（材料加工工程专业论文）冰箱压缩机罩注塑成型流动平衡分析及模具技术研究.pdf

摘要 i r i ll i ii ii i ii ii i ir li ii y 2 0 4 2 16 7 摘要 当前，塑料工业快速发展，塑料制品应用的范围越来越广，工业产品及日 常用品塑料化程度越来越高。但注塑成型时常出现一系列的质量问题，比如产 生熔接痕、填充不足、翘曲变形和尺寸误差等缺陷。特别是对于大型薄壁注塑 件，如何预防塑胶制品翘曲是经常困扰工程师的一个难题。如果单凭经验来设 计注塑模具，往往不能得到最优化的设计方案，揣测猜想成分增加，设计是否 合理则要通过实际试模来验证。这将导致试模不合格后反复修模，有时还得不 到最优化设计方案。 本文首先简要概述了大型精密注射模具设计与制造技术，在聚合物流变学 理论的基础上，进而分析翘曲变形的产生机理及影响的主要因素。 在此基础上，以某品牌大型薄壁冰箱压缩机罩塑件为研究对象，运用注塑 模具c a e 软件m o l d f l o w 对塑料熔体在模具型腔中的保压、填充、锁模力、模 腔残余应力、熔接痕及翘曲变形等各个阶段进行了模拟分析，通过对不同浇注 系统模拟的对比分析，得出浇注系统的优化设计方案。针对冰箱压缩机罩在试 模过程中出现的翘曲变形问题，运用正交设计法设计了一个l l s 的正交试验， 研究注塑成型工艺参数( 熔料温度、模具温度、保压压力、注射时间、保压时 间、冷却时间) 及其交互作用对翘曲变形的影响度，得到翘曲变形最小的工艺 参数组合。然后用得出的最优注塑成型工艺参数组合，通过c a e 模拟试验及生 产实验验证了最优注塑成型工艺参数组合能明显减小翘曲变形。 模具的成型工艺以及整体模具结构确定后，通过p r o e 的建模模块、模具 设计模块及工程图模块对模具进行三维设计。最终实现了冰箱压缩机罩模具的 整体三维设计，并完成模具装配图及各零件的工程图的转换。 通过将c a d c a e 技术引入注塑模具设计特别是大型薄壁注塑模具设计 中，能够大大提升塑胶制品的质量，提高生产效率。 关键词：模具c a e ；翘曲变形；工艺参数；正交试验；工艺优化； a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp l a s t i c si n d u s t r y ，t h ea p p l i c a t i o no f p l a s t i c sh a v ee x t e n d e dl a r g e ra n dl a r g e r ，s p e c i a l l yi nt h es p h e r eo fi n d u s t r ya n d o r d i n a r yp r o d u c t 。b u ti n j e c t i o nm o l d i n go f t e nr e s u l t sm a n yp r o d u c tp r o b l e m ss u c h a ss h o r ts h o t s 、w e l dl i n e 、w a r p 、d i m e n s i o ne r r o ra n ds oo n 。h o wt od e c r e a s et h e p l a s t i c sw a r pi s ap u z z l ef o re n g i n e e rs p e c i a l l yt ot h et h i n - w a l la n dl a r g e - s i z e p r o d u c t 。i f 坷e c t i o nm o l di sd e s i g n e do n l yb ye x p e r i e n c eo ng a t i n ga n dc o o l i n g s y s t e m 。u s u a l l yi ti sn o to p t i m i z e da n dc o n t a i ng u e s s i n gb e s i d e sf a c t o r s ，t h i sd e s i g n w i l lh a v et ob ed o n ea g a i n ，w h i c hm a yb eal o n ga n dr e d u p l i c a t i v ep r o g r e s sa n d p o s s i b l yt h eb e s tr e s u l tc a l ln ob eg o t 。 i nt h i sp a p e r tf i r s t l yp r o v i d e st h et e c h n o l o g yo f m o l dd e s i g na n dm a n u f a c t u r et o t h el a r g e - s i z ea n dp r e c i s ei n j e c t i o nm o l d i n g ad e s c r i b e st h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo f w a r p a g ea n da n a l y z et h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ew a r p a g eb a s e do nt h e o r yo ff l o w i n g o ft h ep o l y m e r 。 