（材料加工工程专业论文）气体辅助注射成型过程仿真与优化.pdf

西华大学硕士学位论文y7 4 6 1 8 5气体辅助注射成型过程仿真与优化材料加工工程专业研究生李光明指导老师傅建气体辅助注射是将部分或全部聚合物熔体注入模腔后，再利用高压惰性气体推动熔体继续充模，并实旌保压，从而形成中空或局部中空注塑件的一种塑料制品成型技术。气辅注射成型可以保证壁厚差异较大的制品成型质量，消除或减小成型应力和制品翘曲，节约注射材料。气辅注射过程涉及到气液两相的相互作用，仅靠传统注射经验是无法科学合理的选择和控制气辅工艺参数。借助于c a e 软件提供的信息，可以在计算机屏幕上仿真气体和聚合物在模腔内的流动过程，预测气辅产品质量，并对工艺参数、模具设计和制品结构进行优化，从而缩短气辅产品和气辅模具的研发期，以及其生产准备期。本文将正交实验与数值模拟结合起来，仿真在不同工艺条件下的气辅零件成型过程，重点研究工艺参数对气体穿透长度和制品的短射、翘曲，以及不均匀收缩等产品质量问题的影响规律，并在此基础上，优化气辅注射工艺参数。研究表明：熔体预注量、熔体温度、注气延迟时间和注气压力是影响气体穿透长度与气辅产品质量的四个主要工艺参数。其中，对气体穿透长度影响最大的工艺参数是熔体温度和注气延迟时间，对产品翘曲量影响最大工艺参数是注气延迟时间和注气压力，而对熔体短射和塑件密度影响最大的工艺参数是熔体预注量。气辅产品的翘曲不但与成型工艺参数有关，而且还与模腔上的气嘴位鼍有关。对于成型本文的罩形零件而言，如果气嘴设置在浇口附近，则容易引起制品的较大翘曲。对于气道粗大制件( 例如本文的车门内把手) 的气辅成型，在其它工艺条件不变的前提下，降低熔体温度将会增加气西华大学硕士学位论文体在气道内的穿透长度。而熔体温度对气体在细小气道中穿透的影响规律则刚好相反：熔体温度越高，气体穿透长度越大。针对罩形零件气辅注射成型的最优工艺参数为：模具温度4 5 ，熔体温度2 5 5 c ，熔体预注射量9 9 ，延迟时间1 s ，气体注射压力l o m p a ；车门内把手的最优工艺参数为：模具温度6 5 c ，熔体温度2 5 5 ( 2 ，熔体预注射量7 5，延迟时间0 1 s ，气体注射压力2 0 m p a 。关键词：气辅注射，工艺参数，产品质量，正交实验，数值模拟西华大学碗士学位论文s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no fg 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 sm a j o r ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n gg r a d u a t e ：l ig u a n g m i n gs u p e r v i s o r ：p r o f f uj i a ng a sa s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g ( g a i m ) h a si n c r e a s i n g l yb e c o m ean e wt e c h n o l o g yo fp l a s t i cm o l d i n g , w h i c hm a k eu s eo ft h eh i 曲- p r e s s u r ei n e r t i ag a st op u s ht h ep o l y m e rm e l tt of i l lt h ew h o l em o u l dc a v i t ya n dh o l dt h ep r e s s u r et op r o d u c et h eh o l l o wo rv o i dp a r ta f t e rt h em o l dc a v i t yi sp a r t i a l l ya n dc o m p l e t e l yf i l l e dw i t hp o l y m e rm e l t g a i mm a yi m p r o v et h eq u a l i t yo fp a r t sw i t hn o u n i f o r ms e c t i o n ，e l i m i n a t eo rr e d u c er e s i d u a ls t r e s sa n dw a r p a g eo ft h ep a r t s ，a n ds a v ei n j e c t i o nm a t e r i a l s b e c a u s et h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e np o l y m e r - m e l tf l o wa n dg a sp e n e t r a t i o nc a n n o tb ei g n o r e di ng a i mp r o c e s s ，i ti si m p o s s i b l et od e p e n dm e r e l yo nt h ec o n v e n t i o n a le x p e r i e