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青岛科技大学研究生学位论文 受力塑件及注塑模的设计与有限元软件应用 摘要 随着工程塑料研究的成熟，以塑代钢就成为现实。工程塑料越来越多地用于 制造机械零件，这是因为相比较于金属器件，工程塑料具有制造成本低、自身重 量轻、容易润滑、噪音低、耐腐蚀、化学性质稳定、制造工艺简单、加工设计灵 活等优点。但是机械零件的工作环境往往需要传递动力或者传递运动，所以在此 成这类制品为受力塑件。塑料齿轮作为典型的受力塑件，理所当然成为广大科研 人员的研究对象。目前已经有人针对注塑成型过程中形成的熔接痕、气穴、翘曲 变形等因素对塑料齿轮的服役寿命的影响作出了研究，但是对于广泛认为对受力 塑件影响最为重要的残余应力所做的研究却甚少。已有的研究也是在理论上分析 残余应力的产生机理或者如何通过传统的手段降低制品的残余应力，对于注塑成 型过程中的诸多工艺参数的研究却很少，本课题的提出就是基于这一研究现状。 在本课题中，笔者主要是根据c a d c a e 技术，针对如何降低塑料齿轮的残 余应力进行注塑工艺参数的优化研究，进而为优化模具提供浇注系统及冷却系统 尺寸。本文所做的主要工作如下所述： ( 1 ) 通过阅读相关文献资料，根据残余应力产生的机理，初步分析出影响 残余应力的诸多因素。 ( 2 ) 根据高分子流变学基本理论及合理的假设和简化，建立塑料齿轮注塑 成型充填过程、保压过程、冷却过程的数学模型，采用有限元有限差分方法、控 制体积法等对建立的数学模型进行求解。 ( 3 ) 应用u g 建立塑料齿轮的有限元模型，通过a n s y s 有限元软件对塑料齿 轮的接触应力做出模拟，分析出塑料齿轮在工作过程中应力分布范围。 ( 4 ) 通过m o l d f l o w 模流分析软件，首先在浇注系统、注塑成型工艺参数单 因素及冷却系统对于残余应力的影响角度出发进行研究，总结各因素对于残余应 力的影响程度及规律。最后将对残余应力影响明显的六个因素作为研究对象通过 正交实验进行分析，找出最优的工艺参数组合。 ( 5 ) 根据优化的工艺参数中确定的浇注系统及冷却系统，应用u g 中的m o l d w i z a r d 模块进行模具结构仿真设计；再通过a n s y s 有限元软件对模具的凸模板及 凹模板进行有限元分析，校核设计的合理性。 受力塑件及注塑模的设计与有限元软件应用 关键词：工程塑料受力塑件注塑成型模具c a d c a e 有限元分析 w e i g h t e dp l a s t i cp a r t sa n di n j e c t i o nm o l d d e s i g na n df n 蛆t ee l e n ts o f t w a r e a p p l i c a t i o n s a bs t r a c t w i t he n g i n e e r i n gp l a s t i cm a t u r er e s e a r c h ，p l a s t i cs t r i pw i l lb e c o m ear e a l i t y e n g i n e e r i n gp l a s t i ci sm o r ea n dm o r eu s e di nt h em a n u f a c t u r i n go fm a c h i n e r yp a r t s ， t h i si sb e c a u s ei nc o m p a r i s o nt o t h em e t a l c o m p o n e n t s ，w i t hm a n u f a c t u r i n g e n g i n e e r i n gp l a s t i c ，l o w e rc o s t ，a n dt h e i ro w nl i g h tw e i g h t ，e a s yt o l u b r i c a t i o n ，l o w n o i s e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，c h e m i c a ls t a b i l i t y ，m a n u f a c t u r i n gp r o c e s ss i m p l e ，f l e x i b l e p r o c e s s i n gd e s i g n ，e t c t h em e c h a n i c a lp a r t sw o r k e n v i r o n m e n to t t e nn e e d st ot r a n s f e r p o w e r o rt r a n s f e rm o v e m e n t a sat y p i c a lp l a s t i cg e a r s ，o fc o u r s et ob e c o m eb r o a d s c i e n t i f i cr e s e a r c hp e r s o n n e lo b j e c to fs t u d y i th a sb e e nf o ri