（材料加工工程专业论文）保压工艺对厚壁注塑产品收缩的影响研究.pdf

摘要 摘要 对于厚壁注塑制品，不均匀收缩是成型加工中的主要缺陷之一。厚壁制品的 注塑成型中，熔体冷却时间较长，而且赋形所需的保压时间也比较长，因此保 压工艺对其成型质量有着显著的影响。现阶段工业生产中常用的是恒压保压工 艺，但变压力保压可有效改善厚壁制品成型质量。本文通过数值模拟和实验方 法，研究变压力保压曲线对厚壁制品收缩率的影响。 首先，以法兰盘为例，用m o l d f l o wp l a s t i ci n s i g h t 软件和注塑成型实验完成 正交试验，对注塑成型工艺参数对厚壁制品收缩的影响程度进行研究，发现温 度、保压压力对厚壁注塑制品的收缩有显著的影响，实验与模拟结果趋势一致。 其次，研究了恒压保压工艺，变压力保压工艺下注塑成型中浇口冻结时间与 保压压力之间的关系，发现保压压力大小对浇口冻结时间的影响程度较小。不 同的保压压力方式下，浇口冻结时间相差不大，因此，设定保压工艺时，可将 保压时间设置为常数。 比较数值模拟和实验结果发现了恒压保压曲线、递减阶跃保压曲线、递减线 性保压曲线和改进的保压曲线与厚壁制品收缩均匀性的关系，发现：相比恒压 保压工艺，变压力保压工艺可以提高厚壁制品的收缩均匀性。其中，改进的保 压曲线能使厚壁制品的收缩最均匀。 最后，利用人工神经网络与遗传算法，根据正交试验得到的较优结果，即改 进的保压曲线进行了优化。结果表明：采用人工神经网络和遗传算法优化的保 压曲线，使厚壁制品收缩的均匀性提高了4 5 。 关键词：注塑成型变压力保压收缩优化 a b s t r a c t a b s t r a c t f o rt h i c k w a l l e di n j e c t i o nm o l d i n gp r o d u c t s ，n o n - u n i f o r mt h i c k n e s sd u et ou n e v e n s h r i n k a g ei sam a j o rf l a w i ni n j e c t i o nm o l d i n g ，d u et ot h ef r o z e nt i m eo ft h i c k - w a l l e d p r o d u c t si sr e l a t i v e l yl o n g ，h o l d i n gt i m ei sl o n g e rt h a nt h i nw a l l e dp r o d u c t s t h e q u a l 时o ft h i c k - w a l l e dp r o d u c t sa r es i g n i f i c a n t l yi m p a c t e db yp a c k i n gp r o c e s s c o n s t a n th o l d i n gp r e s s u r ei ss t i l lc o m m o n l yu s e di ni n d u s t r i a ln o w , c o n v e r s e l y , t h e q u a l i t yo ft h i c k - w a l lm o l d i n gc a nb ei m p r o v e db yv a r i a b l ep r e s s u r ep a c k i n gp r o c e s s i n t h i st h e s i s m o l d f l o wp a l s t i c i n s i g h t s i m u l a t i o na n di n j e c t i o nm o l d i n g e x p e r i m e n t sa l eu s e di nt h es t u d yo nt h ep a c k i n ge f f e c t so nt h es h r i n k a g eo fi n j e c t i o n m o l d e dt h i c kw a l lp r o d u c t s f i r s t l y , f o re x a m p l e 诹t l lf l a n g e s ，t h e e f f e c t so fi n j e c t i o n m o l d i n gp r o c e s s p a r a m e t e r so nt h es h r i n k a g eo ft h i c k - w a l l e dp r o d u c t sw a ss t u d i e db yt h eo r t h o g o n a l t e s tu s i n g 。