MOLDFLOW模具分析技术基础

第一章MOLDFLOW分析基础知识1.1注塑成型基础知识所谓注塑成型是指将已加热熔化的材料喷射注入到模具内,经由冷却与固化后,得到成品的方法.在树脂原料经由注塑机注塑成型变为塑料制品的整个过程中,包括以下几个部分.1.计量:为了成型一定大小的塑件,必须使用一定量的颗粒状塑料,这就需要计量.2.塑化:为了将塑料充入模腔,就必须使其变为熔融状态,流过充入模腔.3.注塑充模:为了将熔融塑料充入模腔,就需要对熔融塑料施加注塑压力,注入模腔.4.保压增密:熔融塑料充满模腔后,向模腔内补充因制品冷却收缩所需的物料.5.制品冷却:保压结束后,制品开始进入冷却定型阶段.6.开模:制品冷却定型后,注塑机的合模装置带动模具动模部分与定模部分分离.7.顶件:注塑机的顶出机构顶出塑件.8.取件:通过人力或机械手取出塑件和浇注系统冷凝料等.9.闭模:注塑机的合模装置闭合并锁紧模具.1.2注塑成型机注塑成型机可分为柱塞式和螺杆式两种,这两种注塑成型机都是由注塑系统,锁模系统和模具组成..1.2.1注塑系统注塑系统是注塑机的主要组成部分.它能够使树脂原料在注塞或螺杆的推动或旋转推进下均匀塑化,在高压下快速注入模具,注塑系统包括加料装置,料筒,螺杆或柱塞,喷嘴,加压和驱动装置等.1.2.2锁模系统注塑机上实现锁合模具,启闭模具和顶出制件的机构称为锁模系统.熔料在高压下注入模具,必须施加足够大的锁模力才能保证模具严密闭合不溢料,锁模结构还应保证模具启闭灵活,准确,迅速和安全,并防止损坏模具和制件,避免机械受到强烈震动,达到安全运行以延长机器和模具的使用寿命.1.2.3模具模具是为了将树脂原料做成某种形状而用来承接射出树脂的部件.注塑模具主要由浇注系统,成型零件和结构零件组成.1.3注塑成型过程在注塑过程的塑化,填充,保压和冷却这四个主要阶段中,起主要作用的工艺参数也随着注塑过程的变化而变化.1.塑化塑化是指塑料在料筒内经加热达到良好可塑性的流动状态的全过程.塑化是注塑成型的准备阶段.熔体在进入模腔之前应达到规定的成型温度,并能在规定时间内达到足够数量,熔体温度应均匀一致,不发生或极少发生热分解以保证生产的连续进行.2.填充这一阶段从柱塞或螺杆开始向前移动起,直至模腔被塑料熔体充满为止.填充过程中包含的重要工艺参数有：熔体温度,注塑压力,填充时间.充模刚开始一段时间内模腔中没有压力,待模腔充满时,料流压力迅速上升达到最大值.充模的时间与模塑压力有关,充模时间长,先进入模内的塑料受到较多的冷却,粘度增大,后面的塑料就需要在较高的压力下才能进入模腔,反之,所需的压力则较小.在前一情况下,由于塑料受到较高的剪切应力,分子定向程度比较大.这种现象如果保留到料温降低至软化点以后,则制品中冻结的定向分子将使制品具有各向异性.这种制品在温度变化较大的使用过程中会出现裂纹,裂纹的方向与分子定向方向是一致的.而且,制品的热稳定性也较差,这是因为塑料的软化点随着分子定向程度增高而降低.高速充模时,塑料熔体通过喷嘴,主流道,分流道和浇口时产生较多的摩擦而使料温升高,这样当压力达到最大值时,塑料熔体的温度就能够保持较高的值,分子定向程度可减少,制品熔接强度也提高.充模过快时,在嵌件后部的熔接往往不好,致使制品强度变劣.3.保压这是指从熔体充满模腔时起,至柱塞或螺杆撤回时为止的一段时间.保压阶段包括的重要工艺参数有:保压压力,保压时间.保压阶段中,塑料熔体因受到冷却而发生收缩,但因塑料仍然处于柱塞或螺杆的稳压下,料筒内的熔料会被继续注入模腔内补足因收缩而留出的空隙,如果柱塞或螺杆停在原位不动,压力曲线就会略有衰减;如果柱塞或螺杆保持压力不变,也就是随着熔料入模的同时向前做少许移动,则在此段中模内压力维持不变.此时压力曲线与时间轴平行.压实阶段对于提高制品的密度,降低收缩和克服制品表面缺陷都有影响.此外,由于塑料还在流动,而且温度又在不断下降,定向分子容易被冻结,所以这一阶段是大分子定向形成的主要阶段.