模腔压力和模具温度对最终产品质量的影响.docx
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模腔压力和模具温度对最终产品质量的影响
实验研究注塑成型：
探讨模腔压力和模具温度对最终产品质量的影响
文章来源于《MaterialsandDesign》2009.02编译：
张明
摘要：
如今成型行业比以往任何时候都需要有更好的产品质量。
成型件的质量对其功能有决定性的影响，因此值得关注的是应该是保持一致的公差和整体尺寸。
随着对高质量最终产品需求的持续增加，模腔压力和模具温度的控制显得更加重要。
在这项研究中，用压力和温度传感器来测量并记录模腔压力和模具表面温度，研究中使用的是KistlerCoMo2869A注塑控制仪器。
实验研究了对最终产品质量影响的因素。
本实验研究结果表明，模腔压力和模具温度是注射成型过程中影响最终产品质量的决定性因素。
1、简介
模具制造业是一个很重要的支柱产业，它涉及到了70%以上的消费品的生产。
更短的设计和制造周期对模具制造模具制造业提出来更高的要求，就是要有更短的交货周期，这也是其发展的一个瓶颈。
注射成型是一门复杂的技术，但同时也是一种高效率的生产方式（用于生产热塑性塑料），包括壁薄和复杂形状的产品，同样注塑成型也有许多优点，比如，较短的生产周期，良好的产品表面质量等，因此，它广泛应用于热塑性塑料的成型。
例如，用于开发通讯和电子类消费品，像掌上电脑，手机等。
它导致产品发展的趋势是更薄，更小。
更轻，产品的设计理念是更小，更方便。
最终，产品的形状在不断的变化，同时却拥有更多的功能集于一身。
生产塑料件的主要方式是注塑成型，然而塑料件的壁厚越来越薄，其生产难度变得很大，因此对注塑行业能够生产更薄壁厚的产品提出了更高的需求。
注塑成型的过程可描述如下：
首先，原材料被加热到融化温度，在高压力作用下注射到模具体内，注射完成后需要一段时间保压，用于补缩，最后冷却，开模，取出塑件。
塑件可能有一些缺陷，比如收缩变形，裂纹，熔接痕等。
而这些都是由注射过程中的参数决定的。
这些参数决定了塑料件的精度和质量。
因此，有效的控制这些参数是很重要的。
几个综合方面的研究表明，型腔压力和模具温度对塑件质量有一定的影响。
Postawa 和Koszkul 指出塑件的收缩变化和塑件重量存在一个函数关系；Jansen等人在不同的注射条件下测定了7中塑料的收缩情况，指出成型的重要参数是保压压力和熔体温度；Kazmer和Barkan研究了注射过程中不同压力在充填和保压阶段对产品质量的影响。
他们的研究表明型腔压力是影响产品质量的重要因素；Bushko等人研究了两平行平板件成型过程中注射参数对翘曲，收缩，残余应力的影响。
张某人等设计了一个无线装置，用于测定注射过程中的压力，结果令人欣慰；Tiomnlio等人研究了残余应力和收缩率对最终产品质量的影响；Angstadt和Coulter研究了型腔压力和塑件质量的关系，结果表明型腔压力对塑件质量是有影响的。
以上的学术研究中，研究者们探讨型腔压力和模具温度对产品翘曲，收缩的影响，然而。
产品质量并不是由翘曲和收缩决定的。
通过这种方式，测量结果和注塑参数之间的关系才能被更深入的理解。
另一方面迄今进行的大部分研究都是通过计算机模拟的。
一般来说这种结果是可以接受的，但是在某些情况下，模拟的结果和实验的结果是有差异的。
虽然实验研究的费用是高昂的，但是为了获得准确的结果，这是很有必要的。
在这个试验中为了完全理解各个参数对塑件质量的影响，有必要使用灵敏的传感器件，这样才能从实验中获得令人信服的结果。
在这项研究中，注射参数对塑件质量的影响得到了全面的监测用于测定压力和模温的传感器是置于模具之中的而不是通过注塑机上的传感器获得。
希望这一研究获得的结果会对研究者和模具制造商都有好处。
2.实验研究
1、模具的设计和制造
为了生产出合适的样本塑件产品（见图1），试验中设计了一个模具模型（见图2）图3是是在实验室制作的模具实物，可以看出，这个模具死一模四腔，这个盖子（塑件）是用于一些家用电器上面的。
