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郑州大学硕上学位论文 摘要 注射压缩成型工艺( j e c l l o n c 0 m r e s s i o nm o l d m g ) 作为一项速度快、 自动化程度高、能有效解决制品内应力问题的生产技术，广泛应用于光学透镜、 c d v c d d v d 光盘以及u 级精度要求的产品的生产领域，是当今最流行的超精密注塑 成形方法之一。 在注射压缩成型过程中，聚合物材料变化行为十分复杂，制品的尺寸精度、密度均 匀性、表面粗糙度、光学性能及成型周期均与成型过程的充模流动、热传递有关。因此 对成型过程进行数值模拟，预测熔体在型腔内的状态和变化规律，从而科学地选择制品、 模具设计以及工艺条件的最佳方案，成为提高制品质量的重要手段。论文针对注射压缩 成型充填过程中的流动、传热机理及特点，建立了三维薄壁制品注射压缩成型充填过程 的数学模型，并采用有限元有限差分，控制体积方法实现了i c m 充填阶段的数值模拟。 论文主要工作包括： 1 ) 从粘性流体力学的质量、动量和能量方程出发，针对注射压缩成型过程中的流 动、传热机理及模腔厚度在压缩充填阶段发生变化的特点，分别建立了三维薄壁制品注 射充填过程和压缩充填过程的理论模型和控制方程。 2 ) 论文采用有限元有限差分控制体积法实现了注射压缩成型充填过程的数值模 拟，即型腔内的压力场采用有限元法求解，温度场采用有限差分法求解，并根据节点的 控制体积的充填状况更新流动前沿。并通过算例对比验证了程序对注射压缩成型过程模 拟的可靠性，发现压缩速度和压缩行程是最影响成型压力的两个主要因素，模拟结论与 查得资料基本一致。 3 ) 开发了注射压缩成型树脂充填过程数值模拟软件包，并集成到郑州大学橡塑模 具中心开发的塑料成型数值分析软件z m o l d 中，利用z m o l d 的前后置处理模块来实 现几何模型的建立、有限元网格的划分以及分析结果的显示。所有的参数可以在图形用 户界面下输入，同时可以在后处理程序中观察树脂流体的动态填充过程。 关键词：注射压缩成型数值模拟有限元有限差分控制体积法工艺参数 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n j e c t i o n - c o m p r e s s i o nm o l d i n g ( i c m ) i sah i g h - s p e e da n dh i 曲a u t o m a t i cm a n u f a c t u r i n g t e c h n i q u e ，a n dc a ns o l v ei n t e r n a ls t r e s sp r o b l e me f f e c t i v e l y i tw a sw i d e l yu s e di no p t i c a ll e n s a n dc d v c d d v da n dpc l a s so fa c c u r a c ys t a n d a r dp r o d u c ti nm a n u f a c t u r ea r e a i c mi st h e m o s tp o p u l a ri n j e c t i o nm o l d i n gm e t h o d st op r o d u c eh i g ha c c u r a t ed i m e n s i o np a r t s t h eo p t i c a lp e r f o r m a n c e ，s u r f a c er o u g h n e s s ，d i m e n s i o n a la c c u r a c y , u n i f o r m i t yo f d e n s i t ya n d c y c l et i m eo f p a r t sa l lh a v er e l a t i o n s h i pw i t hf l o wi n f o r m a t i o na n dh e a tt r a n s f e ri ni c mp r o c e s s n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fi c mi sa ni m p o r t a n ta p p r o a c ht op r e d i c tt h es t a t eo f f l o wf r o n ta n dt o a i dt ot h ed e s i g no f t h em o l da n dt h es e t t i n go f p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s i ti sa ni m p o r t a n tm e a n s t oi n c r e a s et h eq u a l i t yo f p r o d u c t i nt h i s p a p e r , t h ef i n i