（材料加工工程专业论文）注射成型高光制品的结构优化研究.pdf

摘要 舳i l lil l f l l li r j i l ll l l l li ii j l l 舳 y 19 4 2 7 3 1 摘要 高光无痕注射成型( r a p i dh e a tc y c l em o l d i n g ，r h c m ) 是近几年出现的一种 新型注射成型技术，利用该方法所获得的制品表面无凹痕、熔接痕、银丝纹等 缺陷，成型制品外观可以达到高度光亮，免去了二次加工，减少了喷涂所造成 的环境污染。高光注射成型塑件的表面高品质对其结构设计也提出了更高的要 求，塑件结构的设计不合理可能会导致制件表面沉降斑、翘曲变形等缺陷。 本课题正是针对这一问题，根据高光成型的工艺特点以及对产品品质的高 光洁度要求，研究了普通制件主体壁厚及超薄制件壁厚对制件表面沉降指数、 体积收缩、翘曲变形的影响，并与普通成型进行比较，得出高光制件主体壁厚 的设计准则；同时在普通成型结构设计的基础上，研究得出了高光制件常见背 部强化结构、孔洞、圆角、脱模斜度以及嵌件的布局及尺寸变更设计。为高光 产品的设计与开发提供了理论上的指导。 最后，以实际高光液晶显示器底座为例，针对制品在实际生产中出现的成 型缺陷，利用m o l d f l o w 软件结合正交试验及数据处理技术，在高光结构设计准 则的基础上，通过改进制件结构及优化成型工艺参数，解决了液晶显示器底座 表观质量问题，并在实际生产中得到了验证，从而证实了高光制品结构设计准 则的合理性和实用性。 关键词：注射成型；高光制品；结构优化；壁厚 a b s t r a c t a b s t r a c t r a p i dh e a tc y c l em o l d i n g ( r h c m ) i san e wt y p eo fi n j e c t i o nm o l d i n g t e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s t h ep r o d u c t sw h i c ho b t a i n e db yt h i sm e t h o dh a v el o t so f a d v a n t a g e s ，s u c ha se l i m i n a t i n gd e n t s ，w e l dm a r ka n ds i l v e rm a r k ，e t c m e a n w h i l e ，t h e a p p e a r a n c eo fm o l d i n gp r o d u c t s c a l lg e th i g hg l o s s e l i m i n a t i n gt h en e e df o r s e c o n d a r yp r o c e s s i n ga n dr e d u c i n ge 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 t h e l l i g h q 砌i t ys u r f a c eo ft h er h c m n e e df o rt h eb e t t e rs t r u c t u r a ld e s i g n ，u n r e a s o n a b l e d e s i g nm a yc a u s es i n km a r k s ，w a r p a g ea n do t h e rd e f e c t s a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c so ft h er h c ma n dt h er e q u i r e m e n t so f l l i g h - q u a l i t ya p p e a r a n c e ，t h es u r f a c ei n d e x ，v o l u m es h r i n k a g ea n dw a r p a g ew h i c h w e r ei n f l u e n c e db yt h em a i nw a l lt h i c k n e s sa n du l t r a - t h i nw a l lt h i c k n e s so ft h e h i g h - l i g h tp a r t s w e r er e s e a r c h e da n d c o m p a r e d 谢m t h e g e n e r a li n j e c t i o n m o l d i n g t h ed e s i g nc r i t e r i ao ft h er h c mp a r t sm a i nw a l lt h i c k n e s sw e r eo b t a i n e d a tt h es a m et i m e ，o nt h eb a s i so fg e n e r a li n j e c t i o nm