快速熱循環(huán)注塑模具及工藝關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、注塑成型是塑料加工中重要的成型方法之一，在家用電器、汽車、電子、航空航天、日用品等國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域都有廣泛的應用。但由于注塑成型過程的復雜性，成型產(chǎn)品表面易產(chǎn)生熔接痕、流痕、浮纖等各種缺陷，既影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，又減弱了產(chǎn)品的力學性能，給產(chǎn)品的正常使用帶來隱患。為提高成型產(chǎn)品表面質(zhì)量，目前生產(chǎn)中主要通過塑料噴涂技術(shù)使其表面質(zhì)量得到提高，但噴涂是對塑料產(chǎn)品的二次加工，既浪費生產(chǎn)原料和能源，增加塑料制品的生產(chǎn)成本，又造成了嚴重的環(huán)境污染，

2、并危害操作人員的身體健康。如何減少注塑產(chǎn)品的成型缺陷，全面提高產(chǎn)品質(zhì)量，取消或減少產(chǎn)品表面噴涂量，是注塑成型加工及模具設計與制造領(lǐng)域的重要研究課題。近年來，為滿足人們對塑料產(chǎn)品的外觀、性能、成本以及環(huán)保等方面的要求，快速熱循環(huán)注塑成型(Rapid Heat Cycle Molding，RHCM)技術(shù)應運而生。利用該技術(shù)能獲得表面無熔接痕、無纖維暴露等表面缺陷的高光澤度塑料產(chǎn)品，顯著提升產(chǎn)品的質(zhì)量。使用該技術(shù)既可以取消污染嚴重且成本昂貴的

3、噴涂工藝，直接降低塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，又滿足了社會的環(huán)保要求，使注塑成型實現(xiàn)真正的綠色化生產(chǎn)。因此，該技術(shù)市場競爭力強大，應用前景十分廣闊。
　　 本文根據(jù)快速熱循環(huán)注塑成型工藝原理，研究了該新型注塑工藝的系統(tǒng)組成，探討了在實際生產(chǎn)中建立穩(wěn)定生產(chǎn)線的原則和要求。通過與常規(guī)注塑工藝進行對比，研究了RHCM產(chǎn)品及其模具結(jié)構(gòu)與常規(guī)注塑產(chǎn)品及其模具結(jié)構(gòu)的異同，建立了RHCM產(chǎn)品和模具設計及模具加工的原則與方法。結(jié)合生產(chǎn)實際，討論了模具溫

4、度對RHCM成型產(chǎn)品質(zhì)量的影響，研究了注塑周期內(nèi)RHCM模具的溫度變化過程。為提高RHCM模具的使用壽命，研究了模具工作過程中的應力應變狀態(tài)，提出了能有效提高模具使用壽命的方法。針對RHCM模具加熱管道優(yōu)化設計理論缺乏，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的現(xiàn)狀，建立了模具加熱管道的優(yōu)化設計模型，實現(xiàn)了模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提高了產(chǎn)品質(zhì)量并保證了生產(chǎn)效率。從RHCM注塑成型工藝特點出發(fā)，開發(fā)了電熱式模具溫度控制系統(tǒng)，建立了快速熱循環(huán)注塑工藝實驗線，利用該實驗線研究

5、了纖維增強聚合物在RHCM注塑工藝下的性能特點，為該工藝的推廣應用提供了技術(shù)指導。
　　 RHCM注塑工藝過程與常規(guī)注塑工藝過程不同，生產(chǎn)中增加了模具的快速加熱與快速冷卻兩個階段。在模具加熱階段，需將模具型腔成型面溫度升高到塑料的熱變形溫度以上，以保證塑料熔體具有良好的充模狀態(tài)；而在冷卻階段，需要使熔體溫度迅速降低到塑料的頂出溫度以下，減少注塑成型周期。根據(jù)該技術(shù)特點，通過與常規(guī)注塑技術(shù)進行比較，分析了RHCM注塑工藝對其產(chǎn)品和

