（机械设计及理论专业论文）薄壁塑件可填充性的实验与数值模拟研究.pdf

大连理一r 大学硕七学位论文 摘要 常规注塑成型工艺己为人们所熟悉，相关理论已经非常成熟，但薄壁注塑成型则不 然。这是因为随着塑件壁厚不断变薄，聚合物熔体在型腔中冷却迅速，使得成型难度加 大，导致聚合物熔体在薄壁型腔内的流动行为也与常规注塑成型有所不同，有许多问题 尚待研究。 本课题利用一套简易手机外壳模具对薄壁成型工艺进行研究。成型塑件壁厚分别为 o 5 m m 和o 6 m m ( 为了考虑厚度对填充行为的影响，试验期间曾对成型塑件壁厚进行调 整) 。对该塑件成型过程的研究以m o l d f l o w 数值模拟为指导，采用了j 下交试验法安排 试验，数掘处理上采用极差分析和方差分析相结合的方法。试验中考察了注射压力、注 射速度、模具温度、熔体温度、注射量和塑件厚度等6 个因素对填充率的影响并将熔体 温度与注射速度之间、注射速度与注射压力之间的交互作用也列在考察范围内，试验结 果以贡献率的方式给出。 试验结果表明：利用极差分析和方差分析得到的结论几乎相同。在极差分析中各个 因素的影响顺序为塑件厚度、熔体温度、注射量、注射压力、模具温度、注射速度。在 方差分析中各个因素的影响顺序为塑件厚度、注射量、熔体温度、注射压力、模具温度。 二者之间微小的差别是试验误差影响的结果。从贡献率上来看，塑件壁厚的影响最为显 著，高达3 6 9 4 。熔体温度和注射量分别以1 2 4 5 和1 2 7 9 的贡献率位居其后。注 射压力同样是显著的影响因素，其贡献率为6 7 2 。模具温度影响不显著。熔体温度与 注射速度之间，注射速度与注射压力之间不存在交互作用。 本文工作对研究薄壁塑件注塑成型中的主要影响因素及交互作用的方法，以及深入 开展薄壁成型技术的研究提供了可利用的借鉴资料。 关键词：薄壁注射成型；正交试验；影响因素；贡献率 薄孽塑件可填充性的试验和数值模拟研究 s t u d yo nm o l d i n ge x p e r i m e n t so ft h ef i l l i n ga b i l i t ya n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h i n w a up l a s t i cp a r t s a b s t r a c t t h ep r o c e s sa n dm e t h o do ft r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n ga r ea l lr e a d yc o n s u m m a t e w h i c ha r ed i f f e r e n tf r o mt h a ti nt h i n - w a l li n j e c t i o nm o l d i n g i ti sm u c hm o r ed i 衔c u l tt of i l l t h ec a v i t yb e c a u s et h em e l ti sf r o z e nv e r yq u i c k l yw h e nt h et h i c k n e s sb e c o m es m a l l e r a l s o ， t h ef l o wb e h a v i o ro ft h ep o l y m e rm e l ti nt h i n w a l li n j e c t i o nm o l d i n gi sd i f f e r e n tf r o mt h a ti n t r a d i t i o n a lc o n d i t i o n m a n yp r o b l e m sa r eu n s o l v e d i nt h i sr e s e a r c h ，am o l do fas i m p l em o b i l ep h o n eb a c kc o v e ri su s e d t h et h i c k n e s s e so f t h ec o v e rp a r ta r e0 5 m ma n d0 6 m m ( i no r d e rt oc o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo ft h i c k n e s s a d d i t i o n a lm a c h i n i n gi sm a d et om o d i f yt h et h i c k n e s sd u r i n gt h ee x p e r i m e n t s ) t h er e s e a r c hi s b a s e do nt h es i m u l a t i o no fm o l d f l o wa n dt h ee x p e r i m e n t sa r ea r r a n g e du s i n gm e t h o