（机械设计及理论专业论文）基于模具cae技术的塑料齿轮注射成型工艺参数的优化研究.pdf

兰州理r ：大学硕+ 学侍论文 摘要 本文基于a 墟技术，模拟了塑料齿轮注射成型过程，采用t a g i l c h i 正交实验设计方 法，对塑料齿轮翘曲变形量的影响规律进行了研究；以减小成型过程中翘曲变形量为质 量目标，得到了最优的工艺参数组合。主要研究内容和结果有： ( 1 ) 根据注射模流动模拟理论，建立了流动过程、保压过程、冷却过程的数学模型， 通过合理的假设对模型进行了简化，并给出了边界条件，为数值分析和求解奠定了坚实 的理论基础； ( 2 ) 运用p r 0 e 软件建立了塑料齿轮的实体模型，运用有限元分析软件a n s y s 对塑 料齿轮进行结构静力学分析，求解了在静力载荷作用下结构的变形和应力等，校核齿轮 强度，从而达到了优化齿轮结构的目的； ( 3 ) 对塑料齿轮注射成型过程中流动、保压、冷却过程进行模拟，预测了成型过程 中出现的各种成型缺陷，优化了温度、压力和时间等主要的注射成型工艺参数： ( 4 ) 以减小注射成型过程中翘曲变形量为质量目标，采用t a g i i c h i 正交实验设计方 法设计实验，通过模拟实验，对实验结果进行级差分析和方差分析，得到了最优的工艺 参数组合和工艺参数对翘曲变形量的影响规律。并以最优的工艺参数组合为基准工艺参 数，针对单一参数，进行单因子影响实验，给出了单个因子对翘曲变形量的影响规律。 本文的研究结果为设计与制造注射模具提供了可靠的依据，能够指导生产实际，缩 短产品开发和生产周期，具有重要的工程应用价值。 关键词：注射成型；塑料齿轮；a 墟技术； t a g i l c h i 正交实验； 翘曲变形 本课题得到国家自然基金( 1 0 5 7 2 0 5 6 ) 、甘肃省自然基金项目( 3 z s 0 4 2 - b 2 5 0 1 9 ) 和甘 肃省教育厅研究生导师项目( 0 6 0 3 0 5 ) 的部分资助。 基丁| 模兵c a e 技术的颦料衡轮注射成型t 艺参数的优化研究 a b s t r a c t t 1 l ep r o c e s so fp l a s t i c sg e a ri n j e c t i o nm o l d i n gi si n v e s t i g a t e db a s e do n ( 、a et e c h n o l o g y i i lt h i st h e s i s b yu s i n go ft h ee x p e r i m e n t a ld e s 诅o ft a g i i c h im e t h o d ，t h ee 骶c tl a wf o rt h e d e g r e e0 fw a r p a g eo fp l a s t i c sg e a ri s s t u d i e da i l dt h eo p t i m i z e dp r 0 c e s s i n gp a r 锄e t e r s r e g a r d i n gt h ed e g r e eo fw a r p a g e a st h eq u a l i t yc h a f a c t e r i s t i c 缸eo b t a i n e d t h em a i nw o r k s a n dr e s u l t so ft h i st h e s i sa r ea sf b l l o w s ： 、 ( 1 ) a 咖d i n gt ot h ef l o ws i m u l a t i o nt h e o 珂o fi n j e c t i o nm o l d ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l s o ft h ef l o w i n gp r o c e s s ，p a c l 【i n gp r o c e s sa r i dc 0 0 l i n gp r o c e s sa r eb u i l t a uo fw h i c ha r e s i m p l i f i e db yr e a s o n a b l eh y p o t h e s i s ，a n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa i ep r o p o s e d t h ep r e s e n t w o r kh a sl a i das o l i dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o ra n a l y t i c a la n dn u m e r i c a ls 0 l u t i o n ； ( 2 ) a3 dm o d e lo fp l a s t i c sg e a ri sb u i l tw i t hp r o e n 舀n e e r ，锄dt h es t m c t u r eo fg e a ri s a n a l y z e di ns