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复杂塑件的注塑成型模拟及工艺参数优化 摘要 本文以齿形顶出器和洗衣机后罩板塑件作为分析实例，基于模拟分析软件 m o l d f l o w 的m p i 平台，从模具结构以及注射成型工艺参数的优化方面展开研究， 深入探讨了一些常见注塑成型缺陷的成因和解决办法。 以齿形顶出器作为非薄壁塑件注塑成型模拟的实例，由塑件的c a d 造型开 始，分析不同造型方法对网格属性的影响：对比分析三维和二维网格技术对此塑 件的模拟结果：通过正交优化法优化注塑成型参数改善塑件薄壁区域的熔接缺 陷。以洗衣机后罩板作为薄壁塑件的实例，利用c a e 技术优化模具结构，减小 塑件翘曲值：引入新的保压控制方法，从注塑材料的p v t 属性方面控制保压曲 线的设置，实现熔体的等比密度收缩，减小塑件的翘曲值。 研究表明，三维网格技术在非薄壁塑件的成型模拟中，相比于二维网格技术， 对于熔体流动前沿的表达更加准确；对于塑件上熔接区域的质量，可以通过选取 合适的注射时间和适当提高模具温度、熔体温度来改善。在薄壁塑件成型方面， 利用c a e 技术，优化模具结构，结合实际注塑材料p v t 属性，在注射成型的保 压阶段，控制塑料熔体的等比密度收缩都对控制塑件的翘曲量有重要作用。 关键词：齿形顶出器洗衣机后罩板c a e 技术注塑成型熔接质量翘曲 s i m u l a t i o no fi n j e c t i o nm o l d i n ga n d o p t i m i z a t i o no f m o l d i n gp a r a m e t e r f o rt h ep l a s t i cp a r tw i t h c o m p l i c a t e ds t r u c t u r e a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，i n j e c t i o nm o l d i n go fan o t c h e de j e c t o ra n dab a c kp l a t eo ft h e w a s h i n gm a c h i n ei sr e g a r d e da st h er e s e a r c ho b j e c t ，b a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s o f t w a r em o l d f l o w m p i t h es t u d yi sd i s t r i b u t e di n t ot h eo p t i m i z a t i o no ft h es t r u c t u r e o ft h ei n j e c t i o nm o l da n dt h em o l d i n gp a r a m e t e rt od i s c u s st h ec a u s eo ft h em o l d i n g d e f e c t sa n dt h ew a yt oi m p r o v e t a k i n g t h en o t c h e d e j e c t o ra s t h e e x a m p l eo fn o n t h i nw a l lp l a s t i cp a r t b e g i n n i n gw i t ht h ec a dm o d e l i n go ft h ep a r t ，t h ed i f f e r e n ts i m u l a t i o np r o c e s s e so f 3 dm e s ha n d2 dm e s hw e r ed i s c u s s e df o rt h ep a r t t h e r ea r ep a r t i a lt h i nw a l l s t r u c t u r e so nt h ep a r tw h e r et h ejo i n tf u s i o na r e ai sa p tt of o r m o n h o g o n a ld e s i g no f e x p e r i m e n ti sc h o o s e dt oo p t i m i z et h em o l d i n gp a r a m e t e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo f t h a tf u s i o na r e a t a k i n gt h eb a c kp l a t eo ft h ew a s h i n gm a c h i n ea st h