这一阶段拖延时间愈长,分子定向程度也将愈大.4.冷却这一阶段是指从浇口的塑料完全冻结时起,到制品从模腔中顶出时为止.冷却阶段包括的重要工艺参数是冷却时间冷却时模腔内压力迅速下降,模腔内塑料在这一阶段内主要是继续冷却,以便制品在脱模时具有足够的刚度而不致发生扭曲变形.在这一阶段内,虽无塑料从浇口流出或流入,但模内还可能有少量的塑料流动,因此到制品脱模时,模内压力不一定等于外界压力,模内压力与外界压力的差值成为残余压力.残余压力的大小与压实阶段的时间长短有密切关系.残余压力为正值时,脱模比较困难,制品容易被刮伤或破裂;残余压力为负值时,制品表面容易有陷痕或内部有真空泡.所以,只有大残余压力接近零时,脱模才比较顺利,并能够获得满意的制品.1.4注塑成型工艺条件注塑成型工艺条件主要包括温度,压力和时间等1.温度注塑成型过程中的温度主要有熔料温度和模具温度.熔料温度影响塑化和注塑充模,模具温度影响充模和冷却定型.熔料温度指塑化树脂的温度和从喷嘴射出的熔体温度,前者称为塑化温度,后都称为熔体温度.由此看来,熔料温度取决于料筒和喷嘴两部分的温度.熔料温度的高低决定熔体流动性能的好坏.熔料温度高,熔体的粘度小,流动性能好,需要的注塑压力小,成型后的制件表面光洁度好,出现熔接痕,缺料的可能性就小.反之熔料温度低,就会降低熔体的流动性能,会引起表面光洁度低,缺料,熔接痕明显缺陷.但是熔料温度过高会引起材料热降解,导致材料物理和化学性能降低.模具温度是指和制品接触的模腔表面温度.模具温度直接影响熔体的充模流动行为,制件的冷却速度和制件最终质量.提高模具温度可以改善熔体在模腔内的流动性,增强制件的密谋和结晶度以及减小充模压力和制件中的压力.但是,提高模具温度会增加制件的冷却时间,增大制件收缩率和脱模后的翘曲,制件成型周期也会因为冷却时间的增加而变长,降低了生产效率.降低模具温度,虽然能够缩短冷却时间,提高生产率,但是,会降低熔体在模腔内的流动能力,并导致制件产生较大的内应力或者形成明显的熔接痕等制件缺陷.2.压力注塑过程中的压力主要有注塑压力,保压压力和背压注塑压力是指螺杆或者柱塞沿轴向前移时,其头部向塑料熔体施加的压力.它主要用于克服熔体在成型过程中的流动阻力,还对熔体起一定程度的压实作用.注塑压力对熔体的流动,充模及制件质量都有很大影响.注塑压力的大小取决于制件成型树脂原料的品种,制件的复杂度,壁厚,喷嘴的结构形式,模具浇口的类型和尺寸以及注塑机类型等因素.保压压力是指对模腔内树脂熔体进行压实以及维护向模腔内进行补料流动所需要的压力.保压压力是重要的注塑工艺参数之一,保压压力和保压时间的选择直接影响注塑制品的质量,保压压力与注塑压力一样由液压系统决定.在保压初期,制品重量随保压时间而增加,达到一定时间不再增加.延长保压时间有助于减少制品的收缩率,但过长的保压时间会使制品两个方向上的收缩率程度出现差异.令制品各个方向上的内应力差异增大,造成制品翘曲,粘模.在保压压力及熔体温度一定时,保压时间的选择应取决于浇口凝固时间.背压是指螺杆顶部熔料在螺杆转动后退时对其施加的反向压力.增大背压可以排出原料中的空气,提高熔体密实程度,还会增大熔体内的压力,螺杆后退速度减小,塑化过程的剪切作用加强,摩擦热增多,熔体温度上升,塑化效果提高.但是背压增大后,如果不相应提高螺杆转速,那么,熔体在螺杆计量段螺槽中将会产生较大的逆流和漏流,从而使塑化能力下降.背压的大小与制件成型树脂原料品种,喷嘴种类以及加料方式有关.3.时间注塑成型周期主要由注塑时间Ti,保压时间Tp,冷却时间Tc,开模时间To组成.th为TP与TC之和.注塑时间是指注塑活塞在注塑油缸内开始向前运动直至模腔被全部充满为止所经历的时间.保压时间为从模腔充满后开始,到保压结束为止所经历的时间.注塑时间与保压时间由制件成型树脂原料的流动性能,制件几何形状,制件尺寸大小,模具浇注系统的形式,成型所用的注塑方式和其他工艺条件等到因素决定.冷却时间指保压结束到开启模具所经历的时间.