鼠標(biāo)蓋一模兩腔的注塑成型CAE 研究獨(dú)家優(yōu)秀】

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鼠標(biāo)蓋一模兩 腔的注塑成型 究 摘 要 塑料制品因其質(zhì)量輕、美觀、便捷、易加工等特點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的青睞，逐 漸滲透到人們生活的方 方面面。塑料工業(yè)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，進(jìn)而也促使塑料模具 工業(yè)的空前進(jìn)步 。 塑料加工成型的方法有很多種 。 其中注塑成型因其效率高 、 精度 高 、 成本低、周期短等顯著的優(yōu)點(diǎn)，成為最普遍最常用的塑料加工成型的方法。在實(shí)際的 工業(yè)生產(chǎn)中，企業(yè)為了進(jìn)一步的提高生產(chǎn)效率，往往采用一模多腔的模具進(jìn)行生產(chǎn)。 尤其是不同制件組合型腔的生產(chǎn)方式更受企業(yè)歡迎。對(duì)于不同制件組合型腔注塑成型 工藝過(guò)程，其最關(guān)鍵的問(wèn)題就是組合型腔的澆注系統(tǒng)平衡的優(yōu)化設(shè)計(jì)，也即保證各個(gè) 型腔中塑料熔體流動(dòng)的平衡性、塑料制件成型質(zhì)量的一致性。如若不能保證塑料熔體 平衡流動(dòng)，則會(huì)產(chǎn)生過(guò)保壓、壓力變化劇烈、凹陷、充不滿(mǎn)等缺陷，對(duì)塑料制件和注 塑機(jī)都有很大的危害。因此，針對(duì)生產(chǎn)實(shí)際中迫切需要解決的問(wèn)題，對(duì)組合型腔澆注 系統(tǒng)的優(yōu)化研究迫在眉睫。 針對(duì)上述問(wèn)題，本文以鼠標(biāo)上下蓋組合型腔為例，結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)，使 用專(zhuān)業(yè)的 流分析軟件中的充填（ 塊先對(duì)鼠標(biāo)上下蓋組合型腔 初始設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)進(jìn)行充填分析。利用這一分析結(jié)果來(lái)設(shè)置流道平衡的約束條件， 利用流道平 衡 （ 模塊對(duì)澆注系統(tǒng) 初 始方案進(jìn)行流道平衡分 析 。 根據(jù) 流 道平衡分析結(jié)果，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)澆注系統(tǒng)的尺寸進(jìn)行修改，提出優(yōu)化澆注系統(tǒng)的 方案。 關(guān)鍵詞 ：鼠標(biāo)上下蓋；分流道； 道平衡 I N F of In to to to in of of is of is is to of of If t be as do to on of of of is to to of is to be in on of up as an AE to of I ro/e to on it TL TL to by of is to we an of by to by of up 錄 I 目 錄 摘 要 ................................................................................................................................. I .................................................................................................................... 一章 緒論 ................................................................................................................... 1 料工業(yè)和注塑模具的發(fā)展概述 .................................................................. 塑料工業(yè)的發(fā)展 ....................................................................................... 1 塑模具的發(fā)展 ................................................................................ 1 塑料模具中的應(yīng)用 ................................................................................. 3 術(shù)概述 .......................................................................................... 3 內(nèi)外 究應(yīng)用概況 ..................................................................... 4 究的主要內(nèi)容 .......................................................................................... 5 第二章 注塑成 型技術(shù)及澆注系統(tǒng)概述 .......................................................................... 7 塑成型工藝原理 ..........................................................................................塑成型工藝過(guò)程 ................................................................................... 8 塑成型工藝的影響因素 .................................................................................. 9 塑成型設(shè)備 .................................................................................................... 