o l d i n gs t r u c t u r a ld e s i g n ，t h e p o s i t i o na n dt h ed i m e n s i o nd e s i g no ft h eb a c ks t r e n g t h e ns t r u c t u r e ，h o l e ，f i l l e t ， s t r i p p i n gs l o p ea n di n s e r t so ft h er h c mp a r t sw e r er e s e a r c h e da n do b t a i n e d t h e r u l e rw i l lg i v ead i r e c t i o no ns t r u c t u r ed e s i g no ft h eh i 曲- g l o s ss u r f a c eq u a l i t yp l a s t i c p a r t s f i n a l l y , b a s e do nt h ee x a m p l eo fah i g h g l o s sl c dm o n i t o rs t a n d ，a c c o r d i n gt o m o l d f l o w , t a g u c h im e t h o d ，d a t ap r o c e s s i n gc o m b i n e d 谢mt h es t r u c t u r a ld e s i g nr u l e r s o fr h c m t h ea p p a r e n tq u a l i t yp r o b l e m sw e r es o l v e db yu s i n gi m p r o v i n gt h e s t r u c t u r ea n do p t i m i z i n gt h ep r o c e s sp a r a m e t e r s t h ea c t u a lr e s u l ts h o w e dt h a ti tw a s f e a s i b l e t h er e s u l ts h o w st h es t r u c t u r a ld e s i g nr u l e r so fr h c ma r er e a s o n a b l ea n d p r a c t i c a l k e y w o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n g ；h i g h g l o s sp a r t s ；s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ；t h i c k n e s s i i 第1 章概论 第1 章概论 1 1引言 近几年来，随着工业及制造行业的迅猛发展，塑料制品由于其低成本、耐腐 蚀、性价比高等优点已经被广泛应用于人们生活的各方各面，且随着人们生活 水平及要求的提高，塑料制品也朝着人性化、高端化、美观化、功能化等高质 量目标发展，这就对塑料制品的加工生产提出了更高的要求。但传统的注射成 型不仅容易产生难以彻底解决的熔接痕、银丝纹、流痕、表面沉降斑等影响产 品美观、尺寸精度、使用性能的缺陷；并且，目前为解决上述缺陷而采用的二 次喷涂技术存在着增加产品成本、污染环境、危害人类健康等诸多问题【l 】。为解 决普通注射成型出现的问题，满足人们对塑料制品高品质的需求，一种新的注 射成型技术应运而生一一快速冷热成型技术( r a p i dh e a tc y c l em o l d i n g ， r h c m ) 1 2 - 3 ，其得名于在普通注射成型的基础上，利用三维无汇线模具及蒸汽 加热控制器使得模具内的温度在短时间内迅速升高和降低，来提升产品外观品 质的目的。是于2 0 0 4 年由日本3 d 无汇线联盟研发并首次提出的。又因为利用 该方法所获得的制品表面无熔接痕、无波纹、无银丝纹、并且有效地降低了表 面浮纤和沉降斑等缺陷，制品表面往往可以达到高度光亮接近于镜面的效果， 故又称其为高光无痕注射成型技术 4 1 。目前国内外已有多家企业利用高光无痕注 射成型技术直接生产l c d 电视机面框、显示器底座、手机及音像外壳、车载蓝 牙等产品。由于该技术生产制品品质精湛、降低了塑料制品的成本，并可有效 的减少并取代昂贵的喷涂及粘贴保护屏工序，减少环境污染，故在市场上备受 推崇。但高光注射成型是不同于普通注射成型的非线性复杂的注塑过程，其成 型制品的品质受到成型原材料、成型工艺控制、成型模具及变模温控制系统、 产品结构等多因素的影响，致使高光产品的开发、技术的推广还面临着诸多实 际技术难题。 高光无痕注射成型技术多以制品表面零缺陷为指导，这就对高光制品结构 设计提出了更高的要求，传统制品结构设计常常是按照经验及参考设计准则来 完成，但对于高光制品对表面接近完美的高要求，常规的制品结构设计准则不 一定能生产出合格的制品。本研究正是在普通成型制品结构设计的基础上，结 第1 章概论 合高光注射成型的工艺特点，对高光制品的结构设计进行研究。