（材料加工工程专业论文）基于cae平台的共注射成型工艺研究.pdf

西华大学硕士学位论文 基于c a e 平台的共注射成型工艺研究 材料加工工程 研究生都群芳指导教师储凯教授 摘要 共注射成型作为一种新型的注射成型技术，在避免芯层熔体前缘 冲破的前提下增加芯层物体的预填充和提高芯层物料的均匀性的研 究，对于它的实际应用和理论研究具有极为重要的意义。然而，通过 实验的研究方法无法为这一特殊的成型技术提供全面、快速的工程分 析结果，缺乏系统地为材料的选择与匹配、工艺参数的优化提供参考 依据。本课题选用l d p e ( 低密度聚乙烯1 ，h d p e ( 高密度聚乙烯) ，p s ( 聚 苯烯) 三大类材料通过采用m o l d f l o w 公司开发的m o l d f l o wp l a s t i c s i n s i g h tfm p i ) 软件中的c o i n j e c t i o n 模块对共注射成型过程进行模拟 分析，研究讨论物料性能和加工参数对芯层熔体的含量和芯层熔体在 壳层熔体的均匀性的影响。 模拟研究显示，芯壳层熔体粘度比r 对芯层熔体的含量和芯层熔 体的均匀性具有显著影响。随着r 值的增大，芯层熔体预填充量和芯 层熔体的均匀性显著提高。在工艺参数中，熔体的温度和熔体注射速 度对芯层熔体预填充量和芯层熔体的均匀性影响比较显著。芯层熔体 的温度提高与壳层熔体温度提高对芯层熔体预填充量和芯层熔体的均 匀性的影响方向相反。芯层熔体温度提高将降低芯层熔体预填充量和 芯层熔体的均匀性，而壳层熔体温度提高将增加芯层熔体预填充量和 芯层熔体的均匀性。芯层熔体注射速度对芯层熔体预填充含量和芯层 西华大学硕士学位论文 熔体的均匀性影响甚微，而壳层熔体注射速度对芯层熔体的含量和芯 层熔体的均匀性影响显著。壳层熔体注射速度提高将显著降低芯层熔 体预填充量和芯层熔体的均匀性。温度和注射速度对芯层熔体预填充 量和芯层熔体的均匀性的影响程度要根据不同的材料而定。如果材料 对温度比较敏感，温度的改变将对芯层熔体预填充量和芯层熔体的均 匀性影响显著：如果芯壳层材料对剪切速度的相对敏感度差异较大， 那注射速度的改变对芯层熔体的含量和芯层熔体的均匀性影响显著。 至j 二模温，其变化对芯层熔体的含量和芯层熔体的均匀性影响相对较 弱。如果壳层材料是温度敏感性材料，模具温度提高能改善芯层物料 的均匀性。 关键词：塑料，共注射，成形工艺，影响因素，c a e i i 酲华大学硕士学位论文 b a s e dc a es o f t w a r ei n v e s t i g a t e dt h e c o i n j e c t i o np r o c e s s m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：d uo u n f a n g s u p e r v i s o r ：c h uk a i c o i n j e c t i o nm o l d i n gw a s an o v e l p r o c e s s f o r m a n u f a c t u r i n g p o l y m e rp r o d u c e sw i t h as a n d w i c hs t r u c t u r e i tw a sv e r yi m p o r t a n ta n d w o r t h yt h a t i tw a si n v e s t i g a t e dt h ec o n t e n to fc o r em a t e r i a la n dt h e u n i f o r m i t yo fc o r em a t e r i a lu n d e ra v o i d i n gb r e a k t h o u g hp h e n o m e n o n ， b u tt h et r a d i t i o n a l e x p e r i m e n t c o u l dn o ta f f o r dt h er e s u l to f c o m p r e h e n s i v ea n df a s t m o r e o v e ri ta l s oc o u l dn o ta f f o r dt h er e f e r e n c e o fc h o o s i n gm a t e r i a l ，c o m p o u n d i n gm a t e r i a la n do p t i m i z i n gi t sp r o c e s s t h i sp a p e rc h o o s et h r e ek i n d so fm a t e r i a lo fl d p e ，h d p ea n dp st o i n v e s t i g a t e dt h ei n f l u e n c eo fm a t e r i a lp r o p e r t ya n dt h ep r o c e s ss e t t i n g so f c o i n j e c t i o nt ot