（机械设计及理论专业论文）基于熔体pvt关系的注塑制品质量控制方法的研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号t q 3 2学科分类号 4 6 0 2 0 论文编号 1 0 0 10 2 0 1 l0 6 2 8 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名吴廷学号 2 0 0 8 0 0 0 6 2 8 获学位专业名称机械设计及理论获学位专业代码 0 8 0 2 0 3 国家“十一五”科技高分子材料成型加工原 课题来源研究方向 支撑计划项目理与设备 论文题目基于熔体p v t 关系的注塑制品质量控制方法的研究 关键词注射成型，聚合物p v t 关系，保压过程，质量重复精度 论文答辩日期 2 0 1 1 年5 月2 8 日论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称工作单位 学科专长 指导教师丁玉梅 副研究员北京化工大学聚合物成型加工 评阅人l盲评 2 0 1 1 m 0 0 0 4 a 评阅人2杨卫民教授北京化工大学聚合物成型加工 高级工程 答辩委员会主席赵月云 北京化工研究院机械工程 师 答辩委员l 杨卫民教授北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员2张亚军教授 北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员3冯连勋教授 北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员4 罗宾 副教授北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员5马秀清副教授北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员6张冰副教授北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员7 董力群副教授北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员8党开放讲师北京化工大学机电一体化 征：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查 询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 基于熔体p v t 关系的注塑制品质量控制方法的研究 摘要 随着我国科技水平的不断发展，各行各业对塑料制品的精度和性能提 出了更高的要求，聚合物精密注射成型已经成为塑料成型加工领域备受关 注的问题。提高注射成型精度一般有两种方法，一种是提高设备的加工和 控制精度，另一种是对注射成型工艺参数进行优化。本文以聚合物p v t 关系为核心，采用工艺参数优化的方式提高注射成型精度，对精密注射成 型过程控制技术进行了研究。 本文提出了注射过程保压阶段的起点、过程和终点控制原则，并对国 内外现有的转压点、保压过程和保压结束点的控制技术进行了总结，最后 以聚合物p v t 控制方法和原理为基础，提出了一种新型的基于注塑装备 的过程控制技术( 保压过程的p t 控制) 。 本文从聚合物注射成型基本原理入手，提出了一系列以型腔压力和型 腔温度为控制信号的新型的聚合物p v t 控制方法。对保压过程与p v t 曲 线的关系进行了详细的描述，绘制了单一制品注射成型最佳保压曲线和批 量生产制品时不同保压过程控制方法对应的p v t 曲线图，指出了不同成 型过程控制方法的p v t 曲线特点，从本质上解释了不同保压过程的差异 所在，通过理论分析证明了p t 控制方法具有高精度的原因。 为了验证p v t 控制方法对注射成型过程的控制效果，在海天注射机 上进行了p v t 控制相关实验，包括型腔压力控制转压、型腔温度控制转 北京化工人学硕i ：学位论文 压；型腔压力控制保压结束点、型腔温度控制保压结束点；型腔温度控制 保压过程( 聚合物p t 控制技术) ；以及多参数组合控制。并且与传统的注 射机控制方法( 时间控制和螺杆位置控制) 进行了对比。实验结果表明，采 用这些新型的控制技术对制品质量和重复精度都有不同程度的提高作用。 型腔压力控制转压点+ p t 控制保压过程的方法获得了最高的质量重复精 度，对于p p 料精度为o 0 6 2 9 ，对于a b s 料精度为o 0 3 6 7 ，达到精密 注射成型对制品质量精度的要求，实现了在普通注射机型上通过控制工艺 参数成型精密零件的目的。 关键词：注射成型，聚合物p v t 关系，保压过程，质量重复精度 a b s t r a c t s t u d yo nq u a l i t yc o n t r o lm e t h o db a s e do n m e i j rp v tr e l a t i o n s h i p s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi no u rc o u n t r y ，t h e a c c u r a c ya n dp e r f i o n l l a n c er e q u i r e m e n t sh a v eb e c o m em o r ea n dm o r es t r i c t p o l y m e r sp r e c i s i o ni n je c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m eo n eo ft h em o s t i m p o r t a n tq u e s t i o n si np l a s t i cp r o d u c t i o na n dp r o c e s s i n g t h e i ea r et w o m e t h o d st o i m