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汽车薄壳注塑件翘曲变形及控制技术研究,毕业论文

本科毕业论文

题目名称:汽车薄壳注塑件翘曲变形及控制

技术研究

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指导教师:

二XXX年六月十日

摘要

常规汽车用注塑件成型工艺已为人们所熟悉,相关理论已经非常成熟,但薄壁注塑成型则不然。这是因为随着塑件壁不断变薄,聚合物熔体在型腔中冷却迅速,使得成型难度加大,导致聚合物熔体在薄壁型腔内的流动行为也与常规注塑成型有所不同。汽车注塑薄壳件是一种典型的注塑加工零件,翘曲是其制造过程中的主要缺陷。汽车诸多注塑薄壳件制品由翘曲引起的形状偏差会严重影响产品的质量。注塑成型是一个高度非线性、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。

本文确定了注塑成型的工艺参数。通过注塑成型翘曲变形的分析,确定翘曲变形产生的原因,以此确定了薄壳注塑件翘曲变形量的影响因素以及汽车薄壳件注塑成形过程中翘曲缺陷控制方法。使翘曲变形产生的废品率大大降低,减少了二次加工的几率和成本,产生了明显的经济效益。

关键词:薄壁注塑成型;翘曲变形;参数控制;质量提高

Abstract

Nowadays, people are familiar with the process and method of traditional injection molding and the relative theories have been also matured, yet the thin-wall injection molding. Due to the plastic wall become thinner and the polymer melt cool quickly in the cavity, it is much more difficult to inject molding, which lead to the flow behavior of the polymer melt in thin-wall injection molding and the traditional ones are different, too. Thin-wall Plastic parts are the typical ones in auto products in which warp is the main defect and the deviations from shape which are caused by warps can also affect the quality of the product. Plastic injection is a non-linear and flexible multi-factors manufacturing process. In this process, the parameters influence on each other and change with the time. So every parameter has a different impact on the final quality. To decrease the defective parts in production and improve the quality of the production, we need to control the technology parameter in the whole cycle. Only in this way can we keep the final product quality in a best sphere and ensure the product has a high quality.

The injection molding process parameters were identified in this paper. Warpage of injection molding through the analysis to determine the cause warping deformation in order to ascertain Injection Parts of the shell warping deformation of the impact of factors, as well as car shell of injection molding process of warping control deficiencies. Warpage of the waste generated significantly lower rates, reduce the risk of secondary processing and cost, have obvious economic benefits.

Keywords:thin-wall inject molding; warping deformation; parameter control; improve the quality

目录

摘要 (1)

Abstract .................................................................................................................................. II 1绪论. (3)

1.1引言 (3)

1.2汽车薄壁件翘曲变形的国内外研究现状 (4)

1.2.1国外的研究现状 (4)

1.2.2国内的研究现状 (4)

1.3论文工作内容 (5)

1.3.1课题的主要研究内容 (5)

1.3.2课题采取的技术路线 (5)

2注塑成型 (6)

2.1塑料及其性能 (6)

2.1.1塑料组成及分类 (6)

2.1.2塑料的优点及应用领域 (7)

2.2注塑成型工艺参数 (8)

2.2.1主要工艺参数 (8)

2.2.2工艺参数对注塑成型的影响 (8)

2.3注塑机 (9)

2.3.1注塑系统 (9)

2.3.2锁模装置 (10)

2.3.3液压传动与电器控制系统 (10)

2.4注塑成型过程 (10)

2.4.1塑化 (10)

2.4.2填充 (10)

2.4.3保压 (11)

2.4.4冷却 (11)

3翘曲变形 (12)

3.1概述 (12)

3.2 注塑成型翘曲变形分析 (12)

3.2.1翘曲变形产生的原因 (12)

3.2.2翘曲变形量的影响因素 (13)

4汽车翘曲变形的控制技术 (15)

4.1修改工件的几何形状 (15)

4.2改变注塑模具的结构 (15)

4.3调整工艺参数 (16)

结论 (17)

参考文献 (18)

致谢 (19)

1 绪论

1.1引言

轻量化是当今汽车材料发展的主要方向。据分析,汽车一般部件重量每减轻1%,可节油1%;运动部件每减轻1%,可节油2%。根据最新资料介绍,国外汽车自身质量同过去相比己减轻了20%-26%。预计在未来的10年内,轿车自身的重量还将继续减轻20%。塑料及其复合材料是重要的汽车轻质材料,它不仅可减轻零部件约40%的质量,而且还可使成本降低40%左右。据统计,世界上平均每辆汽车对塑料的用量在2000年就已达到105kg,约占汽车总质量的8%-12%。发达国家车用塑料现已占塑料总消耗量的7%-11%,预计将达到10%-11%[1]。

