（材料加工工程专业论文）注塑模优化设计理论的研究与应用.pdf

中文摘要 摘要 注塑成型作为一项速度快、自动化程度高的生产技术，能一次成型形状复杂， 尺寸精确的制品，在整个塑料制品生产行业中占有非常重要的地位。 本文针对注塑成型过程，重点研究了注塑模充填过程的快速模拟理论，注塑 模制品和模具优化设计理论。在此基础上，将快速模拟技术、数值模拟技术和优 化算法相结合，用于注塑模制品和浇注系统优化设计，并数值和实验分析了成型 工艺条件对注塑成型过程熔体充填模式的影响。主要工作包括： 1 基于对塑料熔体在型腔和浇注系统中流动行为的研究，通过引入等效流长概 念，将熔体前峰面的追踪问题转换为带权有限元网格上任意两点间最短路径的 求解，建立了注塑模充填过程快速模拟理论，并经过与两个实际产品短射实验 的对比分析，表明快速模拟分析不仅可以快速地而且能够准确地得到熔体的充 填模式和熔接线气穴位置。 2 论文提出了带权有限元网格上任意两点的近似最短路径算法。算法将有限元网 格表示为带权i 虱结构，利用基于动态优化思想的快速最短路径法动态计算带权 图上两点的最短路径，通过不断迭代细分最短路径周围的三角形边，构造每次 细分后新的带权图，从而迭代逼近网格模型上的两点间最短路径。算法的时间 复杂度为0 ( ie 1 ) ，优于现有最好的近似最短路径算法( 时间复杂度 0 ( 1e il o g l e i ) ) ，利用该算法实现了熔体前锋面的自动追踪。 3 在数值模拟的基础上分析了成型工艺条件的变化对单腔注塑模的充填模式影 响，并结合实验研究了成型工艺条件变化对多型腔注塑模充填模式的影响。发 现对单腔等壁厚制品，熔体温度和注射时间的变化对充填模式基本无影响。对 于壁厚变化非常大的单腔制品或一模多腔制品，熔体温度对制品的充填模式影 响非常小，而注射时间的变化也只有积累到一定程度引发滞流效应时，才对制 品的充填模式有显著影响。这说明本文提出的注塑模充填过程快速模拟理论是 有很大的应用范围的。 4 论文以平衡流动为目标，实现了注塑制品壁厚优化设计。首先利用快速模拟技 术和最速下降法思想对制品壁厚进行初步优化，以获得壁厚分布趋势，并以此 作为制品区域划分和迸一步优化的基础：然后，以制品各区域壁厚为设计变量， 将数值模拟技术与修正复形法结合用于壁厚最终优化。该算法可将型腔内的流 动不平衡度降n 5 以下。 5 针对精度高、浇口位置可行空间很小的注塑模具，论文将数值模拟技术与改进 爬山法相结合，实现了以减少翘曲和提高材料性能为目标的浇口位置优化设 中文摘要 计，取得了满意的优化效果。 6 对于浇口位置可行空间较大的注塑模具，论文分别将穷尽法和自适应模拟退火 遗传算法号陕速模拟技术相结合，实现了单浇口位置和多浇口位置优化设计， 保证熔体能够同时到达型腔末端从而获得平衡的充填模式，这也是首次真正解 决可行空间大、浇口数目多的复杂模具浇口位置优化设计问题。 7 建立了一套较为系统的基于数值模拟技术的浇注系统尺寸优化设计理论和方 法，分别以获得平衡的充填模式和预期熔接线位置为目标，将最速下降法思想 和数值模拟技术结合用于优化浇注系统流道和浇口尺寸。该方法通过引入浇注 系统的自动识别技术，解决了包括薄片浇口在内的各种类型浇口的尺寸优化问 题，并且首次对熔接线的位置进行优化，取得了满意的效果。 论文得到国家杰出青年科学基金资助项目( 1 0 2 2 5 2 1 1 ) 资助。 关键词：注塑成型快速模拟等效流长近似最短路径充填模式优化设计浇口 位置浇注系统熔接线位置 n 茎茎塑茎一一 a b s t r a c t t h ei n j e c t i o nm o l d i n gi sap o p u l a rt e c h n i q u eo fp o l y m e rp r o c e s s i n g ，b yw h i c h m u l t i p l ep a r t sw i t ht i g h t t o l e r a n c e sa n dc o m p l e xs h a p ec a l lb ep r o d u c e di nas i n g l e o p e r a t i o n d u et oi t ss u c c e s si nd e l i v e r i n gh i g h - v a l u ea d d e d c o m m e r c i a lp r o d u c t sw i t h h i 出q u a l i t y ，t h eg l o b a lc o m p e t i t i o n i nt h ef i e l di s i n t e n s e ，w h i c h l e a d st ot h e r e q u i r e m e n to f h i g hq u a l i t ys t a n d a r d ，s h o r t e rp r o d u c i n g t i m ea n dl o w e r o p e r m i n g c o s t t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nd e v e l o p i n gaf a s tf l o ws i m u l a t