（机械设计及理论专业论文）注塑模成型过程的模拟及优化.pdf

上海海事大学硕士论文 一 摘要 c 近年来，模具工业发展相当迅速，己成为国民经济中的重要基础工业之一。但 是由于材料本身的特性以及复杂的加工条件，塑料注射成型过程加工过程相当复杂。 长期以来，塑料注射成型过程的控制、模具设计与制造主要依赖工艺人员和设计人员 的经验和技巧，设计合理与否、制品有无缺陷只有通过试模才知道，致使模具及塑料 产品的设计与制造周期长、成本高。由于我国对高分子材料以及塑料加工成型技术研 究的比较晚，与发达国家相比要落后几十年。 本文详细介绍了注射成型过程中制品的一些主要缺陷以及产生这些缺陷的原 因，并针对各种缺陷提出了改善、解决的对策方法 通过建立塑料注射成型过程的物理和数学模型，构造有效的计算方法，改进了注 射成型充填过程数值模拟算法：研究了注射模浇口位置的优化设计方法，从而达到熔 体平衡填充、减小塑件翘曲变形的目的。 此外，利用推导的理论，解决几个产品在实际生产中常见缺陷的问题，同时验证 了理论的正确性。 关键词：注射成型，数值模拟，模拟分析 上海海事大学硕士论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m o u l di n d u s t r ym a k e sr a p i dp r o g r e s sa n dp l a y sai m p o r t a n t r o l ei nn a t i o n a le c o n o m yd e v e l o p m e n t h o w e v e r ，t h ep r o p e r t yo fp l a s t i cm a t e r i a l i t s e l fa n dt h ec o m p l e x i t yo fp r o c e s s i n gc o n d i t i o n sm a k et h ep r o c e s so ft h ei n j e c t i o n m o l d i n gq u i t ec o m p l i c a t e d f o ral o n gt i m e t h ec o n t r o lo fp r o c e s so fp l a s t i c i n j e c t i o nm o l d i n ga n dm o l dd e s i g na n dm a n u f a c t u r em a i n l yd e p e n do ne x p e r i e n c e o fd e s i g n e ra n dt e c h n i q u eo ft h et e c h n o l o g i s t t h er a t i o n a l 时o fd e s i g na n dt h e q u a l i t yo fp r o d u c tw h i c hc a nb es e e na f t e rm o l dt e s li tb r i n g sa b o u tl o n gd e s i g n c y c l ea n dh i g h m a n u f a c t u r ec o s t b e c a u s et h e t i m eo u rc o u n t r yr e s e a r c h m a c r o m o l e c u l em a t e r i a la n dp l a s t i cp r o c e s s i n gi sr e l a t i v e l yl a t e 。w el a ga b o u ty e a m 2 0t h a nf o r e i g ni nt h i sf i e l d t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e s p a r t i c u l a r l yt h ed e f e c to fp r o d u c to nt h ep r o c e s s i n go f p l a s t i ci n j e c t i o na n dt h er e a s o no fc a u s i n gt h o s ep r o b l e m s m e a n w h i l e g i v i n gt h e w a y st os o l v et h o s ed e f e c t s b ye s t a b l i s h i n gt h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fi n j e c t i o nm o l d i n g p r o c e s s a n d a d c i p t i n g e f f e c t i v en u m e r i c a l a l g o r i t h m 。