t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei m p a c to f p a c k i n gp r e s s u r eo nt h es h r i n k a g eo f t h i c kw a l l e dp r o d u c t si ss i g n i f i c a n t t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e np a c k i n gp r e s s u r ea n dt h ef r o z e nt i m eo fg a t ew a ss t u d i e d b yu s i n gm o l d f l o wp l a s t i ci n s i g h ts i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep a c k i n g p r e s s u r eh a v el i t t l ee f f e c to nt h ef r o z e nt i m eo fg a t e t h ep a c k i n gt i m ec a nb es e tt o a g i v e nv a l u e t h er e l a t i o n s h i pv a r i a b l ep r e s s u r ep a c k i n gp r o c e s sa n dt h eu n i f o r m i t yo ft h e s h r i n k a g ew a ss t u d i e db ye o n s t r a s t i n gd a t af r o mm o l d f l o wp l a s t i ci n s i g h ts i m u l a t i o n a n dc o l l e c t e db yd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m mr e s u l ts h o w e dt h a t ：c o m p a r e dt o c o n s t a n tp r e s s u r ep a c k i n gp r o c e s s ，v a r i a b l ep r e s s u r ep a c k i n gp r o c e s sc a ni m p r o v et h e u n i f o r m i t yo ft h i c k - w a l l e dp r o d u c t so fc o n t r a c t i o n t h es h r i n k a g eo fp l a s t i cp a r t sc a n b eu n i f o r mw h e ni m p r o v e dh o l d i n gp r e s s u r ec u r v e sw a su s e d a tl a s t ，t h ep a c k i n gc u r v e sw e r eo p t i m z a t e db yu s i n ga r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s c o m b i n e dw i t hg e n e t i ca l g o r i t h m s t h er e s u l ti st h a tt h eu n i f o r m l yo fs h r i n k a g eo f t h i c k w a l l e dp r o d u c t sw a si m p r o v e d k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n g ；v a r i a b l ep r e s s u r ep a c k i n g ；s h r i n k a g e ；o p t i m i z a t i o n i i 1 绪论 1 绪论 1 1 注塑成型概述 注塑成型也称为注射成型，是热塑性塑料和部分热固性材料成型加工的一 种重要方法。注塑成型方式为将塑料加热至熔融状态，利用高压将其注塑到模 具模腔中，然后冷却固化成为塑料制品。其特点是生产周期短、适应性强、生 产率高和易于自动化，因此，在塑料制品生产中有广泛的应用。目前，采用注 塑成型的高分子材料所占的比例超过三分之一。而且，快速发展汽车制造工业、 电子工业等行业对注塑成型制品需求的逐步增大，推动着注塑成型技术的发展。 注塑成型的主要成型设备是注塑机。注塑机主要由五部分组成，即注塑控 制系统、塑化系统、控制面板、合模系统和电气控制系统( 图1 1 ) 。 图1 1 注塑成型机 射控制 注塑成型是一个周期循环过程，一般包括加料、塑化、注塑、冷却和脱模 几个阶段，其中注塑、冷却在型腔内完成。完成一次循环的时问称为成型周期 ( 图1 2 ) 。成型周期的长短对生产效率有决定作用。注塑时间包含两部分，充 1 绪论 填时间和保压时问，充填时间相对较短，一般3 - 5 s ，保压时间相对较长，通常 为2 0 1 2 0 s 。 在充填过程中，注塑机以速度控制方式进行，经过速度压力转换之后，切 换为压力控制，进入保压阶段。在保压阶段中，保压压力与时阳j 的关系曲线称 为保压曲线。