i o nm e t h o d o l o g ya n d d e s i g no p t i m i z a t i o nt h e o r yf o ri n j e c t i o nm o l d i n g t h eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s ，f a s tf l o w s i m u l a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya r ei n t e g r a t e dt oo p t i m i z ep a r td e s i g n a n dm o l dd e s i g n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o c e s s i n gc o n d i t i o na n df i l l i n gp a r e mo f s i n g l ea n dm u l t i p l e c a v i t i e sa r es t u d i e d t h em a i nw o r ka r ea sf o l l o w ： 1 t h r o u g hs t u d y i n gt h ef l o wb e h a v i o ro f m e l ti nc a v i t ya n dr u m l e rs y s t e m ，af a s t s i m u l a t i o nt h e o r yi sd e v e l o p e db a s e do nr e a s o n a b l ea s s u m p t i o na n ds i m p l i f i c a t i o n e q u i v a l e n tf l o wl e n g t hc o n c e p t i si n t r o d u c e d ，b yw h i c ht h em e l t f r o n tt r a c i n gc a nb e t r a n s f e r r e dt ot h e c o m p u t a t i o n o ft h es h o r t e s t p a t h o n p a r t t w o s h o r ts h o t e x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t e dt h ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo ft h ep r o p o s e dt h e o r yi n p r e d i c t i n gt h ef i l l i n gp a r e m a n dt h el o c a t i o no f w e l dl i n e sa n da i rt r a p f o ram o d e l w i t h6 0 6 5n o d e sa n dl1 7 0 0e l e m e n t s ，i tn e e d so n l y1 2 8 si np e n t i u mi v4 5 0 m a c h i n e ， w h i l em p i ( n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e ) n e e d s18 4 5 s 2 a no ( t i m ea l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rc a l c u l a t i n gt h ea p p r o x i m a t es h o r t e s tp a t h o nf i n i t ee l e m e n tm e s hm o d e lw h i c hc a nb er e p r e s e n t e db yaw e i g h t e dg r a p h t h i s m e t h o dc o m b i n e s f s p a ( f a s t s h o r t e s tp a t h a l g o r i t h m ) ，u s e d t o d y n a m i c a l l y c a l c u l a t es h o r t e s tp a t ho nw e i g h t e dg r a p h ，a n de d g es u b d i v i s i o nt e c h n o l o g y b y i t e r a t i v e l ys u b d i v i d i n g r e l a t e t r i a n g l ee d g e sa d j o i n e d t h es h o r t e s t p a t h a n d c o n s t r u c t i n gn e ws u b g r a p h ，a s h o r t e s