基于数值模拟的角窗制品注射压缩成型工艺研究

摘要

注射压缩成型是在普通注射成型技术的基础上发展起来的一种新型的塑料成型加工方法。该成型方法因压缩阶段的引入降低了注射压力和制品的残余应力，特别适用于加工光学性能要求较高的制品。聚碳酸酯(PC)作为一种常用的透明热塑性工程塑料，因其具有优异的抗冲击性以及良好的透光率而被广泛应用于航空航天以及汽车、家电等众多的领域中。采用普通注塑成型聚碳酸酯制品往往容易产生由于残余应力过大导致的制品开裂问题，利用注射压缩成型技术可以很好地解决这些问题。在注射压缩成型过程中，影响制品质量性能的因素很多，如产品结构设计、模具设计、材料的结构性能以及工艺参数的设置等。其中，工艺参数的设置对制品的质量性能的影响较为显著。如果仅仅通过实验不断调整成型工艺参数的设置则需要耗费大量的人力物力并且延迟开发周期，因此借助于数值模拟计术研究工艺参数对制品质量的影响规律具有重要的意义，可以为实际生产提供一定的指导。
　　 本文以聚碳酸酯角窗制品为研究对象，结合数值模拟与试验设计方法研究了注射压缩成型工艺参数对制品质量性能的影响，以期为实际的生产提供指导作用。主要工作内容与结论如下:
　　 (1)首先，利用CAD软件对聚碳酸酯角窗制品进行建模，并在moldflow软件中建立角窗制品的浇注系统和冷却系统的有限元模型并对所建模型进行初步分析。以模内残余应力、翘曲变形量、体积收缩率结果为评价指标对比了注射压缩成型和普通注射成型工艺，结果表明:采用注射压缩成型工艺可以获得翘曲变形量较小，收缩较均匀、残余应力较小的聚碳酸酯角窗制品。
　　 (2)以聚碳酸酯角窗制品脱模后残余应力和翘曲变形总量为质量指标，采用Taguchi正交试验设计方法研究了熔体温度、模具温度、压缩距离、延迟时间等7个工艺参数对两质量指标的影响规律。通过极差分析分别得到两质量指标的最佳工艺参数组合;通过变量分析得到各因素对质量指标的影响度排序。结果表明:工艺参数对两质量指标的影响度排序是相同的，但是各工艺参数对两质量指标的影响程度不同。在所考察的7个工艺参数中，熔体温度、延迟时间、压缩距离对两质量指标的影响较为显著。进一步采用单因素试验的方法研究这三个主要工艺参数对两质量指标的影响规律，结果表明:随着熔体温度的升高，延迟时间的减小以及压缩距离的减小，浇口位置单元处沿厚度方向上的各层残余应力均逐渐降低;翘曲变形随着熔体温度的增加，延迟时间的延长和压缩距离的减小而减少。
　　 (3)在正交试验的基础上，采用部分析因设计法研究了主要工艺参数间的一级交互作用对两质量指标的影响。结果表明:影响两质量指标的交互作用的排序不同，但是延迟时间和压缩距离的一级交互作用均对两质量指标的影响最大。
　　 (4)采用相同的试验设计方法和数据处理方法研究工艺参数对于体积相同同曲率不同的平板制品、角窗制品以及等曲率的1/4球壳三制品的残余应力和翘曲变形量的影响规律。结果表明:所考察的7个工艺参数对三个制品的残余应力以及翘曲变形的影响度不同;其中熔体温度均是影响三制品两质量指标的最主要的工艺参数，并且随着制品曲率的增加，熔体温度对两质量指标的影响度也随之增加;除熔体温度外，延迟时间和压缩距离对三制品两质量指标的影响也较为显著。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 注射压缩成型技术的原理和分类

1．1．1 注射压缩成型分类

1．1．2 注射压缩成型技术的优缺点

1．2 注射压缩成型的物料选择及成型机械

1．2．1 注射压缩成型机械

1．2．2 注射压缩成型模具

1．3 注射压缩成型工艺数值模拟研究现状

1．3．1 注射压缩成型工艺的数值模拟研究

1．3．2 注射压缩成型工艺参数对制品质量的影响研究

1．4 本文的研究内容和意义

2 制品模型建立及初步CAE分析

2．1 制品模型建立及前处理

2．1．1 角窗有限元模型的建立及网格处理

2．1．2 注塑材料及工艺设置

2．2 浇注系统设计

2．3 冷却系统设计

2．3．1 冷却系统的设计原则

2．3．2 冷却系统设计方案

2．4 数值模拟分析及结果

2．5 注射压缩成型与普通注射成型模拟结果对比

2．6 本章小结

3 基于Taguchi试验设计法的PC注射压缩成型工艺优化

3．1 Taguchi试验设计方法简介

3．1．1 正交矩阵

3．1．2 信噪比

3．2 数据处理方法

3．2．1 均值分析

3．2．2 变量分析

3．3 正交试验设计方案

3．3．1 质量指标的选择

3．3．2 工艺参数的选择及水平设置

3．3．3 数据采集方法

3．3．4 模拟结果

3．4 试验结果分析

3．4．1 均值分析

3．4．2 最优工艺参数组合模拟验证

3．4．3 变量分析

3．5 主要工艺参数对制品脱模后残余应力的影响

3．5．1 试验设计

3．5．2 熔体温度对制品残余应力的影响

3．5．3 延迟时间对制品残余应力的影响

3．5．4 压缩距离对制品残余应力的影响

3．6 主要工艺参数对翘曲变形量的影晌

3．6．1 熔体温度对制品翘曲变形的影响

3．6．2 延迟时间对制品翘曲变形的影响

3．6．3 压缩距离对制品翘曲变形的影响

3．7 本章小结

4 工艺参数间交互作用对注射压缩成型制品性能的影响

4．1 工艺参数间的交互作用

4．2 工艺参数交互作用试验方案

4．2．1 部分因子设计方案

4．2．2 试验过程及结果分析

4．3 主要交互作用对两质量指标的影响

4．3．1 延迟时间和压缩距离交互作用对制品残余应力的影响

4．3．2 延迟时间和压缩距离交互作用对制品翘曲变形的影响

4．4 本章小结

5 工艺参数对不同曲率制品的质量性能影响

5．1 三组不同曲率制品的有限元模型建立

5．1．1 平板聚碳酸酯制品建模

5．1．2 等曲率1／4球壳制品建模

5．2 工艺参数对不同曲率制品质量性能的影响

5．2．1 试验设计

5．2．2 残余应力正交试验分析结果

5．2．3 翘曲变形量正交试验分析结果

5．3 熔体温度对三制品两质量指标的影响

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