（材料加工工程专业论文）基于多浇口时序控制的双色高光注塑技术研究.pdf

摘要 摘要 1111141i t l i liii l ui i i i i111141u y 2 1 4 18 7 6 双色高光注塑技术为目前最新的注塑成型技术，该技术是基于双色注塑成 型与高光注塑技术研发而出，其目标是生产出具有高端品质的塑料制品。目前， 该技术已广泛应用于白色家电行业。虽然如今能够实际生产出高质量的双色高 光产品，但是由于缺乏相应的双色高光成型理论支持，实际生产中制品成品率 较低，仍有缺陷难以克服。本研究正是根据这一现状，对双色高光注塑技术中 的理论模型、制品及模具结构、浇注系统以及工艺参数优化等问题做了基础性 研究，以便为双色高光制品及其模具的设计、成型工艺的制定等方面提供相应的 理论指导。 研究了双色高光注塑数值模拟技术。基于双色高光成型工艺特点，提出合 理的假设及简化，根据基本的熔体流动控制方程和边界条件，推导出双色高光 注塑成型中的填充过程数学模型。 基于普通注塑成型，结合双色注射成型技术和高光注塑技术，研究双色高 光注塑新技术。根据双色注塑和高光注塑成型对塑件结构的双重要求，研究了双 色高光塑件结构及其模具结构设计的一般原则及注意事项。 建立了双色高光电视机前壳热流道阀浇口时序控制浇注系统。通过对阀浇 口时序控制使用前后对比分析，表明采用热流道阀浇口时序控制成型，不仅可 以消除熔接痕，而且能够改善工艺条件，降低能耗。 以双色高光电视机前壳为例，利用正交试验结合极差分析，以缩痕指数和 体积收缩率为试验目标，进行多目标工艺参数优化，通过得到的最优工艺参数 组合提高制品表观质量。并将得到的工艺组合运用在实际生产中进行实验，通 过实验验证了优化分析的准确性。 关键词：双色高光注塑成型；阀浇口时序控制；数值模拟；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 st h el a t e s ti n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g y , h i g hg l o s sd o u b l e - i n j e c t i o nm o l d i n g t e c h n o l o g yd e v e l o p e do nd o u b l ec o l o ri n j e c t i o nm o l d i n ga n dh i g hg l o s si n j e c t i o n t e c h n o l o g y t h eg o a l i st o p r o d u c e t h e p l a s t i cp r o d u c t s 、i t hh i 曲q u a l i t y a t p r e s e n t ，t h i st e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nw h i t eh o u s e h o l de l e c t r i c a la p p l i a n c e i n d u s t r y a l t h o u g hd o u b l ec o l o rh i g hg l o s sp r o d u c t sc a nb ep r o d u c e dn o w d a y s ，t h e y i e l di n a c t u a lp r o d u c t i o ni sl o w , a n d s t i l lh a v ed e f e c t sw h i c ha r ed i f f i c u l tt o o v e r c o m e ，b e c a u s eo ft h el a c ko ft h e o r ys u p p o r to fc o r r e s p o n d i n gd o u b l ec o l o rh i g h g l o s sf o r m i n g a c c o r d i n gt o t h i sc u r r e n ts i t u a t i o n ，b a s i cr e s e a r c ha b o u tt h e o r e t i c a l m o d e l ，s t r u c t u r eo fp r o d u c t sa n dm o u l d ，g a t i n gs y s t e ma n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o ni s c a r r i e do n ，i no r d e rt ob et h et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h es t r u c t u r ed e s i g no fd o u b l e c o l o rh i 曲g l o s sp r o d u c t sa n di t sm o u l d ，m o l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e