（材料加工工程专业论文）气体辅助注射成型模拟及工艺优化.pdf

武汉理工夫学硕i ：学位论文 摘要 本文通过对气体辅助注射成型工艺的系统研究，针对气辅成型工艺领域 存在的实际问题，就气体辅助注射成型工艺的设计提出了较为全面的解决方 案；分析总结出气道结构及气体注射参数对成型过程的影响规律：归纳出气 体注射参数的优化设置经验公式。 在气体辅助注射成型工艺设计方面：通过深入分析气体辅助注射成型工 艺过程及气体穿透特点，结合目前在气辅成型工艺实践方面的研究成果，针 对气体辅助注射成型工艺的产品壁厚设计、产品结构设计、气道布置及尺寸 设计、成型模具设计和成型工艺参数设置提出了一套较为系统的设计参考准 则。 在气道结构及气体注射参数对成型过程的影响规律和气体注射参数的优 化设置方面：本文建立了多个具有不同气道等效半径和气道长度的典型气辅 成型制件c a d 模型；以该模型为基础，采用目前较为成熟的塑料成型c a e 软件m o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t 来模拟这些模型的气体辅助注射成型工艺过 程：通过对分析模拟结果数据的综合分析，总结出气道等效半径及长度、气 体注射延迟时间、气体注射时间和气体注射压力对气辅成型过程的影响规律 及其对产品最终成型质量的影响规律。此外。通过从模拟试验结果中提取出 相应的成型质量衡量数据，并结合气道等效半径和气道长度数据，运用数理 统计方法对这些数据进行分析处理，推导出气体注射延迟时间与气道结构尺 寸之间的函数关系式、气体注射压力与气体注射延迟时间及气道结构尺寸之 间的函数关系式和气道穿透长度与气道结构尺寸、气体注射延迟时间之间的 函数关系式。在这些函数关系式的指导下，就可以计算出气体注射参数的优 化设置数值及气道穿透长度的预测值。 在本文末尾，通过实验模拟的方式，对推导出的气体注射参数优化设置 经验公式进行了验证，确认这些公式是具有较好的预测精度和参考价值的。 关键词：气体辅助注射成型，c a e ，工艺参数优化 武汉理工夫学硕士学位论文 a b s t r a c t d u r i n g t h ew o r ko ft h i s t h e s i s ，t h e a u t h o r t h o r o u g h l y r e s e a r c h e dt h e g a s a 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 ) f o r s e t t l i n gt h ep r o b l e m so fg a i m ，t h e p r o c e s sd e s i g no f g a i mw a sc o n c l u d e d ，t h er u l eo fa f f e c t i o nf o rg a i m p r o c e s s b yg a sc h a n n e ls t r u c t u r ea n dg a sp r o c e s sp a r a m e t e r sw a sr e v e a l e d ，f u r t h e r m o r e ， t h es e f t i n gf u n c t i o n s o f g a sp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r e c r e a t e d i nt h eg a i mp r o c e s s d e s i g nr e s e a r c h w i t l li n d e p t ha n a l y s i so fg a i m p r o c e d u r e a n d g a sp e n e t r a t i o nb e h a v i o r , a sw e l l a sc o m b i n e dw i t hc u r r e n t a c h i e v e m e n t s ，t h eg a i mc o m p o n e n t st h i c k n e s sa n ds t r u c t u r ed e s i g nc r i t e r i o n s ， g a s c h a n n e ll a y o u ta n dd i m e n s i o n d e s i g ns t a n d a r d s ，g a i mm o l d sd e s i g n r u l e sa n d p r o c e s sp a r a m e t e r ss e t t i n gm e t h o d w e r es u m m a r i z e d i nt h i st h e s i s s e v e r a lt y p i c a lg a i mm o d e l sw e r ec r e a t e dw i md i f f e r e n tg a s c h a n n e ld i m e n s i o n s b yt h em p i ( m o l d f l o wp