（材料加工工程专业论文）气体辅助注射成型工艺参数优化及工艺控制实验研究.pdf

郑州大学硕士学位论文 6 3 9 0 5 9 摘要 气辅注射成型( g a i v 1 ) 是在传统注射成型基础上发展起来的一种塑料制品 成型新工艺，国内此技术的研究起步较晚，加之g a i m 对工艺参数变化非常敏感， 工艺参数间的相互干扰和制约也比传统注射成型更加明显。因此迫切需要找出一 种对制品设计、模具设计和工艺参数设置具有指导作用的方法，进而正确的应用 c a e 分析结果，寻找出最优工艺参数组合。这对g a i m 技术的推广应用具有一定 的积极作用。 本文利用正交试验设计法，借助模具c a e 技术，对产品的结构设计、模具设 计进行优化分析，找出了一种模具设计的合理结构；探讨了如何利用正交试验设 计法，借助模具c a e 技术，以很少的几组试验分析，找出制品成型的最佳工艺参 数水平组合。主要工作包括： 设计并自制了一套管状与平板相结合的试验模具，通过几组生产试验，分析 各个因素对制品成型质量的影响趋势；并通过安排一组正交试验，分析制品成型 的最佳因素水平组合，用该试验结果注射一组制品获得比较满意的效果，也验证 了正交试验分析方法在g a i m 工艺优化方面应用的有效性。 利用试验时的工艺参数设置，用c a e 模拟软件进行相应的模拟分析，并用模 拟试验分析结果和试验结果作比较，取得了较好的一致。也验证了g a i m 模拟技 术的可靠性。同时，在模拟分析结果和试验结果的比较中，找出了模拟分析与试 验结果在不同工艺条件下的差异，为正确使用g a i m 模拟技术提供了一定的科学 依据。 关键词：气辅注射成型：正交试验设计；工艺参数；控制 皇堡塑墅鎏壁盛型三苎叁塑垡些墨三苎丝型 a b s t r a c t t h eg a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g ( g a i m ) i san e wm o l d i n gm e t h o do f p l a s t i c sp r o d u c t s ，w h i c h w a s d e v e l o p e do n t h eb a s i so ft h et r a d i t i o n a li n j e c t i o n m o l d i n gt e c h n o l o g y t h er e s e a r c ho fg a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n gi nc h i n a i sb e h i n dt h eo t h e rc o u n t r y m o r e o v e rt h es e n s i t i v i t yo fg a i mt h e o r yi sg r e a t ， a n dt h ep r o m i n e n ti sm o r et h a nt h et r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g y s o i t sr e q u i r ei n t e r f e r e sa n dr e s t r i c ta m o n gt h ep a r a m e t e r st of i n daw a yt h a tc a n d i r e c tt h ep r o d u c td e s i g n ，m o l dd e s i g na n d p r o c e s s v a r i a b l e ss e t t i n ga n dm o r e t of i n dt h ep r o c e s sv a r i a b l e st h a te f f e c tp r o d u c tm o l d i n ga n dh o wt om a k et h e b e s tu s eo ft h e a n a l y z i n gr e s u l to fc a e ，w h i c hh a sa c t i v ee f f e c to nt h es p r e a d o fg a i m t h e o r y t h i s p a p e ru s e so r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n i n ga n dm o l d i n gc a e t e c h n o l o g yt oo p t i m i z et h ep r o d u c ti n s t r u c t i o nd e s i g na n dm o l d i n gd e s i g n s e q u e n t i a l l yt of i n dt h eb e s tm o l d i n gd e s i g n i ta l s od i s c u s s e sh o w t oo p t i m i z e t h ep a r a m e t e r so fp r o d u c tm o l d i n gb ya n a l y s i ss e v e r a lg r o u pt e s t sr e s u l t ，a n d f i n dt h eb e s tp a r a m e t e r s s e t t i n g t h ep r i m a r y w o r k si n c l u d e ： d e s i g n i n ga n dp r o d u c i n gas u i to fm o l d i n g 。