小型轿车塑料件注塑成型分析及模具设计硕士学位论文(编辑修改稿)

小型轿车塑料件注塑成型分析及模具设计硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

济效益明显提高；市场需求的旺盛使越来越多的企业家投资轿车塑料模具行业。 然而，我国轿车塑料模具行业还有很多不足之处。 轿车塑料模具行业标准化水平低；精密、复杂的模具设计水平不高；塑料件材料主要依赖进口。 今后我国轿车塑料模具行业的发展方向是：提高模具的标准化水平；提高精密、复杂模具的设计水平；自主开发增强塑料、高性能树脂等材料；提高快速测量技术和逆向工程技术；提高对模具 CAD/CAM/CAE 软件的二次开发水平 [10]。 安徽工程大学硕士学位论文 2 课题目的意 义 图 11 为选用的零件，属于轿车内饰门板的一部分。 图 11 塑件 三维 模型 (a) 正面 (b) 反面 此件是轿车内饰门板部件， 当 轿车 受到侧面的撞击后， 塑料内饰 门板 不仅 可以 对驾乘人员的身体躯干提供一定程度的保护作用 ， 还 可以美化轿车内部 环境。 这个零件在注塑成型时常见的问题主要有欠注、内应力问题、熔接痕 问 题、缩痕与凹陷、尺寸不稳定、开裂、气泡等。 引起这些问题原因主要有塑料 充 填不满 、熔融温度和模具温度太高或太低 、 冷却效果不好 、 浇口位置不当和流道设计不合理 、 注射压力 和 保压 压力不足等 [11]。 一般通过增加 料量、使用恰当的冷却方案、开设恰当的浇口位置、增加注射压力和保压压力等方法来解决塑料存在的问题[12]。 对于门板内饰件， 传统的方法在正式生产前，由设计人员凭经验与直觉设计出 模具， 然后进行 模具 的制造 装配。 在试模时，如果发现门板内饰件缺少特征、产生 缩痕与凹陷、开裂、 产生 气泡等问题，就 需要重新设置 注塑 工艺参数，甚至还需要修改 门板内饰件模型 和 重新设计模具 [13]。 通常这种工作要反复很多次才能设计制造出优质模具，注塑出的产品质量才能保证。 如果采用这种传统方法生产出没有缺陷的优质门板内饰件 势必增加生产成本，延长产品开发 周期。 如果采用注塑 CAE 技术来设计门板内饰件模具，成型的门板内饰件常见的缺陷将会大大减少，这样就会很大程度地减少传统方法中反复试模反复设计的问题 [14]。 本课题采用注塑 CAE 技术来优化设计门板内饰件的某个部件模具，模具制造加工前在注塑 CAE 软件 Moldflow 上模拟仿真注塑成型过程，预测门板内饰件部件可能存在的充填不足，收缩变形等缺陷，然后采用更好的浇注系统方案，冷却系统方案和注塑工艺参数。 这样设计制造的模具就会 减少 试模修模次数， 提高制品质量和降低成本等，有重大的技术经济意义。 a b 安徽工程大学硕士学位论文 3 注塑 CAE 技术的 研究现状和发展趋势 塑料模具在制造业中有着举足轻重的地位。 传统的塑料模具设计要经过多次试模修模才能生产出没有缺陷的塑件，这样就浪费大量的人力物力。 随着数学、力学、有限元学和计算机学的发展，注塑 CAE 技术逐渐发展起来。 20 世纪 60 年代， Copper、 Ballman 和 Toor 最先用数值方法计算出了塑料熔体在模具型腔中的流动过程，在此之后有许多研究人员对塑料熔体的一维流动进行了深入的研究 [15]。 其中 Dusinberre 计算出了塑料熔体一维非稳态传热计算模型， 随后 Hieher 将一维流动推广到非牛顿流体的非等温流 动进而得到了熔体在模具型腔中的二维流动数学模型，该模型采用有限元差分法求解 [16]。 在此之后，Austin C 和 采用了有限元分析法对冷却过程的温度场进行了计算 [17]。 80年代后期， 研究人员 采用了流动路径法实现了对塑料熔体在型腔中充填过程的三维流动分析，并用有限元法和有限差分混合法对模具型腔内的温度、压力和速度进行了求解，实现了用体积控制法来确定熔体流动前沿位置 [18]。 90 年代后期，成型过程中的流动、保压、冷却、及翘曲 变形 都得到了深入的研究，随后 人们 也开展了 CAE 与 CAD/CAM 集成化研究 [19]。 目前 注塑成型 CAE 技术在国外已得到了普遍应用 ， 国内开展塑料成型数值模拟研究起步较晚，对于注塑成型 CAE 的应用主要是依赖国外的 CAE 系统和设备，自主的知识产权很少。 