h ec o n t e n to fc o r em a t e r i a l a n dt h eu n i f o r m i t yo fc o r e m a t e r i a lb yt h ew a yo fs i m u l a t i o ni nt h em p is o f t w a r eo fm o l d f l o w c o m p a n y t h er e s u l to fs i m u l a t i o nd i s p l a y e dt h a tt h ei n f l u e n c eo ft h ev i s c o s i t y r a t i oc o r e s k i nt ot h ec o n t e n to fc o r em a t e r i a la n dt h eu n i f o r m i t yo fc o r e m a t e r i a li st r e m e n d o u s w h e nt h ev i s c o s i t yr a t i oc o r e s k i nw a si n c r e a s e ， t h ec o n t e n to fc o r em a t e r i a la n dt h eu n i f o r m i t yo fc o r em a t e r i a lw e r e i m p r o v e d t h ep r o c e s so fs e t t i n g so fm e l t st e m p e r a t u r ea n dt h ef l o wr a t e o fm e l t sh a dt r e m e n d o u si n f l u c n c et ot h ec o n t e n to fc o r em a t e r i a la n dt h e 1 l i 西华火学硕士学位论文 u n i f o r m i t 3 r o fc o r em a t e r i a l t h er e s u l to fi n c r e a s i n gs k i nm e l t t e m p e r a t u r ea n dt h er e s u l ti n c r e a s i n gc o r em e l tt e m p e r a t u r e w e r ec o n t r a r y t h ei n c r e a s i n go fc o r em e l t st e m p e r a t u r es h o u l dd e c r e a s et h ec o n t e n to f c o r em a t e r i a la n dt h eu n i f o r m i t yo fc o r em a t e r i a l b u tt h ei n c r e a s i n go f s k i nm e l t st e m p e r a t u r es h o u l di n c r e a s et h ec o n t e n to fc o r em a t e r i a la n d t h eu n i f o r m i t yo fc o r em a t e r i a l t h ei n c r e a s i n go ff l o wr a t eo fc o r eh a da l i t t l ei n f l u e n c et ot h ec o n t e n to fc o r em a t e r i a la n dt h eu n i f o r m i t yo fc o r e m a t e r i a l b u tt h ef l o wr a t eo fs k i nh a dt r e m e n d o u si n f l u e n c et ot h e c o n t e n to fc o r em a t e r i a la n dt h ed i s t r i b u t i o no fc o r em a t e r i a l t h e i n c r e a s i n go ff l o wr a t eo fs k i n s h o u l dd e c r e a s et h ec o n t e n to fc o r e m a t e r i a la n dt h eu n i f o r m i t yo fc o r em a t e r i a l d i f f e r e n tm a t e r i a lh a d d i f f e r e n ts e n s i t i v i t yt ot e m p e r a t u r ea n df l o wr a t e w h e nt h em a t e r i a li s m o r e s e n s i t i v i t yt ot e m p e r a t u r e ，t e m p e