（机械制造及其自动化专业论文）lm25轴承保持架浇注过程收缩的仿真研究.pdf

l m 一2 5 轴承保持架浇注过程收缩的仿真研究 学科：机械制造及其自动化 研究生签字：；藏平 指导教师签字：1 m 摘要 轴承保持架是一种典型的注塑加工零件，收缩是其制造过程中存在主要问题。制品由 收缩引起的形状偏差会严重影响产品的质量。注塑成型过程是一个高度非线性、时变性的 多参数作用过程。由于此过程具有多个参数相互作用并随时间变化的特性，所以每个参数 对最后制件质量的优劣都具有不同程度的影响。为了减少最终制件的质量缺陷，提高生产 质量，需要对整个成型周期中工艺参数进行检测控制，使对最终制件质量影响较大的工艺 参数能保持在最佳范围内，从而确保制件质量达到最优。 本文在全面分析了注塑成型收缩的理论与实验研究方法和现状的基础上，结合注塑制 品的生产实际和模具设计要求，深入讨论了注塑成型中的材料特性、工艺条件及模具结构 设计等因素对制品收缩的影响及各因素间的相互作用关系。针对目前的注塑成型收缩率预 测方法及模具设计时收缩率计算的不足，本课题应用c a e 模拟技术及m o l d f l o w 等软件工 具，对l m 2 5 轴承保持架成型工艺进行仿真模拟，研究了注射压力、注射速度、模具温 度、髂体温度等因素对填充率的影响。 本文还将l m 2 5 轴承保持架注塑件的数值仿真模拟结果应用于正交试验，通过极差 分析方法，综合考察评价了多个工艺参数对注塑收缩变形量的影响，获取了最佳的工艺参 数组合。同时，还研究了不同工艺参数对注塑过程收缩变形的影响程度。研究结果表明： 除注射时间外的其它工艺参数如注射温度、保压时间等参数对收缩量控制同样起到不可忽 视的作用。在实际生产中，应用最优工艺参数成型的塑件合格率较高，减少了二次加工的 几率和成本，证实了仿真模拟结果与实际基本吻合，产生了明显的经济效益。 关键词：l m 一2 5 轴承保持架；收缩；m o l d f l o w ；工艺参数 s i m u l a t i o nr e s e a r c h e dt ot h el m 一2 5b e a r i n gr e t a i n e rc a s t i n g p r o c e s sc o n t r a c t i o n d i s c i p l i n e ：m a c h i n em a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n s t u d e n ts i g n a t ur e ：z 叼n 哆 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：眺丽。 a b s t r a c t t h eb e a t i n gr e t a i n e ri so n el 【i n do ft y p i c a li n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n i n gp a r t s ，a n d s h r i n k a g ei st h em a i np r o b l e md u r i n gt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s t h es h a p ed e v i a t i o nw h i c h c a u s e sb yt h ec o n t r a c t i o nc a ni n f l u e n c ep r o d u c tq u a l i t ys e r i o u s l y t h ei n je c t i o nm o l d i n gp r o c e s s i sah i g h l yn o n l i n e a ra n df l e x i b l em u l t i p a r a m & e ri n t e r a c t i o np r o c e s s d u et om a n yf a c t o r s i n v o l v e d ，t h e i ri m p a c t so nt h ef i n a lq u a l i t yi sd i f f e r e n t i no r d e rt or e d u c et h ed e f e c t i v ep a r t si n p r o d u c t i o n ，w en e e dt oa d j u s ta n do p t i m i z et h ef a c t o r sa n do b t a i no n e b e s tg r o u pd a t at om e e t t h eq u a l i t yr e q u i r e m e n t f a c t o r sh a v i n ga l li m p a c to nt h es h r i n k a g eo fi n j e c t i o nm o l d i n gp r o d u c t s ，s u c ha sp l a s t i c m