10 注系統(tǒng)概述 .................................................................................................... 11 注系統(tǒng)的概念及組成 ......................................................................... 11 平衡澆注系統(tǒng)的介紹 ......................................................................... 12 合型腔澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì) ................................................................. 13 第三章 注塑成型 鍵技術(shù) .................................................................................. 15 塑成型 論基礎(chǔ) .................................................................................. 15 塑成型常用的基本方程 ..................................................................... 15 動(dòng)平面的邊界條件 ............................................................................. 17 塑模 內(nèi)容 .......................................................................................... 18 流分析軟件 ................................................................................. 20 介 ......................................................................................... 20 目錄 注塑成型模擬技術(shù)簡(jiǎn)介 ......................................................................... 21 注系統(tǒng) 析方案 .................................................................................. 24 第四章 一模兩腔澆注系統(tǒng)的 析 ...................................................................... 25 注系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì) ........................................................................................ 25 型的導(dǎo)入及網(wǎng)格劃分 ................................................................. 25 料的選擇及工藝參數(shù)的設(shè)定 ............................................................. 26 口位置的選擇 ..................................................................................... 28 注系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì) ............................................................................. 29 填結(jié)果分析 .................................................................................................... 30 道平衡的優(yōu)化設(shè)計(jì) ........................................................................................ 33 第五章 總結(jié)與展望 ........................................................................................................ 37 結(jié) .................................................................................................................... 37 望 .................................................................................................................... 37 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................... 40 致 謝 .............................................................................................................................. 42 附錄一 外文 翻譯原文 .................................................................................................. 45 附錄二 外文翻譯譯文 .................................................................................................. 56 附錄三 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) .............................................................................................. 