w h i c hi st h ec o m b i n a t i o no f t u b ea n ds l a b ，a n du s i n gs e v e r a lg r o u p so ft e s t st oa n a l y z et h et r e n do fe a c h f a c t o rt h a ta f f e c t s p r o d u c t q u a l i t y a r r a n g i n g a g r o u p o f o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a l ，a n a l y z i n ga n df i n d i n go u tt h eb e s tl e v e lo ff a c t o r s t h ee f f e c ti s s a t i s f a c t o r yb ym o l d i n gs e v e r e ip r o d u c t sb yu s i n gt h er e s u l to ft e s t t h ev a l i d i t y o ft h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lm e t h o dt og a i m t e c h n o l o g y w a s p r o v e d u s i n gt h ec a e s i m u l a t i o ns o f t w a r ea n a l y z e st h ep r o c e s sv a r i a b l e s s e t t i n g o ft h et e s t ，i t si nl i n et h ea v a i l a b i l i t yw i t ht h et e s tr e s u l tt h a ta l s op r o v e st h e r e l i a b i l i t y o ft h es i m u l a t i o n s o f t w a r e s i m u l t a n e i t yf i n d s o u tt h ed i f f e r e n c e b e t w e e ns i m u l a t i o na n d t e s t ，w h i c hv e d f i e dt h es i m u l a t i o ns o f t w a r e ， k e y w o r d e ：g a s l a s s i s t e d i n j e c t i o n m o l d i n g ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a d e s i g n i n g ；p r o c e s sv a r i a b l e ；c o n t r 0 1 塑型查兰堡主兰些丝塞 第一章绪论 i i 气体辅助注射成型的基本原理及技术特点 aa a 熔体注射b 气体注射c 气体保压 图 - i气体辅助注射成型原理 气辅技术的实施和应用，主要取决于塑料熔体在模具型腔中的流动特点，即当塑料熔体 在注射压力的作用下进入模具型腔后，在同一断面上，各点的流速不同，中问最快，离型腔 中心越远越慢贴在型腔壁上的一层速度为零。这是由于高温的塑料熔体进入低温的型腔后， 先接触型腔壁的熔体冷却，温度下降，粘度上升，从而速度下降，而中心部位热量损失少， 这样注射压力总是通过中心传递，中心部位的质点将以晟快的速度前进。由于外层的速度 较慢，料流头部中心两侧将产生一个小弱压区，使塑料质点产生垂直主流的速度，这样两个 速度合成，就形成质点的非直线运动。在这样的条件下，如果让注射机注料到某一特定的位 置时。停止注射，而用有一定压力的气体代替后继有一定压力的熔体同样气体会向具有低 阻力的中心流动。这样，气体会将中部的塑料熔体推向前方。当气体的压力、注射时间合适 的时候，塑料熔体会被高压气体压在型腔壁上，形成一个中空的塑件， 。 、2 9 k m 5 5 x 谢黼 翮瓣菸然翌森粼穗鳞剿一一 ， 圈i 一2熔体流动示意图 其原理如图t - 2 所示。 