a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t e c h n i c sc o n d i t i o n sa n dm o u l ds t r u c t u r e s ，a n dc o n n e c t i o n si nf a c t o r s a r ep r o f o u n d l yd i s c u s s e di nt h i st h e s i so nt h eb a s i so fr o u n d l ya n a l y z i n gs t u d ym e t h o d sa n d s t a t u sa tp r e s e n ti nt h e o r ya n de x p e r i m e n to fs h r i n k a g eo fi n je c t i o nm o l d i n gp r o d u c t s ，w i t h p r o d u c ea n dm o l dd e s i g no fi n j e c t i o nm o l d i n gp r o d u c t s i nv i e wo ft h es h o r t c o m i n g so ft h e p r e s e n ti n je c t i o nm o l d i n gs h r i n k a g er a t ep r e d i c t a b l em e t h o da n dt h em o l dd e s i g n i n gs h r i n k a g e c o m p u t a t i o n si n s u f f i c i e n c i e s ，t h i st o p i ca p p l i e sc a es i m u l a t i o nt e c h n i q u ea n dm o l d f l o w s o f t w a r e ，e t c b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho ft h el m - 2 5b e a r i n gr e t a i n e r tm o u l d i n gp r o c e s s s t u d i e da l lk i n d so fi n f l u e n c i n gf a c t o r st ot h ep a c k i n gr a t e s e v e r a lp r o c e s sp a r a m e t e r si n f l u e n c i n gt h es h r i n k a g ed i s t o r t i o na r es y n t h e t i c ss t u d i e d t a k i n gl m 2 5b e a t i n gr e t a i n e ra sr e s e a r c ho b j e c t ，w ea r r a n g et h ec o m b i n a t i o no f p r o c e s s p a r a m e t e r si no r t h o g o n a le x p e r i m e n ta n dg e tt h eb e s tr e s u l tt a b l ef r o mn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h ei n j e c t i o nm o l d i n g i na d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c e so fv a r i o u sp r o c e s sp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d ， a n dt h eo p t i m i z e dp a r a m e t e rc o m b i n a t i o ni so b t a i n e dt om i n i m i z et h es h r i n k a g ed i s t o r t i o n q u a n t i t y t h ef i n d i n g si n d i c a t e d ：s e v e r a lo t h e rp a r a m e t e r sb e s i d e st h ei n j e c t i o nt i m e ，s u c ha s i n je c t i o nt e m p e r a t u r e ，p a c kt i m e ，a l s oi n f l u e n c es h r i n k a g ed i s t o r t i o ng r e a t l y i nt h ea c t u a l p r o d u c t i o n ，t h eq u a l i f i c a t i o