（材料加工工程专业论文）快速热循环注塑成型过程数值模拟与工艺参数优化研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 注射成型作为塑料加工中重要的成型方法之一，在国民经济的各个领域都有 广泛的应用。但随着塑料制品应用的日益广泛，人们对塑料制品精度、形状、功 能、成本等提出了更高的要求，传统的注射成型工艺已难以适应这种要求。 快速热循环注塑成型( r a p i dh e a t i n gc y c l em o l d i n g ，r h c m ) 新技术是一种 无熔接痕、高光洁度的塑料成型技术，可获得外观优越的塑料制品，例如：无熔 接痕、无流痕、无银线，具有高光泽度，塑料制品表面不暴露玻璃纤维等强化添 加剂，转印效果佳，物理性能提高等。可达到近乎于目前平板电视采用的有机玻 璃保护屏的效果，甚至可以用来直接制作平板电视前壳，取代喷涂及粘贴保护屏 等方法。使用该技术不但可以直接降低塑料制品的成本，还可以大量减少喷涂量， 甚至可以取消喷涂工艺，省去或节省昂贵的二次加工费用，大大降低生产成本， 显著减少因喷涂造成的环境污染。 针对快速热循环注塑成型技术的工艺要求，研究了其工艺原理和技术特点， 介绍了实现模具快速加热的常用方法。研究提出了采用高温高压水蒸汽加热冷 却水冷却实现模具快速加热和快速冷却的快速热循环注塑模具温度动态实时控 制方法与关键技术，从机理和原理研究上为该工艺的工程应用奠定了基础。介绍 了蒸汽加热快速热循环注塑系统的构成，分别对高温蒸汽源、冷却水源、压缩空 气源、模温控制系统、注塑机和模具及工艺监控系统进行了简要分析。 以海信t l m 4 6 v 6 9r h c m 液晶电视机前壳为研究对象，结合r h c m 注塑工 艺的特点，研究了其注塑成型过程有限元分析的建模技术。结合实际生产情况， 经过理论分析和计算，对t l m 4 6 v 6 9r h c m 液晶电视机前壳的r h c m 注塑模具 的加热冷却布局、管道直径等进行了设计计算、确定了分析时的加热冷却介质 与模具间的热交换系数，建立了与塑料熔体真实流动行为吻合的三维流动模型。 模拟研究了r h c m 注塑充模过程、保压过程、冷却过程、塑件收缩与翘曲 变形，研究得到了熔体温度、模具温度、保压压力、保压时间、注射时间、冷却 时间等工艺参数对高光塑件质量的影响规律。研究发现，r h c m 注塑工艺在注 射和保压阶段模具温度保持较高，熔体的黏度降低，可使塑料熔合成形过程中处 于完全熔合状态而不产生熔接痕，并且减少充填时的流动阻抗，降低压力损失， 减小制件的翘曲变形量。同时，r h c m 成型中，注射压力小，冷却后塑件的内 山东人学硕上学位论文 应力小，同时剪切应力和剪切速率降低，改善了熔体流动行为，可提高塑件结晶 度及获得较均匀的结构，提高塑件的表面硬度。 确定了影响r h c m 注塑工艺的六个主要参数：熔体温度、模具温度、注射压 力、注射时间、保压时间、保压压力，并对各参数选取了五个水平，设计了正交 试验表。模拟得到各工艺参数对翘曲量的影响的重要程度为：保压压力 保压时 间 冷却时间 注射压力 熔体温度 模具温度。分析得到了最优的工艺组合，即 当熔体温度为2 3 6 、模具温度为1 1 0 、注射时间为3 5 s 、保压时间为2 0 s 、冷却 时间为5 0 s 、保压压力为8 0 时，塑件的翘曲变形最小。根据优化结果，设计制 造了平板电视机生产用模具。根据优化分析所得的最佳方案，制定了生产工艺参 数和工艺卡片，在海天h t f l 5 0 0 x 注塑机上进行了试模生产，得到了合格的电视 机前壳高光塑件，验证了本文优化分析所得方案的正确性。 在对快速热循环注塑成型进行数值模拟和参数优化的基础上，对成型模具中 使用的热流道进行了热平衡分析。根据r h c m 注塑模具的热流道系统的加热方式 和加热元件的相关参数，建立了热流道系统中流道板和喷嘴两个关键部件的三维 热力耦合有限元分析模型，对其在加热过程中的温度场和变形场进行了分析。根 据温度分布和变形情况，优化了流道板和喷嘴的加热元件布局，使流道板和喷嘴 的温度与变形分布基本均匀，并且呈对称分布。 关键词：快速热循环；注塑成型；数值模拟；参数优化；正交试验；热流道 i l 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n tm e t h o do fp l a s t i cm o l d i n g ，p l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s si s aw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nt h ev a r i o u sa r e a si nt h en a t i o n a le c o n o m y h o w e v e r , 埘t 1 1t h ea p p l i c a t i o no fp l a s t i cp r o d u c t sb e c o m e sm o r ee x t e n s i v e ，t h e