我国2006年汽车产量超过600万辆,位居世界第四,这标志着中国汽车工业由此步入了一个高速增长的发展阶段,并拉动下游形成了塑料等高增长产业群,塑料工业为满足汽车制造业而实现了高速、跃增式的发展。近年来,我国塑料在汽车中的用量也迅速上升,特别是塑料在轿车的用量较高。但我国汽车行业应用塑料尚存在一些问题有待解决,否则可能影响塑料在汽车材料份额的进一步提升:一是汽车专用塑料牌号少,产品性能不能满足选材要求,需进口或采用改性塑料替代,如高分子量高密度聚乙烯(HMHDPE)、热塑性弹性体(TPE)、聚碳酸酷(PC)、聚甲醛(POM)、发泡颗粒成型材料等;二是汽车用塑料品种较多,材料标准混乱,不利于大批量生产与应用,需对汽车现用的塑料材料进行品种简化;三是缺乏生产汽车专用塑料的领头企业,现有生产企业规模小而分散,各有地盘和服务对象,技术水平不一,模具开发能力差,塑料制品产品质量难以保证。

随着紧凑型,微型汽车的增多,其所使用的塑料制品也相应朝着体积轻量化,结构复杂化发展。在此情况下,一些汽车薄壁注塑产品越来越多的出现在一些车型上。

对于汽车制件来说,“薄壁”是指壁厚小于2mm,薄壁制品的生产要求改变加工工艺,有更高的压力和速度,更短的冷却时间,改变制件顶出系统的设计和浇口排列顺序。而加工工艺的改变同时促进了模具、机器和制件设计的发展,对注射机和模具提出了更高的要求。

翘曲变形是汽车薄壳塑料件注塑成型中的常见缺陷之一,因为涉及到对翘曲变形量的准确预测,而不同材料、不同形状的注塑件的翘曲变形规律差别很大。翘曲变形问题的存在会影响注塑件的形状精度和表面质量,当翘曲变形量超过允许误差后,就成为成形缺陷,进而影响产品装配。翘曲作为塑件变形的重要特征之一,其研究有重要的应用价值。

因此,研究制件注塑成形,降低塑件成形的翘曲量,对于提高汽车塑件产品精度,缩短新产品开发周期有着重要的意义。

1.2汽车薄壁件翘曲变形的国内外研究现状

对各类汽车上日益增加的薄壁件翘曲变形做出准确预测是有效控制翘曲缺陷的前提,长期以来,人们在翘曲预测方面做了大量的工作。

1.2.1国外的研究现状

早在六十年代,国外学者就通过大量实验获取浇口几何形状、保压参数(保压压力和保压时间)和模具的弹性对制品最终尺寸的影响,再用PET作为聚合物基,研究了不同材料和不同壁厚平板的翘曲特性。但由于实验方法研究翘曲变形,往往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翘曲变形的影响,而且也不能在产品设计阶段预测可能发生的翘曲变形的大小[2]。在实际使用中,经验公式的局限性也显而易见,不仅受实验条件的影响,还与实验数据的处理方法、经验公式的应用条件等许多因素有关,并且一种经验公式只适用于与实验状况相当接近的生产过程。所以,七十年代以后,人们就开始采用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,尽量避免发生大的翘曲变形。由于翘曲变形与不均匀收缩有关,许多学者从研究不同塑料在不同工艺条件下的收缩行为入手,来分析收缩与制品翘曲的关系。首先在注塑流动、保压、冷却模拟的基础上,通过实验和线性回归方法,提出了预测注塑制品收缩的模型,在收缩预测的基础上,通过结构分析模拟程序计算出制品的变形[3]。再对GMT材料的收缩和翘曲行为进行了详细的研究,他们认为,GMT材料在成型过程中会发生纤维取向,树脂和纤维之间不同的收缩特性与纤维取向后形成的各向异性共同作用是导致制品翘曲变形的主要原因,他们通过改变具有不同纤维取向原料的布料方式,对纤维取向的影响程度进行了验证,并且发现制品的收缩和翘曲之间具有一定的相关性。同时也由于塑料熔体在成型过程中,由于取向、收缩的不均匀,导致内应力的不均匀,所以制品出模后,在不均匀内应力的作用下,发生翘曲变形。因此,许多学者从力学角度分析、计算制品的内应力和翘曲。首先考虑了冷却阶段塑料由液态变为固态的相转换和应力松弛行为。对未固化的区域,塑料呈现粘性行为,用粘性流体模型描述,对己固化的区域,塑料呈粘弹行为,用标准线性固体模型来描述,采用粘-弹相转换模型和二维有限单元法来预测热残余应力和相应的翘曲变形口。再考虑塑料的结晶性能对制品的残余应力、翘曲变形也有影响。用线性热粘弹模型计算流动残余应力和热残余应力,计算出的残余应力作为固体力学分析的初始条件,用三维薄壁注塑件的几何模型,将模具冷却、塑料充模—保压—冷却、纤维定向、材料特性和应力分析集成后,预测翘曲[4]。采用有限单元法来计算翘曲。

