關(guān)于注塑成型制品收縮率，你知道多少？

2016-11-30 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

引言

隨著塑料合成技術(shù)的發(fā)展,塑料的力學(xué)性能得到顯著提高,在工程方面的應(yīng)用日益廣泛。在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其它有尺寸配合要求的場(chǎng)合,塑件的形狀尺寸精度往往很高,要求達(dá)到精密甚至超精密級(jí),因此從事注塑成型加工領(lǐng)域研究的科研人員一直在努力減少注塑制品收縮率預(yù)測(cè)的誤差,以縮短注塑模具制造周期和提高注塑制品合格率。

1、收縮率預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合方法

起初,人們把注意力集中在注塑工藝條件的波動(dòng)對(duì)收縮率所產(chǎn)生的影響上,進(jìn)行大量的注塑實(shí)驗(yàn),試圖找出注塑工藝條件與收縮率之間的定量關(guān)系。

在積累了一定的經(jīng)驗(yàn)后,有學(xué)者提出用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的方法來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)際生產(chǎn)條件下的注塑制品收縮率,其基本思想是通過(guò)多因素正交實(shí)驗(yàn)測(cè)量某種塑料在不同的料筒溫度、注射壓力、注射時(shí)間、保壓壓力、保壓時(shí)間、模具溫度、模內(nèi)冷卻時(shí)間等工藝參數(shù)下的收縮率,根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合出收縮率與各工藝參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。

在應(yīng)用時(shí)將實(shí)際注塑生產(chǎn)所采用的各工藝參數(shù)值代入對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式,得到各自對(duì)應(yīng)的收縮率數(shù)值,對(duì)其進(jìn)行加權(quán)平均,便得到模具設(shè)計(jì)者所需要的“實(shí)際收縮率”。

但是一則當(dāng)實(shí)際注塑制品的形狀尺寸以及澆口的數(shù)量、位置、大小與實(shí)驗(yàn)情況不同時(shí),制品內(nèi)部的壓力分布情況以及溫度分布情況會(huì)與實(shí)驗(yàn)時(shí)不同,從而使實(shí)際注塑工藝條件與實(shí)驗(yàn)時(shí)的注塑工藝條件之間不具有可比性;二則這種方法沒(méi)有考慮制品收縮過(guò)程中的模內(nèi)限定效應(yīng),所以用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的方法預(yù)測(cè)收縮率難以推廣應(yīng)用。

2、收縮率預(yù)測(cè)的數(shù)值模擬方法

為了較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)收縮率,必須考慮模具成型結(jié)構(gòu)對(duì)注塑制品收縮率的影響,而模具成型結(jié)構(gòu)是千變?nèi)f化的,無(wú)法用幾種典型結(jié)構(gòu)來(lái)代表,即不可能依靠實(shí)驗(yàn)來(lái)確定模具成型結(jié)構(gòu)與制品收縮率之間的定量關(guān)系,于是用計(jì)算機(jī)對(duì)注塑成型過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬的研究工作日益增多,成為聚合物加工科學(xué)中發(fā)展很快的前沿研究領(lǐng)域。

對(duì)注塑成型過(guò)程的數(shù)值模擬始于二十世紀(jì)60 年代。二十世紀(jì)90 年代以后,流動(dòng)、保壓、冷卻分析的計(jì)算逐步成熟,許多學(xué)者在此基礎(chǔ)上開(kāi)始預(yù)測(cè)注塑制品的形狀尺寸,即進(jìn)行翹曲分析。

其計(jì)算過(guò)程為: 保壓過(guò)程結(jié)束后,根據(jù)塑料的可壓縮系數(shù)、熱膨脹系數(shù)與結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算注塑制品的壓力變化與溫度變化所應(yīng)產(chǎn)生的熱收縮與結(jié)晶收縮,但并不使收縮應(yīng)變發(fā)生,而是把收縮應(yīng)變轉(zhuǎn)化為等效的節(jié)點(diǎn)載荷,再應(yīng)用彈性模型或粘彈性模型求解等效載荷作用下注塑制品的響應(yīng)。

