（机械设计及理论专业论文）薄壁注塑填充性和残余应力的研究.pdf

大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 随着塑料产品向轻、薄、短、小方向发展，人们对其成型难度和成型后质量及相关 的影响因素也越来越重视。因为塑件变得越薄，塑料熔体在型腔内冷却的速度越快，这 就使得成型难度增加；同时塑件在成型过程中冷却迅速，也会使成型后塑件内部产生残 余应力，直接导致开模后制品的收缩、翘曲等缺陷。 本课题综合了国内外薄壁注塑成型技术的发展情况，提出了薄壁塑件填充性和残余 应力的研究。由于在国内对薄壁注塑成型的研究处于起步阶段，没有形成一套理论体系， 所以该课题的提出对加强薄壁注塑成型的研究是十分有意义的。 本课题设计制造了一副滑盖手机外壳模具，该模具是一模一腔，潜伏式浇口，其壁 厚是o 5 m m ，选用的塑料是a b s 。对填充性的研究，在m o l d f l o w 数值模拟基础上，采 用正交试验法研究熔体温度、模具温度、注射压力、注射速度、保压压力和保压时间对 填充性的影响，然后使用单因素法、极差分析法和方差分析法进行数据处理。对残余应 力的研究，在m o l d f l o w 数值模拟基础上，然后使用光弹实验法来测量不同工艺参数下， 注塑件的残余应力分布的情况。 实验结果表明： ( 1 ) 填充性。极差分析结果和方差分析的结果基本相同。熔体温度是最重要的工 艺参数，其对填充率的贡献率是4 2 7 2 ：其次是注射压力，其对填充率的贡献率是 3 5 8 9 n 6 ；而后是模具温度，其对填充率的贡献率是1 4 9 2 ；注塑速度、保压压力和保 压时间对填充率的贡献率影响很小。 ( 2 ) 残余应力。使用光弹实验法画出塑件的应力分布曲线，比较其在不同工艺参 数下分布区域，发现对残余应力的影响程度从大到小的工艺参数依次为熔体温度、注射 速度、模具温度、冷却时间、保压压力和保压时间。其中提高熔体温度对于改善产品的 内应力是最合适的手段，可以均匀降低残余应力。 关键词：薄壁注塑成型；填充性；残余应力；数值模拟 薄壁注塑填充性和残余应力的研究 s t u d y o nt h ef i l l i n ga b i l i t ya n dr e s i d u a ls t r e s sf o rt h i n - w a l lp l a s t i c i n j e e t i o n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp l a s t i cp r o d u c t st ob e i n gl i g h t , t h i n ，s h o r ta n ds m a l l ，t h e f o m l i n gd i f f i c u l t y ，t h ef o r m i n gq u a l i t ya n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r sh a v eb e c , o n l ei m p o r t a n t i s s u e si n 蝎e e t i o nm o l d i n gi n d u s t r y b e c a u s ep l a s t i c st u r nt ot h i l l l l e l a n dt h ep l a s t i cm e l tc o o l f a s ti n t h ec a v i t y i tr e s u l t si nt h em o l e ：d i f f i e u l t yo fm o u l d i n g s i m u l t a n e o u s l y , a st h ep l a s t i c s c o o lf a s td u r i n gt h em o u l d i n gp l - o c e 5 5 , i tl e a d st or e s i d u a ls 舡e s si nt h ep l a s t i c sa n dt h e s h r i n l 嘴ea n dw a r p a g e n e p a p e rs y n t h e s i z e dt h ed o m e s t i c8 r i di n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n to f t w i m ( t h i n - w a l l i n j e e t i o nm o l d i n g ) t e c h n o l o g y s t u d yo nt h ef i l l i n ga b i l i t ya n dr e s i d u a ls 缸e s sf o rt h i n - w a l l 坷e c t i o ni sp u tf o r w a r d b e c a u s ei nd o m e s t i ct h er e s e a r e l 2o ft w i m i sj 嘲。