（材料加工工程专业论文）筋板类零件气辅注射成型模拟仿真与工艺参数优化.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 气体辅助注射成型( g a s - a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g ) 简称气辅成型 ( g a i m ) ，该工艺是近年来为了克服传统注射成型的局限性而迅速发展起 来的。在塑料成型加工的舞台上，气体辅助注射成型工艺属于一种相对较 新的塑料成型加工工艺，这项技术正处在快速成长中，是塑料加工业的一 次革命。 气体辅助注塑成型技术利用高压气体( 通常是氮气) 在注塑件内部产生 中空截面，实现气体保压，能消除传统注塑成型中一些无法解决的制品缺 陷问题。气体辅助注射成型工艺由于具有可提高产品表面质量、增加制品 的强度及刚度、减小缩水和翘曲变形、降低生产成本、提高生产效率等优 点，已经在生产实际中得到广泛的应用。同时，气体辅助注射成型工艺过 程因为气体注射过程的引入，其工艺过程较传统的注射成型过程更为复杂， 在拥有诸多优点的同时，气辅成型生产的塑料制品也会产生很多新的缺陷， 这些缺陷的产生同样会对制品的质量和性能产生重要的影响。 文中通过对气体辅助注射成型工艺的研究，重点讨论了气体辅助成型的 关键技术，分析总结了气体辅助注射成型零件设计和模具设计的总体原则。 针对气体辅助注射成型工艺的产品壁厚设计、产品结构设计、气道布置及 尺寸设计、成型模具设计和成型工艺参数设置提出了一套较为系统的设计 参考准则。结合某具体电器托盘产品为例，对原有工艺方案进行改进，分 析得到优化的气体辅助注射成型工艺方案。运用正交试验得到优化的工艺 江苏大学硕士学位论文 参数组合为：熔体温度2 7 0 。c 、气体延迟时间0 8 s 、气体注射压力4 m p a 、气 体注射时间6 s 。分析出各工艺参数对电器托盘气指程度和气体穿透长度的 影响规律。 结合正交试验，建立泛化的筋板类模型，分析出各工艺参数对制品气 体穿透长度大小的影响顺序为气体延迟时间 气体注射时间 气体注射压力 气道直径 熔体预注射量 熔体注射温度。最终选出气体穿透长度最大的工 艺参数组合为：气道直径7 m m 、熔体注射温度2 6 0 、熔体预注射量9 4 、 气体延迟时间1 s 、气体注射压力1 2 m p a 、气体注射时间8 s 。分析总结了各 工艺参数对气辅成型质量的影响规律。 在此基础上，应用响应面分析方法，以气体延迟时间和气体注射压力两 个工艺参数为主要影响因素，建立响应面模型，得到这工艺参数对气辅成 型质量的影响规律图，为气辅成型提供了理论指导。 关键词：气体辅助注射成型，数值模拟，工艺优化，正交试验，响应面 模型。 江苏大学硕士学位论文 g a s - a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g y ( s h o r t e n e da sg 触m ) w a sa p r o c e s sd e v e l o p e d f o r t h e p u r p o s e o fc o n q u e r i n gt h el o c a l i z a t i o n so f c o n v e n t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n ga n db l o wm o l d i n g t h eg a i mt e c h n o l o g yw a s a l li n n o v a t i o na n dan e wm o l d i n gm e t h o do fp l a s t i c sp r o d u c t si np l a s t i c p r o d u c i n g t h et e c h n i q u ei ss t i l la tt h eq u i c kg r o w i n gs t a g e g a i mc o m p r i s e sap a r t i a li n j e c t i o no fp o l y m e rm e l ti n t ot h em o l dc a v i t y ， f o l l o w e db ya ni n j e c t i o no fc o m p r e s s e dg a s ( u s u a l l yn i t r o g e ng a s ) i n t ot h e p o l y m e rm e l t t h ec o m p r e s s e dg a sw i l ld r i v et h em e l tf i l l i n gt h em o l dc a v i t y ， t h e nm a k eah o h o wb o r ei nt h ep a r ts e c t i o n ，a n da c c o m p l i s hp o s t f a l l i n gw i t h p n e u m a t i cp r e s s u r e t h i sm e t h o dh a