快速熱循環(huán)注塑成型關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用.pdf

1、快速熱循環(huán)注塑技術(shù)是一種基于模具快速加熱和快速冷卻的注塑成型工藝，其技術(shù)特點(diǎn)是在不影響注塑成型周期的前提下實(shí)現(xiàn)高模溫注塑成型。在快速熱循環(huán)注塑中，填充階段的高模具溫度可以有效避免模具型腔中塑料熔體的過(guò)早冷凝，徹底消除塑料熔體表面的冷凝層，這將顯著提高塑料熔體的流動(dòng)性，增強(qiáng)塑料熔體轉(zhuǎn)印模具型腔形狀的能力。因此，快速熱循環(huán)注塑工藝可以有效消除常規(guī)注塑成形產(chǎn)品易出現(xiàn)的流痕、噴射痕、熔接痕、浮纖、低光澤等表面缺陷，能夠注塑成形具有超高流長(zhǎng)比的塑

2、件，精確復(fù)制模具型腔的微細(xì)結(jié)構(gòu)，有效降低注射壓力、注射速率、保壓壓力和鎖模力，減小塑件的內(nèi)應(yīng)力。由于快速熱循環(huán)注塑成形的塑件具有極高的外觀質(zhì)量，無(wú)需打磨、噴涂、罩光等后續(xù)加工，所以該技術(shù)可以顯著縮短高品質(zhì)外觀塑件的生產(chǎn)流程，有效降低生產(chǎn)成本，減小能源消耗，并避免打磨、噴涂、罩光等工序?qū)Νh(huán)境造成的污染，有利于改善車間工作環(huán)境和保護(hù)工人身體健康。顯然，快速熱循環(huán)注塑是一種高質(zhì)量、高精度而又節(jié)能減排、環(huán)境友好的綠色注塑新工藝，具有廣闊的應(yīng)用前

3、景和巨大的市場(chǎng)潛力。
　　 本文從快速熱循環(huán)注塑成型的工藝原理、工藝流程、模具溫度控制系統(tǒng)、模具設(shè)計(jì)與制造、裝備及生產(chǎn)線構(gòu)建、模具熱響應(yīng)分析、模具加熱/冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、模具疲勞壽命分析與優(yōu)化、工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)、成型機(jī)理等方面對(duì)快速熱循環(huán)注塑成型工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　 分析了快速熱循環(huán)注塑工藝原理和模具溫度控制原理，提出了蒸汽加熱快速熱循環(huán)注塑工藝和電加熱快速熱循環(huán)注塑工藝，通過(guò)對(duì)快速熱循環(huán)注塑周期的深入分析，制定了合理

4、的工藝流程。研發(fā)了基于可編程邏輯控制器和觸摸屏技術(shù)的蒸汽加熱和電加熱動(dòng)態(tài)模具溫度控制系統(tǒng)，研制了大型液晶電視機(jī)面板用蒸汽加熱快速熱循環(huán)注塑模具和電加熱快速熱循環(huán)注塑模具，基于熱響應(yīng)分析和試驗(yàn)對(duì)模具的熱循環(huán)效率進(jìn)行了評(píng)估，提出了一種適合于具有三維復(fù)雜形狀塑件的蒸汽加熱快速熱循環(huán)注塑模具結(jié)構(gòu)和電加熱快速熱循環(huán)注塑模具結(jié)構(gòu)。利用自主研制的動(dòng)態(tài)模具溫度控制系統(tǒng)和注塑模具，構(gòu)建了蒸汽加熱快速熱循環(huán)注塑生產(chǎn)線和電加熱快速熱循環(huán)注塑生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了液晶

5、電視機(jī)面板的高光無(wú)熔痕注塑生產(chǎn)，徹底消除了打磨、噴涂、罩光等二次加工工序。對(duì)快速熱循環(huán)注塑成本和效益進(jìn)行了對(duì)比分析，研制了不同規(guī)格不同型號(hào)的動(dòng)態(tài)模具溫度控制系統(tǒng)和注塑模具，實(shí)現(xiàn)了快速熱循環(huán)注塑成型技術(shù)的工程化應(yīng)用。
　　 分別研究了蒸汽加熱和電加熱快速熱循環(huán)注塑過(guò)程的傳熱規(guī)律，推導(dǎo)建立了兩種快速熱循環(huán)注塑工藝的熱平衡方程，分析了模具加熱效率和冷卻效率的影響因素，提出了加快模具熱循環(huán)的有效措施和快速熱循環(huán)注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。構(gòu)建