r a t u r ec h a n g e o ft h em a t e r i a l s h o u l dh a v em o r ei n i l u e n c et h er e s u l tt h a ns h e a rr a t e b u tw h e nt h e m a t e r i a li sm o r es e n s i t i v i t yt os h e a rr a t e ，s h e a rr a t ec h a n g eo ft h em a t e r i a l s h o u l dh a v em o r ei n f l u e n c et h er e s u l tt h a nt e m p e r a t u r e m o l dt e m p e r a t u r e h a dal i t t l et h ec o n t e n to fc o r em a t e r i a la n dt h eu n i f o r m i t yo fc o r e m a t e r i a l o n l yw h e nt h em a t e r i a lo fs k i ni sh i g hs e n s i t i v i t yt ot e m p e r a t u r e t h ei n c r e a s eo fm o l dt e m p e r a t u r es h o u l di m p r o v et h eu n i f o r m i t yo fc o r e m a t e r i a l k e yw o r d s ：p l a s t i c ，c o - i n j e c t i o nm o l d i n g ，t h em o l d i n gt e c h n i c a l ， t h ei n f l u e n c ef a e t o r ，c a e i v 西华大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 共注射成型的成型原理及成型影响因数 共注射射出成型( c o i n j e c t i o nm o l d i n g ) ，又称三明治射出成型 f s a n d w i c hi n j e c t i o nm o l d i n g ) 就是同时或顺序将不同的聚合物熔体注 入模腔。在模腔内，聚合物熔体以多相分层流动充模成型，最终聚合 物熔体固化形成多层复合注塑件。先注入的熔体为壳层，而后注入的 熔体为芯层。 共注射成型技术由英国的i c i 公司于上世纪7 0 年代首先提出，并 取得了包括基础理论、生产产品及机器设备等几项专利。而在之后的 数十年当中，一些研究者及生产厂家不断改进生产设备和成型技术以 改善原有技术所存在的不足，并不断发展成单流道成型、m o n o 共注 射成型、双流道成型和三流道成型这四种主要的成型技术。 1 1 1 共注射的成型工艺的分类1 1 - 8 1 共注射成型按其成型工艺的不同分为单流道成型技术、m o n o 共 注射成型技术、双流道成型技术和三流道成型技术。 a 单流道成型技术 单流道成型技术( s i n g l ec h a n n e lt e c h n i q u e ) 所采用的注射机一般 由两个注射单元组成( 如图1 1 1 ，其具体工艺过程如下：首先，被注射 的壳层材料局部填充模具的型腔。其中，壳层材料注射量取决于壳层 材料与芯层材料的比例，而该比例由制品的工艺及所要求的性能所决 定；当壳层材料注射量达到所要求的注射量后，切换熔料切换阀，开 始注射芯层材料，芯层熔体进入预先注入的壳层熔体中心，迫使熔融 的壳层材料和正在注入的芯层材料一起向模腔的空隙部分填充。由于 壳层材料与模腔接触的外层己经固化，芯层熔体不能渗透，从而将芯 层物料包覆了起来，形成壳层，芯层结构。最后，熔料切换阀回到起始 位置，继续注射壳层材料，将流道中的芯层材料推入注塑件中。 对于这种成型技术，生产者可以通过调节注射工艺参数如注射速 西毕大学硕士学位论文 度、物料熔融温度、模具温度等从而获得具有不同壳层厚度的注塑件。 但是，当被注射的芯壳层熔体通过熔料切换阀进行切换时，模型内压 力下降( 如图1 - 2 a ) ，壳层熔体料流前缘会出现短暂的滞流现象，以致 共注塑件表面将存在暗纹或晕纹等缺陷。 图1 - 1 单流道成型技术 f i g 1 1s i n g l ec h a n n e lt e c h n i q u e ) 8 3 rf 夕厂 注 射 速 度 )b ) 厂、 f 乡 ，。 时问s t 时闻，s t ( a ) 顺序注射壳芯层熔体( b ) n 步注射壳芯层熔体 f i g 1 2s p e e da n dp r e s s u r ep r o f i l e si nc o i n j e c t i o nm o l d i n g 图1 - 2 共注射成型中注射速度和注射压力分布图 一2 幔腔压力 西华大学硕士学位论文 b m o n o 共注射成型 f e r r o m a t i km i l a k r o n 利用顺序共注射成型工艺提出m o n o 共注射 成型( m o n os a n d w i c ht e c h n i q u e ) 技术，这种成型技术与单流道成型技 术有所相似。