丑t h ei , e g i n 啦, a n dt h et h e o r ys y s t e mi s s t i l ln o t , i ti sb e n e f i c i a lt h a tt h ep a p e r 锄r e i n f o r c er e s e a r c hi n t w l m a ni a j e e t i o nm o l dw h i c hl m so n ec a v i t ya n du s es u b m a r i n eg a t ef o rs l i d i n gp h o n es h e l li s d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e df o re x p e r i m e n t s 1 1 砖t l a i e k n e s so fw a l li s0 5 m m , a a d 口】a s t i ei s a b s m s t u d yo f 矗l l 堍a b i l i t y ，i nm m a e r i e a ls i m u l a t i o nb a s e d0 1 1 1t h em o l d f l o ws o f t w a r e ，i s u s e db yt h e t a g u e h im e t h o dt os t u d yt h ei n f l u e n o ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r s ( m e h t e m p e r a t u r e ，m o l dt e m p e r a t u r e ，i n j e e t i o np l 岱s u r e ，i n j e e t i o nr a t e ，h o l d i n gp l 磁跚，h o l d i n g t i m e ) a n dt h e i ri n t e r a c t i o n s , t h e nb yu s i n gt h es i n g l ef a c t o rm e t j a o d , 均n g ea 越l y s i sa n d a n o v aa n a l y s i st op r o c e s st h ee x p e r i m e n td a t a n es t u d yo fr e s i d u a ls t r e s s , i nn u m e r i c a l s i m u l a t i o nb a s e do nt h em o l d f l o ws o f t w a r e ，i su s e db yt h ep h o t o - c l a s t i ee x p e r i m e n tt o l l l c a s u r er e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o nw i t hd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r s 啊1 er e s u l t ss h o w ( 1 ) f i t t i n ga b i l i t y t h er e s u l t so fr a n g ea n a l y s i sa n d 筒叼i v aa t m l y s i sa 心b a s i c a l l yt h e 蛐e f o rt h ef i l l i n ga b i l i t y , m e l tt e m p e r a t u r ei st h em o s ti m p o r t a n tp i o c e s sp l t a 1 3 3 e t c r ，w h o s e c o n t r i b u t i o nr a t ei s4 2 7 2 t h es e c o n di si n j e e t i o np r c s $ 1 1 1 e w h o $ 1 er a t ei s3 5 8 9 t h el a s t i sm o l dt e m p e r a t u r e ，w h o s er a t ei s1 4 9 2 喇e e t i o nr a t e ，h o l d i n gp r e s s u r ea n dh o l d i n gt i m e h a v el i t t l ei m p a c to l nt h ec o n t r i b u t i o no f 丘n i n gr a t e ( 2 ) r e s i d u a ls l x e s s b yu s i n gp h o t o - e l a s t i ce x p e r i m e n tt om c a s u l er e s