如果保压压力过高，产品容易产生飞边；如果保压压力过低，产 品容易发生缩痕。因此，选择合适的保压工艺，对保证注塑成型制品的质量有 着重要的作用。 在冷却过程中，影响冷却时间的因素有制品厚度、塑料的热性能、塑料的 结晶性能和模具温度等。冷却时间过短，塑料熔体没有充分固化，易造成产品 粘模的现象，难以脱模；冷却时怄j 过长，会增长成犁周期，降低生产效率。 厂_ t - h “ a c e b _ _ 。d f 图1 2 注塑成型周期川 a 合模，b 注塑，c 保乐，d 塑化，e 项出，f 开始。卜一个成型周期 1 2 保压过程的c a e 模拟 1 2 1 注塑成型c a e 软件 c a e 即c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ，是指计算机辅助工程。准确的说，c a e 指的是工程设计中的分析运算与分析仿真。 注塑成型c a e 技术指的是以高分子材料加工流变学和传热学的基本理论为 2 一竹二：r l 绪论 基础，对注塑成型中模具内塑料熔体的流动和传热建立物理模型和数学模型。 然后运用数值计算理论构造这些模型的求解方法，实现成型加工过程中的仿真 分析，使对注塑成型过程的认识由宏观进入微观、由定性进入定量、由静态进 入动态。最后利用计算机图形学技术，形象、直观的在计算机显示器上模拟显 示出实际成型中熔体的动态填充、冷却等过程，并定量地给出注塑成型过程中 的状态参数( 如压力p 、温度t 、速度v 等) 的计算机模拟过程【l 】。 有限元分析法、边界元法被广泛的应用于注塑成型c a e 中，根据有限元法 分析的结果，结合人们自身的经验，在模具试模前即可对产品的设计进行评价， 并对模具设计方案进行修改。从而有效地提高模具质量和减少试模时间。 2 0 世纪9 0 年代，复杂三维模拟、材料的粘弹性、取向、残余应力和固化现 象被重点研究。另外计算方法在热成型、薄膜吹塑、双螺杆挤出、反应注塑成 型以及气体辅助注塑成型的工艺确定方面的应用，也成为研究热点。从9 0 年代 到现在c a e 技术以三维模型代替二维模型，以非线性分析代替线性分析：在同 一模型下，完成了充填、保压、冷却、翘曲分析；引入了概率统计和优化方法， 使设计加工的方法量化，从而简化了计算，使计算结果更准确可靠【i 】。 目前，应用广泛的商业注塑成型c a e 软件有a u t o d e s k 公司的a u t o d e s k m o l d f l o wi n s i g h t ( 原m o l d f l o w 公司产品m o l d f l o wp l a s t i ci n s i g h t ，简称m p i ，2 0 0 8 年被a u t o d e s k 公司收购) ，另外还有p o l y f l o w 和中国台湾地区的m o l d e x ，以及 中国大陆郑州大学的z m o l d 和华中科技大学的h s c a e 等软件。 本论文中的模拟所用的软件为a u t o d c s k 公司于2 0 0 9 年7 月推出的a u t o d e s k m o l d f l o wi n s i g h t2 010 。 1 z 。2 注塑成型中的保压分析 保压阶段的主要功能是赋形和补料。保压对于减少制品收缩、克服制品表 面缺陷和提高制品的密度有着重要作用。 在c a e 的分析中，充填、冷却和保压分析是最基本的分析功能( 图1 3 ) 。 可以模拟注塑成型过程中从充填到脱模前时刻的塑料熔体情况。利用c a e 软件 对保压阶段进行模拟可以预测保压过程中型腔内的压力场、温度场、剪切应力 分布和密度分布，帮助设计人员确定合理的保压工艺。 3 1 绪论 通逝砂二多 + l 温度、压力、密度 l 形状数据卜- 叫 锁模力 充填、i 浇口冻结时问 i 盛型查竺卜 l 体积牧缩章 冷却、 l 计算条件卜+ i固化层厚 保压 分析i 剪切速率剪切应力 i 盟堕丝丝l - 叫粘度 i 制品重量 奋j 品设计：模具设计 熔接线住置 最 浇 - - _ _ ， 冱 充填压力、最佳充填时阃、 最佳儇压时町、成型周期、 胡品尺寸精度等 图1 3 注塑成型分析流程【1 】 1 3 保压工艺对塑料制品成型质量的研究现状 陈曦 2 3 1 对保压曲线和制品表面质量进行研究。研究结果表明，采用线性递 减的保压曲线能够减小制品表面的粗糙度。并且指出采用递减阶跃保压曲线会 导致熔体倒流，对表面质量的提高造成不利影响。 吴廷【4 】在注塑时间转压、螺杆位置转压和模腔压力转压三种不同的转压方式 下对比了恒压保压和模腔温度控制阶梯降压保压( p t 保压) 两种保压方式对塑 料制品重复精度的影响，认为采用模腔温度控制阶梯降压保压方式比传统的恒 压保压方式能够使塑料制件的重复精度和表面质量更高。 张君，董定福1 5 】利用c a e 技术确定保压时间和保压压力最大值，分析结果 表明保压条件影响塑料制品收缩的大小及收缩量的分布。利用c a e 技术，可以 确定合理的保压时间和保压压力，从而缩短成型周期，提高生产效率，并能使 塑件体积收缩均匀，提高试模效率。 