气体辅助注射成型周期主要包括熔体注射阶段、气体注射延迟阶段、气体穿透阶段、气 体保压阶段、气体释放和开模6 个阶段( 如图卜3 所示) ： ( i ) 熔体注射阶段注入一定量的塑料，即通过浇口将按预先设定好的( 这一具体量 要视具体的制品通过实验或c a e 分析得出) 、占模腔容积定百分比的塑料注入模腔，此时 墨竺塑壁堡塾盛型三茎查墼垡些墨三茎丝型一 塑料熔体必须将模腔内气体的喷嘴完全包住。 ( 2 ) 气体注射延迟阶段从熔体注射结束到气体注射开始需要做一短暂的停留，使塑 料熔体温度稍微下降，避免熔体温度过高而使气体渗入熔体或气体穿透熔体 ( 3 ) 气体穿透阶段熔体注射结束，稍微停顿后，将高压气体通过浇口或者流道注入 熔体芯部或直接进入型腔内部，熔体流动前沿在高压气体的驱动下继续向前流动直至充满整 个型腔。 l l 、周期开始 卜2 熵体洼射阶段 2 、焙体洼舯结集 2 3 ，气体注射延迟 时间 3 、开始 主气 3 q 、气体穿透阶段 “气体僚压阶段开 始 4 一民气体保压阶段 5 、气体保压塘柬 5 _ 6 、气体压力辟蔽 6 、开挂 图l _ 3气体辅助注射成型周期示意图 ( 4 ) 气体保压阶段充模完成后转入保压阶段，制品在保持气体压力情况下冷却，在 冷却过程中，气体由内向外施压，保证制品外表面紧贴模壁，并通过继续向型腔中注入高压 气体，从内部补充因熔体冷却凝固而引起的体积收缩。 ( 5 ) 气体释放在制品冷却完成后，气体被控制降压排除制件，排出的气体回收以备 循环使用或直接排入大气。 ( 6 ) 开模最后进入脱模阶段，开模取出制品。 与传统注射成型过程相比，气辅注射成型多了一个气体穿透阶段，且保压阶段是靠气压 进行保压的。保压压力低，可降低制品内应力，防止制品翘曲变形。由于气体能有效的传递 所施加的压力，可保证制件内表面上压力分布均匀一致，既可补偿熔体冷却时的体积收缩， 也避免了制件顶出后的变形。采用气体辅助注射成型，是通过控制注入型腔内的塑料量来控 制制品的中空率及气道的形状。气辅注射成型根据气体注射的方式可以分为压力控制法与体 积控制法两种方法。总体而言，气辅注射成型具有以下技术特点： ( i ) 可以简化制品的结构。在传统注射成型中，一些制品由于壁后差异较大而不得不 分成几个零件，成型后再组合在一起，而气辅技术将制品壁厚处掏空形成气道，可以实现一 体成型。 ( 2 ) 可以消除制品表面缩痕。气辅注射成型可以成型壁后差异较大的产品，而不会在 制品表面产生缩痕。因为可以将气体通过气道引入厚壁处，通过气体的保压来抵消塑料的收 缩，这为产品的设计带来了极大的方便。 ( 3 ) 可以减小制品的翘曲变形及内部应力，由于气道可以深入熔融塑料流程末端，并 且气体内部的压力基本相等，所以保压压力均匀，制品的翘曲变形及内部应力大大减小。 ( 4 ) 可以减轻制品重量。采用气辅技术可以将制品的整体平均壁后减薄，而采用加强 筋和引入气道的方法来增加制品的强度和刚度，同时由于不必考虑壁厚是否均匀，还可以将 以前必须分开制作的零件组合在一起，这就减少了塑料的用量。 ( 5 ) 可以缩短成型周期。由于壁厚减薄，用料减少，冷却时间相对减少，成型周期也 相应减少。 ( 6 ) 可以降低产品成本。由于气辅注射成型采用气体保压，保压压力大为降低，所以 2 一 模具体积可以适当减小机床锁模力也有所减小，可以选用较小的机床成型较大的产品。 由于气辅工艺涉及熔融聚合物与高压气体在模腔内的两相复杂流动，导致产品设计、模 具设计以及工艺参数设计较为复杂，与传统注射成型相比，气辅注射成型具有更多的工艺参 数需要确定和控制，而且气体辅助成型常用于较复杂的大型制品，更增加了模具设计和工艺 控制的难度。由于气辋成型工艺的复杂性，传统的注塑成型经验己无法满足气辅工艺开发的 需要，也阻碍了气辅成型这一新兴工艺的发展和全面推广。借助计算机辅助工程分析( c a e ) 技术所提供的信息，可帮助了解成型过程，优化模具设计，确定最佳的工艺参数配置，减少 试模和修模次数，其优势不言而喻1 。 1 2c a e 技术的发展及其在气体辅助注射成型中的应用 1 2 1c a e 技术的研究与发展 注塑成型过程是塑料熔体在一定形状的浇口、流道和型腔中的非等温、非稳态、非牛顿 特性的复杂流动过程，在注塑成型过程中，伴随着塑料物理化学形态的转变一塑料产生体积 收缩、分子取向和结晶等，均会对成型制件产生影响。因此，对注塑成型过程进行分析，必 须结合流体力学、传热学、塑料加工流变学等各方面的知识，采用数值仿真技术，来模拟注 射成型过程中的塑料流动、充模、保压、冷却等过程。随着c a e 技术研究和应用日益成熟， c a e 分析范围概括了塑料充填流动模拟、保压分析、冷却分析、应力分析、翘曲变形等各个 层面，并且还为气体辅助注射成型、共注射成型等新的注塑成型工艺的数值模拟提供了技术 保障4 卅。 对注射成型充填过程中熔体流动情况的研究开始于6 0 年代，t o o t ，b a l l m a n 和c o ( ) p e r i ”】 最先用数值方法计算了注塑成型中塑料熔体充填过程。此阶段研究者主要是针对一维流动进 行了大量的研究，较有代表性的是l o r d 和w i l l i a m s ! ”1 对塑料熔体的圆管流动及可作为一 维流动处理的型腔内流动( 中心浇口的圆盘、端部有浇口的矩形型腔等) 进行研究。一维流 动分析速度快、流动前沿位置容易确定，但其只局限于简单、规则的几何形状，在生产实际 中无实用价值。