1.2.2国内的研究现状

我国在这方面研究的比较晚,而且大部分工作都是基于试验研究的基础上,再根据试验结果提出试验收缩模型,然后计算翘曲变形。90年代,郑州工学院的申长雨等几位学者提出了翘曲变形系数的概念,主要考虑温度不均匀分布引起翘曲变形,并采用数值

计算方法计算出了翘曲变形系数。而后,采用弹性不变形理论、有限单元法计算温度应力,利用大连理工大学的结构分析程序来计算出翘曲大小[5]。2004年西北工业大学的吴建军等人用一维粘弹性本构方程求解了塑件的残余应力,用悬臂梁理论求解了用品的变形[6,7]。华中理工大学的卢义强博士用薄板理论分析制品的翘曲变形,将制品的面内变形看作平面应力问题,将面向变形看作薄板弯曲问题,两类变形叠加后,采用平面问题及薄板弯曲问题的有限元法计算制品在三维空间坐标内的变形[8]。

1.3论文工作内容

1.3.1课题的主要研究内容

汽车注塑薄壳件是一种典型的注塑加工零件,翘曲是其制造过程中的主要缺陷。汽车诸多注塑薄壳件制品由翘曲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汽车薄壳注塑件成形翘曲变形的研究:

(1)分析汽车薄壳件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、保压时间等对工件翘曲变形的影响。

(2)确定了汽车薄壳件成形过程中翘曲缺陷控制方法:一是修改工件的几何形状;二是改变注塑模具的结构;三是调整工艺参数。

1.3.2课题采取的技术路线

通过对收集相关资料和文献的分析研究,以薄壳件为研究对象,进行薄壳件浇注成型的研究,主要是对填充、保压、冷却、翘曲过程的分析,获取薄壳塑料零件翘曲变形的原因,针对汽车薄壳注塑件注塑成形过程中的翘曲缺陷,研究出薄壳塑料件翘曲变形的控制技术。

2 注塑成型

注塑成型(简称注塑)是将塑料原料加工成制品的主要方法,可成型各种的塑料制品。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。在注塑成型生产中,塑料、注塑机和注塑具是三个必不可少的物质条件。

2.1塑料及其性能

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。

2.1.1塑料组成及分类

2.1.1.1塑料的组成

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脂。天然树脂来自大自然,如蛋白质和琥珀等。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加工及使用性能。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。

树脂是高分子化合物,其分子由无数个单体构成,这些单体单元称为链节。树脂的一个分子中可以包含数百、数千甚至数十万个链节,因此树脂的相对分子质量(即分子量)可以由数万、数十万到数百万。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。

2.1.1.2塑料的分类

塑料目前尚无确切的分类,一般分类如下:

(1)按塑料的物理化学性能分:

热塑性塑料:在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料。如聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料。

热固性塑料:因受热或其它条件能固化成不熔不溶性物料的塑料。如酚醛塑料、环氧塑料等。

(2)按塑料的用选分:

通用塑料:一般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料。如聚乙烯、聚丙烯、

聚氯乙烯等。

工程塑料:一般指能承受一定的外力作用,并有良好的机械性能和尺寸稳定性,在高、低温下仍能保持其优良性能,可以作为工程结构件的塑料。如ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、尼龙、聚矾等。

特种塑料:一般指具有特种功能(如耐热、自润滑等),应用于特殊要求的塑料。如氟塑料、有机硅等。

(3)按塑料成型方法分:

模压塑料:供模压用的树脂混合料。如一般热固性塑料。

层压塑料:指浸有树脂的纤维织物,可经叠合、热压结合而成为整体材料。

注射、挤出和吹塑塑料:一般指能在料筒温度下熔融、流动,在模具中迅速硬化的树脂混合塑料。如一般热塑性塑料。

浇铸塑料:能在无压或稍加压力的情况下,倾注于模具中能硬化成一定形状制品的液态树脂混合料。

反应注射模塑料:一般指液态原材料,加压注入模腔内,使其反应固化制得成品。如聚氨脂类。

(4)按塑料半制品和制品分:

模塑粉:又称塑料粉,主要由热固性树脂(如酚醛)和填料等经充分混合、按压、粉碎而得。如酚醛塑料粉。

增强塑料:加有增强材料而某些力学性能比原树脂有较大提高的一类塑料。泡沫塑料:整体内合有无数微孔的塑料。

薄膜:一般指厚度在0.25毫米以下的平整而柔软的塑料制品。

2.1.2塑料的优点及应用领域

2.1.2.1塑料的优点

不同种类的塑料具有不同的优点,综合起来可归纳如下:质量轻、密度不均匀、比强度高、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。应该指出的是,塑料也存在一些缺点,在应用中受到一定的限制。一般塑料的刚性差、耐热性差,在低温下易开裂,塑料的导热系数小,这对散热而言很不利;塑料易燃烧,在光和热作用下性能容易变坏,发生老化现象等。所以,在选择塑料时要注意扬长避短。