re t c t h em u m e r i c a ls i m u l m i o nt e c h n o l o g yo fd o u b l ec o l o rh i g hg l o s sm o l d i n gi s s t u d i e d b a s e do nt h e p r o c e s sc h a r a c t e r s o fd o u b l ec o l o rh i g hg l o s sm o l d i n g ， r e a s o n a b l er e d u c t i o na n dh y p o t h e s i sa r em a d e t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ff i l l i n g p r o c e s si nd o u b l ec o l o rh i g hg l o s sm o l d i n gi sd e d u c e d ，b a s e do nt h eb a s i cm e l tf l o w c o n t r o le q u a t i o n sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n s a c c o r d i n gt ot r a d i t i o n a li n je c t i o nm o l d i n g ，t h eh i g hg l o s sd o u b l e i n je c t i o n m o l d i n gt e c h n o l o g yi ss t u d i e d ，b a s e do nd o u b l ec o l o ri n j e c t i o nm o l d i n ga n dh i g h g l o s si n j e c t i o nt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h eb a s i cr e q u i r e m e n t so fs t r u c t u r ed e s i g no f d o u b l e - i n j e c t i o na n dh i g hg l o s si n j e c t i o nm o l d i n g ，g e n e r a lp r i n c i p l e sa n dt h em a t t e r s n e e d i n ga t t e n t i o na b o u tt h es t r u c t u r ed e s i g no fd o u b l ec o l o rh i g hg l o s sp r o d u c t sa n d i t sm o u l di ss t u d i e d g a t i n gs y s t e mo fd o u b l ec o l o rh i g hg l o s st vf r o ms h e l lw i t hh o tr l l n n e rv a l v e g a t es e q u e n c ec o n t r o li sb u i l t a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so nt h eu s eb e f o r e & a f t e ro fh o tr u n n e rv a l v eg a t es e q u e n c ec o n t r 0 1 i ti sf o u n dt h a tt h em o l d i n gu s i n g t h i sm e t h o dn o t o n l y c a nr e m o v ew e l d l i n e ，a l s o c a ni m p r o v et h e p r o c e s s c o n d i t i o n s ，a n dd e c r e a s ee n e r g yc o s t t a k et h et vf r o ms h e l lf o r m i n gb yh i g hg l o s sd o u b l e i n j e c t i o na sa ne x a m p l e ， 1 i a b s t r a c t 一 a n d u s l n gs l n ki n d e xa n dv o l u m e t r i c s h r i n k a g e a st h e o p t i m i z a t i o no b j e c t i v e m u l t l o b j e c t l v ep r o c e s so p t i m i z a t i o ni ss t u d i e db yo r t h o g o n a l e x p e r i m 锄ta n da n a l y s i s o tr 觚g et og 吼o p t i m a lc o m b i n a t i o nf o rt h ei m p r o v e m e n to f t h eq u a l i t yo fp r o d u c t s l a s t , t h eo p t l m a jc o m b i n a t i o ni su s e di ne x p e r i m e n tw h i c h v e r i f yt h ea c c u r a c vo ft h e k e yw 。