IML注塑制品翘曲变形的研究-深圳市崇光科技有限公司

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IML注塑制品翘曲变形的研究

作者:管理员 发表时间:2014/2/19 14:58:33 阅读:

IML工艺塑料注塑成型中,由于制品收缩的大小和主方向不同,导致出模后塑件的形状与其在模具型腔内的形状不同,这就是工程技术人员十分关心的IML注塑制品翘曲变形问题。影响注塑制品翘曲的主要因素有以下几个方面:

(1)塑料及模具材料;

(2)制品结构、模具结构、模具强度、加工精度和表面粗糙度;

(3)注塑成型工艺条件。

由于翘曲变形是由多种因素造成,所以对注塑制品翘曲的研究起步较晚,并且进展较慢。塑料行业中对注塑制品出模后发生翘曲的研究工作总结起来体现在以下三个方面:

(1)实验研究塑料制品的翘曲与塑料材料、模具材料、产品结构、模具结构、成型工艺参数等之间的关系;

(2)从产品设计方法学角度来研究减少注塑制品翘曲变形的方法,并进行产品和工艺条件的优化设计;

(3)从理论上对翘曲进行定性和定量分析研究,并开发相应的软件。

实验研究注塑制品翘曲变形

用实验方法研究IML塑料制品的翘曲变形主要体现在研究材料性质、产品的几何形状和大小、注塑成型工艺条件等对制品翘曲变形的影响。早在六十年代,V.LeoCh.Curelliez便通过设计大量的实验,获取浇口几何形状、保压参数(保压压力和保压时间)和模具的弹性对制品最终尺寸的影响。C.S.LecA.Dusin等用Nylon6PET作为聚合物基,研究了不同材料和不同壁厚平板的翘曲特性。HiroyukiKikuchiKiyohitoKoyama等实验研究了33%玻璃增强纤维PA66注塑磁盘的增强比率、线性热膨胀系数的各向异性、制品厚度和翘曲之间的关系,首次提出了翘曲指数概念,采用翘曲指数研究PA66塑料制品的翘曲特性,并研究了翘曲指数、翘曲和纤维定向状态之间的关系和屈服与翘曲指数的关系。E.J.Fahy等采用磁盘来测试增强塑料制品出模后发生翘曲变形的机制,并提出磁盘呈拱形或马鞍形变形的实验公式。M.AkayS.Ozden等在大量实验数据的基础上,建立残余应力和翘曲之间的实验关系,这样就无需考虑忽略塑料的粘弹行为和假设塑料固化时材料性质与温度无关给翘曲预测带来误差。RadfordDiefendorf等实验研究了复合材料在成型和使用过程中的变形。他们提出了基于经典层状薄板理论的预测制品形状变化的数学模型。实验方法研究翘曲变形,往往局限于某一特定的几何形状、特定的材料和工艺条件,并不能全面考虑诸多因素对翘曲变形的影响,而且也不能在产品设计阶段预测可能发生的翘曲变形的大小。

从产品设计方法研究iml制品翘曲变形

NelsonC.Baldwin从产品和模具设计以及成型工艺条件出发,分析了减少注塑制品翘曲变形的方法。他指出,不正确的产品设计所导致的翘曲是最严重的,几乎不可能通过成型工艺条件来修正,不均匀壁厚、筋板、浮雕等都能引起不均匀收缩,从而导致翘曲;模具设计,无论是对何种材料,最重要的影响因素是浇口的大小和位置;不均匀的压力分布和温度分布也能导致翘曲。大连理工大学的李海梅也提出了一种减少塑件翘曲的方法,通过增加绝热层来有效地减少流动应力,从而减少制品的翘曲变形。B.H.Lee在塑料制品设计中,首次打破制品壁厚应尽可能均匀的不成文规则。他认为,在预定的尺寸误差范围内,有意改变注塑制品的壁厚,是减少制品翘曲的一种方法。他采用TAGUCHI方法得到不同壁厚因子组合的制品壁厚,且对每种壁厚模型,采用差异分析法,获得了最优壁厚和相应的最佳工艺条件设置。RakeshSahu,DongangYaoByungKim等从IML产品设计方法学上讨论了减少翘曲的方法,传统的设计是先给定产品几何形状,通过反复试差,在一定范围内选择变量。他们则采用基于优化的基因算法、TAGUCHI等方法来优化产品设计空间,以减少翘曲,并给出制品的理想厚度和体积。从产品设计方法学上研究塑件的翘曲变形,实际上是将工程优化设计方法应用于注塑行业,即把影响产品翘曲变形的主要因素作为设计变量,以最小的翘曲变形作为优化设计的设计目标,对产品的几何形状或注塑成型工艺条件进行优化设计。