tp a t hw i t hh i g h a p p r o x i m a t i o na c c u r a c yc a nb e a c h i e v e d t h em e t h o di se m p l o y e ds u c c e s s f u l l yt ot r a c i n gm e l tf r o n to fi n j e c t i o n m o l d i n g i t c a na l s ob ea p p l i e dt or o b o t i c s ，g i s ，r o u t ef i n d i n g ，a n ds oo n 3 t h ee f f e c to fv a r i a t i o no fp r o c e s s i n gc o n d i t i o nt o f i l l i n gp a t r e mf o rs i n g l ea n d m u l t i p l ec a v i t i e s i ss t u d i e d b yn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n ds h o r ts h o t e x p e r i m e n t r e s p e c t i v e l y i ti sf o u n dt h a tp r o c e s s i n gc o n d i t i o nh a sl i t t l ee f f e c to nf i l l i n gp a t t e r n f o rs i n g l ec a v i t ym o l dw i t hu n i f o r mt h i c k n e s s f o rs i n g l ec a v i t ym o l dw i t l l l a r g e t h i c k n e s sd i f f e r e n c eo rm u l t ic a v i t i e sm o l d ，i tm a y c h a n g et h ee n t i r ef i l l i n gp a t t e r n w h e nt h ev a r i a t i o no f p r o c e s s i n gc o n d i t i o nc a u s ef l o wh e s i t a t i o n 4 a n o p t i m i z a t i o nm o d e lo f p a r tt h i c k n e s si ni n j e c t i o nm o l d i n gi si n t r o d u c e d ，i nw h i c h t h ea i mi st o g e tb a l a n c e df i l l i n gp a t t e m t h ei d e ao fs t e e p e s td e s c e n tm e t h o d 一一 英文摘要 i n t e g r a t e d w i t hf a s ts i m u l a t i o ni s u s e dt om i n i m i z et h ea r i t h m e t i c a l a v e r a g e d i f f e r e n c eb e t w e e ne q u i v a l e n tf l o wl e n g t ho fb o u n d a r yn o d e sa n dr e f e r e n c ev a l u e ， a n da no p t i m a lp a r tt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o nc a nb eo b t a i n e d b a s e do nt h er e s u l t ，t h e n u m b e r o f p a r tr e g i o n s c a nb ed e t e r m i n e d t h e nm o d i f i e d c o m p l e x m e t h o d c o m b i n e dw i mn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni s a p p l i e dt o f u r t h e rs e a r c h i n go p t i m a lp a r t r e g i o nt h i c k n e s sa n da c h i e v eu n i f o r mf i l l i n gp a t t e r nb ym i n i m i z i n gt h ea r i t h n l e t i c a l a v e r a g et i m ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et i m er e a c h i n gt ob o u n d a r yn