l a s t i c si n s i s a t ) s i m u l a t i o no ft h e s e m o d e l s ，as e r i e so f d a t aw e r er e c o r d e d t h r o u g hi n t e g r a t e da n a l y s i so ft h e s ed a t a , t h ea f f e c t i o nr u l eo fg a i mb yg a sc h a n n e le q u i v a l e n t r a d i u s ，g a si n j e c t i o n p r e s s u r ea n dg a si n j e c t i o nt i m ew e r ec o n c l u d e d m o r e o v e r , w i mt h em a t h e m a t i c d e d u c t i o no ft h es i m u l a t i o ns e a i n gp a r a m e t e r sa n dr e s u l td a t a , t h ee x p r e s s i o n b e t w e e ng a sd e l a yt i m ea n dg a sc h a n n e ld i m e n s i o n s ；t h ef u n c t i o nb e t w e e ng a s i n j e c t i o np r e s s u r ea n dg a sd e l a yt i m ew i t i lg a sc h a n n e ld i m e n s i o n s ；a sa l s o t h e g a sp e n e 仃a t i o nl e n g t hf o r m u l aw i t hv a i l a b l e s o fg a sc h a n n e ld i m e n s i o n s ，g a s d e l a yt i m ew e r ed e r i v e d w i t ht h e s ee x p r e s s i o n s ，w ec a ne a s i l yf i g u r eo u tt h e o p t i m i z e dg a si n j e c t i o np a r a m e t e r sa n dp r e d i c tt h eg a sc h a n n e lp e n e t r a t i o nl e n g t h f i n a l l y , ac o u p l e o fv e i l f y e x p e r i m e n t s w e r ee x e c u t e da n dt h ea b o v e c o n c l u s i o n sw e r ep r o v e dt ob er e l a t i v e l yc o r r e c ta n dh e l p f u lf o rt h ed e s i g no f 0 a l m p r o c e s s k e yw o r d s ：g a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g ；c a e ；o p t i m i z a t i o n o fp r o c e s s p a r a m e t e r s 武汉理t 人学硕：i ：学位论文 第一章绪论 1 1 气体辅助注射成型简介“3 1 气体辅助注射成型( 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 ，简称“气 辅成型”) 是一种新型的塑料加工技术。2 0 世纪8 0 年代初，英国工程师从结 构发泡成型技术中衍生出最初的气辅成型技术，该技术在1 9 8 6 年的德国国际 塑料机械展览会上为业界所了解和认同。通过随后几年的发展和完善，气体 辅助注射成型技术逐渐成为一项实用的工艺，在2 0 世纪9 0 年代商业开发成 功。时至今日，气体辅助注射成型技术已在全球范围内得到广泛关注和普遍 应用。 典型气体辅助注射成型工艺包括如下几个阶段：熔体预注射阶段、气体 注射阶段和气体保压阶段。图l 一1 所示为典型气辅成型工艺流程。 图t l 气辅成型工艺周期 气体辅助注射成型技术与传统的注射成型技术相比，具有如下优点：( 1 ) 生产周期较短：气辅成型周期与普通注射成型周期相比，熔体注射时间、保 压补缩时间及冷却时间均有所减少。( 2 ) 模腔压力及锁模力减小：普通注射成 型工艺在注射时会产生较大的模腔压力及锁模力：采用气辅成型工艺时，可 使用较小的气体压力对制件各部位进行均匀保压，从而带来模腔压力和锁模 力的降低。( 3 ) 产品重量轻：充填于制件中的气体可以部分取代熔体，气体对 制件的均匀保压使制件壁厚得到良好的控制，因而气辅成型的原料消耗要比 普通注射成型少，一般可减少1 0 5 0 9 6 。