廖秋慧，刘淑梅【6 】以阿基米德螺旋线塑件为例，利用m o l d f l o w 软件对塑件 保压过程进行模拟，研究保压方式对塑件翘曲变形的影响，并利用压力测试仪 测试不同保压工艺下的模腔压力并得到模腔压力曲线。研究表明，保压压力对 塑件的体积收缩率和翘曲变形量有显著的影响，相比恒压保压方式，分段保压 可以使体积收缩均匀，表面质量提高。 土耳其k o c a e l i 大学h a s a no k t e m 等人1 7 】采用t a g u c h i 优化方法和m o l d f l o w 软件分析了影响薄壁制品翘曲变形和收缩的工艺参数。对翘曲变形的影响因子 4 塑磊 兰一 #，一一月朋立一氅位道一一选麓二姚 i 绪论 由大到小依次是保压压力、保压时间、注塑时间、冷却时间。对收缩影响由大 到小依次为保压时间、保压压力、注塑时间、冷却时间。利用t a g u c h i 试验方法 优化对成型工艺进行优化，使薄壁制品的翘曲变形和不均匀收缩有所减小。 b o z c e l i k 等1 将遗传算法与人工神经网络结合，对薄壁制品的注塑成型工 艺进行优化。结果表明，对翘曲变形影响最显著的因素是保压压力。 s j l i a o 等咿j 对某一手机面板的翘曲和收缩情况利用c a e 软件进行数值模 拟研究。结果表明，在注塑速度、模具温度、保压压力和熔体温度等工艺参数 中，保压压力的影响最大，塑件的形状对最佳工艺的参数选取也有影响。 综上，对于注塑制品，保压工艺对其质量有着显著的影响，合理的保压工 艺可以提高注塑制品的成型质量。 1 4 几种不同的保压工艺 在注塑成型中，通常控制量为喷嘴压力，而不是模腔压力。因为要对模腔 的压力进行控制，需要首先在模具中装上模腔压力传感器。安装传感器往往会 影响塑料制品的表面质量，不利于制品质量的提高。而且即使安装了传感器， 只能测量单个点位置处的压力。所以在实际操作中，通常采用喷嘴压力作为保 压过程的压力控制量【l0 1 。所以在保压阶段的控制中，喷嘴压力往往作为保压压 力的控制量。保压过程影响的最终变量为制品质量，而控制的变量为保压压力， 保压压力是通过二次变量模腔压力分布来实现对制品质量的影响作用的，如图 1 4 所示。因此如何通过对保压压力的控制，来得到最优的塑料制品质量，是本 文研究的主要内容。 一次变量二次变量 三次变量 回匝互困囡 图1 4 保压压力对塑料制品质量的影响作用【2 l 在保压控制中，可采用的保压曲线形式有5 种，如图1 5 1 9 ，图中x 轴表 示时间，y 轴表示保压压力。 ( a ) 恒压保压曲线 5 l 绪论 恒压保压曲线有保压压力和保压时间两个参数，如图1 5 所示。由于恒定保 压曲线的设置只需要确定两个参数，容易选取；而且对注塑机来说，恒压保压 容易执行，因此在工业得到广泛的应用。 ( b ) 递减阶跃保压曲线 递减阶跃保压曲线分成多个时间段，每个时间段中的压力恒定，而总的趋 势为保压压力逐渐减小，如图1 6 所示。采用递减阶跃保压工艺时，由于保压压 力的突然减小，会导致熔体的倒流，而影响塑料制品的质量。 p 0 t 图i 5 恒压保压曲线 p 0 t 图1 6 递减阶跃保压曲线 ( c ) 递减线性保压曲线 递减线性保压曲线如图1 7 所示，在整个保压阶段中，保压压力由开始的保 压压力值线性减小，在保压阶段结束的时候达到另外一个压力值。递减线性保 压曲线的参数有三个，保压时间、起始保压压力与终点保压压力。 ( d ) 改进的保压曲线 图1 8 是改进的保压曲线。此曲线的特征为，在整个保压阶段中，先经过一 段时间的恒压保压，然后保压压力线性减小为另一个较小的压力值，接着再以 另一个递减速率减小到终点压力值。这种保压曲线最接近模腔中熔体的压力变 化曲线。 p 0 t 图1 7 递减线性保压曲线图1 8 改进的保压曲线 6 l 绪论 ( e ) 递减连续保压曲线 除了以上几种保压曲线，另有一种递减连续保压曲线如图1 9 所示。该保压 曲线是一种理想化地保压曲线，其特征为连续可导，在整个保压过程中，模腔 内的塑料制品逐渐冷却，固结部分逐渐增多，熔融部分逐渐减少，这两个过程 都是渐进的、连续的，递减连续的保压曲线的变化能够较好的与该过程保持一 致。从而最大程度的提高保压阶段的精度。但是递减连续保压曲线对注塑机的 压力控制系统要求极高，因而目前在工业生产中尚未得到应用。 1 5 本文的主要工作 图i 9 递减连续保压曲线 1 s 1 工作意义 在注塑成型中，由于塑料熔体的冷却固化使塑料熔体发生收缩。但收缩的 不均匀性，往往对塑料制品的质量造成影响。对于厚壁制品，壁厚的不均匀是 其注塑成型加工的主要问题之一。 在现阶段的注塑成型中，通常采用恒压保压的保压工艺。恒压保压工艺的 优点是工艺参数容易确定，设置容易，而且容易在注塑机上实现。相对于恒压 保压，变压力保压可以使模腔内的压力分布更均匀，从而提高注塑成型制品的 质量。随着注塑机控制技术的进步，能够在保压阶段进行变压力控制的注塑机 得到越来越广泛的应用。如目前，d e m a gd r a g o n 系列注塑机在保压控制中可 以使保压压力变化与螺杆位置或时间成函数关系，支持根据时间对保压压力曲 线进行的1 0 级编程。