o p u m i z i n g s i m u l a t e d n u m e r i c a l l ya l g o r i t h m o nt h e p r o c e s so fp l a s t i ci n j e c t i o n t h em e a nw h i c h o p t m i z i n gt h ep l a c e m e n to fp l a s t i cm o l dg a t ei sd i s c u s s e di nt h ea r t i c l e ，a i m i n ga t t h a tm e l tc a nr e a c ht h ee x t r e m i t i e so ft h ec a v i t ya tt h es a m et i m ea n dr e d u c et h e w a r p a g eo ft h ep a r t s m o r e o v e r u s i n gt h et h e o r yt or e s o l v es o m ep r o b l e mi na c t u a lp r o c e s s i o na n d v a l i d a t i n gt h ev a l i d i t yo ft h et h e e r y k e y w o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s i m u l a t i o na n a l y s i s l uc h u n ( m e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e d n g ) d i r e c t e db y ：p r o f d o n guh u a 论文独创性声明 9 7 3 5 8 9 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做 ，的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：驻丕熬日期：迹上：2 ： 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段 保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：衄导师签名： 日期：塑2 多 上海海事大学硕士论文 1 1 模具工业的概况及发展趋势 第一章绪论 模具在汽车、拖拉机、飞机、家用电器、工程机械、冶金、机床、兵器、仪器仪 表、轻工、日用五金等制造业中，起着极为重要的作用。模具是实现上述行业的钣金 件、锻件、粉末冶金件、铸件、压铸件、注塑件、橡胶件、玻璃件和陶瓷件等生产的 重要工艺设备。采用模具生产毛坯或成型零件，是材料成型的重要方式之一，与切削 加工相比，具有材料利用率高、能耗低、产品性能好、生产效率高和成本低等显著特 点 8 0 年代以来，我国模具工业近年来发展很快，据不完全统计，2 0 0 3 年我国模具 生产厂点约有2 万多家，从业人员约5 0 多万人，2 0 0 4 年模具行业的发展保持良好势 头，模具企业总体上订单充足，任务饱满，2 0 0 4 年模具产值5 3 0 亿元。进口模具1 8 1 3 亿美元，出口模具4 9 1 亿美元，分别比2 0 0 3 年增长1 8 、3 2 4 和4 5 9 。进出口 之比2 0 0 4 年为3 6 9 ：1 ，进出口相抵后的净进口达1 3 2 亿美元，为净进口量较大的国 家在2 万多家生产厂点中，有一半以上是自产自用的。在模具企业中，产值过亿元 的模具企业只有2 0 多家，中型企业几十家，其余都是小型企业，多数只有几十名职 工，百十万产值，自有资金有限，靠自我发展很困难。近年来，模具行业结构调整 和体制改革步伐加快，主要表现为：大型、精密、复杂、长寿命中高档模具及模具标 准件发展速度快于一般模具产品；塑料模和压铸模比例增大；专业模具厂数量增加， 能力提高较快；一三资“及私营企业发展迅速；国企股份制改造步伐加快等“” 现代模具行业是技术、资金密集型的行业。它作为重要的生产装备行业在为各行 各业服务的同时，也直接为高新技术产业服务。由于模具生产要采用一系列高新技术， 如c a d c a e c a m c a p p 等技术、计算机网络技术、激光技术、逆向工程和并行工 程、快速成型技术及敏捷制造技术、高速加工及超精加工技术等等，因此，模具工业 已成为高新技术产业的一个重要组成部分，有人说，现代模具是高技术背景下的工艺 密集型工业。模具技术水平的高低，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品 的开发能力，因此已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志模具工业是 无以伦比的”效益放大器”用模具加工产品大大提高了生产效率，而且还具有节约原 材料，降低能耗和成本、保持产品高度一致性等特点。