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1、上海交通大学硕士学位论文ABS材料零件的注塑工艺和模具设计姓名：万传伟申请学位级别：硕士专业：材料工程指导教师：吴建生20080601上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文 摘要摘要 I ABS 材料零件的注塑工艺和模具设计 摘 要材料零件的注塑工艺和模具设计 摘 要 商用扫描仪是一种高速、可靠的商业办公设备。扫描仪托盘是扫描仪上重要的外观零件。其尺寸精度、机械强度均有较高的要求，属于较为精密的注塑零件。本课题的研究目标是商用扫描仪托盘零件设计、塑料模具设计、注塑工艺调试及改进，以及利用计算机辅助分析软件对产品进行模拟优化。本文首先介绍了商用扫描仪及托盘制品，根据零件的使用环境、性能
2、要求，按照星形轮廓模型法对塑料原材料进行了遴选，确定采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯作为托盘原材料。阐明了扫描仪托盘塑料零件结构设计，包括产品壁厚、脱模斜度、加强筋、圆角、螺柱、托盘尺寸精度和表面质量设计。其次，论述了扫描仪托盘注塑模具结构，阐明了注射系统设计、型芯及型腔选材及设计、冷却水道的布局和模具零件设计等内容。再次，论述了扫描仪托盘工艺，阐述了注射参数、压力参数、温度参数、时间参数等注塑工艺参数的确定原理。在此原理基础上结合托盘塑料件原材料性能、模具结构、注塑机参数等因素确定模具初始工艺参数，进行试模。分析试模结果，针对典型缺陷利用正交试验对托盘注塑件进行了工艺参数优化设计，得到了相关工艺参
3、数对托盘“水花”缺陷的影响大小，并确定了工艺参数的进一步调整方向。按此方向调试工艺参数，直至生产出完全合格的产品。最后，详述了模流分析的数学模型原理，通过 Mold flow 软件对上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文 摘要摘要 II 产品进行流动分析，冷却分析和翘曲分析，指出成型时可能存在的缺陷，为产品设计优化提供了依据。并根据分析结果有针对性地对设计方案进行修改。重新模拟后得到较为满意的结果。关键词关键词：注塑模具，扫描仪，正交实验，模流分析 上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文 Abstract III MOLDING DESIGN AND INJECTION P
4、ROCESS OF THE COMPONENT MADE FROM ABS ABSTRACT Commercial scanner is a type of high speed,reliable official equipment.The input tray is the important cosmetic component on the scanner.There is high standard requirement on this components dimension accuracy and mechanical strength.The input tray belo
5、ngs to the accurate injection part.The object of this article is the part design of commercial scanners input tray,plastic tooling design,injection process adjustment and optimization,parts simulation and optimization by computer aided engineering software.Firstly the article gives us a general intr
6、oduction of the commercial scanner and the input tray.Study the working environment of the component and capability requirement.Select the ABS PA765 as the trays resin by star-figure model.Make a detail description about the scanners input trays mechanical design,include wall thickness,draft,rib,rou