n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s o ft h ef o r m a t i o no ft h ew e l d i n gs c a r ，a i r - p o c k e t ，w a r p i n gd e f o r m a t i o no ff a c t o r ss u c h a sp l a s t i cg e a r ss e r v i c el i f eo ft h ei n f l u e n c eo ft h er e s e a r c ht om a k e ，b u tt ow i d e l y b e l i e v e dt h a tb yp l a s t i cg e a r st oi n f l u e n c et h er e s i d u a ls t r e s s e so ft h em o s ti m p o r t a n t r e s e a r c hb u tv e r yl i t t l e o ft h ee x i s t i n gr e s e a r c hi si nt h e o r e t i c a la n a l y s i so f t h er e s i d u a l s t r e s sm e c h a n i s mi sp r o d u c e db yt r a d i t i o n a lm e a n so rh o wt or e d u c et h ep r o d u c t so f t h er e s i d u a ls t r e s s ，f o ri n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s so fm a n y o ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r sl s l i t t l er e s e a r c h 。t h i st o p i ci sp u tf o r w a r db a s e do nt h er e s e a r c hs i t u a t i o n i nt h i st o p i c ，t h ea u t h o rm a i n l ya c c o r d i n gt oc a d c a et e c h n o l o g y ，i nv i e wo f h o wt or e d u c et h ep l a s t i cg e a r sr e s i d u a ls t r e s si ni n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sp a r a e e r s o p t i m i z a t i o no f t h es t u d y ，w h i c hp r o v i d ef o ro p t i m i z i n gm o l dc a s t i n gs y s t e ma n dc o o l s y s t e ms i z e t h i sp a p e r m a i nw o r ka sd e s c r i b e db e l o w ： ( 1 ) t h r o u g hr e a d i n g l i t e r a t u r em a t e r i a l ，a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t i o nm e c h a n i s mo f r e s i d u a ls t r e s s ，p r e l i m i n a r ya n a l y s i st h ee f f e c to ft h er e s i d u a ls t r e s sm a n yf a c t o r s ( 2 ) a c c o r d i n g t ot h eb a s i ct h e o r yo fp o l y m e rr h e o l o g ya n dr e a s o n a b l e a s s u m p t i o n sa n ds i m p l i f i e d ，e s t a b l i s hap l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s ，f i l l i n gg e a r i i i 受力塑件及注塑模的设计与有限元软件应用 t h ep r e s s u r e p r o c e s s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec o o l i n gp r o c e s s ，t h e f i n i t e d i f f e r e n c e m e t h o d ，t h ef i n i t e e l e m e n t v o l u m ec o n t r o lm e t h o dt oe s