do f t a g u c h i r a n g ea n a l y s i sa n da n o v aa n a l y s i sa r eu s e di nd a t ap r o c e s s i n g e f f e c t i v ef a c t o r s s u c ha si n j e c t i o nr a t e ，i n j e c t i o np r e s s u r e ，m e l tt e m p e r a t u r e ，m o l dt e m p e r a t u r e ，t h i c k n e s so f t h e p a r ta n di i l l e c t i o nv o l u m ea r es t u d i e da n dt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nm e l tt e m p e r a t u r ea n d i n j e c t i o nr a t e ，i n j e c t i o nr a t ea n di n j e c t i o np r e s s u r ea r ei n v o l v e d t h er e s u l t sa r eg i v e ni nt h e f o r mo fc o n t f i b u t i o nr a t e s a c c o r d i n gt o t h er e s u l t so fr a n g ea n a l y s i sa n da n o v aa n a l y s i s ，a l m o s tt h es a m e c o n c l u s i o n sa r eg o t i nr a n g ea n a l y s i s ，t h es e q u e n c eo ft h ee f f e c t i v ef a c t o r si sp a r tt h i c k n e s s ， m e l tt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o nv o l u m e ，i n j e c t i o np r e s s u r e ，m o l dt e m p e r a t u r ea n di n j e c t i o nr a t e i n a n o v a a n a l y s i s ，t h es e q u e n c eo ft h ee f f e c t i v ef a c t o r si sp a r tt h i c k n e s s ，i n j e c t i o nv o l u m e ， m e l tt e m p e r a t u r e i n j e c t i o np r e s s u r ea n dm o l dt e m p e r a t u r e t h et i n yd i f f e r e n c ei sa s c r i b e dt o e x p e r i m e n te r r o r t h ep a r tt h i c k n e s si st h em o s ts i g n i f i c a n tf a c t o rw i t hac o n t r i b u t i o nr a t eo f 3 6 ，9 4 f o l l o w e db ym e l tt e m p e r a t u r ea n di n j e c t i o nv o l u m ew i t h1 2 4 5 a n d1 2 7 9 坷e c t i o np r e s s u r ei sa l s oi m p o r t a n tw i t hac o n t r i b u t i o nr a t eo f6 7 2 m o l dt e m p e r a t u r ei sn o t i m p o r t a n ta n dt h e r ei sn o ta n yi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e m t h i s r e s e a r c hc a l lb eu s e df o rr e f e r e n c ei ns t u d yo ni n f l u e n c eo ff a c t o r sa n dt h e i r i n t e r a c t i o n si nt h i n w a l li n j e c t i o nm o l d i n g i ti sa l s oh e l p f u li nf u r t h e rr e s e a r c hi nt h i n w a l l i n j e c t i o nm o l d