( 4 ) 制件成型缺陷减少：由于气辅 成型的注射压力小且塑料熔体内部的气体各处等压，因此型腔压力分布比普 武汉理工a 学硕士学位论文 通注射成型均匀，保压冷却过程产生的残余应力较小，制件出模后的翘曲倾 向减小，成型质量提高。( 5 ) 材料适应性好：热塑性塑料、一般工程塑料、塑 料合金和其他用于注射成型的材料均可用于气辅成型。 气辅成型技术也存在一些缺陷，如：( 1 ) 设备投入加大：需要增加供气、 气体压力控制和气体回收装簧。( 2 ) 对注射机的控制精度要求提高：气辅成型 工艺的特点要求注射机具有较高的控制精度以适应对熔体预注射量和气体注 射的控制精度。( 3 ) 成型工艺控制难度增大：气辅成型工艺控制参数较多，参 数向的相互影响关系复杂，对成型工艺的控制精度要求提高。 1 2 选题依据和主要研究内容 1 2 1 气体辅助注射成型工艺的国内外研究现状h “ 气体辅助注射成型技术被认为是自发明往复式螺杆之后，塑料成型业的 第二次革命性成果。目前，这项技术已经广泛地应用在家电、家具、汽车、 办公用品、日用品以及玩具等诸多领域。但是，不论是气辅注射系统装置， 还是气辅成型应用技术，在世界范围内仍在不断发展和完善 气辅成型工艺 应用领域和新产品也在不断地得到延伸和开发。在欧美国家，尤其是德国、 英国和美国都拥有专业的气辅注射成型设备公司。这些公司既可以对传统注 射成型设备进行改造以适应气辅成型工艺的要求。又能够直接提供专用的气 辅成型设备；而且，有些公司推出的产品可以对气体的注射及保压进行实时 监测并给予精确地控制。 我国的相关部门和企业也一直密切地关注着气辅成型技术的发展。自中 国科学院化学研究所工程塑料国家工程研究中心1 9 9 5 年初率先引进了英国 c i n p r e sg a si n j e c t i o nl t d 的全套气辅设备用于塑料家具加工以来，气辅注射 成型技术的应用已有很大发展。长虹、康佳、海信等著名家电生产企业均已 引进气辅成型设备进行大屏幕电视机外壳等产品的生产t 一些汽车生产企业 也开始采用这种技术生产汽车洼塑件或直接进口国外的气辅成型零件：在家 具及日用品的生产中，众多企业也开始应用气辅成型技术进行产品生产。 武汉理工大学硕士学位论文 在气体辅助注射成型的数值模拟方面，国内外都进行了较为深入地研究， 取得了阶段性的成果，并应用到实践之中。在气辅成型c a e 软件的开发方面， 国外如：美国m o l d f l o w 公司的m o l d f l o w g a s ，国内如：华中科技大学的 h s c a e3 d r f5 0 等软件都已商品化，能对整个成型过程进行比较准确地模 拟和预测，在实际生产中发挥了良好的指导作用，并产生了预期的经济效益。 当前，对于气辅成型这种方兴未艾的塑料加工工艺，仍需进一步研究其 工艺原理，探寻更多的适合于气辅成型的原料：更深层次地了解熔体和气体 在型腔中的流动规律及相互作用情况；开发出对成型控制更加耪确，工艺更 灵活的气辅成型设备等。此外，在现有的气辅成型c a e 软件的基础上，如何 更好地利用它为生产实践服务，也是值得探索的问题。 1 2 2 气体辅助注射成型工艺存在的问题 近2 0 年的实践证明，气辅成型是一项较为成熟可靠的技术，它为塑料加 工业注入了新的活力。 目前，从国内外的气辅成型技术应用情况来看，存在的主要问题是：气 辅制件及模具的设计无太多经验可循，毕竟气辅成型技术从实用到今天不过 1 0 多年的时间；成型工艺控制参数较多，工艺过程控制的难度较大，各种工 艺参数对成型的影响还停留在定性分析上，鲜见定量的研究成果。 在计算机软硬件技术高速发展的今天。c a e 技术已得到业界的认同。在 拥有c a e 技术的基础上，如何将这种技术更加有效地应用于实践中、指导实 际生产，也是当前亟待解决的问题。如果能通过对气辅成型的计算机模拟， 了解各种工艺参数对成型的影响规律、获得工艺参数的匹配设置。就能借此 达到对气辅成型工艺进行优化的目的。 在气辅产品及模具的设计和生产过程中，借助c a e 技术的分析和模拟， 采用经过优化的工艺参数，我们就能够最大限度地降低风险、提高效率、节 约成本，得到结构合理的模具、设置优化的工艺参数和高质量的成型零件。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 本文的主要研究内容 针对上述气体辅助注射成型技术所存在的不足，本文拟展开下述研究工 作。 分析目前文献资料及实际生产中的、关于气体辅助注射成型产品及模具 的设计经验，归纳总结出气体辅助注射成型的产品壁厚及结构、气道尺寸及 结构和成型模具的设计准则。 通过建立具有不同气道结构尺寸的典型气辅成型制件的c a d 模型，采用 目前较为成熟的塑料注射成型c a e 软件对这些模型的气辅成型工艺过程进行 计算机模拟试验。完成模拟试验之后，通过对模拟结果数据的综合分析归 纳出气体在上述典型气辅制件模型中的穿透规律及气体注射参数对产品最终 成型质量的影响规律。最后，从模拟试验数据中提取相应的工艺参数设置及 成型质量衡量数据，并结合气道结构尺寸数据，运用数理统计方法对这些数 据进行数学分析处理，获得气体注射控制参数、气道结构尺寸及气体穿透距 离之间的函数关系，从而提出对实际生产具有一定意义的经验公式。