r ew a sah i g h e r d e m a n do na c c u r a c yo fp l a s t i cp r o d u c t s ，s h a p e ，f u n c t i o na n dc o s t s ot l l 巩t h e t r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sh a sb e e nd i f f i c u l tt oa d a p tt os u c har e q u e s t r a p i dh e a t i n gc y c l em o l d i n gt e c h n o l o g yi san e ws c a r - f r e ew e l d i n ga n dh i g h s m o o t h n e s so ft h ep l a s t i cm o l d i n gt e c h n o l o g y ，s u p e r i o ra c c e s st ot h ea p p e a r a n c eo f p l a s t i cp r o d u c t s s u c ha s ：n ow e l dl i n e ，n of l o wm a r k s ，n os i l v e rl i n e ，谢t l lh i 曲一g l o s s ， t h es u r f a c eo fp l a s t i cp r o d u c t sn o tt oe x p o s et h es t r e n g t h e n i n ga d d i t i v e ss u c ha sg l a s s f i b e r , t h eg o o de f f e c t i v e n e s so ft r a n s f e r , a n dt h eh i g h e rp h y s i c a lp r o p e r t i e sa n ds oo n i tc a nb ea c h i e v e dt h ee f f e c t i v e n e s sa l m o s to ft h ep e r s p e xp r o t e c t i o ns c r e e nw h i c hi s u s e di nt h ec u r r e n tf l a t - p a n e lt e l e v i s i o n i te v e nc a nb eu s e dt od i r e c t l yp r o d u c tt h e s h e l lo ff l a t - p a n e lt e l e v i s i o nw h i c hc a nb er e p l a c i n ga n ds p r a y i n gm e t h o d ss u c ha s p a s t et op r o t e c ts c r e e n t h eu s eo f t h et e c h n o l o g yn o to n l yc a nd i r e c t l yr e d u c et h ec o s t o fp l a s t i cp r o d u c t s ，b u ta l s or e c e i v es i g n i f i c a n tr e d u c t i o ni nt h ev o l u m eo fs p r a y ，o r e v e na b o l i s ht h es p r a y i n gp r o c e s s nc a ns a v et h eh i g hc o s to fs e c o n d a r yp r o c e s s i n g ， t h e nr e d u c ep r o d u c t i o nc o s t sg r e a t l y ，w h i c hc a no b t a i nas i g n i f i c a n tr e d u c t i o ni n e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nc a u s e db ys p r a y i n g i na c c o r d a n c ew i t l lt h er e q u i r e m e n t so fr a p i dt h e r m a lc y c l i n gi ni n j e c t i o n m o l d i n gt e c h n o l o g y , t h i sp a p e r s t u d i e si t sp r o c e s s p r i n c i p l e a n dt e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，t h e ni n t r o d u c e st h ec