冷却时间的长短受熔体温度,模具温度,脱模温度和冷却剂温度等因素的影响.在保证取得较好制件质量的前提下,应当尽量缩短冷却时间的大小,否则,会延长制件成型周期,降低生产效率,还可能造成具有复杂几何形状的制件脱模困难.开模时间为模具开启取出制件到下个成型周期开始的时间.注塑机自动化程度高,模具复杂度低,则开模时间短;否则,开模时间较长.1.5常见制品缺陷及产生原因1．5．1短射短射是指由于模具模腔填充不完全造成制品不完整的质量缺陷，即熔体在完成填充之前就已凝结。1．短射成因。流动爱限，由于浇注系统设计的不合理导致熔体流动受到限制，流道过早凝结；。出现滞流或者制品流程过长，过于复杂；。排气不充分，未能及时排出的气体会产生阻止流体前沿前进的压力，从而导致短射发生；。模具温度或者熔体温度过低，降低了熔体的流动性，导致填充不完全；。成型材料不足，注塑机注塑量不足或者螺杆速率过低也会造成短射；。注塑机缺陷，入料堵塞或者螺杆前端缺料等，都会造成压力损失和成型材料体积不足，形成短射。2．解决方案。避免滞流现象的发生；。尽量消除气穴，将气穴放置在容易排气的位置或者利用顶杆排放气体；。增加模具温度和熔体温度；。增加螺杆速率，螺杆速率的增加会产生更多的剪切热，降低熔体粘性，增加流动性；。改进制件设计，使用平衡流道，并尽量减小制件厚度和差异，减小制件流程的复杂程度。。更换成型材料，选用具有较小粘性的材料，材料粘性小，易于填充，而且完成填充所要求的注塑压力也会降低；。增大注塑压力最大值。1．5．2气穴气穴是指由于熔体前沿汇聚而在塑胶内部或者模腔表面形成的气泡。气穴的出现有可能导致短射的发生，造成填充不完全或保压不充分，形成最终制件的表面瑕疵，甚至可能由于气体压缩产生热量出现焦痕。1．气穴成因。跑道效应；。滞流；。流长不平衡，即使制件厚度不均，各个方向上的流长也不一定相同，导致气穴产生；。排气不充分，在制件最后填充区域缺少排气或者排气口不足是引起气穴形成的最常见原因。2．解决方案。平衡流长；。避免滞流和跑道效应的出现，对浇注系统作修改，从而使制件最后填充位置位于容易排气的区域；。充分排气，将气穴放置在容易排气的位置或者利用顶杆排放气体。1．5．3熔接痕和熔接线当两个或多个流动前沿融合时，会形成熔接线和熔接痕，两者的区别在于融合流动前沿夹角的大小。两个箭头为流动前沿方向，若图中标注的@角大于135‘，则形成熔接线，若小于135’，则形成熔接痕。熔接线位置上的分子趋向变化强烈，因此该位置的机械强度明显减弱。熔接痕要比熔接线的强度大，视觉上的缺陷也不如熔接线明显。熔接痕和熔接线出现的部位还有可能出现凹陷，色差等质量缺陷。1．熔接线和熔接痕成因由于制件的几何形状，填充过程中出现两个或者两个以上流动前沿时，很容易形成熔接痕或者熔接线。2．解决方案。增加模具温度和熔体温度，使两个相遇的熔体前沿融合得更好；。增加螺杆速率；。改进浇注系统的设计，在保持熔体流动速率的前提下减小流道尺寸，以产生摩擦热。制件的机械性能和表观质量。通过改变浇口位置或者改变制件壁厚可以改变熔接线和熔接痕的位置。1．5．4滞流滞流是指某个流动路径上的流动变缓甚至停止。1．滞流成因如果流动路径上出现壁厚差异，熔体会选择阻力较小的厚壁区域首先填充，这会造成薄壁区域填充缓慢或者停止填充，一旦熔体流动变缓，冷却速度就会加快，粘度增大，从而使流动更加缓慢，形成循环。滞流通常出现在筋，制件上与其他区域存在较大厚度差异的薄壁区域等。滞流会产生制件表面变化，导致保压效果低劣，高应力和分子趋向不均匀，降低制件质量。如果滞流的熔体前沿完全冷却，那么成型缺陷就由滞流变为短射。2．解决方案。浇口位置远离可能发生滞流的区域；尽量使容易发生滞流的区域成为最后填充区域；。增加容易发生滞流区域的壁厚，从而减小其对熔体流动的阻力；。选用粘度较小的成型材料；。增加注塑速率以减小滞流时间；。增大熔体温度，使熔体更容易进入滞流区域。1．5．5飞边飞边是指在分型面或者顶杆部位从模具模腔溢出的一薄层材料。