n c e st os e l e c ta n dc o n t r o lt h eg a i mp a r a m e t e r ss c i e n t i f i c a l l y b yt h ea i do ft h ei n f o r m a t i o nt h a ti sg o t t e nf r o mt h ec a es o f t w a r et h ep r o c e s so ft h em e l tf l o wa n dg a sp e n e t r a t i o ni nt h em o l dc a v i t yc a nb es i m u l a t e da n dt h em o l d i n gp r o d u c t sq u a l i t yc a l lb ef o r e s e e no nt h ec o m p u t e r b a s e do nt h es i m u l a t i o nd a t at h eg a i mp a r a m e t e r s 。m o l dd e s i g na n dp a r ts t r u c t u r ec a nb eo p t i m i z e d c o n s e q u e n t l yt h ed e v e l o p m e n tc y c l eo fg a i mm o l da n dt h ep r e p a r a t i v et i m eo fp r o d u c i n gg a i mp r o d u c tc a l lb es h o r t e n b yc o m b i n a t i o no fm o l d f l o wp r o g r a mw i t hp e r p e n d i c u l a r i t ye x p e r i m e n tm e t h o d ，t h eg a i mp r o c e s su n d e rt h ed i f f e r e n tm o l d i n gc o n d i t i o n si sr e s e a r c h e di nt h et h e s i s t h ek e yo fr e s e a r c hi st of i n dt h ee f f e c t so fg a i mp a r a m e t e r so nt h el e n g t ho fg a sp e n e t r a t i o na n dt h ep r o d u c tq u a l i t i e ss u c ha st h es h o r t s h o t ，w a r p a g ea n da s y m m e t r i cs h r i n k a g ee t c a n da c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t s ，t h em a i ng 越mp a r a m e t e r sw i l lb eo p t i m i z e d 堕兰查堂堕主兰堡笙茎t h er e s e a r c hs h o w st h a tt e m p e r a t u r ea n dr e i n j e c t i o na m o u n to fp o l y m e r - m e l t ，d e l a yt i m ea n dp r e s s u r eo fg a si n j e c t i o na r et h ef o u rm a i np a r a m e t e r st oi m p a c to nt h ep r o d u c t sq u a l i t y t h eg a i mp a r a m e t e r sw h i c ha f f e c te v i d e n t l yt h eg a sp e n e t r a t i o nl e n g t ha r et h em e l tt e m p e r a t u r ea n dt h ed e l a yt i m e ，w h i c ht h ep a r tw a r p a g ea r et h ed e l a yt i m ea n dt h eg a sp r e s s u r e ，a n dw h i c ht h em e l ts h o r t s h u ta n dt h ep a r td e n s i t yi st h ea m o u n to fm e l tr e i n j e c t i o n n o to n l yt h ew a r p a g eo fg a i mp a r th a sar e l a t i o n s h i pw i t ht h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，a n da l s ow i t ht h el o c a t i o no fg a si n j e