o d e sa n d r e f e r e n c e t i m e t h ee x a m p l e sd e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di sv i a b l ea n dr o b u s t ，a n d t h eu n b a l a n c e d p e r c e n tc a n b ed r o pt o5 5 f o rm o l dw 曲l i m i t e d g a t ed e s i g ns p a c e a n d h i 曲q u a l i t yr e q u i r e m e n t ，a m e t h o d o l o g y ，w h i c hc o m b i n e sm o d i f i e dh i l l c l i m b i n ga l g o f i t h r a a n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，i su s e dt oo p t i m i z eg a t el o c a t i o nt oa c h i e v em i n i m u mw a r p a g ea n d i m p r o v e m a t e r i a lp e r f o r m a n c e 6 o nt h eb a s i so ff a s ts i m u l a t i o n an e wg a t eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mf o rm o l dw i m m u l t i - g a t e s o rb i gf e a s i b l ed e s i g ns p a c ei sp r o p o s e d e x h a u s t e dm e t h o da n d a d a p t i v e s i m u l a t e d a n n e a l i n gg e n e t i ca l g o r i t h m a r eu s e dt o o p t i m i z es i n g l eg a t e a n d m u l t i - g a t em o l dr e s p e c t i v e l y t h em o d e l sa n a l y z e dd e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e d m e t h o di sp r o m i s i n ga n dt h ec o m p u t a t i o nt i m ei ss a t i s f i e d 7 b a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n , r u n n e rs y s t e md e s i g nt h e o r ya n du l g o f i t h mf o r i n j e c t i o nm o l d i n gi sd e d v e d t h ei d e ao fs t e e p e s td e s c e n tm e t h o di n t e g r a t e dw i t h n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni su s e dt oo p t i m i z et h es i z eo f r u n n e r s y s t e mw i t ht h eo b j e c t i v e o fg e t t i n gb a l a n c e df i l l i n gp a t t e r no ra n t i c i p a t ew e l dl i n el o c a t i o n a na u t o m a t i c i n t e r p r e t a t i o nt e c h n o l o g y f o rr u n n e r s y s t e m i s d e v e l o p e d a n d a p p l i e d t ot h e i d e n t i f i c a t i o no fa l lk i n d so f g a t ea n dr u n n e r t h r o u g h t h ei n t r o d u c t i o no fa u t o m a t i c r u n n e rs y s t e mi n t e r p r e t a t i o nt e c h n o l o g y , t h e p r o p o s e d m e t h o dc a n o p t i m i z ea l lk i n d s o f g a t ea n d r u n n e r i ti ss h o w nt h a tt h i sa