sb e e n u s e dw i d e l yw i t hm a n yg o o dp o i n t s s u c ha si m p r o v i n gs u r f a c eq u a l i t yo fp r o d u c t s ，i n c r e a s i n gi n t e n s i t y ，r e d u c i n g s h r i n k a g ea n dw a r p a g e ，l e s sm a t e r i a lc o n s u m p t i o n ，a n di n c r e a s i n gp r o d u c t i v i t y a tt h es a m et i m e ，p l a s t i c sm e l tf l o wb e c o m e sm o r ec o m p l e x l yt h a nt r a d i t i o n a l i n j e c t i o nm o l d i n gw i t hg a si n j e c t i o n i ng a i m ，g a ss t i l lb r i n g ss o m en e w l i m i t a t i o n s ，w h i c hw i l lh a v ei m p o r t a n ti n f l u e n c et ot h eq u a l i t ya n dp e r f o r m a n c e o ft h ep l a s t i cp r o d u c t s o nt h er e s e a r c h o f g a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s ，t h ek e y t e c h n o l o g i e so fi n j e c t i o nm o l d i n gw e r ed i s c u s s e da n dt h eg e n e r a lp r i n c i p l e so f d e s i g n s o ft h e g a s - a s s i s t e di n j e c t i o np a r t a n dm o l dw e r e a n a l y z e d a n d s u m m a r i z e di nt h i st h e s i s am o r es y s t e m a t i cg u i d el i n e sw e r es e ti n c l u d i n gt h e 江苏大学硕士学位论文 r e f e r e n c eo fw a l lt h i c k n e s s ，s t r u c t u r e ，l a y o u ta n dt h es i z eo fg a sr u n n e r , m o l d a n dt h ep r o c e s s ，e t c 。t a k eas a l v e ro fe l e c t r i ca p p a r a t u sa sa ne x a m p l e ；t h e o r i g i n a lp r o c e s sw a sm o d i f i e dt oi m p r o v et h eg a sp e n e t r a t i o n o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t sw e r ea p p l i e do nt h es t u d yo fl a wa b o u tp r o c e s sp a r a m e t e ro ng a s p e n e t r a t i o na f f e c t e db ym o l da n dm e l tt e m p e r a t u r e ，g a sd e l a yt i m e ，g a si n j e c t i o n p r e s s u r ea n dg a si n j e c t i o nt i m e f i n m l y ，t h eo p t i m i z e dp r o c e s sp a r a m e t e r s ，m e l t t e m p e r a t u r e2 7 0 * ( 2 ，g a sd e l a yt i m eo 8 s ，g a si n j e c t i o np r e s s u r e4 m p aa n dg a s i n j e c t i o nt i m e6 sw e r ef o u n d o u t f u r t h e r m o r e ，e s t a b l i s h e do nc o m m o nm o d e l ，t h eo r t h o g o n a lt e s tw a s a p p l i e di ns e a r c h i n gt h ei m p a c to fp r o c e