快速热循环注塑工艺实验及模拟研究

论文摘要

注塑成型技术由于能够生产结构复杂的制品,并且生产精度和生产效率高,能够实现批量化生产,在塑料的成型技术中占有极其重要的位置。传统的注塑工艺由于在整个生产周期中模具温度都保持恒定,而为了保证生产效率,模温一般维持在较低水平,因此在填充阶段,塑料熔体遇到冷的模具壁就会形成冷凝层,会降低熔体的流动性,导致塑件的表面质量较差,加工精度较低。为了满足人们对塑料制品高精度、高力学性能和高表面质量的要求,快速热循环注塑工艺(Rapid Heat Cycle Molding, RHCM)应运而生。RHCM工艺采用的是动态的模温控制策略,在填充之前采用一定的加热方式使模具温度快速提高到塑料的玻璃化转变温度以上,填充结束后再通入低温冷却介质实现模具的快速冷却,在保证生产效率的同时,塑件表面高光泽度、无熔接痕,可避免打磨、喷涂等二次加工工序。本论文围绕RHCM工艺,通过模拟和实验相结合的方式分析了RHCM工艺特点和原理,探讨了RHCM工艺冷却过程中的冷却时机和冷却速率对塑件质量的影响,研究了RHCM工艺在非结晶性高分子材料和结晶型高分子材料的加工过程中的应用情况。论文首先针对RHCM工艺的变模温工艺特点,模拟了不同模具型腔表面温度下熔体的填充过程,分析了模具温度变化对注射压力、锁模力、冻结层因子和壁上剪切应力等的影响。基于模拟分析,在残余应力、翘区、缩痕及体积收缩率等方面,对传统注塑工艺和RHCM工艺进行了对比分析,研究了RHCM工艺的对塑件质量的影响规律。通过模拟研究,分析了冷却速率和冷却时机对塑件质量的影响规律。填充阶段结束后的冷却是RHCM工艺中非常重要的一个环节,不仅决定了该工艺的生产效率,并且对塑件的最终质量也有很大影响。本文通过模拟分析不同冷却时机和冷却速率下塑件的翘曲变形和缩痕指数,研究了冷却速率与冷却时机对塑件翘曲和缩痕的影响规律,优化获得了最佳的冷却时机和冷却速率。以苯乙烯(PS)和聚丙烯(PP)为例,分别对结晶型和非结晶型高分子材料的RHCM工艺进行了实验和模拟研究。利用实验室自行构建的电加热快速热循环注塑试验生产线,在不同的模具温度下成形标准试样,利用拉伸试验机和冲击试验机分别测试试样的拉伸强度和缺口冲击强度,利用白光干涉仪表征了塑件的表面形貌,分析了模具型腔表面温度对拉伸强度、冲击强度、表面粗糙度和熔接痕的影响规律。基于正交试验设计法,研究了熔体温度、注射压力、注射速率和模具温度对PS熔体和PP熔体填充能力的影响规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 注塑成型工艺过程
• 1.1.2 注射成型的主要工艺条件
• 1.1.3 注射成型设备
• 1.2 快速热循环注塑工艺及其发展现状
• 1.2.1 快速热循环注塑工艺的原理
• 1.2.2 快速热循环注塑工艺的研究现状及存在的问题
• 1.3 本文的研究意义及研究内容
• 第二章 快速热循环注塑过程数值模拟研究
• 2.1 引言
• 2.2 RHCM工艺填充过程数值模拟
• 2.2.1 建模及划分网格
• 2.2.2 选择材料和设置工艺参数
• 2.2.3 模拟结果分析
• 2.3 快速热循环注塑工艺与传统注塑工艺模拟对比试验
• 2.3.1 实验设计
• 2.3.2 结果分析
• 2.4 快速热循环注塑工艺冷却过程分析
• 2.4.1 冷却时机分析
• 2.4.2 冷却速率分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 非结晶型高分子材料的快速热循环工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 非结晶型材料PS的RHCM工艺实验研究
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 实验材料
• 3.2.3 仪器与设备
• 3.2.4 实验设计
• 3.2.5 实验结果与讨论
• 3.3 注塑工艺参数对PS熔体填充性能的实验研究
• 3.3.1 实验设计
• 3.3.2 实验结果
• 3.4 不同模温下PS熔体填充能力模拟研究
• 3.4.1 模拟实验
• 3.4.2 模拟结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 结晶型高分子材料的快速热循环工艺研究
• 4.1 引言
• 4.2 结晶型材料PP的RHCM工艺实验研究
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 实验材料
• 4.2.3 仪器与设备
• 4.2.4 实验设计
• 4.2.5 实验结果与讨论
• 4.3 注塑工艺参数对PP熔体填充性能的实验研究
• 4.3.1 实验设计
• 4.3.2 实验结果
• 4.4 不同模温下PP熔体填充能力模拟研究
• 4.4.1 模拟实验
• 4.4.2 模拟结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表