6、了蒸汽加熱和電加熱快速熱循環(huán)注塑模具的熱響應(yīng)分析模型，研究了兩種加熱方式的快速熱循環(huán)注塑模具型腔表面的熱響應(yīng)規(guī)律，分析了模具隔熱層、模具材料對(duì)模具型腔表面熱響應(yīng)效率和溫度均勻性的影響規(guī)律，對(duì)比討論了兩種快速熱循環(huán)注塑工藝的加熱效率、冷卻效率和能量消耗，給出了兩種加熱方式的快速熱循環(huán)注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。提出了一種浮動(dòng)型腔式電加熱快速熱循環(huán)注塑模具結(jié)構(gòu)，有效減小了注塑循環(huán)過(guò)程中需要快速加熱和快速冷卻的型腔板的熱容量，顯著提高了模具型腔表面

7、的熱響應(yīng)效率。基于浮動(dòng)型腔式模具結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了大型液晶電視機(jī)面板的電加熱快速熱循環(huán)注塑模具，解決了與模具設(shè)計(jì)、加工和裝配有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)?；趥鳠釘?shù)值模擬技術(shù)，研究分析了加熱/冷卻介質(zhì)類型、加熱/冷卻介質(zhì)溫度、加熱冷卻管道布局、模具材料以及塑件厚度對(duì)蒸汽加熱快速熱循環(huán)注塑模具熱循環(huán)效率和溫度均勻性的影響規(guī)律，建立了加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
　　 基于響應(yīng)曲面法，結(jié)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)和熱.結(jié)構(gòu)耦合分析，研究了加熱冷卻管道布

8、局和電加熱元件布局對(duì)模具型腔表面的熱響應(yīng)效率、溫度分布均勻性和疲勞壽命的影響規(guī)律，利用基于最小二乘法的回歸分析，建立了模具加熱時(shí)間、型腔表面最高溫度和型腔板承受的最大等效應(yīng)力的響應(yīng)曲面模型，通過(guò)變異數(shù)分析和隨機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證了響應(yīng)曲面模型的有效性。提出了加熱效率優(yōu)先、溫度均勻性優(yōu)先和疲勞壽命優(yōu)先三種優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，基于建立的響應(yīng)曲面模型分別構(gòu)建了帶有約束的優(yōu)化函數(shù)模型，利用自主開(kāi)發(fā)的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序?qū)δ繕?biāo)優(yōu)化函數(shù)模型進(jìn)行了非線性優(yōu)化，獲得了加熱冷

9、卻管道和電加熱元件的優(yōu)化布局和尺寸，并模擬驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)可有效提高模具的熱響應(yīng)效率、改善型腔表面溫度分布的均勻性和減小模具承受的最大等效熱應(yīng)力。基于響應(yīng)曲面法和開(kāi)發(fā)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，分別實(shí)現(xiàn)了液晶電視機(jī)面板蒸汽加熱和電加熱快速熱循環(huán)注塑模具型腔板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究結(jié)果對(duì)提高快速熱循環(huán)注塑工藝的成品率、生產(chǎn)效率和模具使用壽命具有十分重要的作用。
　　 以蒸汽加熱快速熱循環(huán)注塑模具為例，通過(guò)三維有限元傳熱

10、分析和熱.結(jié)構(gòu)分析，研究得到了模具加熱過(guò)程中型腔板內(nèi)部溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，試驗(yàn)驗(yàn)證了傳熱分析結(jié)果的有效性?；趹?yīng)力分析結(jié)果，對(duì)型腔板進(jìn)行了疲勞模擬分析，實(shí)現(xiàn)了快速熱循環(huán)注塑模具疲勞壽命的預(yù)測(cè)和評(píng)估，并分析討論了模擬預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間存在一定差距的原因，結(jié)合熱-結(jié)構(gòu)分析結(jié)果和注塑模具的實(shí)際疲勞失效形式，揭示了模具的疲勞破壞機(jī)制。研究了模具型腔表面溫度、鎖模力、型腔板固定方式、模具加熱系統(tǒng)等對(duì)快速熱循環(huán)注塑模具疲勞壽命的影響規(guī)律，

