本章主要了解注塑成型及其应用，重点讨论本章主要了解注塑成型及其应用，重点讨论注塑成型中缺陷及产生的原因。在此基础上，了注塑成型中缺陷及产生的原因。在此基础上，了解注塑成型数值模拟技术的概念，研究现状及发解注塑成型数值模拟技术的概念，研究现状及发展趋势。掌握注塑成型过程中的常见质量问题。展趋势。掌握注塑成型过程中的常见质量问题。本章的重点是如何利用本章的重点是如何利用CAECAE软件（软件（MOLDFLOWMOLDFLOW）来分来分析成形缺陷的原因及解决办法。析成形缺陷的原因及解决办法。 学习目标 1、注射成型过程常见质量问题 短射（短射（短射（短射（short shotshort shot）熔接痕熔接痕熔接痕熔接痕 (Weld Line)(Weld Line)气穴气穴气穴气穴 (Air Trap)(Air Trap)溢料溢料溢料溢料 (Flashing)(Flashing)翘曲翘曲翘曲翘曲 ( (WarpageWarpage) ) 短射短射(short shot)(short shot)也可以称为填充不足或欠注也可以称为填充不足或欠注, ,是指聚合物不能完全充满模具型腔的各个角落是指聚合物不能完全充满模具型腔的各个角落的现象。的现象。p注塑设备选择不合理注塑设备选择不合理p聚合物流动性能较差聚合物流动性能较差p浇注系统设计不合理浇注系统设计不合理p料温料温, ,模温太低模温太低p注塑喷嘴温度低注塑喷嘴温度低p注塑压力注塑压力, ,保压不足保压不足p制品结构设计不合理制品结构设计不合理p排气不良排气不良 熔接痕熔接痕(weld line)(weld line)属于表观质量缺陷属于表观质量缺陷, ,它是产它是产品注塑过程中两股以上的熔融树脂流相汇合所产品注塑过程中两股以上的熔融树脂流相汇合所产生的细线状缺陷。生的细线状缺陷。 p熔体流动性不足熔体流动性不足, ,料温低料温低p模具设计不合理模具设计不合理p塑料制品结构设计不合理塑料制品结构设计不合理p模具排气不良模具排气不良p脱模剂使用不当脱模剂使用不当 气穴气穴(air trap)(air trap)也称为气泡或气孔也称为气泡或气孔, ,它是在成型它是在成型制品内部所形成的空隙制品内部所形成的空隙, , 根据气穴形成的原因根据气穴形成的原因, ,可可以把它分成两类以把它分成两类: :-由于排气不良等原因造成熔体中的水分或挥发成由于排气不良等原因造成熔体中的水分或挥发成分被封闭在成型材料中所形成的气泡分被封闭在成型材料中所形成的气泡; ;-由于熔体冷却冷却固化时体积收缩而产生在制品由于熔体冷却冷却固化时体积收缩而产生在制品或加强筋或加强筋, ,凸台等壁厚不均匀处的气泡凸台等壁厚不均匀处的气泡. .p注塑原料不符合要求注塑原料不符合要求p注塑工艺不当注塑工艺不当p模具设计不合理模具设计不合理 溢料溢料(Flashing)(Flashing)也称为飞边也称为飞边, ,当熔体进入模当熔体进入模具的分型面具的分型面, ,或者进入与滑块相接触的面及模具其或者进入与滑块相接触的面及模具其他零件的空隙时他零件的空隙时, ,就会发生溢料现象就会发生溢料现象p锁模力较低锁模力较低p模具设计不合理模具设计不合理p注塑工艺不当注塑工艺不当 翘曲及扭曲翘曲及扭曲(Warpage)(Warpage)都是脱模后产生的都是脱模后产生的制品变形。沿边缘平行方向的变形称之为翘曲制品变形。沿边缘平行方向的变形称之为翘曲, ,沿对角线方向上的变形称之为扭曲。沿对角线方向上的变形称之为扭曲。p冷却不当冷却不当p分子取向不均衡分子取向不均衡p浇注系统设计不合理浇注系统设计不合理p脱模系统不合理脱模系统不合理p成型条件设置不当成型条件设置不当总体变形X向变形Y向变形Z向变形注射成型模拟技术研究内容注射成型模拟技术研究内容注射成型模拟技术研究内容产品模型产品模型CAD工程数工程数据库管据库管理系统理系统CAECAM专家专家系统系统技术技术优优化化设设计计方方案案零件信息零件信息改进零件结构改进零件结构设计任务书设计任务书用户需求用户需求NC指令指令注射成型模拟技术研究内容 预测塑料熔体流经流道、浇口、填充预测塑料熔体流经流道、浇口、填充型腔的过程，计算流道、浇口及型腔内型腔的过程，计算流道、浇口及型腔内的压力场、温度场、速度场、剪切应变的压力场、温度场、速度场、剪切应变率分布以及剪切应力分布率分布以及剪切应力分布。 