o m m o nm e t h o dt oa c h i e v ef o rt h ed i ef a s t h e a t i n g r e s e a r c hp r o p o s e dr a p i dt h e r m a lc y c l ei n j e c t i o nm o l dt e m p e r a t u r ec o n t r o l m e t h o df o rr e a l t i m ed y n a m i ca n dk e yt e c h n o l o g i e sw h i c hu s e dh i g ht e m p e r a t u r ea n d l l i g hp r e s s u r ew a t e rv a p o rh e a t i n g c o o l i n gw a t e rc o o l i n gt oa c h i e v er a p i dm o l d h e a t i n ga n dr a p i dc o o l i n g ，w h i c hl a i dt h ef o u n d a t i o nf o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n sf r o m t h es t u d yo ft h em e c h a n i s ma n dp r i n c i p l ef o rt h ep r o c e s s t h i sp a p e ri n t r o d u c e s c o m p o n e n t so fr a p i dt h e r m a lc y c l i n go fs t e a mi n j e c t i o nh e a t i n gs y s t e m ，a n dg i v e sa b r i e fa n a l y s i so ft h es o u r c eo ft h eh i g h t e m p e r a t u r es t e a m ，c o o l i n gw a t e r , c o m p r e s s e d i i i 山东大学硕i ：学位论文 a i rs o u r c e ，m o l dt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m s ，i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ea n dm o l d a n dp r o c e s sm o n i t o r i n gs y s t e m a st h er e s e a r c ho b je c ts h e l l ，h i s e n s el c dt l m 4 6 v 6 9r h c mi nf r o n to ft h e t e l e v i s i o nc o m b i n e sc h a r a c t e r i s t i c so fr h c mi n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s ，t h e n r e c e i v e dt h em o d e l i n gt e c h n i q u e so fi n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s so fi t sf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s i nl i g h to ft h ea c t u a lp r o d u c t i o ns i t u a t i o na n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o n ，t h i sp a p e rc a l c u l a t e dl c dt vt l m 4 6 v 6 9r h c ms h e l lr h c mi n j e c t i o n m o l dh e a t i n g c o o l i n gl a y o u t ，p i p ed i a m e t e r , e t c s ot h a ti td e t e r m i n e dh e a te x c h a n g e c o e f f i c i e n tb e t w e e nt h eh e a t i n g c o o l i n gm e d i u ma n dm o l d si nt h i sa n a l y s i s ，t h e n e s t a b l i s h e dt h et h r e e - d i m e n s i o n a lf l o wm o d e lw h i c hc o i n c i d e sw i t l