（机械设计及理论专业论文）精密注射成型工艺优化cae及实验研究.pdf

摘要 精密注射成型工艺优化0 a e 及实验研究 摘要 随着人们对注射制品质量要求的不断提高，精密注射成型技术得到不 断发展。工艺参数是影响精密注射成型制品质量的重要因素，本文围绕精 密注射成型工艺优化，充分发挥注射成型c a e 及二次开发技术和注射成 型可视化技术的作用。 利用c a e 软件m o l d f l o w 的二次开发技术开发保压曲线优化向导、工 艺方案优选分析器来增强m o l d f l o w 的工艺优化功能；开发出熔接线综合 预测器、m o l d f l o w 分析结果辅助评价系统、平行度及同轴度分析器为 m o l d f l o w 提供有效的工具和标准来评价分析结果、制品缺陷和尺寸精度。 利用注射成型可视化技术对精密注射成型典型型腔的熔体充填规律 进行系统研究，分析比较不同结构型腔熔体充填行为，并与m o l d f l o w 模 拟结果相比较，不但为精密注射制品工艺优化提供理论指导和实际经验， 也为注射成型c a e 的发展提供了实际参照和验证。 利用注射成型可视化技术对精密注射成型典型缺陷欠注、飞边、 熔接痕、波流痕、喷射痕、缩痕、气泡的产生过程与机理进行了研究，并 提出消除缺陷和提高制品质量的措施。 最后本文结合m o l d f l o w 软件、二次开发工具和可视化实验研究成果， 对精密注射制品注射管的工艺参数进行了优化，消除t n 品缺陷，提 高了制品的质量。实例证明将c a e 技术与实际经验相结合能够更有效地 北京化工大学硕十学位论文 解决实际精密注射成型中的问题，优化注射工艺和提高制品质量。 关键词：精密注射成型，注射成型工艺，c a e ，m o l d f l o w ，二次开发，可 视化，缺陷，注射管 i l 摘要 r e s e a r c ho np r o c e s so p t i m i z a t i o nb yc a e s o f t w a r ea n dv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi n p r e c i s l 0 n i n j e c t i o nm o l d i n g a b s t r a c t t h ep r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p i n gf a s t w i t ht h er e q u i r e m e n t so fh i g hq u a l i t yo fi n j e c t i o nm o l d i n gp a r t s p r o c e s s p a r a m e t e r sa r ei m p o r t a n tf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h eq u a l i t yo fp r e c i s i o ni n j e c t i o n m o l d i n gp r o d u c t s t h i sa r t i c l er e s e a r c h e do np r o c e s so p t i m i z a t i o no fp r e c i s i o n i n je c t i o nm o l d i n ga n dt h ek e yr o l eo fi n je c t i o nm o l d i n gc a e 、s e c o n d a r y d e v e l o p m e n ta n dv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yi nt h eo p t i m i z a t i o n b a s e do ns e c o n d a r yt e c h n o l o g yo fm o l d f l o w , g u i d ef o rp a c k i n gc u r v e o p t i m i z a t i o np r o g r a ma n da n a l y z e ro fp r o c e s so p t i m i z a t i o np r o g r a mw e r e d e v e l o p e dt oe n h a n c et h eo p t i m i z a t i o nf u n c t i o no fm o l d f l o w ；w e l dl i n e i n t e g r a t i v ef o r e c a s t e rp r o g r a m 、a i d e de v a l u a t i o ns y s t e mo fm o l d f l o wa n a l y s i s r e s u l t sp r o g r a ma n dt h ep a r a l l e l i s ma n dc o a x i a l i t ya n a l y z e ri nm