i n g k e y w 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 ；t a g u c h im e t h o d ；e f f e c t i v ef a c t o r s ；c o n t r i b u t i o n r a t e 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i i ：i i 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： 沙“队u f 犬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。 作者签名蛰堡塾 导师签名：垒堕垒 兰年兰月日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 近年来，全球制造业正以垂直整合的模式向亚太地区转移，我国j 下成为世界制造业 的重要基地。据权威报告，中国已成为世界第一制造大国。作为产品制造的重要工艺装 备，国民经济基础工业之一的模具工业将直面竞争的第一线。模具是工业生产的基础工 艺装备，模具水平的高低是衡量一个国家制造水平的标志1 1 t 2 】。国民经济的五大支柱产 业机械、电子、汽车、石化、建筑都要求模具工业的发展与之相适应。 模具因其生产效率高、产品质量好、材料消耗低、生产成本低而获得广泛应用，这 是其他加工制造业所无法比拟的。模具是现代工业，特别是汽车、摩托车、航空、仪表、 仪器、医疗器械、电子通信、兵器、家用电器、五金工具、日用品等工业必不可少的工 艺装备。据资料统计，利用模具制造的零件数量，在飞机、汽车、摩托车、拖拉机、电 机、电器、仪器仪表等机电产品中占8 0 以上；在电脑、电视机、摄像机、照相机、录 像机等电子产品中占8 5 以上；在电冰箱、洗衣机、空调、电风扇、自行车、手表等轻 工业产品中占9 0 以上：在子弹、枪支等兵器产品中占9 5 以上。我国加入w t o 以后，各 行业产品的品种和数量不断增加，换型加快，对产品质量、样式和外观也不断提出新要 求，致使模具需求量增加，对模具的质量要求也越来越高，因此，迅速提高模具技术水 平已成为当务之急【3 一。目前注射成型总的发展趋势是向精密、节能、自动化、薄壁化 和微型化发展，因此本课题对于薄壁注射成型理论的研究有着重要的意义。 1 1 薄壁注塑成型产生的背景 随着电脑、手机等3 c 产品的迅猛发展，渐渐形成了轻、薄、短、小的全新设计理念 【5 1 。笔记本电脑和移动电话的减重趋势尤为明显，产品重量上的竞争在日本被以“克的 战争( g r a mw a r ) ”来形容。东芝公司的笔记本电脑总重量从1 9 8 6 年的6 8 k g 、1 9 9 0 年 的3 1 k g 、1 9 9 6 年的2 2 k g 发展虱1 1 9 9 7 年l i b r e t t 0 5 0 的8 4 0 9 ，减轻幅度相当惊人。从壁厚的 发展束看，笔记本电脑从a b s 塑料制成的2 o n 珊外壳到1 - 5 m m 厚度p c a b s 的应用，直 至目前正在丌发的p c 材料1 0 r a m 壁厚，薄壁化趋势一目了然。移动电话也有类似的发展， 1 0 年前外壳壁厚约在1 5 至2 5 m m ，目前是以1 0 r a m 塑料的外壳为主流，不久的将来， 会有更薄的产品问世。薄壁成型的发展并不只局限于笔记本电脑和移动电话，例如台式 电脑外壳、监视器外壳和电视机外壳等也正朝着同样的方向发展【6 】。 与常规泣塑成型技术相比，薄壁注塑成型技术所成型的塑件具有以下优点1 7 】： ( 1 1 可以减轻产品重量、减小产品外观尺寸； ( 2 ) 能为相同尺寸的产品提供更多的空间以容纳更多的功能性元件，增加产品功能； 薄肇塑件可填充性的试验和数值模拟研究 ( 3 ) 使产品便于集成设计及装配； ( 4 ) 缩短生产周期、提高产品竞争力； ( 5 ) 节约材料、降低成本等。 正由于薄壁注塑成型具有以上的优点才得到人们的高度重视。对于薄壁成型理论的 研究具有深远的意义。 1 2 薄壁注塑成型的定义 薄壁注塑成型( t h i n w a l li n j e c t i o nm o l d i n g ，t w i m ) 顾名思义就是生产薄壁制品的 塑料注射成型工艺，但是目前对于薄壁塑件还没有一个明确的定义。 w h e t t e n 和f a s s e t 把薄壁注射成型定义为塑件厚度小于l m m 且成型面积在5 0 伽2 以上 的塑料注射成型工艺。然而薄壁塑件的定义是相对的，因此也可以通过其他方式定义， 比如m a l o n e y 和m a h i s h i 把其定义为流长厚度比l 肛( l ：l e n g t h ，流动长度；t ：t h i c k n e s s ， 塑件厚度) 在1 0 0 ( 或者1 5 0 ) 以上的注塑制品。还有人把所成型塑件的厚度小于l m m ( 或 者1 5 r a m ) 的注塑成型定义为薄壁注塑成型，更有把制品壁厚在0 5 0 8 m m 之间的塑 件称为薄壁塑件，0 3 m m 下称为超薄壁塑件的1 8 】。 