o nt h i sf o u n d a t i o n ，t a k i n gat h i n w a l l e dr e f r i g e r a t o rs h e l lp a r tf o re x a m p l e ， w h e nu s em o l dc a es o f t w a r em o l d f l o w ，s i m u l a ta b o u tt h ef i l l i n g 、p a c k i n g 、c l a m p f o r c e 、r e s i d e n t a ls t r e s s 、w e l dl i n e 、w a r pa n ds oo n 。t h r o u g hc o m p a r i n gs i m u l a t i n g r e s u l tt ot h ed i f f e r e n to fg a t i n gs y s t e m ，t h e ng e tt h eb e s tg a t i n gs y s t e ms c h e m e 。t o s o l v et h ew a r p a g ep r o b l e mo ft h er e f r i g e r a t o rs h e l li nm o l dt r i a l ，a r r a n g et h e s i m u l a t i o n a c c o r d i n gt oo r t h o g o n a le x p e r i m e n tt h e o r y ，t h e l18 o r t h o g o n a l e x p e r i m e n tt a b l ei sd e s i g n e d ，t h ew a r p g ed a t aa l eo b t a i n e du n d e r d i f f e r e n tm o l d i n g c o n d i t i o n s ( m o l dt e m p e r a t u r e 、m e l tt e m p e r a t u r e 、e c t i o nt i m e 、p a c k i n gp r e s s u r e 、 p a c k i n gt i m e 、c o o l i n gt i m e ) ，a n do b t a i nt h eo p t i m u m s e to f f a c t o r s 。t h e nu s et h i s o p t i m u ms e to ff a c r o r s ，t h er e s u l ts h o wt h eo p t i m u m s e to ff a c t o r sc a nb ee f f e c t i v e l y r e d u c et h ew a r p a g e 。 a f t e rd e f i n et h ei n j e c t i o np r o c e s sa n dt h ew h o l es t r u c t u r eo ft h em o l d ，t h r o u g h u s i n gt h em o l d i n gm o d u l e 、m o l dd e s i g na n dt h ed r a w i n gm o d u l eo ft h es 0 1 a r e p r o er e a l i z et h e3 dm o l dd e s i g n 。f i n a l l yt of i n i s ht h em o l dd e s i g no ft h e l i a b s t r a c t r e f r i g e r a t o rs h e l l 。 t h r o u g hu s i n gt h e c a d c a et e c h n o l o g yi nd e s i g no fi n j e c t i o nm o l d s p e c i a l l yt h et h i nw a l la n dl a r g es i z ei n j e c t i o nm o l d 。w c c a ni m p r o v et h eq u a l i t yo f t h ep r o d u c ta n dp r o d u c t i v i t ye f f e c t 。 