从而指导高光 产品的设计开发。 1 2 高光注射成型国内外研究现状及存在问题 1 2 1 高光注射成型技术 高光注射成型技术( r h c m ) ，本质是在塑件成型及冷却时通过对模具温度 的调节和控制，以实现对制品表面品质的控制及优化。模具升温的方法有许多 种，目前常见的高光成型技术主要有蒸汽注塑成型、高温高压水注塑成型以及 高温油注塑成型。其中蒸汽注塑成型技术，又称蒸汽辅助注模成型技术 ( s t e a m - a s s i s tw e l d l e s st e c h n o l o g y ) t 5 】以其升温快、成型塑件质量高等特点，目 前应用最为广泛。图1 1 显示了高光注射成型及普通成型模具温度变化曲线及注 塑成型原理过程。 图1 1r h c m 成型及普通成型模具温厦燹化曲线 从图中可以看出，传统的注塑成型过程中，模具温度较低且基本不变，熔 融塑料遇到较冷的模腔后迅速且冷却液不断冷却，缩短成型周期。然而，较低 模具温度会导致塑料制品产生难以根本解决的熔接痕、表面浮纤、流痕、表面 暗淡无光泽等表观质量缺陷【6 1 。高光无痕注射成型是在普通注射成型基础上发展 起来的。其成型原理是： 2 第1 章概论 ( 1 ) 在注射前，注射机合模以后，利用高光蒸汽模温控制机对专用高光模具 型腔管道吹入高温蒸气，将模具型腔温度迅速加热到塑料热变形温度以上，一 般可达1 2 0 至1 6 0 左右。 ( 2 ) 注塑填充及保压阶段，保持高温水蒸气吹入，模具温度保持不变，型腔 内塑料一直保持熔融状态，有利于塑料充填及有效减少制件缺陷。 ( 3 ) 完成保压进入冷却阶段，停止蒸汽吹入，通过空气管道气压将水蒸气吹 出，在冷却管道中注入零度冷却水，使模具温度急剧下降，完成后开模取出制 件。 ( 4 ) 开模后，向模具型腔管道中吹入空气将冷却水完全吹走，完成一次注塑 过程，再进行合模加热，进行下一个循环。 高光注射成型是在传统注射成型基础上发展起来的，又有着普通注射成型 无法比拟的优势。高光注射成型利用动态模温控制设备，使模具快速升温、迅 速冷却，确保了成型效率的同时，可保证塑料熔体在较高的温度下充分汇合， 增强了补缩能力，可消除普通注塑常见的表观缺陷，使得高光制品表面光洁无 痕，有着普通成型无法比拟的优势。实际生产表明，高光注塑成型技术有效地 消除了普通制件表面产生的浮纤，消除短射、熔接痕等缺陷，提高了制件的的 复原性，达到制件表面高度光亮的镜面效果，常见高光制品如图1 2 所示。 图1 2 高光制品 3 第1 章概论 1 2 2 国内外研究现状 r h c m 成型最关键是对模具温度的控制，高光注射成型从某种意义上说也 是一种变模温控制技术，模具温度对塑件的充模能力及塑件的内在性能及外在 质量均有较大的影响，目前对模具升温技术主要集中在蒸汽加热式、电极加热、 高温水加热、高温油加热、感应加热式等。国外较早就对模具升温技术有所研 究：y a o 和k i m 7 - 9 研究并提出了利用气体火焰加热法、电极加热法、电阻加热 法对成型模具进行快速升温，并对模具温度进行实时控制，有效的提升了制品 品质。研究了将快速热反应技术应用于微注射成型和精密成型，有效的改善了 微特征制品填充效果，缩短了成型周期，增加了制件的复原性。c h e n 1 0 q h 等研 究了电磁感应加热快速升温技术，用a n s y s 分析得出电磁感应线圈数、电流、 加热时间、线圈与制件间距对升温效率的影响较大，并在试验中得到验证。得 出利用动态模温控制技术可有效的改善制件品质，减少熔接痕的产生。s a t i o l l 2 j 研究利用红外线照射加热控制塑料熔体温度，提高填充性能以及模具型腔复原 能力。y u 和y o u n g 等【1 3 】利用红外线照射加热对模具型腔局部温度进行动态控 制，将红外线加热系统应用于微结构注射成型中，研究结果表明模具温度对微 注射成型填充效果有较大影响，且模具温度高于塑料热变形温度时最佳。 g r e w e l l 1 4 】将高温蒸汽加热、超声波加热、红外线加热分别应用于提高压印模具 温度，并比较了各自的优劣。 高光无痕注射成型技术是于2 0 0 4 年在德国展会上，由日本3 d 无汇线联盟 ( g ep l a s t i c sl t d 、s y s k oc o ，l t d 、f u j i s e i k oc o 。，l t d 、队k i n om i l l i n g m a c h i n ec o ，l t d 、m i t s u b i s h ic o r o r a t i o nt e c h n o sc o ，l t d ) 5 家企 业组成研发并首次提出的，该联盟研究并开发了三维无汇线模具、专用夹具、 温控系统等，其中以蒸汽控制技术最为卓越。日本t o n r a ye n g i n e e r i n g 公司也相 继开发了适应于高光无痕注射成型技术的的三维数值模拟软件3 dt i m o n 【l 引。目 前高光无痕注射成型技术在亚洲、欧洲、美洲等国家和地区均已经申请了专利。 