事实上，薄壁注塑成型的定义必然会随着生产工艺水平的不断提高而变化，因此它 是一个帽对的概念。 1 3 薄壁注塑成型中的注塑机 常规的注射机在薄壁塑件注塑成型中已经不适用了，所以机械设备制造商与研究机 构共同合作努力，研制出了专用的注射设备。如台湾中精机公司的v s 一1 0 0 薄壁注射机和 德国d r b o y 公司开发的b o y l 2 a 型注射机：另外还有a r b u r g 、e t t l i n g e r 、f e r r o m a t i k 、 m l l a c r o ne u r o p e 、r 精( n i s s e i ) 、住友( s u m i t o m o ) 、东洋( t o y o ) 等注射机厂 家也专门丌发了用于成型薄壁塑件的注射机。薄壁塑件注塑成型的填充时间很短，有的 填充时间不足0 5 s ，如此短的填充时间必然要求使用高解析度的微处理器来控制注射 机。在薄壁塑件的整个注塑成型过程中，应同时各自独立地控制压力和速度，常规注射 机的充填阶段用速度控制，保压阶段再转为压力控制的方法已不适用。另外，注射机的 液压系统要采用液压伺服系统。其注射单元中要增加储能器，以协助注射机产生足够大 的充填压力，还有助于快速合模【9 l 。 1 4 薄壁注塑成型中的问题 常规注塑的填充过程和冷却过程往往是交织在一起的，当熔融聚合体流动时，流动 前沿遇到冷的模腔壁和冷的型芯，就会在其表面形成层冷凝层，熔融聚合体在冷凝层 一2 - - 大连理工大学硕士学位论文 内继续流动，但冷凝层厚度对流动阻力有非常大的影响。随着冷凝层厚度的增加，实际 模腔流道就在变窄，也有可能堵死流道，导致充不满模。 成型薄壁塑件的难点在于冷凝层厚度与塑件厚度的比值随着塑件厚度的减小而急 剧的增加，当冷凝层厚度与塑件厚度可比较时，这个问题变得更加严峻了。f a s s e t 指出： 如果不考虑塑件的基本尺寸，注塑时将会在模具表面形成大约0 2 5 m m 厚的冷凝层，如 图1 1 所示，假如一塑件基本尺寸厚度为l m m ，那么其实际流动厚度只有0 5 m m ；要是 塑件厚度为0 5 m m 或者更小，熔体流动会非常困难。这就意味在薄壁塑件注塑成型中实 际流动厚度很小，流动阻力非常大【8 】。 形刃形形 一誓、 一一熔体) 、 7 图1 1 注塑成型时型腔内流动情况 f a g 1 1 f l o w o f m j e c a o n m o l d i n 9 1 1 1 c a w t y 在常规注塑成型中，若塑件流动长度为3 0 0 m m ，塑件壁厚为3 m m ，虽然流长厚度比 l ，r 达到1 0 0 ，但是仍然不存在填充困难。当塑件厚度下降到l m m ，流动长度减少到 1 0 0 m m ，虽然流动长度比仍然是1 0 0 ，但是用常规注塑方法填充满型腔已经相当困难。 事实上，在薄壁注塑成形中，流长比大于7 0 就常常会导致型腔填充不足了。为减少填充 的困难，就必须采取高速、高压、高温等措施。但这样又提高了对注塑设备及其他生产 条件的要求，增加了生产成本，而且高速、高压、高温也使薄壁塑件的填充行为与常规 情况下相比所涉及的因素更多、更复杂，也给填充的控制带来了一定的困难。 薄擘塑件可填充性的试验和数值模拟研究 1 5 国内外发展现状 薄壁注射成型理论自提出以来，仅有十几年的历史，理论体系尚未形成。计算机模 拟技术也只是近几年才提出。理论和实践中尚有很多问题没有解决。虽然国内外很多研 究人员在该领域做了大量的试验和研究并取得了一定的成果【l o 川。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【1 2 】。 奥克兰大学机械工程系的姚东刚【13 】等对不同厚度的矩形薄壁塑件成型行为进行了 研究。使用c - m o l d 软件来模拟其填充行为，所用材料为聚碳酸脂( p c ) ，模具湿度种 是室温，另一种是2 6 5 ( 即聚合物熔体的温度) ，塑件壁厚分别为：0 2 5 、0 5 、1 和 2 m m 。在室温下的模拟研究表明：当壁厚减小时，要填充相同的值注射压力急剧上 升：在低注射速度下要填充相同的l t 值，所需的注射压力也要比高注射速度下高很多。 在2 6 5 下的模拟研究表明：要填充相同的l t 值所需的注射压力比在室温下时要低很 多；在高速注射时，随着壁厚的减小，注射压力升高并不明显：当低速注射时，注射压 力几乎没有变化，同时所需压力还比在高速注射时要低。模拟结果表明模具温度在薄壁 泣塑成型中起重要作用；在低速、高模具温度下注塑时，l t 值可以很大，且泣射压力 也不是很高，这和当酊认为在成型薄壁塑件时要采用高速、高压的工艺参数相反。实验 使用快速热响应模具来进行验证，但在注射压力方面与数值模拟出现了较大的差异。 l o s c h t 4 】通过实验发现厚度越薄的制品需要更高的注射压力与注射速度才能将塑件 完全充填。 