k e y w o r d s ：m o l dc a e ；w a r p a g e ；p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ；o r t h o g o n a lt e s t ； p r o c e s s i n go p t i m i z a t i o n ； l i i 第1 章绪论 第1 章绪论 塑料制品，具有质量轻、强度好、耐腐蚀、绝缘性能好、色泽鲜艳、外观 漂亮等优点；成型过程中设备操作简便，生产率高，生产过程易于实现机械化、 自动化；塑料可加工成任意形状的塑料制品，在大批量生产条件下，成本较低， 塑料材料已广泛应用于各行各业。“以塑代钢”、“以塑代木”已成为当今世界发 展的趋势。如g ep l a s t i c s 在8 0 年代开发了全塑冰箱，开创了塑料在冰箱上 应用的全新概念。 随着技术的发展，冰箱类家电产品越来越朝着节能环保、改善安全性能、 智能化等方向发展。作为冰箱结构件的重要材料之一，冰箱类所用塑料也在这 些方面有了很大的改善。由于塑料的优越性能，在冰箱设计中大量采用塑料材 料，可实现冰箱重量更轻、防腐、安全、保温、外观及成型等设计性能的要求， 还可大大降低成本、节约能源。冰箱用塑料主要包括外饰件、内饰件及结构功 能件。据统计冰箱用塑料成型的零件占产品零件的6 0 以上。各类塑料在冰箱 的应用十分广泛，以年产8 0 0 万台冰箱计算，塑料材料的需求估计达到2 5 0 k t 以上。在冰箱上使用的热固性塑料主要有硬质聚氨酯泡沫保温层及聚酯环氧粉 末。热塑性塑料的应用见表1 1 【l 】。 表1 1 主要热塑性塑料和工程塑料应用概况 名称级别冰箱主要零部件应用概况 板材级箱内胆、门胆 抗1 4 1 b 级适用于以r 1 4 1 b 为发泡剂的冰箱内胆材料 a b s注塑级 冷冻框、顶盖、拉手、定位板 电镀级 拉手、拉手装饰条、装饰扣 阻燃级电器盒、温控器盒、除臭器座 h i p s ( 板材级) 主要在欧洲，用于真空吸塑 h i p s ( 注塑级)抽屉、搁架 聚苯乙烯g p p s ( 注塑级)全部塑料层架、搁架、果菜箱 m i p s ( 注塑级)全部抽屉、搁架 e p s ( 发泡级) 风道部件、各类包装用泡沫垫 高流动级冰箱顶盖、压缩机罩 p p 热成型级小冰箱门胆 第1 章绪论 高抗冲压级耐寒性能好、大冰箱压缩机罩、冰箱压缩机罩 阻燃级接水盘、压缩机罩 吹塑级排水管 均塑级限位块 注塑级指示滑块 p e 吹塑级蓄冷器 p v c 软制品挤出门封条 p b t 阻燃级各类电线接插件、接线盒 p a 注塑级各类轴套 p o m 注塑级各类助吸器 塑料在冰箱上有着广泛的应用，从材料到工艺的应用渐趋成熟。塑胶材料 将向功能化发展，以改性为手段，开发一批抗菌、抗静电、保湿、阻燃、保温 等材料。冰箱把手、果菜箱、抽屉及制冰窗口等正采用抗菌材料，食品、蔬菜 的保鲜需有保湿材料，阻燃材料用于压缩机罩、拉水盒等零件。 1 1 冰箱压缩机罩 冰箱压缩机罩是冰箱产品的重要结构件，它不仅要求外观美观、结构可靠， 而且要求有一定的强度、刚性及阻燃、隔热等特性。冰箱压缩机罩结构设计是 否合理，将对冰箱产品的使用功能、安全性能及耐用性产生较大的影响。 1 2 大型精密注射模 重量在2 t 以上的注射模具通常称之为大型注射模具。大型注射模具因为在 模具设计结构的考虑、模具尺寸、模具重量、模具制造、运输、装配及修模方 面与中小型注射模具有较大的区别，所以各方面将对设计与制造带来诸多困难， 且制造成本昂贵。故设计大型注射模具时需要有成熟的设计理念与方法。 、 本课题以某品牌的一款冰箱压缩机罩为主要的研究对象，此冰箱压缩机罩 尺寸为5 9 6 m m x 5 1 9 m m x 3 3 7 5 m m ，其注射模具外形尺寸一般为 l l o o m m x l l o o m m x l 0 0 0 m m 左右，重约6 - - 7 t ，属于一套大型、精密、中等复杂 程度注射模。模具采用热流道浇注系统，需要较复杂的温度控制系统。模具的 2 第1 章绪论 冷却、顶出、自动脱螺纹机构复杂。 大型注射模具与中小型注射模具在设计上考虑的问题是有所区别的。具体 表现如下【2 j ： ( 1 ) 大型注射模具的加工需重点考虑，应尽量一次加工到位，避免多次加 工造成成本及周期的增加。 ( 2 ) 大型注射模需重点考虑模具刚度问题，再次是强度方面。 ( 3 ) 大型注射模需考虑模具温度的控制，如考虑不周，常会出现在小批量 试模过程中制品品质很好，但在大批量生产过程中出现制品变形、尺寸精度与 要求严重不符等问题。 ( 4 ) 大型注射模需重点考虑浇注系统的设计，因为大型注射模具需成型的 制件都比较大，浇注系统的类型的选取、浇口位置、数目的设计如果出现问题 将使模具在注射成型过程中产生翘曲变形、缩水、熔接痕等缺陷。 ( 5 ) 大型注射模应合理考虑模具的吊装位置，由于大型模具质量重，在装 配、试模、修模方面很麻烦也很危险，如果吊装位置设计有问题，将给实际加 工带来很多不便。 ( 6 ) 大型注射模具为保证模具质量，应尽可能做浇注系统的平衡分析。 随着塑料工业与家电行业的不断发展，对大型塑件使用也越来越重视，所 以对大型注射模具设计与制造的要求也越来越高。 目前模具先进制造技术主要表现在c a d c a e c a m 技术、高速切削技术、 激光技术、精密测量技术、快速成形与快速制模技术等。