t ee l e m e n t f i n i t ed i f f e r e n c e c o n t r o lv o l u m em e t h o di su s e dt o s i m u l a t et h ef i l l i n gp h a s eo fi c mp r o c e s s t h em a i nw o r ki sf o c u s e do ns u c ha s p e c t sa s f o l l o w s ： 1 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ei c mp r o c e s s , t h et h i c k n e s so f t h ei n i t i a lm o l d c a v i t yw i l lc h a n g ei nc o m p r e s s i o ns t a g e i ti st h ed i f f e r e n c ew i t hc o n v e n t i o n a li n j e e t i o n m o l d i n g t h e f u n d a m e n t a lm o d e la n dp r e s s u r e g o v e r n i n ge q u a t i o n a n dt e m p e r a t u r e g o v e r n i n ge q u a t i o ni nn o n - i s o t h e r m a la l ee s t a b l i s h e df o rt h ef l o wo f 3 dt h i nw a l lp a r t 2 ) t h ef i n i t ee l e m e n t f i n i t ed i f f e r e n c e c o n t r o lv o l u m em e t h o di se m p l o y e dt or e a l i z e t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fi c mf i l l i n gp h a s e i nt h ep r o c e d u r e ，t h ef e mm e t h o di su s e dt o s o l v et h ep r e s s u r eg o v e r n i n ge q u a t i o n , a n dt h ef d mm e t h o di su s e dt os o l v et h ee n e r g y e q u a t i o n ，a n dt h ec vm e t h o di su s e dt ot r a c km o v i n gf r o n t t h ee x a m p l e sd e m o n s t r a t et h a t t h ep r o p o s e dm e t h o di sv i a b l ea n dr o b u s to np r e d i c t i n gt h ed i s t r i b u t i o no fp r e s s u r e i tw a s f o u n dt h a tt h ec o m p r e s s i o ns p e e da n dc o m p r e s s i o ns t r o k ea r et h et w of a c t o r sa f f e c t i n gt h e m o l d i n gp r e s s u r em o s ts i g n i f i c a n t l y t h ec o n c l u s i o n ss h o wg o o dc o i n c i d e n c ew i t l ld a t e r e p o r t 3 ) t h ep r o g r a mf o rt h es i m u l a t i o no ft h ei c mp r o c e s si se x p l o i t e d a n dh a sb e e n i n t e g r a t e dt ot h ec a e s o f t w a r ez - m o l dd e v e l o p e db yn e r co fz h e n g z h o uu n i v e r s i 够i tc a l l r e a l i z et h ei n p u to ft h eg e o m e t r i c a lm o d e la n dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，a n dt h ed i s p l a yo ft h e a n a l y s i sr e s n i t i tc a no f f e rt h ee f f i c i e n tr e f e r e n c e st