i d u a l s t l c s s d i s t r i b u t i o nt oc o m p a r et h er e g i o n a ld i s t r i b u t i o ni nt h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r s , i ti ss h o w nt h a t t l a ep r o c e s sp a r a m e t e r so fi n f l u e n c i n gr e s i d u a ls 由酷s 批r a n g e da sm e l tt e m p e r a t u r e i n j e c t i o n i i 大连理工大学硕士研究生学位论文 r a t e ，m o l dt e m p e r a t u r e ，c o o l i n gt i m e ，p a c k i n gp r e s s u r ea n dp a c k i n gt i m e i n c r e a s i n gt h em e l t t e m p e r a t u r ei st h ea p p r o p r i a t ew a y t oi m p r o v ep r o d u c t si n t e r i o rr e s i d u a ls t r e s s k e yw o r d s ：t h i n - w a l li n j e c t i o nm o l d i n g ；f i l l i n ga b i l i t y ；r e s i d u a ls t r e s s ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：! 鱼整茧日期：壶司= ：竺 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：鱼塑鸯 导师签名：盎堕垒 亟丑年旦月! 日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1绪论 注塑成型又称为注射模塑或注塑，是指受热熔化的材料由高压射入模腔，经冷却固 化后，得到成形品的方法。该方法适用于形状复杂部件的批量生产，是重要的加工方法 之一。塑料制品性能的优劣及规格多少与成型技术密不可分。注塑成型技术已经发展的 相当成熟，在传统工艺上的革新技术也很多，应用非常普遍，注塑制品己占塑料制品总 量的3 0 以上，在国民经济的许多领域里有着广泛的应用i l 】。虽然注塑成型技术己经是 一项比较成熟的技术，但是随着注塑制品在家电、汽车、通讯等高科技领域的应用，对 制品的质量、性能及产品更新换代提出了更高的要求 2 1 。为了适应社会的需要，注塑成 型技术出现了许多新的加工工艺方法，如低压注射成型、高速注射成型，复合注射成型、 薄壁注塑成型等，本文研究薄壁注塑成型。 1 1 薄壁注塑成型产生背景 随着电脑资讯产业的快速发展，未来在各类笔记本型、掌上型电脑p d a 或者如手机 之类通讯器材产品将有很大需求。为了适应产品不断向小、轻、薄、精发展。在常规注 塑成型技术的基础上，薄壁注射成型技术应运而生。 表1 1 薄壁注塑的应用状况 t a b 1 1 t h e a p p l i c a t i o n o f t h i n - w a l l e d i n j e c t i o n 笔记本电脑和手机的轻、薄化的发展特别明显1 9 8 6 年，第一台m m 笔记本 p c c o n v e r t i b l e 5 1 4 0 拥有9 5 k g 的惊人重量，1 9 9 2 年，t h i n k p a d 7 0 ( 0 重量是3 2 k g ，1 9 9 9 年，t h i n k p a d6 0 0 x 重量是2 5 k g ，2 0 0 0 年t 2 0 重量是2 4 k g ，2 0 0 4 年t 4 1 重量是2 2 2 k g ， 可以看出产品的质量随着技术的改进有了很大幅度的减小。手机也有薄壁化的趋势也很 明显，l o 年前手机外壁的厚度在1 5 m m 至2 ，5 m m ，目前是以1 0 r a m 厚度为主流。目前 薄壁注塑的应用情况如表1 1 所示闭。薄壁注塑成型的应用不只是局限在笔记本电脑和 薄壁注塑填充性和残余应力的研究 手机，在电子和医疗卫生等领域也有很广泛的发展，薄壁注塑模具在塑料工业领域中的 地位越来越重要f 4 】。 1 2 薄壁注射成型技术定义 薄壁注射成型是在常规注射成型基础上发展起来的成型技术。薄壁注塑成型也称为 薄壁塑件注塑成型，得名于其所成型的对象，即薄壁塑件。薄壁注射通常用来成型壁厚 在l m m 以下的塑料制件，薄壁的概念是相对的，注射流长厚度比大于1 0 0 ：1 甚至1 5 0 ：1 的制件也可以称为薄壁制件。相对常规注射成型来说，成型薄壁制件需要更快的注射速率， 更高的注塑压力。要达到这么高的流长比值而不增加浇口数目，就必须采用较高的熔体 温度和注射压力。