s sp a r a m e t e r st ot h eq u a l i t yo fg a i m p a r t ，w h i c hw e r e ：g a sd e l a yt i m e g a si n j e c t i o nt i m e g a si n j e c t i o np r e s s u r e d i a m e t e ro fg a sr u n n e r m e l tp r e - i n j e c t i o nv o l u m e m e l tt e m p e r a t u r e t h e e f f e c to fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so ng a sp e n e t r a t i o nw e r es t u d i e d a n dt h e o p t i m u mt e c h n o l o g i c a lc o m b i n a t i o no fl a r g e rp e n e t r a t i o nw a sf o u n d ：d i a m e t e r o fg a sr u n n e r7 m m ，m e l tt e m p e r a t u r e 2 6 0 。c ，m e l tp r e - i n j e c t i o nv o l u m e9 4 ，g a s d e l a yt i m e l s ，g a si n j e c t i o np r e s s u r e l 2 m p a ，a n dg a si n j e c t i o nt i m e 8 s f i n a l l y , r e s p o n s es u r f a c em e t h o dw a ss u c c e s s f u l l ya p p l i e di ns e a r c h i n gt h e l a wa b o u tp r o c e s sp a r a m e t e r so ng a sp e n e t r a t i o nw i t ht w om a i ni m p a c tf a c t o r s ， d e l a yt i m ea n dg a si n j e c t i o nt i m e ，t og u i d ef o r t h eg i a m k e yw o r d s ：g a i m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p r o c e s so p t i m i z a t i o n ，o r t h o g o n a l t e s t ，r e s p o n s es u r f a c em e t h o d i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学位保留并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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密口。 学位论文作者签名：杌鑫觏 加! 。年6 月l z 日 指导教师签名： 工一 笏乡多 纱吃夕年多月，乞日 独创性声明 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 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：钆五翻 日期： 历7 0 年6 月f 2 日 。 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 任何新技术总是会引起人们的兴趣，特别是当它们宣称可以解决产品制造和性能方 面的许多问题时尤是如此。气体辅助注射成型也不例外，气体辅助注射成型技术 ( g a s - a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g ，简称g a i m ) 是在常规注射成型( c o n v e n t i o n a li n j e c t i o n m o l d i n g ，简称c i m ) 基础上发展而来的一种新颖的聚合物加工方法，它克服了传统工 艺上的局限性，具备许多传统注射成型工艺无可比拟的优点。气体辅助注射成型作为一 项革命性的注射成型技术，从2 0 世纪8 0 年代开始世纪应用，到9 0 年代初该技术被投 入实际应用，是自往复式螺杆注射机问世以来，注射成型工业最重要、最有意义的发展。 由于气体辅助注射成型拥有许多传统注射成型无可比拟的优点，气体辅助注射成型 技术已被广泛应用在汽车、家电、家具、日常用品等领域，尤其是在汽车和家电行业， 使许多不能成型或不能一次成型的塑料零件的成型成为可能，为塑料成型开辟了一个全 新的应用领域。在汽车领域，气体辅助注射成型技术发挥了极其广泛和深刻的作用。 