ee x a m p l eo ft h e t h i nw a l lp a r t t h es t r u c t u r eo ft h ei n j e c t i o nm o l dw a sf i r s t l yo p t i m i z e du s i n gc a e t e c h n o l o g yt od e c r e a s et h ew a r p a g ev a l u e an e w c o n t r o lm e t h o dw a sp r o p o s e dw h i c h b a s e do nt h ep v t p r o p e r t i e so f t h em a t e r i a lo ft h ep a r tt oc o n t r o lt h ep a c k i n gp r o c e s s ， m a k i n gt h ep l a s t i cm e l ts h r i n k a g ea tas p e c i f i cd e n s i t y , t h u st oc o n t r o lt h ew a r p a g e p r o b l e m t h es t u d yi n d i c a t e dt h a tt h e3 dm e s h ，c o m p a r i n gt ot h e2 dm e s h ，c a l le x p r e s s t h em e l tf r o ma tam o r ea c c u r a t ew a yf o rt h es i m u l a t i o no fm o l d i n gp r o c e s so ft h e n o n t h i nw a l lp l a s t i cp a r t a st ot h ef u s i o na r e a , c h o o s i n gt h ep r o p e ri n je c t i o nt i m e ， r e l a t i v e l yh i g h e rt e m p e r a t u r eo ft h em e l ta n dt h em o l da r et h ew a y t oi m p r o v et h e f u s i o nq u a l i t y c o n c e r n i n gt ot h ew a r p a g ep r o b l e mo ft h et h i nw a l lp a r t ，u s i n gc a e t e c h n o l o g yt oo p t i m i z et h ei n j e c t i o nm o l ds t r u c t u r ea n ds e t t i n gp r o p e rp a c k i n gp r o f i l e w h i c hi sb a s e do nt h ep v tp r o p e r t i e so ft h ei n j e t i o nm a t e r i a la r es i g n i f i c a n tt o m i n i m i z et h ew a p a g ep r o b l e m k e y w o r d s ：n o t c h e de j e c t o r b a c kp l a t eo ft h ew a s h i n gm a c h i n ec a e t e c h n o l o g y i n j e c t i o nm o l d i n g f u s i o nq u a l i t y w a r p a g e 插图清单 图1 - 1 注塑成型机基本组成及成型过程图示2 图2 1 控制体积前沿位置的确定1 5 图2 2 三维控制体积的形态图1 6 图3 1 齿形顶出器塑件图2 1 图3 2 塑件在u g 软件中的造型图2 2 图3 3c a d 模型网格匹配图2 3 图3 - 4c a d 模型划分网格后的厚度图2 3 图3 5c a d 模型充填模拟图2 3 图3 - 6 模拟分析结果图2 5 图3 7 表面网格模型充填模拟过程图。2 5 图3 8 三维网格模型充填模拟过程图一2 6 图3 - 9 实际缺料注射制件结果图2 6 图3 10 流体前沿温度结果图2 7 图3 1 1 充填模拟动态结果截图2 7 图3 1 2 各阶段缺料注塑结果图2 8 图3 1 3 三维网格模拟浇口处时间信息2 9 图3 1 4 三维网格模拟浇口信息2 9 图3 1 5 含浇注系统注塑件整体结构图3 0 图3 1 6 含浇注系统注塑件结构图3 0 图3 1 7 充填模拟结果图及其局部截图3 1 图3 1 8 各参数水平影响趋势图：3 1 图3 1 9 优化试验模拟结果3 3 图3 2 0 实际注塑实验结果3 4 图4 1 后罩板模型3 6 图4 2 网格划分信息图3 6 图4 3 网格信息图3 7 图4 4 理论分析浇口位置简图3 8 图4 5 塑件浇口布置图3 8 图4 - 6 浇口0 1 翘曲分析结果图3 9 图4 7 浇口0 2 翘曲分析结果图3 9 图4 8 浇口0 3 翘曲分析结果图4 0 图4 - 9 塑件浇注系统建模。