* 劉成娟1，劉成剛2，李延平3
( 1．福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350108; 2．中國(guó)石油吉林石化公司研究院，吉林 吉林 132021; 3，集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361021)
摘要: 綜述了國(guó)內(nèi)外幾種注塑成型新方法和趨勢(shì)。包括注塑成型計(jì)算機(jī)輔助工程 ( CAE) 、氣輔注塑成型、快速 熱循環(huán)注塑成型和微孔發(fā)泡注塑成型等技術(shù)的特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀和應(yīng)用領(lǐng)域，并對(duì)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞: 注塑成型技術(shù); 研究現(xiàn)狀; 應(yīng)用進(jìn)展
注塑產(chǎn)品在成型時(shí)，常出現(xiàn)氣泡、翹曲、熔接痕和浮纖等問(wèn)題，這將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，使形狀和尺寸達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求，影響零件裝配［1］。人們對(duì)注塑產(chǎn)品更高質(zhì)量的追求，使得一些新的注塑成型方法應(yīng)運(yùn)而生。本文對(duì)注塑成型 CAE、氣輔注塑成型、快速熱循環(huán)注塑成型和微孔發(fā)泡注塑成型等技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)推動(dòng)注塑成型方法的研究和企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展提供可靠依據(jù)，具有積極意義。
1 注塑成型 CAE 技術(shù)及特點(diǎn)
注塑成型 CAE 技術(shù)［2］是使用有限元、有限差分和邊界元等方法，動(dòng)態(tài)仿真模具型腔內(nèi)塑料熔體的填充、保壓、冷卻和翹曲變形等，預(yù)測(cè)潛在的充填不足、熔痕和翹曲等缺陷，進(jìn)而優(yōu)化產(chǎn)品、模具結(jié)構(gòu)和成型工藝參數(shù)得到優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的一門應(yīng)用科學(xué)技術(shù)。 Moldflow 軟件仿真流程，如圖 1 所示。其基本優(yōu)勢(shì)如下: 1) “未 注 先 知”，針對(duì)所研究的 產(chǎn) 品，利 用Moldflow 軟件仿真出產(chǎn)品潛在的短射、熔接痕、翹曲、氣泡、水波紋和飛邊等問(wèn)題。
2) “未注先優(yōu)”，在數(shù)值模擬仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)分析，設(shè)置合理優(yōu)化方法，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，仿真模型和工藝參數(shù)等方面進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)優(yōu)化，從而獲得最佳方案。
3) “未注先省”，通過(guò) Moldflow 軟件仿真和優(yōu)化，可減少企業(yè)試修模次數(shù)，縮短研發(fā)和生產(chǎn)周期， 降低成本，獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。
2 注塑成型 CAE 技術(shù)在特殊產(chǎn)品中的應(yīng)用
特殊產(chǎn)品與傳統(tǒng)意義上產(chǎn)品相比，這類產(chǎn)品的形 狀不規(guī)則、尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高和注塑成型加工難度大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，注塑成型 CAE 方法對(duì)優(yōu)化這類產(chǎn)品質(zhì)量起著積極作用。
李曉芳等［3］以形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大型薄壁和精密三種塑料產(chǎn)品為研究對(duì)象，研究了在注塑成型過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)。其中，形狀復(fù)雜零件常具有壁厚不均、 孔種類和大小多樣、凹槽和深腔等不規(guī)則結(jié)構(gòu)。在數(shù)值模擬分析前處理過(guò)程中，對(duì)產(chǎn)品的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分需要大量的技巧和時(shí)間才能達(dá)到網(wǎng)格匹配率要求; 大型薄壁塑料產(chǎn)品造成其注塑時(shí)熔體流經(jīng)路線長(zhǎng)，易出現(xiàn)熔體充填不足及冷卻固化時(shí)溫度不均的問(wèn)題; 強(qiáng)度比普通壁厚的產(chǎn)品稍差，長(zhǎng)徑比大，開(kāi)模時(shí)易出現(xiàn)翹曲形變的缺陷; 精密產(chǎn)品尺寸誤差要求較高，注塑成型過(guò)程要求更高。