t a t i cs t a t eb yu s i n go ff e ms o 脚a r ea n s y s ，b o t h0 f t h ed e f 0 咖a l i o n 柚ds t r e s s o ft h eg e a ru n d e rs t a t i cl o a da r es o l v e d ，a ts 锄et i m e ，t h eg e a r ss t 彻l 舀hi sc h e c k e d ，c e r t a i n l y ， w ec 0 u l do p t i m i z eg e a rs t l l l c t u r eb yt h i sw a y ； ( 3 ) t h ef l o w i n gp m c e s s ，p a c k i n gp f o c e s s 锄dc o o l i n gp r o c e s so fp i a s t i c sg e a ri i l j e c t i o n m o l d i n ga r ea l li n v e s t i g a t e d ，e g ，p r e d i c t i n gs o m em o l d i n gd e f e c t s ，柚do p t i m i z i n gt h ek e y 佃j e c t i o nm o l d i n gp r o c c s s i i l gp a r a m e t e f s ( t e m 阿a t u f c ，p r e s s u f e a n dt i m e ) ； ( 4 ) n ee x p e r i l e n t sd e s 咖e db yt a g l l c h id o ea r em a d er e g 盯d i n gm cd e g r e eo f w a r p a g e 舔t h eq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c t h ee x p e r i l i l e n t a lr e s u n sa r es t u d i e db yt h er a n k d i 虢r e n c e 柚a l y s i s 弛dt h qv 耐a n c ea l l a l y s i s f i n a l l y t h eo p t i m u mp r o c c s s i n gp a r a m e t e r s 锄d t h ee 脏c tl a wf o rt h ed e 铲e e0 fw a r p a g ea r co b t a i n e dr e s p e c t i v e l y f u n h e 彻o r e ，m a i l y e x p e r i m e n t sc h a n 酉n go ef a d o ro n l ya r cc a r r i e do 心u s i n gt h eo p t i m i z e dp r o c e s s i n g p a r 锄e t e 娼弱p a r a m e t e r sb e n c l l i i l a r k ，t h ee 矗e c tl a w o f e a c hf a c t o ro nt h ed e g r e eo fw a 叩a g ei s p f e s t e d t 1 l ef e s u i t s0 ft h i st h e s i sp r o v i d e dr c l i a b l eb 懿i sf o rd e s i 萨i n ga n dm a i l u f a c t u r i n gp l a s t i c s m o l d nh ss i 鲥f i c 柚ta p p l i c a t i o nv a l u ei ne n 酉n e e r i n g ，s u c ha s ： g i i i d i n gt h ep r a d i c a l p r o d u c t i o n ，s h o n e n i n ge 胜c t i v e i yp e r i o do fe x p l o i t i n gn e wp f o d u c t i 衄 k e yw b r d s ：h l j e c t i o nm o l d i n g ； p l a s t i c sg e a r ；( 1 气et e d m o l o g y ；1 a g u c h id o e ； w a r pd e f l e c t i o n n i st h e s i si sp a r t l ys u p p o n e db yn s f c ( 1 0 5 7 2 0 5 6 ) ，g 卸s un s f c ( 3 z s 0 4 2 一b 2 5 0 1 9 ) a n dg a n s ud e p a r t m e n t 靠e d u c a t i o np r q e c t ( 0 6 