6、模具結(jié)構(gòu)設計的獨特要求，提出了RHCM產(chǎn)品和模具關(guān)鍵部位的設計準則，為生產(chǎn)中產(chǎn)品和模具設計提供了重要的依據(jù)。從模具材料、磨具磨料和拋光方法等方面對模具的拋光技術(shù)進行研究，實現(xiàn)了RHCM模具型腔表面的精密拋光。針對RHCM產(chǎn)品產(chǎn)生翹曲變形和表面縮痕的現(xiàn)象，分析了其產(chǎn)生變形和表面縮痕的機理，研究獲得了注塑工藝參數(shù)對上述兩種缺陷的影響程度，保證了注塑生產(chǎn)的順利進行。根據(jù)以上研究，分析了利用蒸汽加熱和電加熱兩種不同模具加熱方式下的快速熱循環(huán)注塑

7、工藝的系統(tǒng)組成，詳細研究了兩種方式對蒸汽源或加熱棒、冷卻水源、模溫控制系統(tǒng)、工藝監(jiān)控系統(tǒng)和模具結(jié)構(gòu)的要求，并探討了兩種方式在實際生產(chǎn)實施中的關(guān)鍵技術(shù)。
　　 模具溫度對成型塑料產(chǎn)品的質(zhì)量具有至關(guān)重要的作用。結(jié)合實際RHCM注塑工藝的生產(chǎn)流程，詳細研究了模具溫度對RHCM成型產(chǎn)品質(zhì)量的影響。根據(jù)傳熱學的基本理論，研究了RHCM注塑周期內(nèi)模具與加熱系統(tǒng)、塑件、冷卻系統(tǒng)和周圍環(huán)境的熱量傳遞過程，建立了RHCM模具加熱和冷卻階段的溫度場

8、分析模型，研究獲得了模具型腔板在注塑過程中溫度瞬時變化規(guī)律，并討論了加熱管道間距、管道直徑和數(shù)目、管道到型腔壁面距離等因素對蒸汽加熱RHCM模具型腔板的加熱效率和其溫度分布的影響規(guī)律和程度。利用生死單元技術(shù)，模擬了電加熱RHCM注塑周期內(nèi)模具型腔板溫度變化的全過程，對有效控制模具溫度，提高模具設計精度和工藝調(diào)整的準確性提供重要依據(jù)。
　　 生產(chǎn)過程中，由于模具溫度的升高及模板之間的相互約束，模具內(nèi)部不可避免地會產(chǎn)生熱變形和熱應力

9、，同時，工作過程中，模具還要承受合模壓力、注射壓力等各種機械應力的影響，當模具內(nèi)部產(chǎn)生的應力較大時，模具將會產(chǎn)生過量變形，從而影響產(chǎn)品的精度、生產(chǎn)成本及其表面質(zhì)量。隨著生產(chǎn)的連續(xù)進行，模具的變形將會發(fā)生周期性的變化，易造成模具表面產(chǎn)生疲勞裂紋，使模具失效。針對RHCM模具使用壽命較低的問題，根據(jù)型腔板在實際模具中的約束狀態(tài)，建立了模具型腔板的應力分析模型，研究了工作過程中模具型腔板的應力分布及其變形趨勢，并討論了RHCM模具的熱變形和熱

10、疲勞機理及其影響因素，提出了一種帶有“部分冷間隙”的快速熱循環(huán)注塑模具新結(jié)構(gòu)，有效控制了熱應力。通過對不同“冷間隙”下模具型腔板的使用壽命進行評估，給出了實際模具設計及其裝配的合理化建議。
　　 RHCM技術(shù)實施的關(guān)鍵是在注塑周期中，能夠使模具型腔快速加熱和冷卻到預定的溫度，若加熱后，模具型腔表面溫度較低或溫度分布不均，既會影響制品的表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率，又會導致生產(chǎn)的制品產(chǎn)生翹曲變形現(xiàn)象。為獲得高品質(zhì)的RHCM產(chǎn)品并保證生產(chǎn)效率