利用注塑成型 CAE 技術(shù)，確定最佳澆注和冷卻系統(tǒng)，用此設(shè)計(jì)的每一步驟，都有相應(yīng)的模擬結(jié)果，提前發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化充填不足、飛邊、氣穴、熔接痕、凹陷、翹曲變形等缺陷，達(dá)到 “未注先知”; 可以及時(shí)優(yōu)化注塑過(guò)程，運(yùn)用正 交試驗(yàn)法確定最佳成型工藝參數(shù)，達(dá) 到“未 注 先 優(yōu)”; 降低注塑難度，簡(jiǎn)少大量的試模和修模過(guò)程，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，為實(shí)際注塑生產(chǎn)提供有力的指導(dǎo)，達(dá)到 “未注先省”。
胡培成［4］以包裝塑料產(chǎn)品、大型塑料產(chǎn)品和薄壁塑料產(chǎn)品為研究對(duì)象，研究了其生產(chǎn)工藝和關(guān)注的不同重點(diǎn)。包裝塑料產(chǎn)品將知識(shí)工程與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù) ( AutoCAD、pro-E、SolidWorks、UG、Moldflow 和 Photo-shop) 相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)更高級(jí)和強(qiáng)大的包裝設(shè) 計(jì)程序。大型塑料產(chǎn)品模具需考慮剛度、可靠性等問(wèn)題，流道系統(tǒng)的平衡和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求高。薄壁塑料產(chǎn)品，熔體的收縮易造成翹曲變形。采用模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助工程/計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)( CAD/CAE /CAM) ，能夠優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，控制塑料產(chǎn)品的收縮率，提高產(chǎn)品合格率。
另外，注塑成型 CAE 技術(shù)在氣輔注塑成型、快速熱循環(huán)注塑成型和微孔發(fā)泡注塑成型等技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，并起到積極作用。
3 氣體輔助注塑成型技術(shù)
氣體輔助注塑成型技術(shù)是起源于 20 世紀(jì) 70 年代中期，80 年代中期開(kāi)發(fā)成功，90 年代初實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的新技術(shù)［5］。此工藝能極大程度地減少傳統(tǒng)注塑成型和結(jié)構(gòu)發(fā)泡成型所出現(xiàn)的產(chǎn)品縮痕、內(nèi)應(yīng)力和 翹曲等問(wèn)題，是往復(fù)式螺桿發(fā)明之后，注塑領(lǐng)域第二 次創(chuàng)新型的發(fā)明［6］。
氣體輔助注塑成型技術(shù)與傳統(tǒng)注塑成型技術(shù)對(duì)比，在流動(dòng)模型理論、工藝原理、設(shè)備和產(chǎn)品質(zhì)量等方面都存在很大區(qū)別。
張響等［7］和王利霞等［8］研究了氣輔注塑成型技 術(shù)的理論模型和數(shù)值模擬的理論，運(yùn)用混合有限元/控制體積方法等，計(jì)算填充過(guò)程的壓力場(chǎng)，預(yù)測(cè)填充過(guò)程氣體充入、熔體前沿及外層聚合物的厚度因子和壁厚情況，并對(duì)模型進(jìn)行可行性驗(yàn)證。研究了不同工藝參數(shù) ( 如熔體溫度、氣體壓力、延遲時(shí)間等) 對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，對(duì)生產(chǎn)實(shí)際具有指導(dǎo)意義。
氣體輔助成型工藝過(guò)程包括熔體注塑、氣體注塑、保壓、排氣和頂出產(chǎn)品五個(gè)階段，與傳統(tǒng)注塑成型相比多一個(gè)氣體注塑階段，成型系統(tǒng)單元需要專用的氣輔設(shè)備，( 氣體發(fā)生裝置和氣體輔助注塑成型控制系統(tǒng)) ; 模具依然采用恒溫，對(duì)于流道截面突變等難成型區(qū)域，采用不同的調(diào)節(jié)溫度; 通常采用單澆口，澆口與氣體入口位置分開(kāi)時(shí)，澆口應(yīng)使最后填充點(diǎn)在氣道終點(diǎn)附近［9］。
馬玉錄等［10］研究了氣體輔助注塑成型工藝根據(jù)氣體進(jìn)口位置，分為噴嘴注塑氣體法和模具注塑氣體法; 根據(jù)產(chǎn)生氣體壓力的方法，分為不連續(xù)產(chǎn)生壓力法和連續(xù)產(chǎn)生壓力法，并敘述了其優(yōu)點(diǎn)和區(qū)別。
氣體輔助注塑成型工藝的局限性主要有排氣孔問(wèn)題、表面褪色和局部隆起問(wèn)題。同時(shí)熔體最佳注塑量、模具和熔體溫度、氣體壓力和延遲時(shí)間等成型工藝參數(shù)成倍增加對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響會(huì)更復(fù)雜［11－13］。
鄭子軍［14］闡述了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的氣體輔助注塑 工藝智能加工方法，提高了工藝參數(shù)的優(yōu)化效率。