nr a t eo f p l a s t i cp a r tw h i c hf a s h i o n e db yt h eo p t i m u mt e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e ri sv e r yh i g h ，r e d u c e dt h ep r o b a b i l i t ya n d c o s t so fs e c o n d a r y p r o c e s s i n g ，c o n f i r m e d t h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l tw a si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ea c t u a lo n e s ，a l s op r o d u c e dt h e o b v i o u se c o n o m i ce f f i c ie n c y k e yw o r d s ：l m 2 5b e a r i n gr e t a i n e r ；s h r i n k a g e ：m o l d f l o w ；p r o c e s sp a r a m e t e r s 学f 蕾论文生l | 识j ：权! i 明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成果 或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送交的学 位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 臧孚 驾讫1 明 日期：加o g 年j 目1 1 曰 5 6 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 臧平 指导教师签名：f 它r 专区卧、指导教师签名：l 笔【否l 掣圳。 日期： z o ob 年歹且j 1 日 5 7 1 1 本文研究背景 1 绪论 塑料工业是国民经济中的一个非常重要的行业。由于塑料的机械性能和加工性能优 良，而且具有质量轻、耐腐蚀、电绝缘、性能好、比强度高等优点，引起了人们的关注， 获得了迅速的发展，在汽车、家电、仪器仪表、建筑装饰等领域得到了广泛的应用，并有 以塑代木、以塑代钢的趋势。而注塑成型在整个塑料制品生产行业中又占有非常重要的地 位。目前，除了少数几种塑料外，几乎所有的塑料都可以采用注塑成型。据统计，注塑制 品约占整个塑料制品总产量的3 0 ，全世界每年生产的注射模数量约占所有塑料成型模 具数量的5 0 。 近年来，由于工程塑料制品的精度和强度等得到很大提高，因而各种工程塑料零件的 使用范围还在不断扩大。预计今后随着高分子材料科学的深入和发展，塑料制品的使用范 围将会越来越大，并在国防和尖端科学技术领域中占有越来越重要的地位。同时，随着世 界经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，人们对塑料制品质量的要求越来越高，而 且不断地更新换型。成功的产品要求上市要早，质量要好，价格要合理，同时，产品的复 杂性和精度常常要求很高，而产品的开发时间却越来越短。注射成型是生产塑料制品的主 要手段之一【l 】。注射成型由于能够一次成型形状复杂、尺寸准确的产品，适用于高效率、 大批量的生产方式，因而在塑料制品生产中被广泛应用。注塑成型的基本条件是注塑机、 塑料材料、成型工艺和模具。其中注塑模具是重要的组成部分。长期以来，我国的注射模 设计主要依靠设计者的经验和直觉，缺乏科学依据。对设计中的缺陷主要通过反复试模、 修模来解决，具有较大的盲目性，不仅使模具的生产周期长、成本高，而且质量也难以保 证，甚至可能因此而失去市场竞争力【z j 。 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 技术能使模具设计人员从繁重的劳 动中解脱出来，多年来，人们一直期望能预测注射成型时塑料熔体在模具型腔中的流动情 况及塑料制品在模具型腔内的冷却、固化过程，以便在模具制造之前就能发现设计中存在 的问题，修改图纸而不是返修模具。注射模c a e 技术的出现，使人们的这一愿望变为现 实。计算机辅助工程( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ，c a e ) 技术能迅速完成各种计算和分 析。注射模c a e 技术就是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论，建立塑料熔体在模 具型腔中的流动、传热的物理数学模型，利用数值计算理论构造其求解方法，利用计算机 图形学技术在计算机屏幕上形象、直观地模拟出实际成型中熔体的动态充填、冷却过程， 定量地给出成型过程的状态参数( 如压力、温度、速度等) 。利用注射模c a e 技术可在 模具制造之前，在计算机上对模具设计方案进行分析和模拟来代替实际的试模，预测设计 中潜在的缺陷，突破了在注塑机上反复试模、修模的传统模式，并为设计人员修改设计提 西安j f = 业人学硕十! j o 何论文 供了科学的设计理论与方法。