7、nd,bolt,dimension tolerance and surface quality design.Secondly,describe the plastic injection tooling structure of the scanners input tray,explain the detail design of the tooling fill system,core and cavity design and material selection,cooling tunnel layout and the 上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文 Abstra
8、ct IV tooling component design.Thirdly study the injection process of the scanners input tray,introduce the theory of injection process parameter setting such as fill parameter,pressure parameter,and temperature parameter.Set up the initiate injection process parameter through the theory base on the
9、 input tray parts resin properties,tooling structure,injection machine parameter.Do the trial run.Analyze tooling trial run result.Make the process parameter optimize design for the input trays classic defect through the orthogonal experiment.Get the result of process parameter contribute to“sliver
10、mark”,make sure the trend of process parameter optimize.After optimize the process parameter,solve this defect and get qualify product.Finally describe the mathematics theory of mold flow analysis in detail.Find the potential parts defects according to the flow analysis,cooling analysis,and warp ana
11、lysis.Find the direction for the parts design optimization.Improve the part and tooling design base on the analysis report.Re-simulation and get satisfy result.KEY WORDS:Injection Mold,Scanner,Orthogonal Experiment,Mold Flow Analysis 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工
12、作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：万传伟 日期：2008 年 6 月 20 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇
13、编本学位论文。保密保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：万传伟万传伟 指导教师签名：吴建生吴建生 日期：2008 年 6 月 20 日 日期：2008 年 6 月 20 日 上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文 第一章第一章 绪论绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 前言前言 塑料工业近 20 年来发展十分迅速，早在 7 年前塑料的年产量按体积计算已经超过钢铁和有色金属年产量的总和，塑料制品在汽车、机电、仪表、航天航空等国家支柱产业及与人民日常生活相关的各个领域中得到了广泛的应用。塑料制品成形的方法虽然很多，但
14、最主要的方法是注塑成形，世界塑料成形模具产量中约半数以上是注塑模具。模具是汽车、电子、电器、航空、仪表、轻工、塑料、日用品等工业生产的重要工艺装备，模具工业是国民经济的基础工业。没有模具，就没有高质量的产品。用模具加工的零件，具有生产率高、质量好、节约材料、成本低等一系列优点。因此已经成为现代工业生产的重要手段和工艺发展方向。模具技术，特别是制造精密、复杂、大型模具的技术，已成为衡量一个国家机械制造水平的重要标志之一。根据国际生产协会报告，在目前阶段，工业品零件粗加工的 75、精加工的50都是由模具成型完成的。目前，美国、日本、德国等工业发达国家模具工业的产值均已超过机床总产值。我国模具工业近