如果注塑制品上、下表面的冷卻條件不同,則厚度方向的溫度與應(yīng)力分布將不對(duì)稱(chēng)于中間層而使注塑制品有彎曲變形的趨勢(shì)。由于在模具型腔的約束下注塑制品的彎曲變形不能發(fā)生,于是將其轉(zhuǎn)化為殘余應(yīng)力并作為脫模以后的初應(yīng)力;制品脫模后,應(yīng)用彈性模型或粘彈性模型求解在初應(yīng)力載荷與溫度等效載荷作用下注塑制品發(fā)生的變形。

日本豐田中央研究所的IMAP 軟件與澳大利亞MF 公司的Moldflow 軟件采用熱彈性模型計(jì)算注塑制品的殘余應(yīng)力與翹曲變形; 美國(guó)ACTech 公司的C - MOLD 軟件、臺(tái)灣學(xué)者Chang 等人以及大連理工大學(xué)的李海梅博士[7 ]等則采用熱粘彈性模型計(jì)算脫模前的殘余應(yīng)力,再用熱彈性模型計(jì)算脫模后的翹曲變形。

可以看出,對(duì)翹曲變形的數(shù)值模擬主要分為兩類(lèi): 一類(lèi)是將塑料固體作為彈性材料,以使計(jì)算得到簡(jiǎn)化;另一類(lèi)則考慮到塑料的粘彈特性,計(jì)算殘余應(yīng)力時(shí)采用了熱粘彈本構(gòu)模型。

當(dāng)高聚物處于玻璃態(tài)時(shí),彈性對(duì)高聚物的行為起主導(dǎo)作用;而在高彈態(tài)時(shí),其粘彈性質(zhì)表現(xiàn)得較為明顯。所以塑件脫模后的結(jié)構(gòu)分析多采用熱彈性模型,而塑件的模內(nèi)固化過(guò)程則適宜用熱粘彈性模型來(lái)分析。

目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行翹曲分析時(shí)所采用的熱粘彈本構(gòu)模型都是熱流變簡(jiǎn)單材料模型,它屬于線性熱粘彈本構(gòu)模型。美國(guó)學(xué)者Bushko與Stokes從粘彈性力學(xué)的角度討論了各種粘彈性理論的適用范圍,認(rèn)為熱流變簡(jiǎn)單材料本構(gòu)模型只適用于各向同性材料。

即由非極性大分子組成的無(wú)定形塑料,因?yàn)樵谶@種情況下溫度對(duì)大分子構(gòu)向變化的影響方式是相同的,而高聚物中的晶體結(jié)構(gòu)與極性基團(tuán)對(duì)溫度改變所產(chǎn)生的反應(yīng)不同于非極性的無(wú)定形部分,這時(shí)就不滿(mǎn)足Boltzman 疊加原理所要求的線性條件。

也就是說(shuō),只有非極性的無(wú)定形塑料符合熱流變簡(jiǎn)單材料模型所規(guī)定的熱粘彈本構(gòu)關(guān)系,其它材料尤其是結(jié)晶型塑料不服從熱流變性簡(jiǎn)單假設(shè)。

由于熱流變簡(jiǎn)單材料模型只適用于小應(yīng)變條件下的各向同性線性熱粘彈體,并不能反映小應(yīng)變范圍內(nèi)的非線性粘彈性行為(物理非線性) 以及大應(yīng)變所引起的非線性行為(幾何非線性) ,所以應(yīng)用熱流變簡(jiǎn)單材料模型進(jìn)行塑料制品成型過(guò)程的數(shù)值模擬存在理論誤差。