ot h ed e s i g no ft h em o l da n dt h e p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：i c m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f e m f d m c v , p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s i l 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文研究的工程背景及意义 1 1 1 工程背景 随着科学发展和技术进步，高分子材料制品在社会生活中起着越来越重要的作用。 近年来对高分子材料制品的需求日益增长，然而目前的技术还远不能满足现代化工业的 要求，特别是高分子材料的性能和制造技术，并成为一个制约产品性能的关键问题。高 分子材料的主要成型方法有挤出成型、注射成型、吹塑成型、压延成型、压制成型等等， 其中注射成型因可以生产和制造形状较为复杂的制品，在高分子材料的成型加工方法中 一直占有极其重要的位置【l 】。据统计，注射成型的高分子材料制品约占所有高分子材料 制品总量的3 0 以上，注射成型所得制品具有高精度、高复杂程度和高一致性等优点， 同时该成型方法效率高而且消耗低，对各种塑料的加工适用性强 2 1 ，因此具有很大的市 场需求和良好的发展前景。目前，注射成型所得制品广泛应用于包装、建筑、汽车、电 子电气、生活用品、农业、化工、纺织、医疗卫生、文体用品、国防和宇航等领域。注 塑件的用途已经覆盖到生活中的各个领域，并呈逐步上升趋势【3 】。 注射压缩成型工艺是注塑和压缩模塑的组合成型技术，它是传统注射成型的一种高 级形式1 4 5 】。与传统注射成型相比，注射压缩成型的主要特点是，其模具型腔空间可以 按照不同要求自动调整。如它可以在熔料未注入型腔前，使模具导向部分有所封闭，而 型腔空间则可以扩大到零件壁厚的2 倍。另外，还可根据不同的操作方式，在熔料注射 期间或在注射完毕之后相应控制型腔空间的大小，使之与注射过程相配合，让聚合物保 持适当的受压状态，并达到补偿材料收缩的效果 6 - 7 1 。 早在2 0 世纪6 0 年代，日本的注塑工艺师就开始研究注压成型技术，但由于当时的注 塑机和注塑模具的局限，没有得到很好推广。n 2 0 世纪8 0 年代，注塑机和注塑模具技术 有了飞速发展，注压成型技术有了很好的实施条件，由于该工艺能较好的解决注塑中的 内应力问题，在制品的变形、表面转写性、尺寸精度以及光学特性等方面大幅度提高产 品质量，成型效率也明显提高，因为在国外已广泛应用于难于成型的薄壁制品、塑料光 学透镜、照相机的镜片、激光唱片和人工肾透析过滤器、以及u 级精度要求的生产领域， 第一章绪论 并成为最流行的超精密注塑成形方法之一f 冽。在国内注压成型工艺已应用于 c d n c d d v d 光盘生产领域，制造出的光盘盘片质量在双折射、翘曲、信息坑槽转写率 等多项指标上全面达到国际优质盘片质量标准，但是在制造高精度塑料光学件领域的应 用鲜见报道，而且我国生产光盘的生产线及生产工艺技术基本上都依赖于进口，大量耗 费国家外汇同时造成我国光盘产业的发展受到限制，并且影响到其他相关产业的持续发 展【l o - 1 3 1 。 1 1 2 研究意义 1 1 2 1 注塑压缩成型工艺 1 成型工艺 注射压缩成型工艺是注射和压缩模塑的组合成型技术，简称注压成型工艺。它是熔 体在较低的压力下注射进稍微开启的模具型腔内，然后对注入型腔中的熔料再进行压 缩，使熔料进一步密实，从而改善制品性能的一种方法 4 1 。如图所示： 压缩行程 吁吁睁胖d 晤 图1 1 注射压缩成型过程示意图 f i g1 1s c h e m a t i co f i n j e c t i o n - c o m p r e s s i o nm o l d i n gp r o c e s s 工艺过程： 1 ) 初次闭模成型开始，初次闭模，用不大锁模力使模具在型腔厚度稍大于制品壁 厚的位置上闭合。动、定模间保留一压缩间隙，此间隙可根据不同模具要求自动调整。 这是一般注射成型与注塑压缩成型的主要不同之处。增加流动距离与壁厚之比后，注塑 机的夹紧力和注射压力也随之增加。此外壁厚较大时，夹紧力取决于压实压力；而壁厚 较薄时，决定因素是注射速度产生的注射压力。 2 ) 注入熔料由料筒往模腔内注入精确计量的熔体。由于注射压缩模的型芯部分 设有台阶，与径向单边配合白j 隙为o 0 2 5 0 0 4 r a m ( 取决于不同塑料的粘度) ，虽然模具 尚未闭合，但型腔中的熔料不会泄漏，这是注射一压缩模具的关键。 2 郑州大学硕上学位论文 3 ) 第二次闭模，注射完毕，由闭模活塞向合模装置发出开始第二次合模的信号， 开始第二次闭模，合模装置立即增大锁模力并推动带有阳模的动模板前进，同时使熔料 开始向整个型腔扩展。 4 ) 压缩，固化。模具完全闭合，模腔内的熔体在阳模的压缩作用下取得模腔的精确 形状，同时型腔中的熔料固化。 5 ) 开模和顶出塑件塑件固化后用专用闭模活塞在模具压力消失时开模和顶出塑件。 