(完整word版)注塑成型工艺优化实验指导书

实验指导书
院系：机电工程学院
专业：机械设计制造及自动化课程：塑料成型工艺及模具设计编者：机械教研组
目录
实验一注塑模具拆装 (1)
实验二注塑成型工艺参数优化 (3)
实验二注塑成型工艺参数优化
一、实验目的：
1．了解注塑成型过程和成型工艺条件;
2．掌握注塑成型工艺参数的确定以及它们对制品结构形态的影响；
3．掌握模流分析软件的使用;
4．了解不同材料不同工艺的塑料产品工程分析方法。

二、实验内容:
以卡扣塑料平板为例，应用正交试验法，结合Autodesk Moldflow 模流工程分析软件，有系统的进行实验，探讨注塑成型工艺参数与工艺条件对制品翘曲变形的影响，进而求得最小翘曲量的注射成型工艺参数。

三、实验原理与方法：
本实验使用Moldflow 模流分析软件，通过数值模拟可以描述塑料在注塑成型时，遭受热力历程与行为变化，以及在模具内产生的速度分布、应力分布、温度分布、压力分布，并藉此探讨冷却固化、翘曲变形和加工参数及模具设计参数的关系，本实验仿真卡扣塑料平板注射成型过程，Moldflow快速模拟加工工艺参数来寻求最佳成型参数，下图模流分析流程：
图1 实验分析流程
四、实验条件：
1、电脑
2、MOLDFLOW软件
3、正交试验法教程
4、模具分析软件使用教程
5、塑料卡扣平板实验案例(含建模）
五、实验步骤：
(一）前处理
在Moldflow Plastics Insight）前处理过程主要是制品模型创建及导入模具分析软件，并进行模型、网格划分与修改、材料选择、浇道系统设计与进浇位置选择和创建冷却系统。

制品划分网格后的有限元模型如图2,图3为三种不同的成型工艺方案。

A俯视图
B正视图
C仰视图
D左视图
图2 制品有限元分析模型
方案一
方案二
方案三
图3 制品成型工艺方案
实验过程中提供电子图档有限元分析模型，在此选择方案 .
浇注系统形状尺寸如下（详细说明主流道、分流道、浇口）：
冷却系统分布以及形状尺寸如下（型芯，型腔）：
(二)实验材料（选择其一)
图4 试验材料选择
1、选用材料为奇美一般级ABS Polylac PA-757 材质，为注塑成形所使用塑料，在Moldflow 材料数据库即可选用分析，详见附1材料工艺参数推荐，也可查阅PA—757 材料特性表，针对卡扣塑料平板，不像使用在机械结构上需要强大的机械强度，其较注重为注塑成形后的几何公差，以及翘曲变形程度.
2、选用材料为PC，制造商Bayer MaterialScience，牌号Makrolon 1243,为注塑成形所使用塑料，在Moldflow 材料数据库即可选用分析，详见附1材料工艺参数推荐，也可查阅
Makrolon 1243材料特性表,针对卡扣塑料平板,不像使用在机械结构上需要强大的机械强度,其较注重为注塑成形后的几何公差，以及翘曲变形程度。

3、选用材料为ABS/PC，制造商与牌号可以自己拟定，建议模具温度50-100度，塑料熔体温度230—300度,在Moldflow 材料数据库即可选用分析，详见附1材料工艺参数推荐，也可查阅ABS/PC材料特性表,针对卡扣塑料平板，不像使用在机械结构上需要强大的机械强度,其较注重为注塑成形后的几何公差，以及翘曲变形程度。

注塑机可以按照系统默认，或者按照自己需求进行选择。

在此实验选择材料为：,初设工艺参数如下：塑料温度（˚C)，充填时间（Sec) 、保压时间(Sec）、冷却时间（Sec）、开模时间(Sec）、注射压力(Mpa) 和保压压力（MPa) ，其他工艺参数：。

