（材料加工工程专业论文）基于数值模拟的气体辅助注射成型工艺参数优化研究.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 气体辅助注射成型是2 0 世纪7 0 年代在传统注射成型基础上发展起来的一项 新的塑料成型工艺。其过程是在向模具型腔内注射一定塑料熔体后，立即或稍后 注射高压气体，以使塑料熔体在气体的推动下充满型腔。由于气辅成型引入气体 而成为两相流动，增加了更多的工艺参数，如熔体预注射量、延迟时间、气体注 射压力等，这些参数间的相互干扰和制约与传统注射成型相比更加明显。采用数 值算法实现对气体辅助注射成型过程的模拟和分析，将为有效控制成型过程从而 确保成型质量，提供一个以科学分析为基础的实用技术手段，对于提商气辅技术 的应用水平具有重要的科学意义和应用价值。 本文针对气辅成型过程数值模拟及其工艺参数优化开展了研究和分析，主要 工作包括： 1 、从粘性流体力学的基本方程出发，通过对气，熔界面两相流充模过程物理 量和几何变量的分析，建立了气辅成型充模过程气一熔两相非等温菲稳态流动的 控制方程。 2 、基于有限元，有限差分i 控制体积法，通过引入充填因子给出了求解气一熔 两相流动的数值方法并开发出计算程序，实现了气辅充模过程的数值模拟。 3 、推导一维圆管流动中熔体前沿等速推进的气体压力控制方程，得到在气体 注射阶段使熔体前锋匀速推进的气体压力条件，并通过数值模拟进行了验证。 4 、通过自制气辅模具开展了气辅实验研究，考察了不同工艺条件和参数对成 型过程的影晌，并对数值模拟结果进行了实验验证，取得了定性相符的结果。 关键词气体辅助注射成型数值模拟有限元有限差分控制体积 基于效值模拟的气体辅助注射成型工艺参数优化研究 a b s t r a c t g 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 ) i sa ni n n o v a t i v em u l t i c o m p o n e n t n j e c t i o nm o l d i n gd e v e l o p e do nt h eb a s i so f t r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n gi nt h e 19 7 0 s i ng a i m ，t h em o l dc a v i t yi s p a r t i a l l y f i l l e dw i t ht h e p o l y m e rm e l t f o l l o w e db yt h ei n j e c t i o no fc o m p r e s s e dg a s t h eg a sp e n e t r a t e si n t ot h e p o l y m e rm e l t sa n df o r c e st h e m t of i l lt h ew h o l em o l dc a v i t y g a i mc a nr e a l i z e g a sh o l d i n g a n dp a c k i n g r e d u c es h r i n k a g ea n dw a r p p a g e ，g e tt h eh o l l o w p r o d u c t si nt h es e c t i o n ，s a v em a t e r i a l s ，m a k em o l dd e s i g n i n gm o r e f l e x i b l e h o w e v e rm o r ep r o c e s sp a r a m e t e r s ，s u c ha sm e l ti n j e c t i o np e r c e n t i n a d v a n c e d e l a yt i m e ，g a si n j e c tp r e s s u r ei nt h ep r o c e s s ，a r ei n c l u d e di n g a i m b e c a u s et w op h a s ef l o wh a p p e n sa tg a sf i l l i n gt i m e s oh o wt op r e d i c tg a s p e n e t r a t i o na n d t h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r so ng a i mp r o d u c t sb e c o m et h ek e y p r o b l e m b e f o r em o u l dm a k i n g i nt h i ss t u d y , b a s e do nt h em o l d i n gf i l l i n g p r i n c i p l ea n dr h e o l o g i c a lt h e o r i e s ，a m