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章气体辅助注射成型技术 2 1 气体辅助注射成型的特性 与普通注塑成型相比，气体辅助注射成型工艺具有诸多的“特色”。在气 辅成型工艺过程、气辅成型技术应用及其成型产品等方面，该技术都存在与 普通注射成型技术不同的特点。 2 1 1 气体辅助注射成型工艺的分类1 气体辅助注射成型技术，根据工艺特性的不同，可以分为标准成型法、 溢料成型法、熔体回流法和活动型芯法。 1 、标准成型法 标准成型法是最为普通和应用最为广泛的气辅成型工艺。其工艺过程包 括熔体注射、时间延迟和气体注射保压。气体被注射到成型制件的封闭型腔 中，穿透气道、成型出制件。 图2 1 标准成型法示意图 2 、溢料成型法 溢料成型法与标准成型法的区别在于：除了成型制件的主模腔之外，还 包含一个容纳多余熔体的溢料腔。在熔体开始注射时，关闭主模腔与溢料腔 之间的料流通道；待主模腔充填完全、开始注入气体时，打开料流通道，使 气体穿透所推排出来的多余熔体进入溢料腔；当气体注射完成后，关闭该料 武汉理工大学硕i ：学位论文 图2 2 溢料成型法示意图 3 、熔体回流法 这种工艺方法也是在气体的穿透作用下，使预注射入模腔的部分熔体流 出型腔。与溢料成型法不同，气体穿透所推排出的熔体重新回流到注射机， 可直接使用到下一次的制件成型中。 图2 3 熔体回流法示意图 4 、活动型芯法 顾名思义，这种方法在模具型腔中、对应于气体穿透的位置设置一个可 活动的型芯。在熔体注射之前，型芯处在伸入模腔最长的位置；待熔体充满 型腔、气体开始注射时，随着气体的注入，活动型芯向模外运动，由气体的 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。 武汉理工人学硕。l ：学位论文 图2 4 活动型芯法示意图 上面所述的四种气辅成型工艺方法中，后面三种在气体穿透形成气道方 面具有一定优势。通过熔体向型腔外流动或者活动型芯的运动，气体穿透制 件时所受到的阻力较小、穿透较为彻底，气体更容易按照设计人员的意愿对 制件进行穿透，气体的保压和补缩作用也可以得到较好地体现。但是，这三 种方法在设备成本、复杂性和工艺控制上具有更高的要求， 除上述分类方式之外，气辅成型工艺按照塑料熔体预注射体积的比例， 可分为满射成型( f u i ls h o t ) 和短射成型( s h o r ts h o t ) 。满射成型，熔体的 预注射量为制件体积的1 0 0 ：短射成型，熔体的预注射量小于制件体积的 l o ( ) 9 6 。 2 1 2 气体辅助注射成型工艺过程的特点“1 根据成型阶段的差异，气辅成型工艺过程可分为三个阶段：熔体预注射 阶段、气体注射阶段和气体保压阶段。 熔体预注射阶段t 由注塑机将塑料熔体经由浇注系统注入型腔。与普通 注塑成型工艺不同的是，气辅注射成型工艺在熔体注射阶段并没有将型腔完 全充满，而是只让熔体部分充满型腔，这就是“预注射”。 气体注射阶段：模具型腔在塑料熔体预注射之后停止熔体的注入，由 特定的注气设备和结构，采用高压惰性气体来穿透熔体，推动熔体充填模腔 的剩余部分。 气体保压阶段：待气体推动熔体充满型腔后保持气体的压力，由气体 武汉理工大学硕士学位论文 的压力来对制件进行保压，直至达到脱模条件。 从生产周期上看，具体的工艺步骤循环为：熔体预注射一时间延迟一气 体注射一气体保压一气体回收一开模取仲。 时间延迟：从熔体注射过渡到气体注射必然存在一个延迟时间，气辅成 型工艺步骤中的时问延迟不仅仅表明了时间的切换，该时间的设定也会影响 到后续的气体注射过程。 气体回收：在成型状态达到脱模要求时，由特定设备对制件中压力达到 回收压力的气体进行回收再利用。 l 、气体穿透熔体的过程7 8 1 气体在熔体中的穿透过程遵循阻力最小原则，即：气体沿着熔体中阻力 最小的方向穿透，或者说，沿着压力梯度( 减小) 最大的方向穿透。气体穿 透熔体的优劣程度是以气体是否穿透预设的气道而定的。气体穿透气道的距 离越长，则气体穿透效果越好，气体在制件成型中起到的作用越明显。 图2 5 气体穿透熔体示意图 图2 5 所示为气体在熔体中穿透的状况。模具型腔中的塑料熔体，在贴 近模壁的位置热量损失最快，温度下降最快，预先凝固；而在型腔中心位置， 熔体中存在剪切流动，且熔体的热量损失较慢，熔体仍然处于熔融状态。在 垂直于模腔表面的方向上，越靠近模具中心，熔体流动性越好，气体穿透的 阻力越小。这种特性，保证了气体在制件中心穿透，而不易穿透到制件其他 壁厚。 8 一 武汉理1 ：大学硕士学位论文 气体在制件中心向着熔体前沿方向穿透推动气熔界面前方的熔体继续 充模( 短射成型) 、或者压实熔体( 满射成型) 。在短射成型中随着气体推 动熔体充模气熔界面不断向前推进，气熔界面与熔体前沿之间的距离不 断缩短，直到熔体到达制件末端，制件被完全充填。 熔体完全充填型腔后，进入气体保压阶段。塑料熔体在冷却过程中会产 生体积收缩。在普通注塑成型中，塑料的保压补缩由注射机提供具有一定压 力的熔体来完成。在气辅成型工艺中，塑料的保压补缩由气体来完成：熔体 冷却收缩时，具有一定压力的气体来补充熔体收缩时所产生的空隙，并压迫 熔体使之紧贴模腔以成型其外形。此阶段的气体穿透称为“二次穿透”。 