4 3 图4 1o 各流道截面图4 4 图4 1l 各截面流道建模4 4 图4 1 2 各流道剪切速率结果4 5 图4 1 3 各流道平均速度结果4 5 图4 1 4 各流道流动速率结果4 6 图4 1 5 各流道压力结果4 6 图4 1 6 保压曲线设置- 4 7 图4 1 7 浇口为1 2 m m 时翘曲结果图4 7 图4 1 8 浇口为1 o m m 时翘曲结果图4 8 图4 1 9 塑件翘曲分析结果4 9 图4 2 0 保压曲线设置5 0 图4 2 l 恒保压曲线下的翘曲分析结果5 0 图4 2 2 变保压曲线下的翘曲分析结果5 l 图4 2 3 材料p v t 图5 2 图4 2 4 保压曲线设置图5 2 图4 2 5 翘曲分析结果图5 2 表格清单 表3 1 注塑机参数2 4 表3 2 注塑成型参数2 5 表3 3 工艺参数的水平设置3 l 表3 - 4 正交试验安排和结果3l 表3 5 试验结果分析3 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒目曼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：艿睦核签字日期：) 口7 年4 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒日巴王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 月巴王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：蟊盘松 签字日期劲。7 年4 月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 致谢 我在近三年的硕士研究生学习与生活中，始终受到两位导师刘全坤教 授和陈忠家副教授的辛勤培养与无私关怀。在学习上，导师严谨的工作作 风、丰富的学识和非凡的敬业精神时时激励和鞭策着我，使我受益匪浅。 为了让我们每一位学生充分发挥各自的特点，导师不断地创新自己的指导 思路，对我的培养方式是采取先进入企业生产一线实习，带着生产实际中 的难题进行分析选题，进而完成数值模拟计算和理论提高，最终将模拟结 果在生产现场得以验证。对我个人而言，二年多的学习，无论从分析能力 的提高还是从专业知识的积累方面都收获甚多。因此，借论文完成之际， 对导师的创新培养和悉心指导表示最衷心的感谢! 同时，真诚感谢在学习和生活上给予我帮助的各位老师和同学! 作者：方莹松 2 0 0 9 年0 3 月 1 1 引言 第一章绪论 塑料是2 0 世纪才发展起来的一大新型材料，是高分子材料中最大的一类。 塑料工业是国民经济中的一个非常重要的产业。由于塑料的机械性能和加工性 能优良，而且具有质量轻、耐腐蚀、电绝缘性能好、比强度高等优点，在国民 经济和人们日常生活的各个领域得到了日益广泛的应用。在交通运输、电子、 机械化工、航空航天以及日常消费品等领域，塑料已成为金属的良好代用材料， 并显示出其巨大的优越性和发展潜力，出现了金属材料塑料化的趋势，极大的 促进了塑料工业的不断发展和塑料加工工艺的不断完善。 注射成型是塑料制品成型加工晟重要的工艺过程之一，目前，除了少数几 种塑料外，几乎所有的塑料都可以采用注塑成型。注塑成型技术能一次成型各 种结构复杂、尺寸精密和带有金属嵌件的制品，后期只需少量修整或完全不需 修整，成型周期短，可以一模多腔，生产率高，大批生产时成本低廉，易于实 现自动化半自动化生产等优点，因此在塑料加工行业中占有非常重要的地位。 但是在注塑成型过程中，由于材料本身的特性以及复杂的加工条件使材料成型 过程经历了相当复杂的变形历史，如固体输送、熔融、熔体输送、流动、压实、 相变、结晶、分子取向、纤维取向等，制品形状、边界条件的复杂性及材料参 数的不确定性使得问题更加复杂化。长期以来，高聚物成型加工过程的控制和 模具设计与制造主要依赖于工艺人员和设计人员的经验和技巧，设计的合理性 只能通过试模才能知道，制造的缺陷主要靠修模来纠正。因而随着塑料产品性 能的要求越来越高，保证塑料制件的质量和使用性能已经向传统的模具设计制 造方法提出了挑战。 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、 传热学等学科研究的深入，从注射成型工艺和模具产品设计入手，利用计算机 辅助工程( c a e ) 技术代替传统试模，分析出从制品设计到生产的完整解决方案， 在现代模具设计与制造中已经越来越发挥其重要作用。