t a b l i s h t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lt os o l v e ( 3 ) u s i n gu g e s t a b l i s hp l a s t i cg e a rf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h r o u g ht h ea n s y sf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r et op l a s t i cg e a rc o n t a c ts t r e s sm a k es i m u l a t i o n ，a n a l y s i st h ep l a s t i c g e a ri nt h ep r o c e s so fo p e r a t i o ns t r e s sd i s t r i b u t i o n ( 4 ) t h r o u g ht h em o l d f l o wm o l df l o wa n a l y s i ss o f t w a r e ，t h ef i r s t i n p o u r i n g s y s t e m ，i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e rs i n g l ef a c t o ra n dc o o l i n gs y s t e mf o rt h e i n f l u e n c eo ft h er e s i d u a ls t r e s sa n g l ec a r r i e so nt h er e s e a r c h ，s u m m a r i z e st h ef a c t o r s m a ti n f l u e n c et h er e s i d u a ls t r e s sa n d1 a w t h el a s to ft h er e s i d u a ls t r e s si n f l u e n c e o b v i o u ss i xf a c t o r sa st h er e s e a r c ho b j e c tt h r o u g ht h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t sa n a l y s i s ， f i n do u tt h eo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e rc o m b i n a t i o n ( 5 ) t h eo p t i m i z a t i o no ft h ep a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h ed e t e r m i n a t i o no fp o u r i n g s y s t e ma n dc o o l i n gs y s t e m ，u s i n gu gm o l dw i z a r dm o d u l eo fd i es t r u c t u r es i m u l a t i o n d e s i g n ；a g a i nt h r o u g ha n s y ss o f t w a r eo fm o u l dt om o v et e m p l a t ea n db o a r do ft h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h e r a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g no f c h e e k k e yw o r d s ：e n g i n e e r i n gp l a s t i c s ；w e i g h t e d p l a s t i cp a r t s ；i n j e c t i o nm o u l d i n g ； m o u l dc a d c a e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i v 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 塑料注塑制品概述 1 绪论 随着注塑模具产业的发展，注塑制品在社会生产及生活中的使用率也随之升 高，为注塑制品的应用开拓了广阔的领域。目前，注塑制品已经深入到国民经济 的各领域中。特别是在办公设备、数码产品、汽车、机械装备制造、交通、通信 领域、轻工、建材业、日用品以及家电行业中的零件塑料化的趋势不断增强，并 且陆续出现全塑产品。塑料已经在很大范围内代替传统的加工材料。随着工程塑 料研究的成熟，以塑代钢就成为现实，塑料制品在制造业中得以快速的发展应用。 在现代材料学的发展中，工程塑料作为一种新材料，越来越多地用于制造机 械零件。