a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e db y u s i n gg e n e r a l i z e dh e l e - s h a w f l o wo fa ni n e l a s t i ca n dn o - n e w t o n i a nf l u i du n d e r n o n i s o t h e r m a lc o n d i t i o n s ah y b r i df i n i t ee l e m e n t f i n i t ed i f f e r e n c en u m e r i c a s c h e m ei sa p p l i e dt os o l v ep r e s s u r ef i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，a n dv e l o c i t yf i e l d e t c c o n t r o lv o l u m em e t h o di su s e dt ot r a c eg a s m e l ti n t e r f a c e a n dm e l t a d v a n c e m e n t 。p o l y m e rs k i nf r a c t i o n a n dp o l y m e rf i l l i n gf r a c t i o na r eu s e dt o d e s c r i b et h em e l ta n dg a sd i s t r i b u t i o n t h e p r e s s u r ec o n t r o le q u a t i o no fc o n s t a n tf l o w f r o n ts p e e di sd e d u c e d t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ng a sp r e s s u r ea n d m e l tf r o n ts p e e dw a sf o u n d ，a n dc o n t r o i l 郑州大学硕士学位论文 e q u a t i o nw e r e v e r i f i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n t sa r ei n v e s t i g a t e dt os t u d yh o w v a r i o u sp r o c e s sc o n d i t i o n sa n d p a r a m e t e r si n f l u e n c et h ep r o c e s s ，a n dc o m p a r i s o nr e s u l t so fe x p e r i m e n t sa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nv e r i f yt h ep r o g r a m k e yw o r d s g a s a s s i s t e d i n j e c t i o nm o l d i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ；c o n t r o iv o l u m em e t h o d l i t 一塑型查兰堡主兰垡丝苎 f 1 选题背景及研究意义 第一章绪论 气体辅助注射成型( g a s - a s s i s t e d 删e c t i o nm o l d i n g ) 简称气辅成型，是在传 统注射成型的基础上的发展起来的塑料加工领域的一种薪方法【“2 】，它具有注射压 力低、制品翘曲变形小、表面质量好以及易于成形壁厚差异较大的制品等优点， 可在保证产品质量的前提下，大幅度降低成本。目前，气辅成型技术在发达国家 成功地应用于各种产品如汽车保险杠、仪表盘、各种把手及操作杆，电脑资讯产 品如各种电脑显示器、电视机外壳、笔记本电脑键盘和显示器外框、各种计算机 的周边设备、手机的外壳以及家电产品如洗衣机、电冰箱等均可利用气体辅助注 射成型来制造，大约涵盖了原由传统注射成型百分之八十的领域。另外也可以使 用到一些传统注射成型无法制造的复杂形状的制品如空调导风板、汽车通风饰罩 等具有气体辅助导槽的物件。同时在家具、包装、农用塑料制品和运动器械等领 域还有更为广阔的应用前景。 + 在传统注射成型中，壁厚不均匀的产品容易引起表面收缩沉降斑或因为冷却 不均匀引起残余热应力和翘曲变形的问题，使得制品设计时最大厚薄比受到限制， 无法达成使各附加零件组成一体化设计的目标，造成额外模具制作与成型的成本， 周期长，且成本高。而采用气体辅助注射成型，由于保压过程中压力可由气体较 均匀的传递在制品上，因此可使用较大的制品厚薄比，甚至特别厚的部份可以设 计为气道，所以有时可以根据此特性将复杂制品的附加零组件一体成型。