c a e 技术的应用带来的直接好处是省时省力，减少试模、 修模次数和提高模具设计成功率，缩短模具设计制造周期，降低成本，提高产品质量。采 用c a d c a e 技术，则会事半功倍，取得显著的经济效益【3 】。 注塑制品的成型是一个非常复杂的多因素耦合作用的动态加工过程，这一过程中的每 一因素都对制品的成型质量产生重要影响，其中成型收缩是影响制品质量的关键因素之 一。收缩不仅降低了制品的尺寸精度与表观质量，同时还引起制品结构变形与内在质量缺 陷。因此，成型收缩已成为困扰注塑成形及其模具设计领域的重要难题，也是进一步提高 注塑制品尺寸精度与质量，扩展其应用领域有待解决的关键问题。 l m 一2 5 轴承保持架是一种要求精度很高且形状复杂的注塑件。其质量深受注塑件收 缩率的影响，在模具设计中，长期以来一直采用同一收缩率值进行计算，这与实际生产情 况是不一致的，是无法满足其精度要求的。本文将对l m 2 5 轴承保持架的浇注流动过程 进行分析，对其浇注流动进行仿真，找出影响收缩率的主要因素及其规律。这在实际生产 中将产生重要的意义。 1 2 国内外注塑制品收缩研究的概况及发展趋势 目前，对人们对成型收缩的研究主要集中在两个方面，一是以实验为基础的研究。这 类研究大多是以不同组分材料的标准或简单试件，采用多因素正交实验方法，来测量试件 在不同工艺参数作用下，其收缩率的变化值，再将实验结果数据拟合出材料收缩率与各工 艺参数之间的函数关系。模具设计时依此函数关系计算成型零件收缩率的补偿值。这种方 法与实际成形时的制品结构与工艺条件差别较大，因而难以获得较为准确的收缩率值和高 精度制品。但它仍是材料收缩率进一步研究的基础。二是以计算机模拟分析为主的研究。 这类研究大多是采用弹性或粘弹性以及热弹性或热粘弹性理论模型为本构关系，应用有限 元或有限差分等方法，计算熔体充模流动时的温度场、压力场和速度场等的变化，来模拟 制品的成型过程及其质量变化。但现有的研究一般都比较注重熔体充模时的流动行为和残 余应力对制品质量与变形的研究，而缺乏从制品不同结构形状及模具浇口位置与数量变化 时，其收缩作用对制品尺寸与形状精度影响的研究。 1 2 1 注塑成型收缩的实验研究 用实验方法研究注塑制品的收缩率主要体现在研究材料性质、塑件的几何形状和大 小、注塑成型工艺条件等对制品收缩的影响。 早期研究的工作主要集中在各种工艺条件和注塑制品收缩之间的关系。r ge g b e r s 和k gj o h n s o n 首次对不同牌号h d p e 在不同冷却时间、模具温度、熔体温度和注射压 力下，采用不同浇口尺寸测试其收缩情况，得出制品8 0 的收缩与制品厚度和浇口尺寸 有关，制品2 0 的收缩与成型条件有关这一结论【4 】。gp h e b e r t 和l p s a l l o u m 通过实验 测量p o m 在充填3 0 玻璃纤维时温度的变化对收缩的影响，并采用统计法总结出收缩与 制品及模具温度之间关系p j 。 2 j 【i 安- i ：业人! 、二硕一i ：- 了- - i z 论文 2 0 世纪7 0 年代，对收缩的研究己由定性分析发展到提出简单经验模型阶段。g s a l l o u m 。d c h a r l a n d 和b s a n a c h r i n 通过大量实验，发现了影响收缩大小的工艺参数依次 是保压压力、冷却时间、模具温度、最大注塑压力、熔体温度，收缩和工艺参数呈线性关 系，建立了平板的收缩模型6 1 。 b s a n s c h a g r i n ，s r i v a r d ，l p h e b e r t 和p g i r a r d 着重研 究了纤维增强材料的收缩性能，提出了预测纤维增强材料的收缩模型。通过实验指出：影 响增强纤维材料轴向收缩和横向收缩的因素有保压压力、注塑速度、熔体温度、模具温度 及增强纤维的比例【7 j 。 近期，许多学者开始研究收缩的各向异性，并在收缩的基础上分析制品的翘曲。vl e o 和c c u r e l t i e z 实验研究了浇口几何形状、保压参数和模具弹性对制品最终尺寸的影响【8 】。 j s h o e m a k e r , r a l l a n 和p e n g e l m a n n 研究了均匀壁厚和变壁厚制品的收缩均匀性，并通 过优化保压过程来减少收缩型9 1 。b h l e e 采用工程优化思想来设计塑料产品和选择成型 工艺，在设计注射模制品时，首次打破制品壁厚尽可能均匀的不成文规则。他认为，在预 定的尺寸误差范围内，通过改变制品壁厚和成型时间是减少收缩不均匀性和翘曲的一种有 效方法，并利用正交试验和信噪比分析原理的t a g u c h i 方法，将不同壁厚看作可控制的 设计因素，而将注塑时间、熔体温度、冷却速度等工艺变量看作噪声因素，得到不同壁厚 因子组合的制品壁厚，并且对每种壁厚模型，采用极差分析法，获得最优壁厚和最佳工艺 设置。郑州大学李倩等研究了熔体温度、注射压力、保压压力、模具温度和试样厚度等对 注塑件流向和横向收缩率的影响规律【协1 1 】。 