（材料加工工程专业论文）注塑成型工艺参数对制品质量影响的实验研究.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 注塑成型制品质量控制方面存在的困难不仅来源于工艺动力学的复杂性和在 温度、压力波动下材料行为的不可预测性，还来源于对制品质量与影响因素之间 的关系缺乏了解。因此研究工艺参数对注塑制品质量的影响关系，建立工艺参数 与制品质量之间的关系模型是注塑制品质量控制的前提。 论文选用半结晶型p p 和无定型a b s 两种材料，针对一维流动平板两个方向上 的收缩、强度，熔接线强度、制品重量及沉降斑等质量指标进行了实验研究。研 究了工艺参数对质量指标的影响及因素之间的交互作用，并应用神经网络技术建 立了质量指标与工艺参数之间的关系模型。本文主要工作包括以下几方面： 1 工艺参数对制品质量的交互影响分析。论文应用析因分析研究了模具温度、 熔体温度、保压时间、保压压力以及注射压力对两种材料制品质量影响的两两交 互作用。研究发现，在注塑成型过程中，工艺参数对制品质量的影响存在交互作 用，有时交互作用的贡献甚至大于单个因素。对于不同材料甚至一维流动平板的 不同方向上，交互作用也不尽相同。基于析因分析结果为后面的正交实验筛选了 重要的交互作用。 2 应用正交实验设计结合析因分析结果，研究工艺参数及其重要交互作用对 制品质量的影响。论文基于析因分析结果，应用正交实验设计，研究了工艺参数 及析因分析筛选出的重要交互作用对制品质量的影响特性及规律。研究结果表明 由于熔接线的存在明显削弱了制品强度，a b s 材料的强度远高于p p 材料的强度。 工艺参数对强度的影响规律也因材料的不同、是否存在熔接线而不同，有熔接线 的试样受交互作用的影响更明显些。对于一维流动平板，平行流动方向的收缩、 强度比垂直流动方向的收缩、强度明显要高。流动方向对p p 材料的收缩影响更大， 而对a b s 的强度影响更大。 3 工艺参数与质量指标之间关系模型的建立。论文基于正交实验结果应用神 经网络技术建立了制品质量与工艺参数之的关系模型，为质量控制技术提供了工 艺模型。 关键词：注塑成型，质量控制，正交实验，析因分析，交互作用 英文摘要 a b s t r a c t i ni n j e c t i o nm o l d i n gq u a l i t yc o i 血d i ，t h ed i m c u l t yn o to n l yc o m ef b mt l l e c o n l p l e xt e c l l i l o l o g yd y n 锄i c sa i l d 也eu n p r c d i c t a b i l i t yo fm a t e r i a lb e h a v i o rw h i c h d 印e n d e n to ft e m p e r a m r ea n dp r e s s l l r e ，b u ta l s oc o m ef b ml a c k i n go f 1 el ( 1 1 0 w i e d g e a b o u tm er e l a t i o n s h i pb e 御e e np a nq u a l i t ya n dp r o c e s sp a r a m e t e r s s o ，i t sm ep r e m i s e o fp a nq u a l i t yc o n t r o lt os t i l d y 趾dm o d e l 廿l er e l a t i o n s m pb e t 、v e e ni n j e c t i o nm 0 1 d e d p a r tq u a l “ya n dp r o c e s sp a r 锄e t e r s i nt h ep a p e r ，t w ok i n d so fm a t e r i a l ( a b s 趿dp p ) w e r es t u d i e d ，t l l es h r i n k a g ea n d s 仃e n g t hi nt w od i r c c t i o no f1 dn o wp l a t e ，m es t r e n g t ho fm ep a r t sw i 血o rw i t h o m w e l d l i n e ，s i n k m a r k sa 1 1 dn l ep a n s 、v e i g h tw e r ea l s os 伽i e d t h er e l a t i o n s l l i pb e 铆e e n t h ep a r tq u a l i t ya n dt h ep r o c e s s i i l gc o n d m o n sa i l dt h e i ri n t e m c t i o n sw e r es t u d i e d t h r o u 曲e x p e r i m e n t s t h ea n nt e c h i q u ew a su s e dt om a k em o d e lt h er e l 撕o n s h i p b e