由于注射压力与熔体的流动长度有正比的关系，制件的壁厚越小则流 动性越差，因此要保持流动的一致型就需要更高的注射压力。换而言之增加流动长度需 要增加注射压力，易产生相同的压力梯度来保持熔体能充满型腔四。 1 3 薄壁注塑成型的优点及问题 相比于棠规注塑成型，薄壁注塑成型技术有以下4 个优点： ( 1 ) 因快速填充型腔，所以可应用于流动长度较长而壁厚较薄的制件，达到快速成型 的目的。 ( 2 ) 由于熔体流动均匀，所以可降低制件肋部和流动末端处的不均匀收缩，提高制件的 精密度。 ( 3 ) 可缩短循环时间。当制件较薄时，所需冷却时间大大减少，从而缩短整个注射成 型周期。 ( 4 ) 减轻产品的重量。使用薄壁注塑成型技术可以在不改变产品外观的前提下，减轻 产品的重量。 薄壁注塑有很多优点，相对于传统注塑成型而言，注塑参数的设定变得更加重要。 另一方面，由于使用高速高压注塑，模具的排气也变的十分重要，以避免制件因型腔内 排气不畅导致烧焦。在薄壁注塑成型中，如果模具设计不当、工艺参数选择不佳时，会 出现以下问题： ( 1 ) 成型难度加大。当壁厚变薄时，使塑料熔体达到较长的流动距离变得更为困难。 如图1 1 所示【”，注塑填充过程中填充和冷却是交织在一起的。当熔体在模腔内流动时， 熔体前沿遇到相对温度低的表面，就会在其表面形成冷凝层，熔体在冷凝层中流动，随 着冷凝层厚度的增加，实际型腔内流道变窄，冷凝层厚度对熔体的流动有显著影响。由 于在薄壁注塑中，型腔中塑料熔体更少，散热更快，流道关闭得更快，导致塑料熔体易 大连理工大学硕士研究生学位论文 “冻结”。因此，为了使塑料熔体顺利充满型腔，薄壁注射相对常规注射应该使用更少 的充填时间。例如对于手机外壁来说，标准的充填时间小于o 5 s 。 a ) 常规注塑试件( 厚度3 m m ) ；b ) 薄壁注塑试件( 厚度l m m ) 图1 1 薄壁注塑与常规注塑 f i g 1 1 t h ed l i n - w a l l e di n j e c f i o ha n dn l ec o n v e n t i o n a lm j 硎o n ( 2 ) 翘曲变形。在注射成型中，当塑件有内部应力产生时，则会发生变形。翘曲变形 的存在会影响塑件的形状、精度和表面质量。当翘曲变形超过允许值时，就出现成型缺 陷。在薄壁注塑中，由于制品的厚度减小，熔体在填充是要受到很大的阻力，熔体冷却 速度加快，可能产生残余应力增大而导致制品的翘曲变形旧。 ( 3 ) 制件顶穿。由于制件较薄，顶出的设计和顶出位置都要有适当的安排，否则容易 顶穿或者制件变形。 1 4 薄壁注射成型技术要求 与常规注塑所用的模具相比，模具设计是薄壁注塑成型的至关重要的步。薄壁注 塑所用的模具，从模具材料、加工方式、模具结构、注射系统、冷却系统和脱模系统等 都有极大的变化。薄壁注塑成型对模具的要求主要包括下面几个方面【7 】： ( 1 ) 模具材料。由于成型薄壁塑件的注塑压力很高，为了防止模具在注射过程中变形 而影响成型件的精度，模具必须制造得很坚固。本实验模具材科选用的是p 2 0 。 一3 一 薄壁注塑填充性和残余应力的研究 ( 2 ) 加工方式。要获得精密的塑件，首先必须有精密的模具，现在的精密加工技术基 本能满足精密模具的加工要求精密模具可以通过超精密加工或镜面加工等手段来获 得。 ( 3 ) 模具结构。为了承受成型时的高压，薄壁注塑成型模具的刚度要大、强度要高。 因此模具的动、定模板及其支撑板厚度通常要比常规模具的模板要厚，支撑柱要多，模 具内可能要多设置内锁紧定位机构，7 以保证精确定位和良好的侧支撑，防止弯曲和偏移。 ( 4 ) 注射系统。薄壁注塑成型要使用大浇口，而且浇口的尺寸应该大于壁厚。如是直 浇口应设置冷料井，以减少浇口应力，协助填充，减少塑件去除浇口时的损坏。为保证 有足够的压力填充型腔，流道系统中应尽可能减少压力降，流道压降最好不要超过注塑 机提供压力的1 5 。为此，流道界面设计要比传统的大一些，同时要限制熔体的驻留时 间，以防止塑料降解裂化。当是一模多腔时，注射系统的平衡性要求远高于常规模具的 要求。 ( 5 ) 冷却系统。薄壁塑件不像常规塑件那样可以承受较大的因传热不均而产生的残余 应力。为保证塑件的尺寸稳定性，把收缩和翘曲控制在可接受的范围内，就必须加强模 具的冷却，确保冷却均衡。较好的冷却措施有，在型芯和型腔内采用不闭合冷却线，加 大冷却长度，必要的地方加入高传导率金属镶块，以加快热传导。 ( 6 ) 脱模系统。因为薄壁塑件的壁很薄，非常容易损坏，而且沿厚度方向收缩很小， 同时高保压压力使收缩更小，使得一些小结构很容易粘合在型腔上。为避免顶穿和顶白， 薄壁注塑成型应该是用数量更多、尺寸更大的顶杆。 1 ，5 国内外发展现状 塑料产品正逐渐向注射压高、注射速度快的薄壁注塑产品发展。国内外很多人员该 领域做了大量的实验和研究并取得了一定的成果。但是每个研究者的结论不尽相同，至 今还没有比较系统、权威的结论。 c h e ncs 等在对薄壁注塑熔接痕的研究中发现，高的熔体温度和模具温度可以大幅 度的降低残余应力；高的保压压力导致高的残余应力的产生，降低塑料分子粘结能力【8 1 。 y a odg ，k i mb 使用热模具薄壁成型技术后，研究发现随着壁厚的减少，熔体流 动的难度加大。