目前华中科技大学自行开发了 HSCAE 软件，并和先前开发的 HSCAD 软件集成，已经成为国内一套比较成熟的注塑成型 CAE 软件[20]。 华中理工大学模具技术国家重点实验室自主开发了国内第一个注塑CAD/CAE/CAM 集成系统 [21]。 北京华正模具研究所与美国 Ac Tech 公司在目前国际上注塑成型 CAE 技术最新成果的基础上一起开发了 注塑成型的中文辅助软件 CAXAIPD[22]。 目前国际上知名的 CAE 软件有：美国 Advanced CAE Technology 公司最新推出的注塑模 CAE 系统 ；澳大利亚 Moldflow公司的注塑模 CAE 软件 MF；美国和意大利 Pamp。 C 公司的 CAD/CAE/CAM 软件TMCONCEPT；美国 SDRC 公司的 IDEASTM；加拿大 MoldCAE 公司开发的MoldCAE；美国 GRAFTEK INC 的 CAD/CAE/CAM 集成系统；德国 IKV 塑料工程研究 所的注 塑模 CAE/CAD 系 统；美 国 Structure Dynamics Research Corporation(SDRC)的 POLYCOOL2；美国 PRIMECALMA 公司的注塑模设计制造软件包；法国 CISIGRAPH 公司的注塑模设计软件包 STRIM100；英国 Deltacam的公司的注塑模设计制造软件包 [23]。 以上 CAE 软件在实际生产中已得到了广泛的应用并产生了巨大的经济效益。 今后注塑 CAE 技术的发展趋势是 ： CAD/CAE/CAM 技术的集成化；数学模型和算法的进一步完善；注塑成型各个过程的耦合分析；人工智能技术的采用等 [24]。 安徽工程大学硕士学位论文 4 课 题研究内容 和 研究方案 课题研究内容 课题 以小型轿车内饰门板部件为研究对象，先用有限元软件对其进行模拟仿真分析，然后根据分析的结果设计出模具。 课题 主要工作： (1) 研究浇口位置的不同对注塑成型过程的影响，确定最佳浇口位置方案并据此设计浇注系统； (2) 研究冷却方案的不同对注塑成型过程的影响，确定最佳冷却系统； (3) 研究 注塑工艺参数如模具温度、熔体温度、注射压力、保压压力、注射时间等 对注塑成型过程的影响，并 进行优化 选择 ； (4) 以分析结果为依据 设计出模具； 课题研究方案 课题 采用注塑 CAE 技术进行注塑过程模拟分析，用 三维造型 软件设计出模具。 (1) 将模型从 UG 软件导入 Moldflow 软件 中 ，并建立 有限元模型； (2) 通过流动分析 确定最佳浇口位置 方案 ， 以 分析结果为依据设计出浇注系统； (3) 通过冷却分析确定最佳冷却方案 ； (4) 通过 Moldflow 软件的 DOE 模块和流动分析模块对注塑工艺参数进行优化选择； (5) 运用 UG 软件 进行模具设计 ； 课题的技术路线如 图 31 所示。 图 13 技术路线 安徽工程大学硕士学位论文 5 第 2 章 注塑成型与 Moldflow 模拟的理论基础 注塑成 型理论知识 注塑成型原理与工艺过程 注塑成型有柱塞式注塑机成型和螺杆式注塑机成型 [25]。 螺杆式注塑机成型应用很广，本文将以螺杆式注塑机成型来介绍注塑成型原理，如图 21 所示。 注塑成型原理：注塑成型指粉状或颗粒状塑料经料斗加到安装有电加热圈的料筒内，粉状或颗粒状的塑料在螺杆作用下一边塑化一边向前移动，塑料在转动的螺杆作用下通过其螺旋槽输送到料筒前端的喷嘴附近；螺杆转动使塑料进一步塑化，料温在剪切摩擦热的作用下进一步提高，塑料得以均匀塑化。 当料筒前端积聚的熔料对螺杆产生一定的压力时，螺杆就在转动中 后退，直至与调整好的行程开关相接触，具有模具一次注射量的塑料预塑和储料（即料筒前部熔融塑料的储量）结束；接着注射液压缸开始工作，与液压缸活塞相连接的螺杆以一定的速度和压力将熔料通过料筒前端的喷嘴注入温度较低的闭合模具型腔中；保压一定时间，经冷却固化后即可保持模具型腔所赋予的形状；然后开模分型，在推出机构作用下，将注射成型的塑料制件推出型腔 [26]。 图 21 螺杆式注塑成型原理 [26] 1料斗 2螺杆传动装置 3注射油缸 4螺杆 5加热器 6喷嘴 7模具 注塑成型工艺过程分为成型前准备 、注塑过程和塑件后处理。 成型前准备主要包括对原料加工；注塑过程主要包括加料、塑化、注射、冷却和脱模等；塑件后处理主要包括退火处理和调湿处理 [27]。 