l g o r i t h mi sr o b u s ta n de f f e c t i v e t h i sd i s s e r t a t i o ni s s u p p o s e db yn a t i o n a ls c i e n c ef u n df o rd i s t i n g u i s h e dy o u n g s c h o l a r s ( 1 0 2 2 5 2 11 ) k e yw o r d s ：i i ! j e c t i o nm o l d i n g ，f a s ts i m u l a t i o n , e q u i v a l e n t f l o w l e n g t h ， a p p r o x i m a t es h o r t e s tp a t h ，f i l l i n gp a t t e r n ，d e s i g no p t i m i z a t i o n ，g a t el o c a t i o n ，r u n n e r s y s t e m ，w e l d l i n el o c a t i o n 一一 第一章绪论 第一章绪论 以塑料、橡胶为代表的聚合物材料由于其优良的加工性能和使用性能在汽车、 家电、仪器仪表、建筑装饰等多个领域得到了广泛的应用，并有以塑代钢、以塑 代木的趋势。目前其体积消耗量已超过钢、铜和铝的总和。1 9 9 9 年郑州大学橡塑 模具国家工程研究中心曾对广东东莞市塑料加工企业进行了考察和调研，发现该 市现有的1 8 0 0 0 余家企业中，有8 0 0 0 余家与塑料加工有关，占了将近4 5 。 注塑成型作为一项速度快、自动化程度高的生产技术，能一次成型形状复杂， 尺寸精确的制品，在整个塑料制品生产行业占有非常重要的地位。早期的注塑成 型方法主要用于加工热塑性塑料制品，但是随着塑料工业的迅速发展以及塑料制 品应用范围的不断扩大，注塑成型方法已经推广应用到热固性塑料制品和一些塑 料复合材料制品的生产中。目前，除了少数几种塑料外，几乎所有的塑料都可以 采用注塑成型。据统计，注塑制品约占整个塑料制品总产量的3 0 ，全世界每年生 产的注塑模数量约占所有塑料成型模具数量的5 0 。 由于塑料制件的形状及其模塑过程往往非常复杂，这就使得塑料注塑制件的 设计成为一项非常困难的工作。而且，对于那些加工方法可能与以往不同的新型 塑料，即使是经验丰富的设计人员，工作起来也并非轻而易举。实际上，要把一 个塑料制件设计得既实用又美观，而且便于制造，其难度相当大，需对有关的各 种因素进行一系列的权衡折中，才能满足上述各项基本要求 1 。 作为聚合物成型的重要工艺装备，模具在注塑成型过程中处于核心地位，其 设计与制造水平直接关系到产品的质量、品种及更新速度。在塑料加工中，由于 制品形状复杂、材料本身变形的特性以及复杂的边界条件和不确定因素，使材料 成型过程经历了相当复杂的变形历史和相态变化，如固体输送、熔融、熔体输送、 流动、压实、固化、相变、结晶、分子取向、纤维取向、翘曲变形等，模具设计 及成型工艺条件对成型过程中材料所经历的受力状态和热状态有着重要的影响， 直接关系到制品的力学性能和成型效率等。长期以来，高聚物成型加工过程工艺 参数的设定和模具设计与制造主要依赖于工艺人员和模具设计人员的经验和技 巧，设计的合理性只能通过试模来判断，制造的缺陷也主要靠修模来纠正，导致 模具及制品的设计与制造周期长、成本高、档次低。这个问题在我国更加突出， 我国模具技术水平大约落后于国外2 0 年，模具生产只能满足需要的6 0 左右，每年 进1 ：3 的精密复杂模具高达数亿美元【2 】。 随着计算机技术的发展和人们对计算力学、流体力学、聚合物加工流变学、 郑州大学博士学位论文 传热学等学科的深入研究，以有限元为代表的数值模拟方法为改变这种状况提供 了新的手段。注塑成型数值模拟技术通过建立高聚物成型过程的物理和数学模型， 并构造有效的数值计算方法，利用计算机仿真模拟成型过程。借助于成型模拟探 索加工条件的变化规律、预测制品的结构和性能、确定塑料制品和模具设计以及 工艺条件的最佳方案，使聚合物成型加工过程在流场、力场、热场等作用下所出 现的各种物理现象和化学变化的描述更加数学化和定量化，从而聚合物成型加工 从一项实用技术变为一门应用科学。 成型模拟技术的出现使得成型加工、制品设计和模具设计建立在科学的分析 基础上，为优化制品设计、模具设计和工艺设计获得理想的最终制品提供了科学 的依据和设计分析手段，同时该项技术提高了制品设计、成型加工和模具设计水 平，从而使成型制品质量有了大幅度的提高。但是现有的数值模拟技术还存在如 下问题：1 ) 数值模拟技术能否有助于提高成型加工、制品和模具设计水平，在很 大程度上取决于使用者的知识和经验，对于数值模拟提供的许多实际物理试模中 无法得到的数据和信息，只有具备相当知识和经验的使用者才能充分利用这些信 息，并根据这些数据来判断可能存在的问题，指出产生缺陷的原因及提供解决的 办法；2 ) 即使对于有丰富经验的使用者，面对大量的计算数据以及工艺变量和设 计变量之间非常强的非线性相互作用关系，通过反复交互( 即分析一修改一再分 析) ，可能能得到一个可以接受的设计，但是他同样无法确定是否还能获得更好的 设计，是否可以进一步优化；3 ) 借助成型模拟虽然可对设计进行评价，提出修改 意见，但因分析计算所需时间长，反复运行代价昂贵，故大多只分析一次或几次， 很难找到最优设计。 