我国模具技术与国际 上一些模具强国还是有较大的差距，主要差距表现在【3 卅： ( 1 ) 模具企业专业化生产水平不高，无特点、无个性。 ( 2 ) 模具标准化程度低，国外已达到8 0 ，国内仅4 0 。模具标准的编 制、修订滞后于模具工业发展。 ( 3 ) 国内优质耐热钢与国外相距较大，且模具c a e 技术普及不够，高档、 复杂的压铸模目前还主要依赖进口。 ( 4 ) 模具钢的纯净度、表面脱炭层、碳化物级别、中心疏松等较国外产品 仍有较大差距。新开发的钢种较少，批量化生产的新钢种更少，对钢种的系列 化工作做得不够。国内目前仍有很多精密、复杂、大型的注射模具还需依赖进 口。 第1 章绪论 1 3c a d c a e c a n i 技术在塑料注射模上的应用 注塑模具c a d c a e c a m 技术目前得到了长足的发展。现在市场上普遍应 用的c a d c a m 系统，在参数化实体、曲面造型及n c 智能编程方面都有比较 成熟的技术。这为塑料注射模具设计时运用c 觥觥a e 技术提供了可靠的 保证。当前很多国外知名三维造型软件都设计有塑料模具设计模块，如美国p t c 公司开发的p r o e 、西门子公司的u g 、美国的s o l i d w o r k s 、c a t i a 等软件。此 外在以色列的c i m t r o n 、英国d e l c a m 公司的p o w e r m i l l 、美国的 m a s t e r c a m 系统在模具c a m 方面有着较大的优势。日本造船信息系统株式会 社的s p a c e e 系统和日本u n i s y s 株式会社的c a d 、c e u s 系统等都具有一定 的特色，都有一定的用户群【5 叫。 注塑模c a e 技术取得了惊人的发展，c a e 技术从6 0 年代初在工程上开 始应用到今天，已经历了5 0 多年的发展历史，其理论和算法都经历了从 蓬勃发展到日趋成熟的过程。现在注塑模c a e 技术在准三维流动、翘曲、 收缩、冷却及纤维分子取向等领域都获得显著的成果。 塑料注射模具c a e 技术应用最广的应当是美国的m o l d f l o w 软件，该软件 主要包括以下三个部分【7 j ： ( 1 ) 产品优化顾问( m o l d f l o wp l a s t i c sa d v i s e r s ，简称p a ) ，该模块主要 是运用m p a 来对设计好的塑料制品进行模拟分析，从而得到优化的产品结构 设计方案。 ( 2 ) 注塑成型模拟分析( m o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t ，简称m p i ) ，该模块可 以对设计好的塑件和模具进行深入地分析，对注射成型全过程进行模拟分析。 比如进行填充分析、冷却分析、翘曲预测及结构应力等，可使工程师提前预知 注塑成型中的各种缺陷，通过分析，从而实现模具的优化设计，可以大大提高 一次试模的成功率。 ( 3 ) 注塑成型过程控制专家( m o l d f l o wp l a s t i c sx p e r t ，简称m p x ) ，该模 块主要功能是优化注塑成型工艺参数和进行质量控制，通过与注塑机控制器的 连接，可对其整个生产过程进行监控。 近年来，我国在塑料注射成型c a e 方面也进行了深入研究，如华塑公司推 出的h s c a e 软件，软件经过不断升级，现在已经升级到7 5 版本。华塑h s c a e 软件现已成为注塑产品结构设计及注塑模具c a e 分析的不错选择，在各大高校 4 第1 章绪论 及国内众多企业里得到了广泛应用。 1 4 模流分析在大型精密注塑模的应用 大型精密注塑模具设计与制造面临诸多问题，包括模具试模过程复杂，试 模周期长，最佳的成型工艺难以确定，注射成型过程中工艺参数随时间的变化 难以控制。这些问题导致模具制造周期延长，使注射成型的制品的质量难以控 制，模具制造成本增加等问题。 注射模具c a e 可以对注塑成型工艺过程进行模拟分析，包括充模流动模 拟、保压过程模拟、冷却过程模拟及翘曲模拟分析。通过以上分析，可以帮助 模具设计工程师在模具设计阶段，就可获得不同设计方案对制品质量的影响， 如此可以及早发现问题，及时对设计做出修改，避免模具在实际试模阶段才发 现问题所在，从而提高模具一次试模的成功率，提高企业的核心竞争力。 大型精密注射在浇注系统的设计应重点考虑，特别是浇口数量及位置的确 定尤其重要，要充分考虑到制品的强度、熔体的最大流程比、尽可能的减少塑 件的翘曲变形及尽量保证各浇口的塑料熔体同时到达制品的最远端等原则。 除了浇口设置优化方案可以运用模流分析外，模具注塑成型周期、熔接痕 的位置、气泡位置及翘曲变形等注塑成型缺陷同样可通过模流分析得到。对于 大型注射模具，提高模具一次试模成功率可大大降低模具修模费用及降低报废 率起到重要的作用。故大型精密注射模具应用模流分析相当重要。目前，我国 塑料模c a e 技术已应用于各类汽车用大型模具，如海尔模具有限公司生产的奥 迪a 6 仪表板模具通过精确的模流分析，生产周期低至5 5 s t 引。 1 5 大型精密注射模设计和制造过程中应注意的问题 大型精密注射模具的设计和制造相对中小型注射模具而言，需要考虑的问 题更多，更复杂。