70 附錄四 畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告 .......................................................................................... 73 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)論文 1 第一章 緒論 塑料制品因其成本低廉、抗腐蝕能力強(qiáng)、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而逐漸滲透到我們生活 的方方面面 ， 成為不可替代的生活用 品 [1]。 注塑成型作為塑料制品最普遍的加工方法， 其成型過(guò)程的優(yōu)化日益成為各國(guó)設(shè)計(jì)師研究的熱點(diǎn)。注塑模具作為注塑成型的主要工 具之一， 對(duì)注塑成型過(guò)程有重要影響。 術(shù)在塑料模具行業(yè)中的應(yīng)用，很好地 解決了許多難題，極大地促進(jìn)了塑料工業(yè)的發(fā)展。 塑料工業(yè)和注塑模具的發(fā)展概述 料工業(yè)的發(fā)展 塑 料 （ 是以有機(jī) 高 分子化合物為基礎(chǔ) ， 加入若干 其 他材 料 （各種添加劑） 制成的固體材料。塑料因其密度小、比強(qiáng)度高，優(yōu)良的電絕緣性和熱絕緣性，以及優(yōu) 良的成型工藝性等優(yōu)點(diǎn)，已和金屬材料、陶瓷材料一起，成為當(dāng)今社會(huì)的三大類(lèi)主體 結(jié)構(gòu)材料 [2]。 近 年來(lái)，通用塑料和工程塑料強(qiáng)度精度不斷提高，塑料工業(yè)發(fā)展迅速，塑料制品 應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大 ， 已滲透我們生活的方方面面 ， 如家用電 器 、 汽車(chē)工業(yè) 、 建筑器 材 、 儀器儀表等領(lǐng)域 。 塑料工業(yè)包括塑料的生產(chǎn) 、 塑料制品 的生 產(chǎn) （ 也成塑料的成型加工 ） 、 塑料制品的開(kāi)發(fā)三個(gè)領(lǐng)域 [3]。其中，塑料的成型加工起到承上啟下的作用，是連接塑 料生產(chǎn)和制品開(kāi)發(fā)的橋梁。塑料成型加工即是指根據(jù)塑料原有的性能，利用一切可行 的方法將其加工成為具有一定形狀而又可以應(yīng)用的產(chǎn)品。塑料成型加工方法很多，例 如擠出成型、注射成型、壓延成型、模具燒結(jié)成型、發(fā)泡成型、中空吹塑成型等。其 中注射成型（也成注塑成型）因其對(duì)各種塑料的適用范圍廣、周期短、經(jīng)濟(jì)效益高、 能制造出形狀復(fù)雜帶有金屬嵌件等優(yōu)點(diǎn)，成為塑料加工中最重要最普遍的方法 [4]。 作 為注塑成型的主要工具之一的注塑模具，其生產(chǎn)質(zhì)量、精度、制造周期、生產(chǎn) 效率等方面的水平高低，將對(duì)生產(chǎn)成本、產(chǎn)品質(zhì)量等產(chǎn)生直接影響，也決定著企業(yè)在 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的速度和反應(yīng)能力。因此，隨著塑料制品應(yīng)用的擴(kuò)大，對(duì)注塑模具的需求 和要求也日漸擴(kuò)大。 塑模具的發(fā)展 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)論文 2 模具是工業(yè)生產(chǎn)中使用極為廣泛的主要工藝設(shè)備 ， 采用模具生產(chǎn)零部 件 ， 有高效、 節(jié)材 、 成本低 、 保證質(zhì)量等一系列優(yōu) 點(diǎn) ， 是當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段和工藝發(fā)展方 向 。 許多現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，很大程度上取決于模具工業(yè)的發(fā)展水平。因 此，模具工業(yè)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)之一。 模具行業(yè)的重要性： ? 由于注塑模具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度大、絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，逐 漸出現(xiàn)了以塑代金的趨勢(shì)。 ? 在汽車(chē)行業(yè)，因其輕量化低能耗的發(fā)展要求，材料構(gòu)成 也出現(xiàn)以塑代鋼的變化。從國(guó)內(nèi)外汽車(chē)塑料應(yīng)用的情況可知，汽車(chē)塑料的用量已成為 衡量汽車(chē)生產(chǎn)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。 ? 注塑成型可以一次成型各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜尺寸精密 和帶有金屬嵌件的制品，成型周期短，可實(shí)現(xiàn)一模多腔，成本低廉，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 生產(chǎn)，故而 在塑料加工行業(yè)中占有非常重要的地位 [5]。 整 體來(lái)看，我國(guó)注塑模在質(zhì)量、數(shù)量等各方面有了較大發(fā)展，但是仍不能滿(mǎn)足國(guó) 民經(jīng)濟(jì)的需求，與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比，差距依舊很大。由表 1以看出我國(guó)模具與 國(guó)外模具的差距。 表 1內(nèi)外注塑模部分性能對(duì)比 注射速度 國(guó)內(nèi)：通常 80mm/型機(jī)在 65 國(guó)外：普遍大于 100mm/高可達(dá) 450mm/化能力 國(guó)內(nèi)：通常不超過(guò) 16g/ 國(guó) 外：通常在 28g/上，且有提升空間 啟閉模速度 國(guó)內(nèi)：普遍在 24m/ 國(guó)外：普遍以達(dá)到 50m/高可達(dá)到 100m/桿轉(zhuǎn)速 國(guó)外注塑機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速比國(guó)內(nèi)普遍高 25% 開(kāi)模行程 ， 拉桿間距 國(guó)外機(jī)開(kāi)模行程大、拉桿間距長(zhǎng)，比國(guó)內(nèi)機(jī)高 15%左右 模板移動(dòng)速度 國(guó)內(nèi)： 20 國(guó)外： 20國(guó)的注塑模設(shè)計(jì)制造水平相比于國(guó)外發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家仍有待提高，其存在的問(wèn)題 有以下幾個(gè)：供給失衡，科技不足、人才技術(shù)投入少、工藝裝配水平低，材料及其 相 關(guān)技術(shù)落后，產(chǎn)業(yè)消耗能源大，生產(chǎn)效率低，環(huán)境污染嚴(yán)重。 