砖s ：d o u b l ec 。1 。r h i g h - g l 。s si n je c t i 。n m o l d i n g ；v a l v eg a t e s e q u e i 】t i a l c o n 廿0 1 ；m 啪耐c a ls i m u l a t i o n ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；p r o s e s s o p t i m i z a t i o n i i i 第1 章概论 第1 章概论 1 。1 引言 近年来，随着社会的发展和科学技术的进步，由于塑料制品高性价比、耐 腐蚀、绝缘、易大批量生产等优点，塑料及其模具制造行业得到长足发展。目 前塑料制品正趋向于高端化、复杂化、美观化、人性化。传统注塑成型技术本 身固有缺陷造成所生产的塑料制品或多或少的出现熔接痕、凹痕、表面浮纤等 缺陷，所以传统注塑成型技术以不能满足人们的需求，这时双色注塑成型、微 注塑成型、高光注塑成型、快速温控技术、阀浇口时序控制技术等多种高新技 术便逐渐替代传统注塑技术走向历史的舞台。 双色注塑技术主要是通过双色注塑机及双色模具获得具有不同颜色外观， 不同触觉和不同力学性能的聚合物黏结体组成的塑料产品【i j 。其核心在于双色注 塑机和双色模具的研发，目前主要的产品都是中小型塑料制品。高光无痕注塑 技术是一种基于普通注塑技术和微注塑技术开发出的快速实时变模温技术控制 技术【2 】。该技术是高效、高端又环保的绿色注塑成型技术，是一项涉及模具设计 与制造、塑料成型、专家智能及计算机应用等多领域的集成技术，可实现不同 注塑成型阶段实时快速模温控制，以获得具有极高光洁度表面的塑料制品。阀 浇口时序控制技术是专为解决熔接痕而开发的，可依靠阀浇口的开闭时间控制 将熔接痕转移到不重要的部位或直接消除熔接痕【3 j 。 双色高光无痕注塑成型技术正是以传统注塑成型技术为基础，结合高光无 痕注塑技术和双色注塑技术，并融入阀浇口时序控制技术开发出的复合型高新 技术，该技术正集双色注塑技术和高光无痕注塑技术的优点于一身，利用双色 高光成型技术不仅可以获得表面质量极高、外观极具欣赏价值的产品，而且可 以消除熔接痕、银丝纹、降低翘曲度，并且免去了后续的喷涂工序，即节省时 间又环保。双色高光注塑成型又称双组份快速冷热成型技术或双色高光无痕注 塑技术，是近两年刚刚兴起的注塑技术。原理是利用三维无汇线模具及模温控 制机使模温迅速升高或降低获得基体注塑件，然后通过双色注塑机悬挂转盘旋 转1 8 0 度进行重叠注塑，从而得到表面高度光亮且有两种色泽的制品【4 - 5 l 。 目前双色高光注塑技术已在实际生产中得到初步应用，主要集中在中国及 第1 章概论 韩国的白色家电行业，虽然仍有很多技术问题尚待解决，现已经取得较好的进 展。 1 2 双色高光注塑技术研究进展 1 2 1 双色注塑技术 双色注塑成型又称重叠注塑成型或双组分注塑成型( 双料注塑成型) 6 。8 j ， 属多组分注塑中最简单的成型技术。该技术已经广泛应用于日用品、家电、汽 车内外饰、医用设备等行业领域。双色塑料件在生活中随处可见，比如双色牙 刷、双色手机外壳等，这些产品不仅给广大用户带来了视觉上的冲击，同时还 可带有触觉上的享受。双色制品两种材料间的相互作用及制品外观质量是双色 注塑中的研究重点，为解决这两个问题，目前主要从优化双色注塑工艺参数( 熔 体温度、模具温度、填充时间、填充速率、保压压力、保压时间等) 和优化双 色塑件结构及双色模具结构的角度研究，并且运用模拟软件分析注塑工艺参数 对制品翘曲、体积收缩率、气穴等的影响 虬1 0 】。 双色注塑成型技术始于1 9 6 1 年a r b u r g 公司j 为更好的提高双色组件生产效 率而开发的多色注塑机，其采用的主要方法为插入再封装技术。后来开发者们发 明了一种可在同一副模具上完成两种注射工艺的装置：首先完成第一种材料的 注塑，然后通过一个转盘将第二种材料插件插入第一种材料塑件内。紧接着在1 9 6 3 年的德国k 展推出了第一款多色注塑机，主要用来生产早期的收款机与打字 机等。到上世纪七十年代双色注塑成型技术发展已经初具规模，其生产工艺也 比较成熟，其应用也涵盖了日用品、家电、汽车等部分行业，尤其是多色汽车 尾灯的生产更为突出。由于双色注塑技术与传统的注塑技术对成型设备及模具 多存在特别大的不同，而且当时机械生产技术有限，其注塑设备及模具的制造 代价很高，极大的限制了双色技术的发展。 二十世纪末二十一世纪初，人们对塑料制品的质量有了更高的要求，双色 注塑成型技术也得到了很大的发展，主要体现在双色注塑机及双色模具的开发。 