毕业设计开题报告机械设计制造及自动化可视化注塑模具设计一、前言1.1工程背景人类社会的进步与材料的使用密切相关。
其中塑料是20世纪才发展起来的一类新型材料,是高分子材料中最大的一类,由于塑料具有品种多、性能各具特色、适应性广等优点,而且生产塑料所消耗的能量低,因此塑料工业的发展保持着旺盛的势头。
目前,注塑成型技术己经广泛的应用到了塑料制品的生产中[1],其中占很大比例的塑料制品是采用此项技术制成的。
虽然注塑成型技术已经是一项比较成熟的技术,但是随着注塑制品在家电、汽车等高科技领域的应用,对制品的质量、性能及产品更新换代提出了更高的要求。
但是高质量高精度高灵敏度的严格要求成为阻止塑料制品快速进入这些高尖领域的限制和束缚,如何提高注塑制品质量和性能成为该领域的重要研究课题。
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工艺窗口内,从而确保最终制件质量达到最优[2]。
高分子材料的成型方法主要有挤出成型、注塑成型、吹塑成型、压延成型、压制成型等,其中,注塑成型因可以生产和制造形状较为复杂的制品、易于与计算机技术结合、易于实现自动化生产等优点,在高分子材料的成型加工中占有极其重要的位置[3]。
注塑成型可以一次成型结构复杂的制品,应用很广[4],但由于材料、成型工艺、模具设计、制品设计及设备等各方面的影响,注塑制品常会出现各种表观缺陷,如:填充不足、凹陷与缩痕、变色与暗纹、熔接痕、银丝与剥层、乱流纹与喷射痕、无光泽与光泽不均匀、翘曲变形、表面划伤与龟裂等[5]。
1.2可视化技术概述可视化技术,是指对于高分子材料的实际成型过程,由固体到熔融态、混炼和分散举动、熔体冷却成型等全过程都可直接观察的一项研究方法。
可视化方法是研究高分子材料加工成型过程的重要手段。
近20年来它与CAE相辅相成,推动着高分子材料加工成型科学与技术的快速发展。
可视化方法对于发现加工成型过程中的某些未知现象,揭示成型缺陷的产生机理等方面有着不可替代的重要作用。
当前对于注射成型过程的研究主要采取CAE模拟的方法,通过计算机模拟整个注射过程并预测注射结果。
但是由于数值模拟过程中对于物理、热学或其他性质的简化使得相关研究结果同实际结果存在一定的出入,而且有些充模成型规律在当前的CAE模拟软件中还没有体现,只有通过其他研究手段才能够得到验证,如利用可视化技术进行研究的注射充模的充填平衡问题和喷射问题。
在充分发挥CAE数值模拟软件功能的基础上,对注射充模过程辅以可视化实验研究是很有意义的。
通过可视化技术可以直接观察模腔内树脂流动过程,验证CAE数值模拟结果,同时还能够明确各种注射成型缺陷的产生过程[6]。
1.3课题研究的意义注塑制品的成型是一个非常复杂的多因素共同作用的动态过程[7]。
在注塑成型过程中,由于成型条件、成型模具、注射机、辅助设备及成型环境等多种因素的影响,塑料制品会产生各种缺陷,使制品难以达到外观和尺寸精度的要求,甚至引起制品的物理机械性能的下降。
对于注射成型过程的研究可以采取CAE模拟的方法,通过计算机模拟整个注射过程并预测注射结果。
但是计算机模拟要想做到同真实的注射充模过程完全一致是很困难的,而且有些充模成型规律在当前的CAE模拟软件中还没有体现,只有通过其他研究手段才能够得到验证,如利用可视化技术进行研究注射充模的充填平衡问题。
在充分发挥CAE数值模拟软件功能的基础上,对注射充模过程辅以可视化实验研究是很有意义的。
注射充模的熔体流变情况决定着制品的微观和宏观结构(取向、结晶,熔合均匀性等),这些又直接影响制品的物理机械性能[8~13],因此,研究塑料充模流动问题有着重要的实践和理论意义。
对注塑成型过程运用可视化方法尤其是动态可视化方法,可以发现加工成型过程中的某些未知现象,揭示成型缺陷的产生机理等,正是因为可视化技术在注塑成型过程中发挥的这些重要的作用,近年来受到国际学术界的高度重视。
在可视化技术尚未出现之前,人们对模具内物料的流动情况一无所知。
只能凭经验和简单的公式来推测其流动情况。
现在有了可视化实验装置,我们就可以直观的观察注射成型的充模过程,发现缺陷的产生机理。
有了可视化实验研究条件,这些缺陷产生的机理便可以得到破解,从而找到避免缺陷产生的最佳方法,同时还可能发现注射成型过程中的某些未知现象。
在本课题中,通过设计制造一套经济适用的很好的用于可视化实验的注塑模具,为注射成型过程的可视化实验研究奠定了基础。
二、主题2.1可视化发展背景可视化方法最早用于注射成型是1951年Gilmore和Spencer提出的“透明模具”。
但是他们提出的可视化研究方案与注射成型加工实际情况差别较大;1987年北京化工大学王兴天教授研制了一副能够实时观察而且能够比较真实地表现注射充模过程的可视化模具。
当时,北京化工大学对在螺杆挤出塑化过程的可视化研究成果引起了国内外学术和工业届的极大关注,而对于注射充模成型的可视化研究还未引起重视,使得这项工作没能顺利进展。
1989年,日本东京大学横井秀俊教授从早期的高分子材料振动塑化成型研究转人注射成型可视化研究领域,顺应了当时日本现代制造业先进成型加工技术发展的潮流,他的研究得到了包括日精、FANAC、宇部兴产、东芝、丰田、日立、松下等数十家注塑机生产企业和特大型应用企业的大力支持,取得了丰富的成果并且培养了一大批优秀人才,有力地推动了日本高分子制品现代制造技术的进步[14]。