p r o v ep r e c i s i o n o fi n j e c t i o n m o l d i n g ， w h i c hc o n t a i n i m p r o v e m e n to fe q u i p m e n tp r e c i s i o na n do p t i m i z a t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r s p r o c e s sc o n t r 0 1t e c h n i q u e so fp r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n g ，w h o s ec o r ei s p o l y m e r p v t r e l a t i o n s h i p s ，w e r er e s e a r c h e di nt h i st h e s i s t h ec o n t r o lp r i n c i p l eo ft h es t a r t i n gp o i n t ，t h ep r o c e s sa n dt h ee n d i n g p o i n to fh o l d i n gs t a g ew e r er e s e a r c h e d e x i s t i n gi n j e c t i o nm o l d i n gc o n t r o l t e c h n i q u e sd u r i n gh o l d i n gp r o c e s s w e r es u m m a r i z e d 0 nt h eb a s e so f p o l y m e r sp v tc o n t r o lm e t h o d sa n dt h e o n e s ，a ni n n o v a t i v ep r o c e s sc o n t r o l t e c h n i q u e sn a m e dp tc o n t r o lm e t h o db a s e do ni n je c t i o nm o l d i n ge q u i p m e n t w e r e p r e s e n t e d b a s e do nt h e 如n d a m e n t a lo fp o l y m e r si n j e c t i o nm o l d i n g ，as e r i e so f t y p i c a lp v tc o n t r o lm e t h o d s ，w h i c ht a k ec a v i t yp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ea s c o n t r o lv a r i a b l e s ，w e r ep r e s e n t e d t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nh 0 1 d i n gp r o c e s s 北京化t 犬学硕一l ：学位论文 a n dp v td i a g r a mw e i ed e s c r i b e di nd e t a i l t h ep v td i a g r a m so fb e s t i n j e c t i o nm o l d i n gh o l d i n gc u r v eo fo n ep a r ta j l dd i f r e r e n th o l d i n gc o n t r o l m e t h o d sw a sd r a w n i t e x p l a i n st h er e a s o n sw h yd if r e r e n tm e t h o d sh a v e d i 仃e r e n tc o n t r o lp r e c i s i o n ，a n dw h yt h ep tc o n t r o lm e t h o dh a st h eb e s tw e i 曲t r 印e a t a b i l i t yp r e c i s i o ni nt h e o r e t i c a la n a l y s i s i no r d e rt ov e r i 母t h ee f r e c to ft h en e wp v tc o n t r o lm e t h o d s ，r e l e v a n t c o n t r o le x p 甜m e n t sw e r ed o n eo nh a 汀i a n i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ， i n c l u d i n gs w i t c h o v e rc o n t r o lb yc a v i t yp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e ，h o l d i n g e n d i n gp o i mc o n t r o lb yc a v i t yp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e ，h o l d i n gp r o c e s s c o n t r o lb yc a v i t yt e m p e r a t u r e ，( p tc o n t r o l t e c h n i q u e ) a n dm u l t ip a r a m e t e r s g r o u pc o n t r o lt e c l l l l i q u e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eq