国外如a r b u r g 、e n g e l e l 2 1 、p r e s n ac o r p 13 1 、f e r r o n a t i k 1 4 】彳艮多公司开发出了更为 先进的注塑设备。国外双色注塑技术发展不断带动着国内双色注塑行业的进步。 国内也出现了一些双色注塑机生产商，主要是与一些大学院校及研究所共同研 究开发。比较著名的双色注塑机生产商有富强鑫、海天、华大机械等厂家。富 2 第1 章概论 韩国的白色家电行业，虽然仍有很多技术问题尚待解决，现已经取得较好的进 展。 1 2 双色高光注塑技术研究进展 1 2 1 双色注塑技术 双色注塑成型又称重叠注塑成型或双组分注塑成型( 双料注塑成型) 6 。8 j ， 属多组分注塑中最简单的成型技术。该技术已经广泛应用于日用品、家电、汽 车内外饰、医用设备等行业领域。双色塑料件在生活中随处可见，比如双色牙 刷、双色手机外壳等，这些产品不仅给广大用户带来了视觉上的冲击，同时还 可带有触觉上的享受。双色制品两种材料间的相互作用及制品外观质量是双色 注塑中的研究重点，为解决这两个问题，目前主要从优化双色注塑工艺参数( 熔 体温度、模具温度、填充时间、填充速率、保压压力、保压时间等) 和优化双 色塑件结构及双色模具结构的角度研究，并且运用模拟软件分析注塑工艺参数 对制品翘曲、体积收缩率、气穴等的影响 虬1 0 】。 双色注塑成型技术始于1 9 6 1 年a r b u r g 公司j 为更好的提高双色组件生产效 率而开发的多色注塑机，其采用的主要方法为插入再封装技术。后来开发者们发 明了一种可在同一副模具上完成两种注射工艺的装置：首先完成第一种材料的 注塑，然后通过一个转盘将第二种材料插件插入第一种材料塑件内。紧接着在1 9 6 3 年的德国k 展推出了第一款多色注塑机，主要用来生产早期的收款机与打字 机等。到上世纪七十年代双色注塑成型技术发展已经初具规模，其生产工艺也 比较成熟，其应用也涵盖了日用品、家电、汽车等部分行业，尤其是多色汽车 尾灯的生产更为突出。由于双色注塑技术与传统的注塑技术对成型设备及模具 多存在特别大的不同，而且当时机械生产技术有限，其注塑设备及模具的制造 代价很高，极大的限制了双色技术的发展。 二十世纪末二十一世纪初，人们对塑料制品的质量有了更高的要求，双色 注塑成型技术也得到了很大的发展，主要体现在双色注塑机及双色模具的开发。 国外如a r b u r g 、e n g e l e l 2 1 、p r e s n ac o r p 13 1 、f e r r o n a t i k 1 4 】彳艮多公司开发出了更为 先进的注塑设备。国外双色注塑技术发展不断带动着国内双色注塑行业的进步。 国内也出现了一些双色注塑机生产商，主要是与一些大学院校及研究所共同研 究开发。比较著名的双色注塑机生产商有富强鑫、海天、华大机械等厂家。富 2 第1 章概论 强鑫是中国最早针对双色注塑机研究的厂商之一，总部位于台湾。其开发的产 品具有适合不同技术要求和工作环境的多种系列，例如转轴型、混色型、转盘 型、电动型等，目前适用范围为锁模力在1 4 0 吨1 4 2 0 吨之间。最出名的为富强 鑫f b c 1 4 2 0 r 双色注塑机，可实现锁模力超过1 0 0 0 吨级的大型双色制品的生产 应用，而且结构精简节省空间。富强鑫双色注塑机已广泛应用到日用品、家电、 汽车、儿童玩具、医疗器具等多种行业，尤其是位于浙江宁波、温州等地用其 生产的双色外壳笔闻名全国。 由于双色注塑机创新种类越来越多，其双色注塑技术也得到了巨大的发展。 双色注塑技术主要有三种基本技术：双色注塑加模内组合( i m a ) 、双色注塑加 模内贴标( i m l ) 、双色注塑加叠层模( s t a c km o l d ) 。 双色注塑加模内组合：是使用两个注塑管在模具型腔内不同部位形成两种 材料的模内组装。这种组装方式免去了传统工艺中后续的两种材料间的焊接工 序，同时节省了粘合胶水降低了生产成本【l5 | 。 双色注塑加模内贴标：是先将一种材料( 比如商品商标) 做好且背部涂有 热熔胶，然后将其放入注塑机的模具型腔内，再通过注塑或吹塑第二种材料， 使两种材料黏合在一起组成一个完整的容器【l 6 | 。 双色注塑加叠层模：又称双色多层注射模，是一种比较特殊的注射模。其 模具型腔分布在两个或多个层面内，使其型腔为重叠样式排列，目前使用较多 的为两层型腔1 1 7 j 。 除了以上三种基本技术外，还有双色注塑加夹层射出、双色注塑加i m a 、i m l 及叠层任意组合模。 双色注塑技术越来越成熟的同时，也出现了与其他技术相结合开发新产品 的现象。福特、赫斯基、延峰伟世通共同合作开发出同步注塑成型技术，并生 产出双色仪表盘。这一技术使用h u s k y 公司的双色注射机q d l 6 5 0 、赫斯基p o l a r i s 控制系统及t r a c e r 机械手，可将两个不同颜色的熔体从同一个注塑 机的两个不同注塑机头同时射入模具型腔内，免去了后续的喷漆工序，提高了 塑料制品的质量，而且降低了生产成本。 双色注塑成型基本原理如图1 1 所示：双色制品是通过两种不同塑料熔体分 别通过不同注塑机筒注射成紧密黏结在一起的整体。