a i o ni nt h em o l dc a v i t y f o rm o l d i n gt h ep l a s t i cc o v e rw h i c hi sd i s c u s s e di nt h et h e s i s ，t ol o c a t et h eg a si n l e tn e a r b yt h es p r u ew i l lr e s u 1 ti nm o r ew a r p a g eo ft h ep a r t w h e nk e e p i n go t h e rp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sc o n s i s t e n t l y , t or e d u c em e l tt e m p e r a t u r ew i l li n c r e a s et h el e n g t ho fg a sp e n e t r a t i o ni nt h ep a r t sw i t ht h i c ks e c t i o ns u c ha st h ea u t o m o b i l ed o o r k n o b o nt h ec o n t r a r y , i ft h eg a i mp a r th a sat h i ns e c t i o n ，m e l tt e m p e r a t u r ei sh i 曲e r , g a sp e n e t r a t i o ni nt h ep a rl o n g e r i nt h et h e s i st h eg a i mp a r a m e t e r so ft h ec o v e r ( m a t e r i a la b s ) a r eo p t i m i z e dt om o l dt e m p e r a t u r e4 5 c ，m e l tt e m p e r a t u r e2 5 5 c ，a m o u n to fp o l y m e rm e l tr e - i n j e c t i o n9 9 ，d e l a yt i m el sa n dg a sp r e s s u r el o m p a ，a n do ft h ea u t o m o b i l ed o o r k n o b ( m a t e r i a la b s ) a r eo p t i m i z e dt om o l dt e m p e r a t u r e6 5 。c ，m e l tt e m p e r a t u r e2 5 5 c ，a m o u n to fp o l y m e rm e l ti n j e c t i o n7 5 ，d e l a yt i m eo 1 sa n dg a sp r e s s u r e2 0 m p a k e y w o r d s ：g a i m ；p r o c e s s i n gp a r a m e t e r tp r o d u c tq u a l i t y ；p e r p e n d i c u l a r i t ye x p e r i m e n hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n西华大学硕士学位论文1 绪论1 1 气体辅助注射成型的简介气体辅助注射( g a s a s s i s t e dz n j e c t i o nm o l d i n g ，g a i m ，简称气辅) 成型技术【”，是先将聚合物熔体注入模腔，随后将高压的惰性气体注入型腔的熔体内，形成中空注塑件的一种新型的加工技术。1 1 1 气体辅助注射成型技术的构成和原理 2 11 1 1 1 气体辅助注射成型的基本过程气辅注射成型技术的基本过程主要包括3 个阶段 3 1 。起始阶段为熔体注射，即把塑料熔体注入到模具型腔中，直至熔体充满型腔的6 0 1 0 0 ，具体注射量随产品和工艺而异，第二阶段为气体注射，主要是采用惰性气体( 如氮气) 当把压缩的惰性气体注入到熔体的芯部，熔体的流动前沿在高压气体的驱动下继续向模具型腔内的低压部位流动，直至熔体充满整个的模具型腔。第三阶段为气体保压，塑料制品在气体压力的控制下冷却，在冷却过程中，气体由内压而外施压，保证制品外表厦紧贴模壁，并通过气体的二次穿透从内部补充因熔体冷却凝固带来的体积收缩。气体辅助注射技术的基本过程的流程图1 1 如下：陬西再；两圭粤r i i r 口0厂_ 1冷却r i 开模取制件i = = = = 3i 气体保压f i g u r e l 1b a s i cp r o c e s so fg a i m图1 1 气体辅助注射技术的基本过程的流程图1 1 1 2 气体辅助注射成型工艺1 2 1气体辅助注射成型工艺主要分为两种【4 】：( 1 ) 欠料注射、( 2 ) 满料注射；其中在满料注射过程中，气体注射到制品芯部的可以通过三种实现方式得以实现，分别为：溢流腔法、回流法、往复式型芯法( 1 ) 欠料注射欠料注射又称为标准气体辅助注射成型工艺。