2 成型方法 一般的注射成型法是用控制精密螺杆的运动来间接控制模腔送料的速度和压力，以 确保成品的质量。而注射压缩成型是在注入模腔的树脂由于冷却而收缩时从外部加一个 强制的力使模腔的尺寸变小，从而使收缩的部分得到补偿的成型方法。根据注塑零件的 几何形状、表面质量要求以及不同的注射设备条件，有4 种注射压缩方法可供选择。它 们是顺序注射压缩成型、同步注射压缩成型、间隙注射压缩成型和选择注射压缩成型【1 4 1 。 1 ) 顺序注射压缩成型( s e q i c m ) ： 所谓顺序注射压缩成型，其注射操作和模具型腔的闭合压缩是顺序进行的。开始时， 模具没有完全闭合，型腔约为最终壁厚的2 倍。将定量的树脂注射到型腔中后，即推动 模具活动部分直至完全闭合，并使树脂在型腔内受到压缩( 图1 2 ) 。由于型腔中的树脂 由注射过程向压缩过程过渡时，树脂有一个流动暂停和静止的瞬间，这种在流动过程中 的停顿会导致产品表面产生流动条纹。这些流动条纹的可见程度取决于材料的颜色、零 件成型时的纹理结构及所用树脂种类和等级。 瞎噼暑 预定间隙注射压塑 g i 为预定间隙，1 3 2 为最终间隙 图1 2 顺序注射压缩成型 f i g1 2s c h e m a t i co f s e q - i c mp r o c e s s 2 ) 同步注射压缩成型( s i m i c m ) ： 第一章绪论 与顺序注射压缩成型相似，在同步注射压缩成型中模具没有完全闭合。在树脂注射 到型腔中的同时或注射一段时间后模具闭合( 具体压缩开始时问根据实际需要给定) ， 见图1 3 。这种注射与压缩同步运动意味着，流动前沿在模具型腔中以恒定速度移动。 因此不会像顺序注射压缩成型那样，由于流动停顿而导致流动条纹。 辟爵昏 预定间隙注射压塑 g 为凹凸模之间的间隙 图1 3 同步注射压缩成型 f i g1 3s c h e m a t i co f s i m - i c mp r o c e s s 顺序注射压缩成型或同步注射压缩成型用于壁厚较大的零件时，由于模具型腔初始 的开口较大，重力对注射的树脂熔料影响就很大。如果模具型腔过大，树脂注射到模具 时不会产生任何反向压力，结果是模具型腔较低的一端首先填充，并可能因暂时处于未 承受压力状态而出现不希望有的泡沫。同时，零件壁厚越大，型腔空间也会越大，而流 动距离的延长也会增加模具完全闭合的周期，这些都可能会使上述现象加剧。 3 ) 间歇注射压缩成型( b r e a c h i c m ) ： 该工艺在注射时模具完全闭合，树脂注入便保持受压状态，在流动距离较大和壁厚 较大时，这种方法避免了同步注射压缩成型的潜在问题。在注射树脂过程中模具逐渐打 开，产生较大的型腔空间。模具型腔中的树脂因此保持在一定的压力以下。当几乎所有 所需的树脂都已注射到型腔中时，模具闭合，树脂在模具型腔中被压缩至最终壁厚。这 种增大型腔的动作可通过注塑压力或注塑机运动来实现。图1 4 为间歇注射压缩成型方 式示意图。 4 郑州大学硕+ 学位论文 辟爵 七 二i i - - - 一i 芒 i 预定间隙注射压塑 图1 4 间歇注射压缩成型 f i g1 4s c h e m a t i co f b r e a c h - i c mp r o c e s s 4 ) 选择性注射压缩成型( s e l e c t - i c m ) ： 选择性注射压缩成型也称“精压”，模具完全闭合，在树脂注射过程中或之后，一个 单独的型芯被压到局部模具中，使零件较大实体局部受压并被压薄，图1 5 为其工作原 理示意图。局部压缩可以由注塑机的模具型芯程序或一个单独的液压机构来控制。 馏镭_ 圈 预定间隙注射压塑 图1 5 选择性注射压缩成型 f i g1 5s c h e m a t i co f s e l e c t - i c mp r o c e s s 在本文主要关注第一种成型方式，即：顺序注射压缩成型( s c q - i c m ) 。 3 工艺特点： 相对于其他成型方法，注射压缩成型有以下优点卜5 】： 1 ) 能够控制发泡制品的泡孔密度； 2 ) 注射压力低，小型注塑机也可采用多腔模生产，周期短、效率高； 3 ) 夹紧力和注射压力可分别降低7 5 和3 0 ；可以提高模制零件的流动距离与 壁厚之比，因此可生产大型薄壁制品： 4 ) 制品的成本低，比模压制品低6 1 6 ，比注塑制品低6 2 9 ； 5 ) 熔体在模具内保持较长时间的熔融状态以利于分子取向的回复，并且不需要注 射后的保压压力来补偿收缩。这样就可以减少或消除由保压引起的树脂分子取向和成型 时的内应力，提高了制品的材质均匀性，并减少了残余应力，各向的收缩也接近于相等， 第一章绪论 改善了光学性能； 6 ) 熔融料是在不闭模低压下注射，对料筒、螺杆、模的集流腔及型腔的磨损大幅 度降低，延长了注塑机及注塑模的使用寿命；充模时易把模腔里的空气和挥发物排除出 去，简化了模具的排气结构； 7 ) 它能增加注射零件的流注长度壁厚的比例，采用更小的锁模力和注射压力，减 小材料内应力，以及提高加工生产率，可在较小的注塑机上生产较大的零件。 注射压塑工艺可以生产相对较大的2 1 5 d ( 曲面) 产品和零件，例如由c y c o l o y p c a b s 混合制成的便携式计算机外壳，这种外壳要求壁厚更薄、流动距离更长。