因此模具被称为“效益放大器”， 在国外，模具被称为一金钥匙”、一进入富裕社会的原动力“等等从另一个角度上看， 模具是人性化，时代化、个性化、创造性的产品更重要的是模具发展了，使用模具 f ：海海事大学硕士论文 的产业其产品的国际竞争力也提高了据国外统计资料，模具可带动其相关产业的比 例大约是1 ：1 0 0 ，即模具发展1 亿元，可带动相关产业1 0 0 亿元。 模具不是批量生产的产品，它具有单件生产和对特定用户的依赖特性。就模具 行业来说，引进国外先进技术，不能采用通常的引进产品许可证和技术转让等方式， 而主要是引进已经商品化了的c a d c a mi c a e 软件和精密加工设备等。模具的 c a d 咖c 氏m 涉及面广，集多种学科与工程技术于一体，是综合型、技术密集型 产品。如塑料模具的c a e 技术要利用高分子材料学、流变学、传热学、计算力学、 计算机图形学等知识，涉及的领域还包括声波及电磁场、温度场等各类物理场，通过 工程分析、来建立塑料成型的数学和物理模型，构造有效的数值计算方法，实现成型 过程的动态仿真分析。现代化的模具要实现数字化设计、数字化制造、数字化管理、 数字化生产流程。这些模具的数字化代表了现代模具的一个方面，没有模具的数字化， 就没有现代模具”1 未来我国模具的1 0 大发展趋势是： 一、模具日趋大型化。 二、模具的精度将越来越高1 0 年前精密模具的精度一般为5 微米，现已达到2 - 3 微米，1 微米精度的模具也将上市 三、多功能复合模具将进一步发展。新型多功能复合模具除了冲压成型零件外，还担 负叠压、攻丝、铆接和锁紧等组装任务，对钢材的性能要求越来越高。 四、热流道模具在塑料模具中的比重也将逐渐提高。 五、随着塑料成型工艺的不断改进与发展，气辅模具及适应高压注塑成型等工艺的模 具也将随之发展 六、标准件的应用将日益广泛。模具标准化及模具标准件的应用将极大地影响模具制 造周期，还能提高模具的质量和降低模具制造成本 七、快速经济模具的前景十分广阔。 八、随着车辆和电机等产品向轻量化发展，压铸模的比例将不断提高。同时对压铸模 的寿命和复杂程度也将提出越来越高的要求。 九、以塑代钢、以塑代木的进程进一步加快，塑料模具的比例将不断增大。由于机械 零件的复杂程度和精度的不断提高，对塑料模具的要求也越来越高。 十、模具技术含量将不断提高”。 1 2 注塑模技术发展概况及趋势 近年来，塑料模具发展最为迅速，在国内模具工业产值中塑料模具所占比例不断 扩大有分析认为，我国塑料工业的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，2 0 0 4 2 上海海事大学硕士论文 年，塑料模具在整个模具行业中所占比例已上升到3 0 左右，在未来几年中还将保 持较高速度发展。而国内塑料模具市场以注塑模具需求量最大，其中发展重点为工程 塑料模具。有关数据表明，目前仅汽车行业就需要各种塑料制品3 6 万吨；电冰箱、 洗衣机和空调的年产量均超过1 0 0 0 万台；彩电的年产量已超过3 0 0 0 万台；到2 0 1 0 年，在建材行业，塑料门窗的普及率为3 0 ，塑料管的普及率将达到5 0 。这些都 会导致对塑料模具需求量的大幅度增长。 据统计，家电行业所需模具量年增长率约为1 0 。一台电冰箱约需模具3 5 0 副， 价值约4 0 0 0 万元：一台全自动洗衣机约需模具2 0 0 副，价值3 0 0 0 万元；一台空调器 仅塑料模具就有2 0 副。价值1 5 0 万元；单台彩电大约共需模具约1 4 0 副，价值约7 0 0 万元，仅彩电模具每年就有约2 8 亿元的市场。随着家电市场竞争的自热化，外壳设 计成为重要的一环，对家电外壳的色彩、手感、精度，壁厚等都提出新要求。业内人 士普遍认为，大型、精密、设计合理( 主要针对薄壁制品) 的注塑模具将得到市场的 欢迎。汽车工业近年来增长速度惊人，因此汽车模具潜在市场巨大。每一种型号的汽 车都需要几千副模具，价值上亿元，而我国大型精密模具的制造能力不足。据介绍， 目前我国高档轿车的覆盖件模具几乎全部为进口产品。在未来的模具市场中，塑料模 具在模具总量中的比例将进一步提高，其发展速度将高于其它模具”“”。 由于传统的注塑模具设计主要依靠设计人员和工艺人员的经验，这严重制约了注 塑模具的发展，传统的经验设计法已远远不能满足现代社会快速发展的要求。因此， 如何提高注塑模一次试模的成功率已成为国内外研究的课题。影响注塑模发展的因素 很多，但注塑模c a e 技术是注塑模发展的瓶颈，c a e 技术将主导未来注塑模发展的 方向。 1 3 注塑模模拟、优化技术的发展现状 对注塑模c a e 技术开展的研究国外比较早，7 0 年代以前，由于计算机条件的限 制，对充模过程和冷却过程都是采用一维模拟，早在1 9 6 0 年，t o o r , b a l l m a n 和c o p p c r 最先用数值方法计算了塑料熔体的充模过程，随后，许多研究者对一维流动进行了大 量研究，主要是计算塑料熔体在等直径圆管、中心浇口的圆盘以及端部浇口的矩形型 腔中的流动过程。 