（可以查询文献资料)
（三）分析流程选择及工艺设置
本实验选取热塑性塑料的冷却+充填+保压+翘曲的工程分析指令.
图5 选择分析流程
在冷却设定页面图6包含了熔胶温度、开模时间和射出、保压与冷却时间，一般来说熔体温度在Molflow 依照选择的材料里，系统会推荐最佳注射温度，故在设定上熔胶不可超出容许温度，不然塑料容易烧结,开模时间包含了开模+顶出+合模的综合时间，在Moldflow 无法将
冷却时间独立出来，需要将注射时间与保压时间一起加总计算。

图6冷却设定
充填与保压设定页面中如图7所示,充填控制有流速、螺杆速度与注射时间可选择，在此选择注射时间进行仿真，而速度/压力切换也有依射压、液压、锁模力…等等可选择，这里选择依射压来进行切换,保压控制上直接选择保压压力vs 时间来控制，可以选择编辑曲线可弹出曲线设定的对话框，依照所需要设定给予的保压压力和保压时间来控制保压压力曲线。

图7 充填与保压设定
翘曲设定页面如8 所示，不同的网格划分方式会有不一样的成型条件设置，此研究采用双层网格依照可选择的项目说明如下：（1）考虑模具热膨胀:在射出成形过程中，模具温度会随着熔体温度升高而升高，因此模具会产生热膨胀,引起模具模腔膨胀，致使塑件翘曲变形.（2）分离翘曲原因：引起翘曲的因素有三个，选择此选项可在分析结果列出每一种因素(收缩、冷却、分子取向)对翘曲变形量的影响。

(3)考虑转角影响:由于模具的限制会使塑件锐角区域的厚度方向比平面方式的收缩更大，此选项就是考虑了模具的限制对分析结果的影响。

图8翘曲设定
（四）初始模拟分析结果
依照所建构之几何模型与仿真参数设定可按照分析需求进行以下各阶段分析：1. 充填流动分析与保压分析：
（1）流动波前（melt front advancement）
检查有无短射、包风和熔合线…等等问题
（2)温度分布（temperature disturbution)
可依据热量集中位置进行冷却改善
（3）压力分布(pressure distribution)
多点入浇时可评估浇口压力问题，找出较佳入浇位置
(4)剪切应力分布(shear stress distribution)
检查剪切应力分布是否均匀,如不均匀可能产生压力集中,而造成翘曲产生（5）剪切率分布(shear rate distribution)
剪切率与分子配向有关，若剪切率过高会拉断塑料高分子链,产生裂解
（6)体积收缩率分布（volumetric shrinkage distribution）
体积收缩取决于保压问题,不均匀收缩容易产生成品变形
2。

冷却分析
（1)塑料温度分布
可判别塑料温度是否以降于顶出温度之下
(2）冷却回路进出口温度分布
依据冷却回路进出口温度可判定回路对于降低模具温度是否平均，进出口温度差异过大,表示冷却回路设计不当,容易产生成品变形
3.翘曲分析
(1)位移分布(displacement distribution)
判别成品在整体变形和x、y、z 方向各别单一的变形量
（2）体积收缩率分布（volumetric shrinkage distribution)
成品在温度降至常温的体积缩收变化，变化越严重表示成品翘曲或变形更大
（3)变形翘曲量
在Modflow 翘曲分析中可以得到总翘曲量和x、y、z 分别的翘曲量，此研究中不针对总变形量探讨，主要以改善影响质量的区域作为量测依据.
（五）应用田口实验计划法
田口方法在于使所设计的产品质量稳定、波动性小，使生产过程对各种噪声不敏感.在产品设计过程中，利用质量、成本、效益的函数关系，在低成本的条件下开发出高质量的产品，田口方法以实验手段来决定设计参数，设计的目标在追寻最佳产品或是工艺过程，且能持续维持稳健性，使受到外在干扰因子的影响降到最小，在田口方法的构想中，依照控制因子及水平数选择适当的直交表，并以S/N（Signal toNoise)比作为实验数据的来源，再加以探讨选定的控制因子对于质量特性影响的多少，使外在的干扰因子对质量特性减至最小，称为稳健设计.
因子又称为自变量,也就是在制程中或产品零组件中会影响质量特性质的参数，因子又分为四种类:分为控制因子（control factor)、信号因子(signal factor)和干扰因子(noise factor）或误差因子（error factor).
1、选定质量特性
本实验的目的就是为探讨注射成型的成型参数对制品翘曲的影响，其翘曲量为其质量特性,且为望小特征。