m a l o n e y i ”l 以一个l m m 厚，半径1 5 4 m m 的1 4 圆盘状塑件以p c 和a b s 两种材料用 m o l d f l o w 软件来做模拟，结论表明高的注射速度可以提高剪应变率并且提高剪切热以增 加材料的流长比。 t a n k t a k o m t 怕】以厚度l m m 、面积为5 0 e r a 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。 m a h i s h i f ”谖用c m o l d 软件模拟了薄壁圆盘件的填充情况，研究表明在整个泣塑过 程中需要高注射速度和高注射压。 台湾龙华大学机械工程系的沈永康【1 7 】等使用在注塑数值模拟中公认的h e l e s h a w 流 动模型来描述非牛顿流体，使用的是m o l d f l o w 软件，塑件是一笔记本电脑外壳，其厚度 分别为0 9 和1 0 m 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间、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最重要的工艺参数，如果模具温度过低就会发生欠注射；薄壁泣 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。 - 4 - 大连理工大学硕士学位论文 台湾的m i n g c h i hh u a n g 1 s 等对l 衄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，而浇口尺寸和填充时间的影响很小。 大连理工大学的宋满仓【19 】等通过实验和m o l d f i o w 软件对一圆形塑件和一个矩形塑 件( 壁厚为0 1 和0 2 r a m ) 进行了研究，研究表明：注射量及注射速度对薄壁塑件注塑 成型的填充过程起主导作用，适当用量范围的注射量及高的注射速度能大幅度地提高填 充率；熔体温度和注射压力相对于注射量和注射速度只起次要作用：由于实验条件所限 没有研究模具温度的影响。 美国l a n l 的国家实验室 2 0 】在研究中发现，在诸多影响模拟精度的因素中，粘度的 压力依赖性排在前列，如不考虑压力对粘度的影响，随着压力的增加，模拟误差将增大。 同时还发现，熔体的密度变化、由压缩功转化的粘性热甚至熔体的粘弹性本身都可能会 影响薄壁注塑成型的模拟精度。 加n o y a 和a m o n o 【8 】发现p v t 数据会影响填充时间和型腔压力，他们还发现传热系数 对压力的预测有很大的影响。 s r i d h a r 和n a r h 8 】发现比热和热传导对型腔压力几乎没有影响，但会影响冷却时间和 塑件的收缩和翘曲。 1 6 课题的提出以及研究内容和方法 国内外的学者和研究人员虽然在薄壁注射成型方面做了很多研究工作，也取得了一 定的进展，但是大多数的研究仍停留在定性分析阶段，尚无准确的量化描述。本课题的 研究目的就是要对薄壁注塑成型中影响因素进行研究，得到可以指导生产实践的理论。 本课题选用了一套0 5 m m 厚度的简易手机外壳模具进行研究。该模具一模两腔，使 用潜伏式浇口。在研究中，为了考察塑件厚度对填充的影响程度，在完成0 5 咖厚度下 相关试验之后，通过对动模镶块的磨削加工将塑件厚度调整至0 6 m m ，完成后续的试验 操作。因磨削加工之后将无法再将塑件壁厚调整回0 5 m m ，因此必须保证在0 5 m m 厚度 下的试验全部完成且没有操作失误之后，方可进行加工。 在安排具体实验之前，应用t m o l d f l o w 商业软件 2 1 2 2 】对薄壁塑件的填充行为进行计 算机模拟，模拟中使用单因素法分析各个工艺参数( 注射速度，注射压力，模具温度和 熔体温度) 对塑件填充率的影响趋势。一方面考察计算机模拟的准确性和可行性，另一 方面为试验中参数水平的选取提供参考。在分析模型类型的选择方面，考虑到塑件厚度 太小，使用常规的双面流模型无法满足要求，故采用更为先进的实体流模型【23 1 。但是这 薄肇塑件可填充性的试验和数值模拟研究 样的选择给模拟带来的很大的困难，因为实体流模型要求在厚度方向上至少保留6 层有 限元网格，否则会导致单元格扁平，严重影响模拟准确性。解决这一问题的方法就是细 化网格，但是同时也会大大的提高计算量，延长计算时间。模拟中使用的了较高配胃的 计算机，在一定程度上缓解了这一矛盾。 p r o e 和u gn x 等软件的建模功能非常强大，且由他们生成的文件可以简单另存为 s t i a 各式文件，方便导入m o l d f l o w 中，大大弥补了m o l d f l o w 本身建模功能的不足。因此 本课题中的软件建模选用了p r o e 野火2 0 。 实验所用的材料为c h im e ia b s7 5 7 ，该材料具有吸湿特性，为了能有效干燥材料， 提高制品质量，模具所新配置了一台干燥机。试验中使用的a b s 材料均在8 0 的温度下 干燥4 个小时以上。因为在实验和模拟分析中要考虑的工艺参数比较多( 注射速度、注 射压力、注射量、模具湿度、熔体温度和塑件厚度等) ，且每个工艺参数又有很多不同 水平，若要全面的安排试验的话，试验量将非常大。