氣體輔助注塑成型的 CAE 技術(shù)，可預(yù)測(cè)熔體、氣體的流動(dòng)成型情況，對(duì)新產(chǎn)品和模具結(jié)構(gòu)研發(fā)，成型參數(shù)優(yōu)化起到積極作用。
廣泛應(yīng)用在汽車配件、室內(nèi)室外設(shè)施、衛(wèi)星反射器、辦公設(shè)施、日用品以及玩具等領(lǐng)域，具有節(jié)省材料、提高質(zhì)量和降低成本等優(yōu)點(diǎn)。
此外，液輔注塑成型技術(shù)，局部氣體輔助注塑，振動(dòng)氣體輔助注塑等新的方法不斷出現(xiàn)。同時(shí)，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助模擬和其他形式的注塑技術(shù)，對(duì)獲得高質(zhì)量產(chǎn)品和社會(huì)效益起到積極作用［15］。
4 快速熱循環(huán)注塑成型技術(shù)
Bolstad 和 Lemelson 在 20 世紀(jì) 60 年代初，發(fā)明了一種模具快速加熱和冷卻的裝置。Giboz 等［16］和 Yao 等［17］對(duì)材料在注塑成型過(guò)程中出現(xiàn)的氣孔、流痕、熔痕和浮纖等質(zhì)量問(wèn)題，提出采用快速熱循環(huán)注塑技術(shù)，即動(dòng)態(tài)模溫的方法來(lái)控制注塑成型，此方法得到廣泛關(guān)注。
通用電氣塑料日本有限公司、富士精工、三菱和韓國(guó)的三星公司于 2004 年開(kāi)始，不斷研發(fā)，生產(chǎn)了電子、家用電器和電視機(jī)外殼等產(chǎn)品。從 2006 年起，國(guó)內(nèi)的山東大學(xué)與海信集團(tuán)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了快速熱循環(huán)注塑系統(tǒng)，建成了模具、產(chǎn)品質(zhì)量等成套技術(shù)與控制裝備，并運(yùn)用在多系列大尺寸液晶電視機(jī)面板的實(shí)際生產(chǎn)中。重慶大學(xué)、蘇州大學(xué)和南昌大學(xué)等學(xué)校，TCL和海爾等電器公司也先后對(duì)變模溫注塑技術(shù)進(jìn)行了理論及應(yīng)用研究。到 20 世紀(jì) 90 年代后此技術(shù)得到快速發(fā)展。
快速熱循環(huán)注塑成型與常規(guī)注塑成型過(guò)程，主要差別點(diǎn)是，前者不同成型工藝階段可以采用不同的模具溫度，并且能直接進(jìn)行整機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)并裝配。減少了后續(xù)噴涂和拋光等工序，可獲得表面高光并且無(wú)熔接痕的高質(zhì)量產(chǎn)品，可成型超薄并帶有微特征的產(chǎn)品，是一種節(jié)能、環(huán)保、應(yīng)用前景廣闊的先進(jìn)注塑成型技術(shù)。
史展林等［18］系統(tǒng)分析了國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于模具快速加熱、冷 卻 方 法，隨 形 管 道 加 熱、冷 卻 的 研究現(xiàn)狀。邊智等［19］總結(jié)了一系列模具型腔快速加熱冷卻技術(shù)，包括電阻加熱、對(duì)流加熱、輻射加熱，模內(nèi)水介質(zhì)電加熱和表面覆膜加熱等; 模具冷卻技術(shù)研究較少，有采用較低的冷卻液溫度，隨形或熱管冷卻等，以此獲得較高的冷卻速率，縮短時(shí)間。這些技術(shù)為模具快速加熱和冷卻提供了多種選擇; 模具結(jié)構(gòu)加工技術(shù)包括，3D 技術(shù)打印任意復(fù)雜結(jié)構(gòu) “隨形”管道模具，具有隨形介質(zhì)通道的車載高光藍(lán)牙模具，具有分層結(jié)構(gòu)蒸汽加熱式模具，制造表面粗糙度 0. 025 μm 以下的高精度拋光 “部分冷間隙”模具新結(jié)構(gòu)，與氣體輔助注塑成型工藝相結(jié)合，提出板凳形式的螺柱新結(jié)構(gòu)，解決帶筋和柱結(jié)構(gòu)塑料產(chǎn)品易出現(xiàn)的縮痕等缺陷。同時(shí)，很多學(xué)者利用注塑成型 CAE 技術(shù)，進(jìn)行了模具充模成型技術(shù)、快速加熱和冷卻技術(shù)、產(chǎn)品成型質(zhì)量和缺陷等研究。
此成型方法，仍存在許多問(wèn)題亟待解決。比如:
1)模具溫度控制技術(shù)不成熟，模具加熱、冷卻時(shí)間對(duì)型腔最髙和最低溫度影響的研究較少
［20］，缺少模 具實(shí)際試驗(yàn)方面的研究成果［21］，影響了產(chǎn)品大批量工業(yè)化生產(chǎn); 2) 復(fù)雜的模具型腔結(jié)構(gòu)，對(duì)加熱冷卻管路的優(yōu)化布局、動(dòng)模與靜模的精確對(duì)中、分型面的良好排氣等均提出特殊要求; 3) 工藝參數(shù)研究不系統(tǒng)，不同高分子材料 ( 結(jié)晶和非結(jié)晶型) 對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響規(guī)律也不盡相同，缺乏生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用情況的研究［22］。
5 微孔發(fā)泡注塑成型技術(shù)