2 0 0 5 年7 月美国通用电气塑料公司( g e ) 为满足客户对塑料制品表观高品质要求， 在中国申请获得的“一种获得具有高质量外观的热塑树脂注射成型产品的方法” 的授权专利( 申请号：0 0 8 1 6 2 3 7 9 ) 。韩国s a m s u n g ( 三星) 公司也于2 0 0 5 年开始引进 日本3 d 联盟的专利技术，使用蒸汽无痕高光注塑技术，成功的生产l c d 液晶平 板电视外壳，并开发了相应的高光成型模具。因高光无痕注射成型技术有消除 4 第1 章概论 熔接痕、减少二次喷涂、制品表面高度光亮、机械性能好等优点在韩国l g 、日 本松下富士、荷兰飞利浦等多家国外企业备受推崇。 近年来国内对高光无痕注射成型技术研究也陆续增多，目前研究集中在几 家大型企业，并以企业与高校合作的形式共同完成。2 0 0 7 年国内t c l 公司引进 韩国三星公司的技术，自主生产并设计出了高光l c d 电视外壳高光模具，并开 发了相应的蒸气控制装置，将高光l c d 电视外壳投放于市场。同年，山东青岛 海信模具公司与山东大学合作，联合成立了绿色公关项目，建立了大型液晶电 视显示器前壳的快速冷热循环生产线，生产出了高光液晶电视机外壳。并突破 了高光模具的设计、高光温控系统设计、高光生产线构造等多项技术公关。山 东大学的赵国群和王桂龙等 1 6 - 1 7 研究了高光无熔痕注塑的工艺原理，建立了高光 无痕注塑成型工艺流程；自主研发了实现对高光注射模具进行实时控制的温控系 统，以p l c 为控制核心；开发了用于实际生产制造的温度控制软件。同样是山 东大学的孙德朋【l 剐对海信t l m 4 6 v 6 9 液晶电视外壳进行工艺参数优化，研究得 出减少电视机外壳翘曲变形的最优工艺参数组合，研究并优化了高光注射成型 热流道板及喷嘴布局设计，使其分布对称均匀。马明兴【l9 】则对高光模具的加热 和冷却管道结构进行了设计，并对管道布局进行了相应优化，提出了高光注射 成型模具设计的准则及方法。 台湾成功大学主要研究了将高温快速成型应用于微注射成型，并对成型工 艺参数进行优化。其中张宏超和林晃业【2 0 2 1 】研究了高光注射成型工艺参数对微 注射成型填充性能的影响，并得出影响填充性能的工艺参数依次是模具温度、 熔体温度、保压压力和注射速度。陈永坤 2 2 1 也得出模具温度对填充性能影响最 为显著。杨益成和游茗景 2 3 - 2 4 1 研究了成型参数对微结构注射成型的填充性能的 影响，利用模内感测器对熔体温度进行测量并结合田口实验法，得出最佳模具 温度要高于塑料的热变形温度。深圳大学与深圳市银宝山新实业发展有限公司 以及广州贝龙环保热力设备股份有限公司合作，其中伍晓宇、梁雄等【2 勉6 】以车 载蓝牙上盖为研究对象，对其高光注射模具进行设计，开发了带有全区域连通 型介质通道的模具结构。 丁磊等1 2 7 j 开发了一种模具温度控制系统，实现了对型腔温度的快速升温冷 却控制。同样是杨凤霞、丁磊【2 8 。2 9 】等利用了该大学自主研发的快速热冷成型系 统及模具，利用正交实验法，以信噪l g ( s n ) 方差分析为手段，研究了工艺参数 对高光制品翘曲变形、产品表面光洁度和熔接痕的影响，实验表明高光注射成 5 第1 章概论 型技术是一种可以保证制品表面光洁无熔接痕，免去后续喷涂的绿色环保成型 技术。 南昌大学与深圳大学也进行了相关的合作，我校葛娜等【3 0 】以l c d 高光液晶 电视外壳为主要研究对象，利用了正交试验，极差方差分析，得出了影响l c d 表观质量的主要工艺参数。并综合利用响应曲面法，均匀设计法建立了多目标 评价模型，并结合遗传算法，得出了最优工艺组合，指导实际生产。刘东雷等【3 m 7 j 探讨了( 1 ) r h c m 成型对模具的复原性，消除熔接痕、凹痕、银丝纹、流纹、 表面浮纤等表观缺陷以及改善制品表面色差等方面的成型机理进行研究。( 2 ) 结合普通制品结构设计一般原则，探讨了高光成型制品结构设计的准则。( 3 ) 以l c d 电视机前面壳为研究对象，设定高光注射成型制品表观品质因素翘曲变 形、体积收缩率和沉降指数为成型性能指标，综合利用正交实验法，结合利用 m o l d f l o w 数值模拟及数据处理技术，研究的得出了影响翘曲变形、沉降指数和 体积收缩率的工艺参数分别是转保压力、注射压力和保压压力。( 4 ) 以自主建 立的车载蓝牙研究对象，研究高光注塑成型中各工艺参数对制品复原性的影响， 最后得出，注射压力、注射时间、保压压力、保压时间对高光制品复原性影响 甚微，而模温的提高，特别是在材料热变形温度以内复原性明显提高。( 5 ) 综 合利用遗传算法、响应曲面法及数据分析处理技术，建立了高光制品品质的预 测模型，并采用改进遗传算法对建立的模型进行求解，最后以高光l c d 液晶电 视机外壳为研究对象，验证了该优化模型及求解技术的可行性及准确性。 1 2 3 存在问题及不足 高光注射成型是一种突破常规注塑成型，可一次性生产出表面高品质光亮 无痕制品的技术，避免了二次喷油光造成的制造周期和成本的浪费。这就对高 光注射成型提出了要求一次性成功的高要求。目前我国对高光注射成型还处于 刚刚起步阶段，据相关资料介绍高光注射成型还存在成品率仅达8 0 左右、模具 加工及温控系统费用较高、难以保证尺寸稳定性等问题。