所以采用正交试验方法【2 4 , 2 5 1 安排实 验条件，以减少实验次数，节省时间和费用且不失试验的准确性。对于塑件厚度这一因 素，考虑到加工模具的费用以及厚度本身的要求，只选用两个水平。简单的极差分析只 能粗略的考察各个影响因素的显著程度，方差分析则可以以贡献率的方式给出结论【l ”， 描述更为准确，所以本研究中采用了极差分析和方差分析相结合的方法。 大连理工大学硕士学位论文 2 注塑成型基本理论 注塑成型技术是根据压铸原理而发展起来的，是目前塑料加工中最普遍采用的方法 之一。注塑成型是间歇操作，成型周期短，生产效率高。它可以成型形状复杂、尺寸精 确的制品。注塑制品种类繁多，变更模具能制作各式各样的成批产品，有极高的经济性， 其制品占塑料制品总产量的3 0 【2 ”。 2 1 注塑成型工艺过程 注塑成型是一个循环过程，每一个周期都包括：定量加料加热塑化施压注 射充模保压定型开模取件等过程。此外，还包括原料的预热与干燥，制品的整 修与后处理等。 注射成型实质上最主要的是塑化、注射与模塑成型等三个过程。 2 1 1 塑化 这是指塑料在料筒内经加热达到流动状态，经螺杆旋转或柱塞的推挤达到塑料组分 均匀并具有良好可塑性的过程。对塑化的要求是塑料在进入模腔之前应达到规定的成型 温度，且料温均匀一致，并能在规定的时间内提供足够数量的熔融塑料，塑料中可能生 成的分解物则要求控制在最低的限度。这对注射制品的质量和产量有直接关系。为了保 证良好塑化状态，塑料受热的均匀性是很重要的。螺杆式注射机在加热塑化效率上要优 于柱塞式注射机，这是由于螺杆旋转有对塑料的混合和剪切作用，不仅可以提供大量的 摩擦热，而且还能加速热的传递，从而使塑料升温很快；此外，塑料在螺槽内的复杂运 动，大大促进熔体的均匀化状态。根据不同的塑料可采用调节塑料在料筒内的背压和螺 杆的转速进一步改善塑化情况，塑化能力也可提高，保证成型所需的塑化量。 2 1 2 注射 这是指塑化良好的塑料在螺杆或柱塞推动下注入模腔的过程。这一过程时间虽短， 但是熔体在期间所发生的变化很大，且热塑性与热固性塑料有不同的变化过程，这些变 化对制品的质量有重要的影响。 塑料自料筒注射入模腔要克服一系列的流动阻力，包括熔体和料筒、喷嘴、模具的 浇注系统和型腔的摩擦以及熔体自身的内摩擦力。与此同时，还需要对熔体进行压实、 增大密度同时除去熔体中的挥发成分，因此，所需的注射压力实很高的。柱塞式注射机 的阻力大，压力损失大；螺杆式注射机阻力损失小，与压力相辅相成的注射速度也就较 高。 薄壁塑件可填充性的试验和数值模拟研究 2 ，1 3 模塑成型 塑料熔体从进入模具开始道充满型腔，熔体在控制的条件下进行冷却固化或交联固 化而成型，最后开模取出制品，这一过程称模塑。不管是哪一种形式的注射机，塑料熔 体进入模腔内的流动情况都可以分为充模、压实、倒流和浇口凝封四个过程。这一过程 料温是不断下降的，而压力的变化则是从充模时上升到保压时达到最大值，并且保持一 段时间后逐步下降到浇1 2 凝封时的最小值【2 6 】。 2 2 注射工艺条件 注射成型时生产因素很多，除了设备和工艺之外，工艺条件的选择和控制时很重要 的。 2 2 1 温度 注射成型过程需要控制的有料筒温度、模具温度、喷嘴温度等。料筒和喷嘴温度决 定熔体温度。 料筒温度的分御原则时从加料口到喷嘴由低到高的，这样能使塑料逐步塑化。料筒 温度的选择与塑料特性的关系最大。每一种塑料有不同的流动温度( t ，) 或熔点( t m ) ， 对非结晶塑料，料简末端最高温度应高于f ，；对结晶型塑料，料筒末端最高温度应高于 乞，但它们都必须低于各自的分解温度乞，即料简末端最高温度范围在f 。，之日j 。 对于0 ( 。) f 。区间狭窄或热敏性易分解的塑料，料筒最高温度应偏低，比f ( r a ) 稍高即可； 反之，对于，( 。) 岛区间较宽或热稳定性较好的塑料，则可高些，即比0 ( m ) 高的多，因 为这样有利于成型和提高生产效率。 喷嘴温度通常应略低于料筒的最高温度，这样可以防止熔体在喷嘴处“流涎”，对 热敏性塑料还可以避免喷嘴处因高速摩擦热带来过度的温升而导致分解现象。 此外，料筒和喷嘴的温度选择，还应考虑高聚物的平均分子量及其分如，塑料配方 的组成、制品的形状及其厚薄、注射机的种类，以及其他工艺条件等因素，综合考虑， 以便确定最佳的数值。 模具温度对制品的外观质量内在的性能影响很大，同时也影响注射成型的劳动效 率。 热塑性塑料注射时，模具温度应低于料温，它是冷却定型过程。 模具温度的高低取决于塑料的特性( 结晶与否) 、制品的结构于尺寸、制品性能要 求以及其他工艺条件。 大连理工大学硕士学位论文 无定型塑料熔体注入模腔后，不发生相转变，主要影响熔体粘度，影响充模速度。 在顺利充模情况下，模温低可提高生产率。但对那些高粘度塑料，应采用较高模温，这 样可调整制品冷却速率，以防止制品内外层温差过大而产生的凹痕、内应力和裂纹等缺 陷。 结晶型塑料注入模腔后，随着温度下降会出现结晶，结晶速度和结晶构型又决定于 模温。模温高、冷却慢，结晶度大，结晶完善，制品硬度大；反之，则结晶度低，制品 较柔韧。