21 世紀(jì)的新型材料———微孔發(fā)泡塑料［23］由美國(guó)麻省理工學(xué)院的 Suh 等學(xué)者研制成功，隨后由 Mar- tinim、Suh 等學(xué)者研究出微孔發(fā)泡成型技術(shù)，并在1984 年取得美國(guó)專利［24－25］。
此塑料定義為泡孔大小在 0. 1～100 μm 之間，密 度大于 109個(gè)/cm3 的發(fā)泡聚合物; 微孔發(fā)泡聚合物比未發(fā)泡聚合物具有沖擊強(qiáng)度高、隔熱隔音性能高、疲勞壽命長(zhǎng)、熱穩(wěn)定性好、成本低、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn); 在航空航天、汽車、日用品、生物醫(yī)療、電器和組織工程支架等行業(yè)領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景［26－28］。
近幾年，我國(guó)對(duì)此技術(shù)的應(yīng)用研究越來(lái)越重視。圍繞著成型理論、優(yōu)化工藝參數(shù)、改進(jìn)設(shè)備、運(yùn)用注塑成型 CAE 技術(shù)提高產(chǎn)品質(zhì)量等進(jìn)行研究。
陳建平［29］闡述了微孔發(fā)泡注塑成型技術(shù)原理， 分析了微泡成核、長(zhǎng)大和冷卻等工藝過(guò)程，用連續(xù)性、能量和動(dòng)量三個(gè)方程描述充模過(guò)程，并建立數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)研究了求解微孔生長(zhǎng)方程、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的方法和步驟，并用于泡孔大小和分布的預(yù)測(cè)。
王飛［30］研究了不同填充時(shí)間、注塑壓力、氣體 含量、初始泡孔半徑及泡核含量、流動(dòng)前沿溫度等參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響規(guī)律，并使用軟件仿真尋找最優(yōu)解，創(chuàng)新研發(fā)出電氣控制的超臨界氣體注入系統(tǒng)，多頭螺紋專用螺桿。
胡瑞生等［31］和王恒等［32］學(xué)者研究了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外注塑微發(fā)泡產(chǎn)品表面質(zhì)量的研究概況。增加氣體反壓力抑制充模時(shí)泡孔成核，利用絕緣膜提高模具溫度，共混聚合物改變性能等提高產(chǎn)品表面質(zhì)量，并對(duì)以后發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
阮劍波等［33］總結(jié)了現(xiàn)階段發(fā)泡注塑成型的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種二板式注塑機(jī)新技術(shù)。其具有獨(dú)立的微開(kāi)精度控制系統(tǒng)，可以精確控制產(chǎn)品壁厚，主要用于生產(chǎn)汽車零件，此項(xiàng)技術(shù)具有很好的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
韓云等［34］利用 Moldflow 軟件對(duì)填充、流動(dòng)和冷 卻等過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。分析了注射速率、冷卻時(shí)間、剪切應(yīng)力、摩擦能等對(duì)氣泡成核的影響，得到工藝參數(shù)優(yōu)化方案，縮短生產(chǎn)周期。
李樹(shù)松等［35］研究了通過(guò)改變模具溫度對(duì)產(chǎn)品的泡孔結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、減重比以及表面質(zhì)量的影響，并利用軟件仿真驗(yàn)證模具溫度變化時(shí)，產(chǎn)品減重比和泡孔尺寸的變化規(guī)律。
此外，隨著此技術(shù)的深入研究和廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)新形式的注塑方法。例如，Xiao 等［36］把微孔發(fā)泡注塑技術(shù)和快速熱循環(huán)成型技術(shù)結(jié)合，開(kāi)發(fā)出一種電加熱和水冷卻快速熱循環(huán)成型的模具; 王小新等［37］將氣輔成型技術(shù)和快速熱循環(huán)成型技術(shù)結(jié)合，分析了減少表面縮痕問(wèn)題的方法等。
6 總結(jié)及展望
隨著航空航天、汽車、電器等工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)塑料產(chǎn)品的品質(zhì)要求也不斷提高。對(duì)注塑成型技術(shù)的系統(tǒng)且深入研究，使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高質(zhì)量產(chǎn)品能夠加工出來(lái)，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真技術(shù)發(fā)展，同時(shí)，促進(jìn)了新型注塑成型方法進(jìn)一步研究、技術(shù)革新、融合、創(chuàng)新和應(yīng)用。
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