特别是 对薄壁制品，气道的设计不仅可以用来引导气体的流动，本身还可以作为制品结 构的补强或是用来减少产品的弯翘变形。由于气道的平均厚度( 或管径) 通常较制 品厚度大，因此在成型时气道大部分必须有气体的穿透来掏空，否则实心的气道 反而容易形成沉降斑。传统注射成型制品的肋宽度大约只允许至制品壁厚的0 7 5 倍，而气体辅助注射成型则可由保压过程中气体压力较均匀的分布在制品上而使 得肋宽度甚至可以达到壁厚的5 至7 倍，使得在应用肋的外形和尺寸上有了一个 更大的设计空间和弹性以增进整体结构的刚性，且可大大减少壁厚尺寸，间接节 省材料成本。可见若是能充分利用气体辅助注射成型技术在制品结构设计上的这 些优点，所获得的经济效益将会非常的显著。 由于气体辅助注射成型是由气体推动塑料熔体充满模具型胶，因此在气辅成 型制品设计和模具设计时必须提供明确的气道来引导气体的走向。气道几何尺寸 的大小、截面形状的确定和位置的布置都会影响到气体的穿透和气体对熔体流动 基于数值模拟的气体辅助注射成型工艺参数优化研究 的干涉，从而最终影响到成型制品的质量。由于气体的引入，气辅成型比传统的 注射工艺有更多的工艺参数需要确定和控制，而且气体辅助注射常用于较复杂的 大型制品，模具设计和控制的难度较大。采用数值方法实现对气辅成型过程的模 拟和仿真，通过模拟分析气体穿透阶段，熔体和气体的流动状况，预测气体穿透 长度和最终形成树脂皮层厚度。通过调节控制工艺参数如熔体预注射量、延迟时 间、气体注射压力来模拟工艺变化对气辅制品的影响。为模具设计和工艺控制提 供科学的依据。 目前，气辅成型设备的压力控制单元基本上都采用压力控制，而且可以提供 多段气体压力，例如本文实验使用的压力控制单元可以提供五段压力( 其中在每 段可以设置斜率时间) ，这相当于可设置十段压力，并且能够提供连续的气体压力。 因此气体注射压力可以是连续的蓝线，通过实验发现气体压力曲线的设置对于气 辅成型制品的质量同样有着重要的影响。如何通过控制气体注射压力达到使熔体 前沿等速前进的目的，避免过高的熔体前沿速率，保证气辅制品稳定的质量，也 是气辅成型数值模拟的一个研究方向，对控制工艺参数、提高制品质量以及充分 发挥气辅设备的性能有着重要意义。 1 2 国内外研究现状 计算机辅助工程分析应用在注射成型领域开始于2 0 世纪7 0 年代p “， t o o r , b a l l m a n 和c o p p e r 【6 】最先数值方法计算注射成型中塑料熔体的充填过程。在 研究学者中最具代表性的是l o r d 和w i l l i a m s t 7 j 对塑料熔体的圆管流动以及一维流 动做了详尽的研究，并建立了有限差分计算模型，使一维流动分析趋于成熟。7 0 年代中期，b r o y e r , g u t f i n g e r 和t a d m o r s 运用f a n ( f l o w a n a l y s i s n e t w o r k ) 方法 一i 对二维等温流动进行了计算，并对保压固化及分子取向问题进行了探索。提出 了确定熔体流动前沿位置的方法，这一思想被后来的研究者用于三维流动模拟中， 发展成能够确定熔体前沿位置的“控制体积法”。h i e b e r 和s h e n 【l0 】将h e l e s h a w 流动 1 1 , 1 2 , 1 3 1 推广到非牛顿流体的非等温流动情况。到1 9 8 6 年，w a n g 2 7 等人开始 应用控制体积法，配合有限单元法及有限差分法来模拟注射成型的充填过程。该 方法可以方便地应用于复杂几何形状的塑料制品。 从2 0 世纪9 0 年代初期，国外的一些研究机构开始对气辅成型充填流动模拟 展开了研究。主要面临的问题是气体穿透机理和对气体穿透长度和形成树脂皮层 厚度的预测。t u r n g ，l s 口q 等人借鉴传统注射成型充模流动分析的研究，实现了 熔体在气体作用下在型腔中流动的数学描述。采用粒子跟踪算法( p a r t i c l e t r a c i n ga l g o r i t h m ) 对熔体前沿和气熔界面进行跟踪，其算法的实质是基于熔体 和气体进入型腔的时间来区分计算区域内的熔体和气体，从而确定充填过程中熔 一2 一 塑型查堂婴主兰垡笙兰 体气体的空间分布。 d m o a o ，k t n g n e y e n ，g s a l l o u m p 9 】等人在处理气体辅助注射充填过程中 熔体前沿和气熔界面这两类移动边界上采用的是控制体积法。控制体积法是在 f a n 法方法思想上发展起来的一种处理移动边界的方法，它是用定义的控制体积， 代替f a n 法中的矩形体积单元，利用节点压力计算出流入和流出节点控制体积的 流量，从而根据控制体积的充填情况近似确定熔体前沿和气熔界面的位置。 气体在制品中如何的分布对于气辅成型非常重要，所以在气辅成型充填过程 中，气体穿透界面的求解是充填模拟的关键问题，也是难点。少数学者对气体在 液体中的穿透特性作研究【3 0 。32 1 。p o s l i n s k i 和s t o k e s 吲，以粘性的s i l i c o np a s t e 流 体代替塑料进行了恒温实验。