o l d f l o w p r o g r a mw e r ed e v e l o p e dt op r o v i d ee f f i c i e n tt o o l sa n dc r i t e r i af o rm o l d f l o wt o i i i 北京化t 大学硕十学位论文 e v a l u a t er e s u l t s 、p r o d u c td e f e c t sa n dd i m e n s i o n a la c c u r a c y b a s e do nv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yo fi n je c t i o nm o l d i n g ，t h ef i l l i n g b e h a v i o ro fp o l y m e rm e l ti nv a r i o u st y p i c a lc a v i t i e so fp r e c i s i o ni n je c t i o n m o l d i n gw e r es t u d i e da n da l s oc o m p a r e dw i t hm o l d f l o ws i m u l a t i o nr e s u l t s r e s e a r c hr e s u l t sn o to n l yp r o v i d e dt h e o r e t i c a l g u i d a n c ea n dp r a c t i c a l e x p e r i e n c ef o rp r o c e s so p t i m i z a t i o ni np r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n g ，b u ta l s o p r a c t i c a lr e f e r e n c ea n dv e r i f i c a t i o nf o rd e v e l o p i n go fc a et e c h n o l o g y b a s e do nv i s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g yo fi n je c t i o nm o l d i n g ，t h et y p i c a l d e f e c t ss u c ha ss h o r ts h o t ，f l a s h ，w e l dl i n e ，f l o wm a r k 、j e t t i n gm a r k ，s i n km a r k a n db u b b l eo fp r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n gp r o d u c t sw e r ea l s os t u d i e da n d m e a s u r e sf o r e l i m i n a t i n g d e f e c t sa n d i m p r o v i n gp r o d u c tq u a l i t y w e r e p r o p o s e d i nt h ee n d ，t h ep r o c e s sp a r a m e t e r so fap r e c i s i o ni n je c t i o nm o l d i n g p r o d u c t s _ 一t h ei n f l a t i o nd e v i c et u b ew e r eo p t i m i z e dw i t ht h eh e l po fc a e s o f t w a r e 、s e c o n d a r yd e v e l o p e dt o o l sa n dv i s u a l i z a t i o ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e x a m p l ep r o v e dt h a tc a et e c h n o l o g yc o m b i n e dw i t hp r a c t i c a le x p e r i e n c e c o u l db em o r ee f f e c t i v et os o l v ep r a c t i c a lp r o b l e m si np r e c i s i o ni n je c t i o n m o l d i n g 、o p t i m i z ep r o c e s sa n di m p r o v et h eq u a l i t yo f t h ep r o d u c t s k e y w o r d s ：p r e c i s i o ni n je c t i o nm o l d i n g ，i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s i n g ， c a e ，m o l d f l o w , s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ，v i s u a l i z a t i o n ，i n f l a t i o nd e v i c et u b e 北京化工大学位论文原创性声明 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 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 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。 作者签名： 至薹幺 日期：丝丝：么 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校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 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在l 年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：垩乏丕 日期：作者签名： 坐己丕 日期： 彳1 、 导师签名： r j 查至鱼 日期： 劢仇s 。弱 归 90 喝 第一章绪论 1 1 注射成型概述 1 注射成型技术 第一章绪论 注射成型是一种高分予材料成型加工的方法。迄今，超过三分之一的高分子材料 采用注射成型加工，注射成型设备则占到所有塑料机械总量的一半。随着家电行业、 电子工业、汽车制造业等对于注射制品需求的同益增大，更进一步地推动了注射成型 技术的发展。注射成型己经成为高分子材料成型加工中最重要的工艺过程之一。 通用注射方法是将聚合物组分的粒料或粉料放入注射机的料筒内，经过加热、压 缩、剪切、混舍和输送作用，使物料进行均化和熔融，然后再借助于柱塞或螺杆向熔 化好的聚合物熔体施加压力，则高温熔体通过喷嘴和模具的浇注系统射入预先闭合好 的低温模腔中，再经过冷却定型就可开启模具，顶出制品，得到具有一定几何形状和 精度的塑料制品。 注射成型过程可通过如图l - 1 所示的注射成型机米完成。目前通用的注射机主要 包括注射系统、合模系统、加热冷却系统、液压系统、润滑系统、控制系统、安全保 护与监测系统以及供料等辅助系统。 合懂系坑 人矶界面 0 热系统 j 主封系统 浊压系筑一一i 。”凶 _ 一号! 之则旷鹾系统 o 图1 - 1 往复螺杆式注射机 f i g 1 1 r e c i p r o c a t i n g i n j e c t i o n m o l d i n g m a c h i n e 注射成型是一个周期性往复循环的过程，完成一次循环的时间称为成型周期。注 射成型周期主要有合模、注射、保压、塑化、冷却定型及脱模顶出等步骤i ”，如图1 - 2 所示。 北京化i 大学碰士学位论文 垮譬 蟮蟮 r 洋社 图1 - 2 注射成型周蜘 ( a ) 台模( b ) 注射( c ) 保压( d ) 塑化( e ) 顶山( f ) 开始f 一个周期 f i g 1 - 2 删e c t i o n m o l d i n g c y c l e ( a ) c l a m p l n g ( b ) i n j e c t i o n ( c ) p a e k i ”g ( d ) p l a s f i c i z i n g ( e ) e j e e a n g s h n f o r n e x tc y c l e 112 注射成型发展趋势 随着高聚物制品在国民经济和国防工业等领域中应用的日益广泛，高聚物制品的 精密化和高性能化己成为全球聚合物成型加工领域所普遍关注的重要问题。注射成型 作为高聚物制品成型的最主要的加工方式也不断朝着“精密、高速、节能、环保” 的方向发展。精密注射成型机将大量地用来生产高精度、高功能、小型、轻型、低成 本、高附加值的高聚物制品。精密注射机主要有全液压式和全电动式精密注射机，全 电动式精密注射机有一系列优点，特别是在节能和动作精度方面尤为突出。但全电动 式精密注射机在开合模精度及使用寿命上不如全液压式精密注射机。电动液压式精密 注射机是一种集液压和电驱动于一体的新型精密注射机又称为电液复合式精密注射 机。电液复合式精密注射机融合了全液压式精密注射机的高性能优点和全电动式精密 注射机的节能优点，已成为当今精密注射机发展的新动向p 】。目前在精密注射成型机 的研制方面代表当今世界先进水平的生产厂商主要有克劳斯玛菲( k r a 懈sm a f f e i ) 、阿博 格( a r b u r g ) 、思格尔( e n g e l ) 、威猛巴顿菲尔( w i t t m a n nb a t t e n f e l d ) 、耐驰特( n e t s t a l ) 、赫 斯基( h u s k y ) 、住友德马格( s u m i t o m od e m a g ) 、r 精州i s s e i ) 、发那科( f m a u c ) 、同本制 钢所( j s w ) 、东芝机械( t o s h i b a ) 等。 