为解决上述问题，应 突破并解决高光注射成型以下几个技术难点： ( 1 ) r h c m 的迅速升温快速冷的特点使得传统注射成型的数学模型及方程 已经不能适用高光注射成型，所以需要推导出适用于高光成型的熔体数学模型 及本构方程，以期为生产加工、数值模拟提供有效的科学依据及理论指导。 6 第1 章概论 ( 2 ) 从研究现状可以看出，对高光制品注塑工艺参数的研究大多集中在微注 射成型领域，且大多研究是针对高光成型出现的某一种成型缺陷进行的工艺参 数优化，应协调多个注塑工艺参数并对高光成型出现的多种缺陷( 熔接痕、翘 曲变形、凹痕等) 进行综合系统分析，以期全方位提高高光制品表观质量。 ( 3 ) 高光注射成型模具结构与传统注射成型模具结构不同，其中需要模具型 腔进行抛光，且较常规成型多出加热管道和冷却管道，在高温状态下还要增加 冷热转换的运动部件，故对高光成型模具结构优化设计( 如加热管道及冷却管 道形状、尺寸、分布等) 、模具材料的选择、模具寿命的保证、模具温度分布均 匀等都是亟待解决的问题。应研究获得适应于高光注射成型的模具设计准则以 指导高光模具生产及加工。 ( 4 ) 高光注射塑件的表面高品质对其结构特征也提出了更高要求，普通成型 的结构设计准则难以生产出符合高光要求的精致制件，高光制品主体结构( 壁 厚、孔分布、圆角大小) ，背面支撑强化结构( 加强筋位置、凸台结构、支撑等) 都对高光制品表观质量起到了决定性的影响。故需要在常规注塑成型已有结构 设计准则的基础上，研究得出符合高光制品结构设计的思路和准则。 高光注射成型无论是对模具结构、制品结构、温度控制等都提出了较高的 要求，解决上述问题对研究开发高光成型技术，生产低成本、高质量、高效率 的高光制品有着重要意义。 1 3 课题来源及本论文主要研究工作 1 3 1 课题来源及课题研究意义 本课题来源于：高光注塑制品成型机理研究，“江西省自然科学基金项目 ( g z c 0 0 2 2 ) ”。 当前高光注射成型技术现已在生产中得到了广泛应用，其产品也得到消费 者的好评。但在模具设计、工艺参数优化、温控系统、结构设计等方面存在的 诸多难点还是对实际生产提出了挑战。目前各企业和科研单位的研究领域主要 还是集中在对成型工艺优化研究、高光模具结构设计以及模具升温技术的研究 和推广上，但对高光制件的自身结构设计的研究在国内还是空白，仅我校刘东 雷p 2 j 对高光制件结构有初步研究。高光制品对其产品的特殊要求和工艺特性决 定了高光制品的结构将有别于普通成型结构设计，普通成型的结构设计准则仅 7 第1 章概论 限于生产出可以常规使用的零件，但高光注射成型要求生产出的高光亮表面几 乎零缺陷的制品，免去了普通成型所需的二次喷涂技术。因而，这就要求高光 成型制品的结构设计准则及思路均不同于普通成型。 本课题正是根据r h c m 成型的工艺特点以及产品对品质的高光洁度要求， 在普通塑件结构制品设计策略和基本原则的基础上对高光制品的结构件进行优 化设计，从而得出获得表面质量最优的r h c m 成型制品结构设计准则。 1 3 2 本论文主要研究内容 本研究根据r h c m 成型的工艺特点以及对产品品质的高光洁度要求，分析 r h c m 成型过程中主体壁厚结构、背面加强筋、肋板、凸台、孔、结构圆角等 对高光制品品质指标的影响。在传统方法结构设计基本原则的基础上，对高光 制品的结构件进行设计，并以实际高光产品为例，针对制品在实际生产中出现 的成型缺陷，利用c a e 分析软件及相应优化方法，通过改进制件结构及优化成 型工艺参数，从而解决由于结构设计导致r h c m 成型过程中局部出现的表观质 量问题，以期为高光产品的结构设计提供一些理论上的指导，为以后类似问题 的出现提供新的解决途径。 具体工作内容为如下几点： ( 1 ) 根据高光成型的工艺特点及基本要求，对其材料的选择、模具结构设计、 温控系统等关键技术特点进行研究，分析了高光注射成型常见的表观缺陷，对 其成型制品指标进行量化表征。 ( 2 ) 分别以普通制件及超薄制件为研究对象，研究制件的主体壁厚对高光制 件各表观质量的影响，并与普通成型进行比较，得出高光成型较普通成型的优 势，进而对高光制件主体壁厚设计准则进行研究。 ( 3 ) 根据高光制件表观质量及工艺要求，结合普通成型结构设计准则，与普 通成型进行比较，研究高光制品背部结构( 加强筋、凸台、十字交接等) 布局 设计及尺寸变更设计。 ( 4 ) 以某高光孔洞制件为研究对象，研究高光制件孔洞结构对表面熔接痕的 影响，并与普通成型进行比较，得出高光成型的优势及制件孔洞结构设计准则； 结合高光注射成型特点研究并得出制件圆角、脱模斜度、嵌件等其他结构设计 准则，进而指导实际生产。 8 第1 章概论 ( 5 ) 以某一高光显示器底座为研究对象，针对其成型时出现的表观质量缺 陷，利用c a e 分析技术结合正交试验及数值处理技术，对制件结构进行优化， 并结合注塑成型工艺参数，得到制件最佳制件结构设计及最优成型工艺组合。 从结构上本论文可划分为四个部分：第一部为第一章、第二章，简述高光成 型的原理、关键技术、常见缺陷等基础理论知识以及本论文的研究现状和主要 工作内容。第二部为第三章，主要研究了高光制件主体壁厚设计。第三部为第 四章，研究介绍了高光制件背部强化结构的设计。