这是因为相比较于金属器件，工程塑料的制造成本比较低、自重轻、易 润滑、噪声低、耐腐蚀、化学性质稳定、加工设计快捷灵活等【l 】。工程塑料是指 被用做零件或外壳材料的土业用塑料，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老 化性均比较优良的塑料。可以作为结构材料，在较宽的温度范围内承受机械应力， 在较为苛刻的化学物理环境中使用，能承受一定的外力作用，并有良好的机械性 能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能。 由于工程塑料具有优异的性能，其技术发展水平受到国家的重视，已被列入 中长期科技发展纲要中的高新技术的重点选项。经过长期的技术攻关，中国工程 塑料技术水平发展迅猛，在改性材料与树脂合金方面，部分产品技术、质量指标 也已经接近国外的先进水平。中国工程塑料工业历经多年发展，已逐步形成了树 脂合成、塑料改性、加工应用等相关配套能力的产业链。中国工程塑料业刚刚起 步阶段，生产能力与需求相比严重滞后，原料树脂8 5 以上依靠进口，一半以上 的改性树脂材料来源于国外产品。中国的工程塑料树脂均能在国内生产，聚合能 力已经达到每年6 0 万吨左右，改性树脂材料年产量也有2 0 0 多万吨，包括过去 国外对中国禁运的特种工程塑料树脂，现在国内几乎都有生产，并且能够少量出 口p j 。一些特种工程塑料产品的工艺技术已经进入到国际先进行列。尽管中国的 工程塑料在合成和加工方面取得了很大的发展，但总体上看仍存在产能过度集中 在某些技术含量较低产品上的缺点，应当将目光放长远，把握住当前一批国家重 点工程建设的契机，提升科技水平，加快产品结构的升级，促进中国工程塑料行 业更快、更健康的发展。 受力塑件及注塑模的设计与有限元软件应用 i 2 典型受力注塑件研究现状 目前在工程塑料的应用中，在外载荷环境中工作的塑料制品所占比例越来越 多，已经在很多方面实现替代金属材料，我们统称为受力注塑件。而塑料齿轮就 是一个典型的受力注塑件。传统的齿轮材料为合金钢等金属材料，其在强度和耐 热性方面具有很大优势。以塑料为材料的塑料齿轮虽然强度不如金属材料，不适 于太大载荷、太高耐热温度及高尺寸精度的场合使用，但具有传动平稳、噪声小、 吸震、防冲击、无润滑或少润滑、加工容易及耐腐蚀等优点，广泛用于中低载荷 齿轮的制造。 齿轮的主要用处有两个，一个是传递运动，另一个是传递动力。目前国内塑 料齿轮主要被用来传递运动，而美国现在在传递动力的选择上，也越来越多地采 用塑料齿轮。因为塑料齿轮具有传动噪音低、吸振效果优良、白润滑等优点，另 外塑料齿轮可以进行开模加工，生产效率高。塑料齿轮在齿轮行业的应用会越来 越多，这是一个国际性趋势。塑料齿轮将向更大的尺寸、更复杂的几何形状、更 高强度的方向发展。由于塑料齿轮成型上的优点以及可以成型体积更大、精度更 高和高强度的特征，这是塑料齿轮得以发展的重要原因【4 】。目前中低档的齿轮模 具在国内都能生产，高档的齿轮模具多依靠进口。所以塑料齿轮模具的发展前景 相当宽阔。 随着塑料齿轮的应用越来越广泛，针对塑料齿轮的性能及加工工艺也进行了 许多研究。我们希望得到的塑料齿轮具有较高的弯曲和和疲劳强展度，较高的冲 击强度和一定的弹性，较低的摩擦因数和良好的耐磨性，较好的成型精度和尺寸 稳定性，低的线膨胀系数和较小的吸水、吸油率，最好具有适当的自润滑性：具 有一定的耐热性，应力开裂倾向要小。 通过对塑料齿轮进行研究，发现其主要的失效形式有以下几种： ( 1 ) 开式传动磨损、轮齿疲劳折断、键槽跟处开裂。 ( 2 ) 闭式传动中高速时，轮齿疲劳折断、齿面烧伤；低速时，磨损、轮 齿疲劳折断。特别是中高速闭式传动中绝大多是轮齿疲劳折断。 可以看出塑料齿轮与钢齿轮有很大不同，塑料齿轮没有点蚀失效。此外塑料 齿轮的疲劳折断主要是从节点略偏齿根处折断，故对其进行研究具有很大的意 义。 对塑料齿轮疲劳破坏过程的探讨和分析已有许多研究，通常认为，在传动过 程中，塑料齿轮轮齿节点附近为高温区，上产生裂纹源的原因。该高温区是由于 黏弹性体卸载后，应变的减小滞后于应力下降的现象而引起的滞后能耗( 亦称为 青岛科技大学研究生学位论文 内耗热) 所引起的。 有些文章认为，裂纹源的产生起因是塑料弹性模量很小、硬度低、轮齿易于 变形，致使配对钢齿轮的齿顶提前进入啮合，挖刮塑料齿轮节点偏下部位，产生 高温及裂纹源1 52 1 。 通过进一步分析研究，认为疲劳裂纹的萌生与银纹现象有关。所谓银纹是一 种与裂纹相类似但在轮齿接触的两表面上大约3 0 5 0 体积分数的高分子材料 区中存在着的微细裂纹。它通常是在非晶态玻璃状高分子中产生，但在某些结晶 态高分子如聚丙烯和尼龙中也会出现。银纹产生于拉伸应力场中，且银纹面总是 与最大张力方向垂直。根据k r a m e r 关于银纹引发的设想，表面银纹密度与应力 集中的情况有关，即在表面上局部应力集中处首先产生塑性剪切变形。齿轮啮合 时，齿根处产生弯曲应力，与齿轮表面上受到周期性的压缩应力形成拉应力的联 合作用。特别对于中高速齿轮来说，在高温区中，由于弯曲力矩引起的拉应力与 表层热拉应力的叠加作用对疲劳折断有可能起着重要的影响 5 3 1 。 