以提 高小型化程度、通过加快生产循环提高生产率。由于材料的内应力降低，注射压塑还适 用于l c x a n 聚碳酸酯生产眼科透镜和c d d v d 。工程热塑性塑料在当今汽车工业中正 在发挥越来越重要的作用以减轻汽车重量。例如，利用x e n o yp c p b t 混合物生产智能 汽车的外车身板零件；n o r y lg t x 树脂用于生产梅塞德斯2 奔驰a 级车的尾板，和雷 诺m e g a n c s c e n i c 以及大众甲壳虫汽车的叶子板；n o r y l 树j l 旨( p p o p s 混合物) 用于福 特m o n d o a ，大众高尔夫和其他车型的仪表板圩d 明。 尽管注压成型相对注射成型来说具有较多的优点，如内应力问题比较小等，但是当 成型高精度光学件或p 级精度要求的产品时，内应力所引起的变形已在公差容许范围之 外，这时从节约成本方面考虑，利用仿真技术在成型前对成型过程进行仿真，预测成型 时的收缩和弯度等变形，然后进行修正就显得尤为重要。 1 1 2 2 工艺参数对制品质量的影响 虽然注射压缩成型工艺有众多优点，但是由于原材料、成型装置、模具制造技术直 接影响产品质量【1 9 - 2 4 1 ，以及在成型过程中存在不可避免的残余应力，因之而产生的变形， 便成为制约塑料产品精密化的关键因素 9 1 。从提高产品的质量考虑，要求产品的尺寸精 度、密度均匀性、表面粗糙度、光学性能以及成型周期满足要求，必须严格控制注射压 缩成型中的工艺参数。 影响成品质量因素是多方面的，如原材料的性能、成型装置、模具制造技术、温度、 注射速度、压缩速度及切换时间等，目前研究较多的主要有以下几个方面 2 5 - 3 5 1 ： 温度：熔体温度和在压缩充模阶段的模具温度 熔体温度和在压缩充模阶段的模具温度分布决定了熔体的收缩率和均匀度。熔体温 度的高低决定熔体流动性能的好坏。熔体温度高，熔体的粘度小，流动性能好，需要的 6 郑州大学硕士学位论文 注塑压力小，成型后的制件表面光洁度好；反之，熔体温度低，就会降低熔体的流动性 能。 模壁的热交换影响残余应力分布和厚度收缩的一致性，较高的模具温度和对模壁较 慢的冷却会有利于改善残余应力分布和厚度方向收缩的一致性。 当模具和熔体温度对双折射影响都很小的时候，模具温度对翘曲的影响比较大，从 而导致表面分布偏差。对于光学材料聚碳酸酯来说，有盘片翘曲引起的热诱导双折射非 常明显。如果忽略这些因素会引起明显的估计误差。 注射速度 不同的注射速度对应不同的切换时间。在较快的注射速度下，提前进入注射到压缩 的转换，这样可以在很大程度上减少成型压力。切换时间越短，收缩率越小。双折射的 大小与光盘基片的残余应力和分子取向等有关，而制品的残余应力及分子取向和工艺条 件密切相关。切换时间越短，制品径向各点的双折射值均越高。 压缩速度 压缩速度和切换时间是影响注射压力的显著因素；压缩速度对制品收缩率有显著影 响，大的压缩速度导致制品边缘压力较高，从而使边缘附近双折射较高。压缩速度提高， 制品收缩率下降，也就减小了制品的翘曲变形程度；压缩阶段，在远离浇口处的速度比 浇口速度高，这是与c i m 不同的现象。 压缩行程、压缩时间 压缩行程增加，收缩率增大；在其他工艺参数相同的条件下，大的压缩行程对应制 品上各点的双折射值较低。压缩时间影响残余应力分布和厚度收缩的一致性。压缩时间 是一个重要的因素，需对此进行优化以减少残余应力和厚度方向的收缩变化。 在具体研究中，往往只能针对某一种或几种原因加以分析，而不能面面俱到。 1 1 2 3 研究意义 研究i c m 成型过程的工艺特点，可以发现在其成型过程中，影响成品质量的因素 是多方面的，如原材料的性能、成型装置、模具制造技术、温度、注射速度、压缩速度 及切换时间等。在以往的生产中，工艺参数的设定主要是靠技术人员的经验来把握，而 注射压缩成型过程非常复杂，塑料熔体的流动性能千差万别，制品和模具结构不同，工 艺条件也不同，模具设计往往需要反复试模、修模才能投入生产，很少有一次成功的， 7 第一章绪论 发现问题后，不仅要重新调整工艺参数，甚至要修改塑料制品和模具，不但费时费力， 而且降低了产品的开发速度 3 1 。 随着计算机技术的发展和人们对计算力学、流体力学、聚合物加工流变学、传热学 等学科的深入研究，以及以有限元为代表数值模拟技术的完善，用数值模拟来代替试验 成为可能。通过建立注塑压缩成型过程的物理和数学模型，构造有效的数值计算方法， 来计算机仿真成型过程，并借助于成型模拟探索加工条件的变化规律、预测制品的结构 和性能、确定塑料制品和模具设计以及工艺条件的最佳方案，对缩短新产品的研制周期、 降低研发成本和提高产品质量具有重大的意义。 1 2 注射压缩工艺研究现状 1 2 1 注射压缩成型机器 最早m a r t i n 曾公开过这种工艺( 美国专利2 9 3 8 2 3 2 号，1 9 6 0 年5 月3 1 日) ，后 来由e n g e l 的“s a n d w i c hp r e s s ”肘杆合模注射成型工艺得到推广。b a r t h o l d s t e n 等人对光 盘模塑方面存在的这些问题作了解释( 美国专利4 4 0 9 1 6 9 号) 。