在熔体注射后，模具型腔西华大学硕士学位论文中只充入部分熔体。稍后即注入高压的惰性气体。依靠气体压力来推动熔体完全充满型腔，为了保证气体不穿透熔体前沿，在注入气体之前应注入足够量的塑料熔体。欠料注射原理如图1 2 所示。塑料熔体内部的气体压力将减少由塑料冷却过程中体积收缩而引起的缩痕缺陷，同时气体在塑料制品内形成中空，减少了壁厚，因此制品的冷却时间、质量、内应力都有明显的降低。萨件群f l g u r e l 2s h o r t s h o tg a i mp r o c e s s图1 2 欠料注射的原理图熔体及气压的影响如图1 3 所示。当型腔里充满太多塑料熔体时，熔体压力会升高。在这种情况下，气体将无法进入到塑料内部，只有在注射完成以后，熔体的压力下降到一定程度，才能注入气体。即熔体和气体的压力达到平衡时气体才能开始注入。瞻。醛l _ 镕“w 镕：埔| n ta 为无气体穿透区域：b 为可能存在气体穿透之区域f i g u r e l 3c h a n g eo fm e l tp r e s s u r ea n dg a sp r e s s u r e图1 3 熔体压力和气体压力的变化如果初始注入的气压过低，将会在熔体和气体注入之间产生时间间隔。先前通过气体推动的熔体会产生停滞通过提高初始气压可避免前面的熔体停滞，制品表面就不会有任何痕迹或缺陷。由于在气体辅助注射过程中，形成的气道始终保持开放，同时注入的气体压力也是保持稳定的。因此在制品的冷却过程中，气体实际上是起到保匝的作用，并进行气体二次渗透，弥补因2西华大学硕士学位论文熔体冷却收缩的体积。所以当模具型腔被塑料熔体完全充满后提高气体压力就可得到高质量的产品。欠料注射的气体注射周期表，如图1 4 所示。n g u r e l 4s h o r t - s h o tg a i mp e r i o d i cc h a r t图1 4欠料注射周期表该工艺适合棒状制品的成型，也适用于板状制品或局部厚壁的板状制品成型。但是塑料熔体和气体注入的位置需要特殊考虑。( 2 ) 满料注射所谓满料注射，就是模具型腔被塑料熔体全部充满后，再注入气体。此时由于塑料熔体已经充满整个模腔，只有当塑料熔体的体积冷却收缩时气体才有进入模具型腔的可能。因此。气体实际上只起到保压的作用。此外，制品的质量变化取决于聚合物的体积收缩率。由于塑料熔体的密度和凝固后的密度存在较大的差异。有溢流腔的成型技术该技术是塑料熔体将模腔全部充满，然后通过注入气体挤压熔体到另外的腔体，即所谓的溢料腔，是用来控制制品芯部材料的流动从而实现材料的均匀分布。原理如图1 5 所示f i g u r e l 5f u l l s h o tg a i mw i t ho v e r f l o ww e l l图1 5有溢料腔的原理图西华大学硕士学位论文回流法此工艺也是在气体穿透的作用下，使预注射到模具型腔部分的熔体流出型腔。与溢料成型法不同是，气体穿透所排出的熔体又重新回流到注塑机，可直接使用到下一次的制品成型中。原理如图1 6 所示啦肇f i g u r e l 6f u l l s h o tg a i mw i t hc i r c u m f l u e n c em e t h o d图1 6回流法的原理图往复式型芯法所谓往复式型芯气辅成型技术，就是对应气体穿透的位置设置一个或多个活动型芯。台模后，型芯推进减少最初的空隙，直到熔体充满整个型腔。当气体开始注射时，随着气体的注入，液压装置带动型芯回位增加模腔的空间，气体穿透来补偿型芯后撤所让出的空间：型芯运动到位后，气体开始对制件进行保压。原理如图1 7 所示鹾韶f i g u r e l 7f u l l 。s h o tg a i mw i t hr e c i p r o c a lc o r e图1 7往复式型芯法原理图1 1 2 气体辅助注射成型的优点【2 1 s l气体辅助注射成型作为一项新兴的技术与其他传统的注射成型方式相比具有相当的优势：( 1 ) 节省材料用量：( 2 ) 注塑压力降低：( 3 ) 制件质量提高；( 4 ) 制件的强度和刚度也得到加强；( 5 ) 拓展了塑件结构和模具设计思路：4西华大学硕士学位论文1 1 3 气体辅助注射成型的缺点口1 口1( 1 ) 成本的提高：( 2 ) 工艺控制更为复杂；1 2 选题意义气体辅助注塑成型是一种新型的注射成型工艺，它综合了发泡成型和注塑成型的优点，是塑料注射成型工艺技术中的一项革命。它通过将高压气体引入到制件的厚壁部位，产生中空截面，驱动熔体来完成充填过程。气辅注射成型技术有其自身特殊的工艺特性和优点。可保证壁厚差异较大的制品的成型质量，可消除制品的成型应力和翘曲，可消除缩痕，提高制件的表面质量等吐气辅注射工艺设计的关键是在正确认识这些传统注塑工艺参数的基础上，考虑高分子熔体和高压氮气的两相相互作用对制件成型过程的影响，着重进行气辅注射技术专有的工艺参数的确定和应用【7 l 。它们包括( 1 ) 熔体的最佳注射量，它对制件的质量和成型效果起着决定性的作用；( 2 ) 熔体的注射时间和注射压力曲线：( 3 ) 从熔体注射到气体注入的转换时间和延迟时间；( 4 ) 气体的注射压力、保压压力和压力控制曲线：( 5 ) 预测气体在熔体中的一次穿透和二次穿透情况：( 6 ) 诊断并消除气辅注射产品的缺陷。