2.1.2.2塑料的应用领域

目前,塑料制品主要应用在以下领域:

(l)包装领域塑料的最大消费市场是包装,在发达国家塑料制品的消费总量中,包装材料占1/4以上。

(2)建筑领域由于塑料材料的综合性能和节能效果较好,塑料在建筑领域中具有广泛的应用,如塑料门窗、塑料内外墙装饰材料等的大量使用。

(3)电子电器领域随着计算机、光学复印机和其他商用办公设备及电子产品的设计迅速向短、小、轻、薄的方向发展,塑料在电子电器工业领域的应用量也越来越大。

(4)汽车领域汽车生产厂家对减轻汽车车体重量的迫切要求,促进了塑料在汽车领域中的应用。目前,高强度、质量轻的塑料制品正广泛应用在交通运输领域中。

(5)医疗卫生领域医用塑料制品己成为塑料材料向高技术、高附加值发展的一个主要方向,并在生物和医学工程研究领域中发展成为一门相当重要的边缘学科。比如人造骨和人造肺等的应用。

(6)农业领域新型地膜、功能性农膜和可降解薄膜等已成为当今农业领域中新的研究、应用趋势。塑料在生活用品、文体用品和化工等领域也有很大应用。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。

2.2注塑成型工艺参数

注塑成型就是利用塑料的可挤压性和可模塑性,首先将松散的粒料或粉状成型物料从注塑机的料斗中送入高温的料筒内加热熔融塑化,使之成为粘液态熔体,然后在柱塞或螺杆的高压推动下,以很大的流速通过料筒前端的喷嘴注射进入闭合的模具中,经过保压冷却定型后,开启模具便可以从模腔中脱出具有一定形状和尺寸的塑件。

2.2.1主要工艺参数

1、注射压力注射压力是指注射时螺杆或柱塞头部作用于熔体上的压力。

2、注射速度注射速度是指螺杆在注射时的移动速度,其单位为cm/s。除注射速度外,还可以用注射速率、注射时间等来表示。

3、熔料温度熔料温度(料温)指塑化塑料的温度和从喷嘴射出的熔体温度,前者称为塑化温度,后者称为熔体温度。

4、模具温度模具温度是指与制品接触的模具型腔表面的温度。

5、保压压力保压压力是指对型腔内塑料熔体进行压实以及维持向型腔内进行补料流动所需要的压力。

6、保压时间保压时间是指保压压力持续作用的时间。

7、冷却时间冷却时间指保压结束到开启模具所经历的时间。

2.2.2工艺参数对注塑成型的影响

注塑制品的变形影响产品的最终形状和尺寸精度。产品变形的根本原因是收缩不均匀,而影响收缩的因素主要有材料的性能、冷却均匀性和工艺参数[9]。为了减小变形,必须了解各种工艺参数对制品变形的影响。

1、保压压力保压压力对收缩有直接的影响,不同的保压压力对体积收缩有不同的影响,一般随着保压压力增加,翘曲变形量先减小,然后再增加。这是因为较高的保压压力使充入模腔的塑料增加,从而降低产品的收缩,减小变形量。

2、模具温度模具温度对翘曲量和体积收缩的影响很小。提高模具温度,能减少翘曲量,但是减少量很小。

3、充模时间对非结晶型塑料平板变形的影响不大,不如保压压力、冷却时间对翘曲变形的影响那样有明显的趋势。

4、熔体温度熔体温度低,成型过程中残余应力大没有时间释放而引起翘曲变形,而太高的熔体温度又容易造成树脂的降解。所以熔体温度高易造成体积收缩而产生变形,合适的熔体温度可以减小变形。

5、注射时间和模具温度注射时间和模具温度在考察范围内对变形的影响很小。注射时间短,塑料充模速度快,从而变形小,模具温度提高,可降低残余应力和体积

收缩率,但是这两个因素对变形的影响不显著。

6、保压时间保压时间对非结晶型塑料平板的翘曲变形影响很小,由于保压时间长时收缩率小,所以随着保压时间的增加,平板的变形逐渐减少,直至基本保持不变。

2.3注塑机

注塑机是进行注塑成型的必备条件之一,注塑机按塑料在料筒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系统组成。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。模具虽不是注塑机的一部分,但注塑机必须与各种不同模具配合才能生产出各种塑件。