模具温度提高后，熔体可以很容易的填充薄壁行腔而不带有冷凝层，同 时降低流动抵抗。实验中对比了传统熔接特点，发现这个方法利于熔体成型【9 】。 t a n t a k o m p 等以厚度lt o n i 、面积为5 0 0 1 1 1 2 的塑件用a b s 和p c 材料来做实验模拟，研 究表明成型材料主要受模具温度与熔体温度影响，而提高熔体温度到接近临界温度可以 增加熔体流动的长度，提高模具温度也可以改善熔体流动的长度与成品的延伸强度【l o 】。 大连理工大学硕士研究生学位论文 台湾龙华大学机械工程系的沈永康等使用m o l d t l o w 软件，对一笔记本电脑外壳进行 研究，其厚度分别为0 9 和1 0 r a m ，材料是加入不同比例玻璃纤维的聚丙烯( p p ) 。模拟中 采用正交实验表来安排填充时闯、注射压力、熔体温度和模具温度等工艺参数。模拟结 果表明在薄壁注塑中模具温度是比较重要的工艺参数，在提升熔体温度和注射压力有限 的前提下，提升模具温度可以得到很好的填充效果。薄壁注塑中的注射压力、模具温度 和熔体温度均高于常规注塑中的取值【1 1 1 。 台湾的h u a n gmc 等对l m m 厚度塑件的翘曲进行了数值模拟。模拟时采用正交实验 方法来分析填充时间、模具温度、浇口尺寸，熔体温度、保压时间和保压压力等参数对 其翘曲的影响。研究表明模具温度和熔体温度的交互作用影响最大，保压压力、模具温 度、熔体温度和保压时间的影响依次递减，面浇口尺寸和填充对闻的影响很小【1 2 1 。 大连理工大学的宋满仓等通过实验和m o l d t t o w 软件对一薄壁件( 壁厚为0 5 r a m ) 进行 了研究，研究表明：模具温度对薄壁塑件的填充性能有利，注射压力和注射量是影响薄 壁注塑成型的重要工艺参数，注射速度和熔体温度的交互作用对薄壁塑件的成型影响显 著【1 3 1 。 韩健、陈静波、申长雨等结合塑料薄壳注射成型技术的特点，通过与常规注射成型 技术的对比，将薄壳注射成型对设备、模具、塑料及成型工艺条件的要求进行了重点阐 述，探讨了薄壁注塑成型中所面临的主要问题和相应对策四。 c h i a n gkt ，c h a n gfp 等使用灰色关联度和模糊逻辑分析方法优化薄壁塑件的工艺 参数，方差结果显示熔体温度、冷却时间、保压时间、模具温度是最为显著的因素，这 些可以有效提高质量，降低生产成本。同时也指出对于减少薄壁塑件的翘曲率，提高模 具温度是最好的方法【蝴。 i - - i a s a n 等通过对工艺参数的调整，对薄壁注塑成型翘曲和收缩问题进行优化方案设 计。实验中采用正交试验法安排实验，使用性噪比和方差处理实验数据找出最佳的工艺 参数旧。 b o u z e l l ij 在文中指出薄壁成型的要素：熔体温度、模具温度、注射压力、注射速度， 并且利用实验的方法测得模具内的压力，得到注射速度越快，模具内压力损失越小的结 论，另一方面制件越薄模具内压力损失越大【1 6 1 。 l e ehk 等对薄壁塑件残余应力和表面质量之间的关系进行了研究，在实验中使用 了计算机数值模拟和光弹实验测量。研究发现使用光弹实验法得出的条纹可以正确的反 应实际塑件内残余应力分布的状况；残余应力的分布状况与分子取向性、塑件的厚度、 浇口的位置、塑料材料有关，其中分子取向性是最重要的1 1 7 1 。 薄壁注塑填充性和残余应力的研究 n e v e snm ，p o n t a d aas 等使用光弹实验法，对不同工艺参数下p p 光碟在厚度方向 的分子取向进行了研刭。 徐文莉、申长雨等使用实验方法结合数值模拟研究残余应力的分布和量化，测量了 一系列从薄到厚的p c 平板注塑件，发现厚度小于l m m 时，残余应力实验熔体填充方向排 布的；残余应力的分布和形态是由制件厚度和注塑材料决定的。对p c 板残余应力的影响 程度从大到小的工艺参数依次是熔体温度、模具温度、注射压力、冷却时问。其余的工 艺参数可以认为对残余应力基本没有影响。但是提高模具温度对于改善产品的内应力是 最合适的手段，可以均匀降低内应力，j 。 李海梅使用偏光设备观察了透明聚碳酸酯塑件残余应力的分布，以此来研究残余应 力的影响因素。然后基于光弹实验的结果，用数值方法研究了不同成型条件下的残余应 力分布情况 2 0 1 。 王松杰、陈静波根据注射成型的特点，分析注塑制品残余应力的产生原因和影响因 素，合理设计保压压力和保压时间，冷却区域尽量使制件的表面均匀冷却，模腔厚度均 匀，这些都对减小熟残余应力都是十分有效的【2 l 】。 吴利英对影响注塑件残余应力的因素进行分析，发现塑件的造型设计不合理、模具 设计不合理、成型工艺不正确和注塑机选用的不恰当都会使注塑件内部产生很大的残余 应力。同时发现在注射成型后对塑件进行热处理，可以很好的降低和消除残余应力瞄】。 任勇介绍了应力产生的原因，提出采用提高注射时熔体温度、提高模具温度、降低 注射压力和保压压力、缩短注塑和保压时间、尽量不要使用嵌件、制品的壁厚要设计均 匀等都可以减少残余应力【z 3 】。 