他的形状和位置公差是有严格要求的，这些公差在这次注塑成型中是经过充分考虑过的。
图1塑件图
图2模具模型
图3型腔和流道在模具中的布局
2、注塑生产
这个实验是在一台HTW58型注塑机上进行的，注射压力为224MP，螺杆直径为25MM，锁模力为2.43T。
实验的最初参数来源于学术文献和工厂生产经验。
实验过程中采用了不同的压力和温度，保压压力从850Bar到100Bar，熔体注射温度从185度到225度，但冷却时间都为25S
实验采用的材料是ABS，它用途广泛，很适用于注射成型，具有良好的尺寸稳定性，还可用于电镀，喷漆等，ABS的性能如下表所示
表1ABS的机械性能
属性
拉伸强度
伸长率
弯曲强度
冲击强度
洛氏硬度
条件
23。
23。
23。
6.1mm
方法（ASTM750）
D638
D638
D790
D256
D785
单位
kg/cm
%
kg/cm
kgcm/cm
R-scale
典型值
500
30
600
21
104
3、测量注射压力和温度
随着高质量注塑机需求的不断增加，控制注射压力和温度对注塑机来说变得很重要。
注塑过程中，通过压力和温度传感器收集信息，并在注塑机的反馈系统作用下，很好的控制和调节这些参数。
虽然，采用压力传感器会增加实验的成本，但是研究的结果是可以弥补这方面的学术空白的。
研究中，传感器安装在合适的位置，对控制实验的过程是很重要的。
最可靠的测量结果只能来源于安装在合适的位置的传感器。
试验中，通过一个测量系统来获得注射压力和温度。
该系统采用了3个Kistler6157B压力传感器，和一个6190BAG温度-压力联合传感器。
KislerComo2869A型注塑控制仪用于优化、监测、控制型腔压力并完成整个注塑过程。
这个COMO型仪器拥有8个通道，在数据库系统的支持下还具有统计和报告功能，这种多合一多功能的仪器很适用于注塑成型过程的控制。
信号通过型腔中的传感器可以直接获得并反馈到注塑机中。
传感器的测量范围为2000~5000PC，输入电压的的测量范围为0~10V。
因此，这传感器很适用于测量模具中的压力和温度，这些传感器的位置见图4图5.压力传感器位于前三个型腔距交道1/3距离处，压力-温度联合传感器位于第四个型腔相应位置的另一边。
图4传感器在模具中的位置
图5传感器在模具中连接位置
4、变形量的测定
为了测定零件的形变，试验中采用了ATOS系统，它能自动的扫描零件而不需要把零件进行特殊的网格划分或在零件上坐上标记，最后该系统自动生成零件的三维图。
另一方面，零件的CAD模型需要导入到ATOS系统中，最终，在GOM软件下，扫描结果和CAD数据模型通过计算机对比分析，将型变量显示出来可见图6
图6样本的GOM分析结果
图7测量的X、Y和圆周方向上的收缩
以下参数将被测量
1、Y方向的收缩
2、X方向的收缩
3、圆周方向上的收缩变化
图8就是一个例子
图8产品样例
3.结果和讨论
1、、探讨型腔压力的影响
在注射过程中，型腔压力是实现良好零件质量、公差的重要指标。
精确的控制注射压力有利于生产出较小公差的产品。
型腔压力直接关系到沿流道方向上的会收缩情况，这样，型腔压力对最终产品质量的影响是显而意见的。
为了得到更好质量的产品和控制这个生产过程，实验中需要通过传感器有效地测量注射过程中的型腔压力。
试验中每个型腔都布置了一个压力传感器，其中第四个型腔的传感器被放在距交道距离不同于其他3个型腔的地方，用于探讨距离对测量到的型腔压力的影响。
图9显示了每个型腔压力的测量结果
一个重要的结论就是，各个型腔测量到的结果是不同的，虽然磨具的形状是几何对称分布的，这个原因可能源于不平衡的交口和交道系统。
注射充填过程中保持各个型腔相等的压力是很有必要的，不然产品的质量就会参差不齐。
实验中虽然使用了不同的初始条件，但却得到了相似的结果。
见图9和图10
传感器位置的不同于获得的测量结果见图9图10
图9型腔压力和时间关系（保压压力900Bar;熔融温度185℃）