理論上多重積分表達(dá)式精確描述了非線性粘彈性行為,但它導(dǎo)致數(shù)學(xué)上很大的復(fù)雜性,即使只取到三重積分,本構(gòu)關(guān)系仍相當(dāng)復(fù)雜,不僅引起冗繁的計(jì)算,而且為確定其中包含的材料函數(shù)所需的實(shí)驗(yàn)次數(shù)也是驚人的。

為了解決非線性粘彈本構(gòu)關(guān)系的建模問(wèn)題,韓國(guó)學(xué)者Lee 與Youn提出將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于注塑成型的數(shù)值模擬: 首先進(jìn)行平板狀塑件的注塑實(shí)驗(yàn),并按照實(shí)驗(yàn)時(shí)的注塑工藝條件對(duì)注塑制品進(jìn)行流動(dòng)、保壓、冷卻的數(shù)值模擬,將數(shù)值模擬得到的各計(jì)算單元的壓力、溫度與密度作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,將實(shí)測(cè)的塑件平面位移量轉(zhuǎn)化為計(jì)算單元的應(yīng)變后作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出,以此來(lái)完成自訓(xùn)練過(guò)程;

自訓(xùn)練過(guò)程結(jié)束以后,在預(yù)測(cè)同一種塑料的其它注塑制品收縮情況時(shí),向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入對(duì)此制品進(jìn)行流動(dòng)、保壓、冷卻模擬的分析結(jié)果,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)便會(huì)輸出各計(jì)算單元的應(yīng)變,將各計(jì)算單元的應(yīng)變進(jìn)行積分而得到注塑制品的變形量。

在未獲得實(shí)用的數(shù)學(xué)方程對(duì)非線性粘彈行為進(jìn)行分析描述之前,借助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)確定其應(yīng)力———應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系,這種想法值得借鑒,但為了完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自訓(xùn)練過(guò)程所要進(jìn)行的工作過(guò)于繁瑣,很難應(yīng)用于實(shí)踐。

3、收縮率數(shù)值模擬方法的工程化研究

以線性粘彈本構(gòu)關(guān)系來(lái)分析高聚物的非線性粘彈行為雖然會(huì)帶來(lái)理論誤差,不過(guò)在注塑材料性能數(shù)據(jù)充足的前提下,其計(jì)算精度能夠滿(mǎn)足工程上的需要,問(wèn)題在于實(shí)際應(yīng)用中往往不具備數(shù)值模擬方法所需要的各種材料常數(shù),從而限制了數(shù)值模擬方法的使用。

四川大學(xué)在測(cè)量國(guó)產(chǎn)注塑材料性能數(shù)據(jù)方面做了許多工作,建成我國(guó)第一個(gè)注塑材料性能數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)庫(kù)中包括102 中常用塑料的冪律參數(shù)、不流動(dòng)溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、熱擴(kuò)散系數(shù)、比容等性能數(shù)據(jù)。

但即使是同一廠家生產(chǎn)的同一種塑料,當(dāng)批號(hào)不同時(shí),其性能也會(huì)有很大差異。由于注塑材料的各種材料常數(shù)的獲得需要昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)測(cè)量與大量的技術(shù)處理工作,所以要求塑料生產(chǎn)廠家對(duì)不同種塑料的不同批量都建立這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)是不現(xiàn)實(shí)的。目前我國(guó)注塑模具行業(yè)急需的是具有工程實(shí)用性的收縮率計(jì)算方法,要求能較簡(jiǎn)便地求得與給定的實(shí)際問(wèn)題精度相適應(yīng)的解。

對(duì)注塑制品收縮率有影響的諸多因素可以劃分為三類(lèi): 注塑材料特性、注塑工藝條件和模具成型結(jié)構(gòu)。注塑材料特性表現(xiàn)為粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、比容、松弛模量、彈性模量、泊松比等物理性能數(shù)據(jù);注塑工藝條件指注射機(jī)操作者能夠控制的料筒溫度、注射速度、成型壓力以及成型時(shí)間;