传统的注塑模具设计和注射工艺的确定往往主要依靠设计人员的直觉和经验。这有一定的局限性，模具设计制造完后需要经过反复的调试和修正才能投入生产，一旦出现问题，不仅要重新调整工艺参数，甚至还要修改塑料制品和模具，给生产带来了高成本和诸多不便，而且气辅技术本身涉及到两相的流动，较为复杂，仅靠传统经验是无法科学合理的选择和控制气辅工艺参数。随着。镀技术在近年得到了不断的发展，可以对气辅注射成型过程进行模拟分析，包括填充、保压、模温、冷却、翘曲、收缩等方面的分析，可以预见气辅注射成型过程中模腔内气体聚合物的流动过程，并对整个成型过程进行优化，借助于c a e 提供的信息，可以及时的了解成型过程，优化模具设计，确定最佳的工艺参数，从而在确保制品的质量和降低成本等方面有重大的经济意义。1 3 国内外的气辅技术的研究现状和发展前景西华大学硕士学位论文1 3 i c a e 技术的研究和发展c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 技术【3 】主要是指工程设计中的分析计算和模拟仿真，包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估和运动动力仿真等方面内容。为产品设计、生产加工提供了重要的模拟环境。1 3 2 普通注塑c a e 技术的研究与发展随着注塑成型设备和成型工艺的不断发展，注射成型的新工艺及其模拟研究，对c a e 技术的要求越来越高。塑料模具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的流动、传热的物理数学模型，利用有限元和数值计算理论构造其求解的方法，利用计算机图形学技术，可以直观地模拟出实际成型过程。7 0 年代初期，美国等发达国家就能利用程序分析熔体在形状简单的型腔内( 圆形、管形和长方形) 的流动情况，7 0 年代中期实现了将流道系统和二维型腔相连接的流动分析，为开发实用型的流动分析软件奠定了基础。8 0 年代初采用有限元法成功地分析三维型腔的流动过程，使设计者在模具制造前可以对设计方案作出判断。8 0 年代至9 0 年代，注塑模c a e 技术从实验研究阶段步入实用研究阶段，相继出现了诸多商品化的注塑模技术软件。意大利的c o m a u 公司自从应用c a e 技术后，试模时间减少了5 0 以上【2 i 。1 3 3 气辅注射c a e 技术的研究与发展具体针对气体辅助成型中气液两相充填过程的研究，则多始于9 0 年代。国外的l a n v e r s ，m i c h a e l i ，t u r n g ，s h e v b e l i s ，k h a y a t 和c h e n 对气辅成型模拟的数值方法进行了研究；y a n g 研究了气道尺寸对气辅成型充填过程的影响：t u r n g和p o t e n t e 总结了气辅成型制品和模具的一些设计准则；d o s l i n s k i 和s t r o k e s对圆管中的气体穿透进行了实验：c h e n 研究了二次穿透；l a n v e r s ，y a n g ，z h e n g和y a m a m o t o 在气辅成型充填过程的实验观测方面进行了深入的研究【3 1 。国内的周华民和李德群等人主要通过对气辅注射成型过程的充填阶段中熔体流动和气体穿透进行数值模拟，把气体在熔体前沿穿透影响作为边界条件，采用有限元有限差分法对气道等指标进行评估，最后通过实验进行验证【8 】。目前，就充填过程模拟方面的研究而言，主要有两种思想：一种是根据气辅成型与传统注塑成型的相似性，借助传统注塑成型充填模拟的研究成果，6西华大学硕士学位论文对塑料熔体作h e l e - - s h a w 假设f 9 】，这样气辅成型的主要问题就集中在气体穿透界面的确定或气体穿透厚度和长度的计算上。目前，大多数开发模拟软件的研究多采用这种思想；另一种思想是采用三维有限元或边界元方法对充填过程进行数值分析，其中k h a y a t 用边界元法综合简单的前沿跟踪法研究了气辅成型过程中粘性不可压缩牛顿流体在恒定压力下的等温流动，得到了对厚薄壁通用的计算公式，目前能处理简单的三维型腔，但用这种方法对薄壁型腔进行离散，获得大量边界单元是不实用的，因此对薄壁件还是应采用h e l es h a w 假设。现在国外研究的较为成熟的是美国的c o m e l l 大学的g i m p 研究组，他们的c - g a s m o l d 软件提供模拟气体辅助注射成型工艺的填充过程，澳大利亚的m o l d f l o w 公司开发的商用气体辅助注射成型过程的模拟系统m f g a s ( 气辅注射分析) 等功能模块，对气体在注塑成型中的穿透过程进行了模拟，对气体可能吹穿流动的前沿位置进行了预测，而且可以分析确定熔体的壁厚和薄壁区域气道的直径。当气体过压时，对熔体的溢出进入溢料井的过程也进行了模拟【1 0 】。在国内，郑州工业大学的申长雨等人在建立描述气体辅助注射充模流动的基础上，采用有限元有限差分控制体积法进行数值分析，确定充模过程中的两类移动边界，熔体前沿和熔体一气体边界，从而实现气体辅助注射充模流动过程的数值分析。并对一复杂的带筋结构的典型制件一坐椅进行数值分析。原方案中熔体入口1 个。气体入口4 个，材料为a b s ，充填时间为2 4 s ，熔体一气体切换时i ；70 2 s ，气体压力4 0 m p a 。