lt r u ep l a s t i cm e l t f l o wb e h a v i o r s i m u l a t i o ng i v e dt h el a wt h a tm e l tt e m p e r a t u r e ，m o l dt e m p e r a t u r 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 ，i n j e c t i o nt i m e ，c o o l i n gt i m es u c hp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h e h i g ho p t i c a lq u a l i t yo fp l a s t i cp a r t s w h i c hi sr e c e i v e da c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h e a n a l y s i ss u c ha sp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，l o c a t i o no fw e l dm a r k s ，w a r p a g e ，i n t e m a l s t r e s s t h es t u d yf o u n dr h c mi n j e c t i o np r o c e s sm a i n t a i nah i g hm o l dt e m p e r a t u r ei n t h ei n j e c t i o na n dh o l d i n gp r e s s u r ep h a s e ，l o w e rm e l tv i s c o s i t y , w h i c he n a b l et h e p l a s t i cf o r m i n gp r o c e s so ff u s i o ni nas t a t eo fc o m p l e t ef u s i o nw e l dw i t h o u tt r a c e ，a n d r e d u c et h ef l o wi m p e d a n c ea tt h et i m eo ff i l l i n g ，r e d u c ep r e s s u r el o s sa n dt h ea m o u n t o fw a r p a g eo ft h ep a r t s m o r e o v e r , m o l d i n gr h c m ，s m a l li n j e c t i o np r e s s u r ea n d i n t e r n a ls t r e s so fp l a s t i cp a r t sa f t e rc o o l i n g , d e c r e a s e ds h e a rs t r e s sa n ds h e a rr a t e ， w h i c hi m p r o v e dm e l tf l o wb e h a v i o r , s ot h a tt oi m p r o v ec r y s t a l l i n i t ya n dam o r e u n i f o r ms t r u c t u r eo fp l a s t i cp a r t s ，t h e ni m p r o v et h es u r f a c eh a r d n e s so fp l a s t i cp a r t s s i m u l a t i o nd e t e r m i n e dt h ee f f e c t so fi n j e c t i o nm o l d i n g p r o c e s sr h c m s i xm a j o r p a r a m e t e r s ：m e l tt e m p e r a t u r e ，m o l dt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o np r e s s u r e ，i n j e c t i o nt i m e ， p a c k i n gt i m e ，p a c k i n gp r e s s u r e a n di ts e l e c t e dt h ef i v el e v e l sf o re a c hp a r a m e t e r , t h e nd e s i g n e do r t h o g o n a lt e s tt a b l e s i m u l a t i o nh a sb e e nr e c e i v e dt h el e v e lo f i m p o r t a n c eo ft h ei m p a c tt