7 0 年代中期至8 0 年代中期，充模流动模拟和冷却模拟采用二维模拟技术，在二 维流动分析中，除数值方法本身的难点外，另一个新的难点是对移动边界的处理，即 如何确定新时刻的熔体流动前沿位置b r o y e r 、g u t f m g e r 和t a d m o r 运用流动网格分 析法( m o wa n a l y s i sn e t w o r k ) 对二维等温流动进行了计算，并对保压、固化及分子取 向问题进行了有益探索。t a k a h a s h i 和m a t s u o k a 基于f a n 法，考虑熔体温度的变化， 3 上海海事大学硕士论文 将三维制件展平为二维平面，实现了对三维制件的非等温流动分析碰c b c r 和s h e n 将h e i r - - s h a w 流动推广到非牛顿流体的非等温流动情况，得到了描述二维充模流动 的数学模型，并分别采用有限元差分法和有限元与有限元差分混合法求解。s h e n 还 尝试了用边界元法求解上述问题。两位学者采用网格扩展法( m e s he x p a n s i o ns c h e m e ) 确定流动前沿位置，并对其中的计算稳定性进行了研究。此阶段冷却模拟也集中在二 维问题，最早采用的方法是直接将一维热传导方程扩展到二维情形此时，有限差分 是主要的分析方法，s c h a e f e r , s i n g h 及c h e n 用有限差分法将模具划分大的网格，制 品划分较小的网格，冷却装置以一维单元近似，同时进行分析计算，给出制品和模具 的二维温度场9 1 1 0 1 n 。 8 0 年代后期，开展了三维流动和冷却模拟研究，三维流动模拟主要采用二种方 法；其一，h i c h e r 采用流动路径法( f l o wp a t hs c h e m e ) 实现了对三维制件的流动分析 其二，v w w a n g 及h i e b e r 用有限元与有限差分混合法，沿用h i e b e r 和s h e n 提 出的数学模型，求解压力场、速度场和温度场，针对三角形线性单元，定义了控制体 积，并沿用f a n 法的基本思想，提出用控制体积法( c o n t r o lv o l u m es c h e m e ) 来确定熔 体流动前沿位置。在这一阶段，采用边界元法对冷却过程进行了三维模拟。 进入9 0 年代后，开展了成型过程流动、保压、冷却、应力应变及翘曲的全过程 模拟，将各独立模块有机地结合起来，考虑它们之间的相互影响，以提高模拟软件的 分析精度和扩大适用范围。同时，为提高c a e 系统的实用化程度，提高系统几何模 型的生成速度，开展了c a e c a d c a m 集成化研究，这一阶段，人工智能在c a e 中 的应用也取得了一系列发展“。 我国从2 0 世纪8 0 年代初开始进行高聚物成型过程数值模拟方面的研究，在若干 关键环节上取得了不少成果。 郑州工业大学橡塑模具国家工程研究中心在多年研究的基础上，开发出具有自主 版权的橡塑成型过程计算机模拟集成系统z - m o l d 软件。大连理工大学在大型结构 分析有限元程序j e f e x 的基础上，添加了可对注塑件的翘曲变形进行分析的模块， 通过残余应力计算和变形量计算实现了对注射件翘曲变形的模拟。北京航空航天大学 研制的注射模c a d c a e c a m 系统具有塑料产品线框造型、曲面造型、分析模拟和 数控仿真与数控加工程序生成等项功能，具有较高的技术水平和使用价值。华中理工 大学推出了注射模c a d c a e c a m 系统h s c , 该系统包括塑料制品三维图形输入、流 动模拟、冷却分析，型腔强度与刚度校核和模具图的设计、绘制等功能，现己实现商 品化上海交通大学引入人工智能技术，开发出集成化注射模c a d 系统。华南理工 大学、四川大学、合肥工业大学、北京化工大学、浙江大学等都在注塑成型方面开展 了研究1 硝吧 尽管注塑模模拟、优化技术的研究将近半个世纪，但还存在诸多问题。比如；对 4 上海海事大学硕士论文 充填过程进行三维分析或优化，往往需要较大的存储空间及较长的计算时间，7 0 年 代以来，针对注塑成型充填过程的数值模拟开展了许多研究，这些研究在确定熔体前 沿面时都是通过选取适当的时间步长，将瞬态问题转化为一系列拟稳态问题。该类算 法必须满足c o u r a n t 条件，即熔体在一个时间步长内在法向方向的移动不能超过一个 网格的大小，这一限制影响着算法的效率和稳定性。因此，如何提高注塑模模拟、优 化算法的效率和稳定性是研究的课题之一 另外，y o u n g 对纤维增强复合材料成型过程浇口位置的优化进行了研究。基于边 界充填时间差及最大温差等构造目标函数，采用遗传算法对浇口位置进行了优化，从 而得到均匀的充模过程。s c h a n g 等人采用t a g u c h i 方法和灰色理论对短玻璃纤维增 强材料的注射成型过程的工艺参数进行了优化，以使剪切层最厚。m l i n e n 分别采用 遗传算法和梯度法对树脂传递成型过程进行优化，并对两种算法的优缺点进行了比 较。