本文是一篇模具毕业论文，本文根据生产实际的需要，以不同含量玻璃纤维 PBT 材料为研究对象，选取了数据线塑胶接头零件，研究其注塑成形工艺与成形规律。在方案设计中利用 Moldflow 软件创建了浇注系统和冷却水道。通过理论、模拟结果和实际生产经验相结合的方式对浇口位置、浇口形状、一模多腔结构进行了分析。
第 1 章 绪论
1.1 选题的背景和意义
目前，电子产品不断更新换代，电子产业注塑产品已成为研究热门，对于电子连接器的质量要求也越来越高。塑料作为一种工业原料不仅来源十分丰富，能够应用于多个行业，而且价格便宜。塑料相比较其他材料具有质量轻、加工强度高、方便成型等特性，产出的塑料制品具有绝缘性能好、耐磨耐腐蚀、热变形温度高、尺寸稳定性高等优异的性能[1]。塑料作为结构材料起源于十九世纪，其使用的历史比金属材料和陶瓷材料短得多，但其品种却在快速发展。
PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）材料作为世界五大通用工程塑料之一，以其良好的性能十分适用于电子产品塑件、汽车行业等领域。目前来说，众多国内外学者研究了对其进行改性进一步提高性能，减少缺陷。那么最常用的增强方法是加入玻璃纤维这个材料来提高 PBT 材料的缺陷，但是如何将有着良好性能的玻纤增强 PBT 材料运用到实际注塑生产中的研究相对较少。
注塑成型是塑料制品使用最广泛的一种加工方法。注塑产品的质量是由多种因素影响，因素之间关系复杂而且非线性相互作用[2]。对于成型加工的注塑产品来说，其主要缺陷有短射、飞边、缩痕、熔接痕、气穴和翘曲等。那么为了解决这些问题，通常工厂生产中在模具生产后不断试模，不断修模直到符合工艺要求。模具制造后工艺参数的设置也尤为重要，但工艺参数都是根据注塑工程师的主观经验设定，不同工程师对于不同材料的理解可能存在偏差，最终设置的值也会发生不同方向的变化，最后出来的产品效果也是参差不齐。因此，利用 CAE 技术对于注塑成型中的填充、保压、冷却等模拟运算，通过改变调整模具中的浇口形式、型腔结构、冷却管道等以及设置不同工艺参数值对模拟的充填结果、体积收缩率、翘曲变形、缩痕等进行分析，得到更优的模具结构和工艺参数组合从而解决 PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）材料在实际生产中遇到的常见问题，提高产品质量，为实际工业生产提供经验。
1.2 PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）材料特性及用途
1.2.1 PBT 材料特性
PBT 又称聚对苯二甲酸丁二醇酯，与 PET 一起统称为热塑性聚酯，或饱和聚酯[3]。其性能十分优秀，在高温、潮湿、溶剂腐蚀等复杂环境下也能保持良好的尺寸和电性能稳定。吸水率低，仅为 0.1%，低温下可迅速结晶，成型性良好，适合注塑成型加工。PBT 特别适用于电子电器行业，因为其电绝缘性和热性能优良，能够在潮湿环境下保持。
PBT 树脂与添加剂的连接性较好，可以通过添加其他物质进行改性，获得更优性能，减少缺陷[4]。那么 PBT 材料的主要缺点是缺口冲击强度低、易受卤化烃侵蚀、成型收缩率大。为了解决这一问题，通常采用玻璃纤维、碳纤维增强或无机填充剂增强改性，改性后的复合材料其抗拉、抗压强度等可提高一倍以上，大幅提高热变形温度，纤维含量越多效果越明显。PBT 材料结晶速度快，适用于注塑加工。玻纤增强改性后能够解决强度方面的问题，但是玻纤增强后制品纵、横向收缩率不一致，易使制品发生翘曲。可以从模具和工艺方面解决这一问题。下图为 PBT 材料 PVT 曲线图。可以发现不同压力下体积比容随着温度的变化曲线。根据 PVT 曲线可以对 PBT 材料在注塑充填、保压、冷却等阶段的温度和压力有重要的参考意义。
第 2 章 玻纤增强 PBT 材料注塑件质量问题研究
2.1 玻纤增强 PBT 材料注塑成型质量表征