2.3.1注塑系统

注塑系统是注塑机的主要部分,它能够使塑料原料在螺杆或柱塞的旋转推进或推动下均匀塑化,在高压下快速注入模具。注塑系统包括加料装置、料筒、螺杆、喷嘴、加压和驱动装置等。加料装置一般为锥形漏斗,根据注塑机的不同还配有自动上料装置或者干燥装置。料筒是为塑料原料加热的容器,要求具有耐压、耐热、耐疲劳、抗腐蚀、传热性好等特点。料外部一般都配有加热装置可以实现分段加热和控制。螺杆是螺杆式注塑机中的最重要部件。螺杆在长度方向上被分为三个区,依次是固体输送区(进料区)、熔融区(塑化区)和熔体输送区(计量区),其长度比例在2:1:1左右。螺杆在料筒内旋转时,首先将来自料筒的塑料原料卷入料筒,并逐步将其向前推进、压实、排气和塑化,随后塑料熔体就不断地被推到螺杆顶部与喷嘴之间,而螺杆本身则因受熔体的压力而缓慢后移。当积存的熔体达到一次注射量时,螺杆停止转动。注塑时,螺杆传递液压或机械力使熔体注入模具。塑化时主要靠加热的料筒把热量传给塑料使其软化和熔融,另外螺杆转动所产生的摩擦热或剪切热也会起一部分作用。喷嘴是连接料筒和模具的过渡部分。注塑时,料筒内的熔体在螺杆或柱塞的作用下,高压快速流经喷嘴注入模具。加压装置是使螺杆或柱塞在注塑周期中进行往复运动完成注塑的装置。加压装置

的动力源有液压和机械力两种。驱动装置是使螺杆转动从而完成对塑料预塑化的装置。常用的驱动装置有单速交流电机和液压马达两种。

2.3.2锁模装置

注塑机上实现锁合模具、启闭模具和顶出制品的机构统称为锁模装置。锁模装置可以是机械式的,也可以是液压式或者液压机械联合作用方式。锁模装置的作用有三点:第一是实现模具的开闭动作;第二是在成型时提供足够的夹紧力使模具锁紧,熔体在高压下注入模具,必须施加足够大的锁模力才能保证模具严密闭合不溢料;第三是开模时推出模内制件。锁模机构还应该保证模具启闭灵活、准确、迅速而安全,并防止损坏模具和制品,避免机器受到强烈震动,达到安全运行以延长机器和模具的寿命。

2.3.3液压传动与电器控制系统

液压传动与电器控制系统是保证注塑成型按照预定的工艺要求(压力、速度、时间和温度等)和动作程序准确进行的系统。液压传动系统是注塑机的动力系统,而电器控制系统则是控制各个动力液压缸完成开启、闭合和注射、推出等动作的系统。

2.4注塑成型过程

注塑成型过程可分为塑化、填充、保压和冷却四个主要阶段,在这四个阶段中起主要作用的工艺参数也随着注塑成型过程的变化而变化。

2.4.1塑化

塑化是指塑料在料筒内经加热达到良好可塑性的流动状态的全过程。熔体在进入型腔之前应达到规定的成型温度,并能在规定的时间内达到足够数量,塑化温度应均匀一致,不发生或极少发生热分解以保证生产的连续进行。

2.4.2填充

这一阶段从螺杆或柱塞开始向前移动起,直至型腔被塑料熔体充满为止。填充过程中包括的重要工艺参数有:

1)熔体温度(°C)

2)注射压力(MPa)

3)注射速度(mm/s,但是一般用最大注射速度的百分比表示)

熔体温度一般略低于塑化温度,由于起实际作用的是熔体温度,所以一般把熔体温度作为一个工艺参数。熔体温度的高低决定熔体流动性能的好坏。熔体温度高,熔体的粘度小,流动性能好,需要的注射压力小。但是熔体的温度过高会引起材料的降解,导致材料的性能降低。注射压力主要用于克服熔体在整个注塑成型过程中的流动阻力,同时还对熔体起一定程度的压实作用。如果注射压力过低,熔体将很难充满型腔;然而,注射压力过大,却有能出现溢料等不良现象,并引起较大的压力波动,使生产操作难于

稳定控制。所以只有适中的注射压力才能保证熔体在注塑过程中具有较好的流动性能,同时保证制品的质量。注射速度对熔体的流动、充模及制品质量也有直接影响。注射速度小,填充的时间就长,先进入型腔的熔体受到较多的冷却,粘度增大,后面的熔体就需要在高的压力下才能进入型腔,甚至有可能出现短射;反之,可使熔体通过喷嘴、主流道、分流道和浇口时产生较多的摩擦热而使熔体温度升高,故熔体的粘度小,流动阻力相对降低,但是容易在型腔内引起喷射流动,导致制品质量变差,同时如果排气不良,还会因压缩气体放热而灼伤制品。