气体穿透熔体时产生的气道是不规则的。当气辅成型制件的气体穿透截 面为正方形或圆形时，气道截面轮廓接近圆形：当气体穿透截面为其他形状 时，气道截面轮廓圆滑过渡并趋向于该截面轮廓。 2 、气体注入控制方式 目前，气体注入模腔的控制方式主要是体积控制和压力控制方式。 体积控制方式：将一定体积和压力的气体注入制件中，推动熔体继续充 填型腔。在整个气体的注射和保压过程中，注入模具型腔的气体体积是一定 的。这种气体注入控制方式存在一个缺点：当气体推动熔体充模时，随着温 度的降低，气体压力逐渐减小。无法准确地控制气体的穿透和保压。 压力控制方式：在气体推动熔体充模时，保持气体的压力恒定或采用分 段压力控制。与体积控制方式相比，这种方式对气体的压力可以精确控制， 无论是分段压力注入还是恒定压力注入，气体的穿透和保压都能得到较好的 控制。 2 1 3 气体辅助注射成型技术应用的特点【1 ，9 ，l o 】 气辅成型技术自2 0 世纪9 0 年代得到广泛关注以来，在日用品、家电、 i t 产品及汽车零部件等领域得到广泛应用，气辅成型技术的优越性也得到了 实践地检验。任何生产技术的应用都存在其两面性，有优点的同时，也必然 存在不足之处。下面将分优点和缺点两部分进行具体阐述。 一9 一 武汉理工太学硕上学位论文 表2 1 气体辅助注射成型工艺优缺点对照表 优点缺点 成型周期短，生产效率高生产设备投入增大 工 艺 对设备力能要求降低对设备控制精度要求提高 方 原料成本降低生产工艺控制复杂 面 材料适应性好 产品质量轻 产品成型质量不易保证 产 品 产品缺陷减少 方 产品性能提高 面 产品一体化设计 2 1 3 1 气辅成型技术的优点 下面将从工艺和产品两方面阐述气辅成型工艺的优点。 1 、工艺方面 成型周期短，生产效率高：由于熔体预注射时不需完全充满型腔，使得 熔体充模时间缩短；气体对熔体的穿透使制件壁厚减小，从而制件的保压及 冷却时间缩短，产品的整个成型周期缩短，生产率提高。 对设备力能要求降低：气辅成型采用气体保压，而气体保压所需的压力 较普通注塑成型低，设备所需的锁模力相应降低；另外，在短射成型时，熔 体的注射量降低，对设备的注射量要求也相应降低。 原料成本降低：在采用短射成型时，熔体的注射量小于制件体积、气体 穿透制件的部分内部空间，相应所需的塑料原料减少，使得原料成本降低。 材料适应性好：气辅成型可广泛使用普通注射成型原材料。对于一般的 热塑性塑料、工程塑料及其合金等注射成型原料都可使用。 2 、产品方面 产品质量轻：由于气体穿透制件内部，使得塑料用量降低，产品的质量 得以减轻。 1 0 武汉理t 大学硕j ：学位论文 产品缺陷减少：气辅成型工艺通过气体的压力对制件各个部分进行保压 和补缩。由于气体内部各处压力是相等的，制件各部分能得到均匀地保压 故制件各部分收缩较为均匀、翘曲大为减小，制件的凹痕缺陷也得到较好地 控制，制品终成型质量较好。 产品性能提高：制件中的气道起到加强筋的作用，提高制件的截面惯性 矩，从而使制件的刚度和强度得到增强，制件的性能得到提高。 产品一体化设计：在传统注塑成型中，对于壁厚差异较大的制件，其成 型是较为困难的，产品成型质量也较差。为获得成型质量较好的产品，不得 不将这类制件按照壁厚的不同进行单独设计与成型。而采用气辅成型之后， 制件厚壁部分可作为气道为气体所穿透，使得制件的保压补缩更为均匀，产 品质量得到保证。气辅成型技术的应用，使产品设计的自由度更大，不同壁 厚部分可以一体化设计、一体成型，大大简化了产品的生产。 2 1 3 2 气辅成型技术的缺陷 气辅成型技术在具有众多优点的同时，不可避免地存在一些缺陷。下面 也将分两个方面进行叙述。 1 、工艺方面 工艺控制复杂：气辅成型的控制参数较普通注塑成型更多，这就为工艺 的控制带来了更大的难度。气辅成型工艺控制的复杂性就在于需要协调众多 成型影响参数，使这些参数的组合达到相对最优状态，成型出的产品质量才 能得到保证。 设备投入增大：与普通注射成型工艺相比，气辅成型工艺中增加了气体 发生装置、气体控制单元和气体回收装置，因而，设备成本投入增大。 对设备控制精度要求提高：气辅成型技术，不但成型工艺较为复杂，而 且对成型参数的控制要求更为严格。生产中的成型参数是否能按照工程师的 意愿进行精确控制，将直接影响产品的成型质量。只有设备在参数的控制上 达到较高的精度，才有可能成型出品质优良的产品。 2 、产品方面 武汉理工大学硕士学位论文 产品成型质量不易保i i e ：虽然，应用气辅成型工艺可以获得成型质量优 良的产品，但是，由于工艺控制方面的复杂性和高精度性，产品的成型质量 不易保证。只有在产品设计、原材料选择、模具设计和工艺控制方面都进行 合理的设计与优化后。产品的质量才能得到保证。 综上所述，气辘成型工艺的成功应用依赖于多方面的优化设定和协调。 工程实践人员的任务在于充分发挥气辅工艺优越性的同时，努力降低生产的 风险、保证工艺的可靠性和重复实现性，运用先进的生产和管理技术逐步 积累经验，开拓创新，不断发展和完善气辅成型工艺，使之在更广泛的领域 得到运用。 2 。2 气辅注射成型装置及设备1 1 - 1 3 1 这里所提及的气体辅助成型装置及设备特指与气体直接相关韵装置及设 备，不包括注射机和模具等设备工装。 