t w e e np a r tq u a l i 哆a n dp r o c e s s i n gc o n d i t i o n s t h em a i nw o r k sa r ea sf o i l o w s ： 1 t 、v 0 一w a yi n t e r a c t i o n so f l ep r o c e s sp a r 啪e t e r s ( m o l dt e m p e r a t i l r e ，m e l t t e m p e r a t i l r e ，p a c k i n gt i i i l e ，p a c k 血gp r c s s u r c ，i n j e c t i o np r e s s u r e ) t ot 1 1 ep a r tq u a l i t y 、v e r e s t u d i e d b y 曲c t i o n a lf a c t o r i a ld e s 谫m e 舢d i tw a sf o n dm ep a r tq u a l i t yi n 测e c t i o n m o l d i n gi se 髓c t e db yf a c t o r si nm u t u a li n 把唧c t i o n s ，s o m e n m e s ，t 1 1 ei n t e r a c i t o n sa r e m o r ei m p o r t a n tt h a ns p a r ep a r a m e t e lt h er e s u l t si n d i c a t et l l a t 血ei m e m c i o n se 疗b c t s a r ed i 脏r e n tw i 血d i 髓r e mm a t e r 主a 1a n dd i & r e n td i r e c t i o n t h em o s ti m p o r t a l l t i m e r a c t i o n sa r es e l e c t e df b rm ef o l l o 、析n gd o ee x p e r i m e n t s 2 b a s e do nt l l er e s u l t so f 矗a c t i o n a lf k t o r i a ld e s i g n ，o r t l l o g o n a le x p e r i m e n tw a s u s e dt os t u d yt h ee a e c to f 也ep r o c e s s i n g 讲i r 乏吐坨t e r s 趾dt h e i rm a i ni n t e r a c t i o n so nt h e p 甜q l l a l 醇t h ee x p c r i m t a lr e s u l t si n d i c a t et l l a tm ew e l d l i n er e d u c et h cs 仃e n g t ho f s p e c i m e n ，a i l d 恤s 骶n g t ho fa b ss p e c i m e n 黜l a r g e rt a np ps p e c i i l l e n n e 砌u e n c e o ff a c t o r sa n di n t e r a c t i o n sa r ed i f f b r e n t 、v i t hd i 矗b r c mm a t e r i a la n dm es t a t e 、撕t 1 1o r 晰t h o u tw e l d l i n e t h ee f f e c t so fi n t e r a c t i o i l so n 吐i es p e c i m e nw i t l lw e l d l i n ei sl a r g e rt a i l s p e c i m e nw i t h o u t 、v e l d l i n c f o r l df l o wp l a t e ，协es h r i n k a g er a t ea n ds t r e n g t l li n p a r a l l e ln o w i sl a r g e r 也a 1 1 岫ti n 龇p e r p e n d i c u l a rn o wd i r e c t i 0 1 1 t h en o wd i r e c t i o n n 郑州大学硕士学位论文 h a sm o r ei m p o r t a me 任b c to n 也es h r i n k a g eo fp ps p e c i m e n ，a n dh a sm o r ci m p o r t a n t e 仃e c to nt h cs 订e n g mo f a b ss p e c i m e n 3 o nm er e s u l t so fo n l l o g o n a le x p e r i m e n t s ，t 1 1 em o d e l