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)論文 3 塑料模具中的應(yīng)用 對(duì)于注塑成型過(guò)程，工藝參數(shù)的選擇、注塑模具的好壞，對(duì)于提高塑料制品的質(zhì) 量、提高生產(chǎn)效率、加速新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)有至關(guān)重要的作用 [6]。傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)和塑料 制品的生產(chǎn)，依靠于設(shè)計(jì)師常年的經(jīng)驗(yàn)積累，帶來(lái)了如下問(wèn)題： ? 模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期 長(zhǎng)、廢品率高。 ? 無(wú)法對(duì)設(shè)計(jì)方案經(jīng)行分析評(píng)估，也不能發(fā)現(xiàn)成型過(guò)程中可以改進(jìn)的 地方，難以使產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)現(xiàn)最 優(yōu)，如圖 1示。計(jì)算機(jī)輔助工程（ 解決了上述所有問(wèn)題，它通過(guò)對(duì)注塑成型過(guò)程的模擬，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品 質(zhì)量的優(yōu)化 [7]，如圖 1示。 圖 1用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)注塑模具流程圖 圖 1利用 術(shù)設(shè)計(jì)模具流程圖 術(shù)概述 即計(jì) 算 機(jī)輔助工程 ， 是一 款 對(duì)產(chǎn)品的模 型 進(jìn)行模 擬，分析其加工工程中出現(xiàn)問(wèn)題的軟件，由此我們可知注塑模的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中的 從狹義概念出發(fā) , 指在模具設(shè)計(jì)之前對(duì)熔融塑料的流動(dòng)形狀、壓力分布和冷卻 過(guò)程等進(jìn)行模擬 ， 以獲得最優(yōu)成型結(jié)果的模具結(jié) 構(gòu) [8]。 廣義的 是指產(chǎn)品在開(kāi)發(fā) 過(guò)程中的形狀設(shè)計(jì) 、制圖、分析等一系列的綜合工程作業(yè) [9]。 目 前的 術(shù)研究的主要工作是流動(dòng)模擬 、 冷卻模擬 、 保壓和翹曲等方面 。 其 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)論文 4 D 優(yōu)越 最大的作用在于減少試模次數(shù)，得到實(shí)驗(yàn)中那以求得的數(shù)據(jù)，縮短周期降低成本。通 過(guò) 件對(duì)制件進(jìn)行性能分析 ， 預(yù)測(cè)其可能出現(xiàn)的不足和缺陷 ， 結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) ， 實(shí) 現(xiàn)如下功能： ? 優(yōu)化塑料制品設(shè)計(jì)。 ? 優(yōu)化塑料模具設(shè)計(jì)。 ? 優(yōu)化注射工藝參數(shù)。 ? 加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，縮短生產(chǎn)周期，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和模具工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在 域中的主流軟件有兩個(gè)， 即 內(nèi)外 究應(yīng)用概況 在現(xiàn)代化的塑料制品生產(chǎn)和注塑模具制造過(guò)程中，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到利用計(jì)算機(jī) 輔助工程 ——術(shù)，對(duì)產(chǎn)品的注塑成型過(guò)程進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的缺陷，以 優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和成型工藝的 性 。 為此 ， 人們已進(jìn)行了大量的 究應(yīng)用 。 現(xiàn)在 的研究主要用于澆注系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、成型缺陷的預(yù)測(cè)、參數(shù)的優(yōu)化等方面。 重慶大學(xué)的葉永嘉 [12]將注塑成型系統(tǒng)的平衡理論和 值模擬技術(shù)緊密結(jié)合 起來(lái)，以?xún)?yōu)化相同制件的非平衡澆注系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究出首先利用理論知識(shí)對(duì)流 到系統(tǒng)和澆口進(jìn)行平衡計(jì)算 ， 然后利用 擬技術(shù)進(jìn)行平衡分 析 ， 能更快更準(zhǔn)確的 優(yōu)化非平衡澆注系統(tǒng)的結(jié)論，對(duì)其他同類(lèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)研究有指導(dǎo)意義。 曹 陽(yáng)根等人 [34]以 裝為例，在分 析熱固性塑料流動(dòng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用 件 流道平衡進(jìn) 行 了模擬 ， 提出了提高 裝產(chǎn)品合格 率 的更有效 的途徑。 湘潭大學(xué)的錢(qián)斯強(qiáng) [13]利用 件 兩套塑件分別進(jìn)行了流道平衡分 析和翹曲分析，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了注塑成型過(guò)程中塑料制件可能出現(xiàn)的問(wèn)題和缺陷并相應(yīng) 的提出了解決方案，對(duì)優(yōu)化非平衡澆注系統(tǒng)和減小翹曲有重要指導(dǎo)意義。 