但由于塑料是粘性非牛顿流体，其流变行为与牛顿 流体并不一样，同时在p o s l i n s k i 与s t o k e s 的实验中所采用粘性的s i l i c o n p a s t e 流 体来假塑性流体在一个开放式的圆管内以低黏性牛顿流体来观察气体穿透长度以 及残余壁厚与气体压力间的关系，提出中空率是随c a p i l l a r yn u m b e r 而变化，而 且在高c a p i l l a r yn u m b e r 时中空率会达到一个极限值( 0 ，3 4 ) 。p o s l i n s k i 和s t o k e s 研 究的结果对于在恒温低速下气体在低黏性牛顿流体的穿透是相当有用的，但对于 实际注射时所牵涉到的非等温高粘度塑料熔体，其结果是否可以应用于实际的成 型，仍有待进一步的探讨。k a m i s l i ，f 和r y a n ，m e i j 州对幂率流体在圆管和矩形 截面管道中气辅成型的两相流动采用奇摄动方法来确定气体穿透后形成树脂皮层 的厚度。以c a ”2 ( 修正的毛细管数) 为摄动参数求出气体穿透界面的内部解和外部 解，通过渐近匹配展开法求得气体穿透厚度比例。并得到随着非牛顿指数的增大， 树脂皮层的厚度也随之增大的结论。y a n g 3 4 1 n ) n , 群r 方形且可任意更换不同气道 形状的透明模具，应用高速摄影机记录与观察气体辅助注射成型时气体在不同的 气道布置与不同厚度下充填过程所发生的各种现象。 目前，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， 如美国c o m e l l 大学k k w a n g 教授领导的c i m p ( c o m e l lt n j e c t i o nm o l d i n g p r o j e c t i o n ) 研究组开发的c o a s f l o w 、澳大利亚c o l i na u s t i n 领导的m o l d f l o w 公 司开发的气体辅助注射成型流动模拟软件，现c m o l d 已并入m o l d f l o w 公司。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 dm 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 人领导开发的气辅模拟软件。 在国内，台湾地区对气辅成型的研究工作开展得早一些，从2 0 世纪9 0 年代 中期开始，c h e n ，s c 3 5 - 3 6 , 7 1 - 7 3 1 等人应用c a e 软件对气辅成型中的充填和保压阶段 进行数值模拟，同时也应用在冷却分析中。分别对薄板上加肋，u 型管等典型气 辅制品进行了一次穿透、二次穿透的理论和实验研究。从制品的结构性能、注射 压力及温度影响、气道形状设计、数值计算方法等多方面研究了气辅成型流动过 一3 一 基于数值模拟的气体辅助注射成型工艺参数优化研究 程的规律和特点，并根据实验得到气辅成型形成树脂皮层厚度的半经验公式，取 得了定的研究成果。 此外，郑州大学国家橡塑模具研究中心对气辅成型c a e 和实验进行了研究工 作【3 7 m 】，在气体充填数值模拟研究的基础上开发了z - m o l d 系统的气辅模块。华 中科技大学h 3 。4 叼和南昌大学h 5 4 6 1 也对气辅成型数值模拟与设备方面进行了一定的 研究工作。 1 3 本文的主要工作 本文将主要针对气体辅助注射成型，以成型过程数值模拟一算例分析与实验 验证气体注射压力曲线控制及优化为主线，构造气辅成型过程的数学模型，采 用数值解法实现对气辅充填过程的分析与模拟。研究气辅成型过程压力曲线控制 与优化，揭示气辅成型过程工艺参数对制品性能的影响。主要工作包括： 1 ) 从粘性流体力学的基本方程出发，通过对气熔界面两相流充模过程物理量和 几何变量的分析，提出一些假设和问题，建立了气辅成型充模流动的理论模 型和控制方程。 2 ) 研究气辅成型充模流动数值计算的理论，推导基于有限元f 峨7 7 】有限差分控制 体积法的压力场和温度场的数值算法及程序实现。通过具体算例，本文计算 程序的验证，并进行了实验对比。通过推导气体压力控制方程，研究气体注 射压力曲线的控制与优化。 3 ) 设计制造气辅模具，实验气辅制品，研究工艺参数对制品成型的影响。 4 ) 基于数值模拟对气辅成型的工艺控制进行了研究，得到气辅成型工艺参数的 控制的一般规律。 郑州大学硕士学位论文 第二章气体辅助注射成型技术及工艺特点 2 1 气体辅助注射成型原理 气体辅助注注射成型，是把氮气经由分段压力控制系统直接注射入模腔内的 塑化塑料里，塑料熔体在氮气的推动下充满型腔得到中空制品，仍然保持产品表 面的外形完整无缺。气辅成型周期可分为以下几个阶段： a 注塑期；以定量塑化塑料熔体充填模腔。所需塑料预注射量要通过实验或c a e 分析确定，以保证在充填期间，气体不会把制品吹穿，并且有理想的气体穿 透。 b 充气期：可于注射期中或后，不同时间注入气体，气体注入的压力必需大于 注塑压力，以达到制品成中空状态。 c 气体保压期：当制品内部被气体充填后，气体作用于制品中空部分的压力就 成为保压压力，可大大减低成品的收缩和变形。 