注塑成型过程是一个涉及多因素变化的复杂加工过程，其加工生产注塑件的过程中，会因为参数设置、模具结构等多方面的因素出现多种多样的问题。总的来说，对于注塑产品的质量标准分为几个方向[36]。第一个方向是塑料制件的内部结构，内部分子的取向与结晶不同，直接影响着产品的力学性能的不同，如抗压、抗拉强度等。第二个方向是塑料制件的外观尺寸，主要包括制品尺寸稳定性、配合精度等，外观尺寸不一致制品后续装配等工作完全没法做。第三个方向是塑料制件的表面质量，产品光泽度要高、表面不能有熔接痕、缩痕等。
不同的制品有不同的设计需求，要求使用的质量指标也存在差异。本章就翘曲变形和缩痕这两个工业生产中常见的质量问题结合玻纤增强 PBT 材料进行分析。
对于 PBT 材料来说，模具温度和熔体温度是十分重要的，过高和过低都会影响材料性能。模具温度设置过低,虽然有利于减小制件的体积收缩,但是制件过快的冷却，内应力还没完全消除就被顶出。较高的模具温度能够有效消除内应力但是过高则会降低材料的性能，而经过玻璃纤维增强后需要比正常 PBT 温度高 10 度左右。熔体温度温度过低,熔体在型腔内难以流动，甚至塑料颗粒没有完全处于熔融状态，这样子冷却后残余应力大,制件易产生翘曲变形。
如果熔体温度过高,则容易破坏 PBT 材料塑性强度,而且制件冷却所需要的时间长，产品尺寸精度和稳定性下降。如果保压时间过短,则会让注塑浇口没有完全凝固，难以脱模，影响制件表面质量。如果保压时间过长,那么不会过长的保压时间不会有更好地制件质量，反而增加生产时长，降低效率。冷却时间过短,型腔内熔体高于室温太多,出模后会继续冷却至室温。增加生产时长，降低效率。
2.2 玻纤增强 PBT 材料翘曲变形理论研究
翘曲变形是指制件的外形与原本设计的形状不一致，尤其是在型腔末端或者薄壁处容易发生多种方向上的变化。是塑料制品常见的缺陷之一，通常不管什么原因导致塑件发生任何方向上的变形统称为翘曲变形。翘曲变形的根本原因是注塑过程中随着螺杆的转动塑料熔体不断流入型腔，一方面存在内应力，另一方面在塑料流动过程中有剪切应力和平行方向、垂直方向这两个方向上的制件收缩不同，最终不均匀的收缩和内应力导致了翘曲。不同的材料特性、制品形状、工艺参数、模具结构均会对变形产生影响，本文分析的 PBT材料和薄壁制件都容易产生翘曲，需要优化模具结构、调整工艺参数来减小翘曲变形对产品质量、后续装配的影响[37]。
2.2.1 翘曲产生机理
主要包括以下几个方面[38]：
（1）分子流动取向
对于玻璃纤维增强 PBT 材料来说这是导致翘曲的最主要原因之一。塑料熔体在模具型腔流动，流动方向的固定限制了树脂的收缩，而玻璃纤维的流动收缩又与它不一致。这就使得制品在纵向(流动方向)与横向(与流动方向垂直的方向)这两个方向收缩出现差异，这种不均匀收缩便导致了玻璃纤维增强 PBT 材料的翘曲变形。
（2）冷却不均
由于冷却管道设计不合理或者制件结构复杂而产生的温度分布不均；制件顶出模具时尚未完全冷却；脱模不当导致制件为冷却就发生了变形等一系列的原因，导致在完全冷却前，制品发生二次变形。这些都属于冷却不均引起的翘曲变形。这种冷却不均的现象在零件厚度相差很大的时候也会经常性的出现。对于这种制件脱模的时候，厚的地方熔体多冷却较慢，厚度相差越大越明显，因此对于薄壁件影响很大。
第 3 章 玻纤增强 PBT 材料注塑成型工艺方案设计...............................14
3.1 塑件的结构分析............................................... 14
3.2 注塑成型软件的选择与分析................................... 14
第 4 章 玻璃纤维增强 PBT 材料成型工艺参数正交试验设计及分析............ 24
4.1 正交试验设计方法及目的....................................... 24