因此，如何改进流动分析算法，提高计算速度，缩短分析时间，为制品和模 具优化设计创造条件是我们面临的一个课题。将成型模拟技术、优化设计理论与 制品和模具设计方法有机结合，来优化和控制成型过程和制品质量，是当今模拟 技术和优化技术发展的一个主流方向。 本章将首先简要介绍注塑成型的基本知识和过程，并对制品常见的缺陷进行 分析，然后综述注塑成型充模过程数值模拟技术和基于数值模拟技术的注塑模优 化设计理论在制品设计、模具设计和工艺优化方面的研究成果和发展趋势，最后 简要介绍本论文开展的主要工作。 1 1 注塑成型 1 1 1 注塑成型过程 完整的注塑成型过程包括塑料在注塑机中的塑化计量过程和塑料熔体在注塑 第一章绪论 模腔中的成型过程( 即注射充模、保压补料和冷却定型) 。 图1 注塑成型设备 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a m so f i n j e c t i o nm a c h i n e 在塑化计量阶段，成型物料在注塑机筒内经过加热、压实以及混合等作用后， 由松散的粉状或粒状固态转变成连续的具有均匀密度的熔体。 注射充模是指合模后，熔融流体从注塑机的注塑部位注入较凉的模腔过程。 整个阶段从桂塞或螺杆向前移动将已被塑化的塑料熔体注入模具型腔开始，到模 腔被塑料熔体充满为止。熔体在模腔中的流动状态一般为稳态层流( 即熔体流动 时受到的惯性力与粘滞力相比很小) ，从浇口到模腔终端逐渐扩展。熔体在模腔内 流动时会受到一系列的流动阻力，这些阻力一部分来源于注塑机筒、喷嘴、浇注 系统和模腔表壁对熔体的外摩擦，另一部分则来源于熔体自身内部产生的粘性内 摩擦。为了克服流动阻力，注塑机必须通过螺杆或柱塞向熔体施加很大的注射压 力。充模阶段对聚合物大分子的取向有很大影响，该阶段进行得不好有可能引发 短射、过保压、鲨鱼皮等缺陷，对制品质量有很大影响。 保压补料是指熔体充满模腔那一刻起到浇口固化为止的一段时间。充模结束 时模腔被充满，熔体的快速流动也停止，喷嘴处的压力达到最大值( 即注射压力) ， 但模腔内的压力还未达到最大值，由于熔体的可压缩性，在喷嘴压力的作用下， 熔体继续进入模腔，使模腔内压力迅速升高，并使充模结束时的非均匀压力场迅 速均匀。当浇口凝固时，由于没有物料进入模腔，模腔内的压力迅速降低。 冷却定型是注塑成型过程的最后一个阶段，从浇口固化后开始到制品达到脱 模温度从模腔中项出为止。冷却定型结束时的模腔压力和模腔温度对制品质量非 常重要。若脱模温度太高，制品在脱模后不仅会产生较大的收缩，而且容易发生 热变形。若脱模时模腔内压力太高，容易使制品在脱模后产生较大的残余应力， 导致制品在以后使用中发生形状、尺寸的变化或产生其它缺陷，而且脱模会非常 困难；若脱模时模腔内压力太低，则制品表面容易有陷痕或内部有真空泡。只有 模腔压力和外界压力相差不大时，脱模才比较顺利，并能获得满意的制品。 郑州大学博士学位论文 1 1 2 注塑成型设计 要成功地生产出一个能满足预定要求的塑料制品必须从材料选择、制品设计、 模具设计和成型工艺四方面加以保证，缺一不可口j 。正确选取适宜的塑料材料是成 功的前提，产品设计和模具设计是成功的关键，合理的成型条件( 包括成型设备 和工艺参数) 是成功的保证。这四方面因素紧密联系，相互影响和制约，但以模 具设计和产品设计关系最为密切。 材料选择：对于同样的成型条件，选择不同的材料，由于材料的热物理和流 变性能的不同，在型腔中的流动和取向也不同，成型的制品质量也常常有较大的 差别。材料的选择通常要综合考虑多方面的因素，首先要了解塑料制品的用途， 以及使用过程中的环境状况，如温度高低、是否有化学介质、是否要求其电性能 等；在满足其可用性和可成型性后再考虑原材料的成本，如原材料的价格、成型 加工难易程度、相应模具造价等。 制品设计：制品设计的主要内容包括制品的形状、尺寸、精度、表面光洁度、 壁厚、斜度、以及制品上加强筋、支撑面、孔、圆角、螺纹、嵌件等的设置。其 中制品厚度是影响制件质量的一个重要因素。制品厚度的分布在一定程度上决定 了熔体的充填模式，可能会使熔体出现流动停滞、流动不平衡、冷却不均匀等严 重问题，是导致制品翘曲变形的原因之一。 模具设计：注塑模具的结构通常是由注塑机的形式和制件复杂程度等因素决 定的。一个典型的注塑模具包括成型零部件( 由型腔和型芯或成型杆、镶块等构 成) 、浇注系统、导向部分、分型抽芯机构、顶出装置、冷却加热系统和排气系统。 制品的很多质量问题都与模具结构有关，如浇口位置设计的合理性直接影响了制 品的成型性、流动取向和翘曲。 成型工艺：成型工艺设计主要是确定与温度、压力及时间有关的各项参数， 即料筒温度、喷嘴温度、模具温度、塑化压力、注塑压力、保压压力、合模力、 注射速率、充填时间、后充填时间、保压时间、冷却时间等。熔体在充填阶段型 腔内的流动情况基本上由注射压力和料筒温度所决定。 1 1 3 注塑制品常见缺陷原因及对策【1 】 4 8 】 注塑过程中树脂要经过受热软化、熔融、注塑、保压、冷却定型等五个阶段 的物理变化过程。树脂内部将会产生大分子定向、结晶以及残余应力等。