（材料加工工程专业论文）厚壁注塑制件成型工艺研究.pdf

摘要 摘要 在注塑成型中，塑件的壁厚一般为1 4 m m ，通常将壁厚大于6 m m 的注塑制 品称为厚壁制件。一般产品设计中都希望壁厚值不要太大、壁厚均匀。而客户 需求、产品造型、性能、美观等各方面因素，也会出现一些厚壁甚至实心超厚 型注塑制件。与普通注塑产品相比，厚壁注塑成型对塑件材料选择、注塑机成 型设备有了更高的要求，而且容易产生凹痕、缩孔、翘曲变形、熔接痕和裂纹 等各种质量缺陷。因此，如何注塑成型厚壁制件，并保证其成型质量，将是本 文研究的重点。 本文首先以电视机透明支柱厚壁塑件为例，确定塑件品质评价指标为体积 收缩率，品质影响工艺参数为模具温度、熔体温度、保压压力、注射时间、保 压时间和冷却时间，设计正交实验并利用m o l d f l o w 软件及数据处理技术，对注 塑成型工艺参数对厚壁塑件收缩的影响程度进行研究 然后，以不同厚度下的方形塑件为试验对象，研究厚度对结晶型塑料和无 定型塑料的成型质量的影响，结合m a t l a b 曲线拟合技术，结果表明，塑料的 翘曲变形量与壁厚成正比；厚度变化对结晶型塑料翘曲变形量影响更为显著； 注射成型横向翘曲变形量大于纵向翘曲变形量。 最后，基于二次注塑成型理论，工艺设计和注意事项，结合壁厚设计的原 则，对电视机透明支柱进行注塑成型方案设计，通过合理的壁厚选择和工艺设 计的二次注塑成型方案，获得了良好的实验结果，并将其应用于实际生产中。 关键词：注塑成型，厚壁，正交实验，工艺优化，二次注塑 a b s t r a c t t h ew a l lt h i c k n e s so f p l a s t i cp a r t si sg e n e r a l l y1 4 m m ，p l a s t i cp a r t so fw h o s e w a ut h i c k n e s s1 sm o r et h a n6 m mw e r eg e n e r a l l yc o n s i d e r e da st h i c k w a l l i n je c t i o n m o l d i n gp a r t s w a l lt h i c k n e s sw a ss u g g e s t e ds m o o t ha n dn o tt o ot h i c ki np r o d u c t d e s i g n ，b u tt h i c k w a l li n je c t i o nm o l d i n gp a r t sa r ea l s or e q u i r e di np l a s t i ci n je c t i o nd u e t 0c u s t o m e rd e m a n d ，p r o d u c ts t y l i n g ，p e r f o r m a n c e ，a e s t h e t i c s c o m p a r e dt oo r d i n a r y 1 n j e c t i o nm o l d i n gp r o d u c t s ，t h i c k - w a l li n j e c t i o nm o l d i n gp a r t sd e m a n dm o r eo n p l a s t i cm a t e r i a la n di n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ，a n di tc a n e a s i l yc a u s ed e f e c t ss u c ha s d e n t ，s h r i n k a g e ，w a r p a g e ，w e l dl i n e sa n dc r a c k s s o ，h o wt op r o d u c et h i c k 啪l l l n j e c t i o nm o l d i n gp a r t sw i t hg o o dq u a l i t yw o u l db et h ef o c u so f t h i ss t u d y f i r s , t a k et vt r a n s p a r e n tp i l l a rf o re x a m p l e ，v o l u m es h r i n k a g ew a ss e l e c t e da s e v a l u a t i o no ft h e q u a l i t yo fp l a s t i cp a r t 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 l 】r e 1 n j e c t l o nt i m e ，p a c k i n g p r e s s u r e ，p a c k i n gt i m e a n d c o o l i n gt i m ea r ep r o c e s s p a r a m e t e r sw h i c ha f f e