应用实验方法研究注塑制品的收缩率，能够更加真是反映塑件的收缩情况，但是有时 候会局限于某一特定的几何形状、特定的材料和工艺条件，并不能全面考虑诸多因素对收 缩的影响，而且也不能在产品设计阶段预测可能发生的收缩方向和大小。 1 2 2 注塑成型收缩的理论研究 以前，收缩分析大都采用定性分析，根据实际经验从制品设计、模具设计及注塑工艺 条件等方面采取措施，尽量避免发生大的、不均匀收缩。为了较准确地预测收缩率，必须 考虑模具成型结构对注塑制品收缩率的影响，而塑件的结构是千变万化的，无法用实验来 确定每个塑件结构的收缩规律或定量关系。随着流体力学、计算机科学、数值技术及高分 子材料等学科的发展，使得越来越多的学者开始注重对注塑制品的收缩进行理论上的研究 和用计算机对注塑成型过程进行数值模拟。 在注塑材料方面，r yc h a n g 和b d t s a u r 研究了塑料的结晶性能对制品的残余应 力、收缩、翘曲变形的影响，他们用改进的t a i t 方程来描述结晶型塑料的p v - t 关系， 用m a l k i n 结晶动力学理论描述塑料的结晶行为，用线性热粘弹模型计算流动残余应力 和热残余应力，再将计算出的残余应力作为固体力学分析的初始条件，用三维有限元法来 计算收缩和翘曲量。并用上述方法对结晶型塑料p p 和无定形塑料a b s 平板型塑件的收 缩、翘曲进行预测【1 2 】。w d i s c i p i o ，a w a g l e 和s p m c c a r t h y 研究了塑料冷却、分子取向 松弛和结品性能( 对于结晶型材料) 所造成的收缩，将收缩翘曲特性与材料热膨胀系数联 1 阳安j 广业人学硕十0 0 何论文 系起来，并认为收缩翘曲结果依赖于分子和纤维取向、压力和温度分布、残余应力的正 确预测i l3 1 。大连理工大学的研究学者则从高聚物流变学的角度，深入分析了引起注塑制 品内应力的各种因素及其内在联系，并从制品设计、模具设计、塑料材料与成型工艺条件 等方面给出了避免或减少制品内应力的相应对策4 。 在注塑工艺条件和成型过程研究上，w gh a i s i t e n d ，j r r i n d e r i e 和n es u h 在注塑 制品收缩研究中考虑了压力、温度、体积三者关系，根据塑料p v t 试验曲线分析可能产 生的体积收缩，并采用变体积法对收缩量进行补偿【15 。w b h n i e v e l s t e i n 和gm e n g e s 着重研究了保压压力、模具温度、制品厚度、熔体流动方向对收缩的影响，并采用线性叠 加原理获得预测收缩的经验模型。k m b j a n s e n ，gt i t o m a n l i o 提供了一个薄壁结晶性注 塑制品的残余应力和收缩的简单的弹性模型【l6 1 。该模型描述了平板平面方向和厚度方向 的各向异性收缩，并指出收缩是由塑件变形中不同的强制力引起的【1 7 j 。 从模具结构和设计方面的研究，s f w a l s h 考虑结晶、流动方向、模内限定效应和 冷却应力松弛的影响，给出了各向异性的收缩和不同因素影响大小的加权公式，正确预测 收缩和翘曲【1 8 】。r s a h u ，d o n g a n gy 和b k i m 突破了传统设计中先给定产品几何形状的 方法，通过反复试验，他们将壁厚、保压时间、熔体温度、模具温度、保压压力作为优化 设计的设计变量，采用t a g u c h i 法求解减少收缩不均匀引起的翘曲变形的优化问题，并给 出注塑制品的理想厚度和体积【1 9 】。漳州工业学校王志连提出了注塑成型收缩率的产生原 因，并从塑料特性、塑件结构、模具结构与注射工艺条件等方面深入分析了影响收缩波动 的各种因素，给出了确定收缩的指导方法【2 们。 对注塑成型过程的数值模拟始于二十世纪6 0 年代。二十世纪9 0 年代以后，流动、保 压、冷却分析的计算逐步成熟，许多学者在此基础上开始预测注塑制品的形状尺寸，即进 行收缩翘曲分析。日本丰田中央研究所的i m a p 软件与澳大利亚m o l d f l o w 公司的 m o l d f l o w 软件采用热弹性模型计算注塑制品的残余应力与翘曲变形：美国a c t e c h 公司 的c m o l d 软件、台湾学者c h a n g 等人以及大连理工大学的李海梅博士【2 1 2 2 】等则采用热粘 弹性模型计算脱模前的残余应力，再用热弹性模型计算脱模后的翘曲变形。可以看出，对 翘曲变形的数值模拟主要分为两类：一类是将塑料固体作为弹性材料，以使计算得到简化： 另一类则考虑到塑料的粘弹特性，计算残余应力时采用了热粘弹本构模型。韩国学者l e e 与y o u n 提出将神经网络应用于注塑成型的数值模拟解决非线性粘弹本构关系的建模问题 【2 3 1 。大连理工大学祝铁丽博士，分析了注塑模流动特点，指出注塑制品收缩过程中将沿 其流动路径向浇口进行收缩。利用高聚物的松弛效应修正了塑料稳态p v - t 关系的传统 t a i t 方程，用有限差分法求解注塑成型生产过程的控制方程，研制了流动、保压、模内冷 却和模外冷却过程的数值分析程序。结合塑料材料商所提供的注塑材料的平均收缩率，正 确预测注塑制品各点的收缩差异情况1 2 引。华中科技大学郭志英博士基于板壳理论和有限 元方法对收缩翘曲变形进行c a e 分析，提出翘曲变形有限元模拟数学模型，并对模拟结 果进行实验验刮巧j 。