快速热循环高光注塑模具加热冷却方法与产品质量控制技术研究

摘要

快速热循环注塑成型（Rapid Heating Cycle Molding，RHCM）是近年来出现的一种新的注塑成型加工技术，该技术可有效消除常规注塑成型(ConventionalInjection Molding，CIM)制件表面易出现的熔接痕、流痕、银纹、浮纤等缺陷，显著提升塑件表面质量，消除打磨、喷涂等二次加工工序，从而有效缩短塑件的生产流程，降低生产成本和能耗，减少环境污染，实现经济效益与社会效益的协调优化。但作为一项正在发展中的新型注塑成型技术，尚存在诸多亟待解决的科学问题和共性技术问题，尤其是在模具设计、工艺调控、产品质量控制等方面，仍存在诸多问题需要深入研究和开发。本文针对快速热循环注塑成型技术存在的问题，重点开展了快速热循环高光注塑模具加热/冷却方法及产品质量控制技术研究。 研制开发了一种集电锅炉和模具温度控制于一体的模温动态控制装置，将电热蒸汽锅炉集成到蒸汽模温控制柜中，实现了蒸汽热源与阀门管路转换装置、控制与监视单元的一体化。以盒形产品为例，设计和制造了快速热循环注塑模具，构建了热响应分析试验测试系统，研究了模具的热响应过程。测试分析了RHCM模具的热响应效率和特点，研究获得了模具加热时间和模具冷却时间两个工艺变量对型腔表面最高温度和最低温度的影响规律;利用最小二乘法对热响应试验数据进行了非线性回归分析，分别拟合建立了描述模具型腔表面最高/最低温度的二次多项式数学模型，并采用实际测试结果，验证了所建立的数学关系模型的有效性和准确性。利用所建立的描述模具型腔表面最高/最低温度的二次多项式数学模型，可方便地预测不同模具加热时间和冷却时间组合下模具型腔表面温度的变化范围，在RHCM工艺要求的型腔表面温度变化范围已知的情况下，通过求解由两个二次多项式组成的二元二次方程组，可获得模具加热时间和冷却时间的优化组合，从而为RHCM工艺参数的合理设定提供了理论指导，简化了RHCM工艺的调试过程，并提高了工艺调试的准确性。 研究并提出了一种新型的模内水介质电加热快速加热和冷却方法，该方法在模具内部电加热棒与安装孔壁之间留有间隙，加热时该间隙中充满流体传热介质，将加热棒产生的热量均匀地传递至模具金属，冷却时向间隙中通入高速流动的冷却介质，通过对流换热快速冷却模具，基于这种新的模具快速加热与冷却方法，建立了用于模具型腔表面热响应分析的数值模拟模型，研究了加热棒与安装孔壁间环形间隙、加热棒间距、加热棒与型腔表面间距等参数对模具型腔表面加热速度的影响规律;构建了基于这种新型加热与冷却方法的液晶电视机前壳快速热循环注塑成型系统，并验证了新型模具加热与冷却方法的实际效果。注塑成型实验表明，在不延长注塑成型周期的前提下，不仅可获得高光无熔痕的产品，而且有效地减少了能量消耗和冷却水消耗。 研究了复杂三维零件的快速热循环高光模具设计方法、加热冷却管路优化设计方法和工艺参数对产品质量的影响规律，针对某一具有三维复杂形状的高光塑件，研究开发了基于冷却井结构的模具快速加热与冷却管路设计方法，显著提升了模具型腔表面的热响应效率和模具型腔表面温度分布的均匀性，模具时间常数由原先的5s缩小至2.5 s，提高模具型腔表面加热速率27.3％左右，模具型腔表面最大温差由原先的40～50℃缩小至20～30℃;结合全析因实验设计和回归分析，建立了用于预测模具型腔表面温度变化的数学模型，准确预测了模具型腔表面温度变化范围，实现了模具型腔表面温度变化的有效调控;研究获得了填充前模具型腔表面温度对塑件外观品质的影响规律，优化了注塑成型工艺参数，生产获得了高光无熔痕的复杂三维塑件，塑件表面光泽度达到90以上，整个外观表面的光泽度之差小于2.4。 以大型液晶平板电视机面板塑件为例，研究和分析了快速热循环注塑件产生翘曲变形的机理，分析了影响液晶电视机面板高光塑件产生翘曲变形的主要因素，重点研究了不同阶段保压压力、保压时间等工艺参数对塑件翘曲变形的影响规律。根据高光注塑件冷却及收缩的特殊性，提出了两段式高光注塑保压控制方法，第一段保压采用较低的保压压力，使低温型芯侧的熔体产生相对较大的收缩;第二段保压采用较高的保压压力，减小型腔侧熔体的收缩量，从而缩小了塑件的凹向变形。研究表明，对高光前壳塑件翘曲变形影响最大的因素是第一段保压时间，其贡献度为21.63％，后面依次为冷却时间、第一段保压压力、第二段保压压力、第二段保压时间、熔体温度和注射时间，其贡献度分别为:16.61％、14.92％、5.59％、3.27％、2.93％和1.77％。实验结果表明，在其它注塑工艺参数和条件不变的情况下，随着第一段保压压力的降低，高光塑件产品的凹变形逐渐变小，表明第一段采用低保压，能够使型芯侧具有较大的收缩量，再通过第二段的高保压，可充分补偿型腔侧塑料熔体凝固过程中的体积收缩，减少塑件型腔侧的收缩量，从而有效抑制塑件的凹变形，提高了RHCM工艺的稳定性和合格率。 以大型液晶平板电视前壳快速热循环注塑成型过程中的缩痕缺陷为研究对象，分别采用板凳式螺柱结构设计和气辅成型工艺两种途径，研究了消除高光塑件表面缩痕的有效方法。首次将气辅注塑成型工艺(Gas-aided Injection Molding，GIM)引入快速热循环注塑成型，研究建立了快速热循环高光气辅注塑成型技术。对于快速热循环高光气辅注塑成型技术，分别研究了内部气辅成型(IGIM)工艺和外部气辅成型(EGIM)工艺，通过实验验证了气辅成型工艺在快速热循环注塑成型过程中的辅助保压效果，并研究了模具结构和气辅工艺参数的优化设计方法。研究结果表明，内部气辅成型工艺不适合于RHCM高光注塑成型，外部气辅成型工艺则可以有效应用于RHCM高光注塑成型，能够有效消除筋、柱部位对应表面的缩痕，确保制件外观面平整无缺陷。针对模具型芯侧温度和气体保压压力对外部气辅成型效果的影响，进一步研究了得出了决定外部气辅成型效果的关键参数指标，有效解决了快速热循环高光塑件在筋、柱表面处的缩痕问题。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 注塑成型工艺及模具概述

