快速热循环注塑模具及工艺关键技术研究

摘要

注塑成型是塑料加工中重要的成型方法之一，在家用电器、汽车、电子、航空航天、日用品等国民经济的各个领域都有广泛的应用。但由于注塑成型过程的复杂性，成型产品表面易产生熔接痕、流痕、浮纤等各种缺陷，既影响产品的外观质量，又减弱了产品的力学性能，给产品的正常使用带来隐患。为提高成型产品表面质量，目前生产中主要通过塑料喷涂技术使其表面质量得到提高，但喷涂是对塑料产品的二次加工，既浪费生产原料和能源，增加塑料制品的生产成本，又造成了严重的环境污染，并危害操作人员的身体健康。如何减少注塑产品的成型缺陷，全面提高产品质量，取消或减少产品表面喷涂量，是注塑成型加工及模具设计与制造领域的重要研究课题。近年来，为满足人们对塑料产品的外观、性能、成本以及环保等方面的要求，快速热循环注塑成型(Rapid Heat Cycle Molding，RHCM)技术应运而生。利用该技术能获得表面无熔接痕、无纤维暴露等表面缺陷的高光泽度塑料产品，显著提升产品的质量。使用该技术既可以取消污染严重且成本昂贵的喷涂工艺，直接降低塑料产品的生产成本，又满足了社会的环保要求，使注塑成型实现真正的绿色化生产。因此，该技术市场竞争力强大，应用前景十分广阔。
　　 本文根据快速热循环注塑成型工艺原理，研究了该新型注塑工艺的系统组成，探讨了在实际生产中建立稳定生产线的原则和要求。通过与常规注塑工艺进行对比，研究了RHCM产品及其模具结构与常规注塑产品及其模具结构的异同，建立了RHCM产品和模具设计及模具加工的原则与方法。结合生产实际，讨论了模具温度对RHCM成型产品质量的影响，研究了注塑周期内RHCM模具的温度变化过程。为提高RHCM模具的使用寿命，研究了模具工作过程中的应力应变状态，提出了能有效提高模具使用寿命的方法。针对RHCM模具加热管道优化设计理论缺乏，产品质量不稳定的现状，建立了模具加热管道的优化设计模型，实现了模具结构的优化，提高了产品质量并保证了生产效率。从RHCM注塑成型工艺特点出发，开发了电热式模具温度控制系统，建立了快速热循环注塑工艺实验线，利用该实验线研究了纤维增强聚合物在RHCM注塑工艺下的性能特点，为该工艺的推广应用提供了技术指导。
　　 RHCM注塑工艺过程与常规注塑工艺过程不同，生产中增加了模具的快速加热与快速冷却两个阶段。在模具加热阶段，需将模具型腔成型面温度升高到塑料的热变形温度以上，以保证塑料熔体具有良好的充模状态；而在冷却阶段，需要使熔体温度迅速降低到塑料的顶出温度以下，减少注塑成型周期。根据该技术特点，通过与常规注塑技术进行比较，分析了RHCM注塑工艺对其产品和模具结构设计的独特要求，提出了RHCM产品和模具关键部位的设计准则，为生产中产品和模具设计提供了重要的依据。从模具材料、磨具磨料和抛光方法等方面对模具的抛光技术进行研究，实现了RHCM模具型腔表面的精密抛光。针对RHCM产品产生翘曲变形和表面缩痕的现象，分析了其产生变形和表面缩痕的机理，研究获得了注塑工艺参数对上述两种缺陷的影响程度，保证了注塑生产的顺利进行。根据以上研究，分析了利用蒸汽加热和电加热两种不同模具加热方式下的快速热循环注塑工艺的系统组成，详细研究了两种方式对蒸汽源或加热棒、冷却水源、模温控制系统、工艺监控系统和模具结构的要求，并探讨了两种方式在实际生产实施中的关键技术。
　　 模具温度对成型塑料产品的质量具有至关重要的作用。结合实际RHCM注塑工艺的生产流程，详细研究了模具温度对RHCM成型产品质量的影响。根据传热学的基本理论，研究了RHCM注塑周期内模具与加热系统、塑件、冷却系统和周围环境的热量传递过程，建立了RHCM模具加热和冷却阶段的温度场分析模型，研究获得了模具型腔板在注塑过程中温度瞬时变化规律，并讨论了加热管道间距、管道直径和数目、管道到型腔壁面距离等因素对蒸汽加热RHCM模具型腔板的加热效率和其温度分布的影响规律和程度。利用生死单元技术，模拟了电加热RHCM注塑周期内模具型腔板温度变化的全过程，对有效控制模具温度，提高模具设计精度和工艺调整的准确性提供重要依据。