结果由于流动的不平衡导致在椅子前部分阻力太大，椅子的2 个前腿没有足够的气体进入，椅背和椅腿连接部分过薄，近似于被气体吹穿。通过数值分析，优化工艺参数充填时间、气换时间、气体压力等，制件的性状大为改观，3 4 长度的前腿形成中空，且中空部分壁厚较均匀，大部分厚度因子在0 5 1 左右。台湾的刘世江等人通过对气辅满射过程各个工艺参数的研究，采用数值模拟分析得出零件的缩痕是随着气道的长度而降低，同时对气体穿透过程也有一定的预测作用i t ”。上海交通大学的钟仲钢等人在气辅成型的计算机模拟分析和成型工艺参数方面也进行有益的探索。以电视机的外壳制件为实例进行分析，应用u gi i西华大学硕士学位论文的c a d 几何构型和m o l d f l o w 中的有限元网格生成及前后处理功能，完成气辅成型冲模的流动模拟，通过分析，对电视机的外壳制件的模具中的浇口和气道数目、分布等进行优化设计。对填充、保压、模温、冷却、气体注射和释放等工艺参数提出了设计原则l ”。台湾的s h i a - c h u n gc h e n 等人基于c a e 模型，进行对气辅产品结构、过程和诸如翘曲的数值模拟，将得到的分析结果，通过比较测试，显示a n s y s软件是可以对气辅成型过程进行合理精确的预测，表明在c a e 模型下，气辅成型模拟过程是可行的，可以提高生产效率【1 2 l 。总体来讲，无论是气辅注射技术还是在c a e 技术研究方面国内与国外先进的国家相比，仍有很大的差距，理论性研究较多，应用性技术相对较少，实用性和局限性较大，绝大多数还是停留在定性的分析，需要进一步的研究和实践，更深层次地理解熔体和气体在模具型腔中的流动规律及相互作用情况。在目前的实验条件下，如何运用适宜的数学理论或实验方法，更快更好的发现找到工艺参数的优化组合，也是值得进一步研究的问题1 4 主要研究内容气体辅助注射是解决厚壁塑料制件在成型过程中的变形、塌陷、翘曲等质量问题，以及提高制件强度和节约原材料的有效途径之一。本文正是基于这样的目的；利用现有的c a e 技术进行过程仿真，进一步弄清楚具体零件一车门内把手的气辅成型过程和成型质量控制因素( 如进气时间、气体压力、熔体温度和粘度、气嘴位置和数量、气道截面形状及在模具中的排布，以及模具温度对制件中空效应的影响和气体在不同几何形状流道中的穿透情况等) ，结合正交理论，从而达到优化零件的气辅工艺参数及模具结构的研究目的。因此，本课题的主要研究内容具体如下：( 1 ) 了解和熟悉气体辅助注射技术的工作情况和实际的气辅件，发现和分析影响制件质量中存在的常见的缺陷和问题，分析研究并找准影响气辅件成型质量的关键因素；( 2 ) 针对其关键因素规划、设计正交试验方案，按照实验方案，运用m p i软件对具体实例的充模流动进行模拟，得出关键因素对气体穿透过程及零件8西华大学硕士学位论文质量影响的关系。( 3 ) 根据实验结果和生产实际，优化相应塑件和模具结构，并根据正交方法气辅工艺参数进行优化组合：并对相关工艺参数进行深刻的讨论。1 5 本章小结本章首先简要介绍了气辅注射成型技术的构成和工作原理，以及气体辅助注射成型应用范围及优缺点，从而论证了课题的选题目的和意义。综述了国内外数值模拟技术在气辅注射成型过程中的应用和发展前景。指出本文的主要研究内容，即通过c a e 过程仿真，进一步弄清楚气辅成型的原理和成型质量控制因素，结合正交理论及方法达到优化气辅工艺参数及模具设计目的。9西华大学硕士学位论文2 气体辅助注射的基础理论2 1 气体辅助注射过程中气液两相的物理行为简述气辅成型充填过程历经熔体充填和气体充填( 首次气体穿透) 两个阶段。2 1 1 熔体充填阶段在本阶段，熔体的物理行为同普通注塑。塑料熔体首先进入浇注系统，然后呈泉涌状进入型腔。熔体的前端表面与冷的模壁和空气接触，形成一个粘度较高的前沿，由于熔体前沿的存在，使熔体交替发生以下两个过程i 3 1 ：是受前沿的阻止不能向前推进，这将使熔体转向模壁方向，当高温熔体接触到相对低温的模具壁时，会因冷凝而形成一层固化层( 即冷凝层) ，固化层的存在使流道截面积变小，阻碍了熔体的流动，二是型腔芯部熔体中心热核冲破原来的前沿形成新的前沿，随着高温聚合物熔体不断的注射进来，伴随这两个交替过程，熔体成泉涌状向前推进，直至型腔的6 0 一1 0 0 ( 视具体产品而定) 被熔体充填后停止熔体注射。此时外层的聚合物因与冷的模具壁相接触而形成固态，型腔芯部的聚合物仍保持熔融状态。由于气辅成型充填过程的熔体注射阶段与常规的注射成型过程中的熔体流动行为完全一样。即模具型腔中从入口处到熔体前沿处总的压力降等于熔体沿流动方向上的压力降。2 1 2 气体充填( 首次气体穿透) 阶段随着气体的注入，与常规注射成型填充不同，气体推动型腔中已充填的熔体继续向前运动。如图2 1 所示，衰皮材科所占厚度蜘mf i g u r e2 1i n t e r a c t i o nb e t w e e nm e l tf l o wa n dg a sp e n e t r a t i o n图2 1气液两相行为关系西华大学硕士学位论文对于喷嘴处进气的情况，从入1 2 1 处到熔体前沿处的总压力降就等于入1 ：3处到气体前沿处在气体上产生的压力降和气体前沿到熔体前沿处在熔体上产生的压力降两部分之和f 1 ，即由于气体的粘度和熔体的粘度相比可以忽略不计，认为气体上产生的压力降为零，因此气体可以没有损失地进行压力传递，可使制品成型的压力明显降低。