一维流动分析的数学模型可归纳为： 对圆管： 娑10 ( r t ) 1 - 1 c 谨，o r 一 嘏 q = 2 石j u r d r 1 - 2 印，降+ “罢) = 軎导( r 罟 + 矿 对圆盘或矩形型腔： 翌：一坠 苏出 q = 2 f 甜( 那) s ( x ) d z 一3 i ，3 1 4 气体辅助注射成型工艺参数优化及工艺控制 一fa r a 丁1，a 2 t2， 9 l 百枷面j 武萨 7 卜6 式中，x 表示轴向( 圆管) 或流动方向( 型腔) ；r 表示圆管的径向；z 表示型腔壁厚方 向；s 为矩形任意x 位置的宽度或圆盘任意r 位置的周长。 七十年代，有学者开始对熔体二维充填流动进行分析，二维流动分析的难点是对移动边 的处理，即如何确定每一时刻熔体流动前沿位置。通常处理移动边界的方法有移动网格法和 固定网格法两类，固定网格法主要包括m a c ( m a r k e ra n dc e l l ) 法和f a n ( f l o wa n a l y s i s n e t w o r k ) 法。f a n 法的基本思想是：先将整个型腔划分矩形网格，并形成相应于各结点的 体积单元，随后建立节点压力与流八结点体积单元的流量之间的关系，得到一组以各结点压 力为变量的方程，再求解方程组锝到压力分布，进而计算出流入前沿结点体积单元的流量， 最后根据结点体积单元的充填状况更新流动前沿位置。以色列学者b r o y e r 、g u t f i n g e r 和 t a d m o r 1 3 l 应用f a n 方法对二维等温流动进行了计算，并对保压、固化及分子取向问题进行 了探索，其数学模型为： 擎+ 当：o 1 7 o x洲 一望一丝：o 叙出 l 一8 一罢一孥：o l 一9 卿 凹 移动网格法主要包括网格扩展法( m e s he x p a n s i o ns c h e m e ) ，其基本思想是：根据当前 时刻的流动前沿的位置和速度以及时间增量，确定下一时刻的流动前沿位置，再对流动前沿 的局部区域划分网格，并调整结点位置，以消除畸变的单元。在计算过程中，网格覆盖熔体 的充填区域，并随着区域的扩展而扩展。网格扩展法的优点是能较准确的确定熔体流动前沿， 但应用过程中必须对时间增量进行特殊处理，以保证计算出的流动前沿节点不落在型腔边界 之外。美国学者c a h i e b e r 和美籍华人s f s h e n 1 町将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，得出了描述二维充模流动的数学模型： 昙( 玎罢) 一罢：o i - i 0 昙( 笮刍一罢：o 1 _ 1 l 优d v 昙( 6 玎) + 昙( 6 矿) ：01 - 1 2 嬲咖 群( 鲁+ 甜罢+ y 多) = 七窘+ 杉2 ，啪 式中，b 、p 、矗玑c p 和| 】 分别是半壁厚、压力、剪切速率、粘度、比热和热传导 率；u 是x 方向的速度；v 是y 方向的速度。 对气体辅助注射成型充填模拟的研究开始于九十年代初期。ls t u r n g l ”1 等人借鉴传统 d 塑型查堂堡主兰些堡塞 注塑成型充填流动分析的研究，实现了熔傣在气体作用下在型腔中流动的数学描述。由于是 两相流动，除如何确定新时刻的熔体流动前治位置外，还需考虑对熔体一气体运动边界的处 理。ls t u r n g 等人采用粒子跟踪算法( p a r t i c l et r a c i n ga l g o r i t h m ) 对两边界进行跟踪， 其算法的实质是基于熔体和气体进入型腔的时间来区分计算区域内的熔体和气体，从而确定 充填过程中熔体气体的空间分布。 s c c h e n l ”1 卅等人分别对薄板上加肋，环形圆管等气辅制件进行了2 d 和2 5 d 的气辅 注射主要穿透和二次穿透的理论和实验研究。从制件的结构性能、注塑压力及温度影响、气 道形状设计、数值计算方法等多方面研究了气辅注塑成型流动过程的规律和特点，取得了较 好的研究成果， d m g a o 鲫等人在处理气体辅助注射充填过程中熔体前沿和熔体一气体边界这两类移 动边界上采用的是控制体积法，控制体积方法是在f a n 法思想上发展起来的一种处理移动边 界的方法，它利用结点压力计算出流入或流出结点控制体积的流量，从而根据控制体积的充 填情况近似确定熔体前沿和熔体一气体边界的位置。 s m c h a o 【“等人研究了在气辅控制单元中的气体成型压力动态模型，首次引入了非线 性动态模型并得到实验认证，在预测和检测方面，非线性动态模型可以很好预测气辅注射成 型中各种现象，其结果对工艺特征和不同工艺参数之间关系理解很有帮助，但实用性差。因 此，又提出了基于非线性模型基本特征的两次模型，实验结果表明该模型能够精确预测气体 注射压力短暂变化。 目前，一些国家的研究机构已经相继推出气体辅助注射成型充填模拟的商品化软件，如 美国c o r n e l l 大学开发的c - m o l d 软件的g a s f l o w 模块，澳大利亚m o l d f l o w 公司开发的气体 辅助注射成型充填流动模拟软件m f g a s 。