2.4.3保压

保压是指从塑料熔体充满型腔时起,至螺杆或柱塞撤回时为止的一段时间。保压阶段的重要工艺参数是:

l)保压压力(MPa)

2)保压时间(s)

保压阶段中,塑料熔体因受到冷却而发生收缩,但是塑料仍然处于螺杆或柱塞的稳压下,料筒内的熔体会被继续注入型腔内以补足因收缩而留下的空隙。如果螺杆或柱塞停在原位不动,压力就会略有衰减;如果螺杆或柱塞保持压力不变,也就是随着熔体注入型腔的同时向前做少许移动,则在此阶段中型腔内压力维持不变。保压压力过高可能产生溢料,增加内应力等;保压压力过低,补缩流动受浇口摩擦阻力限制不易进行,型腔压力会因补料不足而迅速下降。延长保压时间有助于减少制品的收缩率,但过长的保压时间会使制件上的收缩程度出现差异,令制件各个方向上的内应力差异增大,造成制品翘曲和粘模;如果保压时间不充分,可能会出现型腔内熔体倒流而造成型腔压力迅速下降。保压阶段对于提高制品的密度、降低收缩和克服制品表面缺陷都有影响。

2.4.4冷却

冷却阶段中的重要工艺参数是冷却时间(s)。冷却阶段是指从浇口的塑料完全冻结时起,到制品从型腔中顶出为止。在保证制品质量的前提下,应当尽量缩短冷却时间,否则,会延长制品的成型周期,降低生产效率,还可能造成具有复杂几何形状的制品脱模困难。冷却时型腔内压力迅速下降,型腔内塑料在这一阶段内主要是继续冷却以便制品在脱模时具有足够的刚度而不致发生翘曲变形。由于型腔内塑料的温度、压力和体积在这一阶段中均有变化,因此到制品脱模时,型腔内压力不一定等于外界压力,型腔内压力与外界压力的差值称为残余压力。残余压力的大小与保压阶段的时间长短有密切关系。残余压力为正值时,脱模比较困难,制品容易被刮伤和破裂;残余压力为负值时,制品表面容易有陷痕或内部有真空泡。所以,只有在残余压力接近零时,脱模才比较顺利,并能得到满意的制品。

3 翘曲变形

3.1概述

市场竞争集中的反映在产品质量的竞争上,这导致了人们越来越重视制造的精度。翘曲变形是指注塑制品的形状偏离了模具型腔的形状,它是塑料制品常见的缺陷之一。翘曲对注塑制品外观质量、使用性能有很大影响。随着塑料工业的发展,人们对塑料制品的外观和使用性能要求越来越高,翘曲变作为评定产品质量的重要指标之一也越来越多地受到模具设计者的有关注视。

分析翘曲问题有两个重点,一是研究如何提高翘曲变形模拟的准确性,二是研究采用何种方法减小或补偿翘曲变形造成工件的几何误差。在工业实践中,通常采用调整和控制工艺参数来减小翘曲变形量,而对于较大的翘曲变形则采用模具补偿方法或修改制件的几何形状来保证几何精度。一般来说,当提出一件新制品的使用性能和其它有关要求后,首先应在经济合理和技术可则下,选择最合适的原材料、生产工艺、设备和模具结构。在这些条后,工艺条件的选择和控制就是主要考虑的因素。

了解注塑件翘曲的理论,对深入研究如何采用恰当的工艺参数以及采用何种模具补偿的方式或正确修改制件的几何形状以减小翘曲量有着重要的理论指导意义。

3.2注塑成型翘曲变形分析

翘曲主要与产品结构、模具设计以及成型工艺三方面有关[10]。由于流动方向的收缩率比垂直方向的大,使制件各向收缩率不同,同时又由于注射充模时不可避免地在制件内部残留有较大的内应力,从而导致出模后形状与其在模具型腔内的形状不同,这就是工程技术人员十分关心的注塑制品的翘曲变形问题。翘曲变形不但影响制品的外观,而且它会使出模后塑件的尺寸超出公差范围,影响产品的装配精度。因此工程上迫切地要求解决翘曲变形现象造成装配困难问题。

3.2.1翘曲变形产生的原因

产生翘曲变形的原因主要有三个方面:

(1)分子取向,分子取向会导致流动方向和垂直流动方向的收缩不一致,从而导致内应力的不均匀,所以制品出模后,在不均匀内应力的作用下,发生翘曲变形。通常情况下塑料流动方向的收缩率比垂直方向的大,不同的收缩率使塑件产生翘曲,对纤维增强的塑料制品而言,取向效应是导致制品翘曲的主要原因之一。

(2)区域收缩,区域收缩是同区域之间的收缩不同而导致制品的翘曲。塑件厚度方向的收缩率随着与浇口距离的增加而增加,使塑件厚度方向收缩率不同。通常,可以利用区域收缩来衡量不同区域收缩的差别。而用分子取向来衡量制品不同方向上的收缩变化。