其具体工艺过程如下：首先，通过一个辅助料筒对壳层 物料进行塑化，并推动壳层物料到达主料筒的螺杆前缘。在壳层料流 的挤压作用下，主注射机的螺杆后移，而壳层熔体的送入量则由行程 信号来确定。当堆积在螺杆前缘的壳层熔体达到某一行程点之后，控 制系统则从控制辅助塑化装置转换到主塑化装置。芯层物料在主塑化 装置中充分塑化后，主塑化装置中的螺杆推动壳芯层熔体依次进入模 腔，并最终形成壳层芯层结构f 如图1 3 ) 。 相比较单流道成型技术而言，m o n o 共注射成型技术不仅设各结 构和成型过程较为简单，而且还可以避免注塑件表面产生暗纹的缺 陷，获得具有高表面性能的制品。与此同时，该技术还可以用于生产 薄壁制品，尤其是对于简单的轴对称制品。然而，由于加工设备的简 单而缺乏精准的注射工艺参数控制，m o n o 共注射成型技术很难用于 生产形状复杂的共注塑件。 f i g 1 3m o n os a n d w i c ht e c h n i q u e 图1 - 3m o n o 共注射成型技术 善l 试装置 山山 西华大学硕士学位论文 c 双流道成型技术 双流道成型技术( t w oc h a n n e lt e c h n i q u e ) 是由b a t t l e f e l d 和其他一 些研究者于上世纪7 0 年代中期提出的。该技术一般是将两个独立的 注射单元通过一个特殊的喷嘴而连接起来，而喷嘴的设计往往依据不 同的需求而设定。b a t t e n f e l d 所采用的是一种特殊的环形浇口f 如图 1 - 41 ，壳层熔体与芯层熔体分别通过外围环形喷嘴与中心喷嘴注入模 腔。该成型技术的具体工艺过程如下：首先，在模具型腔内注入一定 量的壳层材料，当壳层材料注射量达到一定量后，开始同步注入壳层 材料与芯层材料。最后，顺序切断芯层与壳层熔体的注射，利用壳层 熔体封模。 双流道成型技术具有较高的灵活性，它可以在充模过程中独立控 制壳层和：卷层熔体的注射速度，以此避免壳层熔体料流前缘出现短暂 的滞流现象r 如图1 - 2 b ) ，避免共注塑件表面产生暗纹或晕纹等缺陷。 此外，这种独立的注射单元操作可以更好地控制壳层厚度。 该成型技术的主要缺点在于芯壳层物料分布不均：在浇口附近区 域，由于熔体流动所产生的摩擦热致使壳层物料再次熔融而带向前运 动，以至于壳层厚度在该区域往往过薄；而对于远离浇口的区域，情 况则相反。 h g 1 4t w oc h a n n e lt e c h n i q u e ( b a t t e n f e l d ) 图1 4b a t t e n f e l d 双流道成型技术 4 西华大学硕士学位论文 d 三流道成型 鉴于双流道成型技术所存在的弊端，三流道成型技术应运而生。 如图1 5 所示，三流道成型技术( t h r e ec h a n n e lt e c h n i q u e ) 是指在浇口 中心处额外的增设个流道注射壳层熔体。这一流道可以使壳层熔体 注入到模腔的另一面，这使得两个面上的壳层材料的厚度可以调节。 但这种技术只限于中心浇口制品，对于其它浇口形式制件或一模多腔 的情况，选择双流道或单流道成型技术更为可取。 f i g 1 5t h r e ec h a n n e lt e c h n i q u e 图1 - 5 三流道成型技术 1 1 2 共注射的成型过程中的影响因素( 9 。1 3 j 共注射成形技术作为一种注塑成形方法，也受到注塑成形过程中 的各种工艺参数的影响，除了普通单组分注塑过程中的各种影响因素 外，共注塑还要着重考虑以下各方面因素的影响。 材料的黏性 材料的黏性对于注塑成形有着决定性的作用，共注塑也不例外。 对于给定的剪切变速率，力或应力要随材料的不同起变化，为了描述 液体抵抗稳定剪切变的能力，引入了黏性，它是剪切变应力与剪切变 速率之比： 7 = f r 式中：7 7 一表观黏度，p a s 西华大学硕士学位论文 r 一剪切应力， 矿一剪切速率，s 。1 在共注塑的模拟过程中，基础思想建立在对两种聚合物材料通过 模具时形成层流的研究上。许多研究已证明在圆柱形模具中具有较低 黏度的熔体逐渐的压缩具有较高黏度的熔体部分。在共注塑成形的广 泛研究中，已经指出了注射的第二种材料相对第一种材料的黏度比率 在结合面的成形过程中是一个非常重要的影响因素。如果黏度比率过 大，二次注塑的材料( 芯层材料) 将很难渗入到第一种材料的内部使表 层材料得到理想的厚度，而只会停留在注塑入口附近的区域。如果黏 度比率过小，核心材料则有穿透表层材料的倾向。只有在合适的黏度 比率条件下，才可能使表层材料得到理想的、均匀的厚度。 芯壳材料的比例 在共注塑成形过程中，为了避免芯层材料穿透壳层材料到达表面 而造成废品，必须考虑到成型过程中芯壳材料的注塑量。 f i g 1 6t h ec o r eh a db r o k e nt h r o u g ht h es k i n 图1 - 6 芯层材料冲破壳层材料 在共注塑成形工艺中，两种材料( 即壳层材料a 与芯层材料b 1 的 体积比例对能否注塑出合格的产品有着非常重要的影响。