另一个合模引起的光盘 注压法由m a t s u d 等人公开在美国专利4 4 4 2 0 6 1 和4 5 1 9 7 6 3 号中。该方法包括向稍微 打开的模具组中注入熔体，并冷却到完全固化；然后，均匀的再加热到塑料的熔融温度 以上，在此温度下，驱动合模的压缩冲程，一般是在第二次冷却周期中传递和保持压缩。 该方法的能量利用率和总工作周期问题，目前尚有很大争论。1 9 8 7 年加利克莫斯公司 在发明专利制品的成型方法和设备( 专利号c n 8 7 1 0 4 1 6 2 a ，1 9 8 7 年1 2 月1 6 日) 中提出一种用于注射一压缩成型热塑性塑料件的方法和设备。模板组件具有多个变容模 腔，在多模腔实施方案中，由于所有的模腔都能同时相同的受到压缩，因此成型工艺的 控制及平衡都非常容易。这一方法和装置特别适于成型光学透镜和光盘。但这种成型的 前提是要改变注射机的结构。即改进注射机来实现注射压缩成型方法1 1 4 j 。后来注射压 缩成型工艺由日本三菱重工业、名古屋机械制作所、出光石油化学等公司相继开发成功。 由整体压缩法和部分压缩法之分l “3 6 1 自8 0 年代末期至今注射压缩成型技术发展速度非常快，特别是信息、电子、精 密仪器等工业的发展。以往使用传统材料、传统加工成型方法和手段不能生产或难以生 产的零件，大多已转为使用注射压缩成型的技术来生产。像日本的s u m i t o m o 公司、 8 郑州大学硕七学位论文 n i s s e i 公司、j u k e n 公司、东芝机械、日精树脂工业，英国的b u t l e r d e s i g e n 公司、m c p 公 司，瑞士的i u t r o n e n g i n e e r i n g 公司、r o l l a 公司、德国的i k v 、b a t t e n f e l d 公司，西班牙的 c o s m o l d 等都竞相开发微型超精密注射成型机，并且这些公司都有相当数量的几台投入 生产【1 4 1 。 注射压缩成型一般采用全液压合模机构。全液压合模机构能很方便地进行注射压缩 成型，两模板的合模机构增加了容模量、便于装卸模具及增加机械手的运行空间【3 7 】。 巴顿费尔注射成型公司( b a t t e n f e l di n j e e t i o nm o l d 2 i n g ) 、s u m m e r e r 技术公司和e x a t e c 公司首次在欧洲展示了三家公司合作开发的一种大型车窗生产方法 i m p m o r e ( i m p - i n 2 m o u l d 2 p r e s s i n g ，模内压制) 注射压缩工艺，这是一种动态注射压缩 成型工艺，生产的制品几乎没有内应力，生产的车窗面积可达1 埘2 。在尺寸为 1 0 5 0 x 1 0 5 0 m m 、厚度为4 m m 的大型注塑产品中整个制件上模内压力都保持在2 0 m p a 以 下。由于塑料窗必须没有张力才能保证要求的耐候性，而且还要加涂抗刮痕涂层，据说这 种低压注射一压缩工艺是塑料车窗的理想工掣3 鲥。 在k 2 0 0 4 展会上，意大利i n c o s 公司与奥地利恩格尔公司还演示了共同参予开发的 i n g l a s s s 叹组分注射压缩成型模塑系统。这是在传统性注射压缩成型工艺中配置了一种带 专利的分级热流道充模技术，该系统开创了先例，即在1 5 0 0 吨注射机上成型加工全景顶 篷天窗的组合式板件，这种双组分4 m m 厚的组合式顶篷遮阳窗的宽度为6 5 0 m m ，长度 为1 l o o m m 。德国巴顿菲尔( b a t t e n f e l d ) 公司与模具制造商s u m m e r e r 公司一起合作， 已开发出一种称为i m p m o 模塑系统的新型解决方案【1 8 1 。 2 0 0 6 年6 月，日本展出了用多台电器驱动的电动式注压成型机，商品名为 “m d l 4 0 0 s 1 i ”，日本明机制作所成功开发锁模力3 4 0 0 吨的注射压缩成型机( m d i p 2 1 0 0 ) 。 日本东海树研工业公司采用低压注射压缩成型法，开发出面向建材领域的聚烯烃大型塑 料板材和带筋板材，所用的成型机为低压注射压缩成型机1 3 9 - 4 0 l 。 德i 垂i r e m a pl a n 公司开发的超大型注塑机采用能利用废旧塑料加工的注射压缩成型 机，降低了注塑压力和成型锁模力，从根本上实现了注射成型的节能，大幅度降低了制 品的生产成本【4 ”。 在我国，宁波大学的龚秉周2 0 0 3 年研制出了适用于注射、压制两步成型工艺的注 压成型特种塑机，该塑机的合模机构采用“特殊液压式压制锁模机构“与“肘杆液压移模 9 第一章绪论 机构“的复合型式【4 2 】，但目前还未见投入生产的相关报道。大型注塑机的开发，是我国 的一个薄弱环节堋。 1 2 2 注射压缩工艺所用材料 目前，光盘生产中应用较多的是聚碳酸酯( p c ) 和聚甲基丙烯酸i 硼( p m m a ) 塑 料。激光视盘多用p m m a 注塑而成，而c d 系列光盘用p c 塑料，而光学塑料非球面零 件，双频扬声器盆架也可用注射压缩方法加工出较好的制品【4 3 删。为了满足耐热后排指 示组合灯灯罩材料选用p m m a ，灯壳材料选用填充改性p p 。 