c tt h e q u a l i t yo fi n je c t i o nm o l d e dp a r t s o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t ，m o l d f l o wa n dd a t ap r o c e s s i n gt e c h n i q u e sw a su s e di no r d e rt of m do u t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o c e s sp a r a m e t e r sa n dq u a l i t yo f i n j e c t i o nm o l d e dp a r t s s e c o n d l y ，t a k i n gs q u a r ep a r t so fd i f f e r e n tt h i c k n e s sa st h et e s t o b j e c t s t h e r e l a t l o n s h i p sb e t w e e nw a r p a g ea n dw a l lt h i c k n e s sw e r es t u d i e db yu s i n gc r y s t a l l i n e t h e r m o p l a s t i c sa n da m o r p h o u st h e r m o p l a s t i c si nt h i sc h a p t e r t h er e s u l ts h o w e dt h a t w a r p a g ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fw a l lt h i c k n e s s ，w a l lt h j c k n e s sa i j f e c t e dt 1 1 e w 叩a g eo fc r y s t a l l i n et h e r m o p l a s t i c sm o r es i g n i f i c a n t l yt h a ni td i dt ot h ew a r p a g eo f a l t l o r p h o u st h e r m o p l a s t i c sa n dt h ea m o u n to ft r a n s v e r s e w a r p i n gd e f o n l l a t i o ni s b i g g e rt h a nt h ea m o u n to fl o n g i t u d i n a lw a r p i n gd e f o r m a t i o n t h i r d l y ，b a s e do nt h et h e o r yo fo v e r m o l d i n gi n j e c t i o n ，p r o c e s sd e s i g n ，p r e c a u t i o n s a n dp r i n c i p l e so f w a l it h i c k n e s sd e s i g n ，t w od i f f e r e n ti n j e c t i o nm o l d i n gp r o 鲫s f o rt v t r a n s p a r e n tp i l l a rw a sd i s g u s t e di nt h i sc h a p t e r , ab e t t e re x p e r i m e n t a lr e s u l t s 、a sa c l l i e v e d b yu s t a go v e r m o l d i n gi n j e c t i o nm o l d i n gp r o g r a mw i t hp r o p e rw a l ln l i 出1 e s ss e l e c t i o n a n dp r o c e s sd e s i g n t h i sr e s e a r c hr e s u l t sw a st h e n a p p l i e d t op r o d u c t i o n k e yw o r d s ：i n j e c t i o n m o l d i n g ，t h i c k w a l l e d ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ，p r o c e s s o p t i m i z a t i o n ，o v e r m o l d i n gi n je c t i o n i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着科学技术的发展，在汽车饰件、日用家电等行业厚壁注塑制品的需求 不断增加，但目前技术水平成型厚壁制品难度大、成品率低，因为对于成形件 厚壁零件来说，由于壁厚壁厚比较大，表面温度和芯层温度差异大，冷却时间 较长，因而收缩率也较大，容易产生体积收缩，而且不同壁厚塑件型腔内部因 充填不平衡产生的模内收缩也不同，当塑件壁厚较大时，熔体的收缩是从模腔 的浇口位置开始再向边缘扩展，当塑件壁厚较薄时，熔体的收缩从模腔的边缘 开始而浇口位置最后收缩，随着制件壁厚的变化，型腔内熔体的收缩方向发生 了改变 1 1 。 