搜索CAE在塑料光學(xué)零件注射成型中的應(yīng)用
2013-06-22 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
目前光學(xué)塑料非球面零件在各種光電儀器中的應(yīng)用越來越普遍。針對在注射成型光學(xué)塑料零件時(shí)對質(zhì)量的特殊要求,本文介紹了利用注射成型CAE(computer aidedengineering)軟件Moldflow,通過對塑料填充過程、保壓過程和冷卻過程的模擬分析,對在成型中各工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)影響光學(xué)塑料零件的殘余應(yīng)力和收縮率等最終質(zhì)量問題進(jìn)行了研究。從工藝參數(shù)的選取和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面,提出了如何改善成型光學(xué)塑料零件質(zhì)量的措施,給出了模具面形成型前補(bǔ)償?shù)姆椒?。通過采用最大實(shí)體原則,利用Moldflow分析結(jié)果進(jìn)行模具面形補(bǔ)償最優(yōu)化計(jì)算。
隨著近代光學(xué)和光電子技術(shù)的飛速發(fā)展,光電儀器以及構(gòu)成這些光電儀器的零件發(fā)生了深刻而巨大的變化。由于模具材料、模具制造技術(shù)和精密模壓工藝的發(fā)展,所以可以采用模壓技術(shù)加工精密光學(xué)塑料零件,特別是非球面光學(xué)零件、透鏡陣列和其它一些難以加工的特殊形狀的零件。精密模壓成型技術(shù)適于大批量生產(chǎn),成本較低,它適宜制造各種復(fù)雜形狀的光學(xué)零件。雖然塑料光學(xué)零件耐熱性差、線膨脹系數(shù)大、雙折射大等,但它卻具有制造成本低、易于制造復(fù)雜形狀及非球面、重量輕、抗沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)。隨著成型技術(shù)、新型塑料材料、鍍膜技術(shù)的發(fā)展,光學(xué)塑料零件的應(yīng)用越來越廣泛。
目前,國外各種光學(xué)塑料零件加工工藝已經(jīng)比較成熟,可以經(jīng)濟(jì)地加工高精度的光學(xué)塑料零件。相比之下,國內(nèi)仍采用傳統(tǒng)的工藝進(jìn)行加工,加工的零件也以玻璃產(chǎn)品為主,光學(xué)塑料的制造和應(yīng)用還比較少。由于計(jì)算機(jī)硬件及CAE(computer aidedengineering)軟件的發(fā)展,所以可以利用軟件來提高光學(xué)塑料零件的成型質(zhì)量并且縮短開發(fā)周期。
二、光學(xué)塑料零件注射成型的特點(diǎn)
工程塑料零件成型的精度一般在0 1~0 01mm級,而光學(xué)塑料零件成型的精度則在微米級,其面形精度在波長級,如在CD讀寫頭中的塑料非球面透鏡的形狀精度要求在0 1μm以內(nèi)。光學(xué)塑料成型的任何內(nèi)部和外部缺陷都是不允許的,例如熔接線在普通的塑料成型中只是降低了此處的機(jī)械強(qiáng)度,而在光學(xué)塑料零件中,熔接線直接影響光學(xué)性能,象氣孔等內(nèi)部缺陷對工程塑料的應(yīng)用影響并不大,而在光學(xué)塑料零件中,則是嚴(yán)重的缺陷。
熱塑性塑料最常用的成型方法是注射成型法和注射壓縮成型法。注射壓縮成型法得到的產(chǎn)品面形精度最高,產(chǎn)品的面形幾乎可以和模具的面形完全一樣。但由于注射壓縮成型設(shè)備比普通注塑機(jī)貴得多,在我國使用得還不廣泛,大多數(shù)廠家只有普通的注塑機(jī),所以如何用普通的注射成型法生產(chǎn)高精度的光學(xué)塑料零件有著很重要的現(xiàn)實(shí)意義。
三、CAE在注射成型中的作用
目前,我國的注塑模具設(shè)計(jì)和注塑工藝的處理還主要依靠經(jīng)驗(yàn)。模具加工出來后進(jìn)行試模,如果產(chǎn)品不合格,再進(jìn)行修?；蚋倪M(jìn)注塑工藝,這樣可能需要反復(fù)多次,不僅造成模具設(shè)計(jì)周期延長、模具費(fèi)用和生產(chǎn)成本提高,更重要的是即使最有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員也不可能把各種因素都非常準(zhǔn)確地考慮進(jìn)去,從而使模具設(shè)計(jì)質(zhì)量不高,不能模塑出高質(zhì)量的產(chǎn)品。利用CAE技術(shù)可以設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的模具,給出最佳的工藝參數(shù),減少試模和修模次數(shù),這將大大縮短設(shè)計(jì)周期,降低成本。
簡單地說,CAE就是在計(jì)算機(jī)上對產(chǎn)品進(jìn)行模擬分析,以此來代替試制和試驗(yàn)。塑料注射成型的CAE主要是對塑料的流動(dòng)狀態(tài)、壓力分布、冷卻過程等進(jìn)行模擬分析。CAE能模擬塑料注塑零件的工藝條件,以獲得最佳的模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù),預(yù)測制品的幾何尺寸、微觀結(jié)構(gòu)以及其最終性能。采用CAE技術(shù),可以使工程技術(shù)人員通過對塑料融料在型腔內(nèi)的流動(dòng)、保壓及冷卻進(jìn)行全面的分析,以此來改進(jìn)模具的澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng),調(diào)整成型工藝條件,可以預(yù)測填充的剪切應(yīng)力、熔接線等,提高試模的一次成功率,提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率。