图2 6 气辅成型设备系统图 气辅注射成型通常采用的气体是氮气，如果对成型要求不高，也可以使 用压缩空气替代。氮气来源广泛，可以从大气中提取，成本低廉；同时，氮 气还是一种惰性气体，在成型过程中，不会与塑料发生化学反应，保证了产 品的成型质量。 武汉理工大学硕l 学位论文 l 、气体产生设备 气体产生设备的功能是为气辅工艺提供充足的、具有一定压力和纯度的 气体介质。 对于压缩空气来说，其产生设备是空气压缩机。当所需的注气压力较小 时可以采用压缩空气作为气源。压缩空气在使用前需采取必要的过滤和干 燥措施，以免空气中的杂质和腐蚀性成分对注气设备和产品带来负面影响。 对于氮气而言，根据氮气消耗薰的不同，可采用不同的氮气产生设备。 氮气消耗量小时，可以氮气瓶作为气源：当氮气消耗量较大时，可以液态氮 作为气源；当氦气消耗量很大时，一般采用氮气发生器作为气源。 2 、气体控制设备 本文所定义的气体控制设备包括气体存储单元、气体压力产生和控制单 元以及各种气体管道。气体控制设备的功能是将气体产生设备所产生的气体 介质提高到工艺所需的压力，并精确地控制气体的注入过程。 以气体注射压力控制法所需的设备为例，一套气体控制设备包括：低压 氮气储存罐、氮气压缩机、高压氮气储存罐、各种压力控制阀和高压管路等 元器件。氮气发生器产生的低压氮气储存于低压氮气储存罐中，这些低压氮 气经由氮气压缩机后，压力增大并储存在高压储气罐中；当注气信号触发后， 在一系列压力控制阀的作用下，氮气按照工艺设定的压力和时间开始向气体 注入装置供气。 3 、气体注入装置 气体注入装置的功能是将气体控制设备所提供的气体介质注入模具，并 防止塑料熔体进入到气路中。 气体注入装置根据气体进入模具位置的不同，可分为两类：其一，主流 道喷嘴；其二，气针。主流道喷嘴，这种注气装置同时具有注入熔体和注入 气体的功能。当熔体注射结束后，喷嘴中的切换机构在气体压力的作用下关 闭熔体通道、打开气体通道，使高压气体进入模腔。气针，这种注气装置可 以安装在与气道相应的模具位簧上，在气体控制设备的作用下向制件的气道 中注入气体。 4 、气体回收装置 武汉理工人学硕 ：学位论文 气体回收装置的作用是将制件中具有一定压力的氮气回收再利用。气体 回收装置由排气针、管路和低压储气罐组成。通常，压力不低于3 m p a 的氮气 可以经由排气针从模其中回收进入储气罐以备再次利用。 以上就是气体辅助注射成型装置及设备的概况。一套优质的气辅设备应 该能为气体的辅助成型提供充足的气源、准确的压力和精准的控制，只有满 足这些要求气辅成型工艺才能充分发挥其优越性。 2 3 气体辅助注射成型制件 气体辅助注射成型技术的应用对于制件来说，主要有两个目标：减轻制 件的重量和提高产品的成型质量。目前，气辅成型工艺在许多产品中都得到 了广泛地应用，比如：家具、办公用品、家电、移动通讯、汽车零部件等。 2 3 1 气辅制件常用材料l z , 1 4 埔】 在气体辅助注射成型工艺中，聚合物材料的特性会影响到制件的壁厚、 表面缺陷、气道壁厚等产品参数。所以，材料的选择对工艺过程的控制难度 和产品的成型质量都有直接关系。 气辅成型工艺的材料适应性较好，一般的热塑性塑料、工程塑料及其合 金都可以作为该工艺的成型材料；而热同性塑料是不适合的。 在热塑性塑料中，p ：a 和p b t 具有优良的结晶稳定性，非常适合于气辅 成型：p a 6 、p a 6 6 和p p 也是气辅成型的常用材料。无定形的p s 、a b s 、 p c p c a b s 、p c p b t 、p m m a 、p p e 和部分结晶型的p e 、p p 、p p e p d m 、 p a 6 、p a 6 6 、p o m 、p b t 、p e t 、p p s 等材料均可用于气辅成型。 2 3 2 气辅注射成型制件的分判1 】 气辅注射成型制件根据其截面的几何特征，可分为如下三类： 1 、管棒状制件和厚壁制件 此类制件的截面厚度尺寸较大，气体穿透相对比较容易。对于此类制件， 当采用普通注射成型工艺时，由于其截面尺寸较大，制件容易产生缩痕，材 丛坚型上查堂堡：! ：堂垡堡塞 料消耗也较大。采用气辅成型工艺时，由气体穿透制件芯部，部分取代熔体 充填模腔。气体的充填可咀大幅减小材料的消耗，节约成本：同时。气体的 均匀保压补缩，保证制件的缩痕缺陷得到最大程度地减小。 2 、偏壁类制件 此类制件的截面尺寸不均匀，壁厚差异较大。对于此类制件，若采用普 通注塑成型工艺，则制件上厚壁和薄壁部分在保压补缩过程中无法达到相同 的保压条件，厚壁部分容易产生较大的缩痕，薄壁部分由于收缩不均会造成 制件翘曲。采用气辅成型工艺之后，壁厚较大部分由气体穿透。这样一来， 厚壁部分的补缩就比较均匀，制件表面缩痕大幅减小；薄壁部分的保压条件 得到改善，其收缩更为均匀，翘曲的缺陷也得到减小。 3 、平板类制件 此类制件的截面厚度尺寸较小，具有较大面积的平板结构。对于此类制 件，由于平板部分尺寸较大，壁厚较薄，采用普通注塑成型工艺时，制件保 压比较困难，需要较大的锁模力，成型产品翘曲比较严重。采用气辅成型工 艺之后，通过气体对平板部分气道的穿透，使气体压力对其进行较为均匀的 保压，制件各部分收缩较为一致，成型的翘曲缺陷可得到较大地改善，需要 的锁模力也大幅降低。 