c a e 技术通过建立高聚 物成型过程的物理和数学模型，构造有效的数值计算方法，借助于计算机仿真 模拟确定加工条件的变化规律，预测制品的结构和性能，确定高聚物制品和模 具设计参数及工艺条件的最佳方案。在模具制造之前，帮助研判潜在的问题， 有效地防止问题发生，大大缩短了开发周期，降低生产成本，己成为塑料产品 开发、模具设计及产品加工中最有效的手段。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，还是在降低成本、减轻劳动强度等方面， 都具有重要作用。 1 2 注塑成型技术概述 12 i 注塑成型加工原理 注塑成型，是先把塑料加入到注塑机的加热料筒内，塑料加热熔融成流动 态，由柱塞或螺杆的推动，施以高压经过料筒前端喷嘴注入闭合塑模中，由于 物理及化学作用而硬化定型成为注塑制品i t l 。 冷却定型+ 一保压+ 一充填卜扣蘩；熔化 图卜1 注塑成型机基本组成及成趔过程图示 注射成型过程大致可分为以下4 个主要阶段：塑化( 烘料，加料，受热塑化， 压实) 、充填( 计量，合模，注射) 、保压( 防回流收缩补料) 和冷却定型( 固化， 开模取出，后加工) 等，具有周期性的成型特点，如图1 1 所示i ”。注塑成型理 论主要研究塑料材料在转变成制品的过程中，其性能的变化和它所表现的变形 流动行为与各种加工条件之间的关系。注塑成型加工过程包括原料、设备和模 具结构设计及成型工艺等各个方面因素。这些因素之间相互影响，共同制约着 注塑制品的质量。 22 注塑成型过程的基本要素 注塑成型的目的是生产出符合用户要求的塑科制品。要想取得合格的制品， 必须要有设计合理、制造精良的模具，还要有和该模具配套的先进的注射设备 ( 注塑机) 以及合理的加工工艺。因此，人们常将摸具、注塑机以及成型工艺 称之为注塑过程得以顺利进行的三个基本要素口i 。 注塑模具注塑模是注塑成型的重要工艺装备，其结构形式多样，典型 的注塑模由定模和动模两大部分组成，定模安装在注塑机的固定模板上，动模 安装在注塑机的移动模板上。合理的模具结构设计是得到好的制品的前提。注 塑模具在质量、精度以及注射成型过程中的生产效率等方面的水平高低，直接 影响产品的质量、产量、成本及产品的更新换代，并展终决定着企业在市场竞 争中的反应能力和速度。 注塑机注塑机也是注射成型必须的要素之一。一般来说，市场上供应 各种形式和规格的注塑机，但是在实践中，必须根据模具的实际情况和注塑厂 家的设备情况进行选择。注射机是将经过预塑熔化后的颗粒状高分子材料，由 喷嘴高速射入模腔，再经过冷却成型塑料制品的设备。 成型工艺注塑成型工艺是指为了获得所需的成型品，而设定的温度、 压力、速度、时间、行程等机器成型参数的组合。在成型过程中，要想确立一 组最佳的成型条件决非易事，因为影响成型条件的因素很多，除制品的形状、 模具结构、注塑设备、原材料等之外，电压的波动，环境温度的变化对成型都 有一定的影响。合理的成型工艺是塑料成型的又一关键问题，对于提高塑件质 量有着重要作用。 1 3 注塑成型c a e 技术的发展及应用概况 1 3 1注射成型c a e 概念 c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 技术即计算机辅助工程技术，它是计算 机辅助设计计算机辅助制造( c a d c a m ) 技术向纵深方向发展的体现。尽管 c a e 技术目前还没有一个确切的定义，但一般认为它是一个包含数值计算技 术、数据库、计算机图形学、工程分析与仿真等在内的一个综合性软件系统， 其核心技术是工程问题的模型化和数值实现方法。注射模c a e 技术是c a e 技 术中一个重要的组成部分，它是根据塑料加工流变学和传热学等基本理论，建 立塑料熔体在模具型腔中流动、传热等的物理、数学模型，利用数值计算理论 构造其求解方法，利用计算机图形学技术在计算机屏幕上形象、直观地模拟出 实际成型中熔体的动态填充、冷却等过程，定量地给出成形过程中的状态参数 ( 如压力、温度、速度等) 。注射模c a e 技术可以在模具制造之前，在计算机 上对模具设计方案进行分析和模拟，预测设计中潜在的缺陷，为设计人员修改 设计提供科学的依据。应用注射模c a e 技术带来的直接好处是省时省力，减少 试模、修模次数，缩短模具设计制造周期，降低成本，提高产品质量。 美国于1 9 9 8 年成立了工程计算机模拟和仿真学会，其它国家也成立了类 似的学术组织。各国都在投入大量的人力和物力，加快人才的培养。正是各行 业中大批掌握c a e 技术的科技队伍推动了c a e 技术的研究和工业化应用， c a e 技术已经广泛应用于不同领域的科学研究，并普遍应用于实际工程问题， 在解决许多复杂的工程问题方面发挥了重要作用。 