在注射成型机理、成型过程和工艺研究方面，c a e 数值模拟技术将被更广泛的应 第一章绪论 用到注射成型领域。国内外的许多学者通过c a e 仿真分析，优化模具设计和注射成 型工艺，有效地提高了注射成型质量，降低了生产成本。但是，由于高分子本构方程 和注射成型工艺十分复杂，许多成型过程中的现象还不能模拟。于是，可视化技术因 其能够如实反映具体过程而成为研究高分子材料加工成型过程的重要手段。所谓可视 化技术，是指对于高分子材料的实际成型过程，由固体到熔融态、混炼和分散均化、 熔体冷却成型等全过程都可直接观察的一项研究方法。注射成型可视化技术使注射过 程由“暗箱操作”变为“阳光工程”，充模过程一目了然，这对研究注射成型过程、 找出制品注射过程中缺陷产生的原因等具有重要意义【4 。5 】。注射成型c a e 技术可看作 是注射成型模拟可视化，注射成型可视化技术可看作是注射成型实验可视化，从这个 角度来将，可视化方法将更多地用于研究和分析注射成型过程，为注射成型理论的发 展、制品结构设计、模具设计和注射工艺优化发挥更大的作用。 1 2 精密注射成型概述 近年来，各行业对高聚物制品的要求日益提高。注射成型正朝着精密化、高速化 方向发展，对注射机、模具、工艺、材料等均有极高的要求。精密注射是指获得精密 高聚物制品的注射工艺。 精密注射制品的主要特征有：( 1 ) 制品尺寸重复精度高；( 2 ) 制品力学性能和光 学性能优异；( 3 ) 制品重量重复精度高，普通注射重量重复误差1 0 8 。重量偏差 小于0 5 为精密注射，较好的可达到o 0 7 【6 j 。 精密注射成型同普通注射成型相比，其主要工艺特点是：注射压力高、注射速度 快和温度控制必须精确【_ 7 1 ，因此精密注射成型需要使用高质量的材料、精密注射机、 精密注射模具和优化的注射成型工艺。 1 2 1 精密注射成型机及模具 注射机技术性能、结构、自动化与控制调节水平与制品的成型质量有直接关系。 精密注射机应满足下列要求【8 j ： ( 1 ) 注射压力2 5 m p a ； ( 2 ) 注射速率3 0 0 m m s ； ( 3 ) 重量重复精度在0 3 以上； ( 4 ) 制品质量标准差系数( 变化率) 0 1 ； ( 5 ) 开、合模位置精度，开0 0 3 m m ，合0 0 1 m m ； ( 6 ) 注射位置精度( 保压终止点) 0 0 3 m m ； ( 7 ) 拉杆受力均衡度1 ； 3 北京化工人学硕_ 上学位论文 ( 8 ) 预塑位置精度0 0 3 m m ； ( 9 ) 定、动模板平衡度，锁模力为零时o 0 3 m m ，锁模力最大时o 0 0 5 m m ； ( 1 0 ) 机筒、螺杆温控精度0 5 。 在精密注射成型中，精密注射模具是用以取得符合要求的精密高聚物制品的关键 之一。精密注射模具必须满足精度、刚性和脱模性的要求。模具型腔尺寸精度低或定 位不准，或分型面精度差，都会影响制品精度，但过高的精度要求会导致模具制造困 难和成本昂贵。模具结构要考虑刚性问题，否则在胀模力作用下，各部位会发生剧烈 的弹性形变，影响型腔尺寸精度或几何精度，会在分型面溢料，甚至产生局部塑性变 形或破坏。模具同时也要考虑易于制品顶出脱模。一般小型精密制品形状比较复杂， 注射压力高，收缩率小，制品与流道、浇口型腔表面有很强的黏附力和静摩擦力，因 此在常规的拔模斜度外，还需有更高的光洁度，使容易脱模1 6 j 。 1 2 2 精密注射成型工艺研究进展 影响精密注射制品质量的工艺条件可分为压力、速度、温度、时间四大类，包括 注射压力、保压压力、背压、螺杆转速、注射速度、料筒温度、模具温度、保压时间、 冷却时间等。为了获得高性能、高精度的注射制品，人们越来越多地使用计算机数值 模拟与仿真技术即注射成型c a e 技术来给制品注射成型提供优化方案。 四川大学的王汝海等人【9 】采用m o l d f l o w 模拟分析了p o m 精密微型齿轮的注射成 型过程。模拟分析表明，模温是p o m 精密微型齿轮加工参数中最为重要的影响因素。 微型注塑模具的温度比传统注塑模具的温度要高，需采用变温控制系统。齿轮的齿顶 边缘由于结构微小是最难充满的区域，也是最容易产生制品缺陷的区域。 北京化工大学的赖士兴、杨卫民等人【lo j 通过对空注射方式对影响精密制品质量重 复精度之一的背压进行实验和理论研究。研究发现背压对螺杆塑化能力的影响明显， 螺杆射退和多级背压对提高制品重复精度和质量稳定性效果显著。精密注射背压的设 置尽量采用多级背压并且射退，减小压力流和漏流的发生，提高塑化能力和稳定性， 降低对机器的磨损。不同物料对塑化计量的影响不同，成型时流动性好的物料的压力 流和漏流情况较严重，影响制品质量的稳定性。 中南林业科技大学卫炜，胡泽豪j 采用注射成型分析软件m o l d f l o w ，结合正交试 验设计以及运用综合评判法，对注塑成型工艺参数进行多目标优化设计，得到一组综 合评分最高的工艺参数组合。适当增加保压压力以及采用多级保压能更好地对制品进 行缩补，有利于改善制品的成型质量。 