西 安交通大學(xué)的劉迎 春等人 [35]以厚度差較大的復(fù)雜塑料制件為例，利用 件 的 3D 模擬分析技術(shù) 對(duì) 其注塑成型過(guò)程進(jìn)行模擬 ， 成功的預(yù)測(cè)了這 類(lèi)制件成型過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題 ， 并提出優(yōu)化方案 ， 不僅證明了 M 技術(shù)的實(shí)用性， 更為厚度差較大制件的優(yōu)化提供了更可靠的方法。 羅超等人 [6]介紹了注塑成型 術(shù)及其軟 件 ， 并從模具設(shè)計(jì)全過(guò)程出 發(fā) ， 論述 了 術(shù)在模具設(shè)計(jì)中應(yīng)用。 開(kāi)封大學(xué)的李輝 [22]以電話(huà)機(jī)外殼為例，利用 件 電話(huà)機(jī)外殼注 塑成型過(guò)程進(jìn)行了模 擬分析，優(yōu)化了模具結(jié)構(gòu)和成型工藝，最后用 件對(duì)其進(jìn)行 考文獻(xiàn) 12 曹陽(yáng)根，傅意蓉 J]2004,5 參考文獻(xiàn) 13劉迎春，郭成 具工業(yè)， 3） 參考文獻(xiàn) 6 參考文獻(xiàn) 22華北水利水電大學(xué)畢業(yè)論文 5 了模具設(shè)計(jì)。 楊東民 [36]以化妝品粉盒底蓋為例，將化妝品粉盒底蓋制件的性能要求和成型工藝 聯(lián)系起來(lái)，利用 件 其澆口位置進(jìn)行了優(yōu)化分析，預(yù)測(cè)了可能出現(xiàn) 的缺陷，為模具的設(shè)計(jì)加工提供了指導(dǎo)。 葉福源等人 [37]以冰箱抽屜為例 ， 利用三維流動(dòng)模 擬 軟件 D 對(duì)冰箱抽屜進(jìn) 行了注射模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)幾個(gè)方案的比較分析，得出了優(yōu)良的制件成型效果。 38]提出了流道系統(tǒng)的重要性，尤其是對(duì)非平衡澆注系統(tǒng)，并 且應(yīng)用 件 對(duì)流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 新加坡南洋技術(shù)學(xué)院的 [39]以注塑模的平衡為研 究對(duì)象，用 件 寫(xiě)了相同制品一模多腔的自動(dòng)控制平衡的程序，在生產(chǎn)實(shí)踐中 證實(shí)這一方法的可行性和實(shí)用性。 雖然 應(yīng)用已取得可惜的成績(jī)，但 術(shù)仍面臨一些瓶頸、出現(xiàn)一些難 題，主要有以下幾個(gè)： ? 件的易用性。數(shù)值模擬涉及到大量的數(shù)學(xué)和流體力學(xué)等問(wèn)題，因此長(zhǎng) 期得不到普及應(yīng)用，讓經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師熟練的應(yīng)用 件將是一大難題。 ? 對(duì)虛擬仿真的結(jié)果的評(píng)價(jià)。如何將虛擬仿真、優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際的實(shí)踐結(jié)合起 來(lái)，提高仿真優(yōu)化的可靠性和可行性，減少試模次數(shù)，在 提高產(chǎn)品性能的同時(shí)，降低 研發(fā)成本，也是 術(shù)面臨的問(wèn)題之一。 ? 識(shí)的積累與傳承。不同的工程師，用同樣的軟件面對(duì)同樣的產(chǎn)品，其 分析優(yōu)化的結(jié)果，往往因工程師經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰Χ顒e很大。一個(gè)企業(yè)或一個(gè)研究機(jī)構(gòu)，怎 樣才能建立自己數(shù)值模擬規(guī)范和知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)值模擬知識(shí)的重用，并將經(jīng)驗(yàn)豐富 的工程師的數(shù)值模擬知識(shí)技能傳承給新的工程師，是其用好 術(shù)的關(guān)鍵所在。 究的主要內(nèi)容 近年來(lái)，注塑成型已成功地成為塑料成型的首要方法。成型過(guò)程的優(yōu)劣決定了產(chǎn) 品的質(zhì)量，成型過(guò)程設(shè)計(jì)的不恰當(dāng)，產(chǎn) 品會(huì)出現(xiàn)熔接痕、短射、翹曲變形、氣穴、裂 紋、脫模困難等問(wèn)題，如何優(yōu)化成型過(guò)程已成為工程師研究的熱點(diǎn)。注塑成型過(guò)程包 括成型前的準(zhǔn)備、注塑過(guò)程、塑件的后處理三個(gè)階段。 本文借助于一款 件 鼠標(biāo)蓋為例對(duì)其進(jìn)行注塑成型過(guò)程 東民 J]2010， 7 葉福源，黃志高，周華民 J]2004,3 .， J]1992,3 . J]2000,1 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)論文 6 的優(yōu)化分析，但由于時(shí)間限制，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)僅選擇對(duì)鼠標(biāo)蓋注塑成型影響較大的澆 注系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析。設(shè)計(jì)題目中鼠標(biāo)蓋一模兩腔是典型的非平衡澆注系統(tǒng)，兩個(gè)型 腔的幾何形狀、尺寸、容積各不相同，因此澆注系統(tǒng)的平衡與 否決定了是否能夠同時(shí) 成型出質(zhì)量一致的兩個(gè)制件，這是鼠標(biāo)蓋一模兩腔注塑成型的關(guān)鍵所在，也是充填完 成后冷卻處理、翹曲分析等的基礎(chǔ)，所以本文選擇對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析。主要研 究?jī)?nèi)容如下： ? 鼠標(biāo)蓋組合制件的在 件中的導(dǎo)入 。 ? 組合制件的網(wǎng)格創(chuàng)建。 ? 組合制件進(jìn)行澆注系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)，并進(jìn)行充填分析。 ? 針對(duì)充填分析的結(jié)果，對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到有利于成型且缺陷 較少的澆注系統(tǒng)尺寸。 