理论上对翘曲的分析研究

七十年代以前,翘曲变形分析大都采用定性分析,根据实际经验从制品设计、模具设计及iml注塑工艺条件等方面采取措施,尽量避免发生大的翘曲变形。固体力学、计算机科学、数值技术、材料科学等学科的发展,使得越来越多的学者开始对注塑制品的翘曲进行理论上的研究。411 收缩/翘曲的研究  由于翘曲变形与不均匀收缩有关,许多学者从研究不同塑料在不同工艺条件下的收缩行为入手,来分析收缩与制品翘曲的关系。Thomas,N.Mccffery在注塑流动、保压、冷却模拟的基础上,通过实验和线性回归方法,提出了预测注塑制品收缩的模型,在收缩预测的基础上,通过结构分析模拟程序计算出制品的变形。澳大利亚MOLDFLOW公司对很多材料在改变流动速度、保压压力、保压时间、模具温度、塑料充模时间、制品厚度等参数的条件下,测出制品的收缩。根据测试结果,将制品的收缩分为四个部分:体积收缩、定向引起的不均匀收缩、不平衡冷却引起的不均匀收缩。在此基础上,Walsh提出了能考虑更多基本变量(体积收缩、结晶含量、模具限制、塑料取向等)的收缩预测方法,利用流动和冷却分析结果来预测收缩应变。WalshPeter等在收缩预测基础上,计算制品翘曲。利用已求出的收缩应变,将收缩应变输入结果分析程序,等效成节点载荷后,通过线性或非线性分析可得到制品的翘曲变形,同时可以分离出影响特定塑料制品翘曲变形的主要因素和次要因素,对实际有很大的指导意义。由于影响收缩的因素很多,理论上很难预测收缩,所以大部分工作都是基于实验研究,根据实验结果提出实验收缩模型,然后计算翘曲变形。412 应力/翘曲的研究  塑料熔体在成型过程中,由于取向、收缩的不均匀,导致内应力的不均匀,所以制品出模后,在不均匀内应力的作用下,发生翘曲变形。因此,许多学者从力学角度分析、计算制品的内应力和翘曲。在注塑成型冷却阶段,当温度高于玻璃化转变温度时,塑料是粘弹性流体,并伴有应力松弛现象;当温度低于玻璃化转变温度时,塑料变成固态。塑料在冷却过程中的这种液-固相转变和应力松弛,对准确预测制品残余应力和残余变形很有影响。Osswald在预测压塑模零件的翘曲时,提出了3-D弹性相转换模型。Matsuo-ka等采用了一简单弹性模型,结合对注塑成型过程的集成分析,预测了增强型纤维塑料制品的翘曲。Chiang等既采用了基于LRW模型,又采用了纯流体弹性模型,预测注塑制品的收缩和翘曲。KabanamiCrochet,采用了3-D粘弹模型来预测注塑制品的残余应力和最终形状。Shih-JungLiu,考虑了冷却阶段塑料由液态变为固态的相转换和应力松弛行为。对未固化的区域,塑料呈现粘性行为,用粘性流体模型描述,对以固化的区域,塑料呈粘弹行为,用标准线性固体模型来描述。文中采用粘-弹相转换模型和二维有限单元法来预测热残余应力和相应的翘曲变形。塑料的结晶性能对制品的残余应力、翘曲变形也有影响。其中较为成熟的方法是R.Y.ChangB.D.Tsaur所采用的,他们用改进的TAIT方程来描述结晶塑料的压力)体积)温度关系,MALKIN结晶动力学描述塑料的结晶行为,用线性热粘弹模型计算流动残余应力和热残余应力,计算出的残余应力作为固体力学分析的初始条件,用三维有限元法来计算出翘曲。并用上述方法对结晶型塑料POLYPROPYLENE和无定形ABS平板的收缩、翘曲和沉点进行预测,且对其结果进行了比较。