1 3 2 注射成型c a e 技术发展概况 注塑模c a e 技术( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 的运用是塑料成型加工及 模具设计发展过程中的一个重要里程碑【4 】。 早在5 0 年代，美国学者就对聚合物过程( 尤其是塑化挤出) 的数值模拟建模 作了一系列的研究工作，同期，瑞士的学者给出了有关挤出的重要模型。t a d m o r 和k l e i n 在书中首次给出了塑化挤出的完整模型，包括固体输送、塑化和熔体 输送等。 2 0 世纪6 0 年代，美国、英国、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 ( j l ：1 ) 、k k w a n g ( 美) 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，2 0 世纪6 0 年代 完成了一维流动与冷却分析程序，7 0 年代完成了二维分析程序，8 0 年代开展三 维流动与冷却分析并把研究扩展到保压分子取向以及翘曲预测等领域，进入9 0 年代以后开展了流动、保压、冷却、应力分析的注塑工艺全过程的集成化研究 f 5 】 0 c a e 技术的载体是软件产品，c a e 技术的核心内容是计算机模拟与仿真， 因此c a e 技术的发展主要体现在软件产品上。注塑模c a e 软件的发展经历了从 中面流技术到双面流技术再到实体流技术的三个重要的里程碑【6 j 。 ( 1 ) 中面流技术：于2 0 世纪8 0 年代开始应用。所谓中面就是提取的位于模 具型腔和型芯中间的层面来简化3 d 模型，用一维和二维的耦合算法来代替三维 计算。 ( 2 ) 双面流技术：于2 0 世纪9 0 年代后期诞生。双面流是指在制品的内外表面 产生有限元网格，而不是在中间面。与中面流技术相比在模型处理上大大减轻 了用户建模的负担，提高了有限元建模的效率。但由于上下网格无法一一对应， 造成上下对应表面的熔体流动前沿存在差别，使得双面流技术分析的准确性受 到一定的限制。此外，双面流技术也只是一种从中面流技术向实体流技术过渡 的手段。 ( 3 ) 实体流技术：在现实原理上与中面流相同，所不同的是数值分析方法有 较大差别。在实体流技术中熔体的厚度方向的物理量变化不再被忽略，这时只 能采用三维有限元网格，依靠三维有限差分法或三维有限元法对熔体的充模流 动进行数值分析。三维有限元模型分析已经成为注塑成型模拟发展的热点1 7 1 。 从二十世纪八十年代开始，注塑模c a e 技术从实验室阶段进入实用阶段， 目前国际上具有代表性的商品化软件有【8 - 9 】： ( 1 ) 美国m o l d f l o w 公司的m o l d f l o w ，该公司自l9 7 6 年发行了世界上第 一套塑料注射成型流动分析软件以来，一直主导塑料成型c a e 软件市场。2 0 0 0 年4 月，m o l d f l o w 公司收购了另一个世界著名的塑料成型分析软件c m o l d 。 m o l d f l o w 软件主要包括：m o l d f l o wp l a s t i c sa d v i s e r s ( 产品优化顾问，简称m p a ) 、 m o l d f l o wp l a s t i c sl n s i g h t ( 注塑成型模拟分析，简称m p i ) 、m o l d f l o wp l a s t i c s x p e r t ( 注塑成型过程控制专家，简称m p x ) 本文采用的是m o l d f l o wp l a s t i c s 4 i n s i g h t 。 ( 2 ) 德国i k v 研究所的c a d c a e 软件c a d m o u l d 。该软件主要包括模具 方案构思与设计软件l a y o u t & d e s i g n 、二维流动模拟f l o wp a t t e r nl a y f l a t 、三维 流动分析f i s t o 、二维冷却分析t h e r m a ll a y o u t 等。 ( 3 ) 美国s d r c 公司的i - d e a s 软件。该软件原为通用的机械c a d c a m 软件， 9 0 年代初，该公司开发注射成型流动和冷却分析软件，并与i - d e a s 集成，推出 适合注塑模的i d e a s 。 此外，还有美国g r a f t e k 公司、p r i m e c v 公司、p r i m e c a l m a 公司、 意大利p & c 公司和英国的d e l t ac a m 公司的注射模设计制造软件包。我国注塑 模c a e 技术研究始于2 0 世纪7 0 年代末，发展也很迅速。“八五”期间，由北京航 空航天大学、华中科技大学、四川联合大学等单位联合进行了国家重点科技攻 关课题“注塑模c a d c a e c a m 集成系统”，并于1 9 9 6 年通过鉴定，部分成果己 投入实际应用，使我国的注塑模c a d c a e c a m 研究和应用水平有了较大提 高。