理论上芯层 材料在整个部件中所占体积比最大可以达到6 0 7 0 ，但是在实际生产 中很难达到这个比例。在实际应用中，芯层材料一般在3 0 的比例， 尤其是在几何形状复杂的部件中，芯层材料所占比例可能还会更小。 当模具设计不合理，以及壳层材料所占比例不足时，成形过程中在熔 体流动前沿会很容易出现壳层材料不当的情况，即芯层材料穿透壳层 西华大学硕士学位论文 材料( 如图1 - 6 所示) ，此种情况经常出现在部件最后注塑的部分，即 聚合物熔体流程o wl c n g t h ) ：最- k 的部位。通过计算机辅助模拟可以更 好的预测和提高芯层材料所占的比例，优化成型的过程。 表1 - 1 部分原料间相互粘合性优劣分布表 t a b ，1 1t h ed i s t r i b u t i n go f d i f f e r e n ! c o n g l u t i n a t i o ad e g r e eo f d i f i e r e n tp l a s t i c 干h 互枯台性佳。相互枯台性欠睡 相互几乎不钴合 芯壳材料的搭配 塑料之间的相容性是设计多色产品时需要考虑到的一个非常重 要的因素。设计者必须考虑到两种或多种塑料材料问是否可以经过注 塑成为一个整体，否则在共注塑过程中会产生各种缺陷，除非所设计 的部件完全通过结构使两种材料部件结合起来。在多数条件下，一般 西华大学硕士学位论文 通过实验性的结果和数据进行材料的选择。表1 - 1 是一些常用材料之 间的相互粘合性对比表。 结构设计 对共注塑，因为熔体流动中，在表面张力作用下截面有趋向于圆 弧的现象，所以制品的截面形状最好为圆形，这样表皮层厚度最均匀： 若是非圆形，则应避免尖角过度，如图1 7 所示，a 处的表皮很薄，易 穿透。 固 不合理台理 f i g 1 7t h es e c t i o no fc o i n j e c t i o np r o d u c t i o n 图1 7 一种共注射制品料流方向的截面图 为保证物料一直保持层状结构，制品应尽量使用足够大的圆弧过 渡。如图1 8 所示制品上的凹槽，模具凸起的型芯将破坏熔体的层状流 动。 艄慧姻 趣整蹬遂惑宦盈韪越 麻鼎聃；：葛群，骶，u 睁睁槲j j ：糍尝i i ：7 较差杖计较食理 殳计 f i g 1 8t h es e c t i o no fc o - i n j e c t i o nf l u t ep r o d u c t i o n 图1 8 一种有凹槽制品的剖面 合理的制品设计和正确的工艺条件设置是共注塑成型技术成功 的关键因素。利用共注塑成型技术，可以省去制品的二次加工，省去 补充组装操作并可大大提高制品的质量，从而降低生产成本。此外， 西华大学硕士学位论文 共注塑制品设计灵活，可以设计出具有特殊性能的制品，它具有大多 数传统注射成型工艺所不具有的优点。 1 2 共注射成型的研究状况1 7 1 4 。副 共注射成型赋予其制品诸多其他成型工艺所成型的制品无法比 拟的优越性能，具有相当高的经济及实用价值。但这种技术的成型工 艺控制以及物料的选择相当复杂，故近年来国外的研究者对芯层熔体 前缘冲破现象、芯壳层物料分布均匀性和共注塑件的力学性能这三方 面进行了研究，以此为据探悉共注射的成型机理，以期望得到芯层物 料预填充量高，均匀性好的制品。 对芯层熔体前缘冲破现象的研究 所谓芯层熔体前缘冲破是指在充模过程中，芯层熔体前缘追上并 超过壳层熔体前缘，致使芯层物料露出制品表面、造成废品的现象。 一方面，研究者希望避免芯层熔体前缘冲破现象的出现以获得合格的 成品；而另一方面，他们仍期望获得具有较大芯层填充量的低成本注 塑件。故此，不少国内外学者通过不同方式，致力于研究芯层熔体前 缘冲破现象，以提高芯层物料预填充量。 d a i s u k ew a t a n a b e 等人认为对于顺序或同步共注射成型，熔体的 流动情况均可分为四个区域( 如图1 9 ) ：( 1 ) 初始注射区，仅壳层熔体注 入模腔并在模腔内充分扩展；( 2 ) 芯层熔体增长区，芯层熔体注入模腔 并在壳层熔体上流动：( 3 ) 芯层熔体扩张区，芯层熔体前缘迅速扩张并 追赶壳层料流前缘；f 4 1 - 心+ o 层熔体冲破区，芯层熔体前缘超过壳层熔体 前缘。在芯层熔体扩张区，壳层熔体料流前缘并不以喷泉状流动，而 是以熔膜形式存在。由于芯层熔体的充分扩散，对壳层熔体料流前缘 产生拉伸变形，致使壳层厚度逐渐变薄。当壳层熔膜厚度达到某一极 值时，芯层熔体料流前缘极易追赶上壳层熔体，即出现前缘冲破现象。 同时认为前缘冲破现象与壳层熔体的延伸率有关，如图1 1 0 所示。随 着物料黏度的减小，尽管壳层材料的熔融强度有所降低，但芯层熔体 扩张区料流流程仍随着壳层熔体的延伸率的增大而增大。所以，当壳 西华大学硕士学位论文 层熔体的延伸率较大时，共注射成型过程中几乎不会出现芯层熔体前 缘冲破现象。 ( a ) 顺序共注射成型 ( b ) 同步共注射成型 f i g 1 9r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm e l tf l o wl e n g t ha n di n j e c t i o nt i m e 图1 - 9 注射时间与熔体流程的关系 f l o w l b l i i 砒伸c x l m n i o m f 喇o n ) f i g 1 1 0r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed r a w i n gr a t i oa n dm e l ts t r e n g t ha n dt h e f l o wl e n g t ha tc o r ee x p a n s i o nr e g i o n 图1 - 1 0 壳芯层延伸率比与壳层熔融强度对芯层熔体穿透深度的影响”】 d e r d o u r i 等对7 6 x 1 6 4 x 0 7 c m 3 的矩形制品进行研究后发现，若壳 1 0 旁v蕾警暑-罩n： c-)q口置警言暑口 西华大学碗士学位论文 层材料的黏度相对较小，则两种材料界面比较稳定；若芯层材料的黏 度明显小于壳层材料，则两者界面不稳定，易出现指进现象，继而发 生芯层熔体前缘冲破现象。 c t l i 等选用p s 和l d p e 作为物料，研究后认为物料黏度与芯层 熔体前缘冲破有着密切的关系。当芯壳层的零切黏度比在0 0 4 2 5 2 4 之间时，随着芯层物料度的增大，前缘冲破趋势渐弱：反之，若芯层 熔体粘度降低或壳层熔体粘度升高，致使充模过程中芯层物料在厚度 方向上的堆积变薄，在充模方向上的流速大于高粘度熔体的速度，极 易产生前缘冲破现象。 张效迅等选用p m m a 和p s 分别作为壳层与芯层材料，研究发现 在顺序共注射成型中，若芯壳层熔体黏度比r 减小，则芯层熔体的相 对穿透深度增加，芯层熔体发生前缘冲破的趋势亦增强，当r 低于某 一临界值时，芯层熔体前缘即会冲破壳层熔体前沿。若芯壳层熔体黏 度比r 增大，芯壳层熔体前沿相对推进速度下降，但黏度比大到一定 程度后，相对速度变化趋于平缓，此时芯层熔体容易从宽度方向冲破 壳层熔体。 s c h l a t t e r 等选用两种不同的p s 作为材料，对直径1 8 0 m m ，厚3 m m 的圆柱形制品进行研究。他们认为对于p s 体系，若希望获得具有较 高芯层物料含量的共注塑制品，则必须在提高壳层熔体温度的同时降 低芯层熔体温度。 对芯层材料分布均匀性的研究 衡量共注塑制品的质量，我们通常以壳层和芯层厚分布及均匀性 作为关键技术指标。共注射成型的充模成型过程属三维瞬态非等温多 相分层流动，其主要影响因素有材料性能、工艺参数以及制品的几何 尺寸等。 j l w h i t e 等研究发现对于等温共注射成型，壳芯层熔体的黏度 比是物料分布最重要的影响因数之一。当壳层熔体的黏度略小于芯层 熔体黏度时，或者当芯壳层熔体黏度比介于1 5 2 o 之间时，壳层物 料分布较为均匀。 西华大学硕士学位论文 p s o m n u k 和g f s m i t h 采用b a t t e n f e l d 式双流道技术对1 0 0 x 7 5 x 4 m m 3 的矩形制品进行研究。其中，所选用的物料为4 种不同黏度的 聚丙烯，它们在1 0 3 s e e 1 剪切速度条件下的粘度比介于0 5 4 - 1 8 3 之间。 研究结果发现，当壳芯层熔体粘度比介于0 8 2 1 8 3 时，芯层物料分 布最为均匀且其体积含量可高达5 5 至6 0 。 e i g l 和l a g e c k e r 等系统的阐述了共注射成型过程中各层的分布 状况和各元素在模腔中空间上的分布状况，以及黏度指尖效应和界面 的不稳定因素。他们指出：较低的芯壳层黏度比会造成界面的不稳定， 进而造成指尖效应和芯壳层分布不均匀。 r s e l d e n 对尼龙6 和玻纤增强的聚对苯二甲酸丁二酪进行研究后 发现，注射速度、熔体温度、芯层熔体占总熔体的比例是影响制品均 匀性的三个个主要因素。提高壳层熔体温度可以提高制品的均匀性。 c t l i 等选用不同的p e 和p s 作为物料对共注射进行研究，并利 用显微镜观察熔体流动方向上的材料的分布情况。他们发现，在等温 注射中，黏度比是影响界面形状的最主要因素。若两种材料以同心环 的形式注入型腔时，仅当其中一种物料的黏度值较低时，界面处才是 稳定的；如果其中含有某种较高黏度物料时，就很可能在界面处发生 相转变。与此同时，实验与数值模拟均表明，相比较同步和顺序夹芯 注射的芯壳层分布，前者更为均匀，且可选择的黏度范围相对较宽。 s s y o u n g 等人选用6 种不同黏度的物料进行物料组合。他们发 现，在壳层熔体黏度过大的情况下，增加壳层物料含量；或是在壳层 粘度过小的情况下，增加芯层物料含量均可以改善熔体的充模情况， 获得较为均匀的芯壳层物料分布。 m a r kp a r s o n s 等人用m o n o 共成型技术研究硬质p v c 分别与玻纤 增强p v c ( g f r p v c ) 、聚丙烯、a b s 和p c 进行共注射的情况。通过 对壳层芯层物料分布形态的研究后发现：在浇口附近，芯层物料基本 呈单相、连续状：而在摸腔底部区域，由于芯层熔体出现滞流现象以 致该区域内的芯层物料分布量为零。当熔体注射速度相对较小的情况 下，壳层与芯层物料的分布相对较为均匀。 