首先将成型两种材料制品 的动模部分固定在具有两个注射喷嘴机构的转盘上。第一步：是注塑完成第一 色材料的成型，然后保压、冷却，开模时，将半成品通过顶出装置顶到动模侧； 3 第1 章概论 第二步：同过旋转装置将动模转动1 8 0 。后合摸，进行注射第二色材料。处于热 熔融状态的第二色材料流经型腔中第一色材料表面时，会将第一色材料表面进 行二次熔化，进而使两种材料黏结的更加牢固。第二色材料在注塑过程中第一 次注塑同时注塑下一产品的第一色半成品，所以每次开模都会有一个半成品和 一个成品成型【18 1 。 旋转1 8 0 。 色型腔 色产晶 图1 1 双色成型基本原理 1 2 2 高光注塑技术 高光注塑成型技术实际上是一种快速变模温控制技术，又称快速热冷循环 注塑成型技术。起初是由日本三井化学产业株式会社、小野产业株式会社、三 菱商事高科技株式会社等五家企业组成3 d 无汇线联盟共同研发了快速冷热成型 技术，并将其在2 0 0 4 年k 展年会中提出。此联盟针对高光成型技术的研究重点 集中在开发与加工三维无汇线模具、专用夹具以及蒸汽控制技术。现该技术已 用于生产多种塑料产品，涉及白色家电、电子产品外壳、汽车内外饰，医用器 械、生活用品等领域。 高光注塑成型技术改变了传统模具温度不变的历史。在其注塑填充、保压 过程中保持较高的模具温度；当成型进入冷却阶段，依靠模温控制系统快速将 模温降到低温状态，完成开模动作。然后在合模时，将模温急速加热到高温以 进行下一次注塑成型。由于其特有的实时温控特点，不但使熔体充分地填充型 腔，消除、凹痕、熔接痕、银丝纹等表面缺陷，同时实现了最大程度降低塑件 成型收缩率，提高产品力学性能。目前关于高光注塑技术主要集中在日本、韩 4 第1 章概论 国、和中国大陆及台湾等地区。这一技术主要集中在加热装置、冷却系统、实 时控制系统、及高光模具及制品结构、工艺参数优化等个方面。 c h e n 1 9 】为提高塑料制品品质研究了电磁感应加热技术，使用圆形和矩形线 圈加热平板，依靠红外线热影像仪获取不同时刻不同地点加热件的温度分布图， 通过模拟软件模拟验证影响制品质量的主要因素主要为线圈电流、加热时间、 线圈至塑件的距离。j a n s e n 等人研发了3 0 千瓦功率电磁感应系统，可实现模具 温度由11 0 急速加热到2 0 0 在4 s 内完成【2 0 - 2 2 。 g r e w e n 等人【2 3 】对超声波加热、红外辐射加热和高温气体加热等多种加热方 法对热印成型的影响进行了研究，结果显示使用高温气体加热来提高压印模温 度效果较差，获得的制品质量不高，模具复原效果较差，且成型时间较长。红 外加热和超声波加热均可以提高制品复原性而且可以缩短成型周期到1 0 s 内，但 是超声波加热不能对微小区域进行加热，且提高效果有限【2 4 1 。 h u a n g 与z h a n g 等人f 2 5 2 7 】对一种新型微注塑成型技术展开了研究。使用红外 加热系统对微注射成型模具进行加热，获得在红外加热情况下微注射模具型腔 内表面热状态分布图，并通过模拟软件a n s y s 计算模具型腔表面与红外加热程 度的影响。 y a o 等人【2 弘2 9 】展开了对电阻式加热对塑料成型模具进行快速加热的研究。此 技术是利用热电阻对模腔表面进行加热，由于电阻加热可实现模具原位加热， 所以在注塑成型过程中利用加热电阻对具有快速传热能力的模具进行加热，来 生产较为精密的中小型塑料产品。 k i mb y u n g 等人【3 0 】和r h e e ，k a n 3 1 - 3 2 】等人都提出一种可以利用感应加热以 实现模具温度的动态控制方法，通过模拟和试验的方法对模腔表面温度的均匀 性展开了研究，同时还设计了模温实时监控装置。j a n s e n 等人【3 3 】对多层注塑模 具进行了设计，其结构包括模具基体、绝缘层、加热层等。 纪崇仁1 3 4 j 研究了通过晶圆快速加热设备对快速热处理工艺过程的导热过 程。研究使用9 1 支灯泡遍布处于真空状态的型腔表面，通过加热灯泡，实现对 腔壁的加热，并且数值模拟了晶圆加热后对腔内加热灯、保护环、腔壁的热辐 射交换过程，发现晶圆温度随加热时间增加而不断提高，且随着腔壁反射率和 灯座吸收率的大小而变化。 台湾成功大学研究了高光无痕微注射快速成型技术。林晃业【35 】研究了注塑 成型参数对塑件制品表面微小结构填充性的影响，结果发现对制品表面微小结 5 第1 章概论 构影响最显著的有熔体温度、模具温度及注射压力三个因素。在较高的温度和 较高的注塑压力下，熔体的黏度降低，可更好的填充对微小结构。 t c l 公司于2 0 0 7 年根据引入的韩国三星集团高光注塑技术，自主研发了l c d 电视机外壳高光模具及蒸汽加热装置。山东大学 3 6 - 3 7 】研究了高光注塑工艺机 理和高光注塑工艺过程，并自主研发了可对高光模具实时控制的用p l c 为控制 芯片的温控系统。山东大学又同青岛海信模具公司展开合作成立绿色公关项目。 专门针对l c d 电视机外壳为研究对象，使用高光注塑技术，研究高光工艺参数 对塑件质量的影响，并对其工艺参数进行优化从而获得可达到最小翘曲变形的 最优注塑工艺参数组合。