综上所述，从研究的手段来看，由于在模拟和实验中要考虑的参数比较多( 注射速 度、注射压力、模具温度、熔体温度、保压压力和保压时间等) ，且每个参数又有很多 不同水平，还要考虑交互影响，所以多倾向于使用正交实验方法安排模拟条件和实验条 件，这样不但可以减少实验次数，节省时间和费用，而且又能得到好的效果。 1 6 课题的提出以及研究内容和方法 国内外的研究者对薄壁注塑方面已经取得了一些成果，但是对薄壁注塑易产生填充 不足和翘曲变形的研究还很少，并且在很多问题上存在着不同的观点，因此还有很多工 作要做。本课题针对薄壁注塑易产生填充不足和翘鳆变形问题，设计制造一套0 5 m m 厚 度的简易滑盖手机外壳模具，期望通过对该薄壁制品成型过程的数值模拟和实验研究， 来获得关于薄壁注塑填充性和残余应力的有用数据和经验，总结其成型规律，以便用于 指导实际生产。 一6 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 在u g 环境下，建立滑盖手机外壳模型，然后在m o l d f l o w 环境下，分析最佳浇口位 置，然后根据浇口位置设计制造出整套模具，完成对实验的准备工作。 首先，对塑件模型用m o l d f l o w 6 0 软件进行数值模拟。采用f u s i o n 网格来划分模型， 进行模拟分析。模拟方法是对注射速度、注射压力、模具温度和熔体温度等工艺参数使 用单因素法采用渐变的趋势进行模拟，分析模拟结果并总结各个参数对薄壁塑件成型特 性的影响。因为残余应力对塑件的影响主要体现在翘曲变形上，使用f l o w + w r a p 模型进 行残余应力的分析，对比翘曲量的不同，来分析工艺参数对残余应力的影响。 因为在实验中要考察注射速度、注射压力、保压压力、保压时间、模具温度和熔体 温度等工艺参数及其交互作用等因素，而且每个因素又有很多不同水平，所以实验中采 用正交表来安排实验条件，应用极差分析法和方差分析法来探讨各工艺参数及其交互作 用对薄壁塑件成型特性的影响，以说明该塑件的可成型性。由于开始使用单浇口进行实 验，在现有的注塑机工作条件下，不能使塑件完全成型，所以在完成其相关实验后，通 过对动模型芯的加工增加一个浇口，完成后续的实验工作。因为n t 动模型芯是个不可 逆的过程，因此要保证单浇口时实验完全完成，然后才可进行加工。 对残余应力的研究，使用光弹实验法，对完全成型塑件残余应力的影响因素进行研 究。根据在不同的工艺参数得出的残余应力条纹线，进行分级，同时比较其应力线分布 的范围和密集程度，来总结出工艺参数对残余应力影响的趋势。 薄壁注塑填充性和残余应力的研究 2 注塑成型基本理论 注塑成型也称注射成型，可用来生产空间几何形状非常复杂的塑料制品。由于它具 有应用面广，成型周期短，生产效率高，模具工作条件可以得到改善，制品精度高，生 产条件较好，生产操作容易实现机械化和自动化等方面的优点，因此在整个塑料制品生 产行业中，占有非常重要的地位，据统计，目前工程塑料制品中，8 0 以上都采用注射 成型方法生产1 2 j 。 2 1 注塑成型工艺过程 注射成型是利用塑料的可挤压性与可模塑性，首先将松散的粒状或者粉状成型物料 从注射机的料斗送入高温的机筒内加热熔融塑化，使之成为粘流状态熔体，然后在柱塞 或螺杆的高压推动下，以很大的流速通过机筒前端的喷嘴注射进入温度较低的闭合模具 中，经过一段保压冷却定形时间后，开启模具便可从模腔中脱出具有一定形状和尺寸的 塑料制品，其生产工艺过程和生产工艺循环图如下图2 1 和2 2 所示【2 4 】。 图2 1 注塑成型 f i g 2 1i n j e c t i o nm o l d i n g 一8 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 图2 2 注射成型生产工艺过程循环图 f i g 2 2i n j t i o nm o l d i n gp r o d u c t i o np r o c e s sc y c l em a p 2 1 1 成型前的准备 为了使注塑成型生产顺利进行，确保制品质量，成型前应对塑料原料的外观色泽、 颗粒情况、有无杂质等进行检验，并测试其热稳定性、流动性和收缩率等指标，如不满 足要求，应及时采取措施解决。对于吸湿性强的塑料，应更具注塑成型工艺允许的含水 量进行适当的预热干燥，以避免制品表面出现缺陷。 2 1 2 注射过程 塑料在料筒内经加热达到流动状态后，进入模腔内的流动可分为充模、压实、倒流 和冷却四个阶段。在连续的四个阶段中，熔体温度将不断下降，而压力则按图2 3 所示 曲线变化。图中t o 代表螺杆开始注射熔体的时刻。由图可见，当模腔充满熔体( t - - t 1 ) 时，熔体压力迅速上升，达到最大值p o 。从时间t l 到t 2 ，塑料仍处于螺杆的压力下，熔 体会继续流入模腔内以弥补因冷却收缩而产生的空隙。由于塑料仍在流动，而温度又在 不断下降，定向分子( 分子链的一端在模腔壁固化，另一端沿流动方向排列) 容易被凝 结，所以这一阶段是大分子定向形成的主要阶段。这一阶段的时间越长，分子定向的程 度越高。从螺杆开始后退到结束( 时间从t 2 到t 3 ) ，由于模腔内的压力比流道内高，会 发生熔体倒流，从而使模腔内的压力迅速下降。