目前出现的拥有自主版权的软件有，华中科技大学开发的塑料注塑模 c a d c a e c a m 系统h s c 6 1 ，郑州大学研制的z m o l d 分析软件等。 1 3 3注塑模c a e 应用现状 近年来，随着对注塑成型c a e 技术研究的深入，c a e 模拟技术得到了越 来越广泛的应用，开展了成型过程流动、保压、冷却、应力应变及翘曲的全过 程模拟，将各独立模块有机地结合起来，考虑它们之间的相互影响，以提高模 拟软件的分析精度和扩大适用范围。这一阶段，随着商业c a e 软件的推出，对 于注塑成型过程的c a e 模拟以及进一步利用模拟结果进行注塑工艺参数的优 化，国内外学者都做了大量研究【l 肛1 6 】。 b a b u ro z e e l i k 和i b r a h i ms o n a t 以手机外壳为例，探究了注塑成型参数在塑 件不同厚度时对塑件翘曲度的影响情况【l0 1 。s h e n 等利用注塑成型c a e 分析软 件m o l d f l o w 分析a b s 、a b s p c 和m g 等材料不同的注塑成型过程【1 1 1 。w a na i z a n 和w a na b d u lr a h m a n 等通过m o l d f l o w 软件模拟窗框架结构的成型过程，通过 对流动、保压、冷却过程模拟结果的分析比较，选择出了较优的框架结构设计 【l2 1 。c h e n 等利用注塑成型c a e 模拟研究成型后塑件中的热残余应力【1 3 】。k e v i n a l a m 等基于稳健优化设计思想进行多模腔流动平衡研究，采用多目标遗传算法 优化独立变量的方案优化距离浇口最远处的二级分流道直径 1 4 1 。h q i a o 和 d e d i l m l a 等对模具的冷却系统进行了深入研究，h q i a o 是将灵敏性分析、基 于d f p 的新混合优化方法及模拟退火法等一系列新的优化方法运用到冷却优 化系统【l5 】：而d e d i l m l a 等研究了“顺形冷却回路”在注塑成型中的冷却作用， 结果表明可以减少循环时间，并且对塑件表面光洁度质量有很大改善【1 6 1 。 在国内，相关的专家学者及研发机构在注塑成型c a e 研究模拟方面同样取 得了极大的进步【l7 】 【2 9 1 。哈尔滨理工大学的孙干等人以钢骨架塑料复合管管件 三通为例，运用m o l d f l o w 软件对管件的注塑过程进行了模拟分析，研究了熔体 的流动情况，得出了填充时间、压力曲线、温度分布、熔接痕和气穴生成位置、 剪切速率等参数i l7 1 。重庆大学的陈亚娟等利用数值方法模拟了某型摩托车座垫 底板的注塑成型过程，分析了材料、注塑参数等对底板翘曲的影响引。江苏大 学汤彦近等借助流动模拟技术，分析壁厚突变的塑件在流动过程中易产生滞流 现象，根据研究得出浇口位置与滞流的关系，提出壁厚突变产品浇口的设计原 则【i9 1 。广西工学院的刘细芬和黄家广通过采用m o l d f l o w 软件对塑件的最佳浇 1 ：3 、填充、冷却、翘曲等注塑过程进行模拟分析1 20 1 。广西大学的于盛睿等以某 注塑产品为实例，利用m o l d f l o w 模拟分析软件，对不同浇口位置进行了流动模 拟分析，提出流动成型改进方案【z 1 1 。郑州大学的申长雨、余晓蓉等结合遗传算 法与c a e 充填模拟，引入等效流长的概念，将不同流动路径的等效流长差异的 算术平均值最小设为优化目标，实现流动平衡【2 引。大连理工大学的宋满仓等利 用正交试验方法( 田口方法) 进行充模试验和数值模拟技术研究各工艺参数( 注 射速度、注射压力、熔体温度、注射量和制品厚度等) 对超薄塑件注塑成形充模 过程的影响【2 3 1 。浙江工业大学的吕迅等应用m o l d f l o w 分析软件对空调外机网 罩进行注塑模拟分析以得到较佳的模具设计方案，并据此进行了注塑模具设计 与制造l z 引。昆明理工大学廖丕博基于c a e 研究手机面板一模两腔( 等体积) 浇e l 形式，分析得出采用潜伏式浇口可减少锁模力，但易产生较大内应力1 2 5 1 。 南京航空航天大学的左太平等人在用m o l d f l o w 进行风扇叶片的模拟成型【2 6 。 武汉理工大学朱春东利用m o l d f l o w 数值模拟分析软件，在对手机外壳进行浇口 定位分析和流动、保压、冷却分析，优化浇口位置和成型工艺条件的基础上， 分析了部分注塑工艺参数如保压压力、熔体温度、保压时间等对注塑件翘曲量 和体积收缩率的影响，为注射成型合理选择成型工艺参数提供了依据【2 7j 。四川 大学应用有限差分法和传热学的基本原理对无定形塑料矩形截面型材挤出冷却 过程建立三维非稳态数学模型，并作出了数值解答，能够求出冷却时间，并据 此确定了冷却水槽的长度【28 1 。