d 脱模期：随着冷却周期完成，模具内的气体压力降至大气压力，制品由模腔 内顶出。 e 备注：根据不同机器的设备及注塑技术的要求，充气期可由螺杆行程触发气 体注射或通过继电器接收注射机停止注射信号。 气辅成型注塑周期循环图表： a 注塑期 b 充气期 c 气体保压期d 。脱模期 图2 - 2 气辅成型周期循环示意图 一5 一 基于数值模拟的气体辅助注射成型工艺参数优化研究 气体辅助注射成型充填过程【4 8 4 9 l 如下： 第一阶段：塑料熔体充填过程( r e s i ni n j e c f 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 n s h o to 第二阶段：气体一次穿透过程( p r i m a r yg a s p e n e t r a t i o n ) ， 塑料熔体在气体的推动作用下继续充填直到充满整个模具型腔，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 y g a sp e n e t r a t i o n ) ，在塑料熔体 充满整个型腔后，由于塑料熔体冷却收缩气体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为二次穿透。 图2 3 气体辅助注射成型原理图 2 2 气体辅助注射成型工艺 2 2 1 气辅成型工艺分类 气体辅助注射成型根据气体注射位置的不同可以分为：内气法和外气澍5 0 1 。 内气法( i n t e r n a lg a si 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 广泛应用的气辅工艺。 外气法( e x t e m a lg a si n j e c t i o n ) ：气体注入制品的外部，但气体仍在型腔内部， 该法以提高制品的表面光洁度。 一 一 塑型奎兰堡主堂垡堕苎 根据注入气体的量可以分为：欠料注射和满料注射。 欠料注射：又称为标准气体辅助注射成型工艺。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：在满料注射中模具被塑料全部充满，然后注入气体。由于塑料已 充满模腔，只有在熔体收缩时气体才可以进入。所以在满料注射中，气体只 起到了补偿收缩量和保压的作用，但是与传统熔体保压相比，气体所起到的 保压作用更为有效。制品的质量减少取决于聚合物的体积收缩。由于熔体的 密度和凝固后的物料的密度存在明显不同，半结晶高聚物如p p 和p e 质量会 减少很多；而对于无定型材料在熔体和固化状态下的密度变化很小，因此可 能产生的体积收缩也相对会很小。 2 。2 2 气辅成型装备 对于气辅成型来说需要特殊的装置在适当的时间能提供给注射机期望的气体 体积和压力。气体注射单元的原理如图2 4 所示。氮气通过一个普通的储气瓶进入 压缩机。经过压缩机分段压缩为高压气体( 根据需要最高气压可以达到1 0 0 1 p a 甚至更高) 。通过一个专用的电气控制装置经过压缩机单元控制压力曲线如图2 - 5 。 目前使用的气体压力控制单元最多可以提供9 段压力【5 “，可用0 2 秒以内的动作精 度正确提供所设定的气体压力。同时可以提供多组气路，本文使用气体控制单元 可以提供2 组气路。研究使用的氮气压缩机，最高可增压到3 5 m p a ，压力控制单 元可以提供连续5 段气体压力。 固压力控期阙令摹庳髑闷 、 图2 4 气体控制系统示意国 基于数值模拟的气体辅助注射成型工艺参数优化研究 时间 图2 - 5 气体辅助注射气体压力曲线图 2 3 气体辅助注射成型设计 2 3 1 成型材料的选择 理论上讲，所有能用于传统注射成型方法的热塑性塑料均适用于气辅注射成 型，包括些填充树脂和增强塑料。一些流动性非常好，难以填充的塑料如热塑性 聚氨酯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。在气辅成型过程中，由于制件的成型壁 厚和表面缺陷在很大程度上由原料性能决定，改变过程参数对其影响并不很大，因 此成型原料的选择极为重要。表2 1 是用于气辅注射成型的常用塑料【5 s 4 。 表2 1 气辅注射常用热塑性塑料 无定形型部分结晶型 普通塑料p s ，a b sp e ，p p ( 加滑石粉) ，p p e p d m p c ，p c i a b s ，p c p b t ， p a 6 ，p a 6 6 增强型，p o m ，t p u ，p b t ， 工程塑料 p m 帆，p p e ，p e s ，p a r p e t ，p p s ，l c p ，p e e k ，p a i p a ( 聚酰胺) 和p b t ( 聚对苯二甲酸丁二酸酯) 具有独特的结晶稳定性，尤其适 合用于气辅注射成型；p a 6 ，p a 6 6 和p p 也经常被用于气辅成型；一些部分结晶型树 脂，成型时内部靠近气道一侧由于冷却速率相对较慢，无明显无定型边界层产生， 但外侧因为模壁的，快速冷却会产生无定型边界层，从而影响制品质量；对于玻璃 纤维增强塑料，在模壁处会产生轻微的分子定向，且在模壁下一定距离处( 约距制 - - 8 - - + r删亲埔基旷 塑型查兰堕主兰堡垒苎 品外表面1 哪处) 沿料流方向达到最大；成型高强度制件可选用具有较高弹性模量 的树脂，实际生产过程中应根据制件使用要求和具体成型条件选择合适的树脂材 料。 