　　 生产过程中，由于模具温度的升高及模板之间的相互约束，模具内部不可避免地会产生热变形和热应力，同时，工作过程中，模具还要承受合模压力、注射压力等各种机械应力的影响，当模具内部产生的应力较大时，模具将会产生过量变形，从而影响产品的精度、生产成本及其表面质量。随着生产的连续进行，模具的变形将会发生周期性的变化，易造成模具表面产生疲劳裂纹，使模具失效。针对RHCM模具使用寿命较低的问题，根据型腔板在实际模具中的约束状态，建立了模具型腔板的应力分析模型，研究了工作过程中模具型腔板的应力分布及其变形趋势，并讨论了RHCM模具的热变形和热疲劳机理及其影响因素，提出了一种带有“部分冷间隙”的快速热循环注塑模具新结构，有效控制了热应力。通过对不同“冷间隙”下模具型腔板的使用寿命进行评估，给出了实际模具设计及其装配的合理化建议。
　　 RHCM技术实施的关键是在注塑周期中，能够使模具型腔快速加热和冷却到预定的温度，若加热后，模具型腔表面温度较低或温度分布不均，既会影响制品的表面质量和生产效率，又会导致生产的制品产生翘曲变形现象。为获得高品质的RHCM产品并保证生产效率，特别要求加热时RHCM模具型腔成型面能在尽量短的时间内达到工艺要求的温度，并具有良好的温度分布均匀性。通常情况下，RHCM模具型腔板内部存在较多的加热管道，加热管道的布局对模具型腔板的加热效率和其成型面温度的均匀性具有十分重要的作用，合理的加热管道设计既能保证产品的生产效率又能保证成型产品的质量。针对目前RHCM模具加热管道设计较为盲目的现状，本文提出了将有限元模拟技术和现代智能算法有效集成，以此实现RHCM模具加热管道优化设计的策略。以大型液晶平板电视机面板的蒸汽加热RHCM注塑模具为例，研究了影响其模具型腔成型面温度分布的主要因素。对平面型电视机面板结构，以模具型腔成型面的温度分布均匀性为目标函数，以加热管道之间的间距为设计变量，建立了模具内部加热管道布局的优化设计模型，利用响应面近似模型和遗传算法，优化了平面型电视机面板RHCM模具加热管道的布局。对弧面型电视机结构，以加热管道的中心坐标位置作为设计变量，以模具的加热效率和型腔成型面的温度分布均匀性作为目标函数，建立了其内部加热管道布局的多目标优化设计模型。通过集成CAD模型建立、有限元计算和基于Pareto的遗传算法，实现了弧面型液晶电视机面板的RHCM模具加热管道布局的优化设计。
　　 纤维增强注塑产品由于比普通注塑产品具有更优良的机械性能和热性能，其使用价值越来越受到人们的重视。快速热循环注塑工艺能够消除纤维增强产品表面的浮纤现象，提高产品的表面质量，因此能扩大纤维增强注塑产品的使用范围。为研究纤维增强注塑产品在RHCM注塑工艺下的性能特点，本文首先利用所建立的多目标优化设计体系对所设计的电加热RHCM模具的加热棒布局进行了优化。然后，根据电加热方式RHCM注塑工艺原理，开发了与之匹配的模温控制系统，建立了快速热循环注塑工艺实验线。以纤维增强ABS为例，通过对注塑得到的标准试样进行力学性能测试，研究了纤维增强聚合物在RHCM注塑工艺下的冲击和拉伸强度随模具温度的变化关系。同时，揭示了纤维增强聚合物熔接痕形成机理及其特点，研究了其表面熔接痕形貌随成型时模具温度变化的规律。通过对纤维增强聚合物表面浮纤现象的分析，研究了注塑制品表面质量及其粗糙度与模具温度的对应关系。
　　 快速热循环注塑技术是近年来发展起来的一种新型技术，已成为聚合物加工领域的重要成型方法，研究快速热循环注塑工艺的成型机理，推广快速热循环注塑工艺的使用范围是当前该工艺面临的重要的问题。本文针对该工艺及其模具技术所做的系列研究，对提高快速热循环注塑产品质量和生产效率具有较大的工程应用价值，针对该工艺所建立的实验线以及研究获得的纤维增强聚合物在RHCM注塑工艺下的性能特点对于扩大该工艺的使用范围具有重要的指导作用。

