塑料成型及模具设计论文

《塑料成型及模具设计论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《塑料成型及模具设计论文（8页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、塑料成型工艺及模具设计课程考核题目CAE在塑料光学零件注射成型中的应用班级：机制一班学号：200740614219姓名：XXX日期2010年12月19 日塑料成型工艺及模具设计-CAE在塑料光学零件注射成型中的应用学生：XXX(工学院2007级机制一班学号：200740614219 )摘要：目前光学塑料非球面零件在各种光电仪器中的应用越来越普遍。针对在注射成型光学塑料零件时对质量的特殊要求，本文介绍了利用注射成型CAE (computer aided engineering)软件moldflow,通过对塑料填充过程、保压过程和冷却过程的模拟分析，对在成型中各工艺参数和模具结构影响光学塑料零件的

2、 残余应力和收缩率等最终质量问题进行了研究。从工艺参数的选取和模具结构设计等方面,提出了如何改善成型光学塑料零件质量的措施，给出了模具面形成型 前补偿的方法。通过采用最大实体原则，利用moldflow分析结果进行模具面形补 偿最优化计算。关键词:注射成型；CAE光学塑料零件；最优化；面形补偿一、引言随着近代光学和光电子技术的飞速发展，光电仪器以及构成这些光电仪器的零件 发生了深刻而巨大的变化。由于模具材料、模具制造技术和精密模压工艺的发展， 所以可以采用模压技术加工精密光学塑料零件，特别是非球面光学零件、透镜阵 列和其它一些难以加工的特殊形状的零件。精密模压成型技术适于大批量生产，成本较低，它

3、适宜制造各种复杂形状的光学零件1。虽然塑料光学零件耐热性 差、线膨胀系数大、双折射大等，但它却具有制造成本低、易于制造复杂形状及 非球面、重量轻、抗冲击性能好等优点。随着成型技术、新型塑料材料、镀膜技 术的发展，光学塑料零件的应用越来越广泛。目前,国外各种光学塑料零件加工工艺已经比较成熟，可以经济地加工高精度的 光学塑料零件。相比之下，国内仍采用传统的工艺进行加工，加工的零件也以玻璃 产品为主，光学塑料的制造和应用还比较少。由于计算机硬件及CAE(computeraided engineering) 软件的发展，所以可以利用软件来提高光学塑料零件的成型 质量并且缩短开发周期。二、光学塑料零件注

4、射成型的特点工程塑料零件成型的精度一般在 0.10.01mm级,而光学塑料零件成型的精度则 在微米级,其面形精度在波长级，如在CD读写头中的塑料非球面透镜的形状精 度要求在0.1um以内。光学塑料成型的任何内部和外部缺陷都是不允许的，例如熔接线在普通的塑料成型中只是降低了此处的机械强度，而在光学塑料零件中，熔接线直接影响光学性能，象气孔等内部缺陷对工程塑料的应用影响并不大 ，而 在光学塑料零件中，则是严重的缺陷。热塑性塑料最常用的成型方法是注射成型法和注射压缩成型法。注射压缩成型法得到的产品面形精度最高，产品的面形几乎可以和模具的面形完全一样。但由于 注射压缩成型设备比普通注塑机贵得多，在我国

5、使用得还不广泛，大多数厂家只 有普通的注塑机，所以如何用普通的注射成型法生产高精度的光学塑料零件有着 很重要的现实意义。三、CAE在注射成型中的作用目前,我国的注塑模具设计和注塑工艺的处理还主要依靠经验。模具加工出来后 进行试模,如果产品不合格，再进行修模或改进注塑工艺，这样可能需要反复多次 不仅造成模具设计周期延长、模具费用和生产成本提高，更重要的是即使最有经 验的设计人员也不可能把各种因素都非常准确地考虑进去，从而使模具设计质量 不高,不能模塑出高质量的产品。利用CAE技术可以设计出高质量的模具,给出最 佳的工艺参数，减少试模和修模次数，这将大大缩短设计周期，降低成本。简单地说，CAE就是

6、在计算机上对产品进行模拟分析，以此来代替试制和试验。 塑料注射成型的CAE主要是对塑料的流动状态、压力分布、冷却过程等进行模拟分析。CAE能模拟塑料注塑零件的工艺条件，以获得最佳的模具结构和工艺参 数,预测制品的几何尺寸、微观结构以及其最终性能。采用CAE技术，可以使工 程技术人员通过对塑料融料在型腔内的流动、保压及冷却进行全面的分析，以此来改进模具的浇注系统、冷却系统，调整成型工艺条件，可以预测填充的剪切应 力、熔接线等，提高试模的一次成功率，提高产品质量和生产率。moldflow注塑CAE软件是澳大利亚 moldflow公司开发的,对热塑性塑料熔体进 入模具的流动过程的模拟分析是非常成功的