第四部为第五章，研究了高 光制件孔洞结构、圆角结构及其他结构的设计。第五部为第六章，以实际高光 产品为研究对象，通过优化制件结构及工艺参数解决高光制件表面的成型缺陷， 最后，通过实际生产验证了高光制件结构设计的准确性。 9 第2 章高光注射成型相关技术及制品常见成型缺陷 第2 章高光注射成型相关技术及制品常见成型缺陷 高光注射成型是一种通过控制加热冷却温度从而达到控制模温，使得生产 出高光、零缺陷、免喷涂的新型精密注射成型技术。由于高光注射成型即冷即 热的成型特点，使得其与普通注射成型技术相比，关键技术及区别主要在高光 成型材料、高光模具结构、模具温度控制系统三个方面。另一方面，高光注射 成型其主要目的是生产高光、免喷涂的高品质产品，这就要求成型高光制件时 要有效控制翘曲变形、表面沉降斑、成型收缩、熔接痕等缺陷的产生。 2 1高光注射成型相关技术 高光成型材料的选择、高光模具及模具温度控制技术是高光注射成型的三 大关键技术。普通成型塑料以难以满足高光成型的要求，目前高光材料不仅较 普通材料有较高的物理性能及机械性能，且生产出的制件高光泽、免喷涂：高 光模具在模具材料的选择、模具设计( 模具表面、管道布局等) 与制造加工等 都较普通成型有颠覆性的改变；高光注射成型与普通注塑最大的区别在于模具 温度的控制，目前常通过高光模温机与注塑机进行配合达到对高光注塑模具温 度的控制。 2 1 1高光成型材料的选择 由于高光成型在注射阶段要求塑料迅速达到热变形温度以上，冷却阶段要 求制品迅速冷却的特殊工艺成型特性，使得高光成型材料要具备较高的热稳定 性、充填性能好、冷却时固化速度快的特点，且生产出的制件有良好的物理机 械性能的同时保证表面高光无痕，就对高光成型的材料提出了更高的要求。其 中a s s ( 丙烯腈丁二烯苯乙烯) 由于其流动性能好、加工性能好、韧性高、固 化快，特别是生产出的产品具有良好的耐冲击能力和表面光泽度，在高光注射 成型中应用较多。目前专用高光材料也被陆续研发，较为成功的为p m m a + a b s 聚合物，在a b s 中加入p m m a ( 聚甲基丙烯酸甲酯) ，使得制件硬度加强、表面 更加光亮，同时还保留了a b s 的成型优点。现国内外多家企业开发出多种型号 p m m a + a b s 聚合物，并已生产出外表光亮、免喷涂的高光制品。 1 0 第2 章高光注射成型相关技术及制品常见成型缺陷 2 1 2 高光模具 制品表面的光洁，除了成型时从工艺上尽可能避免瑕疵外，主要还是靠模 具的表面光洁决定的。为一次性加工出高度光亮制件，高光模具的粗糙度要达 到o 0 2 5 p m 。且在使用过程中为防止型腔磨损而降低了表面光洁度，要及时给模 具型腔加以抛光复原。此外，高光成型的急冷急热成型工艺，使得普通的模具 设计技术难以保证成型要求。首先，传统成型模具内部仅需开设冷却水路，而 高光注射成型要在设计冷却水路的同时还要考虑添加加热管道的设计，这无疑 增加了模具设计与制造的难度。高光模具管道布局方式也与传统的模具设计不 同，有加热和冷却共用管道和加热冷却管道分开设计两种形式，如l c d 高光电 视机外壳，采用回字型管道布局，通过向管道内吹入高温蒸汽使模具快速升温， 后通入压缩空气吹出蒸汽再通冷却水冷却，这种加热冷却管道的设计可以对模 具进行充分的冷却及加热，使得制件温度均匀一致，保证制品的无缺陷、高度 光泽的要求，其管道布局如图2 1 所示。 图2 1r h c m 成型加热冷却管道布置 由于高光模具要经受频繁的快速加热急速冷却，模具材料的选择对提高模 具的寿命也十分重要，高光模具材料要求其有良好的抛光性能、导热性好、耐 热性能高、高强度此外还需要具有良好的抗腐蚀性，p 2 0 、3 g r z m o 等普通模具 钢可基本满足高光模具的需求，目前各公司也相继开发专用高光模具材料，如 日本开发的c e n a l 、n a k 8 0 、s t a v a x 5 1 3 6 、x 1 3 t 6 w ( 2 3 6 h ) 、s s t a r 、p o l m a x 、 c e n a lq 等。 第2 章高光注射成型相关技术及制品常见成型缺陷 2 1 3 模具温度控制系统 高光成型与普通成型最大的区别在于模具温度的变化与不同，传统注射成 型模具温度较低。高光注射成型注射保压阶段模具温度迅速加热到较高温度， 冷却阶段再快速降低，在保证生产效率的同时还可加工出高品质表观质量的塑 件。动态模温控制系统完美的实现了高光成型模具温度的转换和模温的动态控 制。利用模温控制系统可以准确检测加热蒸汽及冷却介质的温度、模具的温度 等，还可以通过输入数据调整控制蒸汽及冷却介质的温度范围、压力、时间等。 目前日本小野产业株式会社成功的研发了蒸汽模温机对模具温度进行控制系 统，通入3 0 0 的蒸汽可使模具表面温度高达到1 6 0 左右，实现了模温的高效 动态控制。我国山东大学与海信公司也共同开发了高光注射成型专用模温控系 统。图1 高光注射模具温度控制机( j 1 1 w 二1 6 0 ) 控制系统原理图。 图2 2 高光注射模具温度控制机j 1 1 w - 1 6 0 原理图 2 2 高光制件常见成型缺陷 高光注射成型对表面要求高精确镜面成型，不允许出现任何可见缺陷，这 也是r h c m 成型的优势所在。