谣华大学硕士学位论文 s t e p h e nj o h n s t o n 等采用黏度为1 l g 1 0 m i n 聚丙烯作为壳层与芯层 材料，并通过光学仪器观察芯层厚度。研究结果表明，在制品凸起部 分或具有类似特征的区域，黏度是影响芯层熔体穿透深度和壳层厚度 的主要因素。若芯层物料粘度较高，由于两者黏度差而造成的推动作 用，导致壳层物料在凸起部分顶端和凹陷部分周围区域的堆积增加， 芯层熔体穿透深度减小，制品均匀性下降。 在v g o o d s h i p 此前的研究认为，壳芯层物料的剪切粘度比r 介于 0 5 5 时为充模成型的最佳值。而他们研究结果却表明，尽管 p m m a p c 两者的黏度比r = i 1 1 ( 即介于o 5 5 ) 时，充模过程中仍出现 非层状流动。他们认为非层状流动的程度与物料的挤出胀大特性有 关。由于不同物料在共注射成型过程中具有不同的挤出胀大特性，具 有不同的松弛速度和压力。因此，在特定的剪切应力下，由一种或两 种物料产生的弛豫振荡会引起间歇性流动的不稳定性，其中弛豫振荡 的振幅和频率都与型腔尺寸、物料流速和物料自身的性能有关。 d a i t m e s s a o u d 等选用不同的纯p p 和玻纤增强的p p 进行物料组 合后发现，壳层物料的注射速度对壳层一芯层物料分布的影响极为明 显，而芯层物料注射速度的变化对壳层一芯层物料的分布基本没有影 响。当壳层和芯层物料的注射速度分别为3 0 m m s 和6 0 m r n 、时，壳 芯层物料分布最为均匀。若壳层流速超过3 7 5 m m s 时，芯层熔体就不 能完全填充型腔。这主要是因为壳层物料注射速度的提高，致使壳层 熔体料流前缘迅速填充型腔并随之冷却，从而使芯层熔体的穿透深度 受到限制。当壳层流速为2 2 5 m m s 时，芯层熔体出现短射现象。 对共注射成型制品力学性能的研究 在这方面的研究当中，研究者主要研究物料的选择以及壳层芯层 材料的含量对共注射制品的机械性能的影响，并利用微观技术研究两 种物料界面之间年稳定性或结合能力。然而，对共注射制品的内应力、 翘曲变形等研究部几乎没有研究。 r s e l d e n 对尼龙6 和玻纤增强的聚对苯二甲酸丁二酪进行研究后 发现，共注射制品的挠度、冲击强度与壳层芯层物料在厚度方向上的 西华大学硕士学位论文 分布有着密切的关系。随着芯层厚度的增加，弯曲模量增大，冲击强 度减小。提高芯层物料含量或提高芯层熔体温度均可以提高制品的挠 曲强度至4 m p a 使挠曲强度提高3 ，而其他工艺参数对挠曲强度的影 响并不明显。另一方面，研究还发现虽芯层物料为脆性物质具有低强 度，然而制品的抗冲击性能主要取决于壳层材料。 m a r kp a r s o n s 等人利用m o n o 共成型技术研究硬质p v c 分别与玻 纤增强p v c ( g f r p v c ) ，聚丙烯、a b s 和p c 进行火芯注射的情况。 研究结果显示，p v c 与p p 问的结合情况较差，壳层与芯层之间分层 明显且制品的力学性能较差：而p v c 与g f r p v c ，a b s 和p c 的结 合情况较好，层与层之间并未出现分层现象且其制品的力学性能介于 壳层与芯层物料之间。 d b t c h a l a m o v 等人的研究结果表明，当壳层物料p p 与芯层物 料p s 的含量比在5 0 5 0 7 0 3 0 之间时，共注射制品的弯曲及抗冲击性 能都较高。 d a i tm e s s a o u d 选用纯p p 、玻纤增强的p p 以及p s 作为物料， 研究不同制品的拉伸模量、挠度和冲击强度。研究结果表明，随着芯 层物料中玻璃纤维含量的增加，芯层壳层的厚度比也随之增大，制品 的抗挠刚度和拉伸模量均有所提高。 1 3 注塑模c a e 技术的发展历史及发展趋势 模具是生产各种工业产品的重要工艺装备，随着塑料工业的迅速 发展以及塑料制品在航空、航天、电子、机械、船舶和汽车等工业部 门的推广应用，产品对模具的要求越来越高，传统的模具设计方法己 无法适应产品更新换代和提高质量的要求。计算机辅助工程( c a e ) 技 术已成为塑料产品开发、模具设计及产品加工中这些薄弱环节的最有 效的途经。同传统的模具设计相比，c a e 技术无论在提高生产率、保 证产品质量，还在降低成本、减轻劳动强度等方面，都具有很大优越 陛。 西华大学硕士学位论文 1 3 1 注塑模c a e 技术的发展历史 注塑模c a e 技术是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论，建 立熔体在模具型腔中的流动、传热的物理、数学模型，利用数值计算 理论构造其求解方法，利用计算机可视化技术形象、直观地模拟出实 际成型中熔体的动态填充、冷却过程的一门分析技术。2 0 世纪6 0 年 代，英国、美国和加拿大等国的学者如j r p e a r s o n ( 英) 、j f s t e v e n s o n ( 美) 、m r ，k a m a l ( 9 1 ) 和k k w a n g ( 美1 等开展了一系列有关塑料熔 体在模具型腔内流动与冷却的基础研究。