在模具设计之初要对塑件材质的特性，如成型工艺性及使用 性能有充分的了解，对塑件的结构要仔细分析，因为塑件的结构在很大程度上 影响模具结构，然后对模具结构进行构思，再通过多个方案对比分析，确定出 最佳方案。具体注意事项如下： ( 1 ) 合理选择分型面；通过模具c a e 技术通过优化分析合理选择模具浇 第1 章绪论 口形式、位置、数量及大小。 ( 2 ) 对产品使用的原材料要有充分的了解，冰箱塑件常用塑胶原料应具有 流动性好，机械力学性能好，具有一定的耐候性、防静电、抗菌及保温等特性。 ( 3 ) 充分利用热流道浇注系统或冷、热流道相结合的浇注系统。 ( 4 ) 合理的设计模具温度调节系统对模具进行冷却或加热，必要时两者兼 有，从而达到控制模温的目的。 ( 5 ) 大型注射模具顶出系统常用机械液压联合顶出机构来完成塑件的项 出。并对其进行项出力的校核。 1 6 注塑制品翘曲变形国内外研究现状 注塑成型后的塑料制品形状偏离了模具型腔的形状称之为翘曲变形。塑料 制品在注塑成型时产生变形，平行边的变形称为翘曲，对角边部分的变形称为 扭曲，习惯上塑料制品的变形统称为翘曲变形， 由于翘曲变形极地影响了产品的装配和使用性能，而且对产品外观也有较 大的影响，所以翘曲变形程度多少，也越来越被模具设计人员所重视与关注。 对于塑件制品翘曲变形的研究起步比较晚，翘曲变形的影响因素也较多， 但主要集中在塑料原料、产品结构、模具设计、成型工艺参数等方面。目前对 于翘曲变形研究大致可归纳为以下二个方面：( 1 ) 试验法，通过大量的试验， 分析翘曲变形与其影响因素( 如塑件材质、制品结构、模具结构及注塑成型工 艺参数等) 间的关系。( 2 ) 理论研究【9 】。 ( 1 ) 翘曲变形的试验研究 实验法对翘曲变形的研究，是指通过大量试验，得到相应的试验资料，通 过分析得出相关的试验规律，从而得出翘曲变形影响因素到其影响的程度及趋 势。 从9 0 年代开始，众多研究学者用试验法对各种结晶型及非结晶型塑料进行 了研究，力求得出注塑成型工艺参数与翘曲变形之间的关系。w d i s e i p i o ， a w a g l e ，s p m e c c a r t h y 1 0 】对塑料冷却、结晶性及分子取向松弛所产生的收缩， 并将收缩翘曲变形与塑料的热膨胀系数联系起来进行了研究，得出了收缩及翘 曲变形主要取决于分子和纤维取向、压力和温度分布、残余应力等因素，并对 各参数的影响做了相应的预测。d w r d a f o r d 和r j d i e e f n d o r t 1 1 j 对复合材料在 6 第1 章绪论 成型和使用中的翘曲变形进行了研究，得出了结晶型复合材料薄板，在注塑成 型中会发生翘曲变形，在使用过程中随着环境温度变化，将会继续变形；并提出 了基于层状薄板理论预测制品形状变化的数学模型。 国内董斌斌等学者用c a e 分析软件对翘曲变形进行定量地模拟。以手机模 型( 如图1 1 所示) 作为研究对象，采用t a g u c h i 试验优化设计理论，采用l 2 7 ( 3 1 3 ) 正交实验法来进行试验并作了统计分析。对模具浇口尺寸、保压压力、熔体温 度、模具温度、保压时间和注射速率对制品的收缩和翘曲影响程度做了相应的 研究。研究表明优化工艺参数( 熔体温度、模具温度、保压时间和压力) 可以 大大降低塑件残余热应力的产生；其中熔体温度和保压压力对制品收缩和翘曲 的影响最为显著l j 引。 骆志高等学者以夹子模型( 如图1 2 所示) 为研究对象，对夹子这类薄壁 塑件的注塑成型进行模拟分析，对影响翘曲变形的因素进行定量分析。研究表 明：注塑成型工艺参数对塑件的翘曲变形在不同方向的翘曲程度有一定的影响， 但优化的注塑成型工艺参数组合可使注塑成型时制件的翘曲变形大大减小 【1 3 - 1 4 1 。 图1 - 1 手机模型 图1 - 2 夹子模型 b a b u ro z c e l i k ，i b r a h i ms o n a t 对材料为p c a b s 的不同厚度薄壁塑料制件的 翘曲变形进行了研究，结果表明对制件翘曲变形影响最大的工艺参数为保压压 力【1 5 】。 王彦岗等学者利用注塑模具c a e 软件m o l d f l o w ，对玻璃纤维增强塑料材质 饷矩形薄壁塑件的注塑成型工艺过程进行了模拟分析，研究表明：对于薄壁矩 形的塑料制品，其表层与芯层的玻璃纤维取向分布是存在差异的，且不同型腔 的充填区域也存在差异，但大体规律为：剪切流动使玻璃纤维趋向沿剪切流动 方向取向，拉伸流动使玻璃纤维趋向沿拉伸流动方向取向i 蛉1 7 j 。 ( 2 ) 翘曲变形的理论研究 7 第l 章绪论 从查看众多的文献资料可知，现在较成熟的理论是：翘曲变形主要影响因 素为不均匀收缩。所以众多的研究人员对不均匀收缩的研究主要从研究不同塑 料在不同注塑工艺参数作为切入点，从而来对收缩与翘曲变形之间的关系进行 分析。 注塑成型工艺条件对塑料制品收缩的影响关系是早期研究的重点。7 0 代后 期，压力、温度、体积三者关系是研究学者在进行注塑模具设计时考虑的重点， 通过塑料p v - t 试验图分析产生的体积收缩，然后利用变体积法对产生的收缩 进行补偿。 8 0 年代中期，收缩研究从定性分析阶段发展到建立经验模型的阶段。