p a r k 和k w o n 以塑件表面的温度差和冷却时间的权函数作为目标函数，将冷却介 质的入口温度、体积流率及冷却管道的直径和位置作为设计变量，利用c o n m i n 算 法求解优模型，对注塑成型过程浇口位置进行了优化尽管以上等人都对浇口位置进 行了优化，但实际得到的结果与理论推倒有很大的差距，所以如何提高模拟、优化的 精度成为研究的课题之一 1 4 本文研究的目的及意义 注射成型是根据金属压铸成型原理演化而来的一种塑料制品成型的加工方法。其 基本原理就是塑料颗粒在料斗内加热到熔融状态后在柱塞或螺杆的推动下，以较大的 流速通过机筒前端的喷嘴注射进入温度较低闭合的模具型腔中，经过保压、冷却后， 打开模具便可取出所需要的塑料制品。 模具在注塑成烈过程中处于核心地位，作为聚合物成型的重要工艺设备，其设计 与制造水平直接关系到产品的质量、品种及更新速度。模具工业是国民经济的基础工 业，长期以来塑料工业发展受到塑料模具发展的制约。由于塑料的成型受多种因素的 影响，如：分子的结晶和取向、纤维的取向、熔体的可压缩性、产品的结构与形状、 浇口的位置大小、熔体的冷却速度与温度，注射的压力与速度等等。由于问题的复杂 性，所以注塑成型加工过程主要依靠工艺人员和模具设计人员经验和技巧，设计的是 否合理只能通过试模才能知道，往往要经过多次的试模修模才能得到比较满意的塑料 制品致使模具及塑料产品的设计与制造周期长、成本高、档次低。 随着计算机技术的发展，人们开始利用计算机来模拟塑料成型的过程，通过模拟 技术与注塑成型技术相结合为改变这种状况提供了新的手段c a e 技术通过建立高 分子聚合物成型过程的物理和数学模型，借助与有限元法、有限差分法和边界元法等 5 上海海事大学硕士论文 数值计算方法，分析型腔中塑料的流动，保压和冷却过程，计算制品和模具的应力分 布，预测制品的翘曲变形，并由此分析工艺条件，材料参数以及模具结构对制品质量 的影响，达到优化制品和模具结构、优选成型工艺参数的目的，从而使加工成型从一 项实用技术变为- f 应用科学。塑料成型技术对缩短新品的开发周期、提高塑料制的 质量、缩短模具的设计和制造周期、降低生产成本具有很重要的意义。 传统的c a e 技术只能提出问题，不能解决问题。随着计算机技术的飞速发展，计 算机辅助优化技术应运而生，它不仅能提出问题而且能够解决问题，利用该技术，注 射成型技术人员不必具有很多的注塑成型知识便可以得到最优的模其结构和最佳的 工艺参数，大量复杂的工作由计算机完成。例如，系统可以自动确定最优成型工艺参 数( 如注射速率、保压压力、保压时间、模具温度等) ，也可以自动确定最优浇1 2 位置。 这就大大降低了对注塑成型设计人员的要求，提高了设计质量因此，对注塑成型模 拟以及优化技术的研究具有很高使用价值，对我国塑料工业的发展具有重要意义。 1 5 本文研究的内容及方法 高分子材料在加工成型过程中，进行流动分析时，往往需要涉及高分子流变学。 流变学问题比较复杂，主要是由于；( 1 ) 高分子流体在其所经历的工艺过程中，可能 发生多种多样的流动，产生各种各样的形交；( 2 ) 高分子粘弹流体的记忆效应，每一 个环节上的流动都要受前面各环节上的流动历史的影响，这给每个单元环节上的处理 ( 如边界条件的确定) 带来复杂性；( 3 ) 高分子流体流交响应对流场的依赖性，使我们不 能对加工成型过程的各个环节上都采用同样的本构方程。所有这些问题表明，处理加 工流变学问题是很难对完整的工艺过程作贯穿到底的理论解决的，只能对一个一个单 元环节上的流动分别进行处理。因此，聚合物加工成型的理论研究在方法论上是分解 式的。 因此，从理论上求解加工流动问题在数学上的难度极高，除极少数问题可求得精 确解外( 例如，牛顿流体的测粘流) ，绝大多数必须采用简化方法，大量问题的深入探 讨还要借助大型电子计算机求数值解。通常在实际的加工成型流动分析中，需要建立 数学模型，并提出一些假设条件，将具体的流动问题加以简化，把精确方程中的一些 可忽略不计的项删去，简化成近似方程后求解日前，随着更符合实际情况的模型的 建立以及计算机数值算法的进一步发展，使聚合物加工成型过程的流动分析更加准 确，已用于指导实际生产 本文研究的内容如下：一；阐述了在注塑充填过程中引起制品缺陷的原因及解决 方案。二；改进了注塑成型充填过程的数值模拟算法根据熔体在每个控制体积内质 耸守恒，建立了以结点压力和充填分数为未知量的控制方程；在每一时间步对该方程 6 上海海事大学硕士论文 进行迭代求解，得到压力场和充填分数场；根据充填分数场确定熔体前沿面的位置， 得到熔体在型腔内的充填情况。采用该算法对充填过程进行数值分析，更为合理地描 述了瞬态过程，避免了c o u r a n t 条件的限制，提高了计算效率。三；给出了注射模浇 口位置优化设计方法。在对注塑成型过程进行分析的基础上，给出了实现熔体平衡充 填的充分条件：在加工条件和型腔结构相同的情况下，成型过程能量消耗最少的浇口 位置设计能够使熔体均匀充满型腔。加工条件一样，能量消耗最少等同于充填结束时 的注射压力最低，因此，在加工条件和型腔结构相同的情况下，充填结束时注射压力 最低的浇口位置设计能够实现熔体的平衡充填。