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)論文 7 第二章 注塑成型技術(shù)及澆注系統(tǒng)概述 注塑成 型 （ 又叫注射成型 ） ， 是塑料制品成型加工的一種極為重要的方法 ， 幾乎所 有的熱塑性塑料都可以用于注塑成型。注塑成型可以成型出各種形狀、滿(mǎn)足塑料制品 的各種要求。近年來(lái)，注塑成型已成功的用于加工大多數(shù)熱固性塑料。 塑成型工藝原理 注塑成型是根據(jù)金屬壓鑄成型原理發(fā)展而來(lái)的塑料的加工方法，使用注塑機(jī)和注 射模具把塑料原料轉(zhuǎn)變成塑料制品。其基本原理是利用塑料的可擠壓性和可模塑性， 將松散的粒狀、粉末狀物料從注塑機(jī)的料斗送入高溫的 機(jī)筒內(nèi)加熱熔融塑化，使之成 為黏流態(tài)熔體，隨后在柱塞或螺桿的推動(dòng)下，以比較大的流速通過(guò)機(jī)筒前端的噴嘴注 入溫度較低的閉合模具中，經(jīng)過(guò)保壓、冷卻后，打開(kāi)模具便可從模腔中得到一定尺寸 和形狀的塑件 [11]。這樣就完成了一次注射工作循環(huán)，如圖 2示。所得的形狀往往 就是最后成品 ， 在安裝或作為最終成品使用之前不再需要其他的加工 。 許多細(xì) 部 ， 諸如 凸起部 、 肋、螺紋，都可以在注射模塑一步操作中成型出來(lái) [6]。 圖 2桿式注射機(jī)注射成型原理 1234567華北水利水電大學(xué)畢業(yè)論文 8 塑成型 工藝過(guò) 程 注塑成型工藝過(guò)程主要包括三個(gè)階段 ： 成型前的準(zhǔn)備 、 注射過(guò)程 、 塑件的后處理， 如圖 2示。 1．成型前的準(zhǔn)備 圖 2注塑成型工藝流程圖 為了使注塑過(guò)程能夠順利地進(jìn)行并保證產(chǎn)品質(zhì)量，在注塑成型前需要進(jìn)行一系列 的準(zhǔn)備工作。包括原料處理、料筒的清洗、嵌件的預(yù)熱。 2．注塑過(guò)程 注塑過(guò)程一般包括：加料、塑化、充模、保壓、倒流、冷卻、脫模等 幾道工序。 但從塑料在注塑成型過(guò)程中狀態(tài)的變化來(lái)看，只有塑化和熔體模塑兩個(gè)過(guò)程。 ? 塑化：塑化是指塑料原料在料桶內(nèi)經(jīng)加熱達(dá)到流動(dòng)狀態(tài)，并具有良好可塑性的 過(guò)程。因此可以說(shuō)，塑化是注塑成型的準(zhǔn)備過(guò)程。就生產(chǎn)工藝而言，對(duì)這一過(guò)程的總 要求是：塑料在進(jìn)入模腔前應(yīng)達(dá)到規(guī)定的溫度，并能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)提供足夠數(shù)量的 熔融塑料，熔體各點(diǎn)溫度應(yīng)均勻一致，不發(fā)生或極少發(fā)生熱分解，以保證制品質(zhì)量。 注塑機(jī)的塑化質(zhì)量和預(yù)塑化量 ， 主要由工藝參數(shù) ， 如料筒溫 度 、 噴嘴溫度 、 螺桿轉(zhuǎn) 速 、 預(yù)塑背壓、計(jì)量裝置計(jì)量等所決定的。 ? 熔體模塑：在塑 料塑化后的充模、保壓、倒流、冷卻、脫模等工序均屬熔體模 塑的過(guò)程。這一過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間雖短，但是熔體在期間所發(fā)生的變化卻不少，而且這 種變化對(duì)塑料制件的質(zhì)量有重要的影響。 3．塑件的后處理 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)論文 9 塑件在脫模后，為了改善提高塑件的性能，常常需要相應(yīng)的后處理，這種后處理 主要是退火處理和調(diào)濕處理。 ? 塑件的退貨處理：退火處理的主要作用是降低和消除 塑件內(nèi)的殘余應(yīng)力。退火處理的方法，是將制品置于定溫的熱液體介質(zhì)（如水、礦物 油）或熱空氣中靜 置一段時(shí)間，然后緩冷至室溫。熱處理的時(shí)間取決于塑料的品種、 塑料制品的形狀、加熱介質(zhì)的溫度和模塑工藝條件。一般將退火溫度控制在該塑料的 熱變形溫度下 10～ 20℃ 為宜 。 溫度過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致制品發(fā)生翹曲變 形 ， 溫度過(guò)低則達(dá)不 到消除內(nèi)應(yīng)力的目的。 ? 塑件的調(diào)濕處理：有些塑料，特別是 塑料制件，它們 在高溫下與空氣接觸時(shí)會(huì)發(fā)生氧化變色，又易在空氣中吸收水分而膨脹，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí) 間其尺寸才穩(wěn)定，這主要由于它的吸濕性太大。因此，這類(lèi)制品需要調(diào)濕處理。 塑成型工藝的影響因素 注塑成型的核心問(wèn)題，是采用一切措 施得到塑化良好的塑料熔體，把它注射到模 腔中去，并在控制條件下冷卻定型，以使制件質(zhì)量合乎要求。注塑成型過(guò)程中，最重 要的工藝條件的是溫度、壓力和相應(yīng)的各個(gè)作用時(shí)間。 溫度：溫度是注塑成型中極為重要的參數(shù)，需要控制的溫度主要有塑料熔體的溫 度和模具溫度。塑料熔體的溫度主要影響塑料的塑化和流動(dòng)，模具溫度主要影響塑料 的流動(dòng)和冷卻。 注射壓力：注射壓力推動(dòng)熔體向料筒前端流動(dòng)，并迫使充滿(mǎn)熔體型腔而成型，是 熔體充模和成型的重要因素。其作用有三： ? 推動(dòng)料桶中的熔體向前端流動(dòng)，同時(shí)使 塑料混合和塑化。 ? 克服澆注系統(tǒng)和型 腔對(duì)熔體的流動(dòng)阻力，使熔體獲得足夠的充模 速度和流動(dòng)長(zhǎng)度。 ? 壓實(shí)模腔中的熔料，并且對(duì)熔體因冷卻而產(chǎn)生的收縮進(jìn)行補(bǔ)料。 時(shí) 間 （ 成型周期 ） ： 成型周期是完成一次注塑成型過(guò)程所需要的時(shí) 間 ， 也叫模塑周 期。主要包括三部分： ? 注射時(shí)間。是成型周期中最重要的區(qū)段，包括充模時(shí)間和保 壓時(shí)間，對(duì)制品的質(zhì)量有決定性的影響。其中，充模時(shí)間，即螺桿或柱塞向前推移的 時(shí)間，它直接反比于充模速率，在生產(chǎn)中一般為 3～ 5s。保壓時(shí)間即對(duì)模腔內(nèi)熔體的 壓實(shí)時(shí)間，它占整個(gè)注射時(shí)間的比例很大，一般約 20～ 120s（特厚制品可高達(dá) 5～ 10， 保壓時(shí)間的長(zhǎng)短與 料 溫 、 模溫 、 主流道和澆口大小 有 關(guān) ， 通常將制品收縮率 波動(dòng)范圍最小的壓力值作為最優(yōu)壓力 。 ? 