主要 研究保压压力、模温、塑件的厚度等对收缩的影响，并建立相关的数学模型。 到8 0 年代末期，研究成果开始应用在对塑件翘曲变形分析上。通过对注塑成型 过程中的熔体的流动、保压、冷却对收缩的研究，建立了相应的预测翘曲变形 的数学模型l l 引。 9 0 代初，澳大利亚m o l d f l o w 公司对不同注塑材料通过改变不同的注塑工艺 参数( 注射压力、保压压力、模温、注射时间及不同塑件壁厚等) 条件下，对 塑件收缩程度进行预测，并得出以下结论：体积收缩、结晶程度、应力松弛和 取向效应是导致塑件产生收缩的主要因素。并提出在此基础上，把影响收缩的 更多因素加入进来进行预测，并利用流动与冷却分析结果预测收缩应变。 在国内，申长雨等学者提出了翘曲变形系数的概述，重点研究温度不均导 致塑件产生翘曲变形，采用数值计算法得出了翘曲变形系数。再利用弹性小变 形理论、有限单元法计算温度应力，利用结构分析程序j i g f e x 9 5 来计算出翘 曲大小。华中科技大学的卢义强用薄板理论分析制品的翘曲变形，将制品的面 内变形看作平面应力问题，将侧向变形看作薄板弯曲问题，两类变形叠加后， 采用平面问题及薄板弯曲问题的有限元法计算制品在三维空间坐标内的变形。 也有学者从分析注射制品残余应力入手，探寻减少残余应力及翘曲变形的方法 【1 9 】 o 综上所述，薄壁注塑制品的翘曲变形已经得到一定程度的研究。上述文献 中，学者们根据实际条件和研究需要，选取了注射量、注塑速度、熔体温度、 注射压力、模具温度、保压时间、保压压力、浇口尺寸、塑件厚度、注塑材料、 残余应力分布、玻纤取向等众多因素中的部分因素进行了研究。但是学者们各 自选取的研究点，尚未能构建出薄壁制品翘曲变形的科学体系。 8 第1 章绪论 1 7 本课题的主要目的和意义 注塑成型过程中产生的翘曲变形是指注塑成型后的产品形状偏离了模具型 腔的形状，是注塑成型时常见的一种缺陷是一直影响产品质量的主要问题之 一。因此，注塑成型中的翘曲变形一直是注塑模具研究的一个热点。 本课题以某公司生产的一款冰箱压缩机罩产品为研究对象，模具原来设计 为4 点进浇方式并采用热流道浇注系统，模具在设计的初期并没有经过c a e 相关的模流分析软件进行验证，在模具试模过程中发现比较大的翘曲变形，翘 曲总变形量在7 一, 9 m m 之间，严重影响了产品的品质( 参见图4 2 8 所示) 。 在冰箱压缩机罩模具设计中，采用流动模拟技术，通过模拟分析，从而得 到优化的浇口数量及位置设计方案。然后再运用m o l d f l o w 软件模拟和正交试验 相结合的方法，对注塑成型过程中的工艺参数( 熔体温度、模具温度、保压压 力、保压时间、注射压力和冷却时间) 进行6 因子3 水平下的翘曲变形量分析。 在此基础上，通过极差分析得到对翘曲变形量影响最小的一组注塑成型工艺参 数组合，并在此最优化的工艺参数组合下，预测塑件的翘曲变形量。再以最优 化的注塑成型工艺参数( 熔体温度、模具温度、保压压力、保压时间、注射压 力和冷却时间) 组合进行试模，通过软件模拟与生产实际验证的方法，以验证 正交试验的结果。最后，通过模具c a d 技术对模具进行优化设计。 要制造一套好的模具，其制造周期主要集中在试模与修模环节。众多厂家 在设计与制造大型精密注射模具面临模具浇口选择难、设计和制造过程错误造 成的修模次数多，注射成型的制品的质量难以控制，制造周期与成本增加等问 题。本课题希望通过模具c a e 技术解决这一问题，例如在模具设计阶段就能把 引起塑件翘曲变形的因素解决后再试模，就能有效的提高工作效率和降低模具 制造的成本。 1 8 本课题研究的主要内容及创新点 ( 1 ) 深入阐述引起产品翘曲变形的形成机理及其主要影响因素。 ( 2 ) 在冰箱压缩机罩模具设计中，采用流动模拟技术，通过模拟分析，从 而得到优化的浇口数量及位置设计方案。 ( 3 ) 运用m o l d f l o w 软件模拟和正交试验相结合的方法，对注塑成型过程 9 第l 章绪论 中的工艺参数( 熔体温度、模具温度、保压压力、保压时间、注射压力和冷却 时间) 进行6 因子3 水平下的翘曲变形量分析。在此基础上，通过极差分析得 到对翘曲变形量影响最小的一组注塑成型工艺参数组合，并在此最优化的工艺 参数组合下，预测塑件的翘曲变形量。再以最优化的注塑成型工艺参数( 熔体 温度、模具温度、保压压力、保压时间、注射压力和冷却时间) 组合进行试模， 通过软件模拟与生产实际验证的方法，以验证正交试验的结果。 ( 4 ) 运用模具c a d 技术对模具进行设计。 ( 5 ) 本课题中冰箱压缩机罩模具在自动脱螺纹机构、冷却系统等的设计中， 与同类产品模具设计相比，有一定的新颖之处。 ( 6 ) 本文的研究成果，可以为模具的改造和未来消除大型注塑件的翘曲变 形缺陷提供参考与借鉴。 1 0 第2 章塑料成型流变学基础 第2 章塑料成型流变学基础 塑料熔体在塑料模具型腔内的流动是注射成型加工的主要特征。塑料熔体 在型腔内的流动状态将直接影响塑料成型的质量，对于熔体在型腔内的流动研 究主要在计算熔体在模具型腔内的流动状态参数、速度场、温度场及压力场， 以此来确定模具的合理的浇注系统设计( 浇注系统的形式，尺寸、数量及具体 位置) 和注射成型的参数( 注射压力、保压压力和模具温度等) ，从而避免注射 时塑件各种注塑缺陷等问题的产生。