(3)不均匀冷却,由于塑件厚度不均匀,造成不同部位冷却时间不一致,从而导致制品的温差很大,使制品在顶出后的二次收缩差很大,这种收缩差别导致弯曲力矩的产生而使制品发生翘曲。

3.2.2翘曲变形量的影响因素

影响注塑制品翘曲的主要因素有以下几个方面[11]:

1.模具方面

包括:

(1)制件的厚度、质量的均匀度;

(2)制品结构、模具结构、模具强度、加工精度和表面粗糙度;

(3)注塑成型工件,由于翘曲变形是由多种因素造成,所以对注塑制品翘曲的研究起步较晚,并且进展较慢。

2.塑化阶段

塑化阶段即玻璃态的料粒转化为粘流态,提供充模所需的熔体。在这个过程中,聚合物的温度在轴向、径向(相对螺杆而言)的温差会使塑料产生应力;另外,注射机的注射压力、速率等参数会极大地影响充填时分子的取向程度,进而引起翘曲变形。

3.充模及冷却阶段

熔融态的塑料在注射压力的作用下,充入模具型腔并在型腔内冷却、凝固的过程是注射成型的关键环节。在这个过程中,温度、压力、速度三者相互耦合作用,对塑件的质量和生产效率均有极大的影响。较高的压力和流速会产生高剪切速率,从而引起平行于流动方向和垂直于流动方向的分子取向的差异,同时产生“冻结效应”。“冻结效应”是将产生应力冻结,形成塑件的内应力。温度对翘曲变形的影响体现在以下几个方面。

(1)塑件上、下表面温差会引起热应力和热变形;

(2)塑件不同区域之间的温度差将引起不同区域间的不均匀收缩;

(3)不同的温度状态会影响塑料件的收缩率。

4.脱模阶段

塑件在脱离型腔并冷却至室温的过程中多为玻态聚合物。脱模力不平衡、推出机构运动不平稳、脱模顶出面积不当等都很容易使制品变形。同时,在充模和冷却阶段冻结在塑件内的应力由于失去外界的约束,将会以变形的形式释放出来,从而导致翘曲变形。

5.注塑制品的收缩

注塑制品翘曲变形的直接原因在于塑件的不均匀收缩。如果在模具设计阶段不考虑填充过程中收缩的影响,则制品的几何形状会与设计要求相差很大,严重的变形会致使制品报废。除填充阶段会引起变形外,模具上下壁面的温度差也将引起塑件上下表面收缩的差异,从而产生翘曲变形。对翘曲分析而言,收缩本身并不重要,重要的是收缩上的差异。在注塑成型过程中,熔融塑料在注射充模阶段由于聚合物分子沿流动方向的排

列使塑料在流动方向上的收缩率比垂直方向的收缩率大,而使注塑件产生翘曲变形。一般均匀收缩只引起塑料件体积上的变化,只有不均匀收缩才会引起翘曲变形。结晶型塑料在流动方向与垂直方向上的收缩率之差较非结晶型塑料大,而且其收缩率也较非结晶型塑料大,结晶型塑料大的收缩率与其收缩的异向性叠加后导致结晶型塑料件翘曲变形的倾向较非结晶型塑料大得多。

4 汽车翘曲变形的控制技术

通过对汽车薄壳件翘曲变形及其影响的工艺参数的研究与分析,可以确定控制其成形过程中翘曲缺陷的方法,按原理来分,主要可以分为三类,一是通过修改工件的几何形状,来减少翘曲变形;二是通过改变注塑模具的结构,减少翘曲变形;三是调整工艺参数,来抑制翘曲变形的发生。

4.1修改工件的几何形状

一般认为,不正确的产品设计所导致的翘曲是最严重的,几乎不可能通过成型工艺条件来修正,不均匀壁厚、筋板、浮雕等都能引起不均匀收缩,从而导致翘曲[12]。

在塑料制品设计中,应该打破制品壁厚应尽可能均匀的不成文规则[13]。在预定的尺寸误差范围内,应有意改变注塑制品的壁厚,是减少制品翘曲的一种方法。通常采用正交实验方法得到不同壁厚因子组合的制品壁厚,且对每种壁厚模型,再结合差异分析法,获得了最优壁厚和相应的最佳工艺条件设置。

可以从产品设计方法学上讨论出减少翘曲的方法,传统的设计是先给定产品几何形状,通过反复试验,在一定范围内选择变量,采用基于优化的基因算法、正交法等方法来优化产品设计空间,以减少翘曲,并给出制品的理想厚度和体积。从产品设计方法学上研究塑件的翘曲变形,实际上是将工程优化设计方法应用于注塑行业,即把影响产品翘曲变形的产品的几何形状作为设计变量,以最小的翘曲变形作为优化设计的设计目标,对产品的几何形状进行优化设计。