sb e t 、v e e np a nq u a l i t ya n d c a nu s ei np a nq u a l i t yc o n 廿o l t k e yw o r d s ：i i l j e c t i o nm 0 1 d i n g ，q u a l bc o n 怕l ，d o e ，f h c t i o n a lf a c t o r i a ld c s i g n ， i n t e r a c t i o n 郑重声明 本人的学位论文是在导师的指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、 抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一 切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) 骼拶疹 2 0 0 6 年年月省日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着科学技术水平的不断提高以及加工方法的改进，塑料这一2 0 世纪才发展 起来的新材料已经在我们的日常生活中占据了重要的地位，成为国民经济中不可 缺少的一部分。塑料成型技术是指把粉、粒料或液状树脂及添加剂等原料加工成 具有一定使用价值的制品的一种技术| 1 1 。塑料制品性能的优劣及规格多少与成型技 术密不可分。注射成型又称注射模塑或注塑，是塑料加工中重要的成型方法之一， 其技术已发展的相当成熟，且应用非常普遍，注塑制品已占领塑料制品总量的 3 0 以上，在国民经济的许多领域有着广泛的应用。 1 2 注塑成型工艺过程简介 注塑成型加工过程是一个循环的周期过程，一般包括三个阶段，即注射阶段、 保压及压实阶段、固化及冷却阶段。注塑成型过程如图卜1 所示。 勋麒 图卜1 注塑成型过程 f i g 1 1t h ei n j e c t i o n m o l d i n g p r o c e s s 郑州大学工学硕士学位论文 注塑成型加工过程从聚合物颗粒通过料斗进入嫘杆开始。首先聚合物颗粒在 转动螺杆的输送作用下不断沿螺槽方向向前运动，同时转动的螺杆把机械能转化 为热能，使聚合物颗粒得到软化和熔解。聚合物材料在螺杆剪切热与料筒外部热 源的作用下很快塑化并熔融，转变成粘流体并存贮在料筒前端的区域( 即存料区) 。 与此同时，存料区中的熔体具有一定的压力，当熔体压力大于螺杆后退所要克服 的阻力时，螺杆开始一边转动一边向后移动。直到螺杆碰到行程开关为止。这一 整个过程称为塑化过程。此后有一螺杆的静止阶段，然后随着螺杆向前运动，熔 化的物料通过喷嘴一模具浇道一成型模腔系统的通道，将螺杆头部的塑料熔体注入 模具型腔中。这一过程称为注射过程。在注射过程中，塑料熔体轴向移动是由螺 杆注射速度控制的。注射一结束，由于熔体和模具的热传导，型腔内的熔体开始 固化。由于固化和冷却的作用，制品会发生收缩，因此为了补充收缩必须在一定 的压力作用下，补充物料，这一过程称为压实一保压过程。在这一阶段，螺杆移动 很慢，压力可以进行变化控制。通过一些冷却介质( 通常是冷却水) 的流通，热量 连续的从模具中通过模具内的钻孔散出，最终制件得到固化。这就是冷却过程。 在冷却过程中，在螺杆内同时发生了塑化过程。最后，通过一个排出装置把制件 从模具中分离出来( 或用手动的方法) 。这时，一个循环过程结束，一个新的循环 过程又开始了。从注塑成型加工的周期过程中，可以看到，螺杆在塑化和注射时， 均要发生轴向位移，同时螺杆又处于时转时停的间歇式工作状态，因此形成了螺 杆塑化过程的非稳定性。螺杆在不同阶段的运动如图卜2 所示1 2 j 。 霆蘩霎霾罄b 譬歪委至主要冀墨娶：二_ 图1 2 往复式螺杆的动作顺序 a ) 注射、压实及保压阶段：螺杆轴向向前移动； b ) 塑化阶段：螺杆一边转动一边后退： c ) 停留阶段：螺杆处于静止状态 f i 辱l 2r e c i p r o c a t i n gs c 陀ws e q u e n c eo f o p e r a t i o n s ； a )i n j e c t i o n 粕dp a c k i n 分i l o l d i r l g ：s c r e wm a v e sa ) d a i l yf o r w a r d ； b ) p l 船t i c a t i o n ：s c r e wr a t a t e s 孤dr e 仃a c 乜； c )s e t t l i n g ：n os c r e wm o v e m e n t 2 第一章绪论 1 3 注塑成型设备简介 注射机的类型很多，无论哪种注射机，其基本作用均为：1 加热塑料，使其达到 融化状态：2 对熔融塑料施加高压，使其射出而充满模具型腔。为了更好地完成上述 两个基本作用，注射机的结构已经历了不断改进和发展。 最早的注射机诞生于1 8 7 2 年，是由美国人发明的柱塞式注射机，结构简单，是通 过一料筒和活塞来实现塑化与注射两个基本作用的，但是控制温度和压力比较困难。 1 9 2 6 年生产出用压缩空气推动的活塞式注射机，1 9 3 2 年德国生产出全自动柱塞式卧 式注射机，1 9 4 8 年在注射机上开始使用螺杆塑化装置，之后出现的单螺杆定位预塑注 射机，由预塑料筒相衔接而组成。