模具成型結(jié)構(gòu)包括模腔的形狀與尺寸、澆注系統(tǒng)的位置與尺寸、冷卻回路的位置與尺寸。模具成型結(jié)構(gòu)從根本上決定了注塑制品的收縮率分布趨勢(shì),注塑材料特性與注塑工藝條件則是在此基礎(chǔ)上影響注塑制品各點(diǎn)收縮率的具體數(shù)值。

塑料生產(chǎn)廠家提供的某種塑料在某批量的收縮率平均值,在一定程度上代表了注塑材料的特性,所以在根據(jù)模具成型結(jié)構(gòu)得出制品收縮率分布趨勢(shì)后,可以結(jié)合塑料生產(chǎn)廠家提供的注塑材料收縮平均值來(lái)確定制品各點(diǎn)的收縮率。

從而免去對(duì)注塑材料各種材料常數(shù)的測(cè)量求解工作。如果對(duì)注塑制品收縮率分布趨勢(shì)的預(yù)測(cè)符合實(shí)際,那么通過(guò)調(diào)整注塑成型工藝參數(shù)使注塑制品實(shí)際收縮率值向預(yù)測(cè)收縮率值靠攏,就能夠得到合格的塑料制品。

由模具成型結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)制品收縮率分布趨勢(shì),必須采取數(shù)學(xué)模擬的方法。注塑制品的收縮是通過(guò)比容縮小實(shí)現(xiàn)的,而影響高聚物比容值的根本因素是高聚物的溫度與壓力。為了獲得制品各點(diǎn)的溫度變化歷程與壓力變化歷程,則需要進(jìn)行流動(dòng)、保壓、冷卻分析。

求解每一時(shí)刻注塑制品的溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng),涉及到粘度等物性參數(shù)的計(jì)算問(wèn)題。既然數(shù)學(xué)模擬的目的是得到收縮率分布趨勢(shì),要的是定性結(jié)論而非定量結(jié)論,因此可以選擇兩種已經(jīng)測(cè)得材料性能數(shù)據(jù)的塑料(例如文獻(xiàn)[ 11 ]提供的聚苯乙烯與聚丙烯) 分別代表非晶型塑料與結(jié)晶性塑料,以解決材料性能數(shù)據(jù)的輸入問(wèn)題。

出于同樣原因,模壁溫度場(chǎng)的定量求解可以被定性求解所代替,通過(guò)疊加流道、型腔內(nèi)各點(diǎn)熱源與冷卻系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)冷源對(duì)模壁的影響,獲得模壁溫度的分布趨勢(shì),這與以往通過(guò)迭代計(jì)算模具溫度場(chǎng)與制品溫度場(chǎng)來(lái)定量求解模具成型表面溫度的方法相比,節(jié)約了大量的計(jì)算時(shí)間。

通常在獲得塑料比容的欲縮小程度后,都將其轉(zhuǎn)化為等效的節(jié)點(diǎn)載荷,求解塑料制品在載荷與變形約束作用下的形變。如果能將比容的欲縮小程度直接轉(zhuǎn)化為注塑制品的收縮位移,會(huì)大大簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。為此需要先明確注塑制品的收縮方向,建立能夠?qū)?shí)際收縮情況進(jìn)行合理解釋的收縮規(guī)則。

曾通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,根據(jù)注塑成型過(guò)程中高分子的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),提出注塑制品是以澆口為收縮中心,注塑制品上的各點(diǎn)均受到來(lái)自其所屬流動(dòng)區(qū)域澆口的收縮力,并在收縮過(guò)程中沿其流動(dòng)路徑向澆口進(jìn)行收縮。