0 3 0 5 ) h 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 哗1 侈f 叫 日期：伽1 f 年九月x 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密酿 ( 请在以上相应方框内打“v ) 作者签名： 导师签名： 咖伽l j 芎雠 日期：加口2 年匆月i1 f 日 日期2 印年乞月矽日 兰州理t 大学硕+ 学何论文 第一章绪论 1 1 模具c a e 技术研究现状 注射模c a e ( c o m p u t e r 灿d e de n 西n e e r i n g ) 技术【1 l 是利用聚合物加工流变学、 传热学、计算力学和计算机图形学等基本理论，对注射成型流动、保压、冷却等 过程进行数值模拟，在模具制造之前就可以形象直观地在计算机屏幕上模拟出塑 料制件实际成型过程，预测模具设计和成型条件对制件的影响，发现可能出现的 缺陷，为判断模具设计和成型条件是否合理提供科学的依据，使加工成型从一项 实用技术变为一门应用科学。 广义上c a e 是指产品在开发过程中其形状设计、制图、分析、实验等一系列 的综合工程作业，是一个使整个生产达到合理化的系统工程；狭义上c a e 是指用 计算机预测产品性能，即利用计算机来生成新产品模型，并进行分析和仿真的过 程。塑料注射模c a e 技术主要是在设计模具之前对熔料的流动状况、压力分布和 冷却过程等进行模拟，以获得能实现最佳充填条件的模具结构，即按照一定的流 动平衡或压力梯度条件，计算出流道、浇口直径、型腔壁厚等。 注射模c a e 技术集设计、制造和测试为一体，首先由c a e 系统对制件进行全 面分析，提出制件的设计或修改方案以及注射工艺，然后由c a d 系统根据c a e 软 件所提供的性能参数进行模具设计，再将模具部件的几何数据输给c a m 制造系统， 由c a m 实现模具加工和测试。最终的模具部件还要根据原设计要求进行检测，检 测结果再反馈到c a e 工程系统中进行比较分析，将分析结果再次输人到c a d 设计 系统中，并对初始设计进行修改，然后c a m 重新输出模具部件的加工指令。整个 系统不断地重复上述过程，直至产品最后检测合格为止。 注射模c a e 能判断所设计的模具是否能很好充模、能否在注射机的允许压力 范围内充模、充模时成型制件的剪切应力是否过大、是否达到了充模的流动平衡， 并能在达不到的情形下，修改成型条件或对相关模具尺寸作修改，或者要求设计 者修改输人条件，直至设计者认为可以接受的方案为止【2 1 。 注射模c a e 技术的发展十分迅速，很多国家的科研机构和高等院校以及企业 投入大量人力、物力进行研究，其发展大致经历了三个阶段【3 1 。从上世纪6 0 年代的 一维流动和冷却分析到7 0 年代的二维流动和冷却分析再到9 0 年代的准三维流动和 冷却分析，其应用范围已扩展到保压分析、纤维分子取向和翘曲预测等领域并且 成效卓著1 4 5 j 。现在正进入第四个阶段。 在众多的注射成型c a e 产品中，最具国际影响、市场占有率最高的应属 摹丁模具c a e 技术的迥料齿轮注射成型t 艺参数的优化研究 m o l d f l o w 公司和a c t e c h 公司【6 。1 9 8 7 年m o l d n o w 公司率先推出商品化的二维流动 模拟软件，在生产中发挥了显著作用，其c a e 软件包括流动模拟、冷却分析、应 力分析和翘曲变形预测等。该公司还开发了一套智能控制器( l p c ) ，它先利用分 析软件产生的结果对塑料流动情况进行优化，然后据此来控制注射机。该系统可 在较短的时间内自动地做好机器的起动准备，通过对充模、保压等工艺参数的优 化来减小产品质量的波动。a c t e c h 公司的注射成型c a e 软件c m o l d 包括：优选 注射工艺材料，优化成型工艺参数，平衡流道系统设计，三维流动、保压、冷却 分析程序以及应力分析和翘曲变形程序。 我国注射模c a e 研究始于7 0 年代末，发展也很迅速。“八五”期间，由北京航 空航天大学、华中理工大学、四川联合大学等单位联合进行了国家重点科技攻关 课题“注射模c a d c a e c a m 集成系统”，并于1 9 9 6 年通过鉴定，部分成果已投入实 际应用，使我国的注射模c a d c a e c a m 研究和应用水平有了较大提高。目前出 现的拥有自主版权的软件有，华中科技大学开发的塑料注射模c a d c a e c a m 系 统h s c a d c a e ，郑州工业大学研制的z m o l d 分析软件等1 7 引。这些软件正在一 些模具企业中推广和使用，有待在试用中逐步完善 虽然注射模c a d c a e c a m 技术在近二十多年从理论研究到实际应用都取得 了飞速进展，但注射模商品化软件无论在功能上还是在精度上都有待进一步的改 善和提高。 1 2 塑料齿轮研究现状 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。这是因为塑料齿轮有很多优点，比如传动噪声低、能够吸振、自润 滑等等，而且塑料齿轮可以开模加工，生产效率高。