u a l i t ya n dw e i g h t r 印e a t a b i l i t yo fp a r t sw i t ht h e s en e wc o n t r o lm e t h o d sc a nb ei m p r o v e dt oa g r e a td e g r e e t h eb e s tm e t h o di ss w i t c h o v e rp o i n tc o m r o lb yc a v i t yp r e s s u r e + p r o c e s sc o n t r o lb y p tt e c h n i q u e t h ew e i g h tr e p e a t a b i l i t yp r e c i s i o n ( o 0 6 2 9 f o rp pa n do 0 3 6 7 f o ra b s ) s h o w st h a tt h i sm e t h o ds a t i s f i e st h ew e i g h t r e p e a t a b i l i t yr e q u i r e m e n t s o fp r e c i s i o n i n j e c t i o nm o l d i n g t h en o m a l i n je c t i o nm o l d i n gm a c h i n e sw i t ht h en e wc o n t r o lm e t h o dc a np r o d u c t p r e c l s l o np a r t s k e y w o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n g ，p 0 1 y m e rp v tr e l a t i o n s h i p s ，h o l d i n gp r o c e s s ， w e i g h tr e p e a t a b i l i t y v 目录 目录 第一章绪论l 1 1 注射成型概述1 1 2 精密注射成型研究现状2 1 3 聚合物p v t 特性概述3 1 4 研究的目的和意义5 1 5 课题主要研究内容6 第二章精密注射成型过程控制原理及技术7 2 1 引言7 2 2 注射成型控制精度的评价指标8 2 3 注射成型过程控制技术9 2 3 1 转压点的控制1 1 2 3 2 保压过程的控制1 4 2 3 3 保压结束点的控制1 6 2 4 注射成型p t 控制技术1 6 2 5 本章小结1 7 第三章基于聚合物p v t 特性的注射成型过程的理论研究1 9 3 1 引言。1 9 3 2 聚合物p v t 状态方程1 9 3 3 注射成型过程的描述2 0 3 4 制品的最佳保压曲线2 2 3 5 保压过程典型控制方法的p v t 特性曲线2 3 3 5 1 转压点2 4 3 5 2 保压过程2 7 3 6 提高质量重复精度的保压过程最优控制方法3 0 3 7 本章小结3 1 第四章注射成型p v t 控制方法实验研究3 3 v 北京化1 二大学硕士学位论文 4 1 引言一3 3 7 1 7 2 3 3 8 8 9 2 5 6 6 8 3 4 4 5 9 0 0 1 3 4 4 4 6 7 7 7 8 9 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 一 一 一 一 一 一 一 j t 1 ，i r户 ，h 一生 j ”一 - r ? l 一 一 q 一 v1 l r p - 一 i 一 目录 参考文献。7 3 致谢7 7 研究成果及发表的学术论文7 9 作者及导师简介81 c 0 n t e n t s co n t e n t s c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1 【1 1 t r o d u c t i o no f i n j e c t i o nm o l d i n g l 1 2r e s e a r c hs t a t u so f p r e c i s i o n e c t i o nm 0 1 d i n g 2 1 3s u m m a uo f p o l 舯e rp v tc h a r a c t 谢s t i c s 3 1 4r e s e a r c ho b j e c t i v ea n ds i g n i f i c a j l c e 5 1 5m a i nr e s e a i hw o r k 。6 c h a p t e r2 p r o c e s sc o n t r o lp r i n c i p l ea n dt e c h n o l o g yo fp r e c i s i o n i l l j e c t i o nm o l d i n g - 7 2 1p r e f a c e 7 2 2e v a l u a t i o no f i n j e c t i o nm o l d i n gc o n t l o lp r e c i s i o n 一8 2 3p r o c e s sc o n t r o lt e c h n 0 1 0 9 yo f i n j e c t i o nm 0 1 d i n g 9 2 3 1s w i t c h o v e rp o i n tc o n t r 0 1 1 1 2 3 2h o l d i n gp r o c e s sc o n n 0 1 一1 4 2 3 3h o l d i n g p i i o c e s se n d i n gp o i n tc o n 缸d l l 6 2 4p r e s s u r e t 锄p e m t u r ec o n 仃d 1t e c 量m 0 1 0 9 yo fi n j e c t i o nm o l d i i 培16 2 5s u 瑚m a i v 。