塑料首先在预塑料简内加热塑化并挤入注射料筒， 然后通过柱塞高压注入模具型腔。这种注塑机加料量大，塑化效果得到显著改善，注 射压力和速度较稳定，但是操作麻烦和结构比较复杂，所以应用不广。 囊l 建t 砖簟鼙i 暾 阑，募二一二、心慧 疆l t i i j i i i l i i | 磷k1 确 蚓o 一二心 燮 謦羹 图1 3 移动螺杆式注塑机结构示意图 f 培1 - 3t h es c h e m a 吐cp 1 0 to f m o v i n gs c r e wl n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e 1 9 5 6 年在美国诞生了世界上第一台移动螺杆式注射机( 图卜3 ) ，这是注射成 型工艺技术方面的突破，它标志着塑料成型加工技术创新时期的开始。它是由一 根螺杆和一个料简组成的。加入的塑料依靠螺杆在料简内的转动而加热塑化，并 不断被推向料筒前端靠近喷嘴处，因此螺杆在转动的同时就缓慢的向后退移，推 到预定位置时，螺杆即停止转动。此时，螺杆接受液压油缸柱塞传递的高压而进 行轴向位移，将积存在料筒端部的熔化塑料推过喷嘴而以高速注射入模具。移动 螺杆式注射机的效果几乎与预塑注射机相当，但结构简化，制造方便，与柱塞式 注射机相比，可是塑料在料筒内得到良好的混合和塑化，不仅提高了模塑质量， 还扩大了注射成型塑料的范围和注射量。因此，这种移动螺杆式机型问世以来， 由于其塑化质量和生产能力较之其它机型有很大提高，从而使更多的塑料制件采 用注射成型。如今常用的注塑设备就是移动螺杆式注塑机，图卜4 为其简化示意图。 郑州大学工学硕十学位论文 图1 4 简化的注塑成型设备示意图 f i g l - 4s 妇p l m e di n j e c d o nm o l d i n gm a c h i n e 1 4 注塑成型质量控制发展趋势 注塑成型技术已经是一项比较成熟的技术，但是随着注塑制品在家电、汽车 等高科技领域的应用，对制品的质量、性能及产品更新换代提出了更高的要求。 高质量高精度高灵敏度的严格要求成为阻止塑料制品快速进入这些高尖领域的限 制和束缚。注塑成型是一个多变量的过程，在注塑成型过程中，影响制品质量的 因素可以分为四类：机器参数、材料参数、工艺参数和扰动。其中机器参数同注 望成型机直接相关用以表征机器的机械特征，它包括：料筒温度、喷嘴温度、液 压系统背压、螺杆旋转速度、模具温度及注塑机和模具的几何特征等。材料参数 为注塑材料的一些典型特征，一般由材料供应商提供，包括材料的流变性能、热 物理性能( 包括密度、分子组成、分子量、比热和热传导率等等) 。工艺参数反映 了成型过程中材料的状态，受机器参数、材料参数的影响，注塑成型过程中的典 型工艺参数有：熔体温度、熔体压力及它们在型腔中的分布、熔体注射速率、模 具内的热流分布等等。当然，这些参数虽然被划分在不同的范围内，但是相互之 间有着密切关系，互相产生影响。机器参数、材料参数决定了工艺参数。对工艺 参数的要求，直接影响到机器参数、材料参数的选取，从而确定出相应的注塑机 和对应材料。由于复杂的动态工艺及材料特性，使得注塑技术难以预测及控制制 件的质量。因此，如何提高注塑制品质量和性能成为该领域的重要研究课题。 注塑成型l3 1 是复杂的多变量、非线性且具有周期性的非稳态过程。成型过程中 聚合物在型腔中的状态如压力、温度、形态等直接决定了制品的质量，因此如何 实现机器设置参数和熔体状态参数之间的闭环控制成为注塑成型技术的研究热 4 第一章绪论 点，该技术的实现将会提高制品质量。状态变量为机器输入和最终制品质量属性 的中间变量，实现注塑成型的精确控制的最大困难在于机器输入和状态变量之间 的关系模型与状态变量和制品质量属性之间的关系模型未知。温度和压力为两个 主要状态变量，目前的状态变量监控研究主要集中在温度和压力的监控上，也有 关于熔体黏度的监控。初期的状态控制主要针对单个变量，选用对整个成型周期 或对某个阶段影响最大的工艺参数，例如熔体温度或型腔压力，或者针对某个特 定目标选择单个工艺参数作为控制变量，而不考虑工艺参数之间的相互影响。注 塑成型过程中各个工艺参数之间的影响程度相当大，控制单一变量很容易使对整 个成型过程的控制失去平衡。研究者们逐渐将研究重点放在了多变量的控制方法 上，同时选用对某个阶段或整个成型周期影响较大的几个参数，并尽可能的考虑 到所选控制变量之间的相互影响”j 。 注塑成型控制总体结构如图卜5 ，整个控制系统包括了三层控制【5 】。内环提供 对机器参数的控制，如料筒温度、背压、螺杆转速、模具温度等，内环控制一般 由机器供应商提供；中间环包括对重要过程参数的闭环控制，由于注塑过程具有 时变、非线性、模型结构不确定等特性，因此给注塑过程控制带来一定的困难， 但通过引入自适应控制、预测控制和智能控制等控制方法，近年来的研究己基本 解决了这方面的问题【5 】。外环则提供对注塑件的质量控制，在该层次的控制中，通 过上一周期制品质量反馈，调节机器设置以便下个成型周期获得更好的制品质量。 