厚壁注塑制品生产过程中最主要会形成两种缺陷：表面凹陷( 缩痕) 和内 部缩孔，表面凹陷是塑件在冷却过程中制件整体向芯收缩产生的，主要反映在 塑件表面；相反，当体积收缩以孔的形式反映在塑件内部时便形成了缩孔，表 面凹陷和内部缩孔都将影响制品的表观质量和力学性能【2 】。因此在以往的技术条 件下，实际生产时都尽量避免厚壁制件，但是随着工业的发展、科技的进步， 对厚壁塑件成型工艺技术有进行更深入的研究以及新材料的开发，厚壁注塑制 品也将获得更多的生产和应用，因此也将给塑料带来更宽广的应用领域 3 ，4 】。 1 2 厚壁制件成型技术国内外研究现状 针对厚壁塑件成型过程中存在的缺陷和技术难点，国内外专家学者进行了大 量研究，主要体现在如下几个方面( 1 ) 材料性能方面研究；( 2 ) 对制品结构、模 具进行改进及工艺参数进行优化；( 3 ) 研究新的成型工艺方法和成型技术。下面 简述近年来国内外在塑料、模具、工艺等方面成型厚壁塑件技术的研究概况。 1 2 1 材料、制品结构、模具设计 厚壁塑件的材料选择、制品本身造型以及模具设计是否合理等对其收缩率 都有较大的影响，当塑件原料为结晶型树脂时，设置工艺条件应朝着减小结晶 度、稳定结晶度的方向选择参数以降低因结晶造成的收缩率；而塑件原料为非 第1 章绪论 结晶型树脂，应尽量降低材料产生取向结构的可能性【5 j 。塑料改性研究证明一般 在热塑性树脂中加入质量分数为2 0 - 4 0 的玻璃纤维，其收缩率可降低1 4 - 1 2 6 1 。此外，一些人【7 _ 8 】也对厚壁制件模具设计、模具结构、浇口等做了一定的 研究。 乔飞、宋满仓等研究了方形、凸型、凹形、扇形等典型形状制品的收缩规 律，发现对于注塑塑件而言，影响其收缩的一个很重要的因素是厚度，随着厚 度的增加，其收缩率也增大，但他们之间的变化并不是呈线性的，如图1 1 ，而 且，整个制件的收缩率在横向表现的比在纵向更加显著【9 。1 。 图1 1 结晶性材料p p 收缩变化曲线 秦贞明、王晓瑾等针对一个缩孔多、翘曲变形不均匀等缺陷的管件塑料厚 壁制品，在原方案的基础上修改设计了另两种模具结构方案，对三种方案进行 了模流分析，综合比对三种方案的注射时间以及产生的各种缺陷，如气穴、收 缩、翘曲变形等，综合分析优劣，获取更为合理的模具结构设计方案 1 l 】。 付忠亮、温彤设计了一个左右壁厚不均等的长方形塑件进行注塑流动分析， 通过熔体前沿某点与熔体流动方向垂直线与该点的切线之间的0 角( 图1 2 ) 来 衡量流体流动的不均匀性，研究发现注塑熔体的流动性受壁厚差异的影响较大； 而通过升高注射温度或者增加注射压力发现，0 角度值呈下降趋势，也即高温或 者高压能降低注塑过程中熔体流动对壁厚差异的敏感性【12 1 。 2 第1 章绪论 图1 2 烙体前沿0 角 r o b e r tge g b e r s 和k i e t hg j o h n s o n 对h d p e 制品在几种牌号h d p e 材料、 不同的浇注系统尺寸下，基于不同模温、注射压力等工艺参数条件下研究其成 型收缩率，研究表明h d p e 制品产生收缩2 0 与工艺参数有关，而8 0 是受制 品的浇口尺寸大小和厚度所影响的1 1 3 j 。 1 2 2 工艺条件 厚壁塑件的注塑成型质量与其成型工艺有很大的关系，s a l l o u mg 和 c h a r l a n dd 等在成形h d p e 碟形塑件时通过设计不同尺寸的浇口以及不同的工 艺参数下进行大量实验，研究表明h d p e 制件的收缩率与工艺参数呈线性关系， 对其收缩率影响最明显的分别是保压压力，模温和冷却时间 1 4 】；陈志等通过对 h d p e 厚壁注塑制件成型冷却过程及收缩、缺陷形成研究发现，开模后不同冷却 温度导致的制品缺陷( 凹陷和缩孔) 不一样，如图1 3 所示： 攀l 器薯 ( a ) 3 0 。cc o ) 9 0 。c( c ) 1 2 0 。c 图1 3 不同冷却条件下的制品缺陷 冷却温度低容易形成缩孔，冷却温度高，收缩一致则形成表面凹陷；制件的表 层体积收缩率随着模具温度的升高而增加，而保压时间对其影响不大；而内芯 3 第1 章绪论 体积收缩率由于受到补缩的影响反而随着模具温度的升高而下降，由于保压能 加强制件的补缩，因此内芯体积收缩率也随着保压时间的增加而减小 1 5 - 1 6 。 周平定、郑和针对台扇塑料装饰灯罩厚壁制品成型条件、模具设计、模具 制造工艺、塑件成型工艺进行研究分析，针对该灯罩壁厚差异大容易产生凹痕 及内部气孔的特点，指出可利用热塑性塑料熔体的明显可压缩性在注塑过程中 采取慢速大压力，一般情况下，是可以预防制件的凹痕和气泡改善厚壁制品成 型质量【17 1 。 