g o r d i l o ，a ，a r i z a ，d 和s a n c h e z s o t o 考虑塑件的几何因素( 如：塑件 4 jl i 安i ：q k 人0 乏顺+ 。z 位论文 厚度、长度、取向) 和工艺条件( 如：注射温度、保压压力、保压时间) 的影响，揭示c m o l d 系统模拟结果和实验的塑件收缩的一致性【2 6 1 。r yc h a n g 和b d t s a u r 利用c m o l d 软 件修正了用一种有限元和有限差分混合的方法模拟注塑模填充、保压和冷却过程后而预测 的收缩率、翘曲和缩痕的结果。w a l s h 在m o l d f l o w 软件基础上提出了能考虑更多基本变 量( 体积收缩、结晶性能、模具限制、塑料取向等) 的收缩方法。c h e t a n n i r k h e ，s a t i s hs s h a r m a 和c a r o lm eb a r r y 用m o l d f l o w 软件的预测收缩的三种模型研究了影响结晶型和 非结晶型材料收缩预测的因素【2 7 】。上海交通大学马浩军通过对典型案例分析，利用 m o l d f l o w 软件分析解决该类注塑件的收缩引起凹陷的问题【2 引。 1 2 3 注塑模c a e 软件及其应用 注塑制品收缩的预测，仍处于计算机模拟研究阶段。这是由于塑件产生收缩的原因很 多，除前面提及的材料、结构、工艺参数等，还与注塑过程的流动、保压、冷却各阶段有 关。国际上已有多家公司开发出了注塑制品收缩和翘曲分析的注塑模c a e 软件并且得到 了广泛的应用。 早在5 0 年代，美国学者就对聚合物成型过程( 尤其是塑化挤出) 的数值模拟建模做 了一系列研究工作，同期，瑞士的学者给出了有关挤出成型的重要模型。t a d m o r 和k l e i n 在书中首次给出了塑化挤出的完整模型，包括固体输送、塑化和熔体输送等。7 0 年代初 期，有关塑化挤出模拟软件e x t r u d 己商品化，该软件很大程度上是基于t a d m o r 和k l e i n 书中所描述的模型。7 0 年代以来，很多大学和企业的研究者们都致力于注射、挤出和其 它工艺的计算模型的研究。然而，这些计算模型对n i 技术产生的影响并不大，直到1 9 7 8 年m o l d f l o w 公司推出了第一个注塑成型充填阶段的模拟软件m o l d f l o w 。它主要包括 流动模拟、冷却分析、翘曲分析和应力分析程序等。m o l d f l o w sm p i 软件有两种模型可以 直接用于注塑制品收缩模拟，一种是残余应变模型；另一种是修正的残余应力模型。后者 在熔体温度较低的情况下，更能准确预测出塑件的收缩率。而另外的未修正的残余应力模 型不能直接用于注塑制品收缩模拟，可以通过对注塑制品翘曲模拟结果分析收缩状况。8 0 年代，随着c m o l d 软件的问世及其它一些软件广泛用于注射成型过程，模具设计才成 为依赖于计算机预测的工程科学。c m o l d 是基于p v t 图计算体积收缩，主要考虑不均 匀冷却、不均匀面内密度分布、取向效应和边隅边缘效应。通过采用“等效p v - t 数 据和结晶动力学来测量塑料材料特性，提高了收缩预测模拟精度。 自8 0 年代以来，北美和欧洲的许多研究小组对聚合物熔体流经管道、口模和成型设 备的各个方面进行了深入的调查、研究，推出了关于聚合物流动的有限元分析软件 f i d a p ，p o l y f l o w ，n e k t o n 和p o l y c a d 等。9 0 年代，己经将研究重点置于材料的 粘弹性、复杂三维模拟以及取向、残余应力和固化现象的研究。另外，计算方法在双螺杆 挤出、热成型、薄膜吹塑、反应注射成型和气体辅助注射成型的工艺条件设定方面的应用， 也成为研究热点。 我国注塑模c a e 技术研究始于2 0 世纪7 0 年代末，发展也很迅速。“八五”期问，由 5 j 【i 安川匕人! j o 硕十学何论文 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“注塑模c a d c a e c a m 集成系统”，并于1 9 9 6 年通过鉴定，部分成果己投入实际应 用，使我国的注塑模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，华中理工大学开发的塑料注塑模c a d c a e c a m 系统h s c 2 0 ，郑州工 业大学研制的z m o l d 分析软件等。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b 9 3 0 j 。 为了对各种成型加工过程进行更精确的模拟，目前各国学者都在研究新模型、新算法 及新的成型模拟系统，并将模拟软件与制品设计、模具设计与制造紧密结合，开发一体化 的c a d ，c a m ，c a p p , p d m ，e r p 集成技术。使计算机模拟技术呈现智能化、集成化的趋 势。可以预见，塑料模c a e 技术将被广泛采用，成为解决塑料成型d n i 和模具设计中各类 问题的标准工具和手段。