随着数值计算技术的发展和电子计算机的广泛应用，计算机辅助工程( c a e ) 技术 在许多领域得到了运用尤其在注射成型领域，为模拟注射成型过程、优化注射成型工艺 参数、提高注射模模具设计与制造质量、降低生产成本、缩短模具设计制造周期提供了 有效手段。鉴于此，本文以计算机为工具，采用有限元等数值计算方法来实现对气体辅 助注射成型的分析和模拟，从而实现对气体辅助注射成型过程的优化控制。 1 2 气体辅助注射成型技术背景与发展历程 气体辅助注射成型技术是在传统的注塑成型和结构发泡成型基础上发展起来的一 种创新的注射成型工艺。多年来，人们一直在研究中空塑料制品的成型加工技术。1 9 4 4 年，o p a v s k y 将气体或液体注入到树脂中的技术申请了专利。这项技术是用医用注射器 针头进行注射，但是模具内的高压使这项早期工艺设想未获成功。现在使用的气体辅助 注射成型技术是从2 0 世纪7 0 年代发展起来的n 1 。g a i m 最早可以追溯到1 9 7 1 年，美 国人w i l s o n 尝试在c i m 过程中加气以制造厚的中空鞋跟。虽然以失败告终，但却为 江苏大学硕士学位论文 一个具有划时代意义的新技术诞生迈出了第一步。后来在1 9 8 3 年，一个英国人在采用 结构发泡成型方法来制造机房的装饰材料时衍生出“c i n p r e s 的控制内部压力的成 型技术，即g a i m 的雏形。直到1 9 8 9 年在西德举办的k 8 9 展览会上，气体辅助注射成 型工艺才被人们作为新工艺加以接受，并随计算机模拟技术的发展，于九十年代作为一 项成功技术进入实用阶段，被称为“塑料加工业的未来技术。 经过d , n 十年的发展，西方发达国家气体辅助成型模具的配套率已经达到1 0 - 2 0 ，即每十套模具中有一至两套是气体辅助成型模具，可见气体辅助成型技术对工业 生产的重要性。在气体辅助成型技术得到广泛应用之初，世界上两大塑料模具c a e 软 件提供商m o l d f i d w 和c _ m o l d 公司分别提供了应用于气体辅助成型过程的c a e 分析软件包，对气体辅助成型技术的应用和发展起到了积极的推动作用。从9 0 年代中 后期直到最近几年，作为一种商业化的技术，人们才逐渐开始对气体辅助注射成型技术 产生了兴趣，气体辅助注射成型技术也得到了不断完善，同时得到迅速的应用和发展。 气体辅助注射成型将结构发泡成型与传统注射成型的优点结合在一起，是近十几年内发 展起来的革新性的塑料成型技术，它给塑胶成品在设计上提供了新的发展空间，可在保 证产品质量的前提下大幅度降低生产成本，具有良好的经济效益。 至今，g a i m 技术开始逐渐应用到实际工业生产中。最近几年，不论在生产领域 还是在研究领域，人们对g a i m 的兴趣与日剧增。已有许多欧美公司在使用气体辅助 注射成型技术并从中受益。因此，很多的设备生产商，包括b a t t l e f i e l d ，f e r r o m a t i k ，s t o r k ， e n g e l 以及j o h n s o nc o n t r o l s 都在不断的发展改进这项技术。 1 3 气体辅助注射成型原理及其分类 气体辅助注射成型的基本工艺过程就是先向模腔中注入经精确计量的塑料熔融体 ( 9 0 - - 一9 9 ) ，经过一定的延迟时间后再注入高压惰性气体( 氮气n 2 因为价廉安全又 兼具冷却剂的作用而被常用，压力为0 5 m p a 3 0 0 m p a ) ，塑料熔体在高压气体的推动 下充满整个型腔，使制品从内部膨胀形成中空，并且保持完整的外形。当熔融的塑料在 注射压力的作用下进入模腔后，先接触模腔壁的熔体被冷却，温度下降，黏度升高，因 而表面张力升高，而位于模腔中心部位的熔体温度高，热量损失少，黏度低，这样使得 压力气体易于在制品较厚的部位形成中空，而熔融塑料则被推向模腔的四周，形成所要 2 江苏大学硕士学位论文 成型的制品碡1 。 气体辅助注射成型充填过程如下分为三个阶段，第一阶段为塑料熔体充填过程 ( r e s i ni n j e c t i o n ) ，这个过程与传统注射成型的充填过程是一致的，只不过传统注射成型 是满射( f u l ls h o t ) 而气体辅助注射成型大都是短射( s h o r ts h o t ) 。第二阶段：气体的一次 穿透过程( p r i m a r yg a sp e n e t r a t i o n ) ，气体进入模腔，塑料熔体在气体的推动作用下继续 充填直到熔体充满整个模具型腔，是气体的主要穿透，形成的气道为一次穿透。第三阶 段：气体二次穿透过程( s e c o n d a r yg a sp e n e t r a t i o n ) ，在塑料熔体充满整个型腔后，在后 续的保压过程中，由于聚合物熔体的冷却收缩，气体前锋继续往前移动，对塑料产生补 缩和压实的作用，而在一次穿透的基础上继续的穿透称为气体的二次穿透。相对于传统 注射成型，气体在二次穿透时，压力能够从熔体的核心有效而且均匀地施加于注塑制品 的表面，这对于成品的收缩率、表面凹痕的改善有很大的帮助。 标准成型过程如图1 1 所示，它可分为以下几个阶段：( 1 ) 熔体注射：聚合物熔体 首先由浇口注入型腔，如图1 1 ( a ) 所示。一般熔体填至型腔体积的7 0 - - - 9 5 。