本章在对充填机理分析的基础上，把熔体 在薄壁型腔中的流动看做是非牛顿非弹性流体在非等温状态下的h e l e s h o w 流 动，利用有限元有限差分数值方法建立注射成型三维流动分析的数学模型。 2 1 塑料熔体的注射成型原理 注射成型相当复杂。螺杆式注射机的注射成型原理是将粒状或粉状的塑料 加入注射机料筒，经加热熔融后，由注射机的螺杆高压高速推动熔融塑料通过 料筒前端喷嘴，快速射入已经闭合的模具型腔，充满型腔的熔体在受压情况下， 经冷却固化而保持型腔所赋予的形状，然后打开模具，取出获得的成型塑件。 这个过程也即是一个成型周期。生产过程就是不断地重复上述周期。 注射成型过程中，熔体一方面在模具冷却系统作用下冷却定型，另一方面 在熔体流动过程中产生热量，还包括充模、冷却定型、保压补缩等过程。且随 着剪切速率、温度、注射压力等到因素影响而发展变化，塑料熔体的流动将直 接影响着塑件的最终形状、尺寸、分子取向和残余应力等。塑料熔体在型腔内 部的流动是相当复杂的。 2 2 聚合物的流变学性质 2 2 1 牛顿流动 聚合物成型过程中往往处于粘流态，不仅易于流动，而且易于变形，称之 第2 章塑料成型流变学基础 为聚合物的流变性，这给原料的输送和造型带来了很大的方便。 通常把聚合物熔体归属于液体。液体在平直导管内受剪切应力而发生流动， 分为层流和湍流两种形式。层流时，液体主体的流动是按照许多彼此平行的流 层进行了，同一流层上的各点速度彼此相同；各层之间的速度不一定相等，贴 合管壁处受摩擦影响不可能与中心层等速；各流层完全平行互不干涉。如层流 的速度超过某一临界值，则转变为湍流，此时液体内各点速度的大小和方向都 随时间而变化，出现了扰动。 图2 1 所示为导管中液体层流的流速分布模型。f 是作用在液流方向上的 总压力，a 为两端无限伸长之液层平面的面积。由于外力f 与管壁的摩擦阻力 f 1 ，以及流层间的粘滞阻力共同构成对液体的剪切作用，在液体流层上产生切 应力f( f = f 彳) 。 图2 - 1 圆导管中液体层流流速分布模型【2 0 】 在它的作用下，流层间就产生了相对位移。设间距为d r 的两流层的移动速 度分别为1 ) 和( 1 ) 岫) ，则有速度梯度d v d r 。另一方面，设流层在d t 时间内液 层沿管轴线x - x 上移动的距离d ) 【，则又有v - - d x d t 。代入上式可得n - 西 d ( d r t i t )d ( d r d r ) 西d rd t 式中，d x d r 是某流层对应于间距为d r 的另一邻层相对位移。 实际上这是由于液体在切应力作用下产生的切应变，故上式又可改写为： 害= 警= 户 一= 一= 1 ， d rm l 式中，尹表示单位时间内的切应变，称为应变速率( 或剪切速率、速度梯 度、流变速率) 。 牛顿在研究时发现，温度恒定时，切应力f 剪切速率户有线性比例关系， 1 2 第2 章塑料成型流变学基础 可表示为 f = ( 车) ：华：u ( 2 1 ) 口， a l 为比例常数，是液体固有特性，用来表示液体在外力作用下抵抗剪切变 形的能力，称为剪切粘度或粘度。 式( 2 1 ) 称为牛顿流动方程，我们常称之为牛顿流动定律。式中表明牛顿 流体的剪切粘度取决于分子的结构和温度，而不依赖于切应力和剪切速率。当 越大，熔体的粘稠性越大，变形和流动就越容易。一般情况下，低分子聚合物 的流动属于牛顿流动。在众多的高分子聚合物中，唯有少数几种聚合物的熔体 与牛顿流动相近，比如聚碳酸酯( p c ) 和氯乙烯偏二氯乙烯共聚物( v c d c ) 由莹 守。 式( 2 1 ) 的线性关系可由图2 2 表示，称为流动曲线图。 2 2 2 非牛顿流动 图2 - 2 不同类型流体的流动曲纠2 1 】 除聚碳酸酯( p c ) 和氯乙烯偏二氯乙烯共聚物( v c d c ) 等少数几种与 牛顿流体相近外，绝大部分都只能在切应力非常小或非常大时，才表现为牛顿 流体，如图2 3 所示，其中b 区为非牛顿流动区；a 区和c 区为牛顿流动区； x 区表示熔体破裂区。 第2 章塑料成型流变学基础 d - 图2 - 3 宽剪切速率范围聚合物熔体的l o g r l o g ? 曲线( a ) l o g r , 一i o 驴曲线( b ) t 2 t 大多数聚合物熔体的流动不服从式( 2 1 ) 关系，称为非牛顿流动，但在一 定温度和剪切速率范围内，切应力与剪切速率若呈指数函数关系，其流动规律 可表示为： f = k ( 譬) 疗= 科一 ( n 1 ) ( 2 2 ) “厂 式中，k 是稠度系数，n ( n 1 ) 是流动行为指数，可判定与牛顿流动差别 的程度，亦称为非牛顿型指数。 便于与牛顿方程相比较。方程( 2 2 ) 可改写为： f27 7 口y 式中r 。是表观粘度( 或称非牛顿粘度) 它与粘度r 的力学性质相同，即表示在外力作用下抵抗剪切变形的能力。 但由于非牛顿流体的流动复杂性，r 。除与本身性质和温度有关外，还受剪切速 率所受外力大小及作用时间的影响，可定义它为切应力与当时所发生的剪切速 率的比值，即r 口= r 尹。