南昌大学基于h e l e s h a w 流动模型，推导出顺序 共注射成型充填过程的数值模型；并引入厚度分数，采用控制体积法来实现运动 界面的追踪2 9 1 。 c a e 分析在一些其他的注塑成型过程中也得到了广泛的应用 3 0 3 8 j ， h u a n g y al i n 和w e n b i ny o u n g 讨论了具有微结构的塑件的充填成型过程，并 得到材料的流动能力是微注塑成型的关键【3 们。m i n g h u n gt s a i 等用c a e 软件 对微注塑成型的光导向盘进行了模拟分析并对其成型后的光学性能进行了探讨 【3 。c a nw e n g 等采用数值模拟法对显微镜镜头的精密注塑成型进行了模拟分 析，并得到影响其性能的主要因素( 残余应力) 总是容易出现在浇口附近【3 2 1 。 大连理工大学的郑伟和庄俭选用微型齿轮结构作为研究对象，在使用 6 m o l d f l o w 进行模拟分析的基础上，对微型齿轮注塑成型进行实验研究 3 3 】。l e i c h e n 讨论了气体辅助注射成型的c a e 模拟分析【3 4 1 。华南理工大学的姜爱菊和 吴宏武利用m o l d f l o w 软件对气体辅助注塑制品中玻璃纤维的取向情况进行了 模拟，分析了熔体温度、延迟时间、气体注入等因素对气体辅助注塑制品中玻 纤取向的影响p5 。南昌大学提出全新的气辅共挤成型工艺，通过数值模拟系统 研究了聚合物流变性能和工艺参数对气辅共挤成型界面不稳定性的影响规律 p 刚。中原大学机械工程研究所的陈夏宗等利用c a e 模拟技术以掌握高深宽比 之微流道模具温度变化情形，并获得实验验证【3 7j 。华南理工大学的麻向军和文 劲松利用t a g u c h i 实验方法，以数值模拟为手段，优化了气辅成型中气体的穿 透深度【38 1 。 注塑成型c a e 技术的广泛应用，对解决成型过程中出现的问题以及缩短成 型周期都起到了很大的帮助。但是由于目前对材料属性的了解以及注塑流动过 程的认识的局限性，注塑成型c a e 技术在在计算模型的准确度以及计算速度等 方面尚有待发展，目前，已经由一些专家学者从事这方面研究，并取得了一些 进展。 1 3 4注塑成型c a e 技术的研究概况和发展趋势 在过去的3 0 年里，计算机辅助工程方法得到了极大的发展，对聚合物加工 过程和设备的设计和分析都有相当大的影响。然而还应清楚地看到，控制聚合 物加工过程的物理化学现象是极其复杂的，很难精确地模拟，许多问题还没有 得到很好的解决，如粘弹性问题、自由表面问题、一些复杂的缺陷分析、三维 的纤维取向等。 随着注射成型c a e 技术的广泛应用，越来越多的学者在不断的追求更准确 的c a e 模型，期望得到更精准快速的模拟结果【3 9 4 3 1 。西北工业大学的崔鸱等 人将l e v e ls e t 算法和同位网格有限体积法进行耦合，模拟了注塑成型充填阶段 的三维流动过程，准确追踪到了不同时刻熔体前沿界面，预测并分析了流动过 程中不同时刻的压力、速度等重要流动特征【3 9 1 。郑州大学橡塑模具研究中心的 田中等人简化了粘性、可压缩、非等温塑料熔体流动的控制方程及基于 p t t ( p h a nt h i e nt a n n e r ) 模型的本构方程，用分部积分法推导了关于压力场的拟 p o i s s o n 方程，用待定系数法导出了流动应力的解析表达式【4 0 1 。南昌大学的江 顺亮等人阐述了注塑分析的基于h e l e s h a w 假设四边形单元控制体积法【4 1 1 。华 中科技大学的崔树标，周华民等提出了边界元容错处理算法，解决了在注塑模 冷却模拟过程中由各种c a d 模型生成的求解域表面网格s t l 文件往往存在多 种缺陷和错误，导致边界元矩阵形态变差，所得到的方程组难以收敛甚至无法 求解的情况1 4 2 。郑州大学国家橡塑模具工程中心的吴海宏等为了提高注塑内应 力计算的可靠性，利用粘弹性力学理论建立了新的注塑制品内应力计算的四元 7 件串联力学模型，并推导了其瞬态粘弹性响应的非线性本构方程【4 3 1 。 随着对注塑成型c a e 技术研究的不断发展以及实际生产对c a e 技术要求的 不断提高，目前c a e 技术的发展已经开始面向注塑模c a e c a d c a m 软件开放 性的研究和注塑成型过程全过程模拟的完善及模拟精度的研究。 1 4 课题来源及研究内容 1 4 1 选例一 ，课题来源 学校自制仪器设备项目 二，研究对象及研究内容 研究对象是齿形顶出器塑件，此塑件总体壁厚较大，存在局部薄壁区域， 在c a e 模拟中探究适合此塑件充填成型的计算模型，并通过成型工艺参数优化 改善薄壁区域充填料流的熔接问题。 1 4 2选例二 一，课题来源 合肥华隆模具公司。 二，研究对象及研究内容 研究对象是洗衣机后罩板塑件，针对此薄壁件在注塑成型中易出现翘曲问 题，从优化模具设计和注塑成型参数两方面改善塑件的翘曲量。 