塑料齿轮在齿轮行业的应用 会越来越多，这是一个世界性趋势【9 j 。 塑料齿轮正朝着更大的尺寸l 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势以及可以成型更大、高精度和高强度的特征，这是塑料 齿轮得以发展的一个重要原因。早期的塑料齿轮发展趋势一般是跨度小于1 英寸， 传输能力不超过o 2 5 马力的直齿轮。现在齿轮可以做成许多不同的结构，传输动力 一般为2 马力，直径范围为4 6 英寸。预测到2 0 1 0 年，塑料齿轮成型直径可以达到 1 8 英寸，传送能力可以提高到1 0 马力以上【1 0 i 。 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。国内 专门做齿轮模具的工厂不多，大都由齿轮厂自己做齿轮模具，齿轮厂往往设一个 工段或一个车间来承担这项工作。在精锻锥齿轮方面，株齿、江苏飞船、太平洋 精锻等企业制造的锥齿轮模具在齿轮模具行业里是比较好的，其精锻锥齿轮的质 2 兰州理r 大学硕十学位论文 量也较高。 与同等尺寸的塑料齿轮相比，金属齿轮运行良好，温度和湿度变化时的尺寸 稳定性好。但是与金属材料相比，塑料在成本、设计、加工和性能上具有很多优 判1 0 1 。 与金属成型相比，塑料成型的固有的设计自由度保证了更高效的齿轮制造。 可以用塑料成型内齿轮、齿轮组、蜗轮等产品，而这很难以一个合理的价格使用 金属材料来成型。塑料齿轮应用领域比金属齿轮宽，因此它们推动了齿轮朝着承 受更高负荷、传送更大动力的方向发展。塑料齿轮同时也是一种满足低静音运行 要求的重要材料，这就要求有高精度、新型齿形和润滑性或柔韧性优异的材料出 现。 塑料制造的齿轮一般不需要二次加工，所以相对于冲压件和机造件金属齿轮， 在成本上保证了5 0 到9 0 水平的降低。塑料齿轮比金属齿轮轻、惰性好，可用在 金属齿轮易腐蚀、退化的环境中，例如水表和化学设备的控制。 和金属齿轮相比，塑料齿轮可以偏转变形来吸收冲击载荷的作用，能较好的 分散轴偏斜和错齿造成的局部负荷变化。许多塑料固有的润滑特征使得它们成了 打印机、玩具和其它低负荷运转机构的理想齿轮材料，这里不包括润滑剂。除了 运行在干燥的环境中，齿轮还可用油脂或油来润滑。 与同等尺寸的塑料齿轮相比，金属齿轮运行良好，温度和湿度变化时的尺寸 稳定性好。但是与金属材料相比，塑料在成本、设计、加工和性能上具有很多优 势。 大部分金属齿轮是用金属材料切削或磨削加工的，只有很少一部分金属齿轮 采用粉末冶金或锻造工艺制造。后两种制造工艺与塑料齿轮的制造工艺很相似。 金属切削制造工艺的优点是同心度好，精度高，尺寸稳定。塑料齿轮采用墨菊注 射，同心度较难保证。虽然齿的精度高于金属齿轮，但是会有收缩，必须加以补 偿。塑料齿轮的直径公差大于金属齿轮，强度小于金属齿轮【1 1 】。 塑料齿轮在制造过程中尺寸会有收缩或膨胀，因此在设计塑料齿轮的模具时， 必须先估算塑料齿轮几何尺寸的变化。尺寸的不准确会导致塑料齿轮传动装置发 生故障。塑料的收缩是复杂的，是不均匀的，是非线性的。注射到模具中的塑料 齿轮在取出冷却之后，可能会收缩成与模具内腔差别很大的形状。把塑料齿轮想 象成按比例缩小，就像照片那样，是个错误的概念。塑料齿轮的收缩分为两方面： 大范围的收缩和局部收缩。对于普通对称塑料齿轮来说，其尺寸有一个估计的大 范围收缩值，可以应用于齿轮外径、齿根直径、基本圆和节距圆。局部收缩出现 在齿轮的齿上，起收缩率完全不同。齿的厚度收缩的少，其他尺寸收缩的多。但 是有些塑料在制造齿轮时，尺寸不但不收缩，而且还会膨胀【1 1 l 。 目前国内齿轮模具还处于初级阶段，一般都是中小模数的塑料齿轮使用模具 3 基于模具c a e 技术的塑料齿轮注射成型j ：艺参数的优化研究 进行加工，但因为塑料齿轮加工过程中会出现变形与收缩，而收缩之后的精度变 化规律，目前国内的研究还不深入，这是制约塑料齿轮模具发展的重要原因之一。 模具是齿轮注射加工中最关键的部分。齿轮是较为精密的零件，一点小小的 偏差可能会影响整个齿轮的性能。塑料齿轮模具看起来简单，其实是最复杂的， 比如齿轮模数、螺旋角大小、孔位的确定等因素都影响齿轮模具的设计。精度问 题、寿命问题是齿轮模具研究的重中之重，目前国内在这方面做的还非常有限。 除大连理工、华南理工等几所大学在研究齿轮模具之外，现在已没有专门的研究 所做这项工作。 1 3 注射机、注射成型原理与注射成型过程 注射机是进行注射成型的必备条件之一，注射机按塑料在料筒中的塑化方式 分为螺杆式和柱塞式两种。按锁模装置的特征可分为机械式、液压式和液压机械 式三种。按其外形又可分为立式、卧式和直角式三种，目前较为常用的是卧式螺 杆注射机。一台通用注射机主要由注射系统、锁模装置、液压传动装置和电器控 制系统等组成，图1 1 所示。模具是为了将塑料原料成型成某种形状而用来承接射 出塑料熔体的部件。模具虽不是注射机的一部分，但注射机必须与各种不同模具 配合才能生产出各种塑件。 锁模装置 模具往塑系统掖压传动装置 电器弪制系玩 图1 1 往复螺杆式注射机的组成 注射成型( i n j e c t i o nm o l d i n g ) 也称注塑成型，它是目前塑料加工中最普遍采 用的方法之一，可用来成产几何形状复杂的塑料制件1 1 2 1 。