西安交通大学刘兆栋，苏文斌【1 2 】系统分析了薄壁塑件成型过程中常见的短射现象 与产生的原因，以薄壁外壳塑件成型为例，结合数字模拟和正交试验方法对影响成型 过程的工艺参数进行了分析。结果表明，注射速度大小是导致短射的主要原因，保压 4 第一章绪论 时间为不敏感因素，在注射速度不变的情况下单纯延长保压时间并不能消除短射缺 陷。 郑州大学李海梅，申长雨等人【1 3 】通过数值和光弹实验法研究了聚碳酸酯产品的残 余应力。发现在聚碳酸酯厚板中热残余应力是应力的主要构成部分( 厚度 6 m m ) 。相 应的数值方法对于模拟聚碳酸酯厚板来说是可信的。至于聚碳酸酯薄板( 厚度介于 l m m 和2 5 m m 之间) ，热残余应力和流动残余应力都很重要。现行的模拟软件效果不 是很好，特别是流动残余应力。对于聚碳酸酯薄板考虑流动残余应力可以改善模拟分 析的准确性。 合肥工业大学张君，董定福【1 4 】应用c a e 技术确定最大保压压力和保压时间，分 析表明保压条件影响塑件收缩的大小和分布，可接受的最大体积收缩量依赖于材料类 型。应用c a e 技术，可确定合理的保压压力和时间，降低生产周期，使塑件体积收 缩均匀，提高第一次试模的成功率。 江苏大学袁国定，谭华强【l5 】利用m o l d f l o w 为c a e 平台，通过模拟喷嘴压力曲线 的特性与模腔结构的关系，识别出模腔的分级注射点；结合分级注射点对应的注射量 与螺杆注射位置的对应关系，导出一个简化的分级注射参数求解模型，并依据熔体成 型束缚条件对方案的可行性进行校核，结果表明该方法切实可行。 华侨大学刘斌等人【l6 】通过c a e 数值模拟计算，研究了注射成型工艺参数对翘曲 变形的影响，以熔体温度、模具温度、注射时问、保压时间和相对保压压力为输入参 数，以翘曲变形量作为输出参数，构建神经网络模型。以c a e 分析结果作为训练样 本和校验样本，结合正交实验方法对注塑工艺参数进行优化，明显缩短了优化工艺参 数的时间，提高工艺设计效率。 国立台湾师范大学m e i y u n gc h e n ，h u a n - w 钿t z e n g 等人【1 7 】将模糊控制方法与注 射成型c a e 分析结合，模糊控制模型调用注射成型基本方程、专家知识和c a e 分析 结果，通过改变浇口位置、优化制品壁厚等可以将熔接线分布在最佳位置，使制品质 量最好。 台湾长庚大学s h i n j u n gl i u 等人【1 8 】采用t a g u c h i 实验，选用六个参数( 嵌件尺寸、 注射压力、熔体温度、保压压力、模腔温度和注射速度) 对p s 的注射过程进行实验， 得出各参数对性能影响的最优值，将六个参数的最优值组合到一个实验中进行验证， 证明用优化的参数值可以显著提高熔接痕的强度。采用a n o v a 标准方差分析法计算 得到各参数对p s 熔接痕强度的影响程度由高到低依次排列为：熔体温度的影响因子 为6 7 4 6 、模腔温度的影响因子为1 7 7 2 、保压压力的影响因子为1 3 3 9 、嵌件几 何形状尺寸的影响因子为1 4 3 、注射速度的影响因子为o 8 2 和注射压力的影响因 子为0 3 7 。 美国加州大学伯克利分校y u c h u a ns u ，j a t a ns h a h 等人【l9 】在微注射成型中对聚乙 烯微小结构复制性能进行研究，提出了对常规注射成型方法进行改进，通过采取适当 5 北京化工人学硕j ：学位论文 的模具设计和工艺控制实现高聚物微小结构复制成型过程。实验结果表明在各种成型 条件中，温度是决定注射成型微小结构最关键的影响因素。在试验和模拟结果基础上， 工艺优化可有效提高复制质量。 韩国首尔大学的s u n gy o n gk a n g 等人【2 0 】采用有限元方法分析了注射成型缺陷波 流痕的产生机理和原因，并与实验结果对照。分析表明，当模壁温度、熔体前锋速度 提高，聚合物凝固温度和热扩散率降低时，波流痕缺陷可得到改善。 土耳其k o c a e l i 大学h a s a no k t e m 等人【2 l 】采用田口优化方法和m o l d f l o w 分析了影 响薄壁制品收缩和翘曲变形的工艺参数，工艺参数对薄壁制品翘曲变形的影响因子依 次为：保压压力0 5 8 0 3 ，保压时间0 2 3 0 3 ，注射时间o 1 5 1 7 ，冷却时间0 0 3 6 8 。工艺 参数对薄壁制品收缩的影响因子依次为：保压时间0 8 4 0 5 ，保压压力0 0 7 8 3 ，注射时 间0 0 5 5 2 ，冷却时间0 0 2 5 8 。通过田口优化方法，改善了薄壁制品不均匀收缩和翘曲 变形。 1 3 注射成型c a e 技术概述 计算机辅助工程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 ) 是一个很广的概念，传统的 c a e 主要是指用计算机对工程和产品的运行性能与安全可靠性进行分析，对其未来的 状态和运行状态进行模拟、及早地发现设计计算中的缺陷，并证实未来工程、产品功 能和性能的可用性和可靠性。注射成型c a e 技术是根据塑料加工流变学和传热学的 基本理论，建立塑料熔体在模具型腔中流动、传热的物理、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，定量地给出成型过程中的状态参数( 如压力、 温度、速度等) 。