图卜5 注塑成型控制系统总图 f i g 1 - 5s y s t e md i a 乒m no f i n j t i o nm o l d i n gc o n t r o l 质量控制的主要困难有两方面，其一质量的在线检测存在很大的困难，因为 判断制品质量( 如检查表面质量和测量尺寸等) 需要很长时间，而在线测量需要 在短时间内快速判断制品质量。其二注塑过程条件和质量之间的关系复杂，没有 现成的工艺模型 6 9 j 。 郑州大学工学硕士学位论文 近几年，将优化算法与数值模拟结合自动优化模具设计的研究得到普遍重 视。在工艺设置和调节方面，目前仅限于应用c a e 分析代替试模来反复验证工艺设 置是否合适，这种方法只能使工艺调节到无明显制品缺陷的工艺条件，而很难达 到最优工艺设置。而且，对于大型复杂的制品，由于工艺模型及几何模型的复杂 性，c a e 分析时间较长，限制了其在工艺优化及控制方面的应用。 h u ay e u “1 2 l 基于商业化c a e 软件c m 0 1 d ，分别采用模拟退火法和遗传算法实 现了注塑成型工艺优化，使制品质量得到极大的改善。 2 0 0 1 年王德翔等研究了作为基于知识的注塑模c a e 系统的有机组成部分， 采用人工神经网络作为工艺参数优化系统的核心技术，通过建立压力温度网络模 型，成功地模拟了注塑成型过程中对成型质量有重要影响的关键参数，设计合理 的优化策略，快速有效地将最优的工艺参数提供给用户。 2 0 0 2 郑州大学国家橡塑模具中心王利霞等【4 l 基于数值模拟技术，研究了注塑工 艺优化及制品制品质量闭环控制的理论方法。在利用工艺模型静态确定了工艺参 数最优值之后，对注塑成型过程进行闭环控制，利用在线测量值与当前工艺参数 最优值之间的偏差进行调节以保持各个工艺参数值的相对稳定，同时，计算机还 根据在线测量值对当前工艺参数最优值进行适当调整，使静态工艺参数最优值变 为动态工艺参数最优值，实现了真正意义上的工艺参数最优值。g h c h o i 等| 1 4 】应 用a n n 技术建立工艺参数和制品质量指标之间的神经网络关系模型，并采用自适应 优化算法优化工艺参数。 1 5 工艺优化及控制国内外研究概况 近年来，研究者们采用多种方法对工艺优化进行了研究。由于实际实验中，制 品质量指标与工艺参数之间的关系复杂，难以给出确定的表达式，实验设计法成 为研究工艺参数对制品质量指标的影响、优化工艺的主要方法之一。 s l i u 【1 5 l 采用正交实验设计法，对熔接线的强度进行了研究。m a l g u a r n e r a l ” 考察了熔体温度、模具温度、注射速率、注射压力对一般商用p s 、耐冲击p s ，p p 等热塑性塑料熔接线拉伸强度的影响，认为对于玻璃化聚合物和表现出屈服的无 定型聚合物，熔体温度和模具温度是影响熔接线拉伸屈服强度的主要因素，而注 射速率和注射压力影响不大。同年，m a l g u a r n e r a 【1 7 】又观察了4 种p p 树脂熔接区 6 第一章绪论 域的微观结构，发现提高熔体温度和模具温度可以改善熔接线屈服强度，提高注 射速度也可以改善熔接线的屈服强度，但影响程度要比熔体温度和模具温度小得 多，而冷却速率对熔接线性能影响不大。s e l d e n 引对p a 6 ( 3 5 玻纤) 、p p s ( 4 0 玻纤) 、 p p ( 4 0 滑石粉) 、p p o 和a b s 等五种材料在不同的保压压力、注射速度、熔体温度 和模具温度下的进行了弯曲、拉伸和冲击测试，发现相同加工条件下，五种材料 的各向异性程度各不相同，p p s 和p a 6 呈强烈的各向异性，沿流动方向上的强度是 横向强度的2 5 3 0 倍，p a 的横向强度甚至低于熔接缝的强度，a b s 和p p o 的各向 异性程度稍低，而p p 几乎呈各向同性。一些研究者认为增加温度会增加熔接线强 度，而有些研究者则得出了相反的结论。s h a s h e m i 研究发现，s m a 熔接线的 强度随温度的升高呈线性降低趋势。w o r d e n f 2 l 】，w e n i g 【捌发现熔接线强度开始时随 温度升高而增强，进一步升温则会下降。t i t o m a n l i o 吲和p i c c a r o l o 发现熔接 线强度对注射时间( 注射速度、注射体积流率、注射压力) 都非常敏感，会随着注 射时间的缩短而增强。l i u 【“】等采用t a g u c h i 方法对p s 材料进行了实验，关注的 工艺参数包括嵌件尺寸、注塑压力、熔体温度、保压压力、模具温度和注射速度， 发现对熔接线强度影响最剧烈的因素是熔体温度，占到6 7 4 6 ，其次为模具温度 和保压压力，分别占到1 7 7 和1 3 3 9 ，而嵌件几何尺寸、注射压力以及注射速 度的影响很小。如何建立起熔接线强度与工艺条件的定量关系是目前该领域国内 外的研究仍面临的问题。 目前国内外众多研究者开展了对收缩及翘曲的研究。s o o y o u n gc h 州2 5 i 应用 l 2 7 正交表选用l d p e 材料研究了工艺条件对长宽9 1 5 英寸，厚度分别为0 0 9 、 o 0 6 英寸的平板平行和垂直流向收缩的影响，工艺条件考虑了模具温度、熔体温 度、保压时间、注射速度和保压压力以及模具温度与保压时间、熔体温度与保压 时间的交互作用，并应用c m o l d 进行数值模拟与实验结果进行对比，通过人工神 经网络建立关系模型。