7、，特别是在复杂情况下的分析，是世 界公认的注塑CAEX业标准,它精确高效的模拟注塑工艺全过程,能使生产厂家 实现高质量、低成本、短周期的目标。现在,在世界上已得到了广泛的应用，有许 多公司应用moldflow来改善其产品质量，缩短开发周期。对于采用普通注射成型法制造光学塑料透镜来说，由于透镜的厚度较厚，且厚度 变化大,收缩系数变化大，所以很难凭经验预测模具结构和工艺参数对制品质量 的影响。对于光学塑料零件来说，CAE有更大的作用，使得能够利用普通的注塑 机生产较高质量的光学塑料零件。四、工艺参数的优化在塑料注射成型过程中，工艺参数很多，对收缩及残余应力影响较大的主要有：注 射压力、注射温度、填

8、充速度及速度曲线类型、保压压力大小及时间、保压压力 曲线类型、模具温度以及冷却系统的温度等。由于在注射过程中过大的剪切应力会导致过大的残余应力 ，并可能引起塑料的分 解等缺陷；又由于塑件的收缩直接影响几何尺寸和面形，所以在注射过程中的剪 切应力应当控制在合理的范围内，并且尽量减小塑件的收缩。由于浇道系统及各部位几何形状不同，不同部位对充模熔体的流动（速度、压力） 提出不同的要求，否则就要影响熔体在这一部位的流变性能或高分子的结晶定向 作用，以及制品的表面质量，所以这就要求采用多级注射工艺。填充速度曲线类型 如图1所示。冋1111图1填充速度曲线类型图2是填充速度曲线类型对剪切应力的影响。图2填

9、充速度曲线类型对剪切应力的影响a2二f主旨芒 严亠二一lSE !1 1a- 由图2可以看出，填充速度曲线（A）和曲线（B ）的剪切应力差别极小，而填充速 度曲线（C）比曲线（B ）和曲线（A）的剪切应力小得多,这是因为在填充的最后阶 段,边缘的厚度较薄，如果还以高的填充速度注射，必然产生较大的剪切应力。填 充速度曲线（C）在注射结束阶段降低了速度，这样既可以减低剪切应力，又可以 避免产生溢边的现象。所以在注射过程中，应当采用多级注射。通过模拟分析和理论分析可知，填充速度越大剪切应力越大，所以填充速度不宜 过大，且过大的填充速度可能引起喷射等缺陷。模具温度等参数对剪切应力的影 响较小。保压流动和

10、充模时的压实流动都是在高压下的熔体致密流动。 这时的流动特点是 熔体流速很小，不起主导作用，而压力却是影响过程的主导因素。在保压阶段，模 内压力和比容不断变化。产生保压流动的原因是因为型腔壁附近的熔体受冷却后 收缩,熔体比容发生变化，在流入口凝固前，熔体在注射压力作用下继续向型腔补 充熔体,产生保压流动。保压压力曲线类型如图 3所示。从模拟分析中可以得出对塑件收缩影响最显著的因素是 ：保压压力大小、保压压 力曲线、保压时间，而其它因素的影响较小。收缩率随着保压压力的增大而减小。保压压力曲线类型对塑件收缩影响如图 4所示。麻压曲线图4保压压力曲线类型对塑件体积收缩的影响在图4中,曲线（A）是常压

11、方式,它不仅一直以较高的压力补充熔体,又可以使塑 件在浇口凝固时产生高的“封口压力”,根据PVT方程得，封口压力越高则收 缩率越小。而曲线（B ）由于从开始就随时间下降，所以保压效果不如曲线（A）。 曲线C的保压效果和曲线（A）相近，这种方式比较合理，因为可以使塑件在较高 的压力下凝固，减小了塑件的收缩。而在浇道系统凝固后，再施加保压压力已经不 能传递到型腔内，这时的保压已经没有作用，而只能使能量白白地浪费。最合理的 保压方式应该选择曲线（C）,既可以减少收缩，又可以避免过保压，并且能够节约 能量。根据模拟分析所选择的最佳工艺参数的剪切应力和体积收缩如图5和图6所示。图5廉传参数时的呵切鬧力