倒流一直进行到浇口处熔体凝结时为止。 若螺杆后退一开始浇口处熔体就已凝结，或注射机喷嘴中装有止回阀，则倒流阶段就不 复存在，也就不会出现t 2 、t 3 段压力迅速下降的情况。塑料凝结时的压力和温度是决定 塑料完全凝结到顶出制品( 时间从t 3 到t 4 ) ，为凝结后的制品冷却阶段，这一阶段的冷 却情况对制品的脱模、表面质量和翘曲变形有很大的影响刚。 一9 一 薄壁注塑填充性和残余应力的研究 p p o r p ， d 南蠢如6 厶 图2 3 温度压力曲线 f i g 2 3t e m p e r a t u r ea n dp r e s s m ec u r v e 2 1 3 制品后处理 由于成型过程中塑料熔体在温度和压力的变形流动行为非常复杂，再加上流动前塑 化不均匀充模后冷却速度不同，制品内经常出现不均匀的结晶、取向和收缩，导致制品 内产生相应的结晶、取向和收缩应力，脱模后除引起时效变形外，还会使制品的力学性 能、光学性能及表面质量变坏，严重时还会开裂。为了解决这些问题，对制品进行适当 的后处理。常用的后处理方法有退火和调湿。退火是为了消除或降低制品成型后的残余 应力。调湿处理是一种调整制品含水量的后处理工序【2 4 】。 2 2 注射成型工艺条件 注塑成型最重要的工艺参数是影响塑化和成型过程的温度、压力和时间。它们的选 择均与塑料种类和性能有关【2 4 】。 2 2 1 温度 注射成型过程需要控制的温度有料筒温度、喷嘴温度和模具温度。前两种温度影响 塑料在料筒内塑化和流动，后一种影响塑料在模具内流动和冷却。塑化物料的温度( 塑 化温度) 和从喷嘴注射出来的熔体温度( 注射温度) 主要取决于料筒和喷嘴两部分的温 度。热塑性塑料在受热时的变形曲线如图2 4 所示，图中，a 、b 、c 、d 四区分别对应 于塑料的玻璃态、高弹态、可塑态和分解态，料筒温度应参照c 区的流动温度t b 和分解 温度t c 来确定。喷嘴温度透常略低于料筒的最高温度，以防止熔料在直遥式喷嘴口发生 “流涎现象”。模具温度一般通过冷却系统来控制。 大连理工大学硕士研究生学位论文 图2 4 温度变形曲线 f i g 2 4t 唧c t a u a ea n dd e f i h m a d o ng u l v e 2 2 2 压力 注塑成型过程中的压力包括注射压力、保压压力和背压力。 1 、注射压力。注射压力用以克服熔体从科筒向型腔流动的阻力，提供充模速度及 对熔料进行压实等它是由螺杆轴向移动时其头部对塑料熔体旋加的压力。 2 、保压压力。保压压力是在注塑过程将近结束时，保持向型腔因为制件收缩而空 出的容积进行补料。保压压力的大小与制品的形状、壁厚有关。一般来说，形状复杂和 薄壁制品，由于采用的注射压力大，保压压力应略低于注射压力( 最大为注射压力的 8 0 ) 。 3 、背压力。背压力是指注射机螺杆顶部的熔体在螺杆转动后退时所受的压力，简 称背压。背压主要体现对物料的塑化效果极其塑化能力，也称为塑化压力。 2 2 3 时间 完成一次注射成型过程所需的时间成为成型周期。包括以下几个部分： r 充模时间，即注射时间 成型周期 三囊警：爵：? 压时间 总冷却时间 l 其他时间( 开模、脱模、闭模等) 在保证塑料制品的前提下，应尽量缩短成型周期中的各段时间，以提高生产率。 2 3 本章小结 本章对注塑成型的基本工艺过程和注塑工艺条件的介绍，为后续实验操作提供了必 要的理论支持。注塑工艺参数的相关内容有助于实验设计中对影响因素的选择。 薄壁注塑填充性和残余应力的研究 3 模具设计及实验设备 注塑模具结构的合理性将直接影响塑件的成型质量、生产效率、工人的劳动强度， 所以如何根据图样或产品要求尽快地设计出结构优化的模具，是模具设计的重要一环。 模具设计需要考虑的因素很多，如塑料特点、塑件形状、型腔数目、注塑机类型、模具 制造工艺的可行性以及具体的加工条件等。在弄清楚这些问题进后，就可以开始设计模 具了。模具的基本结构包括模具总体结构、成型部分、浇注系统、温度调节系统和脱模 系统等【2 5 1 。 3 1 模具总体结构设计 注塑模具按总体结构特征可分为单分型面注塑模具( 二板式) 、双分型面注塑模具( - - 板式) 、带有活动镶块的注塑模具和带侧向分型抽芯的注塑模具等。目前，模架己基本 标准化，可分为基本型a i 、a a i i i ，a n 和派生型p 1 p 9 e 擒。 注塑模总体结构，主要取决于塑件的复杂程度以及浇注系统的类型。由于本课题塑 件结构比较简单，所以模具总体结构采用单分型面结构。模架选用龙记的a 1 1 5 2 0 型，图 3 1 是a 1 1 5 2 0 模架结构图。定模固定板与定模板一起组成定模部分，动模板和动模垫板 组成动模部分。 8 9 1 0 6 7 l 动模固定板：2 一定模板；3 动模板；4 一垫块：5 底座版 6 推杆固定板；7 推板；s 导套：9 导柱；l o 一复位杆 图3 1a 1 1 5 2 0 模架 f i g 3 1 a 1 1 5 2 0m o l d b a s e 本课题要求设计制造一幅复杂结构塑件，所以设计一滑盖手机外壳模具，产品3 d 模型如下图3 2 所示。