艺带有往复式型芯成型工艺( 如图2 4 ) 是在模具型腔中设置有活动型芯。首先是活动型芯伸长到一定位置，然后再向型腔内注满熔体，在一段时间间隔后，液压装置带动活动型芯回位以增加模具型腔内的空间，同时注入气体。在这一过程中，保持熔体与型腔壁的接触非常重要，因此在型芯复位之前，气体压力要不断增加，要控制好型芯的回位速度。空腔部分的体积等于最终与最初型腔毒。第2 章气辅注射成型1 二艺与c a e 技术体积的差值。该过程主要用于带有一个或多个厚壁部分的薄壁塑料制品。在使用时，需对已有的模具型腔内加入活动型芯很困难且费用较高，而且型芯移动过程中产生的痕迹或多或少在制品中能看得到。一一图2 - 4 带有往复式型芯成型工艺2 2 气辅注射成型主要工艺参数和传统注塑成型相比，气辅注射成型因增加了气体的注射，从而增加了工艺参数数量，这使成型过程和制品质量变得更加难以控制。气辅注射成型工艺主要的工艺参数有熔体温度、模具温度、熔体注射时间、气体延迟时间、气体注射时间和气体注射压力。这些工艺参数在成型过程中影响制品的气道穿透，制品的体积收缩和翘曲等j 。对各个工艺参数的描述如下。( 1 ) 熔体温度和模具温度【4 1 】聚合物材料融化的温度和成型加工时模具的温度称为熔体温度和模具温度。这两个温度对熔体的充填、气体的填充和气体在制品内的流动情况都会产生较大的影响。熔体的温度越高，粘度就越小，熔体前锋的流动阻力越小，这样有利于气体的横向流动，横向流动会形成较大的气道截面，制品的壁厚就相应减小，但是熔体温度过高，会导致制品在保压过程中收缩变形增大。熔体温度低，气体纵向流动的距离增加，形成较长气道，这样获得的制品壁厚就较厚。此外，熔体温度的升高会使冷却过程时间增加，产品的成型周期相应的延长。( 2 ) 熔体注射时间熔体的注射时间是熔体填充模具型腔所用的时间。熔体填充时间的长短关系到熔体是否能够充满型腔和平衡填充。( 3 ) 气体注射延迟时间1 2第2 章气辅注射成型工艺与c a e 技术气体注射延迟时间是指完成熔体注射后再进行气体注射之间的短暂时间间隔。气体延迟时间这个参数在气辅注射成型过程中是最为敏感、最为关键的工艺参数之一。成型加工时如果气体延迟时间设置过短，这时气体就会在熔体温度较高的时候注入，熔体对气体流动的阻力小，会促进气体的横向流动，形成截面大而短的气道，这样会使制品的厚度变薄，影响其强度或刚度【4 2 1 。气体延迟时间长，熔体温度会降低，粘度增大，流动阻力增大，气体不能推动较多的熔体，气体在熔体内会形成较长的气道。如果气体延迟时间过长，制品表层会先凝固，那么形成的制件壁厚就厚，而且气体不能够穿透到预定的位置，不能使熔体流动到型腔末端，这就形成了“短射”【4 3 1 。所以，在设置气体延迟时间时，应尽量设置短而合理的气体延迟时间。( 4 ) 气体注射压力气体注射压力关系到气体在熔体中的穿透和气道在制品中的长短以及气道截面的大小州。气体注射压力和气体延迟时间一样都是关键的工艺参数，合理的气体压力大小对制品的质量也很重要。气体压力的大小并不是压力越大，气体在熔体中的穿透效果越好，反而当气体压力过大时，气体在熔体纵向流动和横向流动上都有较强的穿透力，这样会形成截面大、长度短，质量比较差的气道。当气体压力较小时，由于熔体纵向流动方向的阻力比横向流动方向上的阻力小，这样有利于气体的穿透，会形成长度较长、截面较小、质量好的气道。如果气体压力过小，气体就不能穿透气道，会最终导致熔体不能充满型腔。2 3 气辅注射成型缺陷与解决办法与传统注射成型相比，气辅注射成型因增加了气体注射这一过程，使得工艺参数对制品成型质量的影响加大，而且也因气道布局、浇注系统的设计不尽合理也会对制品质量产生影响。常见的一些缺陷有短射、翘曲变形、熔接痕、气穴等缺陷【7 ，4 5 1 。( 1 ) 短射短射是指由于模具型腔填充不完全造成制品不完整的缺陷，即熔体在完成填充之前就已经凝结。造成短射的原因是由于浇注系统的设计不合理导致熔体流动受限，流道过早凝结；熔体或模具温度过低，降低了熔体流动性，导致填充不完全；熔体预注射量不够或螺杆的速率过低也会造成短射；排气不充分，第2 章气辅注射成型一f ：艺与c a e 技术未能及时排除的气体会阻止流体前沿前进的压力，从而导致短射发生【4 6 】。( 2 ) 翘曲变形翘曲变形是制品的形状在制品脱模后或稍后较短时间内产生扭转或旋转现象1 47 1 。翘曲变形是由于制品收缩变化过大引起的缺陷，导致收缩变大的原因主要是制品成型过程中的收缩、取向和冷却不均匀，这些因素最终会导致制品内部残余应力过高，从而产生翘曲变形。