许多学者研究了因不良模具设计或工艺成型而导致的不均匀冷却所产生的热翘曲变形。BushiroStokes以名义变量的方法来研究自材料参数到工艺参数等一系列广泛的参数对匾状制品翘曲的影响。假设材料是热流变学上简单的热粘弹材料,且忽略流动影响,用无定形热塑性塑料熔体层在平行冷板间的固化来构造注塑成型中制品翘曲的机理。Jacques模拟了无定形塑料平板由于不均匀冷却而造成的热翘曲。在采用一维有限差分分析注塑成型的传热过程后,将制品分为多层,根据各层的温度不同,计算经过玻璃化转变后的应力,通过采用纯弯曲理论计算出翘曲。这种方法可以分析简单制品受到热应力作用下的翘曲变形。Tamma等人分别采用传统有限元法和无限单元法分析制品的传热,并用梁的弯曲理论计算由温度变化而导致的热残余应力和翘曲变形。BushroStokes假设塑料为热粘弹性材料,用无定形热塑性塑料熔体层在平行冷板间的固化来构造制品的收缩和翘曲机制,并由此计算注塑成型的热残余应力。TakaakiMatsuoka等通过采用三维薄壁注塑件的几何模型,将模具冷却、塑料充模)保压)冷却、纤维定向、材料特性和应力分析集成后,预测翘曲。HiroyukiKikuchiKiyohitoKoya-ma采用有限单元法来计算翘曲,首先求出熔体的流动场和纤维定向后,再求出热应力,最后利用非线性结构分析软件MARC来计算翘曲。郑州工学院的申长雨等几位学者提出了翘曲变形系数的概述,主要考虑温度不均匀分布引起翘曲变形,并采用数值计算方法计算出了翘曲变形系数。而后,采用弹性小变形理论、有限单元法计算温度应力,利用大连理工大学的结构分析程序来计算出翘曲大小。西北工业大学的吴建军等人用一维粘弹性本构方程求解了塑件的残余应力,用悬臂梁理论求解了制品的变形。华中理工大学的卢义强博士用薄板理论分析制品的翘曲变形,将制品的面内变形看作平面应力问题,将侧向变形看作薄板弯曲问题,两类变形叠加后,采用平面问题及薄板弯曲问题的有限元法计算制品在三维空间坐标内的变形。也有学者同时考虑了保压过程中保压压力对塑料的取向、歼余应力的分布、制品最终变形的影响。Ka-banemiCrochet,提出了一真三维方法来计算残余应力和最终形状(收缩和翘曲)。他们考虑了保压阶段的影响,将制品分成三层,由三维网格来分析残余应力和变形。在此方法的基础上,KabanemiVailancourt等作了改进,提出了在保压阶段以后所引起的残余应力和变形的数值模拟模型。计算残余应力时,采用了热粘弹模型(包含体积松弛)。其采用的有限单元法是基于由平面单元集合而成的壳层理论,该理论正适用于形状复杂的薄壁注塑制品。应力/翘曲变形的研究以其比较完善的力学理论背景,在近几年得到了迅速发展,开发基于制品内应力的三维翘曲变形分析软件是目前许多科研机构的重点研究方向。5 商品化软件  注塑制品翘曲变形的预测,仍处于计算机模拟研究阶段。这是由于塑件产生翘曲变形的原因很多,除前面提及的材料、结构、工艺参数等,还与注塑过程的流动、保压、冷却各阶段有关。所以,只有在完成流动、保压、冷却、应力分析的基础上,才可能系统地研究翘曲变形的机理,进行计算机模拟。国际上已有几个公司开发出了注塑制品翘曲分析的商品化软件。(1)澳大利亚MOLDFLOW公司在大量实验研究制品收缩的基础上,首次推出了商品化的翘曲分析软件。它将制品分层考虑不同的定向,收缩采用实验结果进行逼近,假设多个线性小变形组合即为制品的总体翘曲变形。(2)美国CORNELL大学的CIMP小组,采用力学方法计算注塑制品在成型过程中的内应力,再利用通用的有限元分析程序计算制品发生的翘曲变形。基于这种方法,ACTech公司推出的商品化软件C-WARP,可以得到有一定精度的制品的翘曲分析结果。(3)德国IKV研究所在不考虑保压压力、定向、塑料的各向异性及塑料的应力松弛的条件下,将制品分多层,计算不同层由于收缩不均匀产生的热应力,由此计算出制品的翘曲。(4)日本的东京中心发展实验室建立IMAP系统,在完成流动、保压、冷却模拟后,采用有限差分法求解定向方程,将制品分层后采用热粘弹性膨胀模型计算热应力,再采用薄板的弹性有限元进行翘曲分析。

由于影响IML塑件翘曲变形的因素很多,用传统的反复试模-修模的方法解决翘曲问题,效果不甚令人满意。所以,无论从改进塑件的产品质量,还是从提高注塑模行业的生产效率、降低生产成本,或是从注塑模CAE的发展趋势来看,iml塑件翘曲变形的研究都是势在必行。

 

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