12、图h ki il:葬数时的收缩率五、模具面形的补偿模具面形补偿有两种方法：成型后测量变形的补偿方法和成型前预测变形的补偿 方法34。目前普遍采用的模具面形补偿方法是成型后测量变形的补偿方法，这一方法中的评价技术、补偿技术以及连续成型的稳定性是决定性因素，其过程如下：用形状和 设计值接近的模具进行实际的成型，评价在最合适的工艺条件下成型的模压零件 并与模具形状相比较，计算模具的补偿量，修正模具面形，再进行成型，直到成型 的零件合格为止。对于透镜来说，形状误差不仅仅是由于树脂收缩而造成的，弯曲和脱模时的变形 也起重要的作用。由于塑料的成型是一个复杂的过程 ，成型品各个部位的变形及 收缩是不同的，随

13、成型品的形状和工艺条件的变化而不同。这就决定了补偿过程 是一个费用高、时间长的反复过程。另一种对模具面形的补偿方法是成型前预测变形的补偿方法，它是根据CAE软件对复杂的零件模拟分析，不用制造模具就可以确定零件各部位的收缩率及变形 ， 然后修改模具面形的几何尺寸，再进行模拟分析，使得可以加工出满足要求的零 件形状。这种方法节约了模具的制造试制费用，缩短模具开发时间，提高了塑件成 型的精度。因为在模具加工完后进行试模，模具可能不完全合适，还需要修模，所以在一般模 具制造中，把型腔做的稍微小一些，以便在修模的过程中模具可以直接在模具上 加工，否则如果模具型腔太大，则需要对模具进行补焊或镀膜，这将大大

14、增加加工 的难度和成本。在进行模具面形补偿时，为了便于模具的修模，补偿的面形应当使模具的型腔也 小一些,即模具型腔保持最大的实体，如图7所示。在图7中,曲面A为补偿后的 模具面形，曲面E为根据计算机模拟分析的结果或所要求的模具面形，用此模具面形在设定的工艺条件下可以产生所设计的透镜形状。但是由于直接加工曲面E是不可能的，所以要用可加工的曲面来近似，这可以选用球面或回转非球面。所以 在曲面拟合时使负误差比正误差小，使负误差与正误差的比值为一个小数，用此 条件作为优化函数的约束条件。在此约束条件下使补偿的面形与模拟分析所要求 的面形的误差加权平方和最小，求得此时的面形参数，这样就有利于模具的修复1

15、7 fulfil形的补啓A补住的面唤B 要求的何枳光学透镜的面形是对称旋转曲面，为了便于加工，模具的面形选用旋转曲面。高精 度的型腔面形可以采用单点金刚石加工的方法，它的加工精度很高，可以直接加 工出高精度非球面的面形。设模具补偿的面形方程为Z = ( x , y )。如果根据计 算机模拟的结果计算的理想模具面形为Z二(x , y ),则补偿曲面与理想模具面 形的误差为 A Z = ( x , y )-(x , y )。根据最大实体原则得到F*. ( .t , 1/)|( x , 1/ - A , y) : d S申AF ( X) =V H 1/)| X - I1J( A , u)l 2dS其

16、目标函数为Ft X)屮勲叮-山屮fl!=f *F( t F v)-叫(x 川 Id S约束条件为F -( x)= n F +(x), n为一个正小数,即h ( x)= n F +(x)- F-(x )=0利用罚函数法求函数F ( x)的最优解X ,就得到了模具面形曲面方程的参数。根 据以上的目标函数和优化方法，可以求得模具面形，使它成型出的零件最终尺寸 接近零件面形几何尺寸的要求5。六、结论本文介绍了利用先进的塑料模拟分析软件Moldflow对光学塑料透镜进 行了模拟分，可以对各种工艺参数进行优化以取得最佳的成型结果。采用优化技 术等计算方法在成型前对其进行了模具型腔的面型补偿。采用成型前补偿模具的方法可以大大减少模具的试模和修模次数，能够提高成型的面型精度，这将减少 开发费用、开发时间，并提高了制品的质量。参考文献：塑料成型工艺与模具设计屈华昌主编北京高等教育出版社2007.8 塑料成型工艺与注塑模具付宏生主编北京化学工业出版社2007 塑料成型加工与模具黄虹主编北京化学工业出版社2009.1塑料成型与模具设计涂序斌朱三武主编北京北京理工大学出版社2009