1 4 3本课题研究的目的意义 目前大多数学者对于注塑成型过程的研究主要基于中面模型和表面模型， 本课题的选例一中所探讨的齿形顶出器塑件的注塑成型模拟是基于三维网格技 术进行模拟分析，对此类非薄壁件的注塑成型分析有利于推动三维网格技术的 应用，也有利于认识三维网格技术对于注塑流动分析的极大优势。此塑件的细 节特征是存在局部薄壁，壁厚差异比较明显，这种结构在注塑成型中易在薄壁 区域出现熔接缺陷，因此对塑件中熔接区域的形成原因以及通过优化注塑成型 参数优化塑件质量对研究此类塑件中的流动特征有重要作用。选例二的洗衣机 后罩板的成型模拟是薄壁塑件的注塑成型过程，由于中面模型和表面模型对于 薄壁塑件成型分析已经相对成熟，在此塑件的成型模拟中选择了表面网格技术。 此塑件由于外观几何尺寸较大，易在成型中出现翘曲问题，对于翘曲问题的优 化处理，目前的研究主要基于注塑成型参数的优化和冷却系统的优化，本例中 考虑从塑件的模具结构设计之初即引入c a e 分析，选择优化的模具设计结构， 并结合材料本身p v t 属性，控制塑件注塑成型中的保压曲线设置来对此塑件的 8 成型过程进行控制，优化塑件的最终翘曲质量。本课题引入表面网格技术和三 维网格技术分别探讨两个塑件的注塑成型，对于了解c a e 技术在各类注塑成型 中的作用有重要意义。 9 第二章注塑成型c a e 模拟的理论基础 注塑成型是一个相当复杂的物理过程，非牛顿塑料熔体在压力驱动下通过 流道、浇口向较低温度的型腔充填，熔体一方面由于模具传热而快速冷却，另 一方面因高速剪切产生热量，同时伴随有熔体固化、体积收缩、分子取向和可 能的结晶过程。本章主要介绍有关注塑成型模拟的理论基础。 2 1塑料材料的基本性质 2 1 1塑料的组成及分类 塑料是一种以树脂为主要成分，加入各种能够改善其加工及使用性能的添 加剂，在特定温度、压力等条件的作用下，能够制成设计要求的形状，并可在 常温、常压下保持此形状的一类高分子材料。塑料一般在常温下是玻璃态，若 加热则变为高弹态，进而变为粘流态，此时具有优良的可塑性。在塑料成形过 程中，除极少数几种工艺外，均要求塑料处于粘流态。 树脂是塑料的主要成分，它决定着塑料的基本性能。树脂按其来源可分为 天然树脂和合成树脂。天然树脂来自大自然，如蛋白质和琥珀等。合成树脂的 种类繁多，但塑料工业经常使用的树脂主要有几十种。除树脂外，绝大部分的 塑料中还需加入各种添加剂以改善其加工及使用性能。常用的添加剂种类有增 塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、阻燃剂、填料及发泡剂等。 塑料的种类很多，尚未有明确的分类标准。目前常用的分类方法是按塑料 材料受热后的性能表现不同，分为热塑性塑料和热固性塑料，其中热塑性塑料 发展最快、产量最多、用途最广。 1 、 热塑性塑料：热塑性塑料的特点是受热变软或熔化，成为可流动的稳 定粘稠液体，在此状态下具有可塑性，可塑制成一定形状的塑件，冷却后保持 既得的形状，再加热又可变软并制成另一形状。在该过程中一般只有物理变化， 其变化过程可逆。常用的热塑性塑料有：聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和a b s 等。迄今为止，除氟塑料外，几乎所有的热塑性塑料都可用注塑成型。 2 、热固性塑料：热固性塑料在加热之初，分子呈线形结构，具有可溶性 和可塑性，可塑制成一定形状的塑件，继续加热时，温度达到一定程度后，分 子呈网状结构，树脂变成不溶或不熔的体形结构，使形状固定下来不再变化； 再加热，也不再软化不再具有可塑性。在加热变化过程中既有物理变化，又有 化学变化，因而其变化过程是不可逆的。常用的热圃性塑料有酚醛树脂和环氧 树脂等。近年来，某些热固性塑料也可用于注塑成型。 2 1 2热塑性塑料的基本性能 l o 塑料的流动性是比较塑料成型加工难易的一项指标，流动性好的塑料容易 充满复杂的型腔，获得精确的形状。塑料的流动性不仅依赖于成型条件，而且 还取决于塑料材料的性质，如比热容、热传导率、密度、结晶和取向性能等。 这些性能直接影响其变形和流动行为，在一定程度上决定着注塑成型工艺，影 响着制品质量。 塑料熔体的流变性对塑料的成型加工有着极为重要的影响。塑料熔体在运 动时，对相邻两层流体间的相对运动是有抵抗力的。流体所具有的这种抵抗流 体的相对滑动速度或相对变形的性质称为粘性。在注射成型过程中，熔体粘度 除受到温度和压力影响外，还受到剪切速率的影响，呈现“剪切变稀”效应。生 产中必须根据塑料材料的结构性能，选择最佳的注射温度、注射压力、注射速 率以及模具结构等加工条件，以保证塑料熔体不致因粘度过大而影响流动成型， 同时，也不会因粘度过小而影响制品的成型质量。 粘弹性是塑料在加工中表现出的另一个重要性质，塑料熔体流动和变形时 的弹性行为常常会使熔体在模腔内流动时产生端末流动和失稳流动等问题，最 终导致制品产生变形扭曲以及熔体破裂等成型缺陷。熔体的弹性变形与粘性变 形均与时间有关，其应变