拜耳( b a y 啪公司的模克隆从1 9 5 8 年开发成功，用于电动工具外壳，2 0 世纪6 0 年 代用于餐具、牛奶壶、红绿灯外壳、电源插头等，7 0 年代制成高透明实心板和空心板 用于建筑业，以后又用于眼镜，到8 0 年代，用于医药领域：心脏搭桥、心脏瓣膜、充 氧器、透析器零件；1 9 8 2 年用于唱片，现又用于光盘，占世界市场的3 0 ；9 0 年代用 于运动器材：眼镜、头盔、防护面罩、运动场天棚。今后主要作存储用c d d v d ，还有 用于蓝色激光系统，游泳池自照明部分等，一直保持着旺盛的生命力【3 8 1 。 b a s f 公司的p e s 和p s u 在( 5 0 2 2 0 ) 的温度范围内。具有良好的力学性能；尺 寸稳定性好、不易发生翘曲变形，p e s 的玻璃化温度1 8 7 ，热变形温度1 8 6 ，p s u 的玻璃化温度2 2 5 。c ，热变形温度2 1 8 。c t 3 8 1 。 u m ga b s 有限公司展示了特殊透明性的树脂d i a l a cm 有u 2 0 0 、u 4 0 0 、 u 4 0 5 、u 4 0 7 、u 7 0 0 等级别，有透明性不受温度的影响，即使在高温环境也能保持高 透明性的级别。也有能耐各种化学品而不发生环境应力开裂，并保持高透明性的级别。 还有高表面硬度、耐冲击和成型加工性优于p m m a 的级别【3 s 】。 1 3 注射压缩成型工艺数值模拟技术研究现状 虽然注压成型相对注射成型来说内应力问题比较小，但是当成型高精度光学件或“ 级精度要求的产品时，内应力所引起的变形已在公差容许范围之外，这时就需要一方面 通过合理调整工艺参数抑制变形，使变形最小；另一方面则需要采用考虑变形，修正模 具的技术。 通常修正模具的技术又分为在成型| ； 利用仿真技术预测变形的修正方法和在成型 l o 郑州丈学硕士学位论文 后根据测量变形来修正的方法。其中在成型前利用仿真技术对注压成型过程进行仿真， 预测成型时的收缩和弯度等变形，然后进行修正的方法，由于可以大幅度地消减制品的 开发期间成本和修模费用，故此技术成为现在的研究关注重点。 国内外围绕注压成型的计算机仿真技术已做了不少工作，众多学者采用不同的模型 和数值模拟技术，从不同的角度分析了加工参数对制品质量的影响口5 琊】： o b i n g f e n gf a n 采用非等温压缩流动模型描述注压成型中熔体在型腔中的流动，用 有限元有限差分耦合法预测温度和压力场，并采用热粘弹性材料模型来预测残余应力、 翘曲和双折射； o w - b y o u n g 研究了注压成型中工艺参数对透镜制品质量的影响。 李雪梅等推导了光盘注射压缩成型过程的数学模型，并采用了控制体积有限元法 进行数值分析。 o c h e ns h i a - c h u n g 等采用l e o n o v 粘度模型分析压缩速度、压缩冲程、转换时间对 双折射的影响。另外又采用了h e l l e s h a w 模型，应用控制体积有限元法分析熔体在模 腔内流动过程中工艺参数对翘曲的影响。 p a r ks j 等采用l e o n o v 粘度模型来分析在可压缩流体流动中工艺参数对双折射的 影响。 l e e 。y o u n gb o k 等分析光盘成型过程中残余应力和双折射的成因。采用非线性粘 弹性流体模型结合光粘弹性模型进行分析。 o d o u g l a se s m i t h 等采用h e h e s h a w 模型分析非等温条件下的流动过程，并采用 g a l e r k i n 有限元方法求解压力场，应用流动体积法( v o f ) 分析移动边界来计算填充时 间。对注射速度进行了讨论。 1 4 本文工作 本文对i c m 成型过程充填阶段的数学模型及数值算法进行了研究，主要工作包括： 1 ) 从粘性流体力学的质量、动量和能量方程出发，针对注射压缩成型过程的流动、传 热机理及模腔厚度在压缩充填阶段发生变化的特点，分别建立了三维薄壁制品注射 充填过程和压缩充填过程的理论模型和控制方程。 2 1 论文采用有限元有限差分控制体积法实现了注射压缩成型充填过程的数值模拟， 即型腔内的压力场采用有限元法求解，温度场采用有限差分法求解，并根据节点的 第一章绪论 控制体积的充填状况更新流动前沿。通过算例对比验证了程序对注射压缩成型过程 模拟的可靠性，发现压缩速度和压缩行程是影响成型压力的两个主要因素，模拟结 论与查得资料基本一致。 3 ) 开发了i c m 树脂流动过程数值模拟软件包，并集成到郑州大学橡塑模具中心开发 的塑料成型数值分析软件z - m o l d 中，利用z - m o l d 的前后置处理模块来实现几何模 型的建立、有限元网格的划分以及分析结果的显示。所有的参数可以在图形用户界 面下输入，同时可以在后处理程序中观察树脂流体的动态填充过程。 郑州大学硕 学位论文 第二章注塑压缩成型充填过程数学模型的建立 i c m 成型过程中，聚合物材料变化行为十分复杂，包括树脂的流动、热传递等。 因此需要建立一种统一的模型来模拟不同的现象。