冷卻時(shí)間 ， 對(duì)制品的質(zhì)量亦有決定性的影 響 。 冷卻時(shí)間的長(zhǎng)短主要由制品的厚度、塑料的熱性能和結(jié)晶性能以及模具溫度等決定， 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)論文 10 注 同時(shí)冷卻時(shí)間的終點(diǎn)應(yīng)以保證脫模時(shí)不易引起變形為原則。冷卻不宜過(guò)短，否則制品 容易變形；而冷卻時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則降低生產(chǎn)效率，對(duì)復(fù)雜制品還會(huì)導(dǎo)致脫模困難，強(qiáng)行 脫模還會(huì)產(chǎn)生脫模應(yīng)力。冷卻時(shí)間一般為 30～ 120s。 ? 其他時(shí)間，即除了注射時(shí)間和 冷卻時(shí)間。包括開(kāi)模、涂脫模劑、安放嵌件、閉模、脫模等。它們的選擇與生產(chǎn)過(guò)程 是否連續(xù)和自動(dòng)化程度有關(guān)。 塑成型設(shè)備 塑料的注塑成型過(guò)程中，需將塑料加熱融化，并施加一定的壓力迫使高溫熔體充 入模具，經(jīng)冷卻、固化而制成具有一定形狀和尺寸精度的塑料制品，完成這個(gè)工序的 設(shè)備即是注塑機(jī)，又稱(chēng)注射成型機(jī)。 注塑機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)有注射量、注射速率、注射壓力、合模力、合模裝置的基 本尺寸等。這些參數(shù)是設(shè)計(jì)、制造、購(gòu)置和使用注塑 機(jī)的重要依據(jù)。 ? 又叫理論注射量，是注塑機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，即指注塑機(jī)對(duì)空注射（無(wú)模具的條 件下）時(shí)注射螺桿或柱塞一次最大行程時(shí)注射裝置所能達(dá)到的最大注射量。它反映了 注塑機(jī)的加工能力，標(biāo)志著注塑機(jī)生產(chǎn)塑件的最大質(zhì)量，故常用注射量 表征注塑 機(jī)規(guī)格的主參數(shù)。 ? 注射壓力是為了克服注射過(guò)程中熔體流往噴嘴、流到和模腔時(shí)的流動(dòng)阻力，螺桿 或柱塞對(duì)熔體所必須施加的足夠壓力 。 注塑成型過(guò)程 中 ， 的選取十分重要 ， 它與塑 料性能、塑化方式、塑化溫度、流動(dòng)阻力、模具溫度、 塑件形狀、塑件精度等許多因 素有關(guān)，其計(jì)算如下 D P ??? 0 ???P （ 2 ? ?????D ? 0 式中 油壓 ， 單位 為 注射油缸內(nèi)徑 ， 單位 為 D 為螺桿或柱塞外 徑，單位 為 注射壓力過(guò)大時(shí)，塑件成型時(shí)易出現(xiàn)溢邊，塑件內(nèi)應(yīng)力大，脫模也困難；注射壓 2 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)論文 11 力 過(guò)小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致填充不足，尺寸不穩(wěn)定。所以應(yīng)選擇合適的注射壓力，一般注塑機(jī) 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)論文 11 的注射壓力要大于塑料制件所需要壓力的 20%以上。 注射速率指單位時(shí)間內(nèi)的最大注射量。注射時(shí)，為了使熔體及時(shí)充滿(mǎn)型腔，不僅 需要足夠的注射壓力 ， 還需要一定的流動(dòng)速度 ， 注射速率就是描述這一參數(shù)的物理 量 。 它等于螺桿或柱塞的截面積與其前進(jìn)最大速度的乘機(jī)，單 位 為 s。 注塑機(jī)的合模機(jī)構(gòu)對(duì)模具施加的最大夾緊力稱(chēng)作合模力。成型過(guò)程中，熔體經(jīng)料 筒、噴嘴、澆注系統(tǒng)后進(jìn)入模腔，會(huì)損失一部分注射壓力，剩余的部分即是模腔內(nèi)的 熔體壓力 ， 稱(chēng)之為模腔壓力 。 為了使模腔不被模腔壓力頂開(kāi) ， 則必須有足夠的夾緊 力 ， 這就是合模力。 合模力是注塑機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，它反映了注塑機(jī)加工塑件能力的大小。因此， 在一些國(guó)家用最大合模力作為注塑機(jī)規(guī)格的標(biāo)稱(chēng)值。成型時(shí)合模力計(jì)算如下： F ??? 2 式中 ： ?指安全系數(shù) ， ????1 ～ P 為模腔壓力 影面積 。 注系統(tǒng)概述 澆注系在模具中占有非常重要的地位，它的設(shè)計(jì)合理與否對(duì)制品的成型起到?jīng)Q定 的作用，這就要求設(shè)計(jì)者除了研究模具結(jié)構(gòu)和加工技術(shù)外，還必須對(duì)成型技術(shù)有較為 深刻的理解，這樣才能模具制造技術(shù)和成型工藝有機(jī)結(jié)合在一起，生產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)有高質(zhì) 量的產(chǎn) 品 [4]。 注系統(tǒng)的概念及組成 ? 澆注系統(tǒng)的概念： 注塑模具的澆注系統(tǒng)即是指模具中從注塑機(jī)噴嘴開(kāi)始到型腔為止的塑料熔體的流 動(dòng)通道。它具有傳質(zhì)、傳壓的功能，使塑料熔體順利地充滿(mǎn)到型腔各處，以獲得輪廓 清晰、質(zhì)量?jī)?yōu)良的塑料制件。因此要求澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先考慮使得塑料熔體迅速 充滿(mǎn)型腔，減少壓力與熱量損失；其次，從經(jīng)濟(jì)上考慮，盡量減少由于流道產(chǎn)生的廢 料比例；最后，應(yīng)該容易修出制件上的澆口痕跡。 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)論文 12 ? 澆注系統(tǒng)的組成 ： 所有的澆注系統(tǒng)都包括主流道、分流道和澆口三部分。 ? 主流道：主流道可以理解為從注射機(jī)噴嘴開(kāi)始到分流道為止熔融塑料的流動(dòng)通 道，它與注射機(jī)的噴嘴在同一軸線上。主流道的尺寸取決于兩個(gè)方面：一是塑料材料 的種類(lèi)、成型制品的質(zhì)量和壁厚大小。原則上說(shuō)，流動(dòng)性差的塑料主流道尺寸應(yīng)取得 適當(dāng)大些，流動(dòng)性好的塑料主流道尺寸可以適當(dāng)小些；二是取決于注射機(jī)噴嘴尺寸。 ? 