我国整个模具c a e 技术的研究和开发起步较晚， 八十年代中后期才开始，而气体辅助注射c a e 技术发展更是落后，但经过十多年的发展，也 出了不少成果，橡塑模具国家工程研究中心在气辅成型充模过程的分析研究基础上开发了 z - m o l d 系统的气辅模块，目前取得了很大的进展。但由于气体辅助注射成型工艺过程对工 艺参数的灵敏性，决定了目前的c a e 分析软件的精确度还存在很大不足。 1 2 。2c a e 模叛技术在气辅注射成型中的应用 注射成型工艺设计包括塑料制品设计，模具设计和参数设置，这些环节都将影响注射模 具的质量及产品的性能。注塑工艺设计主要取决于经验。压力允许的范围，注塑机的限制以 及模其自身的质量等。工艺设计包含大量王艺参数的设置，比如：压力设置( 注射压力，保 压压力，背压等) ，时间设置( 充填时间，保压时间，冷却时间以及循环周期) ，温度设置( 熔 体温度，模具温度) ，锁模力，注射速率，螺杆旋转速率等。在这些工艺参数之中，有些工 艺参数已经被事先限制，比如注塑机的种类口”q 。因此，不同设备条件下，工艺参数的设 置也不尽相同。 相对传统注塑成型工艺而言，气体辅助注射成型又引入了气体注射压力、气体注射时间、 气体注射延迟时间等新的工艺参数，这些工艺参数之间的干扰和制约相对传统注塑成型更为 明显，传统的经验和技术已远不能有效而准确地对该成型工艺进行控制。通过c a e 分析，可 以找出最佳注射压力、保压压力、注射速率、充填时间、保压时间、熔体温度、模具温度、 气体注射压力、气体注射时阕、气体注射延迟对间等工艺参数设置，确定出合理的浇口与气 口位置，合理的冷却水道的布局，预测气体沿加强筋的穿透情况，以及气体的压力和锁模力 等1 2 ”。 c a e 技术在气体辅助注射成型过程中的应用大体可以分为以下几个方丽1 2 ”9 j ： 气体辅助注射成型工艺参数优化及工艺控制 l 、预测工艺参数对成型的影响 对气辅注射成型制品质量影响较为明显的工艺参数主要有：气体注射延迟时间、气体注 射时间、气体注射压力、熔体预注射量、熔体温度、保压压力、保压时间、模具温度a 这些 工艺参数之间相互关联、交叉作用，有的工艺参数对制品质量的影响非常敏感，为工艺设计 带来很大的困难。c a e 技术可以有效的预测工艺参数对成型的影响趋势，预测因工艺设置而 引起的产品缺陷，为工艺设计人员提供了可靠的技术保障。 2 、预测模具结构对成型的影响 c a e 技术另外一个重要的作用是可以预测模具结构对成型的影响，由于气体辅助注射成 型技术尚不十分成熟，且制品的结构对气辅成型的影响较传统注射成型更为显著因此利用 c a e 技术对气体辅助注射成型进行模拟对避免缺陷的产生具有重要的意义。因气道和进气口 的设计不合理而产生的缺陷主要有：气穴、气体填充不均匀、浇不足、熔接痕以及手指效应 等，有些缺陷的产生凭经验无法预测，通过修改工艺参数设置也无法完全避免，必须通过修 改模具结构加以避免，这势必增加模具生产的成本，也严重阻碍了气体辅助注射成型技术的 推广应用。运用c a e 技术可以有效的预测因结构设计而引起的制品缺陷，为模具设计人员提 供合理的设计方案，从而避免了传统模具生产过程中的反复试模、修模。节省了大量人力物 力，同时也缩短了模具生产周期。 3 、预测材料性能对成型的影响 影响成型的材料性能主要有：粘度、密度、比热和热传导率等，而这些性能叉受到温度、 压力和剪切速率的影响。通过c a e 模拟分析，可以方便、直观的预钡4 材料的成型过程以及成 型后制品的质量，为科学的选择最佳的成型材料提供了技术保障。 由于客观条件的限制，比如注塑机的注射速率、注射压力，气体压力控制设备最大压力 等条件的限制，加之气辅注射成型工艺较传统注射成型工艺更加复杂，制品结构、模具结构 和工艺参数设置的改变对制品质量的影响更加敏感。凭借经验进行制品设计、模具设计以及 工艺参数设置将会存在许多局限性，甚至会存在各种潜在的缺陷，给生产加工造成损失。通 过计算机进行模拟分析，可预测各个工艺参数对成型的影响及各种潜在的成型缺陷，评估产 品设计、模具设计和材料、各种成型设备的选择，从而根据数值模拟的结果指导产品设计、 模具设计以及工艺参数的优化，保证制品的性能和质量要求。 1 3 气体辅助注射成型技术的应用和前景 气体辅助注射成型技术是在传统的注射成型基础上发展起来的一种新型的注射成型工 艺，它克服了传统工艺上的局限性，具备许多传统注射成型工艺无可比拟的优点。气体辅助 注射成型作为一项革命性的注射成型技术，自8 0 年代开始进行相关的实验和理论研究，到 9 0 年代初该技术被投入实际应用，是自往复式螺杆注射机问世以来，注射成型工业中最重 要、晟有意义的发展之一。 由于气体辅助注射成型拥有许多传统注射成型无可比拟的优点，气辅成型技术已被广泛 应用在汽车、家电、家具、日常用品等领域，尤其是在汽车和家电行业，使许多不能成型或 不能一次成型的塑料零件的成型成为可能，为塑料成型开辟了一个全新的应用领域。 在汽车领域，气辅成型技术发挥了极其广泛和深刻的作用。如美 d e l p h i 内饰件和照明 系统公司的s u p e rp l u g 计划t 将原来由6 1 个零件组成的以金属为主体的汽车门板，通过g e 公司的气辅成型技术并采用添加3 0 玻璃纤维的聚碳酸酯与聚酯的合金一次成型，产品单件 质量仅为l - 5 9 k g 。