某些结晶型塑料如聚烯烃类，其玻璃化温度较低，不宣采用高模温，因为会出 现后结晶现象，从而引起制品的后收缩和性能变化。 厚壁塑件的内外冷却速度应尽可能一致，以防止因内外温差过大造成内应力及凹痕 和缝隙，所以模温要高些。 2 2 2 压力 注射过程的压力包括塑料塑化压力和注射压力，它们关系到塑料的塑化和模塑成型 的质量。 塑化压力即背压。采用螺杆式注射机成型时，螺杆转动后退加料时熔体在螺杆头部 所收到的压力称塑化压力，其大小可以通过液压系统中的溢流阀来调整。 注射过程塑化压力的大小是随螺杆的设计、注射机的种类及塑料的特性的不同而异 的。如果这些情况和螺杆的转速都不变，若增大塑化压力会提高熔体的温度，但会减小 塑化的能力，塑料塑化比较充分，熔体密度增大、有利于低分子的排除和提高塑化质量。 塑化压力的高低还与喷嘴种类及注射成型时加料的方式有关。一般操作中，塑化压 力的大小应在保证制品质量的前提下越低越好，其具体数值随塑料品种而异。 注射压力即熔体注射入模的压力，以柱塞或螺杆头部对熔体塑料所施加的压力表 刁o p - ( 钟异 亿。， 式中 p 为注射压力( m p a ) ； 只为注射机油缸压力( m p a ) ； d n 为注射机油缸内径( c m ) ： d 为注射机柱塞( 螺杆) 外径( e r a ) 。 薄壁塑件可填充性的试验和数值模拟研究 注射压力所起的作用是克服塑料熔体从料筒向模具型腔的流动阻力，排除塑料中的 气体并使之压实，给熔体充模以一定的速度。 注射压力的大小于塑料性能、制品及模型的结构、注射机的形式以及其他注射工 艺条件等有关。塑料的摩擦系数及熔体粘度越大、制品壁薄和模型复杂等，料流阻力就 越大，所需注射压力就越大；柱塞式注射机内熔体流动压力损失比螺杆式注射机大，所 需注射压力也大；若注射料温低些，则提高注射压力可改善充模过程。一般而言，注射 压力为7 0 1 4 0 m p a ，粘度高、制品薄壁、流长比及精度高且形状复杂的注射，压力可 达1 4 0 m p a 以上。 注射速度于江射压力是相辅相成的，通常用单位时间内柱塞或螺卡t 移动的距离 ( c m s ) 表示。速度主要影响熔体在模腔内的流动行为，并影响模腔内压、温度及制品 的性能。通鬻随注射速度增大，熔体在浇注系统和模腔内流速增加，熔体受到强烈的剪 切作用，温度升高，粘度降低，模腔压力大，制品各部分的熔接线强度提高、收缩率下 降：但制品易单轴取向、内应力增大，因此制品应进行热处理。 生产上要求注射速度中等，不能太大，应控制在层流状态，熔体入模呈铺展流动； 若速度过大，料流为湍流，熔体入模为喷射流动，这样易将空气带入到制品中，形成气 泡、银纹，严重时因模内高温高压还会引起塑料局部烧伤甚至分解。基于特定的模具， 注射速度通常是经试验确定的，在成型时调整到满意的程度。一般对粘度高、刚硬性大 的塑料和壁薄，长流程的割品等应采用较高的速度。 2 2 3 日寸间 完成一次注射模塑过程所需时间又称成型周期。 热塑性塑料注射成型周期包括一下几部分时间：充模时间、保压时间、闭模冷却时 间和其他时间如丌模、脱模、闭模等时间。其中保压时间和闭模冷却时间是总的冷却时 间。 成型周期直接影响劳动生产率和设备利用率，在保证制品质量前提下，应尽量缩短 周期中各段时l 、b j 。在整个周期中，注射时间和冷却时间都很重要。注射速度越快，充模 时间越短。对于高粘度、刚性大、冷却快的塑料宜采用快速注射。充模时间一般在3 5 s 。保压时间视制品形状、复杂程度及模具冷却性能而不同，一般是2 0 1 2 0 s ，特厚的 制品可达5 l o m i n ，形状很简单的几秒即可。保压时间对制品尺寸的准确性有影响， 时间过长制品内应力增大，通常是保压到浇口处塑料冻结时为止。 冷却时间主要取决于制品的厚度、塑料的比热容和结晶性能。冷却终点应以制品脱 模时不变形为宜。一般来说，塑料的玻璃化温度高的及结晶型塑料的冷却时间较短。冷 大连理工大学硕士学位论文 却时间过长不仅会降低生长率，而且对复杂制品会造成脱模困难，严重时会影响制品质 量。冷却时间通常时3 0 1 2 0 s 。 其他时间与生产过程是否连续化、自动化有关，在保证生产顺利进行和安全以及制 品的质量前提下，各个环节的时间应尽量缩短2 6 1 。 2 3 本章小结 本章对注塑成型的基本工艺过程的介绍，为后续试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试验设计中对影响因素的选择。 薄壁塑件可填充性的试验和数值模拟研究 3 模具设计 对于模具设计人员来说，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 重中之重。模具设计需要考虑的因素很多，如塑件特点、型腔数目、注塑机类型、模具 制造工艺的可行性以及具体的j h 3 - 条件等。在对这些问题进行充分的研究之后，就可以 开始模具设计了，主要包括模具总体结构、成型部分、浇注系统、温度调节系统和脱模 系统等的设计 2 7 】。本课题利用的是现有的模具进行研究，图3 1 为塑件的三维模型。 