由于它具有应用面广、 成型周期短、制件尺寸稳定、产品易更新换代、生产效率高、模具服役条件好、 易成型形状复杂的制件、塑件尺寸精度高、生产操作容易实现机械化和自动化等 多方面的优点，因此在整个塑料制件生产行业中，占有非常重要的地位。目前， 除了少数几种塑料品种外，几乎所有的塑料( 即全部热塑性塑料和部分热固性塑 料) 都可以采用注射成型。据统计，注射制件约占所有塑料制件总产量的3 0 ， 全世界每年生产的注射模具数量约占塑料成型模具数量的5 0 。 4 兰州理| 1 ：大学硕十学位论文 注射成型原理如图1 2 所示【13 1 。 ( 1 ) 加料 ( 2 ) 注塑 ( 3 ) 保压 ( 4 ) 冷却 ( 5 ) 开模 图1 2 注射成型原理图 将塑料颗粒定量加入到注射机的料筒内，通过料筒的传热，以及螺杆转动时 产生的剪切摩擦作用使塑料逐步溶化呈粘流状态熔体，然后在柱塞或螺杆的高压 推挤下，以很大的流速通过机筒前端的喷嘴注入到温度较低的闭合模具的型腔中。 由于模具的冷却作用，使模具内的熔融塑料逐渐凝固并定型，最后开启模具便可 从型腔中推出具有一定行状和尺寸的注射件。上述过程大致可归纳为： 加料一塑料熔融一注射一冷却定型一塑件脱模 注射成型工艺过程由三个阶段组成：成型前的准备、注射过程和制件后处理， 如图1 3 所示。 成型前的准备 j 注射过程 制件后处理 如 图1 3 注射成型工艺过程循环图 5 基丁模具c a e 技术的嘤料齿轮注射成型1 j 艺参数的优化研究 由注射成型的过程分析可知，塑料要经过三个阶段的转换【1 2 l ：一是塑料未进 入料筒前的颗粒状态；二是塑料在料筒中的塑化流动而达到的粘流状态熔体；三 是塑料通过注射模浇注系统的充模流动及冷却凝固而定型。在第一阶段中，塑料 在进入料简前的流动，属于颗粒料流，主要是塑料受到机械力等的作用而产生的 塑料颗粒运动。在第二阶段中，塑料在料筒热和剪切热等的作用下，发生塑化熔 融而在料筒中的糊状流动，这种流动在料筒内每一部位的流动状态基本保持恒定， 属于稳定流动。在第三个阶段中，粘流状态的塑料在一定的压力和速度下，通过 注射模浇注系统进行充填模腔流动，其流动状态不能保持恒定，属于非稳定流动， 因此，第三阶段的流动是注射件成型的关键阶段。 1 4 注射制件翘曲变形成因及解决措施 翘曲变形是指塑料制件的形状偏离了模具型腔的形状，是塑料制件常见的缺 陷之一【1 引，影响塑料制件的外观质量及其力学性能，甚至会造成产品报废。翘曲 变形大小作为评定产品质量的重要指标之一，越来越多的受到模具设计者重视。 注射过程中，翘曲主要是由于制件的收缩差异造成的【1 5 j 。收缩差异表现在以 下几方面：制件不同部位的收缩率不同；沿制件厚度方向收缩率不同；与分子取 向平行和垂直方向的收缩率不同。影响制件收缩的因素很多，主要包括：塑料的 体积收缩、压力体积温度( p v t ) 、塑料的结晶度、模具的约束、应力松弛和分子 取向等。 影响翘曲变形的主要因素有【1 6 l ：( 1 ) 冷却不均，这是制件沿厚度方向收缩不均 的结果。其主要有模腔表面温度不均、温度沿厚度方向变化和模具的热性质。( 2 ) 收缩不均( 又称区域性收缩) ，这是整个塑件收缩分布不均的结果。其主要有厚度不 均、浇口位置、冷却系统的设计或冷却参数、成型条件。( 3 ) 分子方向性效应，这 是熔体流动沿平行及垂直方向收缩量不同的结果。其主要有分子方向性、玻纤配 向、浇口位置、冷却系统的设计或冷却参数、成型条件。 减少翘曲变形的主要措施：( 1 ) 修改塑件，包括几何形状和材质。( 2 ) 改善模具 结构，包括浇注系统、冷却系统、顶出系统的设计。( 3 ) 调整工艺参数。 1 5 有限元分析软件介绍 1 5 1a n s y s 软件及其特点， a n s y s 是一种应用广泛使用有限元工程分析软件，具有多种分析能力，包括 简单的线性静态分析和复杂非线性动态分析。广泛应用于核工业、石油化工、航 空航天、机械制造、能源、船舶、军工、电子、生物医学、水利等。， 1 a n s y s 软件提供的分析类型如下【1 7 】： 6 兰州理一i ：大学硕十学何论文 ( 1 ) 结构静力学分析；( 2 ) 结构动力学分析；( 3 ) 结构非线性分析；( 4 ) 结构屈曲 分析；( 5 ) 热力学分析；( 6 ) 电磁场分析；( 7 ) 声场分析；( 8 ) 压电分析；( 9 ) 流体动态 分析。 2 a n s y s 软件分析过程分为三个阶段【1 7 】： ( 1 ) 前处理阶段 前处理包括创建实体模型，定义单元属性，划分网格和模型修j 下等内容。 ( 2 ) 求解阶段 求解模块是程序用来完成对已生成的有限元模型进行力学分析和有限元求解 的。在此步骤中，用户可以定义分析类型、分析选项+ 、载荷数据和载荷步选项。 ( 3 ) 后处理阶段 a n s y s 软件的后处理阶段包括两部分：通过后处理模块p o s t l 和时间历程后 处理模块p o s t 2 6 ，通过用户界面，可以很好的得到位移、温度、应变、应力、速 度等计算结果，输出的形式是以图形显示和数据列表两种。 