15、几年更是获得了飞速的发展，尤其是塑料模具，在模具设计和制造水平上都有了长足的进步，通过近年来引进国际先进技术和加工设备，使塑料模具的制造水平比十年前前进了一大步。然而由于基础薄弱、对引进技术的吸收、掌握，尚有一段距离，而且发展也十分不平衡，因而，我国塑料模具总体水平与世界先进技术尚有一定差距。塑料模具工艺调试是一个集原材料遴选、零件结构设计、工艺调试、模具设计制造与优化以及计算机辅助分析的复合过程。行业内有一种说法：七份模具三份工艺形象地说明了模具与工艺的紧密联系。但目前国内该行业的现状不容乐观，零件设计与模具设计相对独立，模具制造与模具工艺调试分离。这造成了产品设计不顾模具注塑工艺实际，而模
16、具制造者和工艺人员又不完全了解设计者的设计原则和重要控制点。注塑工艺人员在调试工艺时多数还停留在经验探索阶段，没有一套系统科学的工艺调试方法。计算机辅助分析，DOE(设计实验)更是鲜有应用。由此可见我国在这十多年中注塑模具工业虽然取得了令人瞩目的发展，但许多方面与工业发达国家相比仍有较大的差距。精密加工设备在模具加工设备中的比重还比较低，CAD/CAECAM 技术的普及率不高，许多先进的模具技术应用还不够广泛。特别在大型、精密、复杂和长寿命模具技术上存在明显差距，这些类型模具的生产能力也不能满足国内需求，需要大量从国外进口。建立产品设计阶段的加工性分析，提高模具设计制造水平，建立一套科学的模具
17、注射工艺调试方法，引进设计实验方法和模流分析到工艺调试，可以大大提高我国塑料制品质量，延长模具寿命，降低生产成本，节约投资，满足人民日益增长的需求。上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文 第一章第一章 绪论绪论 2 1.2 常见塑料模具钢材1.2 常见塑料模具钢材 1.2.1 模具钢材的选用原则及种类 近五十年来,世界塑料工业发展迅速,许多发达国家塑料模具的产值已居模具总产值的第一位。塑料模具形状复杂,尺寸精度和表面粗糙度值要求很高，因而对模具材料的机械加工性能,镜面抛光研磨性能,热处理变形和尺寸稳定性都有很高的要求.此外还要求材料具备一定的强韧性,耐磨性,耐蚀性和较好的补焊性能。目
18、前我国已经对专用塑料模具钢进行了研制，并获得了一定进展。目前已经有 2 种模具钢纳入了国家标准：3CrWMn 和 3Cr2MnNiMo,纳入行业标准的已经有 20 多种。塑料模具钢具体选用原则为：应选用冶金质量好，材料稳定，来源稳定的钢材 应选用工艺性能好，使用性能可靠，工作寿命长的钢种 应选用切削性能好，表面粗糙度低，节约加工时间的钢种；应选用模具镜面性能好，能保证加工精度的钢种。应选用导热性能好，线膨胀系数小，热处理变形小，金相组织和模具尺寸稳定的钢种1。塑料模具可选用不同类型的塑料模具钢，化学成分见表 1-1，主要有碳素塑料模具钢，渗碳性塑料模具钢，预硬性塑料模具钢，时效硬化塑料模具钢，
19、耐蚀性塑料模具钢等。1.2.2 塑料模具预硬钢 由于价格和尺寸稳定性方面的优势，塑料模具预硬钢被大量地应用在中，大型塑料模具的制造中。所谓预硬型塑料模具钢，就是钢厂供货时已预先对模具钢进行了热处理，使之达到了模具使用时的硬度2。可以把模具加工成型而不再进行热处理而直接使用，从而保证了模具的制造精度。本文所讨论的塑料模具主要选用三种牌号的塑料模具预硬钢：718H，2738和 P20，现分别进行论述。1.2.2.1 P20 模具钢 3Cr2Mo（P20）钢在塑料模具领域得到了广泛的应用，其综合力学性能较好，淬透性高，可以使较大截面尺寸的钢材获得较均匀的硬度。该钢材具有很好的抛光性能，制成模具的表面
20、粗糙度值低。用其制造模具时，一般先进行调制处理，硬度为 28-35HRC（即预硬化），再经冷加工制成模具后可直接使用，这样既保证了模具的使用性能，又避免了热处理引起的变形。因此该钢种适于制造大，中型和精密塑料模具，其化学成分见表 1-2。上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文 第一章第一章 绪论绪论 3 表 1-1 常用塑料模具钢的分类及化学成分 常用塑料模具钢的分类及化学成分 钢号 C Si Mn Cr Ni Mo V P S 其他 碳素塑料模具钢 SM45 0.42 0.480.17 0.37 0.5 0.8-=0.030=0.030-SM50 0.47 0.50.17 0.37
21、 0.5 0.8-=0.030=0.030-SM55 0.52 0.580.17 0.37 0.5 0.8-=0.030=0.030-渗碳型塑料模具钢 20 0.17 0.24 0.17 0.37 0.35 0.65-=0.030=0.030-20Cr 0.17 0.24 0.17 0.37 0.50 0.80 0.70 1.00-=0.030=0.030-20CrMoTi 0.17 0.23 0.17 0.37 0.80 1.10 1.00 1.30-=0.030=0.030 Ti:0.04-0.10 12CrNi3A 0.10 0.17 0.17 0.37 0.30 0.60 0.60 0
