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1、. . .基于DOE法的注塑成型工艺仿真优化毕业论文目录1.1 引言11.2 注塑成型工艺过程简介11.3注塑成型工艺的发展趋势21.4 注塑成型工艺优化国外研究概况41.5本文主要工作容及其意义62. 注塑成型工艺参数影响性分析82.1 压力参数分析82.1.1注塑压力82.1.2保压压力82.1.3 塑化压力（背压）82.2 温度参数分析92.2.1模具温度92.2.2熔体温度92.3时间参数分析92.3.1注射时间92.3.2保压时间102.4注射速度分析103. 基于DOE法的注塑成型仿真优化113.1软件Moldflow以及正交实验助手的介绍123.1.1 moldflow软件简介1
2、23.1.2 正交实验助手介绍123.2材料的选取及模型的导入143.3本次实验设计法的分析理论依据173.3.1.实验基本参数取值围的确定及输入173.3.2.正交表的设置及数据生成183.3.3实验分析类型以及结果的选取193.4实验设计法的仿真优化过程223.4.1 Moldflow与正交表的数据结合分析223.4.2实验数据的反馈与整合284. 模具设计314.1塑件用途及其性能要求314.2注射量的计算314.3锁模力的计算314.4注塑机的选择及参数324.5 分型面的确定334.6 浇注系统的设计334.7 成型零部件的设计与计算374.8 推出机构设计384.9标准模架的选取3
3、84.10 开模行程的校核394.11 推出脱模机构设计404.12合模导向机构的设计414.13 排气系统与冷却系统的设计435. 结论445.1设计的总结与创新点：445.2论文所存在的问题及其解决方案：44谢 辞45参考文献：46.参考资料. . .1. 绪论1.1 引言随着科学技术水平的不断提高以及加工方法的改进，塑料这一20世纪才发展起来的新材料已经在我们的日常生活中占据了重要的地位，成为国民经济中不可缺少的一部分。塑料成型技术是指把粉、粒料或液状树脂及添加剂等原料加工成具有一定使用价值的制品的一种技术。塑料制品性能的优劣及规格多少与成型技术密不可分。注射成型又称注射模塑或注塑，是塑
4、料加工中重要的成型方法之一，其技术已发展的相当成熟，且应用非常普遍，注塑制品已占领塑料制品总量的30%以上，在国民经济的许多领域有着广泛的应用。1.2 注塑成型工艺过程简介注塑成型加工过程是一个循环的周期过程，一般包括三个阶段，即注射阶段、保压及压实阶段、固化及冷却阶段。注塑成型过程如图1-1所示。图1-1 注塑成型过程注塑成型加工过程从聚合物颗粒通过料斗进入螺杆开始。首先聚合物颗粒在转动螺杆的输送作用下不断沿螺槽方向向前运动，同时转动的螺杆把机械能转化为热能，使聚合物颗粒得到软化和熔解。聚合物材料在螺杆剪切热与料筒外部热源的作用下很快塑化并熔融，转变成粘流体并存贮在料筒前端的区域(即存料区)
5、。与此同时，存料区中的熔体具有一定的压力，当熔体压力大于螺杆后退所要克服的阻力时，螺杆开始一边转动一边向后移动。直到螺杆碰到行程开关为止。这一整个过程称为塑化过程。此后有一螺杆的静止阶段，然后随着螺杆向前运动，熔化的物料通过喷嘴一模具浇道一成型模腔系统的通道，将螺杆头部的塑料熔体注入模具型腔中。这一过程称为注射过程。在注射过程中，塑料熔体轴向移动是由螺杆注射速度控制的。注射一结束，由于熔体和模具的热传导，型腔的熔体开始固化。由于固化和冷却的作用，制品会发生收缩，因此为了补充收缩必须在一定的压力作用下，补充物料，这一过程称为压实一保压过程。在这一阶段，螺杆移动很慢，压力可以进行变化控制。通过一些