注射成型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【2 2 1 。 1 。3 1 注射成型c a e 软件模拟技术 注射成型c a e 模拟技术采用的基本思想是工程领域中最常用的有限元方法。有限 元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互 不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分 方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表 达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。 目前市场上注射成型c a e 软件所采用的有限元模型经历了以下三个发展阶段，分 别是根据g h s ( g e n e r a l i z e dh e l e s h a w ) 流动模型所发展的中面( m i d p l a n e ) 模型，根据薄 壳( s h e l l ) 模型发展的双面( f u s i o n ) 模型，以及基于四面体有限元体积网格的三维实体 6 第一章绪论 f 3 d ) 模型。如图1 - 3 所示，分别为c a d 模型和三种有限元单元类型。 i j ( a ) 产晶c a d 模型( s t l 格式) ( b ) e e 面模型( m i d p l a n e ) ( c ) 烈面模型( f u s i o n )( d ) 三维实体模型( 3 d ) 图1 4 注射成型c a e 有限元单元模型 f i g 1 - 3f e m m o d e l o f i n j e c d o n m o l d i n gs i m u l a t i o n ( 1 ) 中面模型 中面模型作为传统的25 d 模流分析技术发展至今已相当成熟稳定。传统25 d 模 型的网格是三节点的三角形单元，其原理是将3 d 几何模型简化成25 d 中m 面模型( 即 将网格创建在模型壁厚的中间处) ，利用所建立的中问面进行模流分析，即以平面流 动来仿真三维实体流动。中面模型技术的优点为分析速度快、效率高，特别适合薄壁 塑件的分析。但由于采用了简化假设，中面模型无法描述一些三维特征。如惯性效应、 侧壁效应、重力效应、喷泉效应等。另外几何模型的中间面不容易被定义，需要花费 大量的时间建立模型口”。因此，中面模型虽然简单，但是具有一定的限制，所以双面 模型和三维实体模型便应运而生。 ( 2 ) 双面模型 双面模型技术基于注射成型软件m o l d f l o w 的专利技术d u a ld o m a i n 分析技术， 网格也是三角形单元，而其原理是将模具型腔或制品在厚度方向上分成两部分，有限 元网格在型腔或制品的表面产生。在流动过程中，上、下两表面的塑料熔体唰时并且 协调地流动。显然，双面模型技术的表面网格是基于中性面的，仍无法解决中性面的 根本问题，另外双面模型中熔体仅沿着上、下表面流动，在厚度方向上未作任何处理， 缺乏真实感。从总体上来说，双面模型技术是一种从25 d 向3 d 分析的过渡。要实现 严格意义上的注射成型产品的虚拟制造，必须大力开发实体模型技术。 ( 3 ) 实体模型 3 d 实体模型技术采用三维立体网格，将惯性效应、非恒温流体等因素考虑到有 限元分析中，熔体厚度方向的物理量变化不再被忽略，能够更全面地描述填充过程的 北京化工大学硕上学位论文 流动现象，使分析结果更接近现实状况，适用于所有产品制品。利用其进行计算不仅 获得实体制品表面的流动数据，还可以获得实体内部的流动数据，计算数据完整。与 中面模型或双面模型相比，3 d 实体模型技术出现初期对于网格划分要求很高，由于 考虑了厚度方向上的速度分量，所以控制方程更加复杂，由此造成计算量大、时间长， 计算效率低等问题。但是，随着对于三维网格划分方式的改进，以及计算方法的优化， 该技术已经在注射成型行业中得到广泛应用【2 4 1 。 注射成型c a e 软件m o l d f l o w 除了可以采用中面模型和双面模型，也为用户提供 实体模型进行建模分析。随着c a e 技术采用的数学模型、数值算法逐步完善和计算 机技术的发展，实体模型技术将完全取代中面模型技术和双面模型技术并且为用户提 供更快更准确的注射成型分析。 1 3 2 注射成型c a e 软件m o id fio w 简介 m o l d f l o w 软件是专业从事注射成型c a e 软件和咨询的m o l d f l o w 公司的系列产 品。2 0 0 8 年，m o l d f l o w 被美国a u t o d e s k 公司收购，商标成为a u t o d e s km o l d f l o w ，旗 下主要产品包括：a u t o d e s km o l d f l o wa d v i s e r s ( m o l d f l o w 塑件顾问，a m a ，即原来的 m p a ) ，a u t o d e s km o l d f l o wi n s i g h t ( m o l d f l o w 高级成型分析专家，a m i ，即原来的m p i ) 。 