为了减小残余应力达到减小翘曲变形的目的，就要控制工艺参数的取值。熔体的温度过高，制品冷却时间就会增加，而且温度的变化也较大，这会使残余应力残留于制品中，因此熔体注射是要选择合理的温度；气体注射压力过高，会使熔体内分子在横向和纵向上的流动速率差增大，这也会导致翘曲变形；还有如果成型过程中保压压力过高，塑件内的应力也就相应增大，在冷却脱模后，制品内的残余应力不能充分的释放，从而导致翘曲变形，因而需适当的降低保压压力。( 3 ) 熔接痕和熔接线由于制件的几何形状，填充过程出现两个或两个以上流动前沿融合时，会形成熔接痕和熔接线。两者的区别在于融合流动前沿夹角的大小，若夹角小于1 3 5 。时形成熔接痕，反之则形成熔接缝【4 8 l 。可以通过增加模具温度和熔体温度使相遇的熔体前沿融合得更好，增加螺杆速率、改进浇注系统的设计等办法来减少或消除熔接痕和熔接线。如果不能消除或减少熔接痕和熔接缝，那么应该使它们位于制件上较不敏感区域，以防止这个缺陷影响制品的机械性能和表观质量。此外，除了以上列出的常见缺陷外，还有些其他的缺陷，表2 1 是气辅注射成型缺陷与解决办法p j 。表2 1 气辅注射成型缺陷与解决办法缺陷解决办法缺陷缺陷产生原因出现缺陷的阶段解决办法树脂填充增加树脂注射量吹破树脂量不够气体填充增加气体压力迟滞线熔体流动前锋停止气体填充缩短气体延迟时间喷流树脂流动太容易树脂填充调整充模速度改变气体入口位置翘曲收缩气体填充改变制品结构设计1 4第2 章气辅注射成型工艺与c a e 技术增加成孔区域缩痕收缩气体保压延长保压时间气体填充改变制品设计指形流气体渗透改变模具设计气体保压更换材料树脂填充增加气体压力短射树脂量不足气体填充缩短延迟时间制品破裂夹气排气增加保压时间间歇爆裂气体渗透到机筒内保压安装止逆喷嘴膨胀夹气排气增加保压时间放射斑气体混合w 树脂气体填充延迟气体延迟时间翟i 互里汪圈2 4 1 模型的毫立本文将2 1 英寸彩电前壳作为研究对象。利用p r o e n g i n e e r 建立彩电前壳的c a d 实体模型，如图2 5 所示。该产品尺寸为5 8 2 4 4 6 3 5 m m ，壳体厚度为3 m m ，内部加强筋为厚度为2 m m 。图2 52 l 英寸彩电前壳实体模型第2 章气辅注射成型工艺与c a e 技术2 4 2 模型的网格处理将p r o e n g i n e e r 建立好的c a d 实体模型转化s t l 格式，然后导入h y p e r m e s h软件中，再抽取中面模型( m i d p l a n e ) 。抽取中面模型后进行网格的划分，网格类型为三角形网格，网格大小分为8 m m 和4 m m ，网格单元数为1 7 9 3 1 个，最终的网格模型如图2 - 6 所示。网格模型处理好后，将模型在h y p e r m e s h 中保存为n a s 格式文件导入m o l d f l o w 2 010 中再进行c a e 模拟。2 4 3 材料的选择图2 - 62 1 英寸彩电前壳网格模型m o l d f l o w 软件拥有丰富的材料库，本文根据实际生产的情况选取d o wb r a s i ls t u d e s t ei n dl t d a 公司牌号为s t y r o n4 7 8 的高抗冲聚苯乙烯( h i p s ) ，其主要成型参数见表2 2 ，图2 7 为材料的p v t 曲线图，图2 8 为材料的剪切速率一粘度曲线。表2 - 2 材料的工艺参数熔体温度范围( m e l tt e m p e r a t u r er a n g e )模具温度范围( m o l dt e m p e r a t u r er a n g e )顶出温度( e j e c t i o nt e m p e r a t u r e )最大剪切速率( m a x i m u ms h e a rr a t e )最大剪切压力( m a x i m u ms h e a rs t r e s s )1 8 0 - 2 6 0 ( )1 0 6 0 ( )8 7 ( )0 3 m p a4 0 0 0 0 ( 1 s )1 6第2 章气辅注射成型丁艺与c a e 技术_口。n4eu1 1 0 51 0 8 01 0 5 51 0 3 01 0 0 50 0 8 0 00 9 5 5 00 9 3 0 02 0 0 07 0 0 01 0 0 0 e + 0 51 0 0 0 0 1 0 0 0 01 0 0 d1 d 0 01 0 0 012 0 017 0 02 2 0 02 7 0 0t e m p e r a t u r ei c l图2 7 材料的p v t 曲线1 0 0 01 0 口01d 0 。