该零件厚度从3 m m 到2 0 m m ：不等，形状相当复杂，若使用传统注塑成型是完 全不可能的，而气辅成型技术则实现了这一目标。美国s a j a r 塑料公司使用高抗冲击性能的 高密度聚乙烯通过气辅成型技术成型透明的汽车顶棚，使所需注塑机吨位下降，残余应力水 - 6 塑型查堂堡主兰些兰壅 一一一 平下降，翘曲变形得到控制，同时刚性与质量比增加，能够承受厚达7 5 e m 的积雪。美国 c h r y s l e r 公司的复合概念车计划以聚对苯二甲酸乙二酯( p e t ) 为材料采用气辅成型技术进行 一次成型整个车身，其模具费用2 0 0 万美元，质量为1 6 5 t ，在9 k t 注塑机上生产，使1 辆传统 汽车的零件总数从4 0 0 0 件减少n 1 1 0 0 件。c h r y s l e r 公司的概念车d o d g ei n t r e p i de x s 2 整个 外壳m 6 4 - 谴i 过气辅成型技术成型的p e t 为材料的塑料覆盖件组成，同时采用了混合动力( 电 力和传统发动机) 和流线型设计，开创了自然环保型汽车的新形象。气辅注射成型技术在其 他汽车零件的成型中也发挥着重要的作用，如保险扛、仪表板、货厢内饰、气流引导板、雨 接、防擦条、后视镜等。 气辅注射成型技术在家电领域尤其是彩色电视机外壳成型中的应用也取得了极大的成 功。日本东北宗形公司是一家模塑厂，它充分利用气辅注射成型技术可将不同壁厚一起成型 的优势，设计出和传统模具有很大差异的电视机外壳气辅模具，生产松下大型电视机外壳 ( 7 4 c m ) ，不但模具费用和机器成本降低，同时取得了令人难以相信的工艺效果。电视机外壳 平均厚度从0 3 6 0 c m 减少n o 2 5 4 c m ，质量减少3 5 ，注塑时间减少5 0 生产周期大为缩短。 表面缩痕、凹陷彻底避免，产品外观、内在质量和合格率大大提高。因设计自由度增大，完 整电视机外壳所需的管子支撑和外部饰件的数量从常规注塑工艺的1 7 个减少到8 个，装配时 间减少一半，产品总成本大大降低p ”“。 我国工业对气辅注射成型技术的关注还不够，主要应用领域仅仅局限在彩色电视机、冰 箱、空调等家电产业，在其他行业只是偶尔尝试。目前，国内生产大屏幕彩电的厂家基本全 部引进了气辅注射成型技术。但在国外应用最为广泛的汽车领域我们还很少涉足，也有部分 企业已经在做这方面的尝试，如成都航天模塑股份有限公司是一家主要从事汽车、家电、通 讯及医疗器材的制造的厂家，目前正在积极筹备将气辅注射成型技术运用于汽车零部件的生 产。 我国气辅注射成型技术的应用潜力非常巨大，在加人世界贸易组织之际，我国各行各业 都面临着前所未有的机遇和挑战，尤其是汽车行业。如何缩短生产周期、降低生产成本、加 快新产品开发周期已经成为汽车厂家能否面临这场挑战的核心问题，而气辅注射成型技术将 在这种竞争中发挥着不可替代的作用。 1 4 本课题研究背景及其意义 作为一项创新型注射成型工艺，气体辅助注射成型技术在最近十年得到了很大的发展。 此技术的核心为将压缩气体注入制品壁厚处，气体推动中心尚处于熔融状态的塑料前行直至 充满整个型腔，然后使制件在气体的压力作用下冷却定型。由于气体传递压力的性能良好， 气体入口处和气体末端的压力降几乎为零，压力分布较传统注射成型更加均匀，制品的翘曲 变形程度减少：气辅注射成型采用气体保压，保压冷却过程中产生的内应力也大大减小，并 且气体在保压阶段的二次穿透弥补了熔体在冷却时产生的体积收缩，有效地抑制了缩痕的产 生：气体将制件壁厚处掏空，使薄厚不均的零部件一体成型成为可能，减少了产品的零件数 量和重量；通过气道和加强筋的设计，还可以降低制件的平均厚度，减少原材料的使用，由 于气道的设计增加了制品截面的二次惯性矩，使制品的强度和剐度非但没有减少，反而有所 增强。另外，与传统注射成型相比，注射压力、锁模力都大为降低，致使模具损耗减少、寿 命延长，制件成型周期缩短，制品表面质量大为提高 但是，气辅注射成型较之传统注射成型更为复杂。方面，它涉及到更多的工艺参数， 比如气体注射延迟时间，气体注射压力及气体注射时间等。另一方面，为了获得更好的气体 穿透效果，必须在原有制品的基础上设计加强筋，作为气道引导气体流动。气道设置的形状 尺寸将改变熔体流动状态，进而改变气体的穿透效果，气体穿透的状况决定了制品质量的好 气体辅助注射成型工艺参数优化及工艺控制 坏。另外，气体穿透状况对周围环境的改变非常敏感，比如工艺参数的小小变化，熔体属性 的轻微波动都会是气体穿透状况产生很大的变化。 在运用气辅注射成型技术时，最为常见的问题是“手指效应”，它是由于气体穿透气道 进入薄壁处形成的，它的产生将使制品的强度下降，手指效应的状况受气道设计和工艺参数 设置的影响。而气道形状、大小和尺寸的设计又不得不考虑制品的各种属性，对于这个问题， 许多设计指导都有针对各种形状制品的气道设计方面的参考。但是气辅注射成型工艺参数的 优化仍然是一个富有挑战性的问题，除手指效应外，气辅注射成型还会产生穿透不充分、迟 滞痕、沉降斑等各种缺陷并且由于许多气辅缺陷对工艺参数的要求是反方向的，因此采用 试错法进行工艺参数的调节带有很大的盲目性，甚至浪费大量的时间也得不出一个满意的工 艺参数配置方案。