国内外研究人员在将可视化技术应用到注射成型研究中开展了大量的工作。
东京工业大学的LouisTredoux, Isao Satoh等人利用可视化技术首次对注射成型流痕缺陷的产生过程进行了研究,得到了流痕是由于紧接触线后方的正在固化的区域的不均匀热收缩引起的结论。
土耳其Gazi大学的A.Ozdemir, O.Uluer, A.Guldas等人利用可视化模具结合CAE模拟软件对热塑性材料H DPE和 PP注射充填流动行为进行研究,并研制用于自动记录可视化图像的软件,并对CAE模拟分析和可视化实验结果作了比较。
台湾长庚大学的Shih-Jung Liu等人利用可视化模具对水辅和气辅注射成型进行研究,对比了两种成型方式下动态可视化结果,研究发现水辅助成型相对于气体辅助成型更能得到壁厚均匀的成型结果[15]。
大连理工大学的张强等人总结、借鉴前人研究成果的基础上,设计了一副注射成型用可视化模具,利用Moldflow分析选择合适的工艺成型参数,并应用Ansys软件对关键部位前、后石英玻璃板进行了静力学和动力学结构分析[7]。
目前国外在将可视化技术应用到注射成型研究的工作中已经取得了一些比较成功的经验,而国内将可视化技术应用在注射充模过程的研究才刚刚起步,因此在这一领域具有巨大的研究潜力。
同时,可视化技术与CAE模拟技术的有机结合也将成为注射成型过程研究的一种重要手段[16]。
2.2注射成型可视化技术原理注射成型可视化技术主要有静态和动态两类。
静态可视化是在注射前对物料进行处理,成型以后再分析制品,目前可利用双料筒注塑机进行双色切换注射方式和单料筒注塑机脉冲着磁显影方式;动态可视化技术是利用高速摄影机直接拍摄模具内熔体流动,通过专门设计的可视化模具,使光线能够进人到模具型腔中,再通过高速摄影机拍摄熔体充模过程影像。
动态可视化技术改进了静态可视化技术只能通过加工前对材料的处理来追踪加工后物料去处的弊端,并使得对物料加工过程的观察从传统意义上的静态化、过程不可知化转变成了动态可视化技术中的可记录化、过程可知化。
通过实时观察整个注射充模过程可以在一定程度上验证以往的实际加工经验是否和真实情况相符合,同时,还能通过对真实充模过程的观察验证各种模拟软件如Mo1dFlow,Moldex3D等对树脂流动情况模拟的可靠性以及评估模拟中所采用的模型的合理性。
注射成型可视化技术的核心部件是注射成型可视化模具。
已有的可视化注射模主要分为以透射光方式观察与以反射光方式观察两大类[17]。
(1)以透射光方式观察的可视化模具。
以透射光方式观察的可视化模具如图1所示,型腔的上、下表面都设置透明玻璃窗口。
图1中,定模侧与动模侧都设置了石英棱镜窗口,照明装置与图像采集装置将分别位于型腔的上、下两侧。
当观察窗口采用石英棱镜时,可视化注塑模具的加工难度与制造成本都将大幅度提高,因为在塑料熔体的高压冲击下石英玻璃窗口容易发生碎裂,所以难以避免多次更换石英玻璃窗口的问题。
该模具只适于小尺寸的观察窗口。
(2)以反射光方式观察的可视化模具。
可视化注射模多用来观察注射成型的充模过程,因此多采用只需要型腔一侧为透明玻璃窗口的反射光观察方式。
如图2为日本东京大学产学共同研究所设计的一副以反射光方式观察的可视化模具。
光线通过石英棱镜进人型腔观察窗口,照亮型腔。
照射光线经塑料熔体与金属模腔反射后返回,被摄像装置收集,形成型腔区域内充填情况的图像。
图2的可视化模具采用了梯形剖面的玻璃作为观察视窗,形状比较复杂;且玻璃各接触面尺寸精度要求很高,从而使玻璃的加工难度大大增加。
同时模具一侧的观察孔尺寸较小,限制了观察区域的大小。
可视化技术在最近10年间取得了很大的进步,在塑料成型加工中作为最常用的实验解析方法得到了广泛认同。
根据应用目的不同可将可视化技术细分为两大类,分别是以验证CAE模拟结果为目的和以明确未知成型现象为目的。
前者是以基本的模型实验为研究对象,可视化技术应用的关键在于各种测量技术的应用,如速度分布、应力分布、温度分布等的测量。
后者主要用于如何再现成型缺陷的形成过程,并对一些已知现象进行定性、定量的分析。
通常是对现阶段CAE软件中还无法模拟的现象进行可视化实验分析。
在今后的可视化研究中,随着实验要求的逐步提高,可视化装置将不断地更新与完善。
2.3国内外注塑成型过程可视化实验研究的概况及发展趋势可视化方法是研究高分子材料加工成型过程的重要手段。
近20年来它与CAE相辅相成,推动着高分子材料加工成型科学与技术的快速发展。
可视化方法对于发现加工成型过程中的某些未知现象,揭示成型缺陷的产生机理等方面有着不可替代的重要作用,也越来越受到学术界的高度重视。
在可视化技术尚未出现之前,人们对模具内熔料的流动凭借现有的经验和简单的公式来推测其流动情况。
现在有了可视化实验装置,我们可以直观的观察注射成型的充模过程,逐步发现缺陷的产生机理。
同时通过可视化实验,可以更深入的理解这些塑料制品缺陷产生的机理,从而找到避免缺陷产生的最佳方法,同时还可能发现注射成型过程中的某些未知现象[18]。