22、.90 2.75 3.25-=0.030=0.030-12CrNi2A 0.10 0.17 0.17 0.37 0.30 0.60 0.60 0.90 1.50 2.20 -=0.030=0.030-12Cr2Ni4 0.10 0.16 0.17 0.37 0.30 0.60 1.25 1.75 3.25 3.75-=0.030=0.030-20Cr2Ni4 0.17 0.23 0.17 0.37 0.30 0.60 1.25 1.75 3.25 3.75-=0.030=0.030-2CrNi3MoAlS 0.17 0.23 0.2 0.5 0.50 0.80 1.20 1.80 3.00 4
23、.00 0.20 0.40-=0.030=0.030-2Cr4NiMoV=0.08=0.2=0.30 3.60 4.20 0.30 0.70 0.20 0.60 0.080.15=0.030=0.030-预硬型塑料模具钢 3Cr2Mo 0.28 0.4 0.20 0.80 0.60 1.00 1.40 2.00 -0.30 0.50-=0.030=0.030-3Cr2MnNiMo 0.32 0.4 0.20 0.40 1.10 1.50 1.70 2.00 0.85 1.15 0.25 0.40-=0.030=0.030-40Cr 0.37 0.45 0.17 0.37 0.50 0.80 0
24、.80 1.10 =0.25-=0.030=0.030-42CrMo 0.38 0.45 0.17 0.37 0.50 0.80 0.90 1.20 =0.30 0.15 0.25-=0.030=0.030-5CrNiMnMoVSCa 0.5 0.6=0.40 0.80 1.20 0.80 1.20 0.80 1.20 0.30 0.60 0.150.3=0.030=0.030-30CrMnSiNi2A 0.26 0.33 0.90 1.20 1.00 1.30 0.90 1.20 1.40 1.80-=0.030=0.030-8Cr2MnWMoVS 0.75 0.85=0.40 1.30 1
25、.70 2.30 2.60 -0.50 0.80 0.10.25 0.080.15=0.030 W:1.301.70 5CrMnMo 0.52 0.60 0.25 0.60 1.20 1.60 0.60 0.90 -0.15 0.35-=0.030=0.030-5CrNiMo 0.52 0.60 =0.40 0.50 0.80 0.50 0.80 1.40 1.80 0.15 0.30-=0.030=0.030-Y55CrNiMoMnVS 0.50 0.60 =0.40 0.80 1.20 0.80 1.20 1.00 1.50 0.20 0.50 0.10.30=0.030=0.030-20
26、CrNi3AlMnMo 0.17 0.23=0.40 0.80 1.20 0.80 1.20 3.30 3.50 0.20 0.50-=0.030=0.030 Al:1.001.50 4Cr3Mo3SiV 0.35 0.45 0.80 1.20 0.25 0.70 3.00 3.75-2.00 3.00 0.250.75=0.030=0.030-40Cr5MoSiV 0.32 0.42 0.80 1.20=0.40 4.75 5.50 -1.10 1.60 0.30.6=0.030=0.030-4Cr5MoSiV1 0.32 0.42 0.80 1.20=0.40 4.75 5.50 -1.1
27、0 1.75 0.81.2=0.030=0.030-时效硬化型塑料模具钢 06Ni6CrMoVTiAl=0.06=0.5=0.5 1.3 1.65.5 6.50.9 1.2 0.81.3=0.030=0.030 Ti:0.901.30 Al:0.500.90 1Ni3Mn2CuAlMo 0.06 0.20 =0.35 1.40 1.70-2.80 3.40 0.20 0.50-=0.01=0.010 Al:0.701.20 Cu:0.801.20 25CrNi3MoAl 0.20 0.30 0.20 0.50 0.50 0.80 1.20 1.80 3.00 4.00 0.20 0.40-=0
28、.030=0.030-18Ni(250)=0.03=0.10=0.10-17.50 18.50 4.25 5.25-=0.010=0.010 Co:7.008.00 Ti:0.300.50 18Ni(300)=0.03=0.10=0.10-18.00 19.00 4.60 5.20-=0.010=0.010 Co:8.509.50 Ti:0.500.80 18Ni(350)=0.03=0.10=0.10-17.00 19.00 4.00 5.00-=0.010=0.010 Co:11.0012.75Ti:1.201.45 0Cr16Ni4Cu3Nb=0.07=1.0=1.0 15.00 17.