2、选定控制因子与水平
选定控制因子为：塑料温度（˚C），充填时间(Sec) 、保压时间（Sec)、冷却时间(Sec）、开模时间(Sec）、注射压力(Mpa）和保压压力（MPa)，分别赋予三水平，控制因子水平如表1所示，相关参数为实际现场依照经验法则测试而定，搭配不同级距产生三组参数来进行计算机仿真.A-G的工艺参数可以根据实际需求进行合理选择。

表1 控制因子水平
因素水平1水平2水平3
A塑料温
A1A2A3
度
B充填时间B1B2B3
C保压时
C1C2C3
间
D冷却时
D1D2D3
间
E开模时间E1E2E3
F注射压力F1F2F3
G保压压
G1G2G3
力
3、挑选适当直交表
选定7 个控制因子、3 水平数且不考虑交互作用，采用正交试验法所推荐的
表，如表2 所示.根据表2所设计出实验数据如表3所示.
表2实验数据表
4、实验结果
（1）计算机仿真数据结果分析
由控制因子对质量特性的因子反应分析结果可得知，控制因子对质量特性产生效应大小依序为:
由表2可以得到优化参数，如表10中有底色标注的参数所示，其依序组合为:
表1 成型工艺参数设定（添加底色注明最优组合）
表2实验数据表
(3）原始参数模拟分析,制品翘曲变形图：
（4）优化参数结果与Moldflow 分析，制品翘曲变形图:六、实验注意事项：
（1)注意观察模流分析过程中注射成型制品的缺陷，并探讨如何解决.对充填、冷却、翘曲结果进行分析，掌握制品成型质量的工艺影响。

（2）改变浇注系统与冷却系统参数，对成型质量有如何影响？试用模流分析软件进行分析，并做出总结.
（3）对三种工程塑料进行分析说明，总结优缺点及应用。

七、实验报告要求：
要求提交模流分析结果电子档和纸质版实验报告，模流分析结果按组提交.实验报告中需要体现完整的实验材料参数、实验条件、工艺参数与结果数据。

八、实验总结：
九、附录
附1
材料工艺参数推荐：
(1）聚碳酸酯（PC）
料筒温度喂料区70~90℃（80℃）
区1 230～270℃(250℃）
区2 260～310℃（270℃）
区3 280～310℃（290℃）
区4 290～320℃（290℃）
区5 290～320℃（290℃）
喷嘴 300～320℃（290℃）
括号内的温度建议作为基本设定值，行程利用率为35％和65％，模件流长与壁厚之比为
50：1到100：1。

熔料温度 280～310℃.
料筒恒温 220℃/ S9
模具温度 80～110℃
注射压力因为材料流动性差,需要很高的注射压力：130～180MPa(1300～1800bar）
保压压力注射压力的40％～60％；保压越低,制品应力越低
背压 10～15MPa（100～150bar）
注射速度取决于流长和截面厚度:薄壁制品需要快速注射;需要好的表面质量，则用多级慢速注射
螺杆转速最大线速度为0.6m/s；使塑化时间和冷却时间对应;螺杆需要大扭矩
计量行程（0.5～3。

5）D5 C B( I3 S9 W）D;
残料量 2～6mm，取决于计量行程和螺杆直径
预烘干在120℃温度下烘干3h;保持水份低于0.02％，会使得力学性能更优
回收率最多可加入20％回料；较高的回料比例会保持抗热性，但力学性能会降低
收缩率 0。

6％~0。

8％，若为玻璃增强类型，0。

2％～0。

4％
浇口系统浇口直径应该至少等于制品最大壁厚的60％~70％，但是浇口直径至少为1。

2mm（浇口斜度为3～5°,或表面质量好的制品需要2°）；对壁厚均匀的较小制
品可采用点式浇口
机器停工时段如生产中断,操作机器像挤出机那样直到没有塑料挤出并且温度降到200℃左右：清洗料筒，用高粘性PE，将螺杆从热料筒中抽出并用钢丝刷刷去残料。