把式2 2 代入，则有： ，7 口= 七夕刀一1 ( 2 3 ) 当式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 中的n = l ，则有r a = k = r ，非牛顿流体就转变成 牛顿流体。 在聚合物流变学中，称服从指数流动规律的非牛顿流体为粘性液体。依据 其n 值不同分为三种类型：n l 时为膨胀性液体；n = l ， 但只在切应力达到或超过某一定值才能流动的液体，称为宾哈液体。大多数聚 合物的熔体，如聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等， 1 4 第2 章塑料成型流变学基础 以及所有聚合物在其良性溶剂中的溶液的流动行为都倾向于假塑性液体。故可 把它看作为接近工程塑料的代表。为便于比较，上述三种液体的流动曲线也集 中地描绘在图2 3 上。 在工程应用中常将指数流动规律改写成 户= k r 历 ( 2 4 ) 1 1l m 式中，七是流动系数，七= 专) i ；朋是流动指数，历= 三时，表观粘度j 7 口= 七i 户i 。 2 3 聚合物熔体在成型时的流动 2 3 1 圆形截面导管内的流动 如图2 - 4 所示，假设导管的内半径为r ，长度为l 流经导管的熔体为层流， 服从指数规律，稳态( 流速不随时间而变化) 。如果导管中心处的流速为1 ，时， 那么，随着流动层任意半径，的增大流速将变小，故式( 2 4 ) 可改写为 一一d v ：k f m ( 2 5 ) 毋 p ，p 幽 br l1 鎏l p一飞 足ir | j l + 一 ，一，r - 一 ；芦r 剧 ，7 ，7 盐7，飞- 飞 p 曝-l l 图2 - 4 流体在等截面圆形流道中流动 a ) 圆柱单元流动模型b ) 速度及切应力分布 根据上述给定条件可知，在任意半径为，- 的流层所受的切应力为 f ：塑( 2 6 )f = k z d ， 2 三 式中，卸是长为工的导管两端的压力降。 如果假设熔体在管壁处的流速为零，将式( 2 6 ) 代入式( 2 5 ) 并求其积分， 得到在任意半径处的熔体流速v ，为 1 5 第2 章塑料成型流交学基础 v ，叫耖( 芝) ( 2 7 ) 此式既表示定压下圆截面上各点的流速，也表达压力降与流速的关系。利用此 式进一步可以得到流量的表达式如下： g = r 2 删加瘕( 耖( 鲁 ( 2 8 ) 2 3 2 狭缝形导管内的流动 如图2 5 所示，设狭缝形导管宽度为职高度为h 。当宽度大于高度2 0 倍 时，两侧壁对流速的影响可略去不计。按照对圆导管的处理方式，设缝管中心 平面上流速最大，上下壁处为零。于是有类似式( 2 5 ) 的关系： 一生：七f 崩( 2 9 ) 方 式中，y 是狭缝形截面上任意一点到中心平面的垂直距离。 局部放大如右圈 图2 5 平行板狭缝通道中流动液体单元受力示意【捌 由过此点的流层所受的切应力为 fj ，：竺l ，( 2 1 0 ) 式中，卸、上的定义同前。 同样地，也可以得到任意流层处的流速哆和流量q 的计算公式如下： v y - - k ( - 等) ”止m + l 检“ 。眨 畔f 聊y 纠c 争禹 眨 1 6 y l 第2 章塑料成型流变学基础 2 4 基本方程 2 4 1 连续性方程 当塑料熔体在密闭通道内流动，并且流动稳定无泄漏也无地增料的情况下， 其任意截面在单位时间中的流量相等，称为塑料熔体流动的连续性，它的数学 表达式为连续性方程。 由定义可得，熔体的连续性方程如下： f 1v l p l - - - - - f 2v 2 p 2 = f 3v 3 p 3 - - - - 常量 一 ( 2 1 3 ) 式中：f l 、f 2 、f 3 为流道在各截面的截面积； y i 、v 2 、v 3 为流体在各截面的平均流速； p l 、险p 3 为流体在各截面处的密度； 若流体在不可压缩条件下，即各截面处的密度保持不变， v v = 0 利用直角坐标系分量可表示为 盟+ 立+ 业：0 + 一+ 一2 魂砂 出 式中：u 、v 、w 为速度矢量的三个分量。 2 4 2 运动方程 上式可化为： ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) p 百d v = + v 【r 卜卯 ( 2 1 6 ) 式中，f 、【小p 分别为流体的质量力、应力张量和型腔中熔体的压力，在 直角坐标下可表示为如下： 户罢= 从一警+ 去m 害+ 罢) + 昙 茅+ 割+ 妄( 2 刁害+ 胛一 p 告= 以一万0 1 + 昙m 考+ 罢 + 号( 2 刁考+ 胛v + 丢m 茅+ 剀 夕警= 以一篆+ 昙( 2 刁鲁+ 胛，) + 专 攻罢十雾) + 丢h 罢+ 鲁) 第2 章塑料成型流变学基础 2 4 3 能量方程 厮i l j l = 一p v y + + v r ) + p g ( 2 1 7 ) 式中：q 为单位质量流体的热源强度；五为导热系数；c v 表示定容比热容； 表示定容粘性耗散功。 相当不可压缩的塑料熔体来说( 充模阶段，假定熔体是不被压缩的) ，则 v v = 0 。在直角坐标系中，其表示式为： f a t a ta ta 丁、 心1 百栅瓦 瓦+ w ij = 叩l2 ( 罢) 2 + 2 ( 多) 2 + 2 ( 暑) 2 + ( 塞+ 考 2 + ( 考+ 老 2 +