在合理的简化基础上，6 0 年 代完成了一维流动与冷却分析程序，7 0 年代完成了二维冷却分析程 序，8 0 年代注塑模c a e 技术开始从理论研究进入实用化阶段，开展 了三维流动与冷却分析并把研究扩展到保压、纤维分子取向以及翘曲 预测等领域。进入9 0 年代后开展了流动、保压、冷却和应力分析等 注塑工艺全过程的集成化研究。c a e 技术的出现，为注塑模的设计提 供了可靠的保证，它的应用是模具设计史上的一次重大变革。利用传 统方法设计注塑模具，设计成功与否将很大程度上依赖设计者的经 验，而且对复杂零件浇口位置的合理与否，排气槽位置的设置、熔接 线位置的确定等都十分困难。模具在交付使用之前一般需经过反复试 模修改，直到得到合格的制品为止，从而不可避免地造成了生产周期 的延长，而且一般也难以得到最优的设计方案和工艺参数。而利用注 塑模c a e 技术设计模具则不然，由于在模具设计构思阶段，可利用注 塑模c a e 技术进行流动过程模拟，使得通常只有在模具试模阶段才 能发现的问题，如短射，熔接线或气孔出现在外观零件表面等问题得 以避免。同时帮助设计人员完成诸如流道系统的平衡设计，排气槽的 设置，合理确定注塑工艺参数等工作，这样使得通常在必须反复试模 修改而确定的模具结构参数和工艺参数在模具设计构思阶段得以确 定，缩短了模具设计制造周期、提高了模具设计质量。 注塑模c a e 软件的作用主要表现为： 优化塑料制品设计 塑料的壁厚、浇口的数量及位置、流道系统的设计等对于塑料制 西华大学硕士学位论文 品的质量有重大影响。以往全凭设计者的经验，用手工方法实现，费 时费力，而利用c a e 技术，可快速设计出最佳的制品。 优化塑料模具设计 可以对型腔尺寸、浇口位置及数量、流道尺寸和冷却系统等进行 优化设计。在计算机上模拟试模、修模和提高模具质量，减少实际试 模次数。 优化注射工艺参数 对注射过程进行模拟，发现可能出现的成型缺陷，确定最佳的注 射压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间和冷却时间等。 由此可见，注塑模c a e 技术无论在提高生产率、缩短模具设计制 造周期和保证产品质量，还是在降低成本、减轻劳动强度等方面，都 具有很大的优越性和重大的技术经济意义。 1 3 2 塑料模c a e 技术的发展趋势 注塑模c a e 技术不论从理论上还是在应用上都取得了长足的进 步，但在以下几个方面仍有待于进一步完善和发展： 数学模型、数值算法逐步完善 注塑模c a e 技术的实用性，取决于数学模型的准确性及数值算法 的精确性。目前的商品化模拟软件模型没有完全考虑物理量在厚度方 向上的影响，为了进一步提高软件的分析精度、速度和使用范围，必 须进一步完善目前的数学模型和算法。 注塑成型全过程模拟 目前，注塑成型模拟软件主要有填充、流动、保压、冷却、应力 应变和翘曲分析等模块，各模块的开发是基于各自独立的数学模型， 这些模型在很大程度上进行了简化，忽略了相互之问的影响。但是， 从注塑成型工艺过程来看，塑料熔体的填充、流动、保压和冷却是交 织在一起并相互影响的，因此，填充、流动、保压和冷却分析模块必 须有机地结合起来，进行耦合分析，才能综合反映注塑成型的真实情 研。 西华大学硕士学位论文 优化理论及算法，使c a e 技术“主动”地优化设计 将人工智能技术，如专家系统和神经网络等加入设计计算中，使 模拟程序能“智慧”地选择注塑工艺参数、提供修正制品尺寸和冷却管 道布置方案，减少人工对程序的干涉。 注塑模c a d c a e c a m 的集成化与网络化 目前的商品化注塑模c a e 软件与c a d 、c a m 软件之间的数据传 递主要依靠文件的转换，这容易造成数据的丢失和错误。因此在设计 制造过程中采取单一模型，建立注塑模c a d c a e c a m 系统的统一数 据库，加强三者之间的联系是今后的发展方向之一。随着电子商务的 发展，这个集成系统将实现异地的“协同设计”和“虚拟制造”。 1 4 塑料模c a e 软件介绍1 3 5 _ 3 7 】 到目前为止，成熟的商业注塑模c a e 软件比较多，m o l d f l o w 公 司的m o l d f l o w 软件和a c t e c h 公司( 2 0 0 0 年2 月，被m o l d f l o w 公司 合并) 的c m o l d 软件是其中的优秀代表：另外还有国外的 t m c o n c e p t 、c a d m o l d 、f i d a p 、s t i r m l 0 0 、p o l y f l o w 和我国台湾地 区的m o l d c x 等软件应用也比较广；而国内在“八五”期间才开始这方 面的研究，现在华中理工大学的h s c a e 软件和郑州大学的z m o l d 软 件在国内处于领先地位。 m o l d f l o w 软件是专业从事注塑成型c a e 软件和咨询的m o l d f l o w 公司的系列产品，该公司自1 9 7 6 年发行了世界上第一套注塑模c a e 软件以来，一直主导注塑模c a e 软件市场。至2 0 0 4 年，m o l d f l o w 软 件在全球注塑模c a e 市场的占有率达7 5 。m o l d f l o w 软件包括三部： m