对于一些材料，d u p o n t 5 5 】对气辅成型最终制品的机械性能进行了测试实验。 气辅成型过程中几个重要的参数会影响树脂的机械性能而不同于传统注射成型的 产品。实验显示玻纤增强材料在气道附近的弹性系数和拉伸强度要低一些，这是 因为成型过程中剪切降低所以纤维在这些点的取向不够优化。这些机械特性与标 准的数值相比大约降低了1 0 并且极端的特例降低了5 0 。 a 传统注射成型b 气辅注射成型 图2 - 6 截面区域显微图( p a 6 63 0 玻纤) 图2 6 比较了传统注射成型结构。传统注射成型的结构具有相对比较高的玻纤取向 在圆周区域而中心区域有非常小的取向分布，而内部气体辅助注射成型产生的制 品结构在模壁附近区域纤维取向较低。取向沿气道边界方向增加，但是截面区域 中心被认为是低取向的。 2 3 2 气辅制品和模具设计 设计气辅产品最好使气体沿一个方向流动，也就是说没有拐角和弯曲。通常， 对于气辅成型来说有以下几个设计原则。最基本的原则是：气体总是沿着熔体流 动方向穿透，也就是推动流动阻力最小的熔体前沿。因此，气道往往是出现在较 大的截面区域或熔体温度高的区域。从图2 8 可以看到，上边制品为带有尖角和熔 体积聚；下面的制品通过圆角来改善这一点。气体在型腔中主要有两个方面的功 能：产生中空的制品，以减轻质量为主要目标。在制件中产生持续的压力，来补 充塑料熔体冷却时的体积收缩从而避免沉降斑得到光滑的表面。 对于具有相对大的截面结构的制品，例如把手，减轻产品质量是使用气辅成型 的主要原因。气道成为设计的重要特征。对于具有加强筋的薄壁制品，使用气辅 成型的主要原因是得到没有沉降斑的光滑表面。设计在制品中的气道把气体传递 到材料体积收缩大可能产生沉降斑的位置。虽然薄壁结构没有可以直接作为气道 的结构，我们可以另外的设计气道。在薄壁的拐角或者是肋和薄壁交接的地方设 计，如图2 - 7 所示例子。有肋的薄壁通过设计气道来消除沉降斑，通常是一个整体 基于数值模拟的气体辅助注射成型工艺参数优化研究 的气道贯穿制品的几何外形把各个肋连接成网状。 气道设计叫 ( 1 ) 气道的截面最好是接近圆形。由于粘性熔体表面张力的作用，气体在气道 中穿透形成的中空部分的截面形状倾向于圆形，所以气道的截面接近圆形可使成 型后气道部分的壁厚比较均匀。 气道的尺寸依赖于树脂材料的体积收缩率和薄壁的尺寸。气道的尺寸要合适， 尺寸太小无法给气体提供良好的通道，会产生制品注射不足或要求提高注射压力 等问题，尺寸太大会导致气穴和气体向较薄的部分穿透。 气道截面设计越大，气体压力可以维持的时间越长。然而如果气道设计的太大意 味着虽然强度可以得到增加，可是不可避免增大了制品的质量并且流动前沿不稳 定，破坏气体的流动形态，在气体充填之前就会改变低压区域。作为一个首要原 则，气道应该设计为薄壁厚度尺寸的2 - 4 倍。( 图2 - 7 ) 魁 鸯 卑t2 4 厶 图2 7 几种典型气道的设计方案 ( 2 ) 气道的转弯和变向处应有足够大的径向尺寸以免引起内外转角处壁厚的差异。 ( 图2 - 8 ) 图2 8 气道转弯处的设计方案 一1 0 一 郑州大学硕士学位论文 ( 3 ) 气道应是连续的，以保证气体穿透的畅通性，但应避免形成回路，因为气道形 成回路会使气体的穿透形成分支，最后在支路前端熔体的交汇处形成熔合纹。 ( 4 ) 气道的布置应在不产生气穴和吹穿的情况下使气体在制品内尽量穿透，这是 因为气体是非粘性的，可以有效地把入口压力传递到气体与熔体的交界面而不产 生明显的压力降，因此气体穿透的程度越高，制品内部压力分布越均匀，保压冷却 过程中产生的残余应力越小，出模后的翘曲倾向也越小。 嵌件设计 嵌件对于气辅制品的设计来说是一个挑战。嵌件必须完全的被树脂材料所包 围；气道必须设计与嵌件有一定的距离。通常可以使用一个单独的气针放置在嵌 件的下游位置( 图2 9 ) 。如果气体注射通过注射机喷嘴，那么更多设计上要力使 嵌件被塑料所完全包围。 图2 9 气辅成型具有嵌件的制品 浇口 气辅成型的浇口不同于传统注射成型的浇口。如果气辅成型的气体是通过注射 机的喷嘴，那么浇口和流道的尺寸必须是传统注射的2 倍。浇口放置必须使塑料熔 体可以注射到宽广的甚至是沿着型腔壁就象挤出成型一样。流动的分离和汇合都 会产生无法预料的紊乱，这个最好能够避免。 注气位置的选择 注气位置有两种，一是主流道注气方式，这种注气方式只能从喷嘴进气；二是 基于数值模拟的气体辅助注射成型工艺参数优化研究 埋入式气针注入方式，气针的位置可设置在分型面、型腔、分流道等任何部位，总 的设计原则是：注气点的位置要尽可能地靠近浇口部位；注气口注入的气体流动 方向应与树脂流动方向相同；设置的注气位置不能使气体产生涡流；对于有气道 交叉的制品成型时，再交叉结构上只能设置一上注气口；注气口应避免设置在与 树脂注入口轴线的相对位置：由于气体辅助注射成型采用的是“缺料注射”的注 射方式，所以注料及注气最好采用自下而上的注入方式或水平的注入方式，而尽 量避免采用自上而下的注入方式，防止因树脂的自重而产生流涎。 