注塑机控制技术的发展，使变压力保压在生产中的实施能 够得以实现，但其工艺参数的设置也相对复杂，因此利用数值模拟方法对保压 参数设置提供参数，可对生产实践有指导意义。 7 1 绪论 1 5 2 研究内容 本论文从以下几个方面进行研究。 1 以法兰盘为例，利用数值模拟与实验的方法，进行正交试验，对注塑成 型工艺参数对厚壁制品注塑制品的收缩的影响进行研究，以确定各工艺因素对 厚壁制品收缩影响的程度。 2 利用m p i 软件模拟，研究了不同保压压力下浇口冻结时间的变化，以确 定保压压力大小与保压时间之间的关系。 3 利用实验和模拟两种手段，研究了四种不同保压曲线下制品内压力分布 以及厚度均匀性的差别。 4 利用人工神经网络与遗传算法结合，对变压力保压工艺进行优化，对比 优化前与优化后制品厚度均匀性的差别，以确定该优化方法对提高塑料制品收 缩均匀程度的有效性。 8 2 保乐过程与优化的理论 2 保压过程与优化的理论 2 1 保压过程的基本理论 在注塑成型中，充填阶段完成之后，便进入保压阶段，此时注塑机控制系 统要进行v ，p 转换，也就是从速度控制方式转换为压力控制方式，转换之后注 塑机的注塑压力称为保压压力。在保压阶段，由于模腔内的塑料熔体温度下降， 导致体积收缩，从而使模腔压力减小，当模腔压力减4 , n d , 于注塑机的保压压 力之后，塑料熔体便通过浇口进入模腔，以补充模腔中塑料熔体由于温度下降 导致的体积收缩，从而起到补缩作用。 在保压阶段熔体通过浇口进入模腔的流动，称为保压流动。保压流动和充 填阶段的冲模流动都是在注塑机提供的高压下产生的塑料熔体的流动。但是相 比充填流动，保压流动的流动速率很小，起不到主导作用。对于保压过程，压 力是主要的影响因素。 保压压力和保压时间对模腔压力有重要影响。保压阶段应当持续到浇口冻 结。保压停止的过早，会造成模腔内熔体的倒流，影响塑料制品的成型质量。 如果浇口冻结之后仍处于保压状态，会增长成型周期，造成能量和时间的浪费。 如果保压压力不足，熔体不能有效补缩，使制品严重收缩。如果保压压力过大， 会导致制品飞边。保压阶段的模腔压力的分布和变化直接影响着制品的质量。 模腔压力的变化会对制品质量的多个方面造成影响。一般来讲，当模具温度保 持恒定时，模腔压力是影响制品尺寸的最重要因素【l 。如果模腔压力过低，会 造成制品收缩：但模腔压力如果过高，会导致飞边、粘模及制品内应力过高等 问题。另外，制品内部和表面的组织结构也会受到模腔压力和时间的影响，从 而影响到制品的机械性能和表面质量2 1 。 根据保压模型，能够计算出保压过程中的压力和温度。如何设置保压压力 和保压时间仍是一个问题。目前，一种基于p v t 关系曲线的设置方法已经被一 些注塑机控制系统采用【1 3 ”】。 此方法提出的p v t 控制的最佳路线为如图2 1 所示的p v t 曲线图中的 a b c d e 【i 睨。阶段a b 为充填阶段，此时压力须控制在模具变形所允许的极限 压力之内，或者注塑机所能提供的最大压力以内。通常充填速度很快，充填阶 9 2 保压过程与优化的理论 段所用时间很短，因此塑料熔体的温度变化很小，可以忽略不计。阶段b c 为 等压变化过程，熔体温度逐渐降低，密度逐渐增大，按等压曲线变化进行控制。 阶段c d 为等容变化阶段，在此阶段，由于冷却作用，温度继续降低，此时控 制系统根据p v t 数据和温度的测量所得信息的关系，使冷却过程沿着等容曲线 进行，到压力降至常压为止，此时保压阶段结束。阶段d e 表示的是制品冷却 的过程，该阶段持续到开模顶出所应达到的温度，此阶段到塑料制品固化完成 时结束。 图2 1 最佳p v t 控制线路图 阶段c d 是这种保压控制方法的核心阶段。一些研究认为采用这种保压控 制方法可以保证制品的尺寸精度和质量。但目前为止，仍没有足够的理论基础 和实验结果可以证明这一方法对提高制品成型质量的有效性。这种方法需要精 确的p v t 数据，而一些材料的p v t 数据事实上是缺乏的，因此获得在整个温度 范围的精确地p v t 数据是非常困难的。其次，注塑机和模具中的材料物性是不 均匀的，不能够简单的将其看作p v t 曲线上一个点。另外，即使将以上这些误 差忽略不计，在实际工程应用实施这种方法中也很复杂。塑料制品的质量很可 能会因为受到在模具中安装的温度传感器和压力传感器的影响。而传感器也不 能测量熔体内部的温度或压力。因此，这种方法在应用上仍存在问题。 1 0 2 保压过程与优化的理论 实际生产中，控制好保压过程的变量就可以保证塑料制品的尺寸重复性和 质量。从操作的方便性和制品表观质量考虑，不采用控制模腔压力的方法，而 通过控制喷嘴压力来保障制品质量是更为合理的保压工艺确定方法。目前国外 常用的p v t 控制方式仅是利用模腔压力作为控制信号【2 1 之6 l 2 2 塑料制品的成型收缩 注塑成型中，高温的塑料熔体进入模腔之后，由于冷却的作用，塑料熔体 温度下降。在冷却过程中，由于塑料的热胀冷缩作用，塑料制品的体积小于常 温下模腔的容积，这就是塑料制品的成型收缩。塑料的收缩通常用线收缩率 ( l i n e a rs h r i n k a g e ) 和体积收缩率( v o l u m e t r i cs h r i n k a g e ) 表示。 