该过 程与传统注射成型相同，称为“欠料过程”。生产中熔体具体的注射量应由经验或模拟 填充来决定。( 2 ) 气体注射：在熔体未完全充满型腔之前，停止熔体注射，经过一段延 迟时间后，将定值或定量体积的惰性气体( 通常为氮气，具有成本低且不易与熔体发生 反应等特点) ，通过附加的气道由特殊喷嘴注入熔体芯部，见图1 1 ( b ) 。熔体流动前沿 在高压气体的驱动下继续向前流动，气体在型腔内沿着阻力最小的方向流动，推动着熔 体向前流动直至充满整个型腔，形成从进气口到气道末端中空结构。( 3 ) 气体保压及冷 却：气体填入熔体后，继续保持高压，充当保压压力，制品在保持压力情况下冷却。在 冷却过程中，气体由内向外对熔体施压，迫使塑料熔体外表面紧贴型腔模壁，并通过气 体二次穿透从内部补偿因熔体冷却凝固带来的收缩，减少变形。见图1 1 ( c ) 。( 4 ) 气 体回收及开模：保压一定时间后，把气体排出，回收的气体可以继续使用。打开模具， 把制品由模腔顶出，如图1 1 ( d ) 所示。 3 江苏大学硕士学位论文 ( a ) 注入熔体 ( c ) 冷却保压 ( b ) 注入气体 ( 制品脱模 图1 1 气体辅助注射成型过程示意图 f i g 1 1p r o c e s so fg i a m 气体辅助注射成型根据气体注射位置的不同可以分为：内气法和外气法n 1 。 气体 图1 2 外部气体辅助注射成型原理 f i g 1 2p r i n c i p l eo fe x t e r n a lg a si n j e c t i o n - 内气法( i n t e m a lg a s i n j e c t i o n ) ：气体注入制品的内部， 该法为我们通常了解并广泛应用 的气体辅助工艺。 - 外气法( e x t e m a lg a s i n j e c t i o n ) ：在塑料完全充满型腔 后，气体被注射到模腔表面和熔 融材料制品之间，而不是直接进 入物料中推动物料充满型腔，如 图1 2 所示。在分模面的位置以及 项出杆区域内必须采取密封措 施，以防止气体的泄漏。气体形成一层气膜包覆在密封位置，保证制品表面质量。成型 过程中需要保持气体压力的恒定，以补偿制品冷却时的体积收缩。当物料冷却到一定程 4 江苏大学硕士学位论文 度时，气体就需要全部或部分排出来。而残留的气体压力可以帮助制品的脱模。此项技 术更加适用于对表面有较高要求的制品，以提高制品的表面美观和光洁度，以及那些不 适合设置加强筋和气道的制品。 气体辅助注射成型按照具体的工艺过程，可以分为标准成型法、满料注射成型法、 熔体回流法和活动型芯法四种 2 1 1 3 4 2 。 标准成型法。标准成型法又称为欠料注射。模具中只充入部分塑料熔体，而没 有必要完全充满。在一定量的塑料熔体注入型腔后，立即或稍后注入气体，靠高压气体 推动塑料熔体充满模具型腔。 满料注射成型法。满料注射成型法也叫副腔成型法，是在模腔之外设置一个与 模腔相同的副模腔。注射开始是先关闭副模腔，向模腔中注入熔体，然后打开副腔，同 时向模具模腔内注入气体。气体将部分熔体推入到副模腔中，然后关闭副模腔，升高气 压进行保压冷却，最后脱模顶出制品，如图1 3 所示。 ( a ) 关闭副腔，充填保压( b ) 打开副腔，注入气体 ( c ) 关闭副腔- 冷却保压 ( d ) 制品脱摸 图1 3 满料注射成型法 f i g 1 3p r o c e s so fa s s i s t a n tc a v i t ym o l d i n g 熔体回流法：熔体回流成型与副模腔成型过程相似，不同之处在于模具无副模 腔，由压力气体排出的部分多余熔料将返回到注塑机的料筒中，如图1 4 所示。 活动型芯法：在模腔中安装一活动型芯，再注射熔体时占据模腔部分空间。当 注入气体时活动型芯从模腔中退出，同时升高气体压力进行保压补偿，最后脱模顶出， s 兰 江苏大学硕士学位论文 从而得到中空制品，如图1 5 所示。 ( a ) 熔体充填保压 爿l 薹穗 i 寨 卸5 塑 ( c ) 冷却保压 掣l 多 篡 5 多 耄 ( b ) 注入气体熔体回流 ( d ) 制品脱模 图1 4 熔体回流法 f i g 1 4 p r o c e s so fm e l t 汹 l l f l u c n c em o l d i n g ( a ) 熔体充填保压 ( c ) 冷却保压 ( d 注入气体 ( d ) 制品脱模 图1 5 活动型芯法 f i g 1 5 p r o c e s so fa c t i v i t ym o l dc 0 m o l d i n g 6 江苏大学硕士学位论文 1 4 气体辅助注射成型方法的主要特点 1 4 1 气体辅助注射成型方法的主要优点 由于气体辅助注射成型工艺是利用气体实现保压，可以消除制品缩痕，保持产品表 面和外形完整无缺，从而也可减少浇口保压而产生的翘曲变形。气体辅助注射成型克服 了传统注射成型和发泡成型的局限性，具有如下突出的优点。 ( 1 ) 所需的注塑压力与锁模力d , j l l 。气体辅助注射成型过程所需的锁模力小，锁 模力可以降低2 5 - 9 0 ，对注塑机吨位的要求大幅度降低，使设备投资成本降低，电 能消耗下降，节能达3 0 ，操作成本减少。