17 c h a p t e r3s t u d yo ni i l j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sb a s e do np o l y m e r p v t r e l a t i o n s h i p s 1 9 3 1p r e f a c e 1 9 3 2p o l y m e rp v tc u r v e sa 1 1 d 询e c t i o nm o l d i n g “19 3 3d e s 嘶p t i o no fi n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s 2 0 3 4b e s ti n j e c t i o nm o l d i n gh o l d i n gc u e 2 2 3 5p v tc u r v e sw i t hh o l d i n gp r o c e s sc o n t r 0 1m e t h o d s 2 3 3 5 1s w i t c h o v e rm o d e ”2 4 3 5 2h o l d i n gp r o c e s s 2 7 3 60 i p t i m a lc o n t r o lm e m o do f h o l d i n gp r o c e s st oi m p r o v ew e i 曲tr 印e a t a b i l i t y 3 0 3 7s 啪m a l v 一3l 北京化工人学硕t ：学位论文 c h a p t e r4e x p e r i m e n t a ls t u d yo fi n j e c t i o nm o l d i n gp v tc o n t r o l m e t h o d ”一”一”3 3 4 1p r e f a c e 3 3 4 2e x p e r i m e n tc o n d i t i o n s ”3 3 4 2 1e x p e r i m e n te q u i p m e n t 3 3 4 2 2e x p 耐m e n tm a t 甜a la i l dp a n 3 8 4 3e x p e r i m e n ts t l l d yo fn o n - h 0 1 d i n gp h a s em o l d i n gi n j e c t i o n 3 8 4 3 1e x p 嘶m e n t 一3 9 4 3 2r e s u l ta n da n a l v s i s 4 2 4 3 3c o n c l u s i o n 。4 5 4 4e x p 甜m e n ts t u d yo fs w i t c h o v e rm o d e 4 6 4 4 1e x p e r i m e n t 。4 6 4 4 2r e s u l ta n da n a l v s i s 4 8 4 4 3c o n c l u s i o n 5 3 4 5e x p e r i m e n ts t u d yo f h 0 1 d i n ge n d i n gp o i n t 5 4 4 5 1e x p e r i m e n t 5 4 4 5 2r e s u l ta n da n a l v s i s 5 5 4 5 3c o n c l u s i o n 5 9 4 6e x p e r i m e n ts t u d yo f h 0 1 d i n gp r o c e s s 一6 0 4 6 1e x p e r i m e n t “6 0 4 6 2r e s u l ta n da n a l v s i s “61 4 6 3c o n c l u s i o n 6 3 4 7e x p e r i m e n ts t u d yo fs w i tc _ h o v e rm o d eb a l s e do nh 0 1 d i n gp r o c e s sc o n t m l l e dw i t h p tm e m o d 6 4 4 7 1e x p e r i m e n t 。6 4 4 7 2r e s u l ta n da n a l v s i s “6 4 4 7 3c o n c l u s i o n + 6 6 4 8a p p l i c a t i o no f o p t i m a l i n j e c t i o nm o l d i n gc o n t r 0 1m e t h o di no t h e rm a t e r i a l 6 7 4 8 1e x p e r i m e n t 6 7 4 8 2r e s u l ta n da n a l v s i s 6 7 4 8 3c o n c l u s i o n + 6 8 4 9s u m m a i v 一6 9 c h a p t e r 5c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t s 7 1 c 0 n t e n t s 5 1c o n c l u s i o n s 7 l 5 2p r o s p e c t s 7 2 r e f b r e n c e s ”一7 3 a c l l l o w l e d g e m e n t s 7 7 r e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa n dp u b l i s h e dp a p e r s 。7 9 b r i e fi n t r o d u c t i o no ft u t o ra n da u t h o r ”8l x l 第一章绪论 符号说明 压力，p a 比容，c m 3 f 1 温度，k 质量，g 时间，s 质量重复精度， 第i 个制品质量，g 制品质量平均值，g 制品个数，个 温度为t ，压力为p 时的比容，锄3 g 压力为l b a r ，温度为t 时的比容，c m 3 g ! 