由于制 品或模具本身问题、树脂材料和成型工艺( 如注塑压力、塑化压力、注塑速度、 注塑量、锁模力、料筒温度、模具温度) 的选择不当，会使注塑制品出现许多不 良现象和缺陷。现分析几种主要不良现象和缺陷产生原因并提出改进方法。 第一章绪论 1 填充不足( s h o r ts h o t ) 填充不足是指料流末端出现部分不完整现象或成型制品整体有塌瘪现象或一 模多腔中一部分填充不满。形成的可能原因为：供料不足；熔体的流程过大；塑 料流动性差；模具排气不良，尤其在远离浇口且壁厚的地方容易出现；成型温度 或注塑压力过低；注塑速度太慢：对于多腔模，各个型腔的流动不平衡。一般可 以通过选择流动性好的树脂、调整浇注系统设计( 如改变浇口位置、浇口尺寸、 流道尺寸) 、改变成型条件( 提高注射温度、注塑压力、注塑速度、保压压力、模 具温度) 来改善。 2 凹痕及缩子l ( s i n km a r ka n dv o i d ) 凹痕是指制品表面下凹，边缘平滑，容易出现在远离浇口位置，以及制品厚 壁、肋、凸台、及内嵌件处。主要是由于材料的收缩没有被补偿而引起的，因此 收缩性较大的结晶性塑料容易产生凹痕。保压压力、保压时间、熔体温度、冷却 速率等都对凹痕有较大的影响，其中保压不充分是最重要的原因。改变浇口设计 ( 位置或尺寸) 、流道尺寸和制品设计( 如把筋突出部分变细、减小壁厚、将凹痕 表面设计成花纹进行掩饰等) 都可以改善凹痕情况( 见图1 2 ) 。 幽1 2 凹痕不意图 f i g l 2s i n km a r k sa n dv o i d s 3 ，龟裂( c r a c k ) 龟裂是塑料制品较常见的种缺陷，产生的主要原因是由于应力变形所致。 主要有残余应力、外部应力和外部环境所产生的应力变形。塑料熔体在模具中的 充填过程受到了流动剪切应力和拉伸应力作用，使聚合物大分子发生流动取向和 剪切取向( 主要是流动取向) ，在冷凝过程中来不及松弛，会被凝固下来从而形成 内应力，从而降低了塑件承受外荷载的能力。流动方向不一致往往产生非均匀取 向，取向差越大，产生的内应力就越大。改进的措施一般为改用分子量大、强度 大的材料；降低注塑压力、最后一级注塑速度、保压压力和顶出速度以及延长冷 却时间；改进浇口尺寸和位置。 4 熔接线融合痕( w e i dl i n ea n dm e i dli n e ) 在充模过程中，当熔体流动前峰与某些后续部位分离或汇合时，就形成熔接线 ( 或熔接面) 。型芯障碍、壁厚不同( 如分层) 或多浇口制件的流道分支都能导致 郑州大学博士学位论文 熔体流动前锋的分离。漩纹也会导致熔接线的形成。通常两条汇合熔体前端的夹 角( 熔接角) 越小，产生的熔接线就越显著，品质也就越差。根据报道，当熔接角 达n 1 2 0 。1 5 0 。时，熔接线就消失了。通常可以根据熔接角将它们分为熔接线和熔 合痕( 图1 3 ) 。 熔接线是常见的塑件缺陷，它的存在不仅影响到制品的外观质量，而且对制 品的力学性能影响很大，特别是对于纤维增强材料、多相共混聚合物等的影响更 为明显。由于制品结构的复杂性，熔接线常常很难避免，改善熔接线可以从以下 几方面入手：通过改变浇口位置、浇口尺寸、型腔的壁厚以及流道系统的设计等 改变熔接线的位置。尽量将其置于制品中不醒目而且强度要求不高的地方：通过 调整熔体交汇时的温度，提高熔接线的抗拉抗压强度，并尽量使痕迹不明显；通 过调整浇口位置、数目等减少熔接线条数。其中温度对熔接线的影响非常大，若 熔体交汇时的温度与注射温度相差不到2 0 度，一般熔接线的质量都可以接受( 最 理想的情况是熔体交汇时的温度等于注射温度) 。 图1 3 熔接线和熔合痕 f i g 1 3w e l dl i n ea n dm e l dl i n e 5 翘曲变形( w r a p ) 注塑制品的翘曲变形是很棘手的问题。主要应从制品和模具设计方面着手解 决，而依靠成型工艺调整的效果则是非常有限的。翘曲变形的原因及解决方法可参 照以下各项：1 ) 由成型条件引起残余应力造成变形时，可通过降低注射压力、提 高模具温度并使模具温度均匀及提高树腊温度或采用退火方法予以消除应力。2 ) 脱模不良引起应力变形时，可通过增加推杆数量或面积、设置脱模斜度等方法加 以解决。3 ) 由于冷却方法不合适，使冷却不均匀或冷却时间不足时，可调整冷却 方法及延长冷却时间等。如尽可能地在贴近变形的地方设置冷却回路。4 ) 对于成 型收缩所引起的变形，就必须修正模具设计了。其中，最重要的是应注意使制品 壁厚一致。有时，在不得已的情况下，只好通过测量制品的变形，按相反的方向修正 模具加以校正。收缩率较大的树脂，一般是结晶性树脂( 如聚甲醛、尼龙、聚丙烯、 聚乙烯及p e t 树脂等) 比非结晶性树脂( 如p m m a 树脂、聚氯乙烯、聚苯乙烯、a b s 树 第一章绪论 脂及a s 树脂等) 的变形大。另外，由于玻璃纤维增强树脂具有纤维配向性，变形也 犬。 6 气穴( a irt r a p ) 由于型腔中不可避免地存在气体，因此熔体在流动过程中会将气体聚集在型 腔内的某些部分。若这些气体不能顺利排出，则型腔的这些部分无法得到充填而 形成气穴。即使熔体能够充填这些区域，熔体也常常因为周围气体温度过高产生 焦痕，从而影响制品的表面质量。