1 5 2m o l d f l o w 软件及其特点 m o l d f l o w 软件是美国m o l d f l o w 公司的产品，该公司自1 9 7 6 年发行了世界上第 一套塑料注射成型流动分析软件以来，一直主导塑料成型c a e 软件市场。2 0 0 0 年4 月，收购了另一个世界著名的塑料成型分析软件c m o l d 。m o l d f l o w 是目前模具 c a e 行业中最具国际影响力、市场占有率最高的商品化软件。设计人员可以运用 m o l d f l o w 软件进行多次模拟分析，确定最佳的注射力、锁模力、模具温度、熔体 温度、注射时间、保压压力和保压时间、冷却时间等，直至整个注射成型过程满 意为止。 1 m o l d f l o w 软件包括三部分【1 8 l ： ( 1 ) m o l d f l o wp l a s t i c sa d v i s e r s ( 产品优化顾问，简称m p a ) ：塑料产品设计 师在设计完产品后，运用m p a 软件模拟分析，在很短的时间内，就可以得到优化 的产品设计方案，并确认产品表面质量。 ( 2 ) m o l d f l o wp l a s t i c sl n s i 曲t ( 注射成型模拟分析，简称m p i ) ：对塑料产品和 模具进行深入分析的软件包，它可以在计算机上对整个注射过程进行模拟分析， 包括填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力和收缩，以及气体辅助成型 分析等，使模具设计师在设计阶段就找出未来产品可能出现的缺陷，提高一次试 模的成功率。 ( 3 ) m o l d f l o wp l a s t i c sx p e n ( 注射成型过程控制专家，简称m p x ) ：集软硬件 为一体的注射成型品质控制专家，可以直接与注射机控制器相连，可进行工艺优 化和质量监控，自动优化注射周期、降低废品率及监控整个生产过程， 2 m o l d f l o w 软件在注射模设计中的作用主要体现在以下几方面1 1 8 】： 7 摹丁模具c a e 技术的担料齿轮注射成犁l ：艺参数的优化研究 ( 1 ) 优化塑料制件运用m o l d f l o w 软件，可以得到制件的实际最小壁厚，优化 制件结构，降低材料成本，缩短生产周期，保证制件能全部充满。 ( 2 ) 优化模具结构 运用m o l d f l o w 软件，可以得到最佳的浇口数量与位置，合 理的流道系统与冷却系统，并对型腔尺寸、浇口尺寸、流道尺寸和冷却系统尺寸 进行优化，在计算机上进行试模、修模，大大提高模具质量，减少修模次数。 ( 3 ) 优化注射工艺参数运用m o l d f l o w 软件，可以确定最佳的注射压力、保压 压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压时间和冷却时间，以注射 出最佳的塑料制件。 1 6 本论文研究的目的意义和主要内容 1 6 1 本论文研究的目的及意义 塑料是2 0 世纪才发展起来的新材料，也是一门新兴工业。模具是塑料成型加 工的一种重要的工艺装备，同时又称为原料及设备的“效益放大器”。从生产实践 可知，通过模具加工的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。 因此，模具工业是国民经济的基础工业重要组成部分，被成为“工业之母”。模具 是一种高附加值产品和技术密集型产品，其生产技术水平的高低，已成为衡量一 个国家产品制造业水平高低的重要标志【1 2 j 。 注射成型作为一种重要的成型加工方法，由于其生产的制件具有精度高、复 杂度高、一致性高、生产效率高和消耗低的特点，在机械、化工、汽车、邮电通 信、仪器仪表、文体医卫、军事国防、家用电器等都具有广泛应用，有很大的市 场需求和广阔的发展前景。 图1 4 传统方法设计注射模具流程图 图1 4 为传统方法设计注射模具流程图。传统的注射方法是在正式生产前，由 于设计人员凭经验与直觉设计模具，模具装配完毕后，通常需要几次试模，发现 问题后，不仅需要重新设置工艺参数，甚至还需要修改塑料制件和模具设计。一 副注射模往往需要经过多次试模、修模，重复环节多，对人力、物力都是很大的 浪费。这势必增加生产成本，延长产品开发周期。 如图1 5 所示，采用c a e 技术，可以代替重复的试模、修模，c a e 技术提供了 8 兰州理t 大学硕十学何论文 从制件设计到生产的完整解决方案，在模具制造之前，在计算机上对整个注射成 型过程进行模拟分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却情况，以及制件中的应 力分布、分子和纤维取向分布、制件的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽 ，早发现问题，及时修改制件和模具设计，有效地防止问题发生，大大缩短了开发 周期，降低生产成本【1 9 ，2 0 1 。 图1 5 利用c a e 技术设计注射模具流程 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。