6、冷却介质(通常是冷却水)的流通，热量连续的从模具中通过模具的钻孔散出，最终制件得到固化。这就是冷却过程。在冷却过程中，在螺杆同时发生了塑化过程。最后，通过一个排出装置把制件从模具中分离出来(或用手动的方法)。这时，一个循环过程结束，一个新的循环过程又开始了。从注塑成型加工的周期过程中，可以看到，螺杆在塑化和注射时，均要发生轴向位移，同时螺杆又处于时转时停的间歇式工作状态，因此形成了螺杆塑化过程的非稳定性。螺杆在不同阶段的运动如图1-2所示。图1-2 往复式螺杆的动作顺序A）注射、压实及保压阶段：螺杆轴向向前移动；B）塑化阶段：螺杆一边转动一边后退；C）停留阶段：螺杆处于静止状态1.3注塑成型工
7、艺的发展趋势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。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。注塑成型是一个多变量的过程，在注塑成型过程中，影响制品质量的因素可以分为四类:机器参数、材料参数、工艺参数和扰动。其中机器参数同注塑成型机直接相关用以表征机器的机械特征，它包括:料筒温度、喷嘴温度、液压系统背压、螺杆旋转速度、模具温度及注塑机和模具的几何特征等。材料参数为注塑材料的一些典型特征，一般由材料供应商提供，包括材料的流变性能、热物理性能(包括密度、分子组成、分
8、子量、比热和热传导率等等)。工艺参数反映了成型过程中材料的状态，受机器参数、材料参数的影响，注塑成型过程中的典型工艺参数有:熔体温度、熔体压力及它们在型腔中的分布、熔体注射速率、模具的热流分布等等。当然，这些参数虽然被划分在不同的围，但是相互之间有着密切关系，互相产生影响。机器参数、材料参数决定了工艺参数。对工艺参数的要求，直接影响到机器参数、材料参数的选取，从而确定出相应的注塑机和对应材料。由于复杂的动态工艺及材料特性，使得注塑技术难以预测及控制制件的质量。因此，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。注塑成型是复杂的多变量、非线性且具有周期性的非稳态过程。成型过程中聚合物在型腔
9、中的状态如压力、温度、形态等直接决定了制品的质量，因此如何实现机器设置参数和熔体状态参数之间的闭环控制成为注塑成型技术的研究热点，该技术的实现将会提高制品质量。状态变量为机器输入和最终制品质量属性的中间变量，实现注塑成型的精确控制的最大困难在于机器输入和状态变量之间的关系模型与状态变量和制品质量属性之间的关系模型未知。温度和压力为两个主要状态变量，目前的状态变量监控研究主要集中在温度和压力的监控上，也有关于熔体豁度的监控。初期的状态控制主要针对单个变量，选用对整个成型周期或对某个阶段影响最大的工艺参数，例如熔体温度或型腔压力，或者针对某个特定目标选择单个工艺参数作为控制变量，而不考虑工艺参数之
10、间的相互影响。注塑成型过程中各个工艺参数之间的影响程度相当大，控制单一变量很容易使对整个成型过程的控制失去平衡。研究者们逐渐将研究重点放在了多变量的控制方法上，同时选用对某个阶段或整个成型周期影响较大的几个参数，并尽可能的考虑到所选控制变量之间的相互影响。注塑成型控制总体结构如图1-3，整个控制系统包括了三层控制。环提供对机器参数的控制，如料筒温度、背压、螺杆转速、模具温度等，环控制一般由机器供应商提供;中间环包括对重要过程参数的闭环控制，由于注塑过程具有时变、非线性、模型结构不确定等特性，因此给注塑过程控制带来一定的困难，但通过引入自适应控制、预测控制和智能控制等控制方法，近年来的研究己基本