t j a m e s w a n g 【圳应用c a e 软件和t a g u c h id o e 技术，研究了 工艺参数对制品收缩的影响，并获得优化的工艺参数。m i n g c h i hh u a n g 等【2 7 i 应 用t a g u c h i 实验设计方法，通过c m o l d 数值模拟代替实际实验，分析了工艺参 数对薄壁件翘曲的影响。结果得出保压压力对制品翘曲影响最大，其次是模具温 度、熔体温度和保压时间。然而，浇口尺寸和注射时间对薄壁件翘曲影响不大。 此外，应用t a g u c h i 方法优化了工艺条件，降低了制件翘曲。实验中考虑了模具 温度和熔体温度的交互作用以及熔体温度和注射时间的交互作用。其中，模具温 郑州大学工学硕士学位论文 度和熔体温度交互作用对翘曲影响的贡献率达到2 3 6 3 ，是不能忽略不计的。 t a o c c h a n g f 2 s j 应用c a e 模拟预测结合t a g u c h i 实验设计法对半结晶材料h d p e 和 非结晶材料g p s 和a b s 在注射成型中的收缩问题进行了系统的研究。发现结晶型 材料h d p e 比无定型材料g p s 和a b s 收缩率高，对于h d p e 垂直流向收缩率比平行 流向收缩率大，而g p s 和a b s 则刚好相反。对这三种材料，模具温度、熔体温度、 保压压力及保压时间对收缩的影响较大。v l e o 等2 9 1 实验研究了保压参数( 保压压 力和时间) 、浇口厚度和模具的弹性对注塑件最终尺寸的影响。k m b j a n s e n 等 恻用4 种非结晶材料( p c 、p s 、a b s 和h i p s ) 和3 种半结晶材料( p b t 、p b t + 3 0 g f 和h d p e ) ，就加工参数的变化对注塑件收缩的影响作了系统研究。s j l i a o 川 等应用t a g u c h id o e 研究了工艺参数及其交互作用对一个薄壁电话外壳收缩、翘 曲的影响及工艺优化，研究发现保压压力是影响收缩和翘曲的最重要参数。由于 注塑工艺条件及机器对于收缩与翘曲的影响不同，其优化的工艺条件并不相同。 b h m i n 【3 7 l 应用响应曲面法对制品三个方向的收缩建立回归方程，并进行工艺优 化。在此基础上b h m i n 通过在线测量重量对制品质量进行在线监控。 由于沉降斑测量存在一定的困难，目前对于这方面的研究较少。s h i h j u n g l i u 等1 3 2 _ 3 4 1 基于一个带筋板的制品研究了筋板尺寸、方向、浇口尺寸、保压压力、 时间及熔体和模具温度等参数对制品沉降斑深度的影响。之后又研究了沉降斑的 最小化问题，并应用a n s y s 对沉降斑的形成进行了模拟，用来预测优化制品表面 沉降斑的深度。h l l ay e 【1 2 l 等基于软件c m o l d 结合遗传算法对沉降斑最小化进行 了研究。o 怕v i 孔a i n e n 等研究了材料、模温、熔体温度、保压压力及注射速 率对带筋板平板沉降斑的影响。王利霞等【36 】以沉降指数表征沉降斑，应用c a e 技 术预测制品中的沉降斑，结合c a e 技术与t a g u c h i 实验设计技术研究工艺参数对 制品中沉降斑深度的影响并优化工艺参数。 1 6 本文选题思想及主要工作 在注塑成型制品质量控制方面存在困难不仅来源于工艺动力学的复杂性和在 温度、压力波动下材料行为的不可预测性，还来源于对制品质量与影响因素之间 的关系缺乏了解1 38 1 。研究工艺参数对制品质量的影响关系，确定工艺变量对制品 质量指标的影响度，是选取控制变量、抽取工艺特性数据及制品质量特性数据、 第一章绪论 建立工艺参数与制品质量之间的关系模型的前提f 4 。本论文将侧重研究注塑工艺参 数和质量问的关系并应用人工神经网络技术建立关系模型。 基于以上论述，本文基于析因分析及正交设计实验方法研究工艺参数对制品质 量的交互影响、筛选重要交互作用，并研究了工艺参数及其主要交互作用对制品 质量的影响，建立质量指标与工艺参数关系模型。主要工作内容如下： 1 工艺参数对制品质量的交互影响分析。注塑制品的质量受多种因素的影响， 而工艺条件直接影响着熔体在型腔中的流动状态及最终制品的质量。过去对工艺 参数对制品质量的研究主要集中在单个因素对制品质量影响的基础上，而较少考 虑参数之间的交互作用。本文内容既是在此情况下，应用析因分析研究工艺参数 对制品质量的交互影响，并筛选出主要工艺参数之间的重要交互作用。实验研究 了选用无定型a b s 和半结晶型p p 两种材料情况下，工艺参数对有及无熔接线的 工字型拉伸试样强度影响的交互作用；工艺参数对一维流动平板平行流动方向及 垂直流动方向收缩的交互作用。 2 基于c a e 分析的工艺参数及交互作用的影响研究。实际实验费时费力，甚 至某种情况下通过实际实验其质量指标无法测量。而c a e 技术的发展，使得其能 解决实际生产中无法解决的问题。本文采用c a e 代替实际试验，进行了具体案例 的分析。 3 应用正交实验设计结合析因分析结果，研究工艺参数及其重要交互作用对 制品质量的影响。