通过控制熔体注射和气体注射之间的延迟时间，可控制型腔中熔体冷凝层的厚度，从而调节气体的流动空间，在一定的延迟时间之后( 一般为几秒) 开始注入气体。一旦气体充填阶段( 首次气体穿入) 开始，气体将沿着阻力最小的路径前进，阻力最小的路径也是压力梯度变化最快的方向。在这个过程中，高压气体推动聚合物熔体向前流动，因此，此时实际上是气体，熔体两相流动。在气体流过型腔的同时，气体推动先注入的聚合物进入型腔中仍然未充填的区域，气体与熔体同时流动直到型腔内所有的区域被聚合物熔体填满。这个阶段非常短，但对于聚合物在模具型腔中建立合理的分布却具有重要的意义。型腔内聚合物在气体的推动下重新分布的结果是，等量的气体充入到被移动的塑料熔体所在位置。因此，此阶段结束后，制品中出现一系列的中空气道。在熔体充填结束后，气体开始充填，熔体气体的切换时间是一个极其重要的工艺参数，如果聚合物充填过多，则很难形成所期望的气道流动，同时因气体注入量少而不能体现气辅注射成型的优越性，若聚合物注入太少，那么气体流动过程就有可能渗透到气道之外，引起气体大量充入薄壁部分，出现气体吹穿现象。从以上分析可以看出，在气体辅助注射充填过程，熔体的预注射量、熔体气体的切换时间( 延迟时间) 、首次气体穿入情况等对型腔中熔体的流动行为影响非常显著。充填过程结束后，塑料熔体在冷却作用下，密度变大，造成体积收缩，一般来讲，塑料从熔融态转变为固态时体积变化可高达2 5 ，因此在充填结束后若不采取措施向型腔中补料，则无法得到合格的塑料制品。为了得到满意的制品，常规的注射成型在充填结束时需要在较高的保压压力作用下向型腔内继续注料以弥补由于温度、压力变化造成的体积收缩。气辅成型则是通过二次气体穿入来解决这一问题的。如果在气体流动过程中，气体较好的完成了对型腔中熔体的穿透，那么，型腔中的压力会相当的均匀。也就是说，气体较好的将气体入口处的压力传递到气体前沿，并有效、均匀地施加给熔体。西华大学硕士学位论文在后充填阶段，实际上是借助于气体的二次穿入，运用气体有效的压力传递来施加保压。此时，聚合物熔体继续冷却，并在压力作用下开始收缩，而二次穿入的气体则继续进入熔体更深的部分，填充熔体收缩余出的空洞区域。2 2 粘性流体力学的基本方程瞰】【1 6 】【1 12 2 1 熔体流动简化和假设气体辅助注射成型过程是非牛顿特性的塑料熔体在高压气体推动下的非等温、非稳态、且具有自由移动边界的流动问题，气体的干涉使聚合物的流动变得更加复杂，要精确描述其流动过程十分困难，必须针对气辅成型流动过程的特点，结合工程实际，在粘性流体力学方程的基础上引入如下简化和假设：a 由于型腔壁厚( z 向) 尺寸远小于其他两个方向( x 和y 方向) 的，且塑料熔体粘性较大，所以熔体的充模流动可以看作是扩展层流，厚度方向的速度分量可忽略：b 假定熔体为不可压缩流体：c 熔体在充模过程中粘度较大，忽略其惯性力和质量力的影响；d 在熔体流动方向上( x 和y 方向) 的热传导可忽略。e 在充模流动过程中，熔体温度变化不大，热传导系数和比热在流动过程中视为常数，忽略厚度方向的热对流。由此可得到塑料熔体，即非牛顿流体在非等温条件下进行充模的流动方程：( 1 ) 连续性方程连续性方程是质量守恒定律对于运动流体的表达式，其一般形式为：_ o ( b a ) + 掣。0 ( 2 - 1 )“o y式中，“，v 为z 方向的平均速度，定义为：磊= 描“d z ( 2 - 2 )v = 一1 广v 出( 2 3 )bdo。西华大学硕士学位论文( 2 ) 动量方程简化为：一0 1 一旦k o u l 。0( 2 4 )缸d zka z 一a p 一旦一堡1 。0 ( 2 - 5 )妙o z lo z 式中u 就是聚合物熔体的剪切粘度，一般认为它受温度和剪切速率y 的影响。根据以上假设，剪切速率y 可由下式给出：；。博 i池s ，( 3 ) 能量方程能量方程是能量守恒定律对于运动流体的表达式。其简化形式为：心，( 詈+ “詈+ v 詈) - k 害+ “i 2c z m式中，c 。k 分别为比热和导热系数。2 3 气体运动的数学模型2 3 1 气体注入型腔的流动( 1 ) 运动的简化和假设在气辅注射成型过程中，制件多是薄壁件，即厚度方向尺寸远小于气体两个方向的尺寸。因此可假设熔体在此类区域中的流动为扁平型腔流动。根据气辅成型中气道宽度( w ) 和厚度( h ) 方向尺寸的比值，可分为两种情况考虑：将熔体在气道中的流动假定为在扁平型腔中流动；将熔体在气道中的流动假定为在等效圆管内的流动。在此假定的基础上，对气体注入型腔的运动作如下简化和假设：气体密度不变，由于气体在模具型腔中的最大速度差一般小于7 0 m s ，所以将其当作不可压缩流体来处理，即旃痧。0 。忽略气体的粘性作用，由于气体的粘性比塑料的粘性小的多，因此可1 3西华大学硕士学位论文忽略不计，即卵- 0 。认为气体的流动过程是绝热的，原因是气体的传热能力很弱，可认为其内部无能量交换。忽略气体在模具型腔的质量力，因其密度与塑料相比非常小。