表2 2 气辅成型制件分类及实例 制件类型产品举例 各种管件、把手及扶手、汽车方向盘 管棒状制件和厚壁制件 等 家电产品的外壳、汽车仪表板、车门 偏壁类制件 内饰板等 家具面板、复印机外壳、笔记本电脑 平板类制件 面板等 武汉理t 人学硕l 学位论文 2 4 辅助成型技术的最新进展 1 7 , 1 9 1 近年来，气体辅助注射成型技术在得到越来越广泛应用的同时，在其基 础上，还发展出几种新兴的气体辅助成型工艺。不仅如此，在辅助成型介质 方面，业界己开发出采用水介质进行产品的辅助注射成型，改变了只能采用 单一的气体介质作为辅助成型介质的局面。 2 4 1 表面气体注射成型 表面气体注射成型( e x t e r n a lg a s a s s i s t e dm a n u f a c t u r i n g ) 工艺，又称为 “外部气体辅助注射成型”。这种成型技术主要用于保证制件具有优良的表面 质量。 工艺发展简史：此项成型工艺于1 9 9 7 年为公众所知。目前，主要有德国、 英国和日本的几家公司掌握和拥有该项技术的专利。 工艺原理：当模具型腔注满塑料熔体( 满射) 之后，将气体注入到制件 背面的、具有封闭结构( 制件筋板所围成) 的位置；通过气体的压力使制件 正面( 表面质量要求高的一面) 紧贴模壁，得到均匀良好地保压，从而获得 优良的表面品质，消除缩痕对产品外观的影响。 工艺特点：采用这种工艺，要求制件相应部位具有封闭结构，保证气体 对该部位的保压作用。在制件的保压方式上，可以只采用气体保压，也可以 先采用注射机保压，继而使用气体保压。 l 、有效地消除了制件重要表面的缩痕缺陷，获得表面光洁平整的产品，从而 无需进行表面喷漆处理。 2 、只需对制件重要部位进行注气保压，气体注射压力利用率高，有效降低了 模腔的气道压力，降低了能源消耗。 3 、材料适应性好适用于所有热塑性塑料。 应用的产品：此项工艺主要应用在具有较大平面结构或对成型表面质量 要求很高的产品。 目前，此项工艺已经应用予复印机外壳、电脑显示器外壳等办公设备和 冰箱盖等家电产品以及汽车内外饰件等产品的成型中。 武汉理工大学硕l ：学位论文 2 4 2 气体辅助冷却工艺 气体辅助冷却工艺( g a sc 0 0 1 ) 是新近出现的气辅工艺，创始于欧美， 在汽车内饰件的成型中已有成功的应用案例。 工艺原理：这种成型工艺与p e p 工艺较为相似，唯一的区别在于：气体 完成对制件的穿透之后，从气体注入口向气道中注入低温氮气；同时，将次 级溢料腔处的排气口打开，使冷却的氮气由排气口排出，形成流动状态。低 温氮气的温度可达到2 5 c ，有利于最大限度地带走塑料中的热量。 工艺特点： 1 、冷却的氮气能够更快地降低制件的温度，大大缩短了产品的成型周期； 2 、制件在冷却氮气的作用下，内部分子结构更为均匀有序，改普了产品的尺 寸稳定性，提高了产品内表面质量； 3 、冷却氮气的使用，增加了氮气的使用量，提高了成本； 4 、氮气的冷却需要额外的设备来保证，设备投资成本提高： 5 、为了使氮气达到流动状态，需要在次级溢料腔中设置氮气出口，模具成本 提高： 6 、适用于所有塑料材料。 应用的产品：目前的应用情况表明，此项工艺适用于包括p p 在内的大 多数热塑性塑料。主要应用产品为截面较厚的管状产品以及截面壁厚不均匀 的汽车车门内饰板等产品。 2 4 3 水辅助注塑成型 水辅助注塑成型工艺( w a m ，w a t e r a s s i s t e dm a n u f a c t u r i n g ) 属于液体辅 助注塑成型工艺的范畴。液体辅助注射成型的思想在2 0 世纪7 0 年代就被提 出，这种成型工艺采用液氮、酒精等易挥发液体或水注入制件芯部，在穿透 熔体形成液体通道的同时，吸收熔体热量、成型产品。 工艺发展简史：最早进行水辅成型工艺研究的是德国的塑料工艺研究所。 该所在1 9 9 8 年就对此工艺进行了较为深入地研究。其后，德国和英国等国的 不同公司也对该工艺进行了进一步地探索，并使该工艺逐步发展成熟 武汉理工大学硬i ：学位论文 工艺原理：此工艺在原理上与气体辅助注射成型工艺相似。首先是塑料 熔体的满射注入；然后打开模腔中的进水阀门，向制件中注入水介质，在水 介质的压力推动下，部分熔体通过溢料流道流入次级溢料腔；随着水介质穿 透进程的深入，水流通过次级溢料腔的出水口流出模腔，形成流动通路。水 在熔体中的穿透过程，同时也是其对制件的保压和冷却过程。 工艺特点：水介质在水辅成型工艺中起到保压和冷却的双重作用。其中， 水介质的冷却作用更为突出，使得与水接触的熔体粘度显著提高，形成更薄 的凝固层。由此，水可以推动更多的熔体前行，获得更小、更均匀的壁厚， 更光滑的制件内壁和更优良的分予结构。 1 、水介质具有良好的热传导作用，使成型周期大为缩短： 2 、产品内表面质量得到改善，壁厚更薄、更均匀一致，产品质量减轻： 3 、材料适应性好，适用于大多数热塑性塑料； 4 、设备成本较高，需增加高压水的存储、注射和回收装置； 5 、水介质的排出较繁琐，需通过压缩空气排出制件中的水分或通过注入发泡 剂来达到目的： 6 、工艺控制要求严格，须对模具进行严格地密封防止水泄漏。 应用的产品：水辅注射成型适合于截面尺寸较大的空心制件，不适合于 壁厚不均的产品。