分流道：分流道可以理解成從主流道末端開(kāi)始到澆口為止的塑料熔體的流動(dòng)通 道。理想分流道的截面形狀，多是圓型、 U 型、梯型。分流道的截面尺寸也取決于塑 料材料的 種類(lèi)、制品的質(zhì)量、制品壁厚尺寸大小。 ? 澆口 ： 澆口可以理解成熔融塑料通過(guò)澆注系統(tǒng)進(jìn)入型腔的最后一 道 “ 門(mén) ” 。 它具 有兩個(gè)功能，一是控制熔體流入型腔，二是當(dāng)注塑壓力撤消后，封鎖型腔，使型腔中 尚未冷卻的固化塑料不會(huì)倒流。 平衡澆注系統(tǒng)的介紹 在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率、節(jié)約模具制造經(jīng)費(fèi)，往往采用一 模多腔的模具進(jìn)行生產(chǎn) [22]。一模多腔的澆注系統(tǒng)，又可分為相同制品和相異制品兩種 類(lèi)型。相同制品的澆注系統(tǒng)也可分為兩類(lèi)：自然平衡澆注系統(tǒng)，如圖 2示，這種 澆注系統(tǒng)，一般情況下，塑 料熔體能同時(shí)充滿(mǎn)各個(gè)型腔，因而各制件的成型質(zhì)量和機(jī) 械性能差別不大。但這種澆注系統(tǒng)往往材料消耗較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。所以非自然平衡澆 注系統(tǒng)因節(jié)省材料、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)適用范圍更廣泛，如圖 2示，由于各型腔距 主流道的距離不同，因而致使?jié)沧⑾到y(tǒng)進(jìn)料不平衡。相異制品的一模多腔，由于各制 品的形狀 、 體積 、 尺寸更不相同 ， 故塑料熔體產(chǎn)生不平衡流動(dòng) ， 不可能同時(shí)充滿(mǎn)型 腔 ， 因?yàn)橐泊嬖谒芰现萍尚唾|(zhì)量不一致的缺陷，鼠標(biāo)上下蓋組合型腔就是典型的例子。 圖 2自然平衡澆注系統(tǒng) 圓周排布 圖 2自然平衡澆注系統(tǒng) H 型排布 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)論文 13 顯然，非平衡澆注系統(tǒng)則包括相同制件的非平衡澆注系統(tǒng)和相異制件組合型腔的 非平衡澆注系統(tǒng)兩種情況。本文中則只研究基于鼠標(biāo)蓋的組合型腔的澆注系統(tǒng)的平衡 優(yōu)化設(shè)計(jì)。 合型腔澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì) 對(duì)于一模多腔的注塑成型過(guò)程，塑料熔體在模具的澆注系統(tǒng)中的流動(dòng)平衡是非常 重要的 。 假若塑料熔體可以同時(shí)達(dá)到并且充 滿(mǎn)型腔 ， 則認(rèn)為模具的澆注系統(tǒng)是平衡 的 。 平衡的澆注系統(tǒng)不僅能夠保證塑料制品的良好質(zhì)量，并且可以保證不同型腔內(nèi)各個(gè)制 件質(zhì)量、性能等的一致性 [23]。 ? 澆口設(shè)計(jì)不合理出現(xiàn)的制品缺陷 澆 口設(shè)置是個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，正確的選擇澆口位置對(duì)成型制品而言至關(guān)重要，澆 口位置設(shè)計(jì)的是否合理可從制品的缺陷中了解到，這就需要設(shè)計(jì)師對(duì)由于澆口位置不 當(dāng)引起的制品缺陷有清楚的了解。 在塑料制品成型工藝合理的前提下，錯(cuò)誤的澆口位置可使塑件產(chǎn)生如下缺陷 [24]： ① 注不滿(mǎn)：由 于澆口位置設(shè)計(jì)在長(zhǎng)條形制件的一端、型腔太長(zhǎng)，致使塑料熔體過(guò) 早冷凝，出現(xiàn)制件注不滿(mǎn)的現(xiàn)象。如果將澆口設(shè)計(jì)在制件中間較厚載面處，注不滿(mǎn)的 問(wèn)題會(huì)得到很好地改善。 ② 翹曲：澆口位置在較長(zhǎng)制件的中間時(shí)，會(huì)使制件出現(xiàn)翹曲。可通過(guò)改變澆口形 狀來(lái)改善。 ③ 熔接痕：塑料熔體在型腔中流動(dòng)時(shí)，遇到阻礙物，熔體繞過(guò)阻礙物后不能很好 地熔接在一起，則會(huì)形成一條明顯的線，即熔接痕。制品因此而產(chǎn)生的熔接痕是不可 消除的，因此需要靈活的選擇澆口位置，使熔接痕留在制品不外露的表面。 ④ 縮坑：當(dāng)塑料熔體通過(guò)一個(gè)較薄的截面后，其壓力損失很 大，很難繼續(xù)保持較 高的壓力來(lái)填充較厚截面而形成的凹坑。此時(shí)，改變澆口位置會(huì)改善這一情況。 ⑤ 氣穴：由于塑料熔體前沿匯聚，而在塑料制品內(nèi)部或者模具型腔表層產(chǎn)生的氣 泡稱(chēng)為氣穴。塑料熔體中揮發(fā)性氣體含量較多，塑料熔體流動(dòng)性差，塑料制件表層比 塑料制件中心冷卻快等原因往往會(huì)導(dǎo)致氣穴的產(chǎn)生，氣穴對(duì)塑料制品的外觀質(zhì)量及強(qiáng) 度都有很大的影響，可以通過(guò)改變澆口位置來(lái)控制氣穴的數(shù)目和出現(xiàn)位置。 ? 流道平衡分析原理 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)論文 14 一 模多腔澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該保證塑料熔體同時(shí)充滿(mǎn)型 腔 [25]。其流道平衡是很重 華北水利水電大學(xué)畢業(yè)論文 15 0 要的，分流道作為一模多腔模具中澆注系統(tǒng)的重要組成部分，設(shè)計(jì)師就需要全面考慮 流道平衡的問(wèn)題。在不考慮成型工藝的條件下，如何才能影響分流道流量大小，不妨 考查非牛頓流體在半徑為 R ，長(zhǎng)度為 流量 Q 隨圓形管 道兩端的壓差 ?p 而變化 ， 兩者之間關(guān)系公式如下所示 [26] [27]： ??n???R?P ??- Q ??? ?? ?? （ 2 ?3n ?1???2?0??L ???式中 ， ??表示零剪切黏度 ， 單位 為 ?s； Q 為流量 ， 單位 為 s； R 為圓形 管道半徑 ， 單位為 L 為圓形管道的長(zhǎng)度 ， 單位 為 ???為剪切速率 ， 單位 為 s?1 ； ?p 為壓力差，單位 為 從式（ 4 可以看出，在成型工藝條件不變的情況下，調(diào)整分流道的半徑 R 和 其長(zhǎng)度 和壓差 ?p ，由澆注系統(tǒng)整體布局確定后，流道長(zhǎng)度 很小，所以主要的變化只能放在流道的半徑 R ，即采用 ―變截面 ‖法來(lái)尋找組合型腔平 衡填充的最佳分流道直徑。 ―變截面 ‖法一開(kāi)始不確定流道的截面尺寸，先假設(shè)一個(gè)近