h a ta m o u n to fp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ew a r p a g ea s f o l l o w s ：p r e s s u r ep r e s s u r e p r e s s u r et i m e c o o l i n gt i m e i n j e c t i o np r e s s u r e m e l t t e m p e r a t u r e m o l dt e m p e r a t u r e a f t e ra n a l y s i s ，i tg i v e st h eo p t i m a lc o m b i n a t i o no f 山东大学硕士学位论文 t e c h n o l o g y , t h a ti s ，w h e nt h em e l tt e m p e r a t u r eo f2 3 6 ，m o l dt e m p e r a t u r eo f110 ， i n j e c t i o nt i m eo f3 5 s ，t h et i m ep r e s s u r ef o rt h e2 0 s ，t h ec o o l i n gt i m eo f5 0 s ，p a c k i n g p r e s s u r e8 0 ，w a r p a g eo fp l a s t i cm i n i m u m ，w h i c hi s c o n t r i b u t e dt od e s i g na n d m a n u f a c t u r eo ff i a t p a n e lt vp r o d u c t i o nm o l d t h eb e s to p t i o n sw h i c hh e l p st o d e v e l o pt h ep r o d u c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r sa n dp r o c e s sc a r d ，a d d i t i o nt ot h et e s tm o d e p r o d u c t i o nh a sb e e nh a p p e n e do nt h e nh t fi5 0 0 xh a i t i a ni n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ， w h i c hh a v eb e e nc o n t r i b u t e dt op r e - q u a l i f i e dt vh i g h l i g h ts h e l lp l a s t i cp a r t s ，t h e n v e r i f i e dt h ec o r r e c t n e s so ft h eo p t i m i z a t i o na n a l y s i sp r o g r a mi nt h i sp a p e r i nt h eb a s i so ft h en u m e r i c a is i m u l a t i o no fr a p i dt h e r m a lc y c l i n gi ni n j e c t i o n m o l d i n ga n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ，t h i sp a p e rm a k e sah e a tb a l a n c ea n a l y s i so fh o t r u n n e rw h i c hi su s e di nt h em o l d a c c o r d i n gt ot h eh e a t i n gs t y l eo ft h eh o tr u n n & s y s t e ma n dr e l e v a n tp a r a m e t e r so fh e a t i n ge l e m e n t so ft h er h c mi n j e c t i o nm o l d ，t h e s i m u l a t i o ne s t a b l i s h e dt h r e 它- d i m e n s i o n a lt h e r m o m e c h a n i c a lc o u p l e df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm o d e lo ft w ok e yc o m p o n e n t so ft h eh o tr u n n e r , t h a ti s ，t h er o o tp l a t ea n dt h e n o z z l ef l o w