图2 1 0 专用的埋入式气针 图2 1 1 通过注射机喷嘴 当气体通过注射机喷嘴注射，喷嘴的压力增大于是喷嘴顶端的气阀打开。通常 有一个控制开关在适当的时候关闭注射机喷嘴，这样就不会有塑料熔体从模具型 腔回流到料筒。 而使用专门的气针也有一定的优势。可以根据需要把气道设计在我们期望的制 品部位。可以使用几个气针在一个制品中产生几个不同的气道。气针留下的气孔 直径小于1 m m 。放置气针最有效的位置是在熔体有最大流动长度的部位。 郑州大学硕士学位论文 2 4 气辅成型制品缺陷分析 虽然气辅成型具有很多优势，但是作为一种注射成型方法，影响产生过程的因 素很多，所以难免制品会出现这样那样的缺陷【7 5 ，7 6 】。但是，我们通过分析这些缺 陷产生的机理，可以最大可能的避免、减少甚至是消除某种制品缺陷。这样才能 充分发挥气辅成型的优势，产生良好的经济效益。本文通过研究和实验发现和归 纳出气辅成型主要缺陷，及相应的解决方案。 2 4 1 沉降斑( s i n km a r k s ) 在气辅成型制品的表面有收缩现象发生。我们知道，在传统注射工艺中熔体温 度对沉降斑的影响最大，熔体温度越高，沉降斑深度越大。模具温度升高导致沉 降斑深度增大。保压时间越长则沉降斑越小。对于气辅制品，最主要的目的就是 要消除壁厚不均产生的收缩，沉降斑出现的主要原因是气体没有按实际气道正常 穿透，气体穿透的距离远小于设计气道长度，这样本应该为气体的内核充填着树 脂，较大的气道尺寸在保压不好的情况下必然出现沉降斑。所以有必要通过c a e 分析，调整工艺参数使气体按照设计气道理想穿透，这样才能发挥出气辅成型的 优势。 2 4 2 迟滞线( h e s i t a t j o r ll j n e s ) 在使用短射法气辅成型制品的时候，制品的表面可以看到明显的线痕即是迟滞 线。这是因为延迟时间过长，在注射机停止注射塑料熔体到开始注射气体前这段 延迟时间，熔体前沿前进速度突然减慢，前锋树脂开始冷却和松弛。如果有矿物 填料或玻纤，就会附着在模具型腔表面产生迟滞线。解决的方法是尽量缩短延迟 时间。或是通过调整熔体注射速度曲线在熔体注射速度开始减慢时使气体注射 提高熔体温度和模具温度可以使前锋树脂冷却昶松弛速度降低。这样可以允许较 长的延迟时间。提高注射压力会使保压更为充分同样有利于提高表面质量。 2 5 。3 指痕( f i n g e ri n g ) 在使用短射法或满射法气辅成型制品的时候，气体穿透到薄壁区。这样就会产 生结构和美观上的缺陷。气体总是会流向熔体的低压区或高温区，无论该区是不 是流动末端。避免指痕首先确保气体的流动方向就是我们设计期望的流动方向。 降低气体压力会减小气体穿透薄壁区的机会，增加延迟时间使贴近模壁的树脂有 足够时间冷却圃化使指痕现象无法发生。降低熔体和模具温度是起到同样的效果。 设置气体压力曲线的时候，先设置较低的保压，然后再增加为高保压，这样在低 保压的时候使薄壁区冷却，就会减小或消除在高保压时可能的指痕现象。 2 5 4 银纹和斑点( s il v e r s p i a s hm a r k s ) 在制品的表面产生的银色条纹或斑点。产生这种缺陷的主要原因是气体在注射 基于数值模拟的气体辅助注射成型工艺参数优化研究 机喷嘴或料筒与熔体混合。所以要避免这种缺陷必须保证气体没有回流到喷嘴和 料筒或者气体注射时间不能过早。在喷嘴安装止逆阀可以成功的避免气体回流。 确保气体不能过早进入注射和树脂混合。如果不能确定银纹的产生与气体、机器 和材料有关。那么就不注射气体打出制品看看问题是不是得到解决。这样就把问 题产生的范围缩小，来判断是否是其他原因比如塑料没有完全干燥，模具温度等 等。 2 5 5 制品爆裂( e x p i o d j n gm o u i d j n g s ) 在开模的时候，由于气道内的残余气体压力过高使制品爆裂。为了避免这种现 象要确保在开模前型腔内的气体己经释放。增加延迟时间可以减少气体与熔体混 合的量，当气体释放的时候气体推动未固化的树脂回流的量减少。这样就会避免 因回流树脂堵塞气体通道而产生制品爆裂现象。气体注射时间过早会产生间歇流 动出现气泡。如果是活动式气针要检查气针回收的时间设定，减慢气针回收的速 度提高气道的内部质量。此外，气体系统或是在气针处有泄露现象发生那么保压 的时候气压就会损失，并且使还处于熔融状态的树脂回流而阻塞进气口发生制品 爆裂现象。 2 5 数值模拟在气辅成型中的应用 在塑料注射成型中，模具的设计和成型工艺条件的确定是两个重要问题，对 于气体辅助注射成型，由于充填过程更为复杂，需要考虑的因素较之传统注射成 型的更多口0 1 ，如熔体的预注射量、气体的注射时间、气体注射压力曲线及注射点 等等。这里都给气辅成型的控制增加了难度。而气辅成型可能出现的缺陷，例如： 气体吹穿、气体充填不均匀、塑料熔体短射、气穴等都与设计和工艺参数设定有 关。