随着科学技术的迅速发展，互联网技术的普及和全球信息化，塑 料模c a e 技术功能进一步扩充，性能也进一步提高，呈现出如下的发展趋势：数学模 型、数值算法逐步完善；用户界面更为完善，使用更为方便；优化理论及算法，使 c a e 技术主动地进行优化设计；c a e 技术向集成化与网络化方向发展。 应用注塑模c a e 软件对注塑制品收缩率预测中，许多学者都是采用实验方法和预测 值进行比较来研究其正确性，但由于具体实验中的影响因素很多，也具有代表性，因此， 注塑模c a e 软件对制品收缩率也是起指导作用。 1 3 论文研究的目的与意义 注塑成型周期是塑料经历了由固态颗粒被加热成为熔融状态而充满模具型腔、然后又 在较冷的闭合模具内被冷却为固态制品的全过程。塑料热胀冷缩的现象比金属更为显著， 因此冷却到常温的塑料制品体积总是小于成型模具在常温下的模腔体积，这就是注塑成型 制品的收缩性【3 ，。 当精密注塑成型制品上各点的收缩差异较大时，如果模具设计人员对所有尺寸采用同 一收缩率值来进行注塑模具的设计，即使模具公差规定得非常严格、模具尺寸加工得极其 精确，由这副模具所加工成型的塑料制品也极可能不合格；相反，如果能在设计模具前对 注塑成型制品各处收缩率的分布趋势做出与实际情况定性符合的预测，那么通过调整注塑 成型工艺参数就可以得到合格的塑料制品1 32 1 。因此注塑制品的收缩问题不容忽视。 l m 2 5 轴承保持架要求精度很高且形状复杂。人为的工艺参数的设置也很难得到最 理想的效果。本论文的研究的目的在于优化各个工艺参数，在设计阶段预测可能出现的缺 陷。这样可以减少重复工作量，提高设计质量。设计人员可以在一个较宽的范围内评价产 品的设计性能，在浇注系统设计、冷却系统设计阶段即能预测塑料熔体在模具中的流动情 况，优化选择加工材料、设计参数，克服凭经验设计的不足，解决诸如塑件翘曲变形、尺 寸不稳定等问题。从而可避免昂贵繁琐的反复试模修改过程，保证模具设计的一次成功率。 本课题借助仿真系统，能够实现可靠的信息资源共享，减少试模返修次数，提高注塑 6 阳安i ：业人学硕十! 学何论文 模具的设计质量和效率，降低生产成本，缩短交货周期，具有重大的经济和社会意义。首 先计算机仿真技术可以替代许多难以或无法实施的试验，采用计算机仿真可以在抽象的仿 真模型上进行反复的试验，从而解决那些采用实际模型或真实试验难以解决的问题：其次， 计算机仿真技术可以解决一般难以求解的大型系统问题，对于一些大而复杂的系统，采用 理论分析或数学求解来加以分析研究是难以甚至是无法完成的，但通过计算机仿真则可以 在仿真模型的基础上，用实验的方法来研究完成：同时，计算机仿真技术可以降低风险， 节约研究开发费用。复杂系统和高新技术项目的不可预见性很大，相应的投资风险和人力、 物力浪费的潜在可能性也很大，为保证设计的可靠性，预先通过计算机仿真对系统或项目 的设计、规划加以研究并对系统建成后的运行效果进行仿真，可以预先获得许多宝贵的认 识，减少失误。最后，计算机仿真技术可以大大缩短开发和试验时间，并且不拘于时空限 制。因此，仿真技术己经成为现代机械产品设计中不可缺少的环节，具有极为重要的现实 意义。 1 4 论文工作内容 1 4 1 课题的主要研究内容 l m 2 5 轴承保持架是一种典型的注塑j n - r _ 零件，收缩是其制造过程中的主要缺陷。 诸多轴承保持架由收缩引起的形状偏差会严重影响产品的装配精度。注塑成型过程是一个 高度非线性、时变性的多参数作用过程。由于此过程具有多个参数相互作用并随时间变化 的特性，所以每个参数对最后制件质量的优劣都具有不同程度的影响。为了减少最终制件 的质量缺陷、提高生产质量，需要对整个成型周期中工艺参数的值进行检测控制，使对最 终制件质量影响较大的工艺参数值能保持在最佳的范围内，从而确保最终制件质量达到最 优。 本文从以下几方面展开对l m 2 5 轴承保持架注塑成形工艺参数优化的研究： 1 ) 工艺参数分析分析l m 2 5 轴承保持架注塑成型模拟过程中一些主要的工艺参数， 如注射温度、模具温度、注射压力、注射时间、保压压力、保压时间等对工件收缩变形的 影响。 2 ) 仿真模拟应用p r o e 、m o l d f l o w 软件对l m 2 5 轴承保持架进行不同工艺参 数下的仿真模拟试验。 3 ) 正交试验使用正交试验法，对工艺参数的优化组合，找出影响l m 一2 5 轴承保持 架收缩变形的主次因素，从而得出工艺过程中考虑调整各参数的优先顺序。 1 4 2 课题采用的技术路线 1 ) 应用c a d c a e 技术进行仿真模拟以l m 2 5 轴承保持架为研究对象，利用c a d 软件p r o e 进行制件的建模，然后导入c a e 软件进行填充、保压、冷却、翘曲分析过程 仿真。 7 西安丁业人0 硕：i ：学能论文 2 ) 使用正交试验法得出结论通过使用工f 交试验法，得出对塑件收缩变形影响程度 的主次因素，确定最佳工艺参数组合。 8 2 注塑成7 咖，j ! 占才i 理沦 2 注塑成型的基本理论 注塑成型是指将已加热熔化的材料喷射注入到模具内，经由冷却与固化后，得到成品 的方法。它将塑料原料加工成制品的主要方法，可成型各种各样的塑料制品。由于它具有 应用面广、成型周期短、生产效率高、易成型形状复杂的制品、制品精度高、生产操作容 易实现机械化和自动化等多方面的优点，因此在整个塑料制品生产行业中，占有非常重要 的地位。 