高光成型在注射和保压阶段保持高的模温，消除 了冷凝层，提高了型腔复制率，冷却阶段的低温骤冷又减小了成型收缩，可以 有效的消除普通制件常见的缺陷。但高光注射成型是一个非线性多因素动态加 工过程，任何一项因素的变化都会使高光面产生严重的影响。目前高光注射成 1 2 第2 章高光注射成型相关技术及制品常见成型缺陷 型由于制件尺寸设计不合理，工艺参数控制不良，易产生翘曲变形、表面沉降 斑、成型收缩、熔接痕等缺陷，使得成型废品率较高。 2 2 1 翘曲变形 翘曲变形一般是指生产出的注塑件的发生了变形，偏离了模具型腔原有的 形状，一般是由于制件的不均匀收缩导致的1 3 引。制件的翘曲变形影响了产品的 表观质量、使用性能，是高光注射成型重要的表观品质指标之一。造成高光制 件翘曲变形的因素有许多，如注射成型工艺参数、产品结构制件材料、模具结 构等。罗华云【3 9 】分析了高光制件的翘曲缺陷，并以高光车载蓝牙为研究对象， 利用正交试验，b p 神经网络和回归分析法，研究工艺参数对高光制件翘曲变形 的影响趋势，研究得出影响高光制件翘曲变形最大的是因素是保压压力，第二 是熔体温度，并得出最佳工艺参数组合。刘东雷【3 3 】则以高光l c d 电视前面壳 为研究对象，研究了工艺参数对制件翘曲的影响，得出了其中保压压力的影响最 大，进一步得出了保压压力的增加可以有效地降低制件的翘曲变形，但当保压 压力增加到一定值时，翘曲变形量达到最小( 1 1 8 7m m ) ，但若再继续增加保压压 力反而会使翘曲变形量增加。m i n g c h i nh u a n g 和c h i n g c h i n 砀【4 0 j 提出了利用 t a g u c h i 理论研究薄壁制件影响翘曲变形的注塑成型工艺参数，利用c m o l d 进 行模拟分析，研究表明模具温度、保压压力对制件的翘曲变形影响较大，而浇 口尺寸、填充时间对其影响较小。 在实际生产中，高光制件的翘曲变形量的表征与普通成型一样，一般是采 用制件最大翘曲变形量来表征。在实际生产中测量某一特定的翘曲变形值可首 先将待测物件平放于测量平台上，测量得出制件上表面与测量平台间最大距离 为日t ，设制件此处壁厚为h 2 ，则翘曲变形值h = h i h 2 ，图中三表示制件在 某一方向上的投影距离值，q 表示制件翘曲度，如图2 3 所示。 可厂1 日x 弋 。l 参9 1 工 r l 图2 3 制件翘曲度评价及测量策略 则可根据以下公式求出制件的最大翘曲度： 1 3 平丽 第2 章高光注射成型相关技术及制品常见成型缺陷 p ：i - 1 0 0 ：( h 1 - h 2 ) 1 0 0 ( 2 1 ) 一 三 l 此外，为减小测量的复杂性，可直接通过模拟仿真软件来获取翘曲变形量， m o l d f l o w 软件是专门用于注塑成型过程计算机辅助分析的c a e 软件，其中 m o l d f l o wp l a s t i c st n s i g h t ( m p i ) 模块，提供了强大分析功能，可对注塑制品从几何 设计到注射成型进行深入分析优化【4 1 1 。通过运用m o l d f l o w 在计算机上进行对制 品的注射成型过程进行f l o w + w a r p ( 流动+ 翘曲) 分析，在w a r p 翘曲分析结果中， 可以简单准确的获得制件x 、y 、z 各方向制件的最大翘曲变形量( i l m ) 及总体 最大翘曲变形( i i u l l ) 。所获得的翘曲变形量值越大，说明制件发生翘曲变形越 大。 2 2 2熔接痕 熔接痕是在型腔内两股或多股熔融塑料汇合时产生的界线【4 2 1 。熔接痕会在 制件表面留下痕纹缺陷，影响制件外观。且产生熔接痕处熔体未完全融合，降 低了制件的强度，使用时易在此处断裂。所以在高光制件生产中不允许熔接痕 的出现。s j l i u 等1 4 3 j n 用t a g u c h i 方法，选取嵌件尺寸、模温、熔体温度等六个工 艺参数进行试验研究，得出可以通过调整工艺参数减少熔接痕的生成。张艳会 等【删通过优化模具结构、浇口位置和成型工艺参数，优化了手机外壳的熔接痕， 提高了制品的质量。所以成型时可通过调整注塑成型工艺参数，改变浇口位置 及改进制件结构等方式减少熔接痕的生成。 在高光注射成型过程中为消除熔接痕缺陷，解决由于浇口数量过多产生的 多股料流分支问题，对高光模具设计了专门的热流道系统。制件的每个热咀进 浇时间和进浇量可以通过电磁阀和时间继电器控制。采用时序控制原理，先从 一个浇1 2 进浇，其他浇口关闭，当流动前沿快到另一个浇口时，通过时间继电 器将其打开，使得整个流动方向上没有多个流动前沿相遇问题，消除了熔接痕， 使得制件最终达到镜面效果。 普通成型制件表面熔接痕的长度及大小一般可以看出，并可直观作出熔接 痕大小的判断。但高光成型熔接痕长度及大小肉眼难以做出评价。m o l d f l o w 分析 软件很好的解决了这一问题，可将模型导入m o l d f l o w 中对其进行f i l l 填充分析， 在分析结果中将熔接痕( w e l dl i n e s ) 分析结果叠加在填充时间( f i l lt i m e ) 的结 果上，可以清楚地观察到熔接痕的长度和、各时间段的大小，还可以通过熔接痕 分析结果中的熔接痕汇合角q 做为判断熔接痕的指标。