f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h et e m p e r a t u r ef i e l da n dd e f o r m a t i o n f i e l di nt h eh e a t i n gp r o c e s so ft h i sm o d e l a c c o r d i n gt ot e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n d d e f o r m a t i o n ，t h em o d e lo p t i m i z e dt h eh e a t i n ge l e m e n t sl a y o u to ft h er o o tp l a t ea n dt h e n o z z l ef l o w , w h i c hh e l p e dt or e a c ht h eb a s i cu n i f o r mo fi t st e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n a n dd e f o r m a t i o n ，a n dt h ed i s t r i b u t i o nw a ss y m m e t r i c a l k e yw o r d s ：r a p i dt h e r m a lc y c l i n g ；i n j e c t i o nm o l d i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；h o tr u n n e r v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名忍! l ! 亟蠲 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名撇新躲畔日 期： 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 随着塑料工业的迅速发展，塑料制品被广泛应用于各行各业，渗透到人们生 产生活的各个方面。注射成型作为塑料加工中重要的成型方法之一，在国民经济 的各个领域都有广泛的应用。但随着塑料制品应用的日益广泛，人们对塑料制品 精度、形状、功能、成本等提出了更高的要求，传统的注射成型工艺已难以适应 这种要求。如何获得高质量的塑件成为工程中需要迫切解决的问题。 近年来，为了解决常规注塑制品的缺陷问题，一种新的技术快速热循环 注塑成型( r a p i dh e a t i n gc y c l em o l d i n g ， r h c m ) 新技术在国外悄然兴起，快 速热循环注塑成型新技术是一种无熔接痕、高光洁度的塑料成型技术，可获得外 观优越的塑料制品，可达到近乎于目前平板电视采用的有机玻璃保护屏的效果， 甚至可以用来直接制作平板电视前壳，取代喷涂及粘贴保护屏等方法。使用该技 术不但可以直接降低塑料制品的成本，还可以大量减少喷涂量，甚至可以取消喷 涂工艺，省去或节省昂贵的二次加工费用，大大降低生产成本，显著减少因喷涂 造成的环境污染。 1 2 快速热循环注塑成型技术 在快速热循环注塑成型中，首先将注塑模具的型腔或模芯快速加热至聚合物 的热变形温度，约1 2 0 c ；然后将聚合物注射到模具型腔中，在注射和保压过程 中一直保持模具或模芯的温度；最后快速冷却模具型腔或模芯，当模具温度被冷 却到一定程度后，大约冷却到3 0 ，打开模具并取出注塑产品，从而完成一个注 塑成型循环。然后再快速加热型腔或模芯，进行下一个塑料制品的注塑。对模具 进行升温和冷却均在很短的时问内完成，因此，快速热循环注塑成型新技术的生 产效率与常规注塑成型的效率几乎相当，不会因为加热、冷却而影响注塑成型的 生产效率。 图1 1 给出了常规注塑技术和快速热循环注塑技术的工艺原理比较及其模具 温度控制曲线。在常规注塑成型中，由于受到成型周期的限制，采用了模温基本 恒定的控制策略，模具温度相对较低( 一般小于8 0 ) 。在成型过程中，低模 温将会导致聚合物熔体在充模流动过程中伴随着冷却的发生，因提前冷却而在型 山东大学硕士学位论文 腔壁形成的冷凝层会阻碍熔体的流动，降低熔体的充模能力和转印能力。因此， 常规注塑成型技术很难应用于成型透明度较高的光学产品、表面具有微结构的塑 件、强度较高的复合材料制品以及流长比较高的超长薄壁件或大型覆盖件等。另 外，聚合物熔体过早的冷却还将极大降低产品成型质量。一般涉及注塑成型质量 的要素有：外观性的、尺寸精确度性的、功能性的内容等1 1 。具体包括： l 加热高温保持冷却：低温保持塑料玻璃化转变温度 r 一一 1 塑件顶m 温度( | | l 、- _ - ，i _ 。 