赵国群研究了利用蒸汽加热、水冷却的动态模温控制 技术，自主研制出动态模温控制系统及相应的模温控制软件，可利用人机界面 技术实现模温快速冷热循环实时控制和注塑工艺过程全程监控，并依据此技术 建立了大型液晶电视机面壳高光无痕注塑生产线。 深圳大学伍晓宇等【3 8 。3 9 】开发了一种节能模具结构，构建了一种随型槽，可 实现模腔近距离全区域连通，并在动模增加局部调温槽，仅需在动模加热，还 可减少模具传热体积并实现模腔表面均匀传热，无需模具中冷热直接对冲切换， 从而大幅度降低能耗。丁磊等【4 0 】根据高光塑成型工艺，研制了一种模温快速冷 热控制系统。 南昌大学【4 卜4 3 j 针对高光注塑成型进行了系统的研究。我校辛勇、刘东雷针 对高光注塑成型从微观角度上研究了解决塑件表面色差以及消除熔接痕、凹痕、 表面浮纤、银丝纹等缺陷方面的成型机理，并根据高光注塑成型特点结合普通 塑件结构设计技术，制定了高光塑件结构设计方法。同时以液晶电视机前壳为 例，利用田口实验法、数值模拟等技术对高光制品翘曲、提及收缩率及沉降指 数多指标工艺性能影响研究，得出影响作用最大的工艺参数为注射压力、保压压 力和转保压压力。胡文文【4 4 】研究了局部密孔和普通塑件高光注塑成型的区别， 并以车载蓝牙外壳为例，应用m o l d f l o w 软件模拟高光注塑过程，利用正交 实验及数据处理技术，以翘曲、熔接痕、体积收缩率为指标，获得最优高光注 塑工艺参数。 1 2 3 阀浇口时序控制技术 阀浇口时序控制技术是在热流道多点进浇中，浇口均采用阀式浇口，并应 用智能控制系统对每个浇口实现独立实时控制阀浇口的开闭，从而实现控制聚 6 第1 章概论 合物熔体在型腔中的流动状态。 阀浇口时序控制技术与传统注塑成型相比具有以下优点： 1 ) 可有效控制制品中熔接痕的数量、位置、及质量。通过实时控制每个浇 口的开闭时间，进而实现熔体在型腔中流动状态的实时控制，提高熔体前沿温 度，并将熔接痕控制在塑件不重要的位置或消除熔接痕。 2 ) 可降低对成型设备要求。较传统注塑工艺而言，热流道多点阀浇口可大 大降低所需的锁模力，对注塑设备吨位型号降底2 5 左右。 3 ) 实现熔体在型腔中的流动平衡。采用阀浇口时序控制技术控制浇口的开 闭时间，从而控制每个地方注塑流动，避免了局部过量填充或填充不足的现象。 4 ) 简化工艺，节省原料，缩短生产周期。相对于传统冷流道，在注塑工艺 过程中，使用热流道成型浇注系统无冷却操作，热流道浇注系统内部的熔体一 直处在熔融状态，成型制品不含浇注系统废料，节省了原材料，降低了生产成 本，且顶出制品不含浇注系统凝料，免去了传统注塑工艺中切除废料的后序步 骤，缩短了生产周期，同时省去了废料二次回收再利用的成本。 5 ) 工艺设置简单，应用塑料范围广。热流道技术适用于大部分塑料包括成 型温度范围小的热敏塑料。基于热流道技术发展了多种注塑工艺，如双多色注 塑成型、共注成型等。 阀浇口时序控制过程 4 孓47 】针阀式浇口属于热流道中最为复杂的结构。利 用液压装置控制针阀的开关，实现对熔料注射时间控制及时、精确。结合时序 控制系统控制阀浇口的开关时间，改变熔料在型腔中的流动，进而控制前沿料 流问交汇时间和地点，从而消除熔接痕或将其转移到塑件不重要的地方。其原 理如图所示： 图1 2 阀浇口时序控制过程图 随着注塑工艺不断精益求精，针对阀浇口时序控制技术的研究越来越多。 从上世纪末开始，国内外部分研究人员开始以有限元分析软件与实验相结合的 方式展开对阀浇口时序控制技术的研究。 7 第1 章概论 y a n g 48 】根据时序控制注塑成型技术可成型薄壁制品，设计一个长方形薄片 制品模具，研究了在不同注塑填充方式下对塑件力量影响，针对单、双浇口同 时填充与使用时序控制技术填充时熔接痕、注射压力等进行比较，结果表明， 时序控制技术可降低薄壁塑件成型缺陷，提高对填充过程中不同状态的控制， 多浇口降低了流动过程中的流长比和成型压力，并提高了塑件的熔接痕强度。f a n g 4 9 j 同样设计了一个长方形薄壁塑件，采用热流道时序控制技术注塑成型，并 按a s t m 实验标准方式研究塑件拉伸试验，并对不同工艺参数对塑件强度影响 展开了研究。 s h i n 【5 0 】基于c a e 技术对时序控制注塑成型工艺参数( 如填充时间、注塑压 力、熔体温度、模具温度、冷却时间等) 进行优化，并利用优化后的工艺参数 及每个阀浇口旁的传感器采集周围动态压力，对型腔压力进行调节提高了塑件 的质量。 江苏大学谭胜文【5 卜5 2 】借助c a e 分析软件研究了阀式浇口浇注系统的填充模 式，通过注塑流动分析模拟填充整个流动过程，分析了阀控制填充过程中的纤 维取向、制品收缩率、气穴位置、翘曲等对制品质量的影响，并验证阀式浇注 系统对提高制品质量具有现实意义，同时研究了阀式时序控制注塑成型中分子 取向形成机理，并对实例进行了模拟，获得较好效果。 夏江梅1 5 3 j 通过m o l d f l o w 软件对空调扫风百叶应用阀浇口时序控制前后进行 熔接痕、注塑压力、锁模力等对比，验证了阀浇口时序控制技术可有效消除熔 接痕，改善注塑成型条件。杨梁波等人【5 4 】同样研究了传统热流道注塑与采用阀 浇口时序控制技术的不同，并通过数值模拟同样发现利用时序控制技术消除熔 接痕是切实可行的。 周杰【5 5 】针对汽车保险杠中熔接痕和涂装工艺过程中出现色差等缺陷，应用 时序控制技术在热流道增加可控液压回路来实现浇口开闭控制，改善了制品质 量，对保险杠的注塑成型提供了指导。