2 1 注塑成型的理论基础 2 1 1 塑料 塑料是一种以树脂为主要成分，加入各种能够改善其加工及使用性能的添加剂，在特 定温度、压力等条件的作用下，能够制成设计要求的形状，并可在常温、常压下保持此形 状的一类高分子材料。塑料一般在常温下是玻璃态，若加热则变为高弹态，进而变为粘流 态，此时具有优良的可塑性。在塑料成形过程中，除极少数几种工艺外，均要求塑料处于 粘流态。塑料具有质量轻、密度小、强度高、耐化学腐蚀能力强、绝缘性能好、光学性能 好、具有多种防护性能、加工性能好、经济效益显著等优点。被广泛应用在包装、建筑、 电子电器、汽车、医疗、农业等领域。现在，塑料正在迅速进入国防、宇航、海洋开发和 信息产业等技术领域，并逐渐向其他领域拓宽。 1 ) 塑料组成及分类1 3 3 i 树脂是塑料的主要成分，它决定着塑料的基本性能。树脂按 其来源可分为天然树脂和合成树脂。天然树脂来自大自然。合成树脂的种类繁多，但塑料 工业经常使用的树脂主要有几十种。除树脂外，绝大部分的塑料中还需加入各种添加剂以 改善其力n - r - 及使用性能。常用的添加剂种类有增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、阻燃剂、 填料及发泡剂等。 塑料的种类很多，尚未有明确的分类标准。目前常用的分类方法是按塑料材料受热后 的性能表现不同，分为热塑性塑料和热固性塑料，其中热塑性塑料发展最快、产量最多、 用途最广。 a 、热固性塑料热固性塑料在加热之初，分子呈线形结构，具有可溶性和可塑性， 可塑制成一定形状的塑件。继续加热时，温度达到一定程度后，分子呈网状结构，树脂变 成不溶( 熔) 的体形结构，使形状固定下来不再变化。再加热，也不再软化、不再具有可塑 性。在加热变化过程中既有物理变化，又有化学变化，因而其变化过程是不可逆的。常用 的热固性塑料有酚醛树脂和环氧树脂等。近年来，某些热固性塑料也可用于注塑成型。 b 、热塑性塑料热塑性塑料的特点是受热变软或熔化，成为可流动的稳定粘稠液体， 在此状态下具有可塑性，可塑制成一定形状的塑件。冷却后保持既得的形状。再加热又可 9 西安- v , _ l k 人j j 硕十学何论文 变软并制成另一形状。在该过程中一般只有物理变化，其变化过程可逆。常用的热塑性塑 料有：聚氯乙烯、聚苯乙烯和a b s 等。迄今为止，除氟塑料外，几乎所有的热塑性塑料 都可用注塑成型。 2 ) 热塑性塑料的流动性和结晶性塑料流动性是比较塑料成型) j h q - 难易的一项重要 指标，流动性好的塑料容易充满复杂的型腔，获得精确的形状。塑料的流动性不仅依赖于 成型条件，而且还取决于聚合物的性质。热塑性塑料的流动性一般可根据聚合物熔体流动 速率指数( 简称熔融指数) 、相对分子质量、阿基米德螺旋线长度以及表观粘度等一系列 指标进行衡量。相对分子质量小、熔融指数大、螺旋线长度长、表观粘度小则流动性好。 a 、粘性流动行为流体在管道内流动时，可呈现层流和湍流两种不同的流动状态。 层流( 也称粘性流动或流线流动) 特征是流体的质点沿着平行于流道轴线的方向相对运动。 湍流( 也称紊流) 特征是流体的质点除向前运动外，还在主流动的横向上作不规则的任意 运动，质点的流线呈紊乱状态。当雷诺数大于临界值以后层流转变为湍流，临界值与流道 的断面形状、流道壁的表面粗糙度和熔体的粘度等有关。塑料熔体在成型过程中的流动状 态基本属于层流。 熔体流动和形变都是在外力的作用下实现的，其中最为重要的是剪切应力，因为成型 时塑料熔体在设备或模具中流动的压降、所需功率以及制品质量等均受其制约。剪切力还 直接影响到熔体粘度。 牛顿在研究低分子液体的流动时，发现剪切应力和剪切速率存在着一定关系，液层单 位面积上所施力的剪切应力与液层间的速度梯度成正比，这就是著名的牛顿粘性定律。凡 是符合牛顿粘性定律的流体就是牛顿流体，不符合则称为非牛顿流体，实践表明，只有气 体、低分子化合物的液体真正属于牛顿流体，绝大多数聚合物熔体在塑料成型条件下均为 非牛顿流体。根据非牛顿流体的剪切应力与剪切速率间呈现非线性关系的不同特征非牛顿 流体又可以分为粘性流体、时间依赖性流体和粘弹性流体三大类。其中与模具密切相关的 是粘性流体，这类流体流动时的特点是其剪切速率只依赖于所施加剪切应力的大小，而与 剪切力所施加的时间无关。 b 、热塑性塑料的结晶性热塑性塑料按大分子排列状态分为无定形( 非结晶型) 和 结晶型两类。无定形塑料的聚合物大分子的排列是无序的，如聚苯乙烯、a b s 等。结晶 型塑料聚合物的分子链能够有序地紧密堆砌产生结晶结构，但并不是1 0 0 的结晶度，一 般结晶度在1 0 0 o - 6 0 之间，所以也称为半结晶，如聚乙烯、聚丙烯等。二者在外观上也 有区别，一般无定形塑料是透明的，而结晶型的是不透明或半透明的。但也有例外情况， 如a b s 为无定形塑料，却并不透明。 2 1 2 注塑机 注塑机是进行注塑成型的必备条件之一，注塑机按塑料在料简中的塑化方式分为螺杆 式和柱塞式两种。但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 杆注塑机。注塑机由注塑系统、锁模装置和液压传动与电器控制