料筒设备标准螺杆,止逆环，直通喷嘴
（2）丙烯睛－丁二烯－苯乙烯共聚物(ABS）
料筒温度喂料区40~60℃（50℃）
区1 160～180℃（180℃）
区2 180～230℃(210℃）
区3 210～260℃(240℃）
区4 210~260℃（240℃）
区5 210～260℃(240℃）
喷嘴210～260℃(240℃）
括号内的温度建议作为基本设定值，行程利用率为35％和65%,模件流长与壁厚之比为50:1到100：1
料筒恒温220℃
模具温度40～80℃
注射压力100~150MPa（1000~1500bar）
保压压力保压时间相对较短，注射压力的30％~60％
熔料温度220~250℃
背压 5～15MPa(50～150bar）;如果背压太低,熔料中裹入的空气会造成焦化（在制品内有灰黑纹路）
注射速度最好采用分级注射：从慢到快;需要注射速度以达到好的表面光泽,最小熔合缝以及熔合缝高强度；需要在前流道会合处开设通气隧道.
螺杆转速最大螺杆转速折合线速度为0。

6m/s，但最好将螺杆转速设置低一点,只要能在冷却时间结束前完成塑化过程即可。

计量行程(0。

5～4）D
残料量 2～8mm，取决于计量行程和螺杆直径
预烘干 ABS在有些情况下可从原料袋内直接喂料无需预烘干,否则在80℃温度下烘干3h；
潮湿的颗粒会造成制品有裂纹、擦痕或气泡。

回收率可加30％的回料，前提是之前材料没有发生热降解
收缩率 0。

4％~0。

7％
浇口系统可使用点式浇口和热流道；最小壁厚不应小于0.7mm，因为ABS流动性较差
机器停工时段无需用其它料清洗
料筒设备标准螺杆，止逆环，直通喷嘴
（3）丙烯睛－丁二烯－苯乙烯共聚物/聚碳酸酯（ABS/PC)
料筒温度喂料区 50～70℃（70℃）
区1 230～250℃（250℃）
区2 250~260℃（260℃）
区3 250～270℃（265℃）
区4 250～270℃(265℃）
区5 250～270℃（265℃)
喷嘴 250～270℃（270℃)
括号内的温度建议作为基本设定值，行程利用率为35％和65%,模件流长与壁厚之比为50：1到100：1。

熔料温度 260～270℃
料筒恒温 200℃
模具温度 70～90℃
注射压力 80～150MPa(800～1500bar）
保压压力注射压力的40％～50％以避免制品发生缩壁;为了使制品的内应力最小化，保压压力应该尽可能设置低。

背压只要5～10MPa(50～100bar）,避免产生摩擦热。

注射速度中等注射速度,将摩擦热降至最小；多级注射；对有些制品建议采用从慢到快。

螺杆转速最大螺杆转速折合线速度为4.0m/s
计量行程（1。

0~3.0）D，因为熔料对过热和在料筒内残留时间过长很敏感；残留时间不应超过6min,在热流道中的滞留时间也应尽可能小。

残料量 2～5mm，取决于计量行程和螺杆直径.
预烘干在80℃温度下烘干4h。

回收率可加入20%的回料，只要料没有发生热降解并进行过适当的预烘干；如为强度要求不高的制品则更好。

收缩率几乎各向同性，0。

5%～0.7％;对玻璃纤维增强型，0.2％～0.4％。

浇口系统任何一种普通形浇口都可使用；浇口处有热流道,温度必须闭环控制。

机器停工时段关闭加热，像操作挤出机一样操作机器清洗料筒。

料筒设备标准螺杆直径为50mm；对大直径螺杆，采用低压缩和短计量段几何尺寸；止逆环，直通喷嘴。

附2，举例ABS
表1 控制因子水平
表2实验数据表。