温度依赖性的常数，p a 温度为t ，压力为p 时的比容修正值，锄3 茁1 转化温度，k 常压、转变温度时的比容，c m 3 9 1 比容对温度的关系因子，c i i l 3 百1 k 1 b ( t ) 在固态时的特征因子，p a b ( t ) 在熔融态时的特征因子，k 。 零压下的转变温度，k 转变温度因压力而线性增加因子，k p a 。1 结晶型聚合物转化温度以下的比容修正系数，c m 3 9 1 结晶型聚合物转化温度以下的比容修正系数，k 。 结晶型聚合物转化温度以下的比容修正系数，p a 。 收缩率， 质量重复精度， 第i 个制品质量，g 制品长度平均值，m m 聊仍仞例 也也也也 p 矿丁 小，品耽磊 ”w瑚乃h h b以幻如幻如幻s茈厶z 第二章精密注射成型过程控制原理及技术 1 1 注射成型概述 第一章绪论 近年来，随着经济和科技水平的不断发展，高分子材料因其密度小、重量轻、比 强度高、绝缘性能好、介电损耗低、化学稳定性好、耐磨性好、减震隔音性好等优点， 在国防、航空航天、汽车、家电、自动化设备、医疗、建材等诸多领域得到了广泛应 用，塑料与混凝土、钢铁、木材并称为四大工业材州，并在很多方面逐渐取代了钢 材、木材和其它非金属材料【2 】。 塑料经过熔融塑化、注射成型、冷却定形一系列的过程，从粒料或粉料变成一定 形状制品，这个过程就是注射成型过程。注射成型因其可以生产和制造形状复杂、尺 寸精确、带嵌件的制品，成型温度较传统金属材料低，易于成型加工，易于与计算机 技术结合，易于实现自动化生产等优点，在高分子材料成型加工领域中占有极其重要 的位置p 】。绝大多数的热塑性塑料、部分热固性塑料、注射用橡胶、热塑性弹性体以 及一些复合材料都可以通过注射方法成型，据统计，目前有三分之一的塑料制品是通 过注射方法生产的，注射机的年产量约占塑料机械总量的6 0 以上【4 】，今后我国塑料 机械产品进出口将以注射机为主【5 j 。2 0 0 6 年我国注射机年产量已经突破五万台，占世 界注射机总产量的三分之一，中国注射机行业的龙头宁波海天集团注射机产量居 世界之首【6 】，注射成型已经成为高分子材料加工最终要的手段之一。 液压系统合模系统操作界面加热系统供科系统 一一 x 么竞 鼻聃u 麟 7 l 悠 一+ i 馨| _ 俐： 警。“铷 昏i 笋。黔 l _ ，ql ”弋雨f k _ 缓籀觎蕊 。一一墟一 ： 缭 ”一卜 1 0 i ( 众 一 一锄燃测 ；。 图1 1 注射成型机 f i g 1 - li n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e 绣 北京化工人学硕i 二学位论文 注射机是实现注射成型过程的设备。如图1 1 所示为一台注射成型机，它集机、 电、液于一体，通用的注射机包括注射系统、合模系统、加热冷却系统、液压系统、 润滑系统、电控系统、安全保护与监测系统和一些辅助系统组成，这些系统在一个成 型周期内完成塑化、合模、注射、保压、冷却、顶出等步骤，如此往复循环，周期性 的生产制品【7 j 。 自从1 8 7 2 年第一台柱塞式注射成型机发明以来【s j ，注射成型技术取得了快速的发 展，在传统的注射成型基础上，还出现热流道、超高速、多组分、气体辅助、微注射、 发泡注射、反应注射等许多注射成型技术。注射成型计算机辅助技术也随着发展起来， 如m o l d n o w 、m o l d e x 等c a e 软件，可以帮助设计师对成型过程和模具进行模拟分析， 缩短成型周期、减少模具加工次数。 1 2 精密注射成型研究现状 随着注射成型应用的领域越来越广，人们对注塑制品的质量要求越来越高，制品 不仅要具有较好的机械性能、重量精度、尺寸精度、工作稳定性，较低的翘曲变形， 优良的转写性，有些制品还要求有优异的光学性能【9 】。传统的注射成型技术在许多方 面已很难满足工作和性能要求，一些精密制品( 如齿轮) 往往容易出现锁孔、翘曲变形 等缺陷【l ，因此越来越多的人开始对精密注射成型进行研究，随着精密制品向高精度 化、高功能化、小型化、轻量化、低成本、高附加值的方向发展，精密注射成型技术 也向着精密化、计算机辅助化、无人化、节能化发展。 由于精密制品苛刻的要求，与之相对应的精密注射成型机也应满足一定的要求： 高注射压力和注射速率，高制品质量重复精度，机器结构尺寸精度要求较高，注射量 和计量精度高，其中质量重复精度要求高于o 3 】。 聚合物的注射成型过程相比其它塑料成型方法更加复杂。根据塑料在注射机内的 变化过程，注射成型过程可以分为预塑、填充、保压、冷却四个阶段。每个阶段对制 品的质量都有影响，且影响的因素和程度各不相同。因此注射成型过程的可控量也非 常多，除了材料本身外，还涉及到成型工艺、成型模具、注射机工作环境，其中又以 成型工艺最为复杂。成型工艺主要包括温度( 料筒温度、喷嘴温度、模具温度、液压油 温等) ，压力( 塑化压力、注射压力、保压压力、液压压力、合模力、顶出力等) ，时间 ( 注射时间、保压时间、冷却时间、其它时间) 。有研究表明，如果加工精密小模数齿 轮，成型工艺对制品尺寸稳定性的影响高达6 0 【i2 1 ，对注射成型过程中的工艺参数的 合理控制，能明显提高制品的质量。 国内外对于精密注射成型的研究已经有很长的时间，从上个世纪七十年代开始， 发达国家就已经研制出不同种类的精密注射成型机，目自订国外的精密注射成型机的已 第二章精密注射成型过程控制原理及技术 经具有相当高的水平，当今世界注射机的代表厂商有德国的克劳斯玛菲、阿博格、德 玛格，日本的住友重机、东芝等【l3 1 。为了配合精密注射成型机，还相应地开发出了高 性能、高精度的液压系统和控制系统，保证塑料制品的质量，减少废品率，提高注射 成型的生产效率【m 】。 2 0 1 0 年宁波海天注射机出口量居世界第一，但是销售额却不及德国、日本一些精 密注射机生产厂家，究其原因在于与发达国家相比，我国精密注射机生产水平和