图10型腔压力和时间关系（保压压力900Bar;熔融温度200℃）
实验中型腔压力是随着型腔编号的增加而增加的，但测量的结果是第四腔的压力却低于第三腔，这是由于测量点距交道距离较远。
这也是从这个实验中获得的第二个重要结论。
通过比较图9和图10我们可得到最初的模具参数和型腔压力的关系。
当注射熔体温度有185C上升到200C时，型腔压力会同样上升。
我们的实验结果得到了Duday等人的研究结论支持。
也就是熔体温度会影响到注射流速和型腔压力。
2、探讨模具温度的影响
依据Liu和Mamat等人的研究结论，对产品质量影响最关键的因素是模具温度。
Liu发现随着模具温度的上升塑件质量也许会有下降，但是Mamat却持有相反的观点。
为了却定模具温度对塑件质量的影响，特别是塑件收缩和圆周方向上的变化，要求要有全面的测量。
测量的模具温度和模具的初始参数见图11
图11模具温度的影响
这些结果表明了2个重要参数（保压压力和熔体温度）和模具温度的关系，见图11，可以看出保压压力比熔体温度对模具温度的影响更小。
实验收集到的数据显示，当熔体温度从185C上升到225C时，模具温度从50.56C上升高了56.88C；当保压压力由850Bar上升到1000Bar时，模具温度仅上升了0.18C这几乎可以忽略掉了，因此得出熔体温度对模温影响更大。
这项研究进一步表明，模温的上升或下降遵循一个相似的规率，而无论模具的初始参数如何。
模具温度的这种变化规律有利于弥补仿真软件模拟的不足，以更好的预测和控制注塑的生产过程。
图12Y方向的收缩和最大的模具温度、型腔压力的关系
3、型腔压力和模具温度对产品质量的影响
为了探讨型腔压力和模具温度对产品质量的影响，我们选取了从第三个型腔中获得的塑件进行研究。
这是由于相比其他三个型腔它的型腔压力和模具温度是最高的。
实验结果表明，最终产品的尺寸质量如X、Y还由圆周方向上的收缩变化受到了充填过程中型腔压力和模具温度的影响。
图1213显示了X、Y方向的收缩鱼最高型腔压力和模具温度的关系。
结果表明，型腔压力和模具温度对X、Y方向的收缩的影响程度是不同的。
他们对塑件X、Y方向的收缩的影响是强烈的，具体的说就是型腔压力和模具温度越高产品在X、Y方向的收缩就会越小。
但从表中看出他们的关系并不是呈线性的。
根据研究和测量结果图表12、13中一些不可预测的点的上升的意义是无法准确解释的
图13X方向的收缩和最大的模具温度、型腔压力的关系
这种现象产生的原因可能会明显的改变型腔压力和模具温度，但是控制注塑过程中型腔每个点（压力和温度）是不可能的。
图14显示了圆周方向上的收缩变化和最高型腔压力和模具温度的关系
图14圆周方向的收缩和最大的模具温度、型腔压力的关系
正如像在x.、y方向是的收缩一样，控制参数对圆周方向的误差的影响也是很重要的。
当型腔压力和模具温度较低时，圆周上的误差较小，反之亦然。
此外，模具温度对圆周方向的误差的影响比型腔压力的影响更大。
为了生产出更好的产品，塑件的收缩量必须控制的很小。
正如图表中所示最优的型腔压力和模具温度可使产品的收缩量降低50%，处理好初始的注射参数和型腔压力和模具温度的关系能显著的改善产品质量。
这也许很有必要建立一个模型并通过统计学的方法确定最佳的成型条件。
总结
在这项研究中，塑件尺寸进行了精确的网格划分并得到了有效的测量分析，得出型腔压力和模具温度与最终产品质量的关系是密切的，总结如下。
1、通过压力传感器和压力——温度联合传感器成功的获得了多型腔模具注射中连续精确的测量数据。
2、测量点距浇道的距离会影响最终的测量数据。
3、由于不平衡的浇道和交口系统，各个型腔获得的压力值是不统的。
4、模具温度的上升或下降无论初始条件如何都遵循了一个相似的规律。
5、型腔压力和模具温度强烈的影响塑件X、Y和圆周方向上的收缩情况，具体地说就是型腔压力和模具温度越高，产品X、Y和圆周方向上的收缩变化就会越小。
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