对于采用气体辅助注射成型、而生产效率达不到要求的制 件，可以考虑采用水辅成型技术，以大幅提高其生产率。 在实际生产中，截面直径较大的管件，汽车门把手、扶手及门柱。高尔 夫球棒等产品已经成功的采用了水辅注射成型工艺，并取得了客观的经济效 益。 以上介绍了气体辅助注射成型技术的特点、成型装置、气辅产品及辅助 注射成型技术的最新进展。由上述分析可知，气辅成型技术较普通注射成型 技术更为复杂，但是，运用这种技术可以很好地解决普通注射成型产品的翘 曲、缩痕等成型缺陷，使产品具有优良的成型质量。 武汉理工大学硕二 ：学位论文 第三章气体辅助注射成型的c a e 技术 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 ) 是指工程设计中的分析计算与模拟仿 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 学仿真等方面内容。c a e 技术的出现是伴随着数学方法、计算机软硬件技术 的不断发展与进步而来的。在上个世纪7 0 年代，c a e 技术丌始出现；到了8 0 年代中期，c a e 技术已发展出商品化的通用和专用软件产品。 气体辅助注射成型c a e 技术是针对气辅成型工艺的一种c a e 技术。这种 技术可以对气辅成型过程进行计算机模拟分析，预测气辅产品在设定条件下 的成型过程及品质。工程技术人员可以设定不同的材料及成型条件来模拟具 体的成型案例。进而通过对计算机模拟结果的分析找出产品设计、模具设计、 成型材料选择及成型工艺参数设置等方面可能存在的问题，优化气辅成型工 艺。 气体辅助注射成型较之普通注射成型而言，工艺控制参数更多、产品成 型质量更难掌控气辅成型实际生产经验的积累也是比较有限。因此，气辅 成型的生产风险问题就显得更为突出。如何有效地降低生产的风险、获得成 型质量优良的产品，这就成为了当前亟待解决的问题。如果在气辅注射成型 的实践过程中，运用c a e 技术对产品的材料、结构、性能、成型过程等方面 进行分析模拟，就能及时地发现产品结构及尺寸设计、成型材料选择和成型 工艺参数设置中可能出现的问题。方便工程技术人员做出相应地修改和调整。 c a e 技术运用的目的就是要在实际生产制造之前，尽可能地发现问题并解决 问题。 3 1 气体辅助注射成型的数学模型 国内外在气体辅助注射成型的数值模拟方面已进行了比较系统地研究， 并获得了阶段性的成果；气辅注射成型的数值模拟也开始逐步由理论走向实 用。在本节中，将介绍国内外气辅成型数学模型建立方面的一些成果。 一1 9 武汉理工人学硕士学位论文 3 1 1 熔体预注射的数学模型w 9 , 2 0 气辅注射成型工艺的第一阶段为熔体预注射。这一阶段的熔体流动数学 模型与普通注射成型是一样的，所以，我们可以借鉴普通注射成型的熔体流 动模型来描述气辅的熔体预注射过程。 1 、假设与简化 基于制件的结构特性：其厚度方向的尺寸远小于其他两个方向的尺寸， 熔体的流动被认为是非牛顿、非弹性流体在非等温状态下的广义i l e t e s h a w 流动。在此基础上，将熔体流动过程进行如下简化： 由于制伴壁厚尺寸远小于其他两个方向的尺寸，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； 假定熔体为不可压缩流体： 熔体在充模过程中粘性较大，忽略其惯性力和质量力的影响； 在熔体流动方向上( x 和y 方向上) 的热传导可忽略。 2 、烙体流动的控制方程 熔体粘度模型采用修正的c r o s s 粘度模型： ，7 ，r ) ：磐 ( 3 一1 ) 1 + f _ r o r1 r 其中，r i 为剪切粘度，为切变速率，t 为熔体温度。p 为熔体压力r 。 为零剪切粘度，r l 为幂律指数，r 为由牛顿粘度过渡到幂律粘度时的剪切应 力水平。 根据上述假设与简化，熔体预注射流动过程的控制方程为： 丢( 刁老) 一芸= 。 q ， 昙( 玎静雾一o 一。， 武汉理工大学珂i 士学位论文 旱( 6 历) 4 - 导( 6 歹) ：0 1 0 054 4 86 ，2 2831 0 1 0 022 4 06 4 1 0 1 38 561 0 1 0 0l2 3 96 5 4981 01 0 0l1 8 78 0 5l o31 07 011 0 49 4 144l o5 555 。9 29 。9 266 2 0 1 0 024 9 11 5 0 1 0 2 3762 09 8l4 0 51 9 7 471 02 09 514 2 82 0 o 583l o8 713 4 69 9 武汉理工大学硕士学位论文 试验编号t d p gt e d d f ig a s v k l2 41 07 02 5 。9 39 6 2442 08 5 36 7 11 9 ，6 1 0 3 34 542 08 726 6 6 1 9 ，3 4582 08 515 8 7 1 9 0 5831 06 0l 4 4 39 1 l431 52 5 05 4 4 31 0 6 2831 51 6 421 4 41 0 1 2 0 138 52 01 52 5 022 2 98 2 492 51 02 4 421 7 59 5 59 53 01 02 3 6