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热流道顺序注塑成型工艺改善制品熔接痕研究

刘毅  
【摘要】:在注塑成型领域,熔接痕是最常见的一种质量缺陷,它的存在不仅影响了制品的外观质量,还降低了制品的力学性能。为了改善制品的外观及强度,就需要设法缩短制品中熔接痕的长度,将熔接痕控制在对制品的外观和强度影响不大的位置,并提高熔接区域的强度。为了解决上述问题,本文利用热流道顺序注塑成型工艺通过合理控制多个阀浇口的开闭顺序来达到改善制品熔接痕缺陷的目的。在顺序注塑成型工艺中,阀浇口的数目和位置、阀浇口的开闭顺序及开闭时间长短对熔接痕的位置、长度及强度都有很大的影响,因此,如何快速找到合理准确的控制多个阀浇口顺序开闭的方法来不断改善注塑制品的熔接痕缺陷,是目前迫切需要研究的课题。鉴于此,本文运用数值模拟、优化理论和试验相结合的方法,开展了利用顺序注塑成型工艺优化控制制品中熔接痕的长度及位置并提高制品熔接强度等相关方面的研究,主要研究内容如下: 1)顺序注塑成型工艺的数值模拟 从粘性流体力学的基本理论出发,根据顺序注塑成型工艺的特点,引入合理的假设和简化,建立了描述热流道内、针阀式热喷嘴内及模具型腔内的熔体在充填、保压、冷却等成型各阶段的数学模型,选用了合适的聚合物材料模型,然后以有限元/有限差分/控制体积法作为模型的数值求解方法开展了对顺序注塑成型过程的数值模拟工作,并利用数值模拟结果,进一步预测了制品的性能和质量。最后对具有两个阀浇口、三个阀浇口、一模两腔的简单典型制品模型进行了数值模拟,分析了不同的阀浇口开闭顺序对成型工艺指标和质量指标的影响关系,确定了最佳的阀浇口顺序开闭方案,为优化控制熔接痕的长度及位置打下了基础。 2)顺序注塑成型控制熔接痕长度研究 首先以浇口数目、注射时间、最大注射压力、最大锁模力和最大温度差异值的加权和为目标函数,构造了同时对阀浇口数目和位置进行优化设计的数学模型;并编制程序对若干个阀浇口方案进行自动批量数值模拟,将模拟结果处理后带入目标函数中进行评价判断,获得了与最小目标函数值对应的最佳的阀浇口数目和位置方案。 然后以熔接痕总长度、气泡总体积、最大翘曲度、最大注射压力和最大锁模力的加权和为目标函数,建立了对阀浇口顺序开启时机进行优化设计的数学模型;以各阀浇口顺序开启时机的参考值为基础,在其附近两侧各取若干个时间点,按正交设计组织批量数值模拟试验,将模拟结果处理后带入目标函数中进行计算,获得不同的阀浇口顺序开启时机与目标函数值之间的离散关系;以离散关系为输入样本,利用将多层前馈神经网络(Back Propagation Neural Network, BPNN)与改进的人工鱼群算法(Improved Artificial Fish Swarm Algorithm, IAFSA)相结合的BPNN-IAFSA优化方法对目标函数值进行迭代寻优,其中最小的目标函数值对应的就是一组最佳的阀浇口顺序开启时机,此时制品中的熔接痕长度最短。最后通过两个实例验证了该方法的有效性和优越性,基本消除了制品中过多的熔接痕,提高了制品的成型质量。 3)顺序注塑成型控制熔接痕位置研究 在总结分析已有控制熔接痕位置方法的基础上,采用顺序注塑成型工艺通过优化制品各分区的熔接痕贴合程度指数来实现对熔接痕位置的有效控制。该方法一共分三个步骤:首先按照期望的熔接痕位置把制品划分成相应的小区域;然后按照等流长算法求各分区的最佳阀浇口位置;最后以相邻分区的熔接痕贴合程度指数之差的绝对值的和为目标函数,利用BPNN-IAFSA优化方法对目标函数值进行迭代寻优,其中最小的目标函数值对应的就是一组最佳的阀浇口顺序开启时机,此时各分区的熔接痕贴合程度指数均趋向于1,从而实现了对熔接痕位置的快速、精确控制。 4)顺序注塑成型提高制品熔接强度研究 研究了顺序注塑成型工艺中熔接痕的形成过程,分析了温度、压力、离浇口的距离等因素对提高制品熔接强度的有利影响。为了预测在顺序注塑成型复杂的温度场、压力场作用下制品的熔接强度及其动态变化规律,利用Fick’s扩散理论和Sanchez-Lacombe晶格模型来求扩散动力即自由能差,综合考虑熔接处的温度和压力分布对熔接强度的影响,提出了预测熔接强度的修正模型;在此模型的基础上,结合数值模拟技术和试验手段揭示了下游阀浇口在不同的顺序开启时机时制品熔接强度的变化规律。研究表明,随着下游阀浇口顺序开启时机的增大,顺序注塑成型制品的熔接强度随之提高,当把从上游阀浇口流出的熔体前锋刚好到达下游阀浇口所在位置的时刻作为下游阀浇口的顺序开启时机时,从上下游两个阀浇口流出的两股熔体的流动方向已经基本一致,此时形成的熔接区域的强度基本达到了制品没有熔接痕处的强度。


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