滑盖手机外壳的外观尺寸为8 0 m m x 4 6 m m x 4 m m ，壁厚是0 5 m m ， 壁厚流动长度的比为1 8 6 ，成型面积约为2 3 6 5 c m 2 。 大连理工大学硕士研究生学位论文 图3 2 产品模型 f i g 3 2 n o d u c tm o d e l 3 1 1 浇注系统设计 浇注系统是制塑料熔体从注射机喷嘴出来后，到达型腔之前在模具中所流经的通 道，其作用是将熔融状态的塑料从喷嘴处平稳地引入模具型腔。浇注系统由主流道、分 流道、浇口和冷料穴四部分组成。 l 、主流道从注塑机喷嘴到分流道为止的那一段流道，熔料进入模具时首先经过它。 2 、分流道将从主流道来的塑料沿分型面引入各个型腔的那一段流道。 3 、浇口是紧接分流道末端将塑料引入型腔的狭窄部分，浇口有普通侧浇口、扇形 浇口、平缝式浇口、护耳式浇口、点浇口、潜伏浇口和直浇口等多种形式。 4 、冷料井用来除去料流中的前端冷料；有的还具有顶出或拉出凝料的作用。 浇注系统需要保证熔体迅速顺利有序地充满型腔，获得外观清晰、内在质量优良的 塑件，因此浇注系统的设计很重要。浇注系统的设计主要包括流道布置、流道截面尺寸 和浇口的数量、位置与形式。 根据本课题塑件的形状结构_ 和需要外表面美观的要求，模具采用潜伏式浇口，浇口 的进料处是在推杆上，再通过推杆上的流道进入塑件的内表面。潜伏式浇口开设在塑件 的内部，塑料熔体通过型腔侧壁斜注入型腔，浇口常设在动模一侧以便于模具打开时由 推顶动作将浇口切断，因而塑件外表无浇口痕迹，塑件的表面质量和美观效果好。浇注 系统如下图3 3 所示。 薄壁注塑填充性和残余应力的研究 l 浇口套；2 主流道；3 一分流道；4 冷料穴 5 一顶杆；6 浇口：7 模腔 图3 3 浇注系统 f i g 3 3f e e d i n gs y s t e m 1 2 3 7 6 3 1 2 成型部分结构设计 注射模闭合后，其内部零部件将组合成一个能容纳塑料的闭合空腔，即所说的型腔， 它将接受由注塑机注射出来的塑料熔体，并使它们在其内部固化成行为塑料制品。显然， 型腔的几何形状和尺寸决定了制品的几何形状和尺寸，所以构成型腔的所有零部件统称 为成型零部件。它由定模和型芯、动模和型芯、嵌件、特殊成型零件以及成型顶杆等组 成它们根据塑件的不同结构而形成相互对应的结构形式。 本课题的塑件采用一模一腔来成型塑件，动模采用沉孔嵌入式，定模和型芯也采用 沉孔嵌入式。其结构如图3 4 和图3 5 所示。由于模具工作时要承受塑料熔体的高压高速 的反复冲击和摩擦作用，长期工作容易发生磨损、变形和断裂。所以本实验定模型芯和 动模型芯所用材料为p 2 0 。 大连理工大学硕士研究生学位论文 图3 5 动模型苍 f i g 3 5 i n s e r t f o r m o v a b l e m o l d 3 1 3 脱模机构设计 脱模机构是注射模的重要功能之一，它可使冷却固化后的成型制品从模具中取出， 也叫顶出机构。脱模机构一般在动模上，通过注射机的开模动作启动而将制品推出。脱 模系统的设计原则首先是保证塑件不因顶出而变形损坏及影响外观，其次是机构要简 单、可靠、准确和灵活。由于课题的塑件比较薄而且面积也很大，所以需要多用几个顶 杆，以防止塑件变形损坏。项杆在塑件上的位置如下图3 6 所示。 薄壁注塑填充性和残余应力的研究 图3 6 脱模系统 f i g 3 6d e m o u l d i n gs y s t e m 3 1 4 热交换系统设计 塑成型中，模具温度对塑料熔体的充模流动、固化规律、生产率、制品的形状和尺 寸精度等都有影响。为了保证产品质量和生产率，模具温度必须适当、稳定、均匀。在 注塑成型时需要合适的模具温度，所以该系统使模具整个型腔保持在合适的温度范围 内。模具的冷却主要用循环永冷却方式，模具的加热有通入热水、蒸汽、热油和电阻丝 加热等。本课题模具的水道位置和尺寸如图3 7 所示。 图3 7 热交换系统 f i g 3 7 h e a te x c h a n g es y s t e m 大连理工大学硕士研究生学位论文 3 2 模具装配图 0 4 o l 推料轩；0 2 一定位圈；0 3 浇口套；0 4 - - 定模固定板；0 5 一定模板； 0 6 一定模型腔；0 7 动模型腔；0 8 一动模板；0 9 推板支撑板；l o 一底座板； 1 l 、1 2 一推杆；1 3 ，1 4 、1 5 一螵栓 图3 8 装配图 f i g 3 8a s s e m b l e l 丁一 薄壁注塑填充性和残余应力的研究 3 3 实验设备 ( 1 ) 注射机 实验中使用的是专门用于微型注射成型的德国d r b o yg m b h & c o k g 公司生产的 b o y1 2 a 微型注射机，其精度高、稳定性好。该注射机的主要技术参数见表3 1 ，图3 9 为该设备的外观图。实验所使用的注塑机对注射速度控制是以最大注射速率的百分比多 少来控制的，所以在以下的实验设计中，注射速度的取值都以注塑机最大注射速率的百 分比进行选取。 表3 1 注塑机的基本信息 t a b 3 1b a s i ci n f o r m a t i o no f i n j e c t i o nm a d f i n