基于这一观点，建立了浇口位置优化 设计的数学模型，以充填结束时注射压力最小作为优化目标，对浇口位置进行优化设 计，从而达到熔体同时到达型腔末端的目的四；最后利用模拟、优化技术解决几个 实际问题，同时验证理论的正确性。 7 上海海事大学硕士论文 2 1 引言 第二章注塑成型中常见的缺陷及解决方案 塑料熔体的流动过程是一个极为复杂的过程，由于各种因素相互影响，要想一次 性得到理想的塑料制品往往不是这么简单。例如：提高注射温度，熔体的粘度降低， 充满型腔所需要的注射压力降低、塑料的内应力也降低、熔接线痕的数目减少。但 会使冷却时间增加，同时由于模具型腔的温度很高，如果排气不良，高温高压的气体 很容易引起塑料表面的烧焦。再如，提高模具温度可以减少型腔内的热量损失，降低 充填过程结束时型腔内的最大温度差，减少塑料制件的翘曲变形的可能性，但冷却时 间也会相应增加缩短充填时间需要高的注射压力，进而会造成高的剪切速率和剪切 应力，适当延长充填时间可以降低注射压力，但若充填时间太长，又会由于冷却时间 过长使熔体温度过低，导致粘度增大而使注射压力升高；适当增加压力，可以降低聚 合物粘度并改变熔体在模内的流动情况，但过高的压力不仅会增大制品中的应力，而 且也容易使熔体溢出模腔流到模具分型面之间，导致制品出现飞边；与此相反，压力 过低时熔体又有可能无法充满模腔，因此，也就不能获得满意的制品形状、尺寸以及 完好的表面质量。所以设计人员必须对这些因素进行全面的分析，反复对模具设计或 工艺参数进行修正，再提出一个修正方案并对其进行分析，如此反复，才能得到合理 的方案。设计中常见问题如下： 2 2 龟裂 龟裂是塑料制品较常见的一种缺陷，产生的主要原因是由于应力变形所致。主要 有残余应力、外部应力和外部环境所产生的应力变形。 ( 一) 残余应力引起的龟裂 残余应力主要由于以下三种情况，即充填过剩、脱模推出和金属镶嵌件造成的。 作为在充填过剩的情况下产生的龟裂，其解决方法主要可在以下几方面入手： ( 1 ) 由于直浇1 3 压力损失最小，所以，如果龟裂最主要产生在直浇1 3 附近，则可考虑 改用多点分布点浇口、侧浇口及柄形浇口方式。 ( 2 ) 在保证树脂不分解、不劣化的前提下，适当提高树脂温度可以降低熔融粘度，提 高流动性，同时也可以降低注射压力，以减小应力 ( 3 ) 一般情况下，模具温度较低时容易产生应力，应适当提高模具温度。但当注射速 度较高时，即使模温低一些，也可减低应力的产生 8 上海海事大学硬士论文 ( 4 ) 注射和保压时间过长也会产生应力，将其适当缩短。 ( 5 ) 非结晶性树脂，如a s 树脂、a b s 树脂、p m m a 树脂等较结晶性树脂如聚乙 烯、聚甲醛等容易产生残余应力，应予以注意。 脱模推出时，由于脱模斜度小、模具型腔及凸模粗糙，使推出力过大，产生应力， 有时甚至在推出杆周围产生白化或破裂现象。只要仔细观察龟裂产生的位置，即可确 定原因。在注射成型的同时嵌入金属件时，最容易产生应力，而且容易在经过一段时 问后才产生龟裂，危害极大。这主要是由于金属和树脂的热膨胀系数相差悬殊产生应 力，而且随着时间的推移，应力逐渐超过劣化的树b 旨材料的强度而产生裂纹。通用型 聚苯乙烯基本上不适于宜加镶嵌件，而镶嵌件对尼龙的影响最小。由于玻璃纤维增强 树脂材料的热膨胀系数较小，比较适合嵌入件。另外，成型前对金属嵌件进行预热， 也具有较好的效果。 ( 二) 外部应力引起的龟裂 这里的外部应力，主要是因设计不合理而造成应力集中，特别是在尖角处更需注 意。 ( 三) 外部环境引起的龟裂 化学药品、吸潮引起的水降解，以及再生料的过多使用都会使物性劣化，产生龟 裂【1 9 】。 2 3 充填不足 填充不足是指材料未完全充满模具型腔而导致的制品缺陷的一种现象。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流 入到型腔的因素都会引起填充不满，如浇口、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。 ( 一) 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 ( 二) 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 9 l 海海事大学硕士论文 引起的，应适当调整工艺参数，提高注射压力或提高温度；是由于成型周期过短，造 成浇口固化前树脂逆流而难于充满型腔的可以适当延长成型周期；如果是由于成型周 期过长，浇口在塑料熔体还未充满模具型腔之前就凝固的可以考虑缩短成型周期、提 高注射压力或塑料熔体以及模具的温度。 f - - ) 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 填充不足缺陷发生。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，要在适当的位置开设排气槽 或增设引气装置。 图2 - 1 充填不足 ( 四) 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。图2 - 1 中由于浇口位置设计的不当，导致了型腔未充满 ( 红色箭头所指部分) 。 