此外，由于模腔内压力的降低，还可以减少 模具损伤，减小模具壁厚的要求，并降低模具抗破坏性的要求，从而降低模具成本。 ( 2 ) 注塑过程中降低产品的内应力，制品内应力分布均匀，翘曲变形d d 9 1 。气体 辅助注射成型过程由于注射压力小，型腔内压力比传统注射成型压力要小，从气体喷嘴 到料流末端形成连续气体通道，无压力损失，且塑料熔体内部的气体各处等压，所以保 压冷却过程中产生的残余应力较小，使制品开模后的翘曲变形减小。 ( 3 ) 可消除缩痕，拓宽制品形状设计范围，提高制品表面质量，降低废品率。气 ， 体辅助注射成型保压过程中，塑料的收缩可由气体的二次穿透予以补偿，气体由内向外 对熔体施压，可以使制品外表面贴紧模具型腔，减少变形，使成型的制品表面不会出现 凹陷，提高了制品表面质量。 ( 4 ) 打破传统注塑成型对制品壁厚均匀的设计要求，可以用于成型壁厚差异较大 的制品，使制品设计的自由度大大提高【l 】o 由于采用气体辅助注射成型可以将制品较厚 的部分掏空形成气道从而保证制品的质量，因此采用这种方法生产的制品在设计上的自 由度较大，可以将采用传统注射成型时因厚薄不均必须分为几个部分单独成型的制品合 并起来，实现一次成型。 ( 5 ) 可以在不增加制品重量的情况下，通过气体穿透可减轻制品质量，改变材料 在制品横截面上的分布，使制品的截面惯性矩工大幅度提高，从而增加制品的刚度和强 度，使强度重量比比同类实心制品高出大约5 倍，这有利于减轻汽车、飞机、船舶等交 通工具上部件的重量。 ( 6 ) 相对缩短制品的生产周期。气体的穿透速度很快，可通过气体的穿透减轻制 7 江苏大学硕士学位论文 品重量，去除了较厚部位芯料，熔体冷却加快，缩短冷却时间可达5 0 ，并缩短产品生 产成型周期，提高生产率。但有时由于附加的气道和加强筋等，也有可能增加制品的冷 却时间，但总体生产周期要比传统注射成型周期要短。 ( 7 ) 节省原材料用量【彻。气体辅助注射成型时气体在制品较厚部位形成空腔，可 减少成品重量达1 0 - 5 0 ，在制品能够达到相同的使用要求情况下，采用气体辅助注 射成型可以大大的节省塑胶原料，降低生产成本。 ( 8 ) 简化模具浇注系统。气体辅助注射成型中，模具可将浇注系统( 不包括主流道) 设计在制品内部，从而对复杂大型制品采用从主流道单点直接浇注，省略了流道，还可 消除浇口造成的熔接纹，简化模具的浇注系统。 ( 9 ) 材料的适用性好。理论上讲，所有能用于常规注射成型方法的热塑性塑料( 加 强或不加强) 、一般工程塑料( 如p p s ，p e e k ，p a i ，p e s ) 及其合金、包括一些填充 树脂和增强塑料均适用于气体辅助注射成型。 基于以上种种优点，气体辅助注射技术广泛应用于家电、日用品、汽车和玩具等领 域。主要用于成型大型平板状制品如桌面、门、板等；大型柜体如家用电器壳体、电视 机壳、办公机械壳体等；结构部件如底座、汽车仪表板、保险杠、汽车大前灯罩等汽车 内外饰件。成型的制品形状有管状和棒状制品( 如把手、吊环、扶手、导轨和衣架等) 、 大型平板类零件( 如桌面、车门板和仪表盘等) 以及形状复杂、厚度不均等复杂零件( 如 汽车车身、保险杆、家电外壳等) 。 1 4 2 气体辅助注射成型方法的局限性 与其他塑料加工工艺一样，气体辅助注射成型技术也有其局限性。这些局限性主要 表现如下【1 1 】： ( 1 ) 首先是专利使用权限制，一些气体辅助注射成型技术都已经申请了专利保护， 专利情况在不断的变化，限制了该项技术的应用。 ( 2 ) 另外一个问题是附加的成本。气体辅助注射成型需要专用的设备，气体辅助 注射成型需要增加供气、气体压力控制和气体回收装置。气体辅助设备一般包括氮气发 生器、增压装置、控制单元和进气元件。导致成本增加的另一个原因是气体的使用。这 些装置带来的附加费用是使用气体辅助注射成型技术的前提。 8 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 气体辅助注射成型对注射机的控制精度要求提高，气体辅助成型工艺要求注 射机具有较高的控制精度以适应对熔体预注射量和气体注射的控制。 ( 4 ) 对于不同质量制品的多型腔成型，气体辅助注射成型一般难于精确控制，特 别是在短射成型时更是如此。 ( 5 ) 在气体辅助注射成型过程中，有时气体流道会在表面产生“褪色的现象， 即表面光泽的差异。这需要通过表面涂层或将流道设计在所具有的特征( 如槽或者其他 特征) 上来解决。“褪色 现象是由于工艺条件造成的，且随着树脂的不同而变化。 ( 6 ) 由于开模前必须排放通道中的气体，这将在制品的个部位留下一个孔，这 个孔通常开设在不易被看见的地方，进气口也可以作为排气口。如果此孔影响制品的外 观和使用时，必须将其封住或磨光。如果制品需要经过涂料工艺，也需要封住排气口。 ( 7 ) 控制气道的形成是非常重要的，气道必须相连并开通。当模具打开时，如果 气体未被排出，通常会导致制品的局部隆起，而且气体不适当的透入制品实心部位，会 在壁中引起不连续的气泡，这个透入会导致工艺失控。 ( 8 ) 气体辅助注射成型不适合制造空心、薄壁和一些特殊形状的制品。 ( 9 ) 当生产小型薄壁制品时，尤其是对表面品质要求非常高的手机外壳等产品时， 传统的气体辅助注射成型极易产生翘曲、气体穿透等缺陷。 ( 1 0 ) 气体辅助注射成型在材料选择上还有一定的局限性。一些流动性非常好，难 以填充的塑料( 如热塑性聚氨酷) 成型时会有一定困难；粘度高的树脂所需气体压力高， 技术上也有难度；玻璃纤维增强材料对设备有一定的磨损。 当然，气体辅助注射成型技术的局限性和它的优点相比是较小的，而且随着工艺的 不断完善以及新工艺的不断出现，最终将能够得到改善。 1 5 气体辅助注射成型技术国内外研究现状与发展前景 气体辅助成型技术在国外已得到广泛应用，对气体辅助注射成型技术的研究较早的 国家有美国、德国、日本和英国。比如德国b a t t l e f i e l d 公司早在1 9 8 9 年就开始开发气 辅注塑成型工艺，简称a i r m o u l d 气体辅助注射成型工艺。从上世纪9 0 年代初开始，气 体辅助注射成型技术在欧、美、日等工业发达国开展了广泛的应用研究。9 0 年代初， 气体辅助注射成型技术作为一项革命性技术很快进入实用阶段，短短几年，基于该技术 9 江苏大学硕士学位论文 的气体辅助注射成型模具己占到全部塑料模具的1 0 ，即每1 0 套模具中有1 套气体辅 助注射成型模具。迄今为止，欧洲和美国等地有1 0 余家公司拥有关于气体辅助注射成 型设备和工艺的多项专利。气体辅助注射成型设备供应商主要有两个英国厂商g a s i n j e c t i o n 公司和c i n p r e s 公司，他们一直致力于气体辅助注射成型新工艺研究和开发。 2 0 0 2 年g a si n j e c t i o n 兼并老牌气辅公司c i n p r e s ，新公司名为c i n p r e sg a si n j e c t i o nl t d ( 简称：c g i ) 。c g i 公司使得c i n p r e s 公司在美国市场的优势与g a si n j e c t i o n 公司在亚 洲的领先地位结合在一起。美国n i t r o j e c t i o n 公司，是一家拥有生产和销售n i t r o j e c t i o n 气体辅助注射成型工艺专利技术公司【1 1 。 德国的b a t t e r f f e l d ，b a y e r 公司，奥地利的e n g e l 公司，美国的n i t r o j e c t i o n ，h e t t i n g a 公司的气体辅助注射成型设备也有较好的市场需求与技术优越性。 国内对气体辅助注射成型成型技术研究的起步较国外晚，尚处于初级阶段。到8 0 年代中期，我国相关部门和企业注意到气体辅助注塑成型技术的优势以及其对未来塑料 加工业产生革命性的影响，科学家开始对它进行理论和应用上的研究。自中国科学院化 学研究所工程塑料国家工程研究中心1 9 9 5 年初率先引进了英国c i n p r e sg a si n j e c t i o n l t d 的全套气体辅助注射成型设备用于塑料家具加工以来，气体辅助注射成型技术的应 用已有很大发展。气体辅助技术在国内的应用首先体现在壳类制品和轿车内饰件等家 电、汽车、仪器、仪表、家具等行业。气体辅助技术的最大应用领域是家电产品，就日 本电视机行业来说，6 4 c m 以上大屏幕彩电几乎9 0 以上采用气体辅助成型技术。目前 国内大型家电厂已陆续开始应用这项新工艺，相信随着各厂商对气体辅助工艺认识的加 深，这项新工艺会应用得越来越普遍。在汽车注塑件方面，美国福特汽车公司用气体辅 助技术成型了汽车保险杠、汽车内饰件面板、仪表板等，还有美国克莱斯勒复合概念车 整个车身以气体辅助注射成型，这些都为气体辅助技术在汽车注塑件上的应用开了先 例。仿硬木家具在外观上需要模拟木质材料较粗的圆柱或立方结构，而普通塑料加工厂 中必须采用的扁平板片结构具有冷却速度慢、材料收缩不易控制、制品翘曲变形严重等 难以克服的障碍及料量大、成本高等缺点，传统的注塑工艺很难解决这些问题，采用气 体辅助注塑则可迎刃而解。 随着中国塑料工业迅速发展，塑料制品的应用范围越来越广，需求量越来越大，气 体辅助技术的应用市场也不断扩大。随着时间的推移，在市场竞争极为激烈的情况下， 更加完善的气体辅助技术一定会为更多的塑料制品制造商所接受。 1 0 江苏大学硕士学位论文 作为新兴技术的代表，气体辅助注射成型技术在不断发展。一些新的成型方法也正 在发展中，最新的一种方法就是采用水作为介质来进行辅助成型。气体辅助注射成型技 术商业发展的下一个阶段是将它与其它成型方法结合起来，比如：共注射、层叠注射等， 以发挥出它的最大价值。 1 6 气体辅助注射成型c a e 仿真软件 为适应市场对气体辅助注射成型技术的发展需要，国内外都进行了较为深入地研究 取得了阶段性的成果，并应用到实践之中。在气体辅助注射成型c a e 软件的开发方面， 一些国家的研究机构已经推出了气体辅助注射成型模拟的商业化软件，g - g a s f l o w 是 世界上第一个商业化气体辅助注射成型c a e 模拟软件，它是c m o l d 公司在1 9 9 1 年 由美国c o m e u 大学i c k w a n g 教授领导的c i m p ( c o r n e l li n j e c t i o nm o l d i n gp r o j e c t i o n ) 研究组开发的。