线收缩率l s 的计算公式如式2 1 ： t = 兰1 0 0 ( 式2 1 ) 式中，为收缩前得尺寸，为收缩后的尺寸。 体积收缩率的计算是基于聚合物在标准大气压下p a n n 松弛到室温( t 啪m ) 时 的松弛密度【2 7 】 忡卜焉 c x - 戈2 2 ， 式中，即) 2 去p ( z , t ) d z 如果材料是各项同性的，线收缩率约等于体收缩率的1 3 t 2 8 1 。因此对于各向 同性材料，对线收缩率的研究可以利用对体积收缩率的研究作为替代。 z 3 人工神经网络与遗传算法 2 - 3 1 人工神经网络 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a 1 州) 是一种旨在模仿人 脑结构及其功能的信息处理系统【2 9 1 ，人工神经网络通过模仿神经系统的组织结 构及某些活动机理，可呈现出人脑的许多特征，并具有与人脑相似的一些基本 功能。 2 保压过程与优化的理论 人工神经网络结构上具有处理单元的高度并行性和分布性的特征，这些特 征是人工神经网络在信息处理方面具有分布存储与并行运算、存储与处理一体 化的特点。这些特点使其具备较快的处理速度和较强的容错能力。人工神经网 络具备自学习、自组织和自适应性。自学习指外界条件发生变化时，经过一定 时间的感知或训练，人工神经网络能够自动调整网络结构参数，使对于给定的 输入能产生所期望的输出。自组织是指人工神经网络能在外部刺激作用下按照 一定规则调整神经元的突触连接，逐渐构建起神经网络1 2 9 。人工神经网络具备 的自学习、自组织能力使其能够通过改变自身性能从而适应外界条件变化的能 力，也就是自适应性。 人工神经网络具备联想记忆功和非线性映射功能，从而使其能够通过对系 统输入输出样本的学习自动提取其中蕴含的映射规则，从而以任意精度拟合任 意复杂的非线性函数1 2 9 j 。 2 3 2 遗传算法 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a ) 是一种基于生物自然选择与遗传 机理的随机搜索算法。其核心为适应性和随机信息交换，是一种简洁、灵活、 高效的全局优化算法。参数编码、初始种群设定、适应度函数设计、遗传操作 设计及控制参数设定5 个要素构成遗传算法的核心内容1 3 0 1 。 遗传算法与传统搜素算法相比具有以下特点：遗传算法运算的不是解集本 身，而是解集的编码；遗传算法搜索并非始于单个解，而是解的一个种群。遗 传算法不需要导数等辅助信息，仅依靠效益信息在增加收益和减小开销之问进 行权衡。而且遗传算法使用的不是确定的状态转移规则，而是概率的转移规则。 这些特点使遗传算法能够以较高效率、较大概率找到整体最优解。而且具有简 单、易操作等特性。 1 2 3 保压t 艺对厚壁制品收缩影响的研究 3 保压工艺对厚壁制品收缩影响的研究 3 1 引言 在注塑成型中，影响制件体积收缩的主要因素包括材料性能、成型工艺、 模具结构等 31 - 3 3 1 。本章以法兰盘为例，利用数值模拟与实验的方法，对保压工 艺对厚壁制品的不均匀收缩的影响进行研究。首先利用正交试验研究了各个工 艺参数对法兰盘收缩的影响；然后采用m o l d f l o w 软件模拟的方法，对保压压力 对浇口冻结时间的影响进行研究：最后，对不同的保压压力曲线，分析了保压 工艺对法兰盘收缩均匀性的影响，并对实验结果、模拟结果进行了比较。 3 2 影响厚壁制品收缩因素的正交分析 3 2 1 实验研究对象 本论文的研究对象为法兰盘。法兰盘为圆盘结构，主体部分厚度为1 3 m m 。 其主要尺寸如图3 1 所示。 图3 1 法兰盘主要尺寸 3 2 2 实验所用原料与设备 实验所采用的原料为p p ( 聚丙烯) ，制造商为k o m ap e t r o c h e m i c a li n dc ol t d ， 1 3 3 保压i ：艺对厚壁制品收缩影响的研究 牌号为r j 6 4 2 8 。其密度为0 8 9 9 2 9 c m 3 。 实验所用注塑机为d e m a gp l a s t i c sg r o u p 生产的全闭环控制精密注塑机，型 号为s y s t e m8 0 4 2 0 4 3 0 ，如图3 2 。 图3 2 实验所川的注塑机 实验采用模具为法兰盘模具，如图3 3 。 图3 3 法兰盘模具 在注塑成型试验中，采用模温控制机对模具温度进行控制。实验采用 1 4 3 保乐i ：艺对厚肇制品收缩影响的研究 p i o v a n 模温控制机，型号为t w 9 z 型，如图3 4 。在实验中，利用水作为冷却 介质对模具温度进行控制。 3 2 - 3 实验内容与结果 试验中考虑4 个主要参数，分别为熔体注塑温度、保压压力、注射速率、 模具温度【3 3 1 。其中在其工艺窗口中为各个因素选取3 个水平，各个因素及其3 个水平值如表3 1 。模拟中保压时间设置为2 5 s 。 表3 1 止交试验选川的冈子组合 由于因素数为4 ，每个因素水平数为3 ，所以选取l 9 ( 3 4 ) 正交表。 分别利用注塑机完成编号1 9 的实验，每组待实验条件稳定之后注塑成型5 个法兰盘制品。在所得法兰盘中，浇口f 对的位置和熔接线位置处的厚度差异 最大，如图3 5 中由虚线圈起来的区域。 