优化成型工艺参数；确定合理的浇口、优化成型工艺参数；确定合理的浇口、浇道数目和位置；预测所需的注射压力浇道数目和位置；预测所需的注射压力及锁模力；注射不足、热降解、不合理及锁模力；注射不足、热降解、不合理的熔接线位置等的熔接线位置等充填分析注射成型模拟技术研究内容 预测保压过程中型腔内熔体的压力预测保压过程中型腔内熔体的压力场、温度场、密度分布和剪切应力分场、温度场、密度分布和剪切应力分布等，帮助设计人员确定合理的保压布等，帮助设计人员确定合理的保压压力和保压时间，改进浇口设计，以压力和保压时间，改进浇口设计，以减少型腔内熔体体积收缩的变化减少型腔内熔体体积收缩的变化 保压分析注射成型模拟技术研究内容 对注射模具的热交换效率和冷却系对注射模具的热交换效率和冷却系统的设计方案进行模拟，从而获得制统的设计方案进行模拟，从而获得制品表面温度分布、热流量分布，冷却品表面温度分布、热流量分布，冷却回路的热交换率及最小冷却时间等数回路的热交换率及最小冷却时间等数据，帮助设计人员确定冷却时间、冷据，帮助设计人员确定冷却时间、冷却管路布置及冷却介质的流速、温度却管路布置及冷却介质的流速、温度等冷却工艺参数，使型腔表面的温度等冷却工艺参数，使型腔表面的温度尽可能均匀。尽可能均匀。冷却分析注射成型模拟技术研究内容 模拟塑料熔体在成型加工时经历的模拟塑料熔体在成型加工时经历的热、力物理过程，确定制品的微结构，热、力物理过程，确定制品的微结构，以便预测制品的物理性能及成型质量。以便预测制品的物理性能及成型质量。结晶、取向分析注射成型模拟技术研究内容 预测在给定加工条件下，塑件脱模预测在给定加工条件下，塑件脱模后的外观质量、几何尺寸、应力分布后的外观质量、几何尺寸、应力分布及机械性能，帮助设计人员修正塑件、及机械性能，帮助设计人员修正塑件、模具设计方案，进一步预测塑件的使模具设计方案，进一步预测塑件的使用性能用性能翘曲分析注射成型数值模拟的一般流程 产品几何模型以IGES，DXF，STL等格式导入CAD模型构建模拟模型（前处理）分析求解后处理充模过程动画制件温度场缺陷分析冷却过程分析网格划分材料参数输入边界条件设置工艺结构补充 注射成型模拟技术注射成型模拟技术中性面模型技术（mid-plane） 假设产品的厚度远小于其他两个方向即流动方向的产品的厚度远小于其他两个方向即流动方向的尺寸尺寸，忽略了熔体在厚度方向上的速度分量忽略了熔体在厚度方向上的速度分量，并假定熔并假定熔体中的压力不沿厚度方向变化体中的压力不沿厚度方向变化，由此将三维流动问题简化为流动方向的二维问题和厚度方向的一维分析。中性面模型技术（mid-plane）优点：优点：优点：优点：能够成功地预测充模过程中的压力场、速度场、温度分布、熔接痕位置等信息，具有技术原理简单，网格具有技术原理简单，网格单元数量少，计算量小单元数量少，计算量小。缺点：缺点：缺点：缺点：由于采用了简化假设，它产生的信息是有限的、不完整的。因此，中性面技术在注射成型分析中的应用虽然简单、方便，但是具有一定的局限性，所以表面模型和表面模型和三维实体模型技术三维实体模型技术便应运而生了。 三维实体模型技术实体模型技术在数值分析方法上与中性面技术有较大差别。在实体模型技术中熔体在厚度方向的速度分量不再在实体模型技术中熔体在厚度方向的速度分量不再被忽略，熔体的压力随厚度方向变化。被忽略，熔体的压力随厚度方向变化。实体流动技术直接利用塑料制品的三维实体信息生成三维立体网格。优点：优点：优点：优点：利用这些三维立体网格进行有限元计算，不仅获不仅获得实体制品表面的流动数据，得实体制品表面的流动数据，还获得实体内部的流动数据，还获得实体内部的流动数据，计算数据完整。计算数据完整。缺点：缺点：缺点：缺点：计算量大，计算时间长计算量大，计算时间长 表面模型技术是指型腔或制品在厚度方向分成两部分，与中性面不同，它不是在中面，而是在型腔或制品的表面产生有限元网格，利用表面上的平面三角网格进行有限元分析。在流动过程中，上下两表面的塑料熔体同时并且协调地流动。 从本质上讲，表面模型技术所应用的原理和方法与中性面模型相比没有本质上的差别，其主要不同之处是采用了一系列相关的算法，将沿中性面流动的单股熔体演变为沿上下表单股熔体演变为沿上下表面协调流动的双股流面协调流动的双股流。表面模型技术（fusion）表面模型技术（fusion）缺点：缺点：p分析数据不完整 由于表面模型仍然采用和中性面模型一样的二维半的简化模型假设，所有它除了用有限差分法求解温度在壁厚方向的差异外，基本上没有考虑其他物理量在厚度方向上的变化。