1．2．1 注塑成型工艺过程

1．2．2 注塑成型模具概述

1．2．3 注塑成型工艺参数控制

1．3 快速热循环注塑成型工艺研究现状

1．3．1 快速热循环注塑成型工艺概述

1．3．2 模具快速加热与冷却技术研究现状

1．3．3 快速热循环注塑模具结构研究现状

1．3．4 快速热循环注塑成型特性研究现状

1．3．5 快速热循环注塑工艺控制研究现状

1．4 快速热循环注塑工艺研究存在的主要问题

1．5 本文的选题意义及主要研究内容

第二章 电锅炉一体模温控制系统开发与模具热响应分析

2．1 引言

2．2 电锅炉一体模温动态控制系统开发

2．2．1 系统结构组成

2．2．2 电热蒸汽发生嚣选用

2．2．3 阀门警路转换装置

2．2．4 控制与监视单元

2．2．5 电锅炉一体横温动态控制系统开发

2．3 RHCM模具热响应试验研究

2．3．1 模具温度测量

2．3．2 试验设计

2．3．3 试验结果与讨论

2．3．4 模具温度评估模型的建立

2．4 本章小结

第三章 新型模内水介质电加热RHCM工艺研究

3．1 引言

3．2 新型模内水介质电加热快速热循环方法

3．2．1 模内水介质电加热快速热循环技术原理

3．2．2 模内水介质电加热快速热循环温度控制方法

3．3 热响应评估

3．3．1 分析模型

3．3．2 环形间隙对模具加热速率的影响规律

3．3．3 电加热棒功率密度对模具加热速率的影响规律

3．3．4 电加热棒分布对模具加热速率的影响规律

3．4 实验验证

3．4．1 液量电视面板水介质电加热RHCM注塑模具

3．4．2 新型水介质电加热RHCM模具热响应实验测量

3．4．3 新型水介质电加热RHCM模具热响应数值模拟

3．5 结果与讨论

3．6 注塑实验与产品验证

3．6．1 注塑成型实验

3．6．2 实际产品验证

3．7 本章小结

第四章 复杂三维零件RHCM高光模具加热冷却系统优化设计研究

4．1 引言

4．2 原始设计

4．3 热响应仿真与优化设计

4．3．1 分析模型

4．3．2 结果与讨论

4．3．3 加热／冷却通道优化设计

4．4 热响应实验评价

4．4．1 实验方法

4．4．2 结果与讨论

4．5 成型实验

4．5．1 实验设计

4．5．2 结果和讨论

4．6 本章小结

第五章 快速热循环高光塑件翘曲变形分析与控制

5．1 引言

5．2 液晶电视机前壳特点及要求

5．3 翘曲变形产生机理分析

5．4 RHCM塑件翘曲变形控制研究

5．4．1 实验设计

5．4．2 质量指标

5．4．3 信噪比(S／N)分析

5．4．4 变异数分析(ANOVA)

5．5 本章小结

第六章 快速热循环高光气辅注塑成型技术研究

6．1 引言

6．2 液晶电视前壳表面缩痕问题分析

6．3 高光前壳螺柱新型板凳结构设计方法

6．4 内部气辅工艺对快速热循环高光塑件表面质量的影响

6．5 外部气辅工艺对快速热循环高光塑件表面质量影响研究

6．6 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

附录(Ⅰ)：攻读博士学位期间发表的论文

附录(Ⅱ)：攻读博士学位期间获得的专利

附录(Ⅲ)：攻读博士学位期间承担的主要科研项目

附录(Ⅳ)：攻读博士学位期间科研获奖情况