图3 1 产品3 d 模型 f i g 3 13 dm o d e lo f t h ep a r t 3 1 模具总体结构 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 ( 三板式) 、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i i ，模架已 基本标准化，可分为基本型ai 、a l l 、k i l l 、a 和派生型p l o p 9 e 2 8 29 1 。 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。该模具总体结 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 2 是模架结构图。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。 大连理 ：大学硕士学位论文 1 0 1 1 1 3 心心心心心心黼臌】 j 旷 i 影p 盈肜s杉 斗燃 沁葵 形 家。芭 - 弋孓 、 、 、 鋈m y x - 一 刀，、 、 汀 1 。、i 。 、，舒、，、 陟矽“钐形衫杉孙乃和 卜定模 i i i i 定扳2 一定模板3 一动模板4 一动模垫板5 一复位杆6 一垫块7 一拉料杆蚓定板 8 一推板9 一动模剖定板1 0 一导套1 1 一导柱1 2 一内六角圆柱头螺钉1 3 一内六角圆柠头螺钥 图3 2 模架 f i g 3 2m o l d b a s e 3 2 模具成型部分 成型部分，作为塑件的几何边界，包容塑件，完成塑件的结构和尺寸等的成型，是 注塑模具的核心部分。它由定模、动模型芯、嵌件、特殊成型零件以及成型项杆等组成。 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两腔来成型。定模部分和动模部分均设计成整体嵌入式，其 镶块如图3 3 和图3 4 所示。由于模具工作时要多次丌、合模，为了防止过度磨损，提 高模具使用寿命，在定、动模镶块接触处表面设有斜度( 图3 3 和图3 4 中放大处c ) 。 镶块所用材料为p 2 0 。 穹蜊r 。 详见c = = v a 7 、 l壁1 2 型! a a 图3 3 定模镶块 f i g 3 3i n s e r tf o rs t a b l em o l d b a a c比例5 ：1 b b b b 图3 ，4 动模镶块 f i g 3 4i n s e r tf o rm o v a b l em o l d 1 4 一 e 一钮 大连理工大学硕士学位论文 3 3 塑件壁厚的调整 该模具生产的塑件原始厚度是0 5 m m ，为了考察塑件厚度对填充行为的影响，在完 成0 5 m m 厚度下相关试验内容后，采用如图3 5 所示的方法把动模镶块表面磨削掉 o 1 m m 。这样就使塑件厚度变成了o 6 m m ，达到改变塑件厚度的目的。值得注意的是， 这样调整之后，顶杆长度也要随之调整，否则合模后，顶杆将高出模腔表面。 图3 5 厚度调糍方法 f a g 3 5m e t h o do f r o o d l f y m gt h et t u c k n e s s 3 。4 模具浇注系统 浇注系统是塑料熔体由注塑机喷嘴通向模具型腔的流动通道。浇注系统一般由主流 道、分流道、浇口、冷料井( 冷料穴) 几部分组成。 ( 1 ) 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、位冒与形式。 根据本课题塑件的形状结构和需要外表面美观的要求，模具采用了潜伏式浇口，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，可使塑件的外表不受 损伤。浇口在塑件上的位置确定在靠近主流道附近，该位置虽然不是理论上的最佳位詈， 但是考虑到多方面的原因，这一选择也是非常合理的。图3 6 、图3 7 和图3 8 给出了浇 口的情况。 薄肇塑件可填充性的试验和数值模拟研究 a a b 曾a 霸 1 3 b - b 图3 6 浇注系统 f i g 3 6f e e d i n gs y s t e m 图3 7 浇口套 f i g 3 7s p r u eb u s h 1 6 一 图3 8 进料杆 f i g 3 8p i nf o rm a t e r i a l 大连理工大学硕士学位论文 3 5 模具脱模系统 脱模系统可使成型后的塑件从模腔内脱出，也叫顶出机构。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。 脱模系统在模具的装配简图中给出，如图3 9 所示。 1 0 1 定模i 吲定板1 0 2 定模板1 0 3 动模板1 0 4 动模垫板1 0 5 垫块 1 0 6 推出f i l i i 定板1 0 7 推板1 0 8 动模固定板2 0 1 定模镶块2 0 2 动模镶块 3 0 1 定衍环3 0 2 浇口套3 0 3 复位杆3 0 4 、3 0 5 、3 0 7 顶杆