注塑过程 的具体介绍如下 [27]： (1) 塑化阶段。 塑化指塑料在料筒内经加热达到良好流动状态的过程。 (2) 充填阶段。 塑料熔体在注塑压力下由喷嘴射入，流经主流道、浇口进入模腔，完成充填。 安徽工程大学硕士学位论文 6 (3) 保压阶段。 充填完成后，塑件冷却收缩必然导致填充不足，所以此时的熔体仍 需 保持高压状态 以 补充 塑料熔体。 (4) 冷却阶段。 冷却阶段自熔体进入模具型腔起就开始，填充阶段完成 后冷却速度加快，当达到产品的顶出温度时，利用顶出装置将产品从模具中取出。 (5) 脱模阶段。 脱模方式主要有顶杆脱模和脱料板脱模。 设计模具时要根据产品的结构特点选择合适的脱模方式，以保证产品质量。 选用顶杆脱模 时 ，顶杆设置应尽量均匀， 顶杆 位置应选在脱模阻力最大以及塑件强度和刚度最大的地方，以免塑件变形损坏。 脱料板一般用于深腔薄壁容器以及不允许有推杆痕迹的透明制品的脱模，这种机构脱模力大 、脱模 均匀，无明显的遗留痕迹。 注塑成型常见缺陷及解决方法 [28] 注塑成型时因为各种各样原因注塑的塑件会产生很多缺 陷，这里对几种常见的缺陷进行产生原因和解决方法分析。 由于充填不满导致制品成型后形状不完整的缺陷 称 为短射。 短射一般发生在制品的薄壁区域和远离浇口的区域。 导致短射的原因可 能 包括 流道尺寸太小、塑料壁太薄、熔体温度过低、熔体粘度过大 、注塑压力过低 和 注塑机的控制阀门破损等。 针对产生充填不足的原因，应从以下几个方面采取解决措施： (1)设备方面 如果填充不足是由于注塑机料斗中的熔料过少导致的，则应选用容量更大的注塑机 ； 若是由于料斗或喷嘴部分被堵塞导致填充不足则应将其清理干净。 (2)注塑工艺参数的设置 注 塑工艺参数的设置主要包括时间、压力、温度的设置。 工艺参数设置不当也会因引起充填不足，当出现充填不足时应通过调整注塑压力、注塑时间、保压压力、保压时间、熔体温度 和 模具温度来解决。 (3)模具方面 如果模具浇注系统 设计 不合理也会引起充填不足 ， 此时应从改善 浇注系统 的流道尺寸 和浇口位置等 方面来解决。 气穴指模腔内气体所在的区域。 产生气穴的原因主要有： (1) 外层熔体冷却固化 和 内层熔体收缩形成真空。 (2) 干燥程度较低 的 材料存在水分，水分会在材料中形成气体，这些气体在塑件成型后会产生气穴。 (3) 热敏 性塑件在温度过高时分解产生气体 ， 形成气穴。 (4) 结晶型塑料在塑料成型时收缩大，容易产生缩孔和气穴。 安徽工程大学硕士学位论文 7 (5) 模具型腔中 的 气体 未能 排出 而 形成气穴。 针对这些产生气穴的原因，其解决的措施有以下几个方面： (1) 对于模具排气不畅产生的气穴，要在气体聚集处开设排气槽。 (2) 加强材料干燥。 痕 两股或多股 料流前锋温度低 的 熔体交汇时常常形成熔接痕。 熔接痕 不仅影响了塑件外观 还 降低了塑件力学强度。 改善熔接痕 可采取以下几项措施： (1) 采用热流道进行浇注。 (2) 通过提高树脂温度、提高模具温度、提高注 射压力及速度等来提高熔料的流动性。 (3) 调整浇口位置。 龟裂 主要由变形应力引起 ，变形 应力 有 残余应力 和 外部应力。 (1) 残余应力 产生的 龟裂 残余应力主要由充填过剩 等原因 引起 ， 可 从 以下几方面 降低残余应力 ： ① 采 用多点分布浇口 的 方式 增大应力释放。 ② 适当提高树脂温度 以 降低熔融粘度，提高流动性 和 降低注射压力以减小应力。 ③ 一般情况下，模温较低容易产生应力，应适当提高温度。 但当注射速度较高时，即使模温低一些，也可减低应力的产生。 (2) 外部应力 产生 的龟裂 外部应力主要 由 产品 结构设计不合理 引起 如尖角。 尖角处容易产生应力集中从而导致龟裂 ，可以在尖角处倒圆角避免应力集中。 翘曲变形指塑件冷却固化开模后与模具型腔形状不一致。 翘曲变形主要由收缩变形引起，收缩变形的原因主要包括收缩不均匀 、 冷却不均匀 和 分子取向不均匀。 降低 塑件 翘曲变形量应从增大浇口尺寸 、 降低熔体和模具 表面 温度 、提高 注射速度 和 增加 保压时间 等方面考虑。 溢边指熔料充填 时 从模具分型面或顶杆缝隙处溢出而产生的形状。 溢边产生的原因主要有 ： (1) 设备方面：注塑机的锁模力不够。 (2) 模具方面：模具的制造精 度不够、装配不良、排气位置不合理。 (3) 工艺参数方面：注塑压力过大、保压。