对法兰盘上厚度差异最大区域厚度进行测量，测量取点方式为沿左侧a 区 域及上侧b 区域中径向虚线分别耿7 个点，7 个点到边缘的距离依次为4 m m ， 1 5 3 保压j f ：艺对厚壁制品收缩影响的研究 8 m m ，1 2m m ，1 61 1 1 1 ，2 0m m ，2 4r e a l ，2 8m i l l 。 图3 5 法兰盘制品肇厚变差异最大处 实验l 所得法兰盘各点厚度测量结果如图3 6 。 1 3 0 1 2 8 舍1 2 6 e e 型12 4 蹬 1 2 2 1 2 o 0481 21 62 02 42 8 到边缘距离( m m ) 图3 6 实验1 所得制品测得厚度数据 对其它实验所的法兰盘的a 区和b 区域进行厚度测量，求出线收缩率平均 值，所得结果如表3 2 。 1 6 3 保压j r 艺对厚壁制品收缩影响的研究 根据实验所得结果做出各个因素对法兰盘线收缩率的影响图，如图3 7 。 2 6 5 邑2 6 0 褂 杞 毒再 爿 餐2 5 5 墨 、 2 5 0 a 1a 2 a 3b 1b 2b 3 c 1c 2c 3d 1d 2d 3 影响因素 图3 7 各j ：艺冈素对线收缩率影响的模拟结果 由图3 5 可以看出，本文研究的4 个工艺因素对线收缩率影响按照由大到小 顺序排列为：熔体温度保压压力 模具温度 注射速率。 1 7 3 保压i ：艺对厚肇制品收缩影响的研究 3 2 4 法兰盘的模型 首先运用三维c a d 软件p r o e n g i n e e r 建立法兰盘的模型，然后将已经创建 的c a d 实体模型转换为i g e s 格式。然后导入到m o l d f l o w 软件中，导入结果如 图3 8 所示。 在进行c a e 分析之前，需要对模型进行前处理。首先对其划分网格，由于 法兰盘厚度较大，注塑成型中的物理量在厚度方向上的变化不能忽略，因此需 要划分为3 d 网格【3 4 】。划分结果如图3 9 。 图3 8i g e s 格式的模型图3 9 模型的网格划分 然后对该模型创建浇注系统。主流道为圆锥形，其长度为8 0 m m ，两端直径 分别为3 m m 和6 m m ；分流道截面为半圆形，半径为3 5 m m ；浇口为矩形侧浇口， 其长度( 深度) 为2 m m ，宽度为2 m m ，高度为l m m 。创建完成之后对这个模型 划分网格。划分网格后，模型中节点数量为3 3 6 5 7 ，四面体单元数量为1 7 4 0 0 6 ， 占总体积的9 8 5 8 ，柱体数量为6 0 ，占总体积的1 4 2 。 3 2 5 模拟参数 模拟采用与实验相同的材料，p p ( 制造商k o r e ap e t r o c h e m i c a li n dc ol t d ， 牌号r j 6 4 2 8 ) 。图3 1 0 为其粘度曲线，图3 1 1 为其p v t 曲线。 模拟所选参数及其水平与实验相同，如表3 1 。利用选取l 9 ( 3 4 ) 正交表， 设计f 交试验。 1 8 3 保压j ：艺对厚肇制品收缩影响的研究 1 0 0 01 0 0 01 0 n 01 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 e + 0 5 剪饵遘事1 1 1 5 i 图3 1 0p p r j 6 4 2 8 的粘度曲线 3 2 6 模拟结果 图3 1 ip p r j 6 4 2 8 的p v t 曲线 由于制品厚度变化最大的位置在图3 1 2 中矩形所圈起来的位置，所以考察 厚度变化时所取的节点为放大图中箭头所指的节点，编号分别为a l a 7 和 b l a b 7 ，如图3 1 3 。点a 1 和点b l 到模型边缘的距离均为4 m m ，相邻两点l 、日j 距离 也均为4 m m 。 b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 暑6 b ， a 1 a 2a 3a4a 5 a 6 a 7 图3 1 2 取点位置 在背面每与这些点中每一个点相对位置也取数量相同的点，则相对应两点 1 9 3 保压i ：艺对厚壁制品收缩影响的研究 之间的距离就是法兰盘这一位置的厚度，如图3 7 。 图3 1 3 分析厚度变化的取点位置 利用m p i 软件模拟完成之后，从结果中导出收缩之后每个节点z 坐标的变 化，求出7 ，则线收缩率为： ：l - l r 1 0 0 三 线收缩率计算结果如表3 3 。 表3 3m p i 模拟采用的正交试验表和模拟结果数据 ( 式3 1 ) 3 保压_ t 艺对厚擘制品收缩影响的研究 根据模拟所得结果做出各个因素对法兰盘线收缩率的影响图，如图3 1 4 。 1 8 4 1 8 2 1 8 0 褂 萋1 7 8 怒 1 - 7 6 1 - 7 4 a 1a 2a 3b 1b 2b 3 c 1c 2c 3d 1d 2 d 3 影响因素 图3 1 4 各工艺因素对线收缩率影响的模拟结果 由图3 1 4 可以看出，本文研究的4 个工艺因素对线收缩率影响按照由大到 小顺序排列为：熔体温度 保压压力 模具温度 注射速率。 