p无法准确解决复杂问题 随着塑料成型工艺的进步，塑料制品的结构越来越复杂，壁厚差异越来越大，物理量在壁厚方向上的变化变得不容忽视。p真实感缺乏 由于在表面模型中，熔体仅仅沿着制品的上下表面流动，因此，分析结果缺乏真实感，与实际情况仍有一定的距离。 从整体上讲，表面模型技术只是一种从二维半数值分析（中性面模型）向三维数值分析（实体模型）的一种过渡。要实现严格意义上的注射成型产品的虚拟制造，必须大力开发实体模型技术。 汽车空调罩注射成型分析实例一实例一问题描述 建立有限元模型网格划分 Moldflow软件网格划分的基本思想是采用工程领域中最为常用的有限元方法。在Moldflow中就称这些单元为网格（mesh）。在Moldflow中，划分成的网格主要有三种类型：中性面网格（Midplane）、双层面网格（Fusion）和实体网格（3D） 中性面网格（Midplane）、双层面网格（Fusion）和实体网格（3D） 本文在Pro/E中建立CAD模型通过STL标准格式导入到MOLDFLOW前处理器中，对其划分网格（双层面网格（Fusion），网格剖分结果如图 网格划分 材料选择 根据本文实际情况，制件材料采用ABS100其物性参数为： 参 数值导热系数W/（mK）0.14比热容J/（KgK）1963熔体密度g/cm31.04最大剪切压力MPa0.3最大剪切速率1/s50000浇注系统参数设置 主浇道（圆锥形状）：小口直径4mm，锥度2，长度50mm，冷凝道直径5mm，长4mm；分浇道（圆筒形状）：直径5mm，长度（25+4）mm；侧浇口（长方体）：宽2.5mm，高1.5mm，长0.8mm 工艺参数设置 熔融体温度（Melt temperature）=200 模具温度（Mold temperature）=65 注射压力（Pressure）=60 Mpa 结果分析材料选择 充型过程 缺陷分析 缺陷分析 缺陷分析 某电器外壳注射成型分析实例初始方案为在制件中间部位分布1个浇口（图1中“”位置且旁边以“A” 标注），注射时间为3 S，注射温度为240C，不采用分级注射。我们首先对初始方案进行模拟分析，从流动前沿的动态显示可以看出：熔体最后充填位置为“B”处（如图1所示），所需的注射压力达130.1MPa，超出了选定注射机的许可注射压力，可能会出现注射不足的情况。另外，软件还显示图中“B”处有熔接纹（见图中黑线），实物显示确实如此，且熔接纹十分明显。 电器外壳注射成型分析 电器外壳注射成型分析 电器外壳注射成型分析 电器外壳注射成型分析 电器外壳注射成型分析 塑件翘曲分析实例实例塑件翘曲分析实例注塑过程中，翘曲是由于制品收缩率不均匀而产生的。收缩率变化的原因包括：1、 塑件内部温度不均匀。2、 塑件凝固时，沿着壁厚方向的压力差异和冷却速率差异。3、 塑件尚未完全冷却就顶出，或是顶出销变形，倒勾太深，顶出方式不当，脱模斜度不当等因素都可能造成塑件翘曲。4、 塑件壁厚变化导致冷却速率的差异。5、不均匀冷却以及塑件在凸模、凹模之间壁厚方向的不对称冷却都会导致收缩差异。6、 塑件具有弯曲或不对称的几何形状。7、 塑件材料有、无添加填充料的差异。8、 流动方向和垂直于流动方向之分子链纤维取向性差异，造成不同的收缩率。9、 保压压力的差异（例如浇口处过度保压，远离浇口处却保压不足）。塑件翘曲分析实例图1 制品模型及网格剖分 图2 流道和冷却管道布置塑件翘曲分析实例初始注射时间4.8S，注射温度230，模具温度50，保压压力90MPA，保压时间10秒。模具钢号20#，冷却剂为水，水温25，流速0.0062M3/MIN,要求可顶出面积达到95%以上方可脱模。 塑件翘曲分析实例总体变形X向变形Y向变形Z向变形塑件翘曲分析实例翘曲原因分析：从流动分析的结果如图所示，流动不平衡，长边部位最后充满。这时在充填长边时流前速度急剧增大，导致分子取向严重，而流前温度的下降使取向得不到松弛。同时长边距离浇口位置远，保压不充分也是收缩大的重要原因。塑件翘曲分析实例另从制品冷却厚向温差来看，温差最大达到24，远远大于要求小于10的要求。这主要是型芯冷却不够，特别是拐角处热应力集中，引起长边的内翘。 塑件翘曲分析实例可见，需要调整流动和冷却设计，对流动设计采用分级注射的方式，使流动前锋速度始终保持一致，使取向保持均匀。同时加强型芯冷却，使温度分布均匀。改进后翘曲量减少到1.43MM，基本满足设计要求。 塑件翘曲分析实例