2 4 气穴 气穴的造成的原因有多种，一；由于模具型腔内塑料补充不足，外圈塑料冷却固 化，内部塑料产生收缩形成真空二；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三；由于型腔内不可避免地存在气体，因此熔体在流动过 程中会将气体聚集在型腔内的某些部分若这些气体不能顺利排出，则型腔的这些部 分无法得到充填而形成气穴即使熔体能够充填这些区域，熔体也常常因周围气体温 度过高而产生焦痕，从而影响塑件表面质量因此，在设计中尽量将气穴移到不明显 1 0 上海海事大学硕士论文 的区域。 判断气穴造成的原因，只要观察塑料制品的气穴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。 根据气穴的产生原因，解决的对策有以下几个方面： ( 一) 在制品壁厚较大时，其外表面冷却速度比中心部的快，因此，随着冷却的进行， 中心部的树脂边收缩边向表面扩张，使中心部产生充填不足。其解决方法主要有： ( 1 ) 根据壁厚，确定浇口、浇道尺寸。一般浇口高度应为制品壁厚的5 0 6 0 。 ( 2 ) 至浇口封合为止，留有一定的补充注射料。 ( 3 ) 注射时间应较浇1 ：3 封合时间略长。 ( 4 ) 降低注射速度，提高注射压力， 圆采用熔融粘度等级高的材料 图2 2 气穴 f 二) 由于挥发性气体的产生而造成的气穴，解决的方法主要有： ( 1 ) 充分进行预干燥。 亿) 降低树脂温度，避免产生分解气体。 ( 三) 流动性差造成的气穴，可通过提高树脂及模具的温度、提高注射速度予以解决 图2 2 为一气穴的示意图，箭头方向为塑料熔体的流动方向，三股熔体在圆圈处 汇合，尽管流动平衡，但由于圆圈处的气体难以排出，所以形成了气穴 1 1 上海海事大学硕士论文 2 5 熔接痕熔接线 两股或多股熔体交汇时常常会产生熔接线熔接痕熔接线是两股相向运动的流 体交汇时留下的痕迹，熔接痕是两股平行流动的熔体的交汇痕迹。熔接线，熔接痕也 是常见的塑件缺陷，其不仅使塑件外观难以接受，而且影响制品的强度，在使用中该 处容易断裂。由于制品结构的复杂性，熔接线j 容接痕常常很难避免，改善熔接线熔 接痕缺陷可以从以下几个方面入手：通过改变浇口位置、型腔的壁厚及流道系统的设 计等改变熔接线的位置，尽量将其置于制品中不醒目而且强度要求不太高的地方：通 过调整熔体交汇时的温度，提高熔接线的抗拉抗压强度，并尽量使痕迹不明显；通 过调整浇口位置、数目等减少熔接线熔接痕条数；温度对熔接线熔接痕的影响特别 大，提高熔体的温度可以提高熔接线的质量；如果熔体交汇时的温度与注射温度相差 不到2 0 度，熔接线的质量都可以接受( 最理想的情况是熔体交汇时的温度等于注射温 度) 。提高型腔内熔体温度的方法很多，提高模壁温度，注射熔体温度及调整流道的 尺寸( 提高摩擦热) 等都可以达到目的 图2 3 熔接线 对熔接痕，熔接线改善，可参考以下几项措施： ( 1 ) 调整成型条件，提高流动性。例如，提高树脂温度、提高模具温度、提高注射 压力及速度等。 ( 2 ) 增设排气槽，在熔接痕的产生处设置顶杆也有利于排气 ( 3 ) 尽量减少脱模剂的使用。 ( 4 ) 设置工艺溢料并作为熔接痕的产生处，成型后再予以切断去除。 ( 5 ) 若仅影响外观，则可改变浇口位置，以改变熔接痕的位置或者将熔接痕产生 上海海事大学硕士论文 的部位处理为暗光泽面等，予以修饰。 图2 3 中箭头方向为塑料熔体的流动方向，由于两股料流前锋的温度底，在结合 处产生了熔接线。 2 6 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； ( 1 ) 塑料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； ( 2 ) 塑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； ( 3 ) 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。 ( 4 ) 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； ( 5 ) 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 ) 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。 但) 在选料方面，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，非结晶型聚合物制品翘曲倾向会减小。 ( 3 ) 在模具设计方面，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，最终导致翘曲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应力丽导致翘 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， 1 3 增加壁厚，增加筋和圆角处的强度。