德国a a c h e n 大学g m e n g e s 教授领导下的i k v 研究所开发的 c a d m o u l du e g i t ，加拿大国家研究协会工业材料研究所的d m g a o ，k t n g u y e n 以 及g s a l l o u m 等人领导开发的气体辅助模拟软件。 随着相应的c a e 气体辅助注射成型分析模块功能的日益完善，对生产工艺的指导 意义也越来越重要。经过2 0 多年激烈的市场竞争和选择，在目前塑料注射成形模拟软 件市场上，m o l d f l o w 已成为世界注塑c a e 的技术领袖。m o l d f l o w 公司是一家 专业从事塑料计算机辅助工程分析( q 墟) 的跨国性软件和技术咨询公司。自从1 9 7 8 年m o l d f l o w 公司发行了世界上第一套流动分析软件，几十年来以不断的技术改革 和创新，一直主导着c a e 软件市场。m o l d f l o w 以市场占有率8 7 及连续五年1 7 的增长率成为全球主流分析软件。气体辅助注射成型模具的设计不但要采用c a d 技术， 而且还要采用c a e 技术，这是发展的必然趋势。 1 6 1m o l d f l o w 软件简介 m o l d f l o w 软件包括三部分： ( 1 ) 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 ) ：塑料产品设计师在 设计完产品后，运用m p a 软件模拟分析，在很短的时间内，就可以得到优化的产品设 计方案，并确认产品表面质量。 1 l 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) m o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t ( 注塑成型模拟分析，简称m p i ) ：对塑料产品和模 具进行深入分析的软件包，它可以在计算机上对整个注塑过程进行模拟分析，包括填充、 保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力和收缩，以及气体辅助成型分析等，使模具设 计师在设计阶段就找出未来产品可能出现的缺陷，提高一次试模的成功率。 ( 3 ) m o l d f l o wp l a s t i c sx p e r t ( 注塑成型过程控制专家，简称m ix ) ：集软硬件为 一体的注塑成型品质控制专家，可以直接与注塑机控制器相连，可进行工艺优化和质量 监控，自动优化注塑周期、降低废品率及监控整个生产过程。 m o l d f l o w 软件是一种注塑成型c a e 的专业软件，本文将利用它来进行数值模拟研 究，其功能模块有： ( 1 ) 流动保压分析椰o w 。用于分析熔体在模具内的流动，优化型腔及浇道系 统的设计、材料的选择。它包括：材料物性数据库。有3 千余种牌号的热塑性材料的 热、流变性能和p ，i v 数据。二、三维流动分析。确定材料、成型过程最佳工艺参数， 它包括：控制体积的流动前沿预测和快速的解析的非稳态的热传导分析；填充保压阶段 的流动状态及分析；自动流道平衡等。三维造型。可以从其它c a d 系统通过专用接口 或通用接口( 如i g e s ) 输入几何模型，能进行有限元网格自动生成。 ( 2 ) 冷却分析m l 。用于成型后在模具中冷却以及模具冷却系统的分析。 ( 3 ) 翘曲分析m f w a r p 。是世界上推出的最早的翘曲分析软件( 1 9 9 1 ) 。它提供 三维翘曲、三维收缩分析，还能进行有关制品的承载和刚度能力的结构分析。 ( 4 ) 玻璃纤维增强塑料的结构分析m f s t r e s s 。 ( 5 ) 气体辅助注射成型分析舢弱：用于模拟整个气体辅助注塑的动态过程，预 测气体辅助注射过程对成型件几何形状的影响，实现材料的优选、塑件几何形状设计的 优化以及气体辅助注射工艺参数的优化。 1 6 2m p i 气辅模块m p i g a s 简介 m p i g a s 模块是m p i 中的专用模块，该模块是专门针对气体辅助成型技术而开发 的气体辅助模块( m o l d f l o w g a s ) 。该模块计算并可视化地显示塑料熔体的流动行为和 气体注入和掏空塑料熔体的整个过程，并预测气体注人后可能发生的穿破和气体泄漏现 象，以及塑料熔体的厚度分布、气体前锋的边界温度等。分析人员可以利用这些分析结 果对塑料材料、产品形状及尺寸、模具设计和各种成型工艺条件进行调整和优化，以获 江苏大学硕士学位论文 得满足质量要求的气体辅助注射成型塑件。 m p 删模块具有以下功能： 聚合物的流动分析。与m p i f l o w 紧密结合的塑料流动分析，完成聚合物注射 阶段的分析，此时聚合物熔体可以部分或全部充满型腔。注塑加工工艺、流道及型腔的 流动平衡、材料的选取等都在删a s 中得到优化。 气体辅助填充阶段的流动分析。完成注射阶段分析后，在用户定义的时间上或 达到用户定义的型腔充填程度时，m p i g a s 自动转向气辅注射分析，直至型腔完全充满。 气体辅助注塑成型过程的模拟。模拟加气的前期过程和高压气体注入聚合物熔 体中的过程。模拟注入阶段中压力的升降，考虑气体在熔体中的膨胀、构成