根据上述假设，可推出气体运动的控制方程是：p = p ( 1 ) ，t = t ( t )( 2 8 )即型腔中气体的压力和温度处处相等，只随时间变化( 2 ) 边界条件厚度方向上的边界条件由于注塑成型制品和模具在厚度方向上并非绝对对称，因此采用非对称温度和速度边界条件：如图所示：在z = b 的模壁处，、u vm0 ；一k o t ，o n - 口一l ：) ；( 2 - 9 )在z - - 一b 的模壁处，m = v ；0 ：一k o t o n = h i t l ij ；( 2 1 0 )在z = z 。的流层上，a h io z ；o v fo z t 0 ；o t o z = 0 ，旺- 1 1 )式中，z 。为待求值，h 为熔体与模壁之间的对流换热系数。o 和巧分别为型芯模壁和型腔模壁的温度。流动方向上的边界条件在型腔界面c 。和型芯界面c ，上应满足无渗透边界条件；陋 o n 一0( 2 - 1 0 )通过熔体入口边界的塑料流量照等于注塑的流量，即当熔体入口边界c 。上压力均布时应满足( 一s 罢卜q ( r ) ，式中，s 为流动率。q ( f ) 为t 时刻的熔体注射流量1 4( 2 - n )熔体入口边界c 。上的温度西华大学硕士学位论文为：r = t ，( 2 - 1 2 )式中t 为熔体注射温度，气体入口处c 。上的压力满足；p 霜p g ( 2 。1 3 )式中p 。为气体注射压力。2 3 2 等效圆柱气道和浇注系统中熔体的流动f w对于宽度和厚度比小于4 的气道，熔体在其中的流动视为圆管内的流动，同时，根据浇注系统的特点，也假定流道内熔体的流动为圆管内的流动，如图2 2 所示，基于合理假设和必要简化，f i g u r e 2 2t u b es k e t c hm a p图2 , 2圆管示意图得到圆管气道和流道内熔体流动遵循如下充模流动方程o = 0 2 5 n 6 azp c 一( 詈+ “詈) - 争昙( r 詈) 卵( r 詈) 2其中s t ( l d7式中：z 、r 一分另u 表示圆管气道和流道的轴向和径向坐标：r 一圆管气道和流道的半径：壁厚方向采用对称边界条件：在r = r 处，u = o t - t 在r - 0 处，o u 。o , o r 。0o ro r气液界面的边界条件和熔体在薄壁型腔中流动的边界条件相同。( 2 1 4 )( 2 1 5 )( 2 1 6 )( 2 1 7 )( 2 1 8 )西华大学硕士学位论文2 4 气液界面的边界条件在流动前沿气e ) 上采用平面流前假设，认为厚度方向上熔体流速一致因而可忽略表面张力，认为熔体压力与大气压力相等，即：p 罩p 口p( 2 1 9 )式中p 。为大气压力。气体在熔体中穿透的程度和形状对气体辅助注射成型制品的质最至关重要，需要进行准确的模拟，因此注射气体在熔体中的穿透界面c 。上的边界条件不能近似处理，应严格满足以下条件：界面方程：运动学条件：粤。矿v 妒：0a f= k ；( 2 2 0 )( 2 2 1 )动力学条件：f d ；：f 。，一f 。：p 。- p 。= o k ：( 2 - 2 2 )式中，9 b ，y ，毛t ) io 是气体穿透界面气的方程；y 界面运动速度：和屹分别是界面两侧熔体和气体的速度矢量：k ，f 。和r 。，分别是界面上熔体侧和气体侧的切向应力：p 。和p 。分别是界面两侧气体和熔体的压力；口是表面张力系数：七是界面曲率；上式表示界面上应力平衡。2 5 气体保压阶段的数学模型气体在保压阶段时，熔体已将型腔充填完毕，塑料熔体在气体压力的作用下逐步冷却凝固，在这个过程中熔体的物理状态发生了很大的变化。因此，压力的对流项可以忽略。( 1 ) 状态方程等t 犀r k d p( 2 - 2 3 )式中卢为热膨胀系数，足为等湿压缩系数。该方程由于可以同时描述固相和西华大学硕士学位论文液相而被广泛使用。( 2 ) 能量方程心，詈+ p c p 。詈+ v 争- k 舅+ f i t 0 ( 詈t + “芸+ v 等+ 叩；2c z 掰，连续陛方程警+ p c 詈+ 静+ 。詈+ c z 氆，型腔压力方程考虑到气体保压阶段，型腔体积已经完全充满，所施加的保压压力趋于静压，沿型腔的压力梯度变化很小。因此，压力的对流项可以忽略，同时结合动量方程，可得如下方程：k h 一( v s v 尸) - b( 2 2 6 )。- r 上p c 仰知害皿沼z，,其中，s 为流通率；p 、t 分别为熔体的压力和温度；z 为型腔厚度方向的坐标；相应的边界条件为：气熔边界处的压力与气体保压压力相等、熔体温度等于气体温度：模壁处的熔体温度等于模具的温度。2 6 本章小结本章首先对气体辅助注射过程中气液两相的物理行为进行描述，根据粘性流体力学熔体充模流动原理，在粘性流体力学方程的基础上简化和假设，给出了粘性流体力学熔体充模流动过程以及气体运动、气体保压等数学模型。西华大学硕士学位论文3 实验研究过程3 1 实验平台【1 9 1 1 2 0 l本课题采用的国外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 )软件，是澳大利亚m o l d f l o w 公司的产品，自1 9 7 6 年以来，一直主导塑料成型软件市场，能够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、结构应力和收缩等。m p i g a s 模块是m p i 中的气辅成型模拟专用模块。特别最近推出的m p l 5 0