11、為快速熱循環(huán)注塑工藝參數(shù)的合理控制和模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。
　　 研究了快速熱循環(huán)注塑工藝的模擬技術(shù)，通過(guò)對(duì)快速熱循環(huán)注塑工藝和常規(guī)注塑工藝的注塑模擬，對(duì)比分析了快速熱循環(huán)注塑工藝對(duì)熔體填充能力、塑件形狀尺寸精度、表面縮痕、冷卻時(shí)間和光學(xué)性能的影響。針對(duì)基于單側(cè)模具快速加熱和快速冷卻技術(shù)的快速熱循環(huán)注塑工藝存在的塑件翹曲變形問(wèn)題，分析揭示了塑件翹曲變形的機(jī)理，研究了保壓控制和模具冷卻控制對(duì)塑件翹曲變形和縮痕

12、深度的影響規(guī)律，提出了優(yōu)化的保壓控制和模具冷卻策略，實(shí)現(xiàn)了保壓參數(shù)和模具冷卻參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)?；趦?yōu)化的保壓控制和模具冷卻控制策略，進(jìn)一步研究了快速熱循環(huán)注塑工藝的注射速率、熔體溫度、型芯側(cè)模具溫度等工藝參數(shù)對(duì)塑件翹曲變形和縮痕深度的影響規(guī)律，建立了可用于塑件翹曲變形和縮痕深度預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型，以減小塑件的翹曲變形和縮痕深度為目標(biāo)，構(gòu)建了有約束的優(yōu)化函數(shù)模型，利用自主開(kāi)發(fā)的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)了快速熱循環(huán)注塑工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果表明，

13、經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的快速熱循環(huán)注塑工藝有效減小了塑件的翹曲變形和減輕了塑件的表面縮痕，從而顯著簡(jiǎn)化了快速熱循環(huán)注塑工藝的調(diào)試過(guò)程，有效提高了快速熱循環(huán)注塑工藝的成品率。
　　 研制了可生產(chǎn)有/無(wú)熔接痕標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣、沖擊試樣和熱變形試樣的電加熱快速熱循環(huán)注塑模具，對(duì)模具的加熱系統(tǒng)和流道系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用自主研發(fā)的動(dòng)態(tài)模溫控制系統(tǒng)，構(gòu)建了電加熱快速熱循環(huán)注塑試驗(yàn)線。開(kāi)發(fā)了基于薄膜熱電偶、數(shù)據(jù)記錄儀和計(jì)算機(jī)的模具型腔表面溫度測(cè)量和采集系

14、統(tǒng)，試驗(yàn)研究了電加熱快速熱循環(huán)注塑模具型腔表面的溫度響應(yīng)規(guī)律。通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，定量分析了模具加熱時(shí)間和冷卻時(shí)間對(duì)熱循環(huán)過(guò)程中型腔表面最高溫度和最低溫度的影響，利用回歸分析技術(shù)擬合建立了可用于模具型腔表面最高溫度和最低溫度控制的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。建立了電加熱快速熱循環(huán)注塑模具的熱響應(yīng)分析模型，對(duì)熱循環(huán)過(guò)程中模具型腔板的熱響應(yīng)進(jìn)行了模擬分析，研究了模具型腔板的溫度分布規(guī)律，通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了模擬分析的有效性

15、，分析討論了電加熱元件功率密度對(duì)模具加熱效率的影響和冷卻水溫度對(duì)模具冷卻效率的影響。通過(guò)全析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)研究了快速熱循環(huán)注塑工藝的注射壓力、注射速率和模具型腔表面溫度對(duì)熔體填充能力的影響規(guī)律。利用構(gòu)建的電加熱快速熱循環(huán)注塑試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)研究了高光塑料、結(jié)晶型塑料、無(wú)定形塑料、納米顆粒增強(qiáng)塑料和纖維增強(qiáng)塑料的快速熱循環(huán)注塑工藝，探明了填充階段模具型腔表面溫度對(duì)各種材料塑件表面光澤度、表面粗糙度、熔接痕、形貌結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，揭示了低型腔