图2 3 为塑件的翘曲图 2 7 飞边、喷射与烧伤 图2 - 3 翘曲 一、飞边；飞边是充模时熔体料流从模具分型面中溢出，冷却后又形成飞边。产生的 原因可以是多方面的：在设备方面，由于注塑机的合模力小或系统刚性差；在模具方 面，由于材料应用不当，结构不合理，刚性不足或几何精度低，加工精度及装配精度 不高使动、定模不能压平或紧密合拢等原因所致。所以要提高制造精度，同时要增加 合模力。图2 4 是因为锁模力不足产生的飞边。 图2 _ 4 飞边 二、喷射；当高速的塑料熔体从狭窄的区域，如喷嘴、流道、浇口进入到较宽的区域 时，塑料熔体不与模壁接触而发生喷射、卷曲、蛇样的喷射流发生折叠而形成微观的 “熔接线”这种现象的发生会导致制品强度降低，表面产生斑点，内部产生缺陷等。 因此，扩大浇口横截面或调低注射速度都是可选择的措施另外，提高模具温度，也 能减缓与型腔表面接触的树脂的冷却速率，这对防止在充填初期形成表面硬化皮，也 具有良好的效果图2 - 5 ( a ) 为熔体喷射示意图，采用图2 - 5 ( b ) q b 浇口的形式就不会产 生喷射 三、烧伤；根据由机械、模具或成型条件等不同的原因引起的烧伤，采取的解决办法 也不同。( 1 ) 机械原因，例如，由于异常条件造成料筒过热，使树脂高温分解、烧伤 1 4 上海海事大学硕士论文 后注射到制品中，或者由于料简内的喷嘴和螺杆的螺纹、止回阀等部位造成树脂的滞 流，分解变色后带入制品，在制品中带有黑褐色的烧伤痕。这时，应清理喷嘴、螺杆 及料筒。( 2 ) 模具的原因，主要是因为排气不良所致。这种烧伤一般发生在固定的地 方，容易与第一种情况区别。这时应注意采取加排气槽及排气杆等措施。( 3 ) 在成型 条件方面，背压在3 0 0 m p a 以上时，会使料筒部分过热，造成烧伤。螺杆转速过高时， 也会产生过热，一般在4 0 9 0 r r a i n 范围内为好。在没有开设排气槽或排气槽较小 时，注射速度过高会引起过热气体烧伤。图2 - 6 为制品的表面烧伤图“。 图2 - 5 喷射图2 - 6 烧伤 上海海事大学硕士论文 3 1 引言 第三章充填过程的数学描述及数值模拟 流动行为是注塑成型加工的基本特征之一，塑料熔体在充填过程中的流动行为是 瞬态非等温、非牛顿粘性流体的流动。流动行为直接影响着塑件的质量，影响聚合物 熔体充模过程的因素很多，它们不仅与各种注射工艺参数有关，而且还受模具结构( 如 浇口截面尺寸和模腔形状等) 的影响。充模过程是注塑成型过程中一个非常重要的阶 段，在该阶段存在很多复杂的现象：具有粘弹性的塑料熔体在通过流道、浇口流入型 腔的过程中会发生变形；聚合物分子在流动过程中受剪切应力的作用发生取向，并可 能在应力及温度变化的影响下发生结晶；热量通过聚合物的对流流入型腔，粘性剪切 也可以产生一部分热量，但熔体与冷模壁之间的热传导又会损失一部分热量。这些现 象影响着型腔的充填情况、冷却时间及塑件的微结构、表面质量、物理性质、形状尺 寸和力学性能等问题。对充填过程进行数值分析和仿真，在于计算聚合物熔体在模具 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，注塑参数( 注射压力、速率和温度等) ，避免浇注过程中可能 产生的塑件质量问题，对得到满意质量的制品有重要的意义 注塑成型充填过程的数值模拟分为两部分：数学描述和数值实现。针对注塑成型 充填过程的数值模拟开展的研究很早，目前己能够对粘性流体在任意形状薄壁型腔中 的流动过程较好地进行分析这些研究在确定熔体前沿面时都是通过选取适当的时间 步长，将瞬态问题转化为一系列拟稳态问题这种算法必须满足条件：熔体在一个时 间步长内在法向方向的移动不能超过一个网格的大小。这一限制影响着算法的效率和 稳定性。为了解决该问题，本文根据熔体在每个控制体积内质量守恒，建立了以结点 压力和充填分数为未知量的控制方程；在每一时间步长对该方程进行迭代求解，得到 压力场和充填分数场；根据充填分数场确定熔体前沿面的位置，得到每一时刻熔体在 型腔内的充填情况。采用该算法对充填过程进行数值分析，更为合理地描述了瞬态过 程，提高了计算效率。 3 2 充填过程塑料熔体的流动行为 3 2 a 充模流动过程的三个阶段 塑料熔体在充模过程中分三个阶段，如图3 - 1 所示填充阶段，填充型腔容积； 压实阶段，加强型腔中的压力；补偿阶段，添加额外的材料以减小体积收缩 1 6 t - 海海事大学硕士论文 图3 - 1 充模过程的三阶段 3 2 2 塑料熔体的流动特点 塑料熔体在型腔内的流动存在三种形式：在入口区，流动是径向的，前沿呈圆弧 状；在完全发展区，熔体以几乎完全发展的形式在薄壁型腔中流动，对于等温充模， 前沿是平的，而对于非等温充模，前沿呈曲线形，这种流动在整个充模过程中占主导 地位：在前沿区，熔体从中线分开向模壁流动，熔体的流动形态称为泉涌流动。熔体 的泉涌流动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 于该膜的存在，使熔体交替发生以下两个过程：一是受到前沿面的阻止，熔