m o l d f l o w 软件系列产品中最常用m p i ( 即a m i ，以下仍沿用习惯称呼m p i ) 来 对注射过程进行模拟，从而得到最佳的浇口数量与位置，合理的流道系统与冷却系统， 并对型腔尺寸、浇口尺寸、流道尺寸和冷却系统尺寸进行优化，并且还可以对注射工 艺参数进行优化【2 5 1 。 m p i 不仅可以应用于传统注射成型，还可分析热流道注射、双色注射、气体辅助 注射、共注成型、注压成型、发泡注射成型、光学的双折射分析，此外还可分析热固 性材料的反应成型以及电子芯片的封装成型，m p i 广泛用于汽车、医疗、3 c 、航空航 天以及封装等所有与塑料相关的行业。 m o l d f l o w 历经多年发展，版本不断升级，功能也不断完善和强大，已经成为注射 成型行业必不可少的工具，就目前的m o l d f l o w 软件来说( m p l 6 1 ) ，仍然存在一些不 足之处，叙述如下： 1 目前m o l d l f o w 采用的网格模型除了提供中面模型和双面模型之外，可以提供 3 d 实体模型，但其划分网格的质量和效率仍不够理想，分析结果也有限。而采用中 面模型和双面模型模拟的结果与实际也有一定的差异。目前m o l d l f o w 在网格方面的 不足限制了其更广范围的应用。 2 无论是中面模型、双面模型还是3 d 模型，目前m o l d l f o w 还不能模拟出实际注 射成型过程中的喷射现象、气辅注射成型过程中的气体穿透现象等，对注射成型缺陷 仅限于缩痕、熔接痕、气泡的预测，还不能全面地分析出影响制品质量的相关因素。 3 采用m o l d l f o w 进行制品结构优化、模具设计、工艺优化时仍需要根据设计者的 8 第一章绪论 经验和技巧，通过对多个方案的反复计算、比较、分析和判断来确定优化方案，使设 计和分析过程仍带有一定盲目性和随机性。 4 用户需要充分明确m o l d f l o w 相关技术参数的意义，才能把握和评价m o l d l f o w 分析的结果。m o l d l f o w 不能提供有效的工具和标准来评价制品成型后的缺陷风险、制 品尺寸和重量精度等，只能通过分析结果间接的反映实际制品的精度。 m o l d f l o w 理论模型是基于数学假设的，不可能完全考虑到实际成型的全部影响。 m o l d f l o w 首先是个仿真和试验的工具，即发现、预测问题的发生，为了让这个工具更 好的为注射成型服务，需要不断地提高m o l d f l o w 的性能和完善m o l d f l o w 的功能。 m o l d f l o w 然后才是优化的工具，即发现解决问题的途径，不是自动优化，而是一定要 结合经验来优化，m o l d f l o w 和经验技能结合越紧密，实际效果就会越明显。 1 4 课题来源、研究意义和研究内容 1 4 1 课题来源 国家“十一五”科技支撑计划项目精密塑料注射成型系统工程化技术的研 究。 1 4 2 研究意义 随着高聚物制品在国民经济和国防工业等领域中的广泛应用，制品的精密化和 高性能化已成为全球聚合物成型加工领域所普遍关注的重要问题。注射成型作为高聚 物制品成型最主要的加工方式，已成为体现一个国家现代制造业发展水平的重要标 志。近2 0 年来，我国注射成型加工业迅猛发展，每年注射成型的高聚物制品达到5 0 0 万吨以上，已成为注射成型制品的生产大国。与此同时，汽车和电子通讯等高技术领 域对高分子材料注射加工成型制品提出了高性能化、高精度的迫切要求，促使我们应 尽快实现由生产大国向技术强国的跨越。 为了满足制品精密化和精密注射成型的要求，提高制品的质量，注射成型c a e 技术得到了广泛的应用。注射成型c a e 技术可以用于注射模设计、工艺优化、预测制 品缺陷，为设计人员优化模具结构和工艺参数提供参考，不仅避免了反复的试模、修 模，提高了生产效率，缩短了设计周期，大大降低了成本，而且为制品结构优化、模 具浇注系统优化和注射成型工艺优化提供了科学的依据和优化方案，因此在未来的注 射成型发展中，注射成型c a e 技术将继续发挥重要的作用。 当前对于注射成型过程的研究主要采取c a e 模拟的方法，通过计算机模拟整个 注射过程并预测注射结果。但是计算机模拟要想做到同真实的注射充模过程完全的一 9 北京化工人学硕：卜学位论文 致是很困难的，而且有些充模成型规律在当前的c a e 模拟软件中还没有体现，只有通 过其他研究手段才能够得到验证，可视化技术因其能够如实反映具体过程而成为研究 高分子材料加工成型过程的重要手段。可视化方法对于发现加工成型过程中的某些未 知现象，揭示成型缺陷的产生机理等方面有着不可替代的重要作用，近年来受到国际 学术界的高度重视。在充分发挥c a e 数值模拟软件功能的基础上，对注射充模过程辅 以可视化实验研究是很有意义的。我们可以通过可视化技术直接观察模腔内树脂流动 过程，验证c a e 数值模拟结果，同时还能够明确各种注射成型缺陷的产生过程。 1 4 3 研究内容 本课题围绕精密注射成型工艺优化，充分发挥注射成型c a e 技术和注射成型可 视化技术的作用。一方面结合c a e 软件和二次开发的优化工具，为精密注射成型提供 工艺优化方案。