台模注射保压冷却开模项出 工z 越程 1 ：快速热循环注塑模温变化曲线：2 ：常规注塑模温变化曲线 图1 - 1 快速热循环注塑工艺原理及其模具温度控制曲线 ( 1 ) 外观性缺陷：凹痕、银纹、变色、黑斑、流痕、焦痕、熔接痕、泛白、 表面气泡、分层、龟裂、外观浑浊等； ( 2 ) 工艺问题：充填不足、分型面飞边过大、流道粘模、不正常顶出等； ( 3 ) 性能问题：变脆、翘曲、应力集中、超重欠重( 密度不均匀) 等； 在成型材料、成型条件、模具结构、制品设计等方面采取合理的措施，可以 有效地消除上述的部分缺陷，改善塑件的成型质量，但是对于熔接痕和注塑件经 常出现的流痕、银线、表面灰暗无光泽等问题却往往得不到根本的解决。尤其是 在复杂塑件和外观件中，熔接痕导致塑件强度下降，而且显著影响制品的外观【2 】， 成为阻碍复杂塑件和外观件质量提升的重要因素。近几年来，气辅、水辅等注塑 成型技术的出现在一定程度上提高了熔体的充填能力，使得可以成型大流长比的 塑料制品，但是它们并没有从本质上改变聚合物熔体的填充环境，制品的表面缺 陷，如熔接痕等仍然无法彻底解决。 与常规注塑工艺不同，快速热循环注塑可根据各工艺阶段的特点，随时调整 模具温度。在射胶之前，将模具型腔表面加热至工艺要求的温度值，一般来讲， 2 山东大学硕士学位论文 应当高于聚合物的玻璃化转变温度，然后开始注射；在熔体充模流动过程中，模 具温度始终保持在一个相对较高的水平上：随后在保压阶段的后期或注塑机开始 溶胶时，快速冷却已定型的聚合物熔体，以便于开模取出制件。由于采用了高温 注塑技术，射胶时需要较高的模具温度，如果采用常规的加热、冷却方法，势必 会延长成形周期，所以快速热循环注塑需要采用快速加热和快速冷却技术。 与传统的注塑工艺比较，快速热循环注塑工艺采用了动态的模温控制策略， 使得塑料熔体可以在较高的模温下充填型腔，从而大大改善了塑料熔体的流动行 为，同时也极大地提高了保压的压实补缩作用，从而极大的提高了注塑制件的品 质。快速热循环注塑具有常规注塑无法比拟的优势，这主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 消除产品表面熔接线，熔接痕，波纹，银丝纹； ( 2 ) 彻底消除塑件表面缩水现象； ( 3 ) 提高产品表面光洁度，使制件表面光洁度可达到镜面效果，彻底解决加 纤产品表面的浮纤现象，如图1 2 所示； ( 4 ) 提高产品品质和强度，可以大大降低厚壁件的注塑成型周期： ( 5 ) 可以在模具设计中更加自由的选择浇口位置，降低流动分析的必要性； ( 6 ) 注塑件内部压力平稳，无弯曲或变形，减小退火效应的影响； ( 7 ) 便于有机分解材料的成型( 缩短成型周期和晶体化) ； ( 8 ) 由于可以消除喷射、波纹、银条纹，使得成型条件的可选择性更广； ( 9 ) 由于提高了流动性，该工艺可以成形超薄壁件； 图1 3 给出了采用两种注塑工艺注塑成形的塑料制品。从图中可以看出，快 速热循环注塑工艺成型的塑件表面不但没有熔接痕，而且表面的光泽度也明显优 于常规注塑制品，所以快速热循环注塑又称之为高光无熔痕注塑成型技术。快速 热循环注塑之所以可以解决加纤产品表面的浮纤现象，其主要原因就是在较高的 模具温度下，塑料熔体进入模具型腔后，聚合物温度不下降，其流动性仍然很好， 完全可以将纤维包覆其中，从而获得光洁的注塑产品。 为获得合格的高光塑件，在快速热循环注塑成型中必须解决模具温度控制系 统、工艺控制技术、模具设计方法等诸多问题。其中快速热循环注塑成型工艺控 制技术是获得优良塑件的前提，必须解决快速热循环注塑成型工艺参数的优化和 调控。 3 m 求人学m ll 学位* 卫 霭二沁：! 公之 j 、 1 0 4 ；d 其中，n u 为努赛尔数，p r 为普朗特常数，r e 为雷诺数，l 为管子的长度， d 为管子的直径。 ( 3 ) 冷却水孔直径的计算 1 ) 被传导进模腔内的总热量 传导进模腔内的总热量应为： q = n h g ( 3 1 ) 式中刀每小时注射次数； 办塑料熔体进入模腔时( t l m a x ) 及冷却结束时( t l m i n ) 塑料热熔之差， 即比焓，k j k g , g 每次注射量，k g 。 2 ) 通过自然冷却传导走的热量 由对流所散发走的热量 q c = 4 1 8 7 ( o 2 5 十旦t 2 + 3 0 0 、1 ) f ( k 科乃2 ； 式中f - 模具表面积，m 2 。 疋m 模具平均温度，； 瓦一室温，。 从开模取出制件到闭模这段时间内，因分型面及成型腔表面上也都会散发出 热量，故f 值应由下式求得 f = f + f w i - 式中f 模具四侧面积，m 2 ； ，。模具对合面面积，m 2 ； t - ( o + 9 7 ) f = 山东大学硕士学位论文 p 注射时间，s ； a 7 制件冷却时间， 由辐射散发走的热量 蚪o s n ( 警) 4 一( 等) 4 3 ， 式中f 模具四侧面( 辐射) 面积，m 2 ； s 辐射率，磨光表面s = 0 0 4 0 0 5 ，一般j 口- v 面s = 0 8 0 , - - 0 9 0 ，毛坯表 面s = 1 0 。 向注塑机工作台面所传递的热量 骁= 3 6 a f ”( 瓦，一t o ) ( 3 4 ) 式中f 。模具与工作台接触面积，m 2 ； a 传热系数，可使用以下经验值：普通钢a = 1 4 0 w ( r n 2 ) ，合金钢 a = 1 0 5w ( m 2 ) ，铜合金a = 1 6 3w ( m 2 ) 。 