010 0 0 010 0 0 0 1 0 0 0 e + 0 5s h e a rr a t e1 1i s l图2 - 8 材料剪切速率一粘度曲线1 7oejiou一=uu已一-厶一=ou一，第2 章气辅注射成型工艺与c a e 技术2 5 浇注系统的设计浇口是连接分流道与型腔之间的一段细短通道，浇口的作用是使从流道中流过来的熔体以较快的速度进入并充满整个模具型腔，型腔充满后，浇口部分的熔体能迅速地凝固从而形成封闭浇口，防止型腔内的熔体回流。浇口的形状、数量、位置和尺寸对塑件的质量有较大的影响。气辅注射成型时很多缺陷是由于浇口的设计不合理而造成的。浇注系统的设计首先要保证熔体在型腔内的流动平衡，要使熔体同时充满型腔；其次材料在成型过程中的最大剪切速率和剪切应力都不能超过该材料的最大允许值；再者要保证填充过程中压力降均匀；最后，要避免出现迟滞现象，尽量避免或减少成型质量缺陷。目前，浇口的数量和位置一般根据经验选择，往往设计不尽合理，不能很好的保证熔体在型腔内的流动平衡。流动能否平衡会直接对翘曲和熔接痕产生影响。不平衡的充填会造成型腔内局部过保压，导致塑件收缩不均，从而引起翘曲变形。合理的浇注系统可以保证同时或以最小的时间差充满型腔，并且保证型腔内压力基本相同，以达到均匀平衡填充。针对2 1 英寸彩电前壳设计了两种进浇方案，分别为两点式和三点式浇口设计，流道系统的结构如图2 - 9 所示，采用的热流道，其中主流道为圆锥形，上端直径为8 m m ，下端直径为1 2 m m ；分流道截面为圆形，直径为1 2 m m ；两种设计方案均采用潜伏式浇口，前段直径为4 m m ，后端直径1 2 m m 。图2 - 9 两种进浇方案充模的时间与注塑压力相关，如果充模时间过长，先进入模内的熔体就会受到圃第2 章气辅注射成型工艺与c a e 技术较多的冷却，粘度增大，使得后面熔体的注射就需要较高的压力才能进入模具型腔内；反之，如果时间过短，虽然可以减小充模压力，但是较短的时间不能保证全部充满模内，而且充模过快会使制件的熔接处熔接不好从而使制品强度变差。选定以上两种方案后对这两种方案进行气辅注射成型填充模拟分析，从图2 1 0 中可以知道两点进浇方案和三点进浇方案的充填时间分别为1 6 3 3 s 和2 2 4 7 s ，两种方案都可以使熔体完全填满型腔，但是两点进浇方案的填充均匀性较三点进浇要差。f i i ll i m l t：1 6 3 3 1 s l1 8 】1 。”3 豪12 2 5”霪04 1 1 8 4 “。萱f i l il l m e= 2 2 4 t i m ll e l2 。2 ”夔1 6 8 5“z 鬟镌：警h - 2 翟3图2 1 0 两种方案填充时间图2 1 1 是两种方案在v p 切换时的压力云图，从这两个图可以知道两点进浇和三点进浇的最大压力分别为1 0 4 9 m p a 和8 7 9 4 m p a ，在同样的条件下压力越小越便于成型，低的注射压力残余应力降低，从而使翘曲变形减小。从两种方案的压力分布来看，三点进浇的压力分布和压力降都较两点进浇方案更加均匀。图2 - 1 1 两种方案的v p 切换压力1 9第2 章气辅注射成型工艺与c a e 技术图2 1 2 是两种方案在浇注系统尺寸相同的情况下获得的剪切速率，从图可知两点进浇和三点进浇的最大剪切速率分别为6 0 1 3 4 ( 1 s ) 和3 3 1 0 1 ( 1 s ) ，通过比较可知两点进浇的剪切速率已经超过了表2 - 2 中材料的最大剪切速率4 0 0 0r1 , s ) 。s h e arr a t e be l i ks h e a rr l r ，hl i i kt j m e = l6 0 3 i s lt i l 3 3 e = 23 4 5 i s ir a 4 i i l囊瑚d l 瞎k| 1 ，s 16 0 134 夔4 5 1 8 1 3 0 0 6 7 ji1 5 0 3 4 叫咖簟f 圜。】l ：0 一a n t o ，c e z k 8 2 7 5 2豳1 0 0 1 1 e - 0 5 -旷l ：0图2 12 两种方案的剪切速率通过对填充的充填时间、v p 切换压力和剪切速率的分析，可以看出在同样的工艺参数情况下，三点进浇方案优于两点进浇方案，所以本文选用三点进浇浇注系统对2 l 英寸彩电前壳进行气辅注射成型分析。2 6 气道的设计气道的结构设计是