李名章、王春涛通过对厚壁制件常规成型的缺陷分析，提出消除该空穴对 零件的影响可采用高压成型法或寻求补料方式，首先根据厚壁制件在模腔内的 冷却凝固过程建立一个理论模型( 图1 4 ) ，分析其成型影响因素，试验研究了 注射速率、熔体温度、模温对其成型质量的影响，他们提出在注塑成型厚壁制 件时可利用多级慢速成型法并合理选择熔体温度和模具温度，浇口设计要尽可 能的流道短而截面粗，在模具设计中要合理安排模具里模腔的位置 1 8 】。 图1 4 理论模型示意图 张国梁以汽车车门把手这一厚壁工业产品为研究对象，把料温、模温、注 射时间、保压时间和保压压力作为要研究的工艺参数，以制品内的最大翘曲变 形量和体收缩率变化为质量评价指标，对厚壁制件进行正交试验，获得了各个 参数对两个质量评价指标的影响程度和趋势，对于厚壁塑件而言，工艺参数在 同比例变化时，对塑件体积收缩率影响程度较大的为保压压力、熔体温度；料 温过高会使熔体进入型腔时呈体积膨胀而减少了进入型腔的熔体，降低保压效 率，因此为使塑件体积均匀收缩可适当降低料温和保压压力，减少保压时i n 1 9 】。 b h l e e 在设计塑料产品时，第一次打破制品壁厚尽可能均匀的不成文规 则，他通过设计正交实验，设定可控因素为“不同壁厚”，而噪声为“料温、冷却 速率、注射时间”等，获取了几组壁厚因子组合进行试验，然后利用极差法及信 噪比分析实验数据，获取了最优工艺参数设置及壁厚值，研究表明，在误差允 4 第1 章绪论 许范围内合理优化工艺参数、改变产品壁厚可以显著地减少制件的翘曲和收缩 缺陷。 1 2 3 注射成型新技术 ( 1 ) 共注射成型技术 共注射成型又称夹芯注射，共注塑成型，是多组分注射中的一种典型情况。 其注射机具有两个或两个以上注射装置，公用一个交叉行动的喷嘴，可以分步 或同时注射不同颜色或不同配方的树脂材料，成型具有多层结构、芯壳结构或 部分颜色不同或透明度不同的制品。共注射成型要求有相应配套的模具，这种 模具或者具有大小不同的型腔，不同物料分步注入各型腔中，形成多层的制品； 或者具有特殊的流道结构，能将不同的物料在不同时间分别引入型腔，制成结 构泡沫塑料制品或者多色制品。这种注射机还应配备特殊的锁闭式喷嘴。 共注射成型的工艺过程如图1 5 所示，注射成型开始时先向模具型腔注入表 层材料使型腔局部充填，如图1 5 a ；表层材料注入到一定量后，转动熔料切换阀， 将芯层材料注入模具型腔，芯层材料进入预先注入的表层流体中心，推动表层 材料填满整个型腔，表层材料的最外围由于与冷的型腔壁接触已经固化，所以 芯层熔体不能穿透，从而，表层将芯体材料包覆了起来，形成了壳层芯体结构， 如图1 5 b 、图1 5 c 所示；最后，如图1 5 d 所示，再转动熔料切换阀回到起始位 置，再次将表层材料注入型腔，将流道内的芯体材料推入注塑件中，将芯体材 料完全包裹起来，然后清理芯体材料，准备进入下一个成型周期。 共注射成型既可以生产普通的薄壁零件，也可以很好的生产较大的厚壁零 件，例如最后的塑料板材，通常取决于所采用的内部材料，一般都是些类似于 结构泡沫型的低密度材料，而且使用这种材料还能消除厚壁塑件的一些缺陷如 收缩、应力、变形和破裂等 2 1 。2 3 1 。 ( 2 ) 部分结构成型技术 部分结构成型工艺( p a r t i a lf r a m ep r o c e s s ) 是气辅注射成型技术的一种，其基 本原理就是在成形制件过程中在其厚壁部分适当位置设立诱导空隙，诱导空隙 产生位置如图1 6 ( b ) 的1 处，当制件冷却时，熔体将受到收缩应力产生负压， 而随着诱导空隙的长大( 图1 6 ( c ) ) ，利用该长大的诱导空隙来消除由于熔体冷 却时收缩产生的负压，以防止因内部收缩导致的表面凹陷，这种技术可以生产 表面要求高的产品但应注意诱导空隙不要设置在制件需要受力的地方；它类似 5 第1 章绪论 于渗透气体辅助注塑成型的一步，但具有更多的优点：简单，设计灵活，易于 控制和廉价。这种工艺无需其他成型设备，只需要设定简单的诱导空隙发生机 构。适合用于生产内部允许中空的厚壁塑件，目前已应用在电视机、空调等部 仕 2 4 - 2 6 l o 图1 5 共注射成型工艺过程 ( a ) 熔体充填 ( b ) 生成诱导空隙( c ) 诱导空隙长大 图1 6 形成诱导空隙过程 ( 3 ) 剪切控制定向注射成形 剪切控制定向注射成形( s c o r i m ) 特种注射成形方法是由e s a l l a n 等人提出 的，其原理是通过对普通注射机的改进，将一个剪切控制定向注成形装置安装 在注射机的注射单元和模具之间，注射成型过程中，塑化后的熔体在剪切控制 6 第1 章绪论 定向注成形装置活塞来回反复作用下注入模腔，通过该装置可以增强熔体甚至 固化料的剪切应力，熔体的分子取向可以通过合理设置活塞的运动周期、次数 和幅度来控制，因此这种成形方法可消除厚壁塑件常出现的缩痕、气泡和残余 应力变形 2 7 - 2 9 1 。适合剪切控制定向注射成形的厚壁塑件塑料为用3 0 玻璃纤维 增强的聚丙烯，由3 0 长玻璃纤维增强的尼龙，由3 0 玻璃纤维增强的液晶聚 酯。 ( 4 ) 动态保压注射成型技术 由英国b r u n e l 大学m j b e v i s 教授等人【3 0 】研究设计出一种多浇道注射成型技 术，利用该技术在注塑成型厚壁塑件时在一定程度上比普通的注射成型技术更 具有优势，在多浇道注射成型技术基础上，官青等人研制开发的动态保压注射 成型技术及成套装置，如图1 7 ，该技术将塑料熔体由喷嘴注入2 、1 0 两个流道 再进入型腔，保压阶段时利用活塞3 、9 进行保压，与普通注塑成型静态保压相 比，该技术实现了动态保压，有利于压力在型腔内的传递，提高了保压效率， 在成型厚壁制件时，该技术能有效的防止制件产生凹痕和缩孔，同时还提高了 产品的力学性能【3 1 - 3 2 1 。 a 注射机，b 保压头，c 模具 图1 7 动态保压注塑装置 ( 5 ) 两工位注塑 两工位注塑工作原理是把厚壁塑件分解为内层和外层两部分，第一工位用 来注塑成型内层，第- 2 1 2 位用来注塑成型外层，只利用一台注射机即可完成对 一个零件的两次成型，合模后熔体注入同时填充第一工位和第二工位的模具型 7 第1 章绪论 腔，冷却凝固后第- - i 位已经是完整的零件，顶出塑件，而第一工位成型的智 商内层件，不顶出，将其移到第- - i 位而第- - t 位的型芯或型腔移n 旋转至第 一工位进行下一次注塑( 图1 8 ) ，这种成型工艺可以有效的节省产品的生产周 期，提高效率，对多组分制品以及厚壁零件的注塑成型具有良好的借鉴意义 3 3 1 。 磷辏鑫定壤 图1 8 两工位注塑 ( 6 ) 注射压缩成型技术 注射压缩成型技术【3 4 35 j 是一种低压加工工艺，成形过程如图1 9 所示，塑料 熔体首先通过浇口注入未完全关闭的模具模具内( 图1 。9 a ) ；当达到要求的注射 量后立刻停止( 图1 9 b ) ；模具闭合，对塑件进行压缩( 图1 9 c ) ；然后开模取出 塑件( 图1 9 d ) 。相比传统工艺，注射压缩工艺成型塑件物理性能得到改善，质 地致密，而且收缩均匀、基本不产生变形，制件尺寸精度高并具有较强的稳定 性。对于厚壁塑件，注射压缩技术能够在冷却期间对模具的整个分型面均匀地 施加压力，从而防止出现缩痕。特别是光学性能要求高的厚壁透镜【3 6 1 ，只宜采 用注射压缩工艺加以成形。 8 第1 章绪论 藕 堆| ；是。羞 e 溅瓣冷帮阶疆 图1 9 注射压缩工艺 濑件灏粥 1 3 本文的主要研究工作 1 3 1 本文研究的主要内容 ( 1 ) 建立厚壁塑件熔体成型过程中的三维数学模型，研究厚壁塑件成型过 程中的微观机理，实现产品成型过程数字化设计和理论分析。 ( 2 ) 基于普通塑件结构设计的基础，研究厚壁塑件注射成型的解决方法。 ( 3 ) 分析影响塑件表观质量各种缺陷产生的原因，研究缺陷产生的机理及 表观质量控制方法，对厚壁制品结构和工艺进行改进。 ( 4 ) 研究温度、压力、时间等成型工艺参数以及壁厚、材料对厚壁塑件成 型质量的影响，获取各影响因素对厚壁塑件成型质量影响规律及影响系数。 ( 5 ) 进行实验性生产。 1 3 2 本文的研究目标 通过本文的研究，建立厚壁塑件成型过程中熔体流动的三维模型，分析厚 壁塑件中导致产生缩孔、凹陷和收缩不均等影响塑件质量特别是表观质量的原 因及解决方案，在传统的结构设计基础上，对厚壁制品进行结构设计优化，并 对注射过程进行数值模拟，通过试验设计方法和数值分析方法，得到各项因数 9 第1 章绪论 对成型质量的影响规律并优化注射工艺，为厚壁塑件结构设计及注射成型提供 一些理论指导，也为相关类似问题提供一定的参考。 厚壁塑件因为以往技术及设备原因，成型难度大，目前国内外在该领域研 究很少，因此该项目的研究具有前瞻性，研究成果可以解决目前厚壁塑件亟待 解决的各种缺陷问题，指导厚壁制品的产品设计、模具开发及生产工艺，提高 注塑行业的研究水平和企业的经济效益。 1 0 第2 章厚壁制件注塑成型数值模拟理论与技术 第2 章厚壁制件注塑成型数值模拟理论与技术 2 1 注塑成型三维数值模拟理论基础 注塑成型中熔体在模具型腔内的充模流动过程比较复杂，熔体具有粘弹性、 在整个过程中温度并非恒定，整个温度场随时间变化，目前尚无法对其充模过 程进行精确描述，因此在建立其流动充模过程的数学模型时可根据实际情况对 其进行一些合理的简化和假设：熔体在模具型腔里面流动的整个过程中密度 相似，变化不大，模具型腔结构设计合理，熔体所承受压力低而未产生过压， 故此时可以把充模中的熔体看作是未压缩的来对待；因为充模中的熔体本身 具有较大的粘度，会产生较大的剪切应力，故相对而言，惯性和质量对熔体产 生的作用力就小得多；流动过程中只有物理变化没有化学反应【”- 4 4 。则可以 从流体的基本方程中求取塑料熔体充模流动的三维控制基本方程直角坐标系形 式可表示为： 动量方程： 去( 2 叩尝 + 昙 叩( 塞+ 考 + 毫 叩( 芸+ 老 一塞= 。 c 2 a ， 去 叩( 昙+ 考 + 专( 2 叩考 + 毫 叼( 茜+ 老 一考= 。 c 2 b ， 昙 叩( 芸+ 老) + 参 叼( 老+ 茅) + 毫( 2 叩老 一笔= 。 c 2 一，c ， 连续性方程： 坐+ 尘+ 坐：0( 2 2 ) 瓠 却8 z 能量方程： p c 二詈= p q ( 甜l 苏r + v 孑+ w 警) + 去( k 罢) + ，2 、 * 针毫( 礞) 堋 第2 章厚壁制件注塑成型数值模拟理论与技术 式中：j d 熔体密度，xy2 三维坐标，甜vw 分别表示xyz 三方向的速度，p 压力，丁温度，c 。