从模腔中带走的总热量 由以上分析可知，应从模具中带走的总热量q 2 为 鲛= q 一( q + g + 骁) ( 3 5 ) 根据模具工作过程的实际，q 应分别由凹模和凸模的冷却系统带走，因此 将此热量分解为q g 和q t 两部分。因为凸模需强化冷却，故将需由冷却水带走 总热量q 的大部分分配给凸模，少部分分配给凹模，定量表示为 q 耳= 0 4 q ：l 0 2 k2o 6 q 2j ( 3 6 ) ( 4 ) 求冷却水孔直径 首先确定水孔入口和出口的温度，计算所需冷却水流量： 矿： 望i c p p ( 互。，一瓦，。) ( 3 7 ) m 东大学碘十学位论文 式中矿昕需冷却水的体积流量，卅3 m i n q 水的比热容，i o 保压时间 冷却时间 注射压力 熔体温 度 模具温度。 表4 3 工艺参数对翘曲量的影响数据分析 a b cd ef k i _ y i l + k l2 9 6 2 73 0 1 1 93 3 3 6 03 9 0 4 23 3 2 4 13 8 5 6 4y i 2 + y i 3 + y i k 2 2 8 1 0 82 8 7 1 23 0 3 4 72 9 6 9 73 2 3 8 93 2 1 7 0 4 + y i 5 + y i 6 l ( 32 7 9 4 73 0 0 4 83 0 2 7 6 3 0 6 7 1 2 9 3 9 13 1 6 4 5 v i i 是第i 个 k 43 0 4 0 12 9 0 2 82 9 2 2 02 4 4 5 l2 4 8 4 l2 6 4 0 6因子第j 水 k 5 3 1 6 2 5 2 9 1 7 52 6 7 4 12 8 1 2 52 7 7 4 52 7 6 2 9 平的目标函 k l4 9 3 85 0 2 05 5 6 06 5 0 75 5 4 06 4 2 7 数值，即塑 k 2 4 6 8 54 7 8 55 0 5 84 9 5 0 5 3 9 8 5 3 6 2 件翘曲量 k 34 6 5 85 0 0 85 0 4 65 1 1 24 8 9 95 2 7 4 z ，r 是级 k 45 0 6 74 8 3 84 8 7 04 0 7 5 4 1 4 0 4 4 0 1 差。 k i = k i 6 k 55 2 7 14 8 6 34 4 5 74 6 8 84 6 2 44 6 0 5 r0 3 8 00 2 3 51 1 0 32 4 3 2 1 4 3 0 2 9 排序 564231 由于本试验设计以减小翘曲变形作为单一优化目标，故使用品质特性评价方 式中的望小特性，即翘曲变形愈小，塑件的品质愈佳。 根据表4 3 可分析得出a 3 8 2 c 5 d 4 e 4 f 4 为最优的工艺组合，即当熔体温度为 2 3 6 、模具温度为1 1 0 c 、注射时间为3 5 s 、保压时间为2 0 s 、冷却时间为5 0 s 、 保压压力为8 0 时，塑件的翘曲变形最小。为了验证预测结果，采用优化的工艺 参数组合再次进行c a e 模拟试验，分析结果如图4 2 所示。分析结果表明，最大 4 3 m 求人 m i 学位论文 翘曲值减d , ) b 21 7 1 r a m ，小于正交试验中的最小翘曲值31 9 5 r a m ，如| 鍪| 4 3 。 图4 - 2 最优组合方案的翘曲变形坫 时4 - 3 正交试验中的最小翘曲叠l ( 2 ) 试验验证 为了验证m p i 模拟优化方案的j f 确性和准确性，根据优化结果，设计制造 了平板电视机生产用模具。根据优化分析所得的最佳方案，制定了生产工艺参数 和工艺卡片，在海天h t f i5 0 0 x 注塑机上进行了试模生产。在实际注塑过程中， 甲板电视机面板周边a 、b 、c 、d 四个边角处翘曲偏大如图4 _ 4 所示。采用 r e n i s h a ws e r i s 2 系列三维扫描机测量生产塑件的翘曲变形量。 首先，综合考虑塑件的功能结构特点和后期装配需要，确定塑件的测量基准 点。然后在三维扫搞机h ，利用数字扫描软件t r a c e c u t ，测量各位置点的 空间坐标，通过计算得出翘曲变形最，相关数据和计算结果已入表4 _ 4 。从表中 数据可以看出，采用优化的注塑工艺参数，塑件的最大翘曲位于底部端角d 处， 翘曲值约为23 2 m m 。另外，结合e 而模拟分析的结果叮以得出，塑件a 、b 、c 、 d 四个端角处的分析误差分别为0 0 2 m m 、0 】5 m m 、0 2 0 r m n 、01 5 m m ，模拟结 果与实际情况基本相符【4 2 4 3 1 。 州4 4 史验得到的颦件及其翘曲洲撤部惶 山东大学硕士学位论文 表4 - 4 塑件翘曲变形量测量结果 测量值设计值变形量总变形量 潮量位置 ( 咖)( 栅)( m m )( m m ) x5 6 0 3 05 6 1 8 61 5 6 ay3 4 0 1 43 3 8 8 61 2 82 1 9 z0 8 60 0 00 8 6 x5 5 3 6 75 6 0 6 91 0 2 by3 7 8 2 33 7 7 2 91 1 41 9 9 z1 2 7o o o1 2 7 x5 5 9 4 l5