本文围绕应用气辅注射成型技术时，如何获得一个满意的产品、模具设计 方案和工艺参数设置方案这一问题，展开了以下几个方面的研究工作： 1 、学习和总结前人有关气辅注射成型技术有关理论方面的研究，总结了气辅制品设计 的基本原则、气辅模具设计的基本要点和气辅工艺参数设置的技术特点； 2 、运用c a e 模拟软件，采用正交实验法分析各工艺参数对制品质量影响的趋势； 3 、通过具体的气辅实验，并与c a e 模拟分析结果进行对比，根据各工艺参数对制品成 型影响的特点，找出一种优化气辅注射成型工艺参数的有效方法。 整个研究工作着重于从实际应用的角度出发，阐明了气辅注射成型的基本原理、制品设 计的基本原则、模具设计的基本要点以及工艺参数对制品质量的影响趋势，并针对具体的气 辅制品，分别通过c a e 模拟软件和具体的气辅试验两种途径予以分析，运用正交实验法，找 出一种优化气辅注射成型工艺的有效方法。对气辅注射成型技术在生产中的应用及其工艺参 数的优化有一定的参考价值。 - 8 郑州大学硕士学位论文 第二章气体辅助注射成型过程的数学模型 2 ，1 熔体的粘度模型 注射成型充模流动模拟时，涉及到的最重要的聚合物性能是熔体的粘度特性，它是进行 流动分析时不可缺少的数据。熔体的粘度受到各种外界因素的影响，主要有温度t 、剪切 速率尹和压力p 。针对不同的熔体以及不同的条件，可以采用不同的粘度模型，目前有两种 粘度模型为人们普遍采用，一种是幂律模型，另一种是c r o s s 模型。 1 、幂律模型 多数塑料熔体属非牛顿型流体，其粘度随剪切速率的大小而改变，可以通过如下幂律公 式来体现： 节螺) 一缈”1 ( 2 - 1 ) m p ) = a e t o ” 式中：聍流动指数 a ，瓦材料常数。 2 、c r o s s 模型 幂律模型运用简单，但它忽略了压力对粘度的影响，而某些树脂对温度和压力又非常敏 感( 如p o m ，p p o ，p s f 等) ，其粘度随温度和压力而变化，为此引出c r o s s 模型： p ，t p ) 2 崭 c z z ) 其中鳓( t p ) = b o x , l l t e x p ( 多p ) 式中：- 幂律模型指数 f 由牛顿粘度过渡到幂律粘度时的剪切应力水平： 瓦表示盹对温度的依赖性； 表示，岛对压力的依赖性； 丑表示一个由聚合物的分子量等参数决定的常量。 2 - 2 粘性流体力学的基本方程 熔体的流动应遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，因此，熔体流动和传 热满足以下基本方程 3 5 - 3 6 】： 1 、连续性方程 一9 t 气体辅助注射成型工艺参数优化授工艺控制 连续性方程是质量守恒定律对于运动流体的表达式，其一般形式为： 等+ 掣+ 掣+ 掣：o 浯。， a函 却a z 。 7 式中：，u ，w 是递度矢量万沿x ，y ，z 三个坐标方向的分量。 圆柱坐标系中连续性方程为： 塑a t 弓掣弓判a o + 掣：。 浯 r西 r a z 。7 2 、运动方程 运动方程是动量守恒定律对于运动流体的表达式，其表达式为： 尸鲁= 成一罢+ 鼢+ i v y h 野( 票+ 耕昙除+ 剀 尸鲁2 码予跚罢+ 钳珈a o 跗) + 求爹剖 尸警2 班一面o p + 昙 刁罡+ 割 + 号l ( 茅+ 老) + 昙( ：叩考+ 胍f ( 2 - 5 ) 式中：只，s ，c 流体单位质量的质量力分别在三个方向上的分量： 刁流体的动力粘度 五系数常数 3 、能量方程 能量方程是能量守恒定律对于运动流体的表达式，其一般形式为： 心，【鲁+ ”罢+ u 詈+ w 罢 = 节1 2 2 + ：陪 2 + 2 侩 2 + 隹+ 刳2 + 陪+ 割2 + 罡+ 警) 2 1 + 昙( 世罢) + 号( 七考 + 昙( 世罢) + 用 c z 删 式中：g 单位质量流体的热源强度； k 导热系数； q 定压比热容。对于液体，c j “巴( 定容比热容) ；对于不可压缩流体， 有v f i - = 0 。 4 、应力一应变关系 仅有连续性方程、运动方程和能量方程还无法对粘性流体的运动行为进行准确描述，还 1 0 堑i ! ! ：! 奎兰竺圭兰堡兰墨一 需要建立表达粕性规律的应力张量和变形速率张量之间的关系，即本构方程。广义内摩擦定 律建立了应力张量和应变速率张量之间的关系，其分量形式为： 铲丹一。一p + 胛面+ 2 玎詈 旷廿竹w p + 腮2 叩詈 铲- p + f 。一p + 胍一+ 2 t 7 警 fa u 抛1 可一邓医+ 万j f 辄a u1 可w 邓污+ i j f 。：r 。：玎f 塑+ 型 ( 2 - 7 ) k 爿a 邓l 瓦+ ij 叫 5 、状态方程 在研究可压缩流体的运动规律时，必须考虑热力学参数对流体运动的影响。状态方程建 立了压力p 、温度r 及体积y 之间的关系，其一般形式为： 尸= p 0 ，t ) ( 2 8 ) 气辅注射成型过程的模拟实质是在一定的边界条件下求解满足上述方程的解。但是，对 于一般工程问题，这几个方程非常复杂，必须从实际出发，通过对问题进行深入细致的分析， 2 3 气辅注射成型过程的基本理论 气体辅助注射成型充填过程包括塑料熔体注射和气体注射两个阶段。