西北工业大学的原园、徐颖强、吕国志研究发现齿轮在实际工作中，局部的 微小塑性变形并不影响齿轮的正常工作，局部的塑性变形有利的压残余应力场， 有助于提高齿轮表面抗点蚀、磨损能力，提高齿轮接触疲劳强度和抗深层剥落能 力。摩擦力的存在和齿根处的应力集中降低了齿轮的安定极限，所以减小齿轮之 间的摩擦因数和消除齿根处应力集中效应，可以有效提高齿轮的使用寿命【4 5 1 。 姜秉元考虑到塑性变形对齿轮接触应力的影响，将结构中的残余应力线性叠 加到外载荷产生的弹性接触应力中，得到合适的残余压应力能够提高齿轮的疲劳 强度的结论【5 。 刘光新通过在齿轮设计和制造过程方面研究认为造成塑料齿轮轮齿折断的 原因有齿轮的表面及内部在成型后存在微小缺陷：材料的内部应力较高，造 成齿轮变形从而导致疲劳断齿；制品成型后收缩程度估计或实验数据不准确， 造成齿廓变形不能正常进入啮合状态引起断齿【5 】。 邓小雷等通过a n s y s 分析得出齿根处存在熔接痕的塑料齿轮在加载后齿轮很 快进入疲劳并断裂。 以上是针对塑料齿轮齿根断裂进行的研究，注塑成型产生的一些缺陷在一定 程度上影响着齿根断裂。针对注塑成型产生的缺陷也早已有人进行研究，而且在 减少熔接痕、气穴、凹陷等研究方面取得了很多成绩。但是对于注塑齿轮中残余 应力的研究则比较少，往往也只是在残余应力产的的机理的层面上进行探索，鲜 有实质的研究。 受力塑件及注塑模的设计与有限元软件应用 1 3 注塑件残余应力概述 1 3 1 注塑件残余应力产生的机理 为了研究怎样降低注塑制品的残余应力，首先应该了解注塑制品残余应力产 生的机理。注塑成型过程中，塑料原料经受了高温，高压和高剪切等多种因素的 作用，在极短的时间内完成了从玻璃态到高弹态再到黏流态，然后又从黏流态到 玻璃态的转变，熔体结构和性能在这个过程中发生了很大的变化，熔体内部大分 子经历了流动变形与松弛以及结晶取向等变化，如果这些分子结构的变换在制品 冷却定型前不能充分稳定，便会在制品中残留部分应力。在熔体充模、保压过程 中，熔体流动产生了流动应力和分子取向以及在冷却过程中由于制品内外温度分 布不均匀，热胀冷缩收到限制，同时经受热和力的相互作用，从而产生残余应力。 残余应力是指注塑件脱模后残余在制品中的未松弛的各种应力之和。一般认为， 注塑制品的残余应力有三大类【6 】【9 】： ( 1 ) 流动残余应力 塑料熔体在充模、保压过程中，在模腔中因为非等温流动而形成剪切应力与 法向应力，在冷却过程中随着温度的迅速下降而不能完全得到松弛，当温度降降 到玻璃化温度以下时，未松弛的应力被“冻结 在固体中，这部分应力称为流动 残余应力。 通常认为，冻结的分子取向是形成流动残余应力的主要原因。聚合物熔体在 没有外力作用情况下，分子链、链段成自由的蜷曲或伸展状态，内部达到平衡状 态。在充填过程中，熔体以很高的速率及压力充满模腔，因此引起分子链、链段 在流动方向上的重新取向。由于快速的冷却，在模腔壁附近的熔体分子取向不能 重新达到平衡状态而被“冻结”，模腔内部由于冷却速度较慢，流动方向的分子 取向可以部分的达到平衡而产生剪切应力，导致制品脱模后残余应力的存在【9 】。 图1 1 为分子取向引起流动残余应力示意图。 4 青岛科技大学研究生学位论文 温度曲线剪切应力分子取向 l 2 ) 1 ) ( 1 ) 高冷却、剪切速率下的分子取向区一 ( 2 ) 低冷却、剪切速率下的分子取向区一 图1 - 1 分子取向引起流动残余应力示意图 f i g 1 - 1t h er e s i d u a ls t r e s sc a u s e db ym o l e c u l a ro r i e n t a t i o nf l o wd i a g r a m 图1 - 1 所示为熔体充模和保压阶段因为冻结的分子取向而引起的流动残余应 力的发展过程。 ( 2 ) 热残余应力 近代残余应力理论创始于1 8 3 5 年2 月2 3 日，j m cd u h a m e l 在法国科学 院发表演讲时首次指出，当温度发生变化时，由于物体受到某些约束就要产生应 力，同时提出了这个应力由两部分叠加的假说：一部分是与温度变化成比例在所 有方向上都相同的静应力：另一部分则认为是温度不变而由应变产生的应力，这 个假说在温度变化不大的情况下至今被认为是正确的【6 1 。 快速冷却过程中，制品内部温度分布是不均匀的，冷却层由模腔表面向内部 逐渐推进，各点在不同时间从较高温度降到玻璃化转变温度以下所经历的收缩变 形程度不一致，从而产生应力，这部分应力称为热应力。因为聚合物材料的热粘 弹性，制品在模腔内以及脱模之后热应力发生部分松弛，未松弛的热应力称为热 残余应力【9 】。 在冷却阶段初期，模壁温度比熔体温度低很多，靠近模壁的熔体部分最先冷 却并固化收缩，在固化层内部产生压应力，而远离模壁的熔体仍处于熔融态。随 着冷却层由外向内逐渐推进，内部熔体的冷却收缩受到外面固化层的限制而产生 拉应力。因此，冷却过程的最终结果导致制品外层受压而内层受拉的应力状态， 这种应力状态固化在制品中影响了制品的使用性能。图1 2 所示为自由退火试样 内部热应力的产生过程【6 】。 受力塑件及注塑模的设计与有限元软件应用 传热一 约束状态 ? 、_ 一 r 堪 r 塌 卞 热残余应力 mt n i uu 图1 2 自由退火引起热残余应力示意图 f i g 1 - 2 f r e ea n n e a l i n gh e a tc a u s e db yr e s i d u a ls t r e s ss c h e m e s 在冷却过程中，熔体各部分不同的冷却速率也会引起试样内部的热应力，在 脱模后这种残余的热应力容易引起制品的翘曲变形。