塑料成型及模具设计论文

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(computer aided 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、光学塑料零件注射成型的特点

工程塑料零件成型的精度一般在0.1～0.01mm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,特别是在复杂情况下的分析,是世界公认的注塑CAE工业标准,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。

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 填充速度曲线类型对剪切应力的影响

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