研究内容包括：工艺参数及其重要交互作用对有无熔接线工字 型拉伸试样强度的影响规律；工艺参数及其重要交互作用对一维流动平板重量及 其平行流动方向和垂直流动方向上收缩、强度的影响规律。并进行工艺优化。 4 工艺参数及交互作用对沉降斑的影响研究。随着塑料制品越来越广泛的应 用，其外观质量的要求也就越来越高。沉降斑是影响外观质量的重要缺陷。本文 对由于厚度突变引起的沉降斑进行了研究，考察了几何形状、工艺参数及其重要 交互作用对沉降斑形成的影响规律并进行优化。 5 工艺参数与质量指标之间关系模型的建立。注塑质量控制中，存在很大的 困难，这些困难不仅来源于工艺动力学的复杂性和在温度压力波动下材料行为的 不可预测性，还来源于制品质量与影响因素之间的关系缺乏了解。本文基于前面 的实验结果及规律分析，应用神经网络技术建立了工艺参数对质量指标的影响关 系模型，为质量控制技术提供了工艺模型。 郑卅l 大学硕士学位论文 第二章注塑成型工艺分析及制品质量特性 2 1 注塑成型工艺分析 注塑成型过程中主要有三方面的工艺条件控制，与压力有关的条件有：注射 压力、保压压力和塑化压力( 又称为背压) ；与温度有关的条件有：机筒温度、模具 温度、因背压及熔体在流道、浇口、型腔中因摩擦、剪切作用产生的热量而引起 的温升；与时间有关的条件有：注射时间( 注射速率) 、保压时间、冷却时间及材料 塑化时间等。此外还有决定注射量的计量行程。下面主要从注塑工艺角度理解一 些关键的参数，以求达到控制制品质量的目的。 2 1 1 压力参数i 4 0 1 ( 1 ) 注塑压力 压力与塑件的许多特性有关，提高注塑压力有助于熔体充模，增加塑件密 度，减少塑件收缩，并提高尺寸稳定性等。但塑件内应力及取向也随之增加，造 成塑件脱模困难，还会损伤塑件表面。一般来说，较高的注塑压力对产品的综合 性能是有益的，但过高的注塑压力容易造成熔体的喷射式流动，在塑件内形成气 泡、银纹，甚至烧伤塑件。也容易使塑件产生溢料或飞边、引起过度填充，使塑 件内应力增大，容易产生变形和翘曲，脱模时易出现裂纹、划伤或顶出变形，同 时对模具本身也带来不良影响。 ( 2 ) 保压压力 在注射成型的保压补缩阶段，保压压力对模腔内塑料熔体进行压实以及维持 向模腔内进行补料流动。保压压力可影响塑件的缩痕，尺寸稳定性，以及浇口附 近的取向度和脱模等。高的保压压力显然可以增加塑件密度，减少或消除塑件缩 痕，提高尺寸稳定性，防止物料产生倒流现象等。但同时带来制件取向增高、冷 却时间加长、不易脱模等不利影响，使塑件容易产生变形、表面划伤等，也容易 使塑件产生飞边，影响表观质量。一般来讲，保压压力对制品的质量影响与注射 压力的影响相似。大多数塑料的保压压力在注射压力的4 0 一8 0 之间，而具体保 压压力的确定，主要考虑塑件材料的特性及制件的结构，并克服熔体从机筒到模 1 0 第二章注塑成型工艺分析及制品质量特性 腔的流动阻力，将熔料送入型腔并将之压实。 ( 3 ) 塑化压力( 背压) 塑化压力是指螺杆顶部熔料在螺杆后退时所受到的压力。它对注射成型的影响 主要体现在：注射机对物料的塑化效果及其塑化能力方面。一般来讲，增大塑化压 力，螺杆后退速度减小，机筒内熔体受到的压力随之增加。于是塑化时剪切作用 加强，塑化效果提高。但须往意的是，增大背压的同时，过高的塑化压力一方面 因熔体在螺槽边缘的反流和漏流而减少了塑化量，可能引起计量不足，另一方面 会使剪切热过高剪切应力过大，有可能使物料降解，产生气泡或烧伤，影响塑件 质量。 2 1 2 温度参数h 1 】 ( 1 ) 模具温度 模具温度是指在成型过程中的模腔表面的温度，模具温度影响熔体的充模流 动行为、制品的冷却速度和成型后的制品性能等。模温的设定主要取决于熔料的 粘度。熔料粘度较低的可以采取低模温注射以缩短冷却时间，提高生产效率。熔 料粘度较高的应采用高模温注射成型。一般说来提高模温可以使制件的冷却速率 均匀一致，防止凹痕和裂纹等成型缺陷产生。结晶型塑料的模温控制直接决定了 冷却速率，从而进一步决定结晶的速率。模温高时冷却速率小，结晶速率变大， 有利于分子的松弛过程，分子取向效应小。模温太高，会延长成型周期和使产品 发脆。模温低，冷却速率大，熔料的流动与结晶同步进行，由于熔料在结晶温度 区间停留时间缩短，不利于晶体的生长，造成产品的分子结晶程度较低，影响其 使用性能。此外，模温过低，塑料熔体的流动阻力很大，流速变缓，甚至在充模 中凝固妨碍后续进料，使得制件短射，强迫取向大，常造成塑件缺料、凹陷、熔 接缝等缺陷。因此，要保证制品的成型质量，必须有一个高低适宜的模温范围。 ( 2 ) 熔体温度 熔体温度主要取决于机筒和喷嘴两部分的温度，影响物料的塑化和熔体的注 射充模。注射温度的提高主要有利于改善熔体的流动性，它与制品的很多特性有 关。升高熔体温度，可使塑件内应力、流线方向的冲击强度和挠瞌度、拉伸强度 等机械力学性能降低，而使垂直于流线方向的冲击强度、流动长度、表面粗糙度 等性能有所改善，并可降低制品的后收缩。从总体上看，提高熔体温度有利于改 善充模状况以及在模腔内的传递，降低取向性等，有利于制品的综合性能的提高， 郑州大学硕士学位论文 但过高的温度也不可取。当熔体温度接近注塑温度范围的上限值时，一方面容易 产生较多的气体，使塑件产生气泡、空洞、变色、烧焦等，也因过多地改善流动 性而产生飞边，影响制品表观质量；另一方面，过高的温度会使塑料发生降解作 用，使塑件强度降低，失去弹性等，影响使用性能。