比容的欲縮小程度反映為收縮路徑上網(wǎng)格步長(zhǎng)的縮短程度。在模內(nèi)收縮過(guò)程中,制品各點(diǎn)沿流動(dòng)路徑向澆口的收縮在受到模具成型表面約束的情況下,收縮位移中受阻礙的部分不能發(fā)生;脫模以后,制品各點(diǎn)的收縮不再受到阻礙。通過(guò)與實(shí)測(cè)的注塑制品收縮率相比較,驗(yàn)證了所計(jì)算出的制品收縮率分布趨勢(shì)符合實(shí)際情況。為使收縮率分布趨勢(shì)與塑料的收縮率平均值Sa 聯(lián)系起來(lái),可以把計(jì)算得到的制品各點(diǎn)(模內(nèi)收縮過(guò)程受到阻礙的節(jié)點(diǎn)除外) 相對(duì)于澆口的收縮率求和平均,其平均值以Sc 表示,然后將所有節(jié)點(diǎn)的計(jì)算收縮率乘以( Sa/ Sc) ,作為預(yù)測(cè)的收縮率值。

4、結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)方法可以用來(lái)研究某種因素對(duì)注塑制品收縮的影響方式,以及檢驗(yàn)理論推斷與數(shù)值模擬精度,但不能完全依靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)各種形狀制品的收縮率;數(shù)值模擬方法以高分子物理學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、粘彈性力學(xué)為理論基礎(chǔ)。

對(duì)注塑成型過(guò)程的分析比較符合客觀規(guī)律,不過(guò)計(jì)算過(guò)程復(fù)雜、程序開(kāi)發(fā)成本高,從而導(dǎo)致軟件價(jià)格不菲,再加上實(shí)際應(yīng)用時(shí)缺乏數(shù)值模擬所需的各種材料常數(shù),這兩點(diǎn)影響了國(guó)內(nèi)中、小型模具企業(yè)對(duì)注塑成型計(jì)算機(jī)輔助分析軟件的認(rèn)可程度。

現(xiàn)提出把由模具成型結(jié)構(gòu)決定的注塑制品收縮率分布趨勢(shì)與注塑材料平均收縮率相結(jié)合,以解決數(shù)值計(jì)算時(shí)材料性能數(shù)據(jù)不足的問(wèn)題;通過(guò)疊加點(diǎn)源影響場(chǎng)來(lái)確定制品溫度邊界條件、將模具型腔劃分為由澆口起始的若干條流動(dòng)路徑、令各點(diǎn)沿流動(dòng)路徑向澆口收縮的做法,使計(jì)算過(guò)程得到極大簡(jiǎn)化。

程序計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的較好符合,表明這種計(jì)算方法能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)注塑制品各點(diǎn)的收縮率,為模具設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖6 滑頂桿機(jī)構(gòu)

1 定模型芯 2 動(dòng)模型芯 3 動(dòng)模板

4 動(dòng)模固定板 5 斜頂型芯 6 滑輪

7 導(dǎo)槽塊 8 推板a 9 推板b

桿推動(dòng)推板8、9 ,帶動(dòng)斜頂型芯5 作斜頂運(yùn)動(dòng),滑輪6 可在導(dǎo)槽塊7 上滑動(dòng),從而完成內(nèi)側(cè)的抽芯和頂出運(yùn)動(dòng)。這種頂出機(jī)構(gòu)的頂出斜角一般不可

過(guò)大,取5°~15°。這種抽芯機(jī)構(gòu)由于制作簡(jiǎn)單,成本低,而較多地被采用在抽芯行程短的內(nèi)側(cè)抽芯中。但由于斜頂桿一般位于模具中間,不方便潤(rùn)滑,且行程過(guò)長(zhǎng),容易拉傷,故需經(jīng)常更換。此機(jī)構(gòu)經(jīng)適當(dāng)變化也可用在外側(cè)的斜頂抽芯。

經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明,采用了上述幾種抽芯機(jī)構(gòu)的模具,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,動(dòng)作運(yùn)行可靠,維修調(diào)試方便,有效降低了生產(chǎn)成本。

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