4.2改变注塑模具的结构

注射成型是热塑性塑料和一部分热固性塑料最主要的成型加工方法之一。注塑制品质量在很大程度上取决于模具设计。在模具设计方面,通常采用改变模具的结构来减少翘曲变形。影响塑件变形的因素主要有浇注系统、冷却系统与顶出系统等。

(l)浇注系统的设计

浇注系统设计是模具设计的最重要组成部分[14],浇注系统是指模具中从注塑机喷嘴开始到型腔为止的塑料流动通道。注塑模具浇口的位置、形式和浇口的数量将影响塑料在模具型腔内的填充状态,从而导致塑件变形。流动距离越长,由冻结层与中心流动层之间流动和补缩引起的内应力越大,反之,流动距离越短,从浇口到制件流动末端的流动时间越短,充模时冻结层厚度减薄,内应力降低,翘曲变形也会因此大为减少。

(2)冷却系统的设计

在注射过程中,塑件冷却速度的不均匀也将形成塑件收缩的不均匀,这种收缩差别导致产生弯曲力矩,使塑件发生翘曲。例如在注射成型平板形汽车塑件如保险杠时所用的模具型腔、型芯的温度相差过大,由于贴近冷模腔面的熔体很快冷却下来,而贴近热模腔面的料层则会继续收缩,收缩的不均匀将使塑件翘曲。因此,注塑模的冷却应当注

意型腔、型芯的温度趋于平衡,两者的温差不能太大。除了考虑塑件内外表面的温度趋于平衡外,还应考虑塑件各侧的温度一致,即模具冷却时要尽量保持型腔、型芯各处温度均匀一致,使塑件各处的冷却速度均衡,从而使各处的收缩更趋均匀,有效地防止变形的产生。因此,模具上冷却水孔的布置至关重要。在管壁至型腔表面距离确定后,应尽可能使冷却水孔之间的距离小,才能保证型腔壁的温度均匀一致。同时,由于冷却介质的温度随冷却水道长度的增加而上升,使模具的型腔、型芯沿水道产生温差。因此,要求每个冷却回路的水道长度不小于2m。在大型模具中应设置数条冷却回路,一条回路的进口位于另一条回路的出口附近。

(3)顶出系统的设计

顶出系统的设计也直接影响塑件的变形。如果顶出系统布置不平衡,将造成顶出力的不平衡,使塑件变形。因此,在设计顶出系统时应力求与脱模阻力相平衡。另外,顶出杆的截面积不能太小,以防塑件局部受力过大(尤其在脱模温度太高时)而使塑件产生变形。顶杆的布置应尽量靠近脱模阻力大的部位。在不影响塑件质量(包括使用要求、尺寸精度与外观等)的前提下,应尽可能多设顶杆以减少塑件的总体变形。用软质塑料来生产大型深腔薄壁如汽车后备箱的塑件时,由于脱模阻力较大,而材料又较软,如果完全采用单一的机械式顶出方式,将使塑件产生变形,甚至顶穿或产生折叠而造成塑件报废,如改用多元件联合或气(液)压与机械式顶出相结合的方式效果会更好。

4.3调整工艺参数

传统的提高塑料制品质量的方法主要是改进模具设计和采用材料性能较好的树脂。一方面,随着计算机技术在塑料成型领域中的应用,可以很方便地对模具的设计进行分析、改进,以避免代价昂贵的机械失误并缩短生产周期,但是模具设计的改进仍然受到很多的条件制约;另一方面,尽管材料的性能在不断的提高,但不够稳定,难以保证成型加工难度。而且,即使采用最佳的模具设计和最优的材料性能,有时仍然很难获得令人满意的制品。由于成型过程的工艺参数直接决定了熔体在模腔中的流动状态,对制品质量有着最直接最深远的影响,因此找到制件成型的最优工艺条件,对成型过程进行工艺控制,是提高塑料制品质量,减少塑件翘曲变形的有效途径。

对于汽车内饰塑料薄壁件,工艺参数对外壳翘曲变形影响程度由大到小排序为:保压压力、熔体温度、冷却时间、流动充模时间、模具温度、保压时间。影响翘曲的最重要的工艺参数是保压压力,其次是熔体温度和冷却时间。而作为最重要的工艺参数影响因素保压压力对翘曲的影响趋势是:随着保压压力的增加,翘曲变形缓慢地减少,然后又缓慢地增加。而对于熔融温度来说,熔融温度越高,越容易造成体积收缩,总体上熔料温度对体积收缩率的影响不大。熔体温度在260°C左右时,翘曲量最小[15]。过低或过高的熔体温度时翘曲量大。相对于冷却时间,冷却时间越短,产品体积收缩的机会越大。冷却时间越长,翘曲变形的机会越低。

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