目录

文摘

英文文摘

TABLE OF CONTENTS

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 注塑成型工艺及模具技术研究现状

1.2.1 现代注塑成型技术及其发展现状

1.2.2 注塑CAD、CAM、CAE技术及其研究现状

1.2.3 注塑模优化设计技术

1.2.4 注塑产品主要缺陷及解决策略

1.3 快速热循环注塑技术发展与研究现状

1.4 快热循环技术工艺原理、特点及存在问题

1.4.1 快速热循环注塑工艺原理

1.4.2 快速热循环注塑工艺技术特点

1.4.3 快速热循环注塑技术研究存在问题

1.5 本文的主要研究内容

第二章 快速热循环注塑成型关键技术研究

2.1 引言

2.2 快速热循环产品结构关键部位设计

2.3 快速热循环模具关键部位设计研究

2.3.1 快速热循环模具结构设计

2.3.2 快速热循环模具变温系统设计

2.4 快速热循环模具抛光技术研究

2.4.1 模具材料选择

2.4.2 模具型腔高精度抛光技术研究

2.5 快速热循环注塑产品质量控制研究

2.5.1 快速热循环产品翘曲变形及其缩痕机理分析

2.5.2 工艺参数对快速热循环产品翘曲变形和表面缩痕的影响

2.6 快速热循环注塑生产线构建关键技术研究

2.7 本章小结

第三章 快速热循环注塑模具温度场有限元模拟

3.1 引言

3.2 注塑模具热传导过程基本理论

3.2.1 热传递的基本理论

3.2.2 温度场的初始条件和边界条件

3.2.3 温度场的有限元求解方法

3.3 快速热循环注塑模具热传导分析

3.3.1 模具温度对快速热循环塑件成型过程的影响

3.3.2 快速热循环模具热交换分析

3.4 快速热循环注塑模具结构

3.5 蒸汽加热快速热循环模具温度场研究

3.5.1 加热、冷却分析模型

3.5.2 温度场有限元模拟参数

3.5.3 注塑过程模具温度场数值模拟

3.6 电加热快速热循环模具温度场研究

3.6.1 模具瞬态传热分析及模型建立

3.6.2 模具温度场模拟关键技术研究

3.6.3 温度场模拟及结果讨论

3.7 本章小结

第四章 快速热循环注塑模具热变形与热疲劳研究

4.1 引言

4.2 快速热循环模具疲劳寿命分析

4.3 快速热循环模具热变形及热应力研究

4.3.1 热变形、热应力基本理论

4.3.2 蒸汽加热快速热循环模具热变形及热应力计算

4.3.3 蒸汽加热快速热循环模具热变形数值模拟

4.3.4“冷间隙"方式快速热循环注塑模具结构

4.3.5 带有“部分冷间隙”的快速热循环注塑模具热变形数值模拟

4.4 快速热循环模具疲劳寿命预测

4.4.1 疲劳寿命理论及分析

4.4.2 模具疲劳寿命评估

4.5 本章小结

第五章 基于智能算法的快速热循环模具加热管道优化设计

5.1 引言

5.2 遗传算法实现技术

5.3 液晶电视机面板结构及其模具加热管道设计

5.4 平面型电视机面板快速热循环模具加热管道优化设计

5.4.1 拉丁方实验设计方法

5.4.2 优化模型构建

5.4.3 优化体系建立

5.4.4 优化结果讨论

5.5 弧面型电视机面板模具加热管道多目标优化设计

5.5.1 弧面型液晶电视机面板快速热循环模具多目标优化模型

5.5.2 多目标优化算法

5.5.3 优化过程实现及结果分析

5.5.4 有限元验证

5.6 工程应用

5.7 本章小结

第六章 纤维增强热塑性塑料快速热循环注塑工艺研究

6.1 引言

6.2 电热式快速热循环注塑模具电热棒布局及优化设计

6.3 纤维增强快速热循环注塑工艺实验线组成

6.4 纤维增强塑料快速热循环注塑工艺研究

6.4.1 注塑成型过程中纤维取向

6.4.2 纤维增强ABS性能特点

6.4.3 纤维增强聚合物快速热循环注塑实验

6.4.4 纤维增强塑料力学性能研究

6.4.5 纤维增强塑件表面形貌研究

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间完成的主要学术成果

攻读博士期间参与的科研项目

外文论文

学位论文评阅及答辩情况表