11、，特別要求加熱時RHCM模具型腔成型面能在盡量短的時間內(nèi)達到工藝要求的溫度，并具有良好的溫度分布均勻性。通常情況下，RHCM模具型腔板內(nèi)部存在較多的加熱管道，加熱管道的布局對模具型腔板的加熱效率和其成型面溫度的均勻性具有十分重要的作用，合理的加熱管道設計既能保證產(chǎn)品的生產(chǎn)效率又能保證成型產(chǎn)品的質(zhì)量。針對目前RHCM模具加熱管道設計較為盲目的現(xiàn)狀，本文提出了將有限元模擬技術(shù)和現(xiàn)代智能算法有效集成，以此實現(xiàn)RHCM模具加熱管道優(yōu)化設計的策略

12、。以大型液晶平板電視機面板的蒸汽加熱RHCM注塑模具為例，研究了影響其模具型腔成型面溫度分布的主要因素。對平面型電視機面板結(jié)構(gòu)，以模具型腔成型面的溫度分布均勻性為目標函數(shù)，以加熱管道之間的間距為設計變量，建立了模具內(nèi)部加熱管道布局的優(yōu)化設計模型，利用響應面近似模型和遺傳算法，優(yōu)化了平面型電視機面板RHCM模具加熱管道的布局。對弧面型電視機結(jié)構(gòu)，以加熱管道的中心坐標位置作為設計變量，以模具的加熱效率和型腔成型面的溫度分布均勻性作為目標函數(shù)

13、，建立了其內(nèi)部加熱管道布局的多目標優(yōu)化設計模型。通過集成CAD模型建立、有限元計算和基于Pareto的遺傳算法，實現(xiàn)了弧面型液晶電視機面板的RHCM模具加熱管道布局的優(yōu)化設計。
　　 纖維增強注塑產(chǎn)品由于比普通注塑產(chǎn)品具有更優(yōu)良的機械性能和熱性能，其使用價值越來越受到人們的重視?？焖贌嵫h(huán)注塑工藝能夠消除纖維增強產(chǎn)品表面的浮纖現(xiàn)象，提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量，因此能擴大纖維增強注塑產(chǎn)品的使用范圍。為研究纖維增強注塑產(chǎn)品在RHCM注塑工藝

14、下的性能特點，本文首先利用所建立的多目標優(yōu)化設計體系對所設計的電加熱RHCM模具的加熱棒布局進行了優(yōu)化。然后，根據(jù)電加熱方式RHCM注塑工藝原理，開發(fā)了與之匹配的模溫控制系統(tǒng)，建立了快速熱循環(huán)注塑工藝實驗線。以纖維增強ABS為例，通過對注塑得到的標準試樣進行力學性能測試，研究了纖維增強聚合物在RHCM注塑工藝下的沖擊和拉伸強度隨模具溫度的變化關(guān)系。同時，揭示了纖維增強聚合物熔接痕形成機理及其特點，研究了其表面熔接痕形貌隨成型時模具溫度變

15、化的規(guī)律。通過對纖維增強聚合物表面浮纖現(xiàn)象的分析，研究了注塑制品表面質(zhì)量及其粗糙度與模具溫度的對應關(guān)系。
　　 快速熱循環(huán)注塑技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型技術(shù)，已成為聚合物加工領(lǐng)域的重要成型方法，研究快速熱循環(huán)注塑工藝的成型機理，推廣快速熱循環(huán)注塑工藝的使用范圍是當前該工藝面臨的重要的問題。本文針對該工藝及其模具技術(shù)所做的系列研究，對提高快速熱循環(huán)注塑產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有較大的工程應用價值，針對該工藝所建立的實驗線以及研究獲