塑料熔体注射阶段 与传统注射成型基本相同，唯一不同点是传统注射成型熔体充满整个型腔，而气体辅助注射 成型熔体并不一定充满整个型腔，它只充填事先经过准确计量的塑料量，这一阶段的熔体流 动可采用传统注射成型的数学模型。气体注射阶段则比较复杂，一方面熔体在气体的推动下 充满型腔，另一方面气体在熔体中穿透形成中空部分如图2 - 1 所示。气体注射阶段整个型 。腔可以分为四个部分：( 1 ) 紧贴模壁已经冷却形成的 l塑料凝固层；( 2 ) 气体在熔 k 体中的穿透部分；( 3 ) 塑料 熔体充填部分；( 4 ) 未充填 部分。共包括两个自由边 界：气体穿透前沿和熔体流 1 、塑料凝固层2 、气体3 、塑科熔体“未充埴部分 动前沿。由于气体和塑料熔 图2 - l 气体注射阶段的充填示意圈 体在物性和运动方面差异 较大，要分别对它们进行处理。首先从连续介质力学的一般理论出发，运用质量守恒、动量 墨堡塑壁生塾盛型三苎叁墼垡些墨三苎丝型 守恒及能量守恒定律对二者共同遵循的一般规律进行描述，在根据二者运动的不【司特点引入 不同的假设和简化，建立各自的数学模型，二者的运动在气一熔界面上保持一致”“”1 。 工程实际中，利用气体辅助注射成型的制件，需要设计专门的气道引导气体的注入。除 气道外的型腔的其他区域，一般厚度方向的尺寸远小于其他两个方向，因此视熔体在这些区 域中的流动为扁平型腔中的流动。对于气道，根据其宽度方向和厚度方向尺寸的比值，分两 种情况考虑，如图2 2 所示。 一一 圈2 - 2气体辅助注射成型气道形状示意图 图2 2 ( a ) 所示，气道的宽度与厚度尺寸之比大于4 的，将熔体在其中的流动也视为扁平 型腔中的流动；图2 2 ( b ) 所示，气道的宽度与厚度尺寸之比小于4 的，则认为熔体在其中的 流动为圆管中的流动。 气体注射阶段结束以后，进入气体保压冷却阶段。在此阶段，弗8 件在保持气体压力的情 况下冷却，并进一步利用气体各向同性的传压特性在制件内部均匀地向外施压，并通过气体 膨胀补充因熔体冷却凝固所带来的体积收缩( 二次穿透) ，保证制品外表紧贴模壁，从而得到 近乎完美的表面质量。而传统注射成型所需注射压力较大，压力梯度也非常大，致使所得制 品残余应力大，翘曲变形严重，且由于厚壁部分冷却慢，表面时有缩痕产生，更不能将厚壁 和薄壁结合在一起成型。从工程力学原理上看，气体带来的中空截面改变了材料在制品断面 上的分布，大大提高了断面二次矩，制件的刚度非但不受影响，反而得以改善，承载力增加。 从流体力学观点来看，保压阶段是可压缩、非牛顿流体在非等温状态下的非稳态流动和 传热过程。因此，可以从粘性可压缩非牛顿流体基本方程出发，基于工程背景对控制方程进 行合理的简化，利用数值方法实现对气体辅助注射成型保压过程的仿真模拟，为优化气体辅 助注射成型加工提供合理的科学依据p ”。 由于在气体充填流动以及气体保压冷却过程中，气体的物理性质虽然随着加工条件的变 化而变化t 但这种变化与熔体和气体性质之问的差异比较起来很小可以忽略不计。因此， 在目前的模拟分析中，型腔中的流动仅以熔体区域内部以及熔体气体边界及熔体前沿界面 为研究对象，气体对熔体的作用通过旌加在熔体气体边界上的边界条件来体现。 2 4 熔体充填的数学模型 2 4 i 扁平型腔中熔体的充填流动 由于注塑制件大部分为薄壁制件，可以对熔体在型腔中的流动引入h e l e s h a w 流动假设， 即相距很近的两平行平板之间的粘性蠕动，如图2 3 所示为熔体在薄壁型腔中的充填流动示 意图对于h e l e s h a w 流动，粘性力起主动作用，惯性力和粘弹效应可忽略不计。对于薄壁 型腔部分，熔体的流动也可以作为h e l e s h a w 流动进行处理，对其做出如下假设和简化1 4 0 】： ( 1 ) 由于扁平型腔厚度方向的尺寸远小于其他两个方向的尺寸，且熔体粘度大，于是 - 1 2 郑州大学硕士学位论文 厚度方向的速度分量可忽略，且厚度方向压力梯度为零，可将熔体的流动视为扩展层流。 ( 2 ) 假设塑料熔体在充模过程中为不可压缩流体，仅在气体的二次穿透过程中才考虑 塑料熔体的可压缩性，即v 旷= 0 。 ( 3 ) 熔体在充模流动过程中雷诺数很 小，一般r e 1 0 2 ，认为热传导仅沿着壁 厚方向，熔体中不含热源。 图2 - 3 焙体在薄壁型腔中的充填镕动示意图 ( 6 ) 在充模流动过程中，熔体温度变化不大，因此可认为熔体的比热及热传导率为常 数。 ( 7 ) 忽略熔体前沿膜作用在壁厚方向产生的压力梯度。 通过以上的假设t 可以得出塑料熔体在非等温条件下的充模流动方程m4 1 】： a ) 连续性方程 掣+ 掣：o 优咖 式中订，矿为z 方向的平均速度，定义为： 玎：三r 砒 可；! r 。出 b ) 动量方程 罢一善旧) - 0 缸如l 。出j 。 爹一昙( 剖= 。( 2 - 1 1 b ) 式中为聚合物熔体的剪切粘度一般认为它受温度和剪切速率尹的影响，根据以上假 设，剪切速率户可由下面的式子给出 c ) 能量方程 尹= 黟刚” ( 2 - 1 2 ) 鹏悟+ “罢+ v 割：七窘+ ： c z 一 式中，c p ，k 分别为比热和导热系数。 1 3 0