因此在设计中应通过调整浇注系统设计将气穴 移动到不明显的区域。 7 飞边( f l a s h ) 当型腔内的压力过高，模具无法完全闭合时，模具分型面上出现溢料。导致 飞边的因素有很多，锁模力太低、模具设计不合理或成型工艺不合理造成的型腔 内的压力过高等都是很重要的原因。对于飞边的处理重点应主要放在模具设计的 改善方面。而在成型条件上，则可从降低流动性方面着手。 图1 4 制件的翘曲变形和e 边 f i g 1 4w a r pa n df l a s h 8 喷流痕( j e t t in g ) 喷流纹是从浇口沿着流动方向，弯曲如蛇行一样的痕迹。它是由于树脂由浇口 开始的注射速度过高所导致。因此，扩大浇口横截面或调低注射速度都是可选择的 措施。另外，提高模具温度，也能减缓与型腔表面接触的树脂的冷却速率，这对防止 在充填初期形成表面硬化皮具有良好的效果。 图1 5 喷流痕和正常的充填模式 f i g 】5j e t t i n gv s 。n o r m a lf i l l i n gp a t t e r n 郑州大学博士学位论文 1 2 注塑成型充模过程数值模拟技术研究现状及发展趋势 由于塑料注塑成型加工的重要性和塑料成型模拟对实际生产过程的重要指导 价值，许多国家的科研机构和高等院校都在这方面进行了研究，并取得了不少成 果。本节主要简述注塑成型充模过程的数值模拟技术方面的研究成果和发展趋势。 g i l m o r e 和s p e n c e r 在2 0 世纪5 0 年代初期对注塑成型进行了研究，这可能是对 注塑成型进行的最早研究【9 j 。t o o r ，b a l m a n 及c o p p e r l l o 于1 9 6 0 年最先采用数值方 法对塑料熔体的充模过程进行了分析。随后，许多研究者对一维流动进行了大量 的研究，如h 赋y 和p a r r o t t 【l 【j 对矩形平板的充填过程进行了模拟；r o t h e i2 计算了塑 料熔体流经圆管的过程；k a m a l 和k e n i g i 】3 j 对半圆形模腔的注塑过程进行了模拟， 他们的工作包括问题的提出、模型的选择、方程的求解和结果的验证。w i l l j a m s 和l o r d 1 4 1 副对塑料熔体的圆管一维流动进行了详尽的研究，建立了有限差分计算 模型，数值分析与实验结果吻合较好。s t e v e n s o n 1 6 】等人对塑料熔体在矩形和中心 浇口圆盘薄壁型腔中的流动行为进行了详尽的研究，建立了熔体一维流动的数学 模型。h i b e r 17 1 , h i b e r 1 w a n g 1 8 j 在以上研究的基础上对维流动分析作了进一步 的概括。由于一维流动分析只能计算流道或简单形状的型腔内流动，适用面很窄。 但它的优势是所需分析时问短，因此大多被用来优选注射温度、模具温度和注射 时间等工艺参数，作为三维流动分析前处理器的一个组成部分。 对熔体充填过程进行二维流动分析的研究始于七十年代中期。b r o y e r ， g u t f m g e r 和t a d m o r i ”j 运用f a n ( f l o wa n a l y s i sn e t w o r k ) 法对二维等温流动进行了 计算，并对压实、固化及分子取向问题进行了有益的探索。f a n 的基本思想是先 将整个型腔划分网格，计算t 时刻各节点的压力及体积流率，给定时间增量& ， 确定f + f 时刻的熔体前沿位置，并计算t + a t 时刻各节点的压力及体积流率，如 此循环，直至整个型腔充满。文中提出的确定熔体前沿位置的方法很有价值，即 对每个节点引入一个描述该节点充满状况的系数 厂定义为流进该节点的熔体体 积与该节点的控制体积之比。显然，对已充满节点，三1 ：对流前节点，0 厂 l ； 对空节点，f = 0 。如果某时刻节点i 被充满，则与之相连接的空节点变为熔体前 沿节点。这一思想被后来的研究者运用到三维流动模拟中，发展成确定熔体前沿 位置的“控制体积法”。k r u e g e r m l 对熔体在含有嵌件的交厚度矩形型腔中的流动行 为进行了分析。a u s t i n 2 1 】首次对真实塑件的成型过程进行了研究，并采用l a y f l a t 技术去处理复杂的几何形状。由于注塑件的结构复杂，熔体在模具型腔中的流动 是非等温非稳态过程，而且熔体表现出很强的非牛顿特性，无法对该过程进行真 实分析，必须进行适当的简化。h i e b e r 和s h e n h i 作出了重要贡献，他们将h e l e s h a w 模型推广到菲牛顿流体的非等温流动过程，从而提出了广义h e l e - - s h a w 模 第一章绪论 型，并采用有限元、有限差分耦合法求解控制方程，为缩短计算时间他们采用幂 律粘度模型。两位学者提出了确定某时刻熔体前沿位置的“预测一校正”法，即： 用r 时刻前沿节点的速度乘时间增量出得到，+ 出时刻的熔体前沿位置( 预测) ，计 算熔体的压力、速度、温度分布，将hm 时刻的速度值与前一时刻的速度值加权 平均，再乘f 得到校正后的熔体前沿位置。这种方法虽然能较准确地确定熔体前 沿位置，但需要人工干预，因此很麻烦，而且很费时。 流动路径法幽j 是对充模过程进行2 5 d 流动分析( 即对流场进行二维分析而温 度场则