图1 3 所示为模腔中一边有 冷却管道，一边为自然冷却的非平衡冷却过程，由此产生的非平衡分布的热应力 在脱模后导致之间的变形。同样的道理，如果之间的形状比价复杂，模腔各部分 的厚度变化比较大，非平衡的冷却过程容易引起之间内的热残余应力，导致之l 白j 在脱模后的变形或破裂【7 】。 氐冷 r ，一 _ 皓 f 妻l心 趟 图1 - 3 非平衡冷却引起的热残余应力导致之间的弯曲 f i g 1 - 1t h eb a l a n c eo ft h er e s i d u a ls t r e s sc a u s e db yc o o l i n gh e a tt ot h eb e n d i n g o f b e t w e e n 在保压冷却过程中，熔体各部分不同的保压历史和冷却速率引起制件各部分 的密度不同，密度不同引起的体积变化同样会导致制件内部残余应力的产生。 ( 3 ) 顶出应力 在开模和塑件被顶出的过程中，模具系统会对塑件产生一些力的作用。而且 开模时候，塑件并没有完全冷却到常温，结晶和凝固过程也没有完成。受到不良 设计的模具顶出作用，就会导致塑件的变形并形成残余应力。所以，直接对制品 施加作用的顶出机构需要有足够大的面积，以减少对塑件的压力。顶出速度也不 能过快，以免造成不必要的变形。选择推板顶出比顶杆顶出更为有利，不易产生 青岛科技大学研究生学位论文 变形，外观没有顶出痕迹 8 】。 一般流动残余应力和顶出应力比热残余应力小一个数量级，但是它们之间也 是相互作用的。研究结果表明，流动残余应力和热残余应力是相互作用的，热残 余应力比流动残余应力大一个数量级，从热残余应力分布可以大致推算出制品翘 曲变形的程度。通过选择适当的顶出时机及合理的顶出机构就可以降低顶出残余 应力。但是对于流动残余应力及热残余应力的降低必须通过调整注塑成型过程中 的各种工艺参数来实现，这也是本文进行研究的目的。 1 3 2 残余应力对制品的影响 残余应力对机械材料的抗疲劳强度、静强度、抗应力腐蚀性能、零部件的尺 寸稳定性等都有明显的影响，甚至在服役过程中产生相变。近年来，据有关分析 调查，由于残余应力而影响或导致的机械零件失效率达5 0 以上。 ( 1 ) 注射成型制品的残余应力通常会导致翘曲变形，同时，带有较大残余应 力的制品经常会在较小的外力或溶剂作用下产生应力开裂现象。 ( 2 ) 残余应力对机械材料疲劳失效的影响 残应力对机械材料的抗疲劳失效性能的影响是重要的。就一般关系而论，当 受到应力作用的机械零件存在残余压缩应力时，该零件的抗疲劳强度就会提高； 而存在残余拉伸应力时，其抗疲劳强度就会下降。 ( 3 ) 残余应力对静强度的影响 机械零件承受静载应力时，残余应力将与静载应力叠加。零件上的残余拉应 力，在零件受静载荷时，将与静载荷叠加而降低零件的静强度。 ( 4 ) 残余应力对抗应力腐蚀的影响 一般情况下，金属材料只有在拉应力和特定的腐蚀介质作用下才发生应力腐 蚀开裂，没有拉应力也就没有应力腐蚀。因此，残余拉应力增大了材料应力腐蚀 开裂的敏感性。 ( 5 ) 残余应力对尺寸稳定性的影响 机械零件残余应力的存在，对机床零件以及其它精密零件的尺寸稳定性有很 大影响。残余应力在机械零件使用过程中的变化，将导致零件尺寸精度的变化而 影响失效。 ( 6 ) 对脆性破坏的影响 对于零件断裂失效，分为韧性断裂和脆性断裂，韧性断裂时名义应力高于材 料的屈服强度，韧性断裂时屈服变形的结果：脆性断裂时名义应力低于材料的屈 服强度。脆性断裂又称为低应力脆性断裂。经常发生在有尖锐缺口或裂纹以及存 在较大的残余应力状态下。 受力塑件及注塑模的设计与有限元软件应用 ( 7 ) 影响制品的光学性能 1 3 3 降低残余应力的传统方法 在目前的实际生产中，对于降低制品残余应力的传统方法还是主要依靠热处 理。及时对制件进行热处理时降低或消除塑件内应力，使其内部结构加速达到稳 定状态的种有效措施。而且对于一些要求相对较高、尺寸稳定性较好的工程塑 料制件，在加工过程中往往要进行多次的热处理【9 j 。 热处理的方法是：把刚刚注射成型后的制品放入加热介质中，先将温度升到 热处理温度或退火温度，使制件在此温度下保持一定的时间，然后缓慢地冷却到 室温。影响热处理效果最重要的工艺因素是热处理温度和热处理时间。理论上讲： 热处理温度越高，热处理时间越长，制件的内应力就能在更大程度上被消除，其 内部结构也就越趋向稳定。实际操作时，温度不能太高，因为温度过高容易引起 制件在热处理过程中的翘曲变形。一般认为，热塑性塑料注塑制件的热处理温度 以低于热变形温度5 1 0 为宜。而热处理时间则主要与塑料的性质和制件壁厚有 关，高聚物大分子链的刚性越大，制件的壁厚越厚，需要进行热处理的时间就越 长。 另外，正确选用加热介质对达到满意的热处理效果也很重要，用空气作为加 热介质，操作简便，而且处理后不用清洗。但是空气的热导率低，制件不容易加 热均匀，并且还容易引起尼龙类和聚甲醛等塑料氧化变色。用高沸点油作为热处 理介质有传热快、制件加热均匀等优点，但是操作比较麻烦，而且处理后的制件 上存留的油斑有时候很难除去。