4.2 正交试验设计................................ 24
第 5 章 玻纤增强 PBT 材料注塑成型工艺规律研究.........................................43
5.1 工艺参数对工件质量影响程度分析......................................... 43
5.1.1 工艺参数对于翘曲变形的影响程度............................... 43
5.1.2 工艺参数对于体积收缩率的影响程度....................................... 44
第 5 章 玻纤增强 PBT 材料注塑成型工艺规律研究
5.1 工艺参数对工件质量影响程度分析
5.1.1 工艺参数对于翘曲变形的影响程度
第四章对 10%、15%、30%三种不同玻璃纤维含量的 PBT 材料分别进行了正交试验得到了在翘曲变形、体积收缩率、缩痕三个指标下的最优参数组合。为了得到在不同玻璃纤维含量的情况下，相同试验参数和条件的情况下，熔体温度、模具温度、保压时间、注射时间四个因素的影响程度和玻璃纤维之间的关系，可以比较它们的方差，因为方差是代表各个因数对试验显著性的一个指标。图 5.1 是玻璃纤维含量和工艺参数的翘曲影响程度关系图。
如图 5.1 所示，熔体温度、模具温度和保压时间均在 10%到 15%时有上升，在 15%到30%时下降。这是因为当玻璃纤维含量为 10%时，需要的熔体温度和模具温度不高，而当增加到 15%玻璃纤维时，整体纤维还是不稳定。PBT 分子和纤维在制品表面的取向基本上与注塑方向一致，而制品中心层的取向就会发生变化，与注塑方向相垂直。流向不同导致会有两个方向的收缩不同的产生而发生翘曲变形[52]。所以温度和保压时间的增加促使纤维分子更快的随塑料熔体扩散，并保证纤维分子取向的一致性，同样降低的浮纤产生的可能，对于翘曲的影响程度变大。而当玻璃纤维到 30%时，需要更高的温度、压力，这时候注射压力和保定压力的影响会更大，所以温度影响降低。
第 6 章 结论与展望
6.1 结论
本文根据生产实际的需要，以不同含量玻璃纤维 PBT 材料为研究对象，选取了数据线塑胶接头零件，研究其注塑成形工艺与成形规律。在方案设计中利用 Moldflow 软件创建了浇注系统和冷却水道。通过理论、模拟结果和实际生产经验相结合的方式对浇口位置、浇口形状、一模多腔结构进行了分析。针对点浇口和侧浇口分别进行了浇注系统的设计，根据充填情况、翘曲变形、缩痕综合选择了侧浇口进行后续正交试验。采用 Taguchi 正交实验设计方法和 CAE 分析软件 Moldflow 进行试验，根据实际生产经验取值范围和查阅相关书籍确定四个因子与水平量。确定的四个因子为：熔体温度、模具温度、保压时间、注射时间。针对 10%、15%、30%三种不同玻璃纤维含量的材料，探讨了工艺参数对于翘曲、体积收缩和缩痕的影响程度大小。进行单因素试验分析，得到工艺参数变化对于工件质量的影响规律。最后分析最佳工艺参数组合，为实际注塑生产提供经验，节约时间和生产成本。具体结论如下：
对于制件翘曲变形的影响程度而言，10%、15%、30%三种玻璃纤维增强 PBT 材料的影响程度相对最大的参数是保压时间，熔体温度在 15%玻璃纤维含量时影响程度第二，注射时间在 10%和 30%玻璃纤维含量时影响程度第二，模具温度影响程度均较小。对于制件的收缩率来说，三种玻璃纤维增强 PBT 材料影响最大的参数是熔体温度，且远远大于其他参数。第二和第三分别是保压时间和模具温度，最后是注射时间且影响程度很小。对于制件的缩痕来说，三种玻璃纤维增强 PBT 材料影响最大的参数也是熔体温度，可见熔体温度对于玻璃纤维增强 PBT 材料的注塑制件的收缩很关键。剩下影响程度依次为模具温度、注射时间、保压时间。
参考文献（略）