对比模拟结果与实验结果，四个因素对制品收缩的影响由大到小都为熔体 温度 保压压力 模具温度 注射速率。在模拟的结果中，保压压力对制品收缩影 响的贡献率为3 0 ，在实验结果中，保压压力对制品收缩影响的贡献率为3 7 。 因此，保压压力对制品的收缩有着显著的影响。 3 3 保压压力对浇口冻结时间的影响 3 3 1 模拟方案 在保压过程中，由于模腔内的熔体冷却收缩，导致熔体内熔体体积减小， 这样在保压压力作用下，塑料熔体通过浇口进入模腔，对模腔内的熔体进行补 缩，产生保压流动3 卯。接下来研究不同保压压力对浇口冻结时间的影响。模拟 采用的模型为图3 9 中所示的法兰盘模型。在这里称左侧浇口为浇口l ，右侧浇 口为浇口2 。如图3 1 5 。 2 1 3 保压l ：艺对厚肇制品收缩影响的研究 浇 图3 15 浇口编号 浇口2 工艺参数设置为：熔体温度2 2 5 。c ，模具表面温度4 0 。c ，注射速率2 0 c m 3 s ， 保压时问设置为2 5 s ，保压压力分别取3 5 m p a ，4 0m p a ，4 5m p a ，5 0m p a ，5 5m p a ， 6 0m p a 和6 5m p a 。 3 3 2 浇口冻结时间的模拟结果 利用m o l d f l o w 软件对以上7 个方案分别进行模拟。完成模拟之后，分别对 浇口位置取冻结时间的探测x y 图，即可得到浇口的冻结时问，如图3 1 6 为保 压压力为3 5 m p a 时的浇口l 的冻结时间探测x y 图，其中x 轴指的是在浇口的 厚度方向点到探测起始点的距离，y 轴指的是冻结所需时问。因此浇口完全冻结 的时间为曲线中点的冻结时问，如图中所指的1 6 0 2 s 。 长度i m m l 图3 1 6 保压压力为3 5 m p a 时浇口1 的冻结时间 2 2 蚰 明 l 吼 色 玑 5 m 5 1 1 1 1 7 5 2 3 保压t 艺对厚壁制品收缩影响的研究 利用探测x y 图分别取出7 个不同保压压力下l 和浇口2 的冻结时问。得到 结果如图3 1 7 所示。 1 6 8 1 6 6 c i 垦1 6 4 茁 j ： 蛞1 6 2 1 6 0 3 03 54 04 55 05 56 06 5，0 保压压力( m p a ) 图3 1 7 不同压力下两浇口冻结时间 由图中可以看出，浇口冻结时间随保压压力的提高而单调增大。说明保压 压力大小对浇口冻结时问有影响，而且浇口冻结时间随着保压压力的提高单调 递增，而且相同保压压力下，两浇口时间差值小于o 0 2 s ，差值很小，因此研究 浇口l 即可完成对浇口冻结时间的研究。 3 3 3 保压阶段浇口温度的变化 分别取出浇口1 中心节点的温度x y 图，得到该节点的温度随时间变化的情 况。 对比7 种不同保压压力下该节点温度变化图，如图3 1 8 。根据图中温度的 变化情况，不同保压压力下该节点的温度下降速率不同，保压压力越高，其温 度下降越慢。 2 3 3 保压t 艺对厚壁制品收缩影响的研究 2 5 0 2 0 0 o 1 5 0 y 似 噶1 0 0 5 0 01 02 03 04 05 06 0 时间( s ) 图3 1 8 不同保压压力下浇口l 中心节点温度变化图 3 3 4 保压阶段浇口内熔体流动速率的变化 对保压阶段熔体通过浇口的进行补缩流动流动速度进行研究。取出浇口中 心点流动速度的x y 图，分别取出不同保压压力下浇口1 中心节点的熔体流动平 均速度，所得结果如图3 1 9 。 迎 e ) 赵 剃 露 * 3 04 05 06 q7 0 保压压力( m p a ) 图3 1 9 不同保压压力下的熔体流动速率 由图3 2 0 可知，熔体通过浇口进行保压流动的速度与保压压力的关系为随 保压压力的增大单调增加。浇口冻结时间随保压压力增加的趋势与该趋势相近。 2 4 3 保压r ：艺对厚壁制品收缩影响的研究 3 3 5 保压压力对浇口冻结时间影响的分析 因此可以判断，在法兰盘注塑成型的保压阶段中，由于分流道横截面积较 大，冷却比浇口慢。所以在保压阶段分流道中的熔体温度比浇口中的熔体温度 高。分流道中的高温熔体通过浇口流入模腔进行补缩时，将热量带入浇口，使 浇口处的温度下降速度减慢。较高的保压压力下，从主流道流出，经过浇口对 模腔进行补缩的高温熔体量增多，使更多热量传递至浇口，从而使浇口处温度 下降减慢，延长了浇口冻结时问。 由于通过浇口对模腔进行补缩的熔体流动速度较小，所以对浇口冻结时间 的影响也不大，如图3 1 7 中，6 5 m p a 下的浇口冻结时间与3 5 m p a 下的浇口冻结 时间的相差仅有约0 8 s 。所以，保压压力对浇口冻结时间影响较小。在对保压工 艺进行设置或者优化时，可以将保压时间设置为定值。 3 4 保压曲线对厚壁制品成型收缩率影响的研究 3 4 1 研究的保压曲线 在注塑成型中，保压曲线通常设置为恒压保压曲线。随着保压压力控制技 术进步，不同的保压曲线被逐步应用在生产中 3 6 , 3 1 。 在保压过程中，由于模腔内的压力在不断发生变化，采用变压力保压可以 改善塑料制品的质量。这里对厚壁制品法兰盘注塑成型中保压对塑料制品的厚 度均匀性的影响进行研究。 本文研究4 种保压曲线，分别为恒压保压曲线、递减阶跃保压曲线、递减 线性保压曲线和改进的保压曲线(