杨良波【5 6 】应用m o l d f l o w 模拟对汽车散热 格栅边框进行时序控制优化，提高了制品质量。 吉林大学牛磊【57 j 研究了时序控制系统相关软件及硬件，以热流道为基础， 在传统注塑基础上加装软件控制的液压回路以实现浇口时序控制功能，并应用 该控制系统有效地消除某轿车保险杠注塑中出现的熔接痕；利用m o l d f l o w 对热流道阀浇口时序控制过程进行模拟，对使用此系统前后制品质量进行对比， 对该系统可消除熔接痕现象进行了说明。 8 第1 章概论 1 2 4 研究现状与不足 当前双色高光注塑技术主要在韩国和中国。韩国三星公司率先提出双色高 光注塑技术，将双色注射机、模温控制机、阀浇口控制机、倒装模具，模具转 动装置等集成，研制出双色高光电视机显示器外壳。 目前为止，国内关于双色高光注塑技术的研究文章仅有1 篇。东莞康佳和 深圳大学 4 共同研究了双色高光模具结构设计，得到了电视机面壳双色高光无 痕注射模的浇注系统、模温控制系统、顶出系统和排气系统的设计方法和模具 的工作过程及设计要点。 双色注塑成型有两种方法。一种是采用两副模具( 分别用来成型塑料嵌件 和包封塑料) ，在两台普通注射机上分别注塑成型：在一台注塑机上首先成型塑 料嵌件，然后把塑料嵌件装入另一副模具型腔中，用第二台注塑机注塑另一种 颜色的塑料，完成嵌件包封工作得到双色产品。这种工艺费时、费能、费人力， 大大阻碍了塑料行业的发展。另一种是使用双色注塑机在一副模具上完成注塑 成型。使用双色注塑机最常用的工艺方法有收缩模具型芯式、型芯旋转式、型 芯滑动式和脱件板旋转式双色注塑技术等1 5 8 - 6 0 。 1 3 课题来源及主要研究工作 1 3 1 课题来源及研究意义 双色高光注塑成型是目前塑料和模具工业中最具环保、高效、智能的注塑 成型技术，是一项涉及注塑成型、模具设计与制造、智能化控制、计算机应用 等多领域集成技术。与传统注塑技术相比，双色高光注塑技术具有高温、高压、 高速、多组分一次注射成型的特点，是一个融合双色注塑、高光注塑，阀浇口 时序控制及快速冷热模温控制等多项注塑成型最新成果于一体的高新技术。通 过这一技术可转化为具有一定功能和结构的设备集成系统，包括注塑设备、快 速冷热模温控制装置、阀浇口开关时序控制装置、双色高光专用倒装模具、模 具旋转机构等。 双色高光制品融合双色制品和高光制品特点，消除熔接痕、银丝纹、波纹、 流痕等缺陷，提高对成型模具的复原性，成品率高，减少应力畸变、提高制品刚 度和强度、大大缩短成形周期，而且表面美观大方，提升产品附加值等方面具 有明显的优越性【5 ，6 1 】。 9 第1 章概论 1 2 4 研究现状与不足 当前双色高光注塑技术主要在韩国和中国。韩国三星公司率先提出双色高 光注塑技术，将双色注射机、模温控制机、阀浇口控制机、倒装模具，模具转 动装置等集成，研制出双色高光电视机显示器外壳。 目前为止，国内关于双色高光注塑技术的研究文章仅有1 篇。东莞康佳和 深圳大学 4 共同研究了双色高光模具结构设计，得到了电视机面壳双色高光无 痕注射模的浇注系统、模温控制系统、顶出系统和排气系统的设计方法和模具 的工作过程及设计要点。 双色注塑成型有两种方法。一种是采用两副模具( 分别用来成型塑料嵌件 和包封塑料) ，在两台普通注射机上分别注塑成型：在一台注塑机上首先成型塑 料嵌件，然后把塑料嵌件装入另一副模具型腔中，用第二台注塑机注塑另一种 颜色的塑料，完成嵌件包封工作得到双色产品。这种工艺费时、费能、费人力， 大大阻碍了塑料行业的发展。另一种是使用双色注塑机在一副模具上完成注塑 成型。使用双色注塑机最常用的工艺方法有收缩模具型芯式、型芯旋转式、型 芯滑动式和脱件板旋转式双色注塑技术等1 5 8 - 6 0 。 1 3 课题来源及主要研究工作 1 3 1 课题来源及研究意义 双色高光注塑成型是目前塑料和模具工业中最具环保、高效、智能的注塑 成型技术，是一项涉及注塑成型、模具设计与制造、智能化控制、计算机应用 等多领域集成技术。与传统注塑技术相比，双色高光注塑技术具有高温、高压、 高速、多组分一次注射成型的特点，是一个融合双色注塑、高光注塑，阀浇口 时序控制及快速冷热模温控制等多项注塑成型最新成果于一体的高新技术。通 过这一技术可转化为具有一定功能和结构的设备集成系统，包括注塑设备、快 速冷热模温控制装置、阀浇口开关时序控制装置、双色高光专用倒装模具、模 具旋转机构等。 双色高光制品融合双色制品和高光制品特点，消除熔接痕、银丝纹、波纹、 流痕等缺陷，提高对成型模具的复原性，成品率高，减少应力畸变、提高制品刚 度和强度、大大缩短成形周期，而且表面美观大方，提升产品附加值等方面具 有明显的优越性【5 ，6 1 】。 9 第1 章概论 其应用范围涉及日用家电、手机外壳、汽车内外饰、车载音响、游戏机等 塑料件。随着社会的发展，汽车行业不断呼吁轻量化，白色家电行业不断更新 换代，塑料需求与日俱增，因此塑料成型技术的发展将起到至关重要的作用， 对多行业共同发展将有重要意义。 1 3 2 主要研究内容 本研究根据双色高光注塑成型工艺和多浇口时序控制技术特点，应用数值 模拟技术对其成型过程进行了仿真模拟。