比热，k 导热系 数，7 7 熔体粘度，7 ，剪切速率。 注塑充填模拟需要考虑材料流变学性质( 粘度模型) ，目前比较常用的熔体 粘度模型有幂律模型、修正的c r o s s 粘度模型 4 5 , 4 6 。数值研究时经常选用 c r o s s w l f 模型，它对熔体粘度t 1 的全面考虑了剪切速率丫、温度t 和压力p 三 个因素，在较宽的温度域内具有其适应性，故在描述型腔内的熔体充模流动同 时还存在冷却效应的熔体流变学特性时更加准确，m o l f l o w 默认采用的粘度模型 也是c r o s s w l f 模型【4 7 1 ，其本构方程为七参数模型，能准确表达熔体在注射填 充阶段及保压阶段的流变特性，其表达式为： 柑 萨者1 r 0 y 亿4 ， + f1 。4 lr 咏功脚冲l _ 揣i 沼5 ， t 母= d 2 + d 3p ； ( 2 - 6 ) a 2 = a + d 3p ； ( 2 - 7 ) 式中：n 为非牛顿指数，7 7 0 零剪切粘度，t 水参考温度，通常认为 是材料的玻璃化转变温度，d l 、d 2 、d 3 、a 、a l 、f 材料常数。 2 2 注射成型数值模拟技术 2 2 1a u t o d e s km o l d f l o wi n s i g h t 简介 m o l d f l o w 是世界上最著名的c a e 模流分析软件，1 9 7 6 年由澳大利亚 m o l d f l o w 公司发布，是世界上第一个塑料注塑成型流动分析模拟软件，2 0 0 0 年 4 月收购它的竞争对手c m o l d ，2 0 0 8 年6 月被a u t o d e s k 公司收购。m o l d f l o w 对注塑企业的设计人员具有非常好的辅助设计作用，产品设计师利用m o l d f l o w 可以产品设计之初根据预测熔接痕的位置，是否发生短射、翘曲变形，产生收 缩的位置等来判断产品设计是否合理并进行改进；模具设计师可以利用 m o l d f l o w 预测塑件的最佳浇口位置来设计浇口，根据流动平衡判断浇注系统设 1 2 第2 章厚壁制件注塑成型数值模拟理论与技术 计是否合理，根据气穴位置来设计排气孔，根据温度分布设计冷却水道的分布； 工艺设计师可以在试模之初根据m o l d f l o w 预测的产品所需的注射时间，最大锁 模力，注射过程中所受的剪切压力等合理的选择注塑机和注射工艺参数，优化 成型工艺；对于企业而言，m o l d f l o w 可以有效的提高产品的设计质量，减少产 品的试制次数，合理优化工艺设置提高产品质量，加强了产品设计、模具设计 等部门的协同工作效率，缩短了产品的设计周期和生产周期，从而降低了企业 的成本。 该软件的作用主要表现在三个方面： ( 1 ) 分析浇口位置和数量、制件壁厚及浇注系统对塑件制品成型质量的影 响，优化塑件制品结构设计； ( 2 ) 分析浇口位置及大小、主流道分流道尺寸、模具型腔尺寸和冷却系统 等对塑件制品成型质量的影响，优化塑件模具设计； ( 3 ) 分析温度( 模具温度、熔体温度) 、压力( 注射压力、保压压力) 、时 间( 注射时间、保压时间及冷却时间) 等对塑件制品成型质量的影响，优化工 艺参数。 目前a u t o d e s km o l d f l o wi n s i g h t 2 0 1 0 ( a m i 模块) 可以提供的分析功能包括热塑 性注塑成型及热固性反应成型两大类，支持多种现有的多种塑料的成型分析，具体 包括t h e r m o p l a s t i c si n j e c t i o nm o l d i n g ( 热塑性塑料注塑成型) 、g a s a s s i s t e d i n j e c t i o n m o l d i n g ( 气体辅助成型) ，t h e r m o p l a s t i c s - o v e r m o l d i n g ( 双色成型) 、 蜥e c t i o n - c o m p r e s s i o nm o l d i n g ( 注塑压缩成型) 、c o - i n j e c f i o nm o l d i n g ( 共射出成型) 、 m i c r - o c e l l u l a ri n j e c f i o nm o l d i n g ( 微孔发泡成型1 、r e a c t i o ni n j e c t i o nm o l d i n g ( r i m ) ( 反 应成型) 、m i c r o c h i p e n c a p s u l a t i o n ( 微芯片封装) 以及光学双折射分析等。 