一般汇合角越大表面制件 1 4 第2 章高光注射成型相关技术及制品常见成型缺陷 表面熔接痕越小，制件品质越好。 2 2 3 沉降斑 沉降斑是由于注塑过程中收缩没有得到及时的补充，在制件外表面上形成 局部下沉的现象。沉降斑对高光制件表面光泽影响较大，通常可以通过改变制 件的结构和优化工艺参数加以控制。郑州大学的郑晓培等【4 5 1 利用t a g u c h i d o e 技术研究工艺参数对不同材料的沉降指数的影响，通过优化工艺参数降低制件 表面沉降斑，并得出影响沉降斑最主要因素为熔体温度和保压时间。刘东雷【3 4 】深 入研究高光成型工艺参数对制品翘曲变形、降沉指数和成型收缩率的影响，利 用显著性分析结合信噪比理论，实现多目标的单目标化，并结合了正交试验法、 多元线性回归法建立了考核高光制件品质指标的多目标综合评价数学模型；最后 利用改进遗传算法进行自动寻优，得出最佳工艺参数及高光制品。 沉降斑可用沉降斑指数( s m z ) 进行表征，在后充填阶段，当局部压力降为零 时，制品的沉降斑指数由( 2 2 ) 式计算 跚打=x1-x2-p,(r,p)-j；2p(z)dz100f 2 2 ) 2 矗一p l ( 2 。，尸) 式中：x 1 绍体与凝固层的上界面 x 2 档体与凝固层的下界面 助固态密度 r 转换温度 p 标准大气压 p 搭体密度 z 型腔厚度方向 厅型腔厚度的一半 在实际生产中公式( 2 2 ) 可以准确的表征沉降斑的大小分布情况。考虑到 实际生产中，沉降斑较难测量，可获取仿真软件m o l d f l o w 中的数据，其中在f i l l 填充分析结果中的s i n ki n d e x ( 沉降指数) 很好的描述了沉降斑的大小，通常 情况沉降指数值越大，说明制件的沉降斑较大，制件表面质量较差。 1 5 第2 章高光注射成型相关技术及制品常见成型缺陷 2 3 本章小结 r h c m 成型快速升温及冷却循环的工艺特点，对高光成型材料、模具结构 及温控系统等关键技术提出了高要求。本章主要介绍了高光材料的选择、高光 模具加热冷却管道设计特点以及温控系统的设置等。分析介绍了高光成型常见 的翘曲变形、熔接痕以及沉降斑三大表观质量缺陷，研究提出用制品翘曲变形 量、熔汇角、沉降指数对质量缺陷进行量化表征。 1 6 第3 章成型高光制品壁厚技术研究 第3 章成型高光制品壁厚技术研究 高光注射成型技术要求一次性成型出的制件表面具有高光泽度、无熔接痕、 凹痕缺陷，外观精确优良，可免去后续喷涂及抛光。高光制件结构设计的好坏 直接影响着制件的成型性能和表观质量，其主体壁厚的设计对塑件的质量有很 大的影响。 传统制品对制件的壁厚设计常常是按照经验及参考设计准则来完成，主要 作用是要能保证塑件的使用性能，并且允许出现少量的缺陷，壁厚不宜过厚或 过薄，壁厚过大成型时，增加冷却时间，影响产品品质；薄壁可使制品轻、用 料少、成本低，但壁厚过小成型时流动阻力大，经受推出机构的推出力易变形， 填充易出现充不满且难以保证力学性能【4 6 】。但对于高光制品对表面接近完美的 高要求，常规的制品壁厚的设计准则不一定能生产出合格的制品。本章正是研 究高光制品的主体壁厚对高光制件品质指标及工艺参数的影响，分析了普通制 件壁厚变化及超薄壁厚对高光成型的影响，并与普通成型进行比较，得出高光 成型较普通成型的优势，及高光成型壁厚设计准则。 3 1 普通制件壁厚对高光注射成型影响研究 3 1 1 研究目的 众所周知，制品在生产使用中必须要有一定的厚度才能保证有足够的强度 满足制件的力学性能，采用传统工艺生产制品时，制件主体壁厚可以按照推荐 壁厚值或经验给出。但为生成表面完美无缺高光制品，利用传统的设计原则可 能无法满足高光制品的品质要求。本实验研究制件主体壁厚对高光制品表观质 量影响规律，在不改变塑件材料、工艺参数及浇口位置及尺寸的条件下，进行 了不同壁厚结构特征变化时高光塑件表观质量的模拟实验研究，并与相同情况 下普通成型进行比较。进而得出高光成型各品质指标随壁厚变化规律，及高光 成型较普通成型的优势及可行性。 3 1 2 研究实例及方案设计 ( 1 ) 模型建立 1 7 第3 章成型高光制品壁厚技术研究 模拟实验采用m p 3 播放器外壳为研究对象，其最大包容尺寸为6 7 1 2 m i n x 1 5 0 4 r a m 8 9 m m ，初始壁厚为1 2 5 m m 。m p 3 播放器外壳模型三维图如图3 1 所 示。材料为美国公司生产型号为l u s t u r a na b s6 8 0 的高光材料，相关性能参数 见表3 1 。 图3 1m p 3 播放器外壳 表3 1a b s 材料性能参数 项目 数值 熔体密度q c m 。) 0 9 4 3 6 8 固体密度“g e m 3 ) 1 0 5 4 1 热导率州( m ) 1 】 0 1 8 4 推荐熔体温度范围i c 2 l o 乞7 0 推荐模具温度范围。c 5 0 8 0 顶出温度。c 8 5 热变形温度c 1 0 5 泊松比 0 3 9 2 ( 2 ) 成型参数设置 将m p 3 播放器外壳模型转化为i g s 格