11、解决了这方面的问题。外环则提供对注塑件的质量控制，在该层次的控制中，通过上一周期制品质量反馈，调节机器设置以便下个成型周期获得更好的制品质量。图1-3 注塑成型控制系统总图质量控制的主要困难有两方面，其一质量的在线检测存在很大的困难，因为判断制品质量(如检查表面质量和测量尺寸等)需要很长时间，而在线测量需要在短时间快速判断制品质量。其二注塑过程条件和质量之间的关系复杂，没有现成的工艺模型。1.4 注塑成型工艺优化国外研究概况近几年，将优化算法与数值模拟结合自动优化模具设计的研究得到普遍重视。在工艺设置和调节方面，目前仅限于应用以E分析代替试模来反复验证工艺设置是否合适，这种方法只能使工艺调节到
12、无明显制品缺陷的工艺条件，而很难达到最优工艺设置。而且，对于大型复杂的制品，由于工艺模型及几何模型的复杂性，CAE分析时间较长，限制了其在工艺优化及控制方面的应用。Huaye基于商业化CAE软件CMOLD，分别采用模拟退火法和遗传算法实现了注塑成型工艺优化，使制品质量得到极大的改善。2001年王德翔等研究了作为基于知识的注塑模CAE系统的有机组成部分，采用人工神经网络作为工艺参数优化系统的核心技术，通过建立压力温度网络模型，成功地模拟了注塑成型过程中对成型质量有重要影响的关键参数，设计合理的优化策略，快速有效地将最优的工艺参数提供给用户。2002大学国家橡塑模具中心王利霞基于数值模拟技术，研究
13、了注塑工艺优化及制品制品质量闭环控制的理论方法。在利用工艺模型静态确定了工艺参数最优值之后，对注塑成型过程进行闭环控制，利用在线测量值与当前工艺参数最优值之间的偏差进行调节以保持各个工艺参数值的相对稳定，同时，计算机还根据在线测量值对当前工艺参数最优值进行适当调整，使静态工艺参数最优值变为动态工艺参数最优值，实现了真正意义上的工艺参数最优值。G.H.Ch，等应用ANN技术建立工艺参数和制品质量指标之间的神经网络关系模型，并采用自适应优化算法优化工艺参数。近年来，研究者们采用多种方法对工艺优化进行了研究。由于实际实验中，制品质量指标与工艺参数之间的关系复杂，难以给出确定的表达式，实验设计法成为研
14、究工艺参数对制品质量指标的影响、优化工艺的主要方法之一。Liullsl采用正交实验设计法，对熔接线的强度进行了研究。Malguarneral“考察了熔体温度、模具温度、注射速率、注射压力对一般商用PS、耐冲击PS，即等热塑性塑料熔接线拉伸强度的影响，认为对于玻璃化聚合物和表现出屈服的无定型聚合物，熔体温度和模具温度是影响熔接线拉伸屈服强度的主要因素，而注射速率和注射压力影响不大。同年，Malguarneral7又观察了4种即树脂熔接区域的微观结构，发现提高熔体温度和模具温度可以改善熔接线屈服强度，提高注射速度也可以改善熔接线的屈服强度，但影响程度要比熔体温度和模具温度小得多，而冷却速率对熔接线
15、性能影响不大。selden对PA6(3%5玻纤)、即s(4%0玻纤)、PP(40%滑石粉)、PPO和ABS等五种材料在不同的保压压力、注射速度、熔体温度和模具温度下的进行了弯曲、拉伸和冲击测试，发现相同加工条件下，五种材料的各向异性程度各不相同，PPS和PA6呈强烈的各向异性，沿流动方向上的强度是横向强度的25-30倍，AP的横向强度甚至低于熔接缝的强度，ABS和POP的各向异性程度稍低，而PP几乎呈各向同性。一些研究者认为增加温度会增加熔接线强度，而有些研究者则得出了相反的结论。Hashmei0zl研究发现，SMA熔接线的强度随温度的升高呈线性降低趋势。worden，wenig发现熔接线强度开始时随温度升高而增强，进一步升温则会下降。Tiotmanli和Piccar发现熔接线强度对注射时间(注射速度、注射体积流率、注射压力)都非常敏感，会随着注射时间的缩短而增强。Liu浏等采用Taguchi方法对Ps材料进行了实验，关注的工艺参数包括嵌件尺寸、注塑压力、熔体温度、保压压力、模具温度和注射速度，发现对熔接线强度影响最剧烈的因素是熔体温度，占到67.4%6，其次为模具温度和保压压力，分别占到17. 7%和13.39%，而嵌件几何尺寸、注射压力以及注射速度的影响很小。如何建立起熔接线