另一方面通过注射成型可视化实验，研究注射成型的充填规律和典型 缺陷形成机理，为精密注射成型工艺优化提供理论指导和实际经验。主要研究内容如 下： 1 通过注射成型c a e 软件m o l d f l o w 的二次开发技术，开发保压曲线优化向导、 工艺方案优选分析器、熔接线综合预测器、m o l d f l o w 分析结果辅助评价系统、平行度 及同轴度分析器来完善和增强m o l d f l o w 工艺优化的功能。 2 通过注射成型可视化技术研究注射成型典型型腔的熔体充填规律，为不同结 构的精密制品注射工艺优化提供指导。 3 通过注射成型可视化实验研究注射成型典型缺陷如欠注、飞边、熔接痕、波 流痕、喷射痕、缩痕、气泡的产生过程与机理，并提出消除缺陷和提高制品质量的措 施。 4 结合m o l d f l o w 软件、二次丌发工具和可视化实验研究成果，优化精密制品的 注射成型工艺参数，提高制品的质量。 l o 第二章注射成型c a e 软件_ 二次开发 第二章注射成型c a e 软件二次开发 注射成型c a e 软件m o l d f l o w 广泛地用于注射成型模拟分析，深受全球用户的信 赖。同时m o l d f l o w 也存在一些不足，采用m o l d l f o w 进行制品结构优化、模具设计、 工艺优化时仍需要根据设计者的经验和技巧，通过对多个方案的反复计算、比较、分 析和判断来确定优化方案，使设计和分析过程繁琐。另外m o l d l f o w 不能提供有效的 工具和标准来评价制品成型后的缺陷风险、制品尺寸和重量精度等，不能满足 m o l d f l o w 工艺优化的个性化应用要求。m o l d f l o w 的二次开发技术可以解决上述问题。 m o l d f l o w 是一个开放的软件，不仅仅是数据库开放，其二次开发的功能也十分强大。 m o l d f l o w 二次开发的接口可用于工作流程的标准化，大大提高工作的效率；支持第三 方的附加软件；提升数据管理有效性，包括和e r p 、c a d c a m 整合、p d m 、p l m 以及o m c e 的整合( 比如个性化的w 6 r d p p t h t m l 的分析报告) ；支撑高校、企业以 及研究机构的项目开发平台；支持工业不同数据格式的转换，比如不同c a e 需要的 接口等。通过m o l d f l o w 的二次开发，拓展m o l d n o w 的个性化应用，延伸m o l d f l o w 求解器技术，从而使m o l d f l o w 的作用得到更大程度的发挥。 m o l d f l o w 的二次开发接口是自m p l 4 0 开始的，a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ) 是o l e 自动化接口。可以通过脚本( s c r i p t s ) 和三方软件来操纵m p i ，包 括：( 1 ) v b 脚本v b s ，m p i 可以v b s 记录所有的脚本；( 2 ) j s c r i p t 以及其他编程语 言；( 3 ) v b a ，比如微软的o f f i c e ；( 4 ) v b ；( 5 ) i n t e m e te x p l o r e r ；( 6 ) p e r l ；( 7 ) p y t h o n 。目前主要有两种方式采用a p i 自动化m p i 。一是通过m p i 界面或命令行来录 制或播放宏( m i c r o s ) 。v b 脚本也可以通过带参数或不带参数的命令行来运行，或直 接作为宏在m p i 中运行。二是采用编程语言，编译出独立运行的可执行文件配合m p i 工作【2 6 1 。 m o l d f l o w 二次开发技术已经用于开发m o l d f l o w 前处理和后处理辅助工具。姜勇 道【2 6 j 运用m o l d f l o w 二次开发实现流道创建的参数化和自动化，大大提高m p i 流道创 建的效率。路小江【27 】基于m p i 开发出优化气穴质量的程序，通过调用c a d 系统改变 注射产品的局部结构尺寸，自动设置浇口的位置，再调用m p i 进行注射模拟分析，提 取分析结果得到气穴的数量和气穴的分布位置，最后通过设定的目标函数计算气穴的 评价参数。这一过程经过多次循环，获得了改善气穴情况的局部结构尺寸和浇口位置。 刘军【2 引采用v b 开发出的材料分析辅助系统具有对给定的模型进行多种材料连续自动 分析的功能。不但解决了m o l d f l o w 无法对多种材料进行连续分析的难题，而且还有 助于塑件材料的优化选择，提高了产品质量和设计效率。 本课题采用v b 6 0 在m p l 6 1 平台上开发保压曲线优化向导、工艺方案优选分析 北京化i 大学硕学位论立 器来增强m o l d f l o w 的工艺优化功能；开发出熔接线综合预测器、m o l d f l o w 分析结果 辅助评价系统、平行度及同轴度分析器为m o l d f l o w 提供有效的工具和标准来评价分 析结果、制品缺陷、制品尺寸精度。 2 1 保压曲线优化向导 保压过程是注射成型中一个非常重要的过程，保压设置是