29、00 3.00 5.00-=0.030=0.030 Cu:2.503.50 Nb:0.250.040 0Cr17Ni4CuNb=0.07=1.0=1.0 15.50 17.50 3.00 5.00-=0.035=0.030 Cu:3.005.00 Nb:0.150.45 1Cr17Ni7Al=0.09=1.0=1.0 16.00 18.00 6.50 7.50-=0.035=0.030 Cu=0.50 Al:0.751.50 0Cr15Ni7Mo2Al=0.09=1.00=1.00 14.00 16.00 6.50 7.50 2.00 3.00-=0.035=0.030 Al:0.751.50
30、 耐蚀性型塑料模具钢 2Cr13 0.16 0.25=1.00=1.00 12.00 14.00-=0.030=0.030-3Cr13 0.26 0.35=0.60=0.80 12.00 14.00-=0.030=0.030-4Cr13 0.36 0.45=0.60=0.80 12.00 14.00-=0.030=0.030-9Cr18 0.90 1.00=0.80=0.80 17.00 19.00-=0.030=0.030-9Cr18Mo 0.95 1.10=0.80=0.80 16.00 18.00-0.40 0.70-=0.030=0.030-1Cr17Ni2 0.11 0.17=0.8
31、0=0.80 16.00 18.00 1.50 2.50-=0.030=0.030-3Cr17Mo 0.28 0.35=0.80=1.00 16.00 18.00-0.75 1.25-=0.030=0.030-PCR=0.07=1.00=1.00 15.00 17.00 3.00 5.00-=0.030=0.030 Cu:2.503.50 Nb:0.200.40 AFG-77 0.15 0.15 0.20 14.50 0.20 5.0 0.5=0.030=0.030 Co:13.50 上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文 第一章第一章 绪论绪论 4 表 1-2 P20 化学成分 P
32、20 化学成分(质量分数)国家 钢号 C Si Mn Cr Mo P S 其他 中国 GB/T1299-2000 3Cr2Mo 0.280.40 0.200.80 0.601.00 1.402.00 0.300.55=0.03=0.03-美国 P20 0.280.40 0.200.80 0.601.00 1.402.00 0.300.55-瑞典 618 0.320.38 0.200.40 0.601.00 1.602.00 0.400.60-V:0.020.04;Ni:0.400.50德国挪威 GSW-2311 0.350.45 0.200.40 1.301.60 1.802.10 0.150
33、.25-韩国 NP-4MA 0.320.38 0.200.40 0.601.40 1.602.00 0.150.25-奥地利 M202 0.350.45 0.200.40 1.301.60 1.802.10 0.150.25-1.2.2.2 718 塑料模具钢 718 是瑞典一胜百公司生产的模具预硬钢，具有以下优点：无需热处理费用，抛光性好，耐磨性好。适用于大型注塑模具，所制作的模具可以达到 50 万次以上的寿命。该模具钢适合制作表面高光泽要求的产品，由于其硬度高还可用于模具滑块的制作。其化学成分见表 1-3 表 1-3 718 模具钢化学成分 718 化学成分(质量分数)C Si Mn Cr
34、 Mo Ni S 0.37 0.03 1.4 2 0.2 1=0.01 硬度 290-330 HB 1.2.2.3 2738塑料模具钢 2738 是德国撒斯特公司生产的模具预硬钢，镍含量达 1%硬度更加均匀。经过预硬化处理和回火处理，具有优良的加工，抛光及电蚀性能。特别适合于厚度大于 400 毫米的注塑模具。其化学成分见表 1-4 表 1-4 2738 塑料模具钢化学成分 2738化学成分(质量分数)C Si Mn Cr Mo Ni S P 0.35-0.45 0.2-0.4 1.3-1.6 1.8-2.1 0.15-0.25 0.9-1.2 196/0.9=217Ton 4.2.4 东芝22