目前最主要的模型如下刚2 6 1 所示： 本构模型 树脂黏度模型 基本流动模型 流动平衡方程； 热传导模型 质量守恒 注射填充阶段 襟倭 流动平衡方程；厂1 = ：= ：= 热传导模型 li 质量守恒i，上， 模拟 优化： 流动模式 填充时间 压力和温度分布 浇口、排气口位置 优化：压缩时间、压 缩速度、成型周期、 制品性能 图2 1i c m 成型理论统一模型 f i g2 1m a s t e rm o d e lf o rt h ei c mp r o c e s sc y c l e 由上图可以看出，注射压缩成型过程包括两个独立的阶段一注射填充阶段和压缩填 充阶段，每个阶段的模型都是相同的：基本流动模型包括流动平衡方程、能量守恒方程 和质量守恒方程，注射填充阶段的控制方程与一般的注射成型相同，由于注射压缩工艺 的特点，在压缩填充阶段或者压缩阶段，模腔厚度方向发生变化，一系列参数也随之发 生变化，这些不同的方程之间通过这些特定的参数联系在一起。例如：厚度方向的变化， 引起厚度方向各层的厚度随之发生变化，控制体积随之发生变化，流动率也随之发生变 化，以及厚度方向逐渐减小时，凝固层逐渐向中心推移，温度分布也发生变化等。下面 将会对本文工作中涉及的模型进行详细的阐述。 第二章建立充填阶段和压缩阶段的数学模型 2 1 粘性流体力学的基本方程 仕壮矍j 盘稍础型冗硬阳r 段，礤谇仕型胜删、侃明利传热j 口j 髭! ! 足琏2 买俘即况明利传热 问题，因此熔体的流动应遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。这里不考 虑材料的粘弹性行为，将聚合物熔体视为广义牛顿流体，在欧拉坐标系下，熔体流动满 足以下粘性流体基本方程： 连续性方程：警+ 掣+ 掣= 一万p - i d h ( 2 1 ) mo xo v上nm 动量方程罢= 等+ 等+ 誓 旺2 ， 馥啦删0 2 孚：孥+ 孚+ 孥 ( 2 3 ) o y出咖出 能量方程：伊，c 署+ “罢+ v 等+ w 罢，= 七c 窘+ 斋+ + 叮夕2 c 2 舢 其中，u 、v 为分别是熔体在x 和y 方向的速度分量，而p 、t 、p 、c ，、k 、 卵分别是压力、温度、密度、比热、熔体导热系数和剪切粘度，是剪切速率。h 是 模腔压缩方向即z 向上一半的厚度。 2 2 粘度模型 对注塑压缩成型充填过程进行流动模拟需要考虑材料的流变学性能，即粘度模型。 熔体的粘度主要取决于温度和剪切应变速率，压力的影响相对较小。目前常用的粘度模 型主要有： 1 ) 幂律模型闱 叩( 办r ) = a e f - , ( 2 5 ) 式中1 1 为非牛顿指数；a ，t 为材料参数。 幂律模型使用方便，计算简单，可以较为准确地描述剪切范围内的熔体粘度，但当 1 4 郑州大学硕士学位论文 剪切速率较低时，根据幂律模型得出的粘度值偏高，同时( 2 3 2 ) 式没有考虑压力对粘度 2 ) c r o s s 粘度模型”7 】 彬疋咖崭 ) 式中，f 为材料常数，t l 为非牛顿指数，t l o 为零剪切粘度。 零剪切粘度是温度和压力的函数，反映了温度、压力对熔体粘度的影响，当t 1 0 采 仇( r ，p ) = 丑e x p ( + ) e x p ( t i p ) ( 2 7 ) 可以得到五参数c r o s s 粘度模型，式中b ，t b ，p 都是材料常数，t b 反映了m 对 温度的敏感度，p 反映了1 1 0 对压力的敏感度。 1 1 0 的另一种表达方式为w l f 型，对于非结晶型材料，w l f 型表征的熔体粘度更接 以一= 日唧( 一篇吕 r 。( 尸) = d 2 + d 3 p ( 2 8 ) a 2 = 互+ d 3 p 式中d 1 ，d 2 ，d 3 ，a 1 ，a 2 都是材料常数，1 1 0 当采用w l f 型表达式时，可以得 到七参数c r o s s 模型。 c m s s - - a r r h e n i u s 模型在高剪切速率时退化为幂律模型，但也可描述低剪切速率下 的零剪切粘度。对于大部分聚合物，其在较宽剪切速率范围内可提供比幂律模型更为准 确的粘度值；但是在温度较低和压力较大时，c r o s s - - a r r h e ! t f i u s 模型表征的粘度较低， 考虑到以后对注塑压缩成型压缩过程的研究，本文采用7 参数粘度模型即c r o s s w l f 粘度模型来表征熔体的粘度。 2 3 基本假设 为了模拟i c m 工艺成型过程，需要对i c m 成型过程进行简化，由于注塑压缩件大 第二章建市充填阶段和压缩阶段的数学模型 多是薄壁制品，且塑料熔体粘度大的特点，因而做了以下的一些简化或假设1 4 5 j ： 1 由于型腔厚度( z 向) 远小于其他两个方向( x 、y 方向) 的尺寸，且熔体粘度大， 因此，熔体的充模流动可视为扩展层流。于是，z 向的速度分量可忽略( w 卸) ，且认为 压力不沿z 向变化，即劫瑟= 0 。 2 在充模流动过程中，型腔内熔体压力不是很高，且合适的浇口数量和布置可避免 局部过压现象，因此，可引入熔体不可压缩假设，即v v = 0 。 3 在熔体流动方向( x 、y 方向) 上，相对于热对流项而言，热传导项很小( 佩克莱 特数见 1 0 2 1 2 6 1 ) ，可忽略不计，即忽略( 2 4 ) 式中的七等2 t 项和k 窘项。熔体不含 热源，即q = 0 。