这是因为塑料齿轮有很多优点，比如传动噪声低、能够吸振、自润 滑等等j 而且塑料齿轮可以开模加工，生产效率高。塑料齿轮在齿轮行业的应用 会越来越多，这是一个世界性趋势。 目前国内齿轮模具还处于初级阶段，一般都是中小模数的塑料齿轮使用模具 进行加工。由于塑料齿轮正朝着更大的尺寸、更复杂的几何形状、更高强度的方 向发展，而且因为塑料齿轮加工过程中会出现变形与收缩，而收缩之后的精度变 化规律，目前国内在这方面的研究还不深入，这是制约塑料齿轮模具发展的重要 原因之一。 因此，本课题基于模具c a e 技术，结合t a g u c h i 正交实验方法设计正交实验， 对塑料齿轮翘曲变形量的影响规律进行研究，以减小成型过程中翘曲变形为质量 目标，得到最优的工艺参数组合，具有十分重要的工程实际意义和应用价值。 1 6 2 本论文研究的主要内容 ( 1 ) 注射成型充模过程属于非牛顿流体、非等温、非稳态的流动和传热过程， 满足粘性力学的基本方程，但该方程过于复杂，只有引入合理而必要的假设使之 简化，并结合特定的边界条件，才能得到适合塑料齿轮流动模拟的数学模型，这 是采用数值方法求解的基础。 ( 2 ) 从对塑料齿轮的失效形式分析可知，强度在塑料齿轮结构设计中是一个非 常重要的因素，必须重点考虑。在进行模流分析之前，用有限元分析软件a n s y s ， 对塑料齿轮的几何结构进行结构静力学分析，求解在静力载荷作用下结构的变形 和应力等，校核齿轮强度，为后续对成形过程的模拟分析打下基础。 9 摹丁模具c a e 技术的塑料衡轮注射成础f ：艺参数的优化研究 ( 3 ) 熔体流动模拟的另一个主要功能就是工艺参数优化。温度、压力和时间是 主要的注射成型工艺参数，对制件的内在性能和表面质量影响很大。运用m o l d n o w 软件，对塑料齿轮注射成型过程中流动、保压、冷却过程进行模拟，预测成型过 程中出现的各种成型缺陷，优化温度、压力和时间等主要的注射成型工艺参数。 ( 4 ) 采用t a g u c h i 正交实验设计方法设计实验，以减小注射成型过程中翘曲变 形量为质量目标，结合m o l d n o w 软件进行模拟实验，对实验结果进行级差分析和 方差分析，得到了最优的工艺参数组合和工艺参数对翘曲变形量的影响规律。并 以最优的工艺参数组合为基准工艺参数，只变动其中某一个参数，进行单因子变 动实验，讨论了单个因子对翘曲变形量的影响规律。 1 7 课题来源 国家自然基金项目( 1 0 5 7 2 0 5 6 ) 、甘肃省自然基金项目( 3 z s 0 4 2 b 2 5 0 1 9 ) 和甘 肃省教育厅研究生导师项目( 0 6 0 3 0 5 ) 。 1 0 兰州理l j 大学硕十学何论文 第二章塑料齿轮注射成型过程的数学模型 2 1 注射成型流变学基础 2 1 1 流体的流动 凡流体在其输送通道中流动时，若该流体在任何部位的流动状况保持恒定， 不随时间而变化，即一切影响流体流动的因素都不随时间而改变，此种流动称为 稳定流动【2 1 1 。所谓稳定流动，并非是流体在各部位的速度以及物理状态都相同， 而是指在任何一定部位它们均不随时间而变化。例如塑料熔体沿螺杆柄向前流动 属稳定流动之列。因其流速、流量、压力、温度分布等各种参数均不随时间而变 化。 凡流体在其输送通道中流动时，其流动均随时间而变化，即影响流动的各种 因素都随时间而变化，此种流动称之为不稳定流动【2 l j 。例如，在注射模具的充模 过程中，塑料熔体的流动属于不稳定流动。因为此时在模腔内的流动速度、温度、 压力等各种影响流动的因素均随时间变化。于是，通常把熔体的充模流动看作是 典型的不稳定流动。 2 1 2 牛顿流体和非牛顿流体 根据经典力学理论，不可压缩理想流体的流动为纯粘性流动，在很小的剪切 应力作用下流动立即发生，外力释放后，流动立即停止，但粘性形变不能恢复。 切变速率不大时，切应力与切应变呈线性关系，遵循牛顿粘性定律，且应力与切 变本身无关【6 ，2 2 ，2 3 1 。牛顿粘性定律表述为： a v r = 7 7 0 夕= 7 7 0 二等( 2 1 ) 口f 式中，户为剪切速率；为牛顿粘度，是与时间和剪切速率尹无关的材料常数。凡 符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体，以切应力f 对剪切速率尹或者以粘度7 7 对剪切速率夕作图所得到的曲线称为流动( 流变) 曲线，如图2 1 所示，它是确定 塑料成型加工工艺条件的重要依据。 实践表明，真正属于牛顿型流体的是气体、低分子化合物的液体。在塑料熔 体中，除聚碳酸酯等少数几种和牛顿型流体相近外，绝大多数只是在切应力很小 或者很大时才表现为牛顿流体，如图2 1 所示。 塑料熔体在通过模具的浇注系统和注入型腔时，其所受的切应力并非很大或 很小，故他们表现出的流动性为与牛顿流体部符。凡是不符合牛顿粘性定律的流 基丁模具c a e 技术的塑料齿轮注射成型l ：艺参数的优化研究 体皆称为非牛顿型流体。非牛顿型流体包括粘性流体、粘弹性流体和时间依赖性 流体。在常用塑料中，只有少数聚合物的溶液呈现时间依赖性。目前对粘弹性流 体中的弹性行为的认识尚未十分清楚，所以通常将非牛顿流体都简化为粘性流体 处理，必要时才进行某种修正。