因此，料温必须进行很好的 控制。 2 1 3 时间参数 ( 1 ) 注射时间 注射时间是控制注射速率的参数之一。注射时间越短，则注射速率越高，注 射速率的大小对塑件的性能有很大影响。提高注射速率可使充模压力提高，有利 于充模过程，并使充模中的热量散失减少，模腔温度比较均匀，制品均匀而密实。 同时可降低制品收缩率，减少塑件芯部取向，增加熔接缝强度。一般来说，注射 速率的提高有益于制品的综合性能，但过高的注射速率会增加压力损失，降低固 化层厚度，提高塑件表层取向性，甚至使熔体发生弹性湍流，使塑件容易形成飞 边、表面裂纹等。经实验证明1 4 m ，过高过低的注射速率都会导致冲击强度的下降。 另一方面，过低的注射速率使塑件熔接缝强度下降，总取向作用增大，内应力增 高等，影响制品力学性能。 ( 2 ) 保压时间 保压时间和冷却时间的长短也对塑件的质量产生直接影响。缩短保压时间， 会使模腔压力降低加快，有可能产生倒流，使塑件产生缩孔、凹陷等缺陷，并影 响塑件尺寸的稳定性。加长保压时间，可提高塑件尺寸的稳定性避免上述缺陷的 发生，得到致密的产品。同时会使模腔压力提高，改变由于温度不均而产生的内 应力。但会增加脱模难度，有时容易产生表面顶出划伤或将塑件项弯的现象。材 料塑化时间的长短可影响塑化质量，直接影响产品性能。时间太短了不能使塑化 均匀、温度一致，容易产生硬块、银丝等；而太长了又会使熔料因螺杆的作用而 发生分解、烧伤等，也给产品质量带来不良影响。 2 1 4 注射速度 注射速度是指螺杆前进将熔融物料充填到模腔时的速度，一般用单位时间的 1 2 第二章注塑成型工艺分析及制品质量特性 注射质量( g s ) 或螺杆前进的速度( m s ) 表示，它和注射压力都是注射条件中的重 要项目之一。 随着充模速度的不同可出现不同的充模效果，下图表示低速和高速充模时料 流情况。 e 匈团e 羽 e 目目 图2 i 两种注射速度下的充模过程 f i 9 2 - l 丁h ef n l i n gp r o c e s s e so f ”o e c t i o ns p e e d 低速注射时，料流速度慢，熔料从浇口开始渐向型腔远端流动，料流前呈球形， 先进入型腔的熔料先冷却而流速减慢，接近型腔壁的部分冷却成高弹态的薄壳，而 远离型腔壁的部分仍为粘流态的热流，继续延伸球状的流端，至完全充满型腔后， 冷却壳的厚度加大而变硬。这种慢速充模由于熔料进入型腔时间长，冷却使得粘度 增大，流动阻力也增大，需要用较高注射压力充模。 对不具有活性原子团的非极性聚和物而言( 如p p ) ，剪切应力的增加将引起熔 体粘度的下降。这种性质对注塑是非常有利的，因为注射速度可以作为温度和压力 以外的第三种手段，能对物料的粘度进行控制和调节。 在注塑理论中理想的注射成型速度就是”将最均匀熔融的塑料，用最短的时 间传送至模具内使其在均一状态下固化”，从这一理论观点来看一般都希望注塑 速度快，但实际成型时受到成型机性能的限制，高速流动产品外观容易产生种种异 常，故不能期望流速太高。所以合适的注塑速度应以塑件的表观质量和模具的结构 来确定。 2 2 注塑成型制品质量特性 制品质量【4 2 1 由内部质量和外部质量组成，前者又称性质质量，后者又称表观 质量。 内部质量是指与塑料形态有关的结晶、取向、变形、翘曲及内应力分布；与 郑州大学硕士学位论文 力学性能有关的拉伸、弯曲、冲击、熔接线强度；与变形有关的尺寸精度、几何 精度等等。制品内部质量将直接影响到制品的使用性能和使用领域。外部质量是 指表观质量即表面质量，是与内部质量有直接联系的，是内部质量的一种反映， 并与注塑工艺条件有直接关系，例如表面有凹陷、缩孔、气孔、流纹、颜色不均、 烧焦、暗纹、暗斑、银纹、无光泽、泛白、剥层、白化、烧口裂纹、应力开裂、 龟裂、翘曲、扭转、溢边等表面缺陷。影响制品内、外质量的因素很多，必须从 多方面注意才能注塑出优质制品。注塑制品质量的主要影响因素可用鱼刺图( 图2 3 ) 表示。 注塑材料性能 注塑工艺条件 制品设计 2 2 1 熔接线 图2 2 带4 品质量影响因素鱼刺图 f i g 2 - 2t h ef i s hp 1 0 to f e 毹c tf a c t o r st o 山ep a r tq u a l i t y 熔接线1 4 3 i 是塑料件中的一个区域，它是彼此分离的两股塑料熔体相遇后熔合 固化而生成的。熔接线区域的形态和结构有别于注塑件的其它部分，其力学性能 低于注塑件的其它区域，是整个塑件中的薄弱环节。熔接线的存在比塑件中任何 缺陷更为重要，它是材料性能与塑料件性能之间存在差距的主要表现。熔接线的 形成过程如图2 4 所示。 * _ “_ _ _ j _ _ 一- _ 。_ _ - _ _ 一_ _ w _ 一h 一k a _ 熔体流动前沿的泉涌流动；b 一熔体流动前沿的相遇： c 一熔接线区域的分子取向；d 一熔接线区域的v 形缺口 图2 4 熔接线的形成过程 a _ f o l l l i t a i nn o wa tm e l tf b n tb - t h et w om e l tf o mm e e t i n g c t h en b e ro rm o k c u l a