基于传统注塑制品结构设计技术，结 合双色成型制品和高光无痕注塑制品的特点，研究了双色高光制品结构设计技 术，并提出结构设计时需要注意的问题。以双色高光显示器前壳为例，应用m o l d f l o w 软件对其浇注系统的时序控制进行了优化，并在此基础上结合正交实 验，对双色高光模型进行工艺参数优化。针对多浇口时序控制技术的双色高光 注塑成型技术，本论文具体研究内容如下： 第一部分介绍了双色高光注塑技术起源、研究现状及研究内容。 第二部分介绍了流变学在双色高光注塑成型中的应用。 第三部分研究了双色高光塑件及其模具的结构设计技术。 第四部分研究多浇口时序控制技术在双色高光注塑成型中的应用，并以显 示器前壳为例对时序控制进行优化。 第五部分通过正交实验与数值模拟技术对双色高光注塑成型工艺参数进行 优化。 1 0 第2 章时序控制下双色高光注塑成型数值模拟技术 第2 章时序控制下双色高光注塑成型数值模拟技术 2 1 数值模拟技术概述 塑料制品的质量受原材料、模具、注塑机、成型工艺参数等多种因素的影 响。在选定塑料原材料、模具和注塑机后，其制品的质量便受注塑成型工艺参 数的影响。传统注塑成型工艺主要依赖开发者设计经验反复试模具、修模、调 试以获得较好的塑料制品，导致产品生产成本高、生产周期长，还不能保证制 品质量。而应用数值模拟技术实现注塑成型过程的仿真模拟，不仅可以科学的 获得工艺参数设置，而且能提高制品质量，缩短制品生产周期，是目前塑料加 工行业逐渐发展的方向。 数值模拟技术最终可归结为一组极难解的偏微分方程组。为得到一组近似 解，对该微分方程组目前有以下几种解法：有限差分法( f d m ) 、边界元法( b e m ) 、有限元法( f e m ) 。最早的数值解法为有限差分法，连续求解区域用有限 个网格节点代替，在将差商代替偏微分方程导数，对有限个节点未知数进行推 导。此解法较为简单，对复杂问题求解效果较差。有限元法是将一连续体划分 称许多个微小多边形单元，然后针对每个微小单元创建插值函数，在利用极值 原理用每个单元有限元方程代替总的控制微分方程，即将总体划分后求解在总 体合成。有限元法应用较为广泛。边界元法是将全区域的求解划分为小区域的 边界求解，其计算效率较低，仅适用于解线性问题。本文采用有限元法来展开 对双色高光注塑成型的数值模拟技术研究。 注塑成型利用数值模拟技术模拟塑料熔体的填充、流动、保压、冷却过程， 计算成型过程中的温度场、应力场、压力场等的分布情况，并将结果以等值线 图或文字等方式记录下来，通过数值模拟技术可模拟浇注系统优化、流道平衡 设计、成型工艺参数优化，并预测成型中可能出现的短射、气穴、熔接痕、翘 曲、收缩等缺吲6 列。利用模拟软件分析出的模腔内不同时刻熔体压力、温度、 内应力等分布的模拟结果及预测的可能出现的缺陷可直接作为流道设计和工艺 参数确定的可靠依据。 近半个世纪以来，塑料流变学、数学、计算机等技术的快速发展，直接推 动了注塑成型c a e 技术的进步。上世纪七十年代开始，作为塑料行业的新兴热 第2 章时序控制下双色高光注塑成型数值模拟技术 门研究领域，注塑成型c a e 技术层出不穷。美国a c t e c h 公司的c m o l d 软 件和澳大利亚m o l d f l o w 公司的m o l d f l o w 软件脱颖而出。我国华中科技大学也 于1 9 8 8 年推出了注塑成型c a e 软件h s c l 0 ，并在随后二十多年的发展已经成 为一套使用方便、适用广泛、结果可靠的注塑模拟软件h s c a e 3 d 。 注塑成型c a e 技术虽然已在实际生产中发挥的极大的作用，也获得了行业 的认同，但其算法的复杂型和局限性，使c a e 软件的应用受到了限制。开发研 究者们正逐渐实现由起初的中层面模型的有限元分析到双层面( 表面) 实体模 型的过度。 依靠中层面模型的有限元分析方法局限性主要体现在【6 3 j ： 1 ) c a e 软件操作者需要根据产品模型构建出中层面模型，对于复杂零件模 型的中层面构建相当困难； 2 ) 使用c a d 软件建模与c a e 软件使用的模型不统一，需要进行转化或二 次建模，从而降低了设计开发效率。 3 ) c a e 软件侧重于模拟仿真分析，而前期的建模造型功能较差，并且由c a d 模型导出中层面模型较为困难。 图2 1中层面模型图片 为解决中层面模型的局限性问题，近年来逐渐发展出了双层面( 表面) 模 型和实体模型。双层面模型是将制品壁厚方向表面进行有限元网格划分来取代 中层面模型，而其熔体流动由中层面的单面流动，变为上下两层的双面流。这 种技术解决了使用中层面模型时的建模瓶颈。双面流技术对数值技术提出了更 高的要求： 1 ) 为提高模拟质量，模型壁厚方向同一截面相对应的有限元网格要求完全 对称，对于复杂模型而言，是完全不可能的，所以模拟前需做大量的网格修复 工作。同时在此截面对应的上下两节点可能出现其代表的体积全都充满或者进 有一点充满，这两种情况都需要进行分别处理。 2 ) 模拟过程中，流动前沿的位置变化均会增大熔体的流动范围，所以，每 次流动前沿位置变化都需要检验其对应的边界条件是否成立，如若不成立直到 1 2 第2 章时序控制下双色高光注塑成型数值模拟技术 处理到成立为止。 3 ) 在数值计算过程中，部分节点的温度、压力等参数由其对应的节点确定， 导