吸水性强的尼龙类塑料制件用水或乙酸钾的水溶 液( 可达1 2 1 ) 做热处理介质会比较好，因为这种介质既有利于防止制件在热 处理中氧化变色，又能使其加速达到吸湿平衡【l 。 但是，热处理不一定能达到理想的效果，只能作为一种辅助工序，完全依靠 热处理防止应力开裂的做法不可靠，必须从影响注塑制件内应力的几个主要因素 采取有效措施，再结合热处理方法才能取得满意的效果。所以研究注塑成型工艺 参数对制品残余应力的影响是具有重要意义的。 1 4 课题的提出 随着注塑模具的发展，受力注塑制品的应用的不断增多，对受力注塑制品的 成型工艺以及有可能影响制品使用性能的各种成型缺陷的研究应该得到重视。注 塑成型过程中产生的残余应力对于制品的使用寿命有着严重的影响，所以必须需 求降低残余应力的科学方法。对于残余应力的降低只依靠传统的热处理方法虽然 青岛科技大学研究生学位论文 能够降低制品的残余应力，但是效果不是很理想。而利用c a e 数值模拟技术对 受力注塑制品的注塑成型过程进行模拟，探索各工艺参数对制品残余应力的影响 并优化这些工艺参数尤为重要。本课题就是应用m o l d f l o w 模流分析软件，结合 正交试验对注塑成型工艺参数进行研究，分析各参数对残余应力的影响，并得到 优化组合。应用a n s y s 有限元分析软件分别分析模具动模及定模部分的应力、应 变、最大变形等，为模具结构的优化完善提供依据。通过c a e 软件的应用，能 大大缩短模具设计的时间，优化模具结构。 1 4 1 课题的研究意义 针对一般的注塑制品在成型过程中形成的缺陷的研究，目前已经做了许多工 作，也取得了很多成果。但是对于如塑料齿轮之类的受力注塑件的研究还比较少， 特别是对于残余应力的探索就更加不足。残余应力对制品性能的影响是毋庸置疑 的，怎样减少或消除残余应力早己成为公认的问题。随着c a e 数值模拟技术的 发展以及各种模拟软件的开发应用，为残余应力的研究提供了很多先进的技术手 段。 通过深入的了解注射成型过程中残余应力产生的机理，熟知各种注射成型工 艺参数对于残余应力的影响，就能为增强塑料齿轮的性能提供更有利的技术保 障，为今后塑料齿轮应用范围的扩大具有重要的意义。塑料齿轮真正大范围代替 金属齿轮的速度也将因为塑料齿轮的性能进一步提高而加快。 塑料齿轮作为典型的受力塑件，对其残余应力的产生进行研究具有很高的代 表性。通过针对塑料齿成型过程的模拟研究，可以为今后相似产品进行研究提供 指导。 1 4 2 课题的研究内容 ( 1 ) 建立注塑成型的充填过程、保压过程及冷却过程的数学模型；建立塑 料齿轮的有限元模型，通过a n s y s 进行有限元分析，根据接触应力的分布确定轮 齿危险区域，为进一步残余应力的研究指明方向。 ( 2 ) 通过查阅文献资料，了解残余应力产生的机理，初步确定对于残余应 力产生有影响的因素。根据残余应力产生的机理，首先从单因素对于残余应力的 影响进行模拟实验，总结规律；然后根据分析，从诸多因素中找出对残余应力影 响程度较大的因素，通过正交方法进行模拟，优化工艺参数。 ( 3 ) 优化浇注系统及冷却系统：从浇口数量、形式、尺寸及最佳浇口布置 等方面进行浇注系统的优化；从冷却管道直径、数量、布局形式等方面进行冷却 系统的优化。 受力塑件及注塑模的设计与有限元软件应用 ( 4 ) 根据优化的浇注系统、冷却系统及注塑工艺参数进行注塑齿轮模具的 结构设计、完成三维造型。对模具凸模板及凹模版分别进行有限元分析，验证其 可靠性，优化模具结构。 青岛科技大学研究生学位论文 2 注塑成型模拟数学模型的建立及塑料齿轮有限元分析 本文研究注塑成型对制品残余应力的产生的影响，主要研究内容为充模流动 过程、保压过程、冷却过程中的工艺参数对塑料齿轮残余应力的影响。应用 m o l d f l o w 软件进行注塑成型过程模拟。除了建立模拟分析充模过程、保压过程及 冷却过程所需要的一些数学模型之外，还需要建立塑料齿轮的有限元模型并对塑 料齿轮进行有限元分析，预判容易发生失效的区域。 2 1 注塑成型模拟数学模型的建立 2 1 1 充填过程数学模型的建立 图2 1 为单浇口模具型腔，且其厚度方向尺寸远远小于平面流动方向。如图 ( a ) 所示，熔体由浇口注入向右充满型腔，等值线表示不同时刻的流动前沿位置， 横截面上的熔体流动如图( b ) 所示。流动过程分为浇口区、全展区、前沿区三 个阶段。a 区域为浇口区，该区在充模开始时占主导地位，流动时径向的，前沿 呈圆弧状；b 区域是全展区，即完全发展区，塑料熔体以几乎完全展开的形式在 薄腔中流动，对于等温充模前沿是平的，而对于非等温充模，前沿呈曲线型，在 整个充模过程中占主导地位；c 区域为前沿区，熔体前沿呈“喷泉状”，熔体从中 线分开向型腔璧流动，熔体的前缘与冷空气接触，形成了一个粘度较高的前沿膜。 ( a ) ( b ) 图2 1 型腔充模期间的流动示意图 f i g 2 1f l o wd i a g r a md u r i n gt h ec a v i t yf i l l i n g 受力塑件及注塑模的设计与有限元软件应用 2 1 1 1 充填过程基本理论 塑料熔体充模过程可认为是粘性不可压缩非等温流动与传热过程，其总是伴 随着内摩擦、传热等有关的能量耗散过程，可采用粘性不可压缩流体的基本方程 来描述【12 1 1 3 1 。 ( 1 ) 连续性方程 连续性方程是质量守恒定律对连续性流体的表达式，流体运动必须遵循质量 守恒定律，即流体的质量在流动过程中保持不变，其数学表达式为： 土生+ v 影：0( 2 1 ) pd t 其中，p 表示密度，t 表示时间。 在不可压缩条件下，连续性方程可表示为： v 移= 0( 2 2 ) 在直角坐标系中可进一步表示为： 丝+ 坐+ 塑：o( 2 - 3 一)+ + = uk z， 瓠却 a z 其中u 、v 、w 为速度矢量的三个分量。 ( 2 ) 运动方程 运动方程是动量守恒定律对流体的数学描述方程。动量守恒即流体动量的时 间变化率等于作用于其上的外力总和，其数学表达式为： p 篆书+ v 一c - v p ( 2 - 4 ) 其中户，百，p 分别为体力，偏应力张量和压力，在直角坐标下可表示为： p f 祟州o u 盎+ v i o u + w 要1 ：峨+ 冬+ 冬+ 冬一i a p p 【瓦州缸w 瓦+ w 瓦j _ 胪，蔷+ 苟+ 蔷一瓦 p f 生+ “一o v + 1 ，一o v + w 坐1 ：+ 砒+ 盟+ 盟一一o p p 【瓦枷瓦w o y + w o zj _ o f , + 舐, x y + 苗+ 蔷一瓦 ( 2 5 ) ( 2 6 ) p ( 警栅o 叙w + v 考+ w 警 = 限+ 鲁+ + 鲁一箬 c 2 们 ( 3 ) 能量方程 青岛科技大学研究生学位论文 能量方程是能量守恒定律的数学描述方程，即对系统所做的功与加给系统的 能量之和等于系统所增加的能量，其数学表达式为： 心尸鲁= 胛2 丁川 ( 2 8 ) 其中c p ，k 分别是比热容和热传导系数，t 为温度，j 为内部生成热。在直 角坐标系中可表示为： p c p ( 鲁+ “罢+ v 等+ w 鼍 = k ( 窘+ 害+ 害 ， a “o vi 伽、 一1 1 7 x x 瓦机万+ t z z 瓦j 州考+ 卦t 。( 芸+ 老) 睁剀 协9 ， ( 4 ) 本构方程 在满足不可压缩条件下，采用广义牛顿内摩擦定律： 【r 】- 2 t 1 陆 ( 2 1 0 ) 其中h 为偏应力张量，宅为应变速率张量，在直角坐标系中， 孔 1 7 x x 2 z t l _ o 譬 加 t w2z t l _ 。7 o y 驴n ( 老+ 罢) 以上的四个方程构成了不可压缩粘性流体力学的基本方程组。我们可采用适 当的边界条件求解这些方程组以得到粘性流体在流动和传热过程中的物理场分 布，但在实际中，这很困难，必须根据具体的问题进行适当简化【i 4 1 。 2 1 1 2 充模过程的假设与简化 在工程实际中，注塑成型加工的零件基本上都属于薄壁件，即厚度方向的尺 寸远小于其它两个方向的尺寸。塑料熔体在模具型腔内的流动是一个非等温瞬态 流动，而且模腔形状较复杂，故很难精确的描述整个流动过程。本文的研究对象 为塑料齿轮，属于薄壁件注塑成型，因此可以认为熔体是在扁平型腔内流动。而 且由于厚度方向尺寸远小于其它两个方向的尺寸，某点的流动情况主要受局部几 型砂 挑e i 如 办厂k = 引 口 ： “ 印 受力塑件及注塑模的设计与有限元软件应用 何因素的影响，因此近似认为熔体流动具有h e l e s h a w 润滑流性质，其假设和简 化如下1 5 】： ( 1 ) 在薄壁件成型中，由于型腔厚度远小于其它两个方向尺寸，即z 方向 远小于x 、y 方向尺寸，并且熔体的粘度较大，所以熔体的流动可视为充分的扩 张层流，可忽略厚度方向( z 方向) 的速度分量，即w = 0 ，同时认为压力不沿z 方向发生变化，即a p = 0 。 ( 2 ) 熔体在扁平型腔内流动时，由于注射压力很大，在短时间内熔体所受 的压力比其他成型方式会大一些，所以在一定程度上熔体会出现可压缩性，密度 会有所变化，但是这种变化很小，对充填过程的模拟的影响可以忽略，因此在本 文的模拟过程中仍然可以假设熔体是不可压缩的，即窖：0 ，v p ：0 。 ( 3 ) 由于熔体的粘度大，因此质量力和惯性力相对于粘性剪切力而言都很 4 、，可忽略不计，虽口p 尝_ o ，庐。 ( 4 ) 在熔体流动方向( x ，y 方向) 上，热传导相对于热对流项而言很小， 可忽略不计。 ( 5 ) 在充模过程中，熔体的温度变化范围不大，可认为塑料熔体的比热容 及导热系数为常数。 ( 6 ) 忽略弹性熔体的弹性行为，认为熔体为粘性流体，熔体流采用平面流 的模型。 2 1 1 3 充填流动分析的控制方程 根据流体运动的基本定律，将h e l e s h a w 流动推广到非牛顿流体的非等温流 动情况，并利用以上的假设和简化，则可导出塑料熔体充模流动的控制方程： 型+ 型：o( 2 11 ) 戤 p ) ， 望c o x 一旦c o z ( t 1 丝c o z = 。l j 望a y 一旦c o z ( t 1 业c o z = 。l 。 1 4 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 青岛科技大学研究生学位论文 p c p ( 詈+ “罢+ v 多 = k 害+ 咿 c 2 州， 其中b 为型腔壁厚，历、哥分别是x ，y 方向的平均速度， p 为密度， c p 、k 、p 、r 分别是比热容，热传导系数，熔体的压力和温度。其中式( 2 1 4 ) 也是温度场求解的控制方程。 t 1 是剪切粘度，它与压力、温度、剪切速率有关： t 1 = ”，t