粘性流体的特点是在受力流动时，其剪切速率只 依赖于切应力的大小，而与切应力的作用时间无关。 ( a )( b ) ( a ) l g f l g 尹曲线； ( b ) 1 9 7 7 一l g 夕曲线 a 和c 一牛顿流动区；b 一非牛顿流动区 图2 1 宽剪切速率范围的塑料熔体流动曲线 粘性流体分为宾哈流体、膨胀性流体和假塑性流体。其流动曲线如图2 2 所示。 宾哈流体的流动特征类似于牛顿型流体，只有当切应力增加到某一临界值时 才开始流动，属于这种类型的流体如具有凝胶结构的聚合物溶液。 膨胀性流体的特点是在高速作用下，流体体积产生膨胀。切应力随着剪切速 率的提高呈非线性增大的趋势。如图2 3 所示，膨胀性流体的粘度( 表观粘度仉) 随剪切速率的增加而升高( 称为切应力增稠现象) 。膨胀性流体一般较少，属于 膨胀性流体的如含有增塑剂的塑料糊、少数有填料的聚合物溶液等。 l 卜 d y 一 图2 2 不同类型流体的流动曲线 假塑性流体是非牛顿型流体中最普通、最常见的一种。几乎绝大多数聚合物 熔体与溶液，其流动行为都接近于假塑性流体。从图2 2 种可见，其切应力曲线在 弯曲的起始阶段有类似塑性流动的行为，故称这种流体为假塑性流体。从图2 3 可 见，假塑性流体的表观粘度曲线随剪切速率增大偏离牛顿型流体粘度直线向下弯 1 2 兰州理t 大学硕十学位论文 曲，粘度随剪切速率的增大而降低( 称为切应力变稀现象) 。 幺体 一一， 午坝琉体 泰 假塑性流体 d y 一 图2 3 不同类型流体粘度与剪切速率的关系 2 1 3 影响流变性能的因素 粘度是描述塑料熔体流变行为最重要的量度，分析其影响因素十分重要。塑 料熔体的粘度主要由两方面的因素决定。一是熔体内的自由体积。所谓自由体积 是聚合物中未被分子链占领的空隙，它是大分子链段进行扩散运动的场所。凡能 引起自由体积增加的因素均能活跃大分子的运动，导致熔体粘度的降低。二是大 分子之间的缠结使得分子链的运动变得非常困难，凡是能减少这种缠结作用的因 素，都能加速分子链的运动，导致熔体粘度的降低。 对于牛顿型流体，其牛顿粘度t 7 为常数。而对于非牛顿型流体，其表观粘度，7 。 的影响因素很多，下面分别讨论影响粘度的主要因素1 6 ，2 2 ，2 4 1 。 ( 1 ) 温度的影响 温度影响熔体的机理可基于分子链的自由体积和温度之问的关系来分析。当 塑料处于玻璃化温度以下时，自由体积保持恒定，体积随温度的升高而增长是大 分子链段振动的结果。而当温度超过玻璃化温度时，大分子链段表现出整个链段 的移动，链段之问的自由体积才得以增加。 式( 2 2 ) 为非牛顿型流体因温度变化而引起粘度变化的计算公式： 刁一吼? x p l 簧( ；一丢) l c 2 2 ， 式中，e 为流体的活化能，表示流体粘度对温度敏感性的指标。e 值越大，则聚 合物对温度的敏感性越高。e 值对牛顿型流体是单值，而对非牛顿型流体，则要 分为恒定剪切速率下的活化能e 和恒定切应力下的活化能巨。瓦为所选定的一种 标准状态下的温度，由此温度下的熔体粘度可计算其他温度下的熔体粘度，7 ；r 为分子能常数；丁为流体温度。 从式( 2 2 ) 可见，聚合物熔体的表观粘度随温度升高而呈指数函数的方式降低。 但由于各种聚合物的活化能e 的数值不同，它们对温度的敏感性也就不同。图2 4 示出常用的五种聚合物熔体的表观粘度随温度升高而降低的趋势。由图中可知， l对li 基丁模具c 墟技术的塑料齿轮汴射成利i ：艺参数的优化研究 醋酸纤维( c a ) 、聚苯乙烯( p s ) 比聚甲醛( p o m ) 、聚丙烯( p p ) 和聚乙烯( p e ) 对温度更 敏感。 鸯l o 。 茸 l j 02 0 02 5 03 0 0 t 。c 图2 4 表观粘度与温度的关系 对于表观粘度对温度敏感的塑料熔体，只要不超过允许的温度，提高成型温 度能有效增大熔体的流动性。而对于表观粘度对温度不太敏感的塑料熔体，仅依 靠提高温度来提高其流动性是不恰当的，因为即使温度增加的幅度很大，其表观 粘度却降低有限。温度过高会引起熔体降解，导致塑料制件质量下降。 ( 2 ) 压力的影响 由于聚合物熔体内存在着自由体积，使聚合物熔体具有可压缩性。在成型过 程中，聚合物熔体通常要受到自身静压力和外部动压力的联合作用。在注射成型 韵保压补料阶段，聚合物熔体一般要求受到1 5 0 2 0 0 m p a 的压力，在精密成型时承 受的压力更高。在高压下大分子链段间的自由体积要受到压缩。在1 0 m p a 时，有 机玻璃和聚甲醛类的聚合物体积将减小3 5 ，而聚苯乙烯和低密度聚乙烯要分别 减小5 1 和5 1 。 砖 垒 盖 ( v v ) 图2 5 四种聚合物的压缩率 图2 5 示出四种聚合物熔体( 有机玻璃p m m a 、聚苯乙烯p s 、高密度聚乙烯 h d p e 、乙酸纤维素c a ) 在温度为1 8 0 。c 时所施压力p 与其压缩率y y 的关系。 所谓压缩率是指聚合物熔体在加压后减小的体积与施压前原有体积y 的百分比。 1 4 ：皇州理f ：大学硕十学位论文 由于聚合物熔体的压缩率不同，所以粘度对压力的敏感性不同，压缩率大的熔体 敏感性大。 在压力作用下，聚合物熔体内的自由体积被压缩，大分子间的距离变短，链 段活动范围减小，分子间的作用力