2 2 2a u t o d e s km o l d f l o wi n s i g h t 三维实体模拟技术 注塑成型c a e 技术从2 0 世纪5 0 年代兴起，逐渐发展至今，并诞生了许多 成熟的商业c a e 模流软件如p o l y f l o w 、a u t o d e s km o l d f l o w 以及国内郑大的 z m o l d 、华中理工的h s c a e 等，这些注塑成型c a e 软件所采用的有限元模型 经历过三个发展阶段：始于2 0 世纪8 0 年代的基于g h s ( g e n e r a l i z e dh e l e s h o w ) 流动模型的中面流( m i d p l a n e ) 技术，始于2 0 世纪9 0 年代的基于薄壳( s h e l l ) 模 型的双面流( f u s i o n ) 技术以及目前流行的基于四面体网格的三维实体模型，前两 种技术已经非常成熟，对于大多数塑件的注塑成型模拟均可比较准确、快速、 第2 章厚壁制件注塑成型数值模拟理论与技术 高效的预测，然而他们均没有考虑熔体本身受惯性和重力的影响，忽略了在厚 度方向的温度、压力传递，也不能针对熔体流动过程中的一些三维现象如喷射、 泉涌等进行描述，因此两种技术应用范围也受到了很大的限制。 m o l d f l o w3 d 技术采用m o l d f l o w 开发的注射成型c a e 分析全3 d 求解器， 其有限元模型考虑了熔体本身受惯性和重力的影响以及厚度方向上的温度、压 力传递，因而可以更准确的描述熔体在型腔内的充模流动，更符合现实中熔体 在型腔内的流动情况。首先，m o l d f l o w3 d 技术的主要长处在于其优秀的划分有 限元网格方法，在m o l d f l o w 中有三种类型的网格( 图2 1 ) ：中面网格( m i d p l a n e ) ， 表面网格( f u s i o n ) 和实体网格( 3 d ) 。中面网络( m i d p l a n e ) 创建在模型壁厚的间 处，由三节点的三角形单元组成的，为一层网格；表面网络( f u s i o n ) 创在模型的 上下两层表面，也是由三节点的三角形单元组成；实体网络( 3 d ) 是由四节点的四 面体单元组成，每一个四面体单元又是由四个m i d p l a n e 模型中的三角形单元组 成 4 7 1 。 ( a ) 中面网格 ( b ) 表面网格( c ) 实体网格 图2 1 网格类型 利用m o l d f l o w 对厚壁塑件进行分析时，软件对导入的模型进行自适应3 d 网格划分，厚度方向进行分层划分网格，因此在模拟过程中不再忽略厚度方向 上的温度、压力传递，然后利用流动3 d 以及冷却3 d 等模块对划分好的c a e 三维网格有限元模型进行全三维分析，可以准确的计算熔体各个方向的温度场、 压力场，精确模拟出制件成型凝固过程；其次，m o l d f l o w3 d 技术在算法上可以 保证非常高的精度和准确率，精确的获取各种参数然后利用v o f ( v o l u m eo f f l u i d ) 算法进行快速求解温度场、压力场，得出模拟结果；再者，m o l d f l o w3 d 技术在充填保压、冷却等分析后，利用其全新的三维显示技术对其模拟出来的 结果如注射时间、压力分步、翘曲变形等进行非常直观、立体的显示巧。 1 4 第2 章厚壁制件注塑成型数值模拟理论与技术 目前，针对厚壁制件的在注塑成型的模拟软件中仅有m o l d f l o w 的3 d 求解 器才能完成全三维分析，不可能用传统的模流分析求解器来仿真的注塑成形件 进行模拟的c a e 软件，这种基于三维有限元网格( 四面体) 的全新求解技术不 只应用于平流，它还能模拟湍流和层流、喷射、熔体中的气穴或气泡以及重力 的影响等，是对f u s i o n 技术的理想补充，可以对厚壁制件、壁厚不均匀制件 以及传统分析软件无法求解的注塑成型过程进行准确有效的模拟分析。除传统 的注射成型工艺外，m o l d f l o w3 d 技术还可以应用于先进成型工艺如气体辅助注 射成型、模内成型、双色注射成型、i c 芯片封装等的模拟研究。 1 5 第3 章厚壁注塑成型中常见的缺陷及解决方案 第3 章厚壁注塑成型中常见的缺陷及解决方案 3 1 缩痕、凹陷与缩孔 缩痕和缩孔( 图3 1 ) 都是制品的厚壁部分因成型收缩得不到补充而出现的 制品收缩缺陷。在注塑过程中由于制品总是表层先凝固而中心后凝固，导致制 品厚壁部分表层塌陷产生明显的内凹，当内凹部分面积很小时称为缩痕，当内 凹面积较大时称为凹陷；反之，如果制品厚壁部分表层已凝固，其强度和刚度 足以抵抗心部收缩应力，则将在厚壁部分内部形成缩孔。缩痕、凹陷与缩孔一 般发生在制品壁厚较大的地方或者凸台、加强筋、主流道型直浇口背面或者支 座的背后。缩痕因比较细小不会对产品的刚度强度产生影响但影响其美观，缩 孔则会影响产品的强度和结构，而凹陷则对产品的视觉美观和强度、结构均有 影响。它们的具体原因及解决方法【5 1 5 2 j 如下： 图3 1 凹痕缩孔 ( 1 ) 优化工艺条件：当注塑工艺参数设置不合理诸如注射压力太低，熔体 温过高，冷却时间太短，脱模时模具温度太高以及嵌件温度低于熔体温度或原 料不足时，注塑制品都容易产生凹陷的缺陷，因此应根据实际情况进行改进， 如果发现凹陷或者表面缩痕产生在嵌件边上时应尽可能的提高嵌件温度；而当 其出现在浇口位置附近时应考虑加大保压时间；在一定程度上增加制品在模具 型腔内的冷却时间可以很好的避免厚壁处产生凹陷；适当降低熔体温度并在保 证脱模质量和精度前提下适当降低模具温度。 ( 2 ) 优化模具设计：模具的浇口设置不对称易使充模速度不均衡，流道及 浇口截面太小将导致充模阻力太大，模具排气效果不佳，浇口位置设置不恰当 等都容易使制品产生表面缩痕和凹陷，因此应结合具体情况，浇口位置尽可能 设计在产品壁厚较大的地方并使产品在浇口处对称，合理增加浇口和流动尺寸； 1 6 琵露麓翩-=i撼灏黼黼麟 翳z澎蟹。 第3 章厚壁注塑成型中常见的缺陷及解决方案 合理布置冷却水道可以对制品的壁厚较大的地方强行冷却进行补缩；对于厚壁 制品，可考虑采用平缝浇口或扇形浇口，从而将制品可能出现的凹陷和缩孔转 移到浇口上。 ( 3 ) 优化塑料配方：当所选用的树脂本身具有较大的收缩率或流动性不好、 塑料受潮或者使用的润滑剂不够时，所成型出来的产品极易产生表面凹陷或缩 痕，所以如果所要成型的制品有严格的表观质量要求应尽量采用收缩率低的原 料；若塑件凹陷是应熔体流动不畅导致的则可以通过增加润滑剂的量或扩大流 道尺寸以促进熔体的流动性；如果由于原料受潮造成塑件表面出现缺陷，应对 原料进行干燥处理。 ( 4 ) 优化制品结构设计：在进行产品设计时壁厚应尽量一致，力求制品结 构简单、对称，因为如果壁厚相差很大，那么在成型过程中厚壁部位容易应压 力偏低而产生凹陷或者表面缩痕，因此，对于特殊情况，必要时可通过设计加 强肋等方法减少壁厚，也可考虑在出现表面缩痕的地方设计装饰花纹以掩盖制 品表面凹陷带来的视觉缺陷。 3 2 充填不足 塑料熔体进入型腔后未能顺利充填到远离浇e l 或截面较薄的型腔部位就已凝 固，导致型腔未充满，制品形状结构不完整，即为充填不足，也称短射。图3 2 为几种常见的充填不足形式，导致充填不足通常的原因是熔体本身流动性差或者 再充填过程中受到的阻力以及注射压力不够大等。具体原因及解决方法【5 3 1 如下： 图3 2 充填不足 ( 1 ) 塑料熔体黏度高，流动充填属性不佳：因此在选择熔体材料时应选用 流动性好、粘度度低的塑料或者调整塑料的配方以降低其粘度。 ( 2 ) 塑料熔体塑化质量差，塑化温度低，熔体温度不均导致流动性不良， 1 7 第3 章厚壁注塑成型中常见的缺陷及解决方案 对此可提高料筒温度、增大塑化压力，增加熔体温度以降低黏度提高塑化质量。 ( 3 ) 模具温度不均或过低，注入型腔内熔体温度下降过快：对此，在注塑 成型开始前应先将模具预热到一定温度，注塑成型开始时应减少冷却剂的流量， 合理设置冷料穴。 ( 4 ) 浇注系统不合理，使得注塑过程中熔体在流道内的流程过长或过于复 杂，受到的流动阻力大，因为发生充型不畅而出现滞留，故设计浇注系统时应 选择好恰当的浇口位置，加大主流道分流道和浇1 3 尺寸，减少熔体在流道过程 中产生的压力损失，缩短流程。 ( 5 ) 模具排气结构不佳，不能及时排出气体导致熔体充型阻力增大，因此 应合理设计模具排气方案，也可改变浇口位置和浇口数量，或改变分型面以达 到良好的排气效果。 ( 6 ) 注塑机选择不当，实际注射量太小，充型时熔体不足导致缺料，对此 因合理选用注塑机并正确调整螺杆注射形成，保证足够熔体注塑量，及时检查 注射机料斗原料是否充足。 ( 7 ) 塑件结构设计不合理，当制品壁厚不均匀或太薄或者是本身面积比较 大而且结构复杂，熔体都很难充满模具型腔，因此应合理设计壁厚和塑件结构， 降低塑件结构复杂程度以降低熔体充模的结构阻力。 3 3 翘曲变形 翘曲变形是指由于产品内部收缩不均导致内应力不同引起的变形，表现为 塑件脱模后的形状与模具型腔不一致，塑件表面不平，边缘弯曲等。翘曲可分 为稳定翘曲和非稳定翘曲，如图3 3 所示： 。 上 () 图3 3 翘曲变形 各种热塑性聚合物翘曲变形程度不一，一般非结晶性塑料比结晶型塑料更 容易发生翘曲变形；收缩不一致引起内应力不均，这是造成翘曲的主要因素， 1 8 第3 章厚壁注塑成型中常见的缺陷及解决方案 具体原因及解决方法 5 4 , 5 5 1 如下： ( 1 ) 模具浇注系统设计不合理：浇口位置设计时应是型芯两侧均匀受力， 尽量防止熔体直接冲击型芯；对大而扁平的塑件不宜采用侧浇1 2 1 ，尽可能的选 择薄膜式浇口或多点式浇e l ；壳型塑件可选用直接浇口形式；环形塑件设计浇 口时尽可能采用盘形浇口。 ( 2 ) 模具冷却系统设计不合理造成制品冷却不均：如果模壁的温度比模芯 更低则脱模后塑件严重模芯牵引方向弯曲，故设计模具冷却系统时必须将冷却 管道布置在温度易升高且不易散热的地方，而对于易散热的地方应尽量使之缓 慢冷却，保证模具温度均衡，通常来说冷却孔与型腔距离控制在1 5 - 2 5 m m ，冷 却水进出温差控制在2 。 ( 3 ) 模具脱模系统设计不合理，使塑件脱模时收到较大不均衡外力时容易 产生翘曲变形：如脱模斜度不够则顶出时需要加很大的力；模具嵌件设置或抽 芯装置设置不当都将使塑件脱模将受力不均，因此，模具脱模机构设计时应选 择恰当的脱模斜度、合理设置顶杆数量和位置、加大顶杆顶出面积、提高模具 精度和强度，合理设置模具抽芯装置和嵌件位置等来降低制品发生翘曲变形概 率。 ( 4 ) 塑料分子取向不均：可以通过降低塑料温度和模具温度，并尽可能的 结合塑件的热处理，以减少流动取向、缓和取向应力的松弛，减少分子取向差 异导致的翘曲变形，热处理可以很好的减小分子的取向应力，其方法为开模后 将制