由于缺乏经验，对气辅成型模具及加工过程的工艺参数控制往往是凭借直觉 反复尝试、修改和调试，不仅浪费大量的人力、材料、资金，更重要的是延长了 生产周期和新产品的开发周期，而且产品质量也难以保证，对于大型精密模具， 问题会更加突出，解决这点问题的关键是在于寻找一个以科学定量和分析为基 础的方法，突破传统单靠经验的束缚，有效的解决上述问题，为实际生产提供可 行的科学依据。因此，采用数值方法实现对气体辅助注射成型过程的仿真和分析， 对于提高气辅成型的应用水平具有重要的科学和工程应用价值。 c a e 技术在气体辅助注射成型中的应用可以概括为以下几个方面： 气辅成型过程受很多工艺条件的影响，在没有太多经验可循的情况下，预测 工艺参数对成型的影响就成为c a e 技术最主要的目的之一，影响成型的主要工艺 参数包括： 熔体预注射量：熔体预注射量是决定气辅成型的关键参数之一，它决定了气 “4 塑型查兰堕主兰堡垒苎 体前方熔体的量，熔体预注射量过少，气体越易赶上熔体前沿，在熔体完全充满 型腔之前发生气体吹穿( 即是气体前沿超过熔体前沿) ，使制品无法成型。熔体预 注射量过多，气体没有足够的空间穿入，气辅成型的优点不能发挥出来。这样只 有在合适的熔体预注射量时，才能得到外观和内在质量优良的制品。 延迟时间：是气辅成型中最关键的因素，它直接影响气体注射时间。延迟时 间太短，会产生气道太大和气道壁太薄的现象，同时由于熔体未来得及形成粘性 层和冷凝层，发生气体吹穿现象：延迟时间太长，熔体所受压力急剧下降，而气 体压力尚未到达，熔体前沿速度随之下降，从而在制品表面留下相应的痕迹( 滞 留痕) ，表现为表面光泽度或表面粗糙，同时，由于冷凝层和粘性层厚度增加，熔 体流动发生滞留现象，一则难以推动熔体前沿，导致气体穿入截面缩小而穿入距 离缩短，容易在进气口附近形成指痕现象。 气体注射压力与保压压力：气体注射压力也是成型过程中的一个重要参数。 气体压力越高，气体的穿入距离越短，聚合物皮层厚度越小。这是因为较高的气 体压力推动更多的熔体前进，因而流动末端堆积了较多的熔体，没有气体穿入的 空间，造成气体穿入距离短，树脂皮层厚度小。保压压力主要与气体的二次穿透 有关。基于同样的原因，保压压力小，则二次气体穿透的距离长，反之，气体穿 入的距离短。另外气体注射或保压压力过大，易产生指痕现象，即气体穿透到薄 壁区，降低制品的强度。 熔体注射温度：注射温度对熔体流动有明显的影响。聚合物材料的粘度一般 随温度以及剪切速率的提高而降低。温度过高，熔体粘度大幅降低，气体前进的 阻力变小，同时气体进入薄壁的几率增加，很容易发生吹穿和指痕现象。相反， 温度过低，熔体粘度增大，气体前进的阻力会很大，气体在气道中穿入的距离缩 短，造成没有气体穿透的熔体部分较大收缩，影响制品质量。 一堇墼堕燮垫盟墨苎塑壁婆塾盛型三苎童墼垡垡婴窒 第三章气体辅助注射成型充填数值模拟 3 1 气体辅助注射成型数学模型的建立 气体辅助注射成型的充填过程，是非牛顿特性的塑料熔体在高压气体作用下 的非等温、非稳态的流动过程。包含两个自由移动边界：气体穿透前沿和熔体流 动前沿。要想精确地描述其流动过程比较困难，必须针对气体辅助注射成型充填 过程的特点，在粘性流体力学基本方程基础上进行合理的假设和简化。 3 1 1 薄壁型腔充填分析的数学模型 在实际生产中，气体辅助注射成型的制件主要分为两种情况：一种是气道的 宽度和厚度之比大于4 的，将熔体在气道中的流动假定为在扁平型腔中的流动； 另一种是气道宽度和厚度之比小于4 的，将熔体在气道中的流动假定为在等效圆 柱管道内的流动。而除气道外的部分，一般厚度方向的尺寸远小于流动方向的两 个尺寸。因此可以假设塑料熔体在这些区域中的流动为扁平型腔流动。基于此， 对气体辅助注射成型充填过程做出如下假设和简化： 由于扁平型腔厚度方向的尺寸远小于其他两个方向的尺寸，且熔体粘度大， 因此熔体的充模流动可视为扩展层流，于是厚度方向的速度分量可以忽略， 且厚度方向压力梯度为零。 假定熔体为不可压缩流体，即v 矿= 0 。 熔体在流动过程中雷诺数( r e y n 0 1 d s ) 很小，一般r e 1 0 2 ，认为热传导仅沿着壁厚方向，熔体中不含热源。 在充模流动过程中，熔体温度变化不大，因此可以认为熔体的比热容及热传 导率为常数。 忽略熔体前沿的喷泉效应。 根据以上简化和假设及粘性流体力学的基本方程，可以推导出气体辅助注射 成型充填过程中熔体在扁平型腔流动的控制方程。 一一塑型查兰堡主堂垡堡兰 3 1 。2 熔体充填过程的数学模型 注射成型过程中，视塑料熔体为不可压缩广义牛顿流体在扁平型腔流动，忽 略流动方向上的热传导和内热源。采用著名的h e l e s h a w 模型，控制方程如下： 掣+ 掣：o( 3 1 ) 罢一昙( 印罢) ：0 ( 3 2 ) 罢一昙( 叩拿) ：o ( 3 3 ) 心，c 詈+ “罢+ v 詈，= t 窘+ 彬 c s a ， y 鼷两 ( 3 5 ) 边界条件： 1 型腔厚度方向上的边界条件：一般假设熔体在型腔厚度方向呈对称流动，熔体 温度沿厚度方向对称分布，有： 宴：宴= o ；a t = 0 ( 。：o ) o za zo z 口= v = 0 ：t = ：r w( z = 4 - 功 其中砌为模壁温度。 根据先前假设不考虑z 方向的压力梯度， 叩( 当= 一人，2 0 2 叩( 参一舻 其帆一芸n 一詈。 ( 3 6 ) ( 3 7 )