35、0Ton注塑机设备参数 根据工厂实际机台情况选择东芝220Ton注塑机，该机机器参数见表4-2。上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文 第四章第四章 扫描仪托盘注塑模具工艺调试扫描仪托盘注塑模具工艺调试 39 表4-2 220Ton注塑机工艺参数 东芝220吨注塑机机器参数 参数 单位 数值 螺杆直径 mm 50 最大注射量(PS)g 450 最大注射压力 MPa 201 最大塑化能力(PS)kg/h 160 锁模力 KN 2150 锁模导柱间距 mm 610?560 最小模厚 mm 260 最大模厚 mm 1060 电机功率 KW 30 4.2.5 托盘初始工艺参数设计 经测量产品
36、体积为：249.19cm3 产品重量：249.19?1.2=264 g 根据公式iSiiSDSDV22785.04/=（4-13）Vi理论注射容积（cm3）=249.19 cm3 Ds螺杆直径（cm）=4.5cm Si注射行程（cm）计算出：螺杆注射行程为：Si=249.19/（0.785?4.52）=15.7cm=157mm 余料量设置：根据机器推荐参数设定余料量为3mm 抽胶量设置：为防止喷嘴流涎，设定4mm的螺杆抽退距离 螺杆启始位置为：157+3+4=164mm 温度参数射定：根据PA765材料性能表推荐熔融温度为180-220，设定各段螺筒加热温度如表4-3所示。上海交通大学硕士学位
37、论文上海交通大学硕士学位论文 第四章第四章 扫描仪托盘注塑模具工艺调试扫描仪托盘注塑模具工艺调试 40 表4-3托盘螺筒加热温度设定 固体输送段 压缩段 计量段 喷嘴温度加热一()加热二()加热三()加热四()加热五()加热六()加热七()160 180 190 200 210 220 215 托盘模具温度设定：根据材料厂商推荐模具温度40-70。综合考虑产品生产周期和产品质量设定模具温度为40 螺杆转速设定：根据)/(sDVn=（4-14）又根据ABS的最大线速V=0.6m/s确定螺杆最大转速为：n=60/（3.14?5）=4；注射压力、速率确定：注塑机额定最大注射压力201Mpa，根据模具
38、结构特征将注塑过程分成三段：第一段料流经过浇口进入模腔，此时采取高压，低速过浇口；第二段是料流通过浇口后向模腔内扩展的过程，采用中速进行：最后是充填剩余模腔的过程，采用高压高速的过程以便达到较好的表面光泽，较高的熔接线强度。设定参数如表4-4。表4-4托盘注射压力速度设定 注射参数 注射一段 注射二段 注射三段 螺杆位置(mm)164 160 140 注射压力(MPa)100 120 150 注射速度 30%60%90%保压切换位置设定：当模腔95%被充填后即可切换保压：164-（164-4）?0.95=12mm 保压压力、时间设定：ABS原料保压压力通常为注射压力的30%60%，根据模具结构
39、设定保压压力75MPa，保压时间4s。背压设定：根据ABS材料推荐背压值并参考机器参数设定背压为10Mpa。上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文 第四章第四章 扫描仪托盘注塑模具工艺调试扫描仪托盘注塑模具工艺调试 41 材料干燥参数设定：根据材料推荐干燥条件使用烘干箱80条件下烘干4小时。热流道温度设定：由于在两次注射间歇，停留在热流道内的熔体一直处于受热状态，容易因为长期受热而发生降解，故热流道温度设定在材料推荐熔融温度的下限：180。4.2.6工艺调试结果 工艺调试结果：按照上述工艺条件进行打样。产品如图4-11。托盘外型外整，无明显凹陷、溢料等缺陷。经测量，外观尺寸基本符合图
40、纸要求。图4-11首次试模产品 但同时在产品表面距离浇口十厘米左右区域出现放射状花纹如图4-12，由于该产品属于外观零件，故此缺陷不可接受。为了分析缺陷产生原因决定采用正交实验设计的方法进行分析并提出改善措施。上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文 第四章第四章 扫描仪托盘注塑模具工艺调试扫描仪托盘注塑模具工艺调试 42 图4-12 产品缺陷 4.3 利用正交实验解决托盘缺陷利用正交实验解决托盘缺陷 4.3.1正交实验设计原理 正交试验实际就是使用正交表来安排试验的方法28，而正交表是按正交性排列好的用于安排多因素试验的表格。正交性可以保证每个因素的水平在统计学上是不相关的。4.3.
41、2 托盘塑料模具正交实验设计 4.3.2.1实验因素的确定 分析缺陷产生的主要原因是熔体内有气体存在，导致熔体在通过浇口进入模腔后气体释放到熔体表面产生水花状缺陷29。产生气体的主要原因有：1.注射速率太快，造成熔体通过浇口时由于剪切热造成熔体或添加剂受热分解产生气体；2螺筒温度设定太高造成树脂发生分解产生气体；3.背压设定过低，预塑化过程中熔体没有被压实，螺杆卷入的气体没有被排出。因此确定因素如下：注射一段射出速度、计量段加热温度和螺杆背压。根据设备参数以及树脂推荐工艺参数范围设定了各因素水平，见表4-5：上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文 第四章第四章 扫描仪托盘注塑模具工艺
42、调试扫描仪托盘注塑模具工艺调试 43 表4-5因素与水平表 因素 射出速度（%）计量段加热温度背压MPa 1 5 180 5 水平 2 50 230 15 4.3.2.2正交实验表选择 本文采用的三因素两水平正交表，记做L4(23)各符号含义如下所示。L4(23)正交表的列数(即因素个数)各因素的水平数 实验的次数 正交表的代号 所有的正交都具有以下两个特点：(1)均匀分散性30。在每一列中，各个不同的数字出现的次数相同。(2)整齐可比性。表中任意两列并列在一起形成若干个数字对，不同数字对出现的次数也都相同。4.3.3正交实验结果 在设定工艺稳定后每组实验各生产100模，统计无水花状缺陷产品个
43、数作为实验结果记录在表4-6中 表4-6托盘正交实验表 因素 注射速度(%)计量段温度()背压(Mpa)实验结果 实验一 5 180 5 98 实验二 5 230 15 92 实验三 50 180 15 13 实验四 50 230 5 2 4.3.4实验结果分析 获得试验结果后，计算注射速度、计量段温度和背压三因素不同水平对质量指标的极差R，R的大小反映了试验中各因素作用的大小，R大表明该因素对指上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文 第四章第四章 扫描仪托盘注塑模具工艺调试扫描仪托盘注塑模具工艺调试 44 标的影响大，通常是重要因素；R小表明该因素对指标的影响小，通常是不重要的因素
44、。极差计算结果，见表4-7所列。由极差分析结果可以看到，注射速度、计量段温度和背压对制品重量的影响是不同的，其中注射速度的影响十分显著，而计量段温度和背压的影响不显著。极差分析结果表明，如果要调整工艺参数消除“水花”缺陷，应该重点调整注射速度。表4-7实验结果直观分析表 因素 注射速度 计量段温度 背压 实验结果 实验一 1 1 1 98 实验二 1 2 2 92 实验三 2 1 2 13 实验四 2 2 1 2 均值一 95 55.5 50 均值二 7.5 47 52.5 极差R 87.5 8.5 2.5 上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文 第四章第四章 扫描仪托盘注塑模具工艺
45、调试扫描仪托盘注塑模具工艺调试 45 图4-13实验效应曲线图 图4-13为正交实验效应曲线图，由图可以看出，注射速度-实验结果的曲线斜率最大，说明注射速度对实验结果影响最大，而计量段加热温度和背压曲线平缓，对实验结果影响微弱。另外还可以看出降低熔体通过浇口时的注射速度可以达到最大限度地消除水花状缺陷的目的。而降低计量段加热温度、提高螺杆背压也有利于减少此缺陷，但效果不明显，并且受制于树脂本身工艺参数和机器参数的限制。计量段加热温度不能低于原料的熔融温度范围下限，否则会造成树脂塑化不良引发制品打不足等缺陷。机器背压设置过大会造成计量时间的延长，降低生产效率，增加能耗。4.3.5根据实验结果对工
46、艺参数改进 根据正交实验结果调整工艺参数如表4-8：表4-8工艺参数调整表 注射参数 注射一段 注射二段 注射三段 螺杆位置(mm)164 160 140 注射压力(MPa)120 150 200 注射速度 5%30%50%上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文 第四章第四章 扫描仪托盘注塑模具工艺调试扫描仪托盘注塑模具工艺调试 46 4.3.6改进结果 按此参数生产取得良好的效果，托盘产品“水花”状外观缺陷完全消除。生产出的合格产品如图4-14。按此工艺连续三个班次二十四小时生产，产品的一次合格率达到了98.5%。图4-14扫描仪进纸托盘工艺改进后产品 4.4 本章小结本章小结 本
47、文首先阐述了注射参数、压力参数、温度参数、时间参数等注塑工艺参数的确定方法，然后根据这些方法和托盘塑料件原材料性能、模具结构、注塑机参数等为根据设计模具试模工艺参数，并按此参数进行实验。考察得到的产品，发现存在“水花”状缺陷不可接受。针对此缺陷利用正交试验进行了实验设计，对托盘注塑件进行了工艺参数优化设计，得到了三个因素对托盘“水花”缺陷的影响程度大小，并确定了工艺参数的进一步调整方向。按此方向调试工艺参数，生产出了完全合格的托盘，一次产品合格率达到了98.5%。上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文 第五章第五章 基于基于 CAE 的扫描仪托盘分析和优化设计的扫描仪托盘分析和优化设
48、计 47 第五章第五章 基于 CAE 的扫描仪托盘分析和优化设计基于 CAE 的扫描仪托盘分析和优化设计 扫描仪托盘是扫描仪产品的重要外观零件，其结构强度和外观质量直接影响到产品的最终质量。CAE 模流分析不仅可以在零件的设计过程中预测可能出现的缺陷，直观地反映出产品设计模型上不合理的结构，而且可以通过模拟，优化托盘的结构强度，减少产品翘曲变形。本文主要通过浇口的位置优化分析、流动、填充、翘曲分析对托盘进行优化。5.1 注塑注塑 CAE 的数学模型的数学模型 为了能预测和模型化描述在注塑成型中存在的复杂聚合物流动，必须了解CAE技术的核心数学物理模型以及由此带来的求解难度和局限性。5.1.1熔
49、体流动数学模型 控制可压缩的粘性流体的方程适用于聚合物熔体的流动分析。这些方程可通过质量守恒、动量守恒和能量守恒原理推出。充填过程的熔融塑料为非牛顿熔体，其流动过程可采用能量守恒、动量守恒、质量守恒方程描述。塑料熔体的充模过程可以认为是粘性不可压缩的非等温流动与传热过程，采用粘性不可压缩流体的基本方程描述31。1）连续性方程为：0)()(=+bvtu （5-1）2）动量方程为：0)(=zuzxP （5-2）0)(=zvzyP （5-3）3）能量方程为：222)(+=+zTkyTvxTutTcp （5-4）式中:u、v为x、y 方向的平均速度;P 为熔体的压力;为密度,Cp 为比热容,k 为传热
50、系数,T 为熔体温度。4）粘度模型 根据计算精度和计算时间等方面的不同需要，可以选择幂律型或者CROSS粘度模型，分别为5参数的EXP模型和7参数的WLF模型。CROSS粘度模型中，粘度对温度和压力的依赖性，间接地通过零剪切度?来表示。上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文 第五章第五章 基于基于 CAE 的扫描仪托盘分析和优化设计的扫描仪托盘分析和优化设计 48 5）边界条件 0,0=zvzuzT （5-5）bZTTvuzw=,0,0 在流动前沿)(tCm上0=P 在型腔边界0C和型芯 iC边界上 0,0=npP 在熔体入口处eTT=为薄壁温度，b为型腔半厚。eT为熔体入口温度。6