MoldFlow注塑CAE軟件是澳大利亞Moldflow公司開發(fā)的,對熱塑性塑料熔體進(jìn)入模具的流動(dòng)過程的模擬分析是非常成功的,特別是在復(fù)雜情況下的分析,是世界公認(rèn)的注塑CAE工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),它精確高效的模擬注塑工藝全過程,能使生產(chǎn)廠家實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、短周期的目標(biāo)。現(xiàn)在,在世界上已得到了廣泛的應(yīng)用,有許多公司應(yīng)用MoldFlow來改善其產(chǎn)品質(zhì)量,縮短開發(fā)周期。
對于采用普通注射成型法制造光學(xué)塑料透鏡來說,由于透鏡的厚度較厚,且厚度變化大,收縮系數(shù)變化大,所以很難憑經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對制品質(zhì)量的影響。對于光學(xué)塑料零件來說,CAE有更大的作用,使得能夠利用普通的注塑機(jī)生產(chǎn)較高質(zhì)量的光學(xué)塑料零件。
四、工藝參數(shù)的優(yōu)化
在塑料注射成型過程中,工藝參數(shù)很多,對收縮及殘余應(yīng)力影響較大的主要有:注射壓力、注射溫度、填充速度及速度曲線類型、保壓壓力大小及時(shí)間、保壓壓力曲線類型、模具溫度以及冷卻系統(tǒng)的溫度等。
由于在注射過程中過大的剪切應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致過大的殘余應(yīng)力,并可能引起塑料的分解等缺陷;又由于塑件的收縮直接影響幾何尺寸和面形,所以在注射過程中的剪切應(yīng)力應(yīng)當(dāng)控制在合理的范圍內(nèi),并且盡量減小塑件的收縮。
由于澆道系統(tǒng)及各部位幾何形狀不同,不同部位對充模熔體的流動(dòng)(速度、壓力)提出不同的要求,否則就要影響熔體在這一部位的流變性能或高分子的結(jié)晶定向作用,以及制品的表面質(zhì)量,所以這就要求采用多級注射工藝。填充速度曲線類型如圖1所示。
圖1 填充速度曲線類型
圖2 填充速度曲線類型對剪切應(yīng)力的影響
由圖2可以看出,填充速度曲線(A)和曲線(B)的剪切應(yīng)力差別極小,而填充速度曲線(C)比曲線(B)和曲線(A)的剪切應(yīng)力小得多,這是因?yàn)樵谔畛涞淖詈箅A段,邊緣的厚度較薄,如果還以高的填充速度注射,必然產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力。填充速度曲線(C)在注射結(jié)束階段降低了速度,這樣既可以減低剪切應(yīng)力,又可以避免產(chǎn)生溢邊的現(xiàn)象。所以在注射過程中,應(yīng)當(dāng)采用多級注射。
通過模擬分析和理論分析可知,填充速度越大剪切應(yīng)力越大,所以填充速度不宜過大,且過大的填充速度可能引起噴射等缺陷。模具溫度等參數(shù)對剪切應(yīng)力的影響較小。
保壓流動(dòng)和充模時(shí)的壓實(shí)流動(dòng)都是在高壓下的熔體致密流動(dòng)。這時(shí)的流動(dòng)特點(diǎn)是熔體流速很小,不起主導(dǎo)作用,而壓力卻是影響過程的主導(dǎo)因素。在保壓階段,模內(nèi)壓力和比容不斷變化。產(chǎn)生保壓流動(dòng)的原因是因?yàn)樾颓槐诟浇娜垠w受冷卻后收縮,熔體比容發(fā)生變化,在流入口凝固前,熔體在注射壓力作用下繼續(xù)向型腔補(bǔ)充熔體,產(chǎn)生保壓流動(dòng)。保壓壓力曲線類型如圖3所示。
圖3
從模擬分析中可以得出對塑件收縮影響最顯著的因素是:保壓壓力大小、保壓壓力曲線、保壓時(shí)間,而其它因素的影響較小。收縮率隨著保壓壓力的增大而減小。
保壓壓力曲線類型對塑件收縮影響如圖4所示。
圖4 保壓壓力曲線類型對塑件體積收縮的影響
在圖4中,曲線(A)是常壓方式,它不僅一直以較高的壓力補(bǔ)充熔體,又可以使塑件在澆口凝固時(shí)產(chǎn)生高的“封口壓力”,根據(jù)PVT方程得,封口壓力越高則收縮率越小。而曲線(B)由于從開始就隨時(shí)間下降,所以保壓效果不如曲線(A)。曲線C的保壓效果和曲線(A)相近,這種方式比較合理,因?yàn)榭梢允顾芗谳^高的壓力下凝固,減小了塑件的收縮。而在澆道系統(tǒng)凝固后,再施加保壓壓力已經(jīng)不能傳遞到型腔內(nèi),這時(shí)的保壓已經(jīng)沒有作用,而只能使能量白白地浪費(fèi)。最合理的保壓方式應(yīng)該選擇曲線(C),既可以減少收縮,又可以避免過保壓,并且能夠節(jié)約能量。
根據(jù)模擬分析所選擇的最佳工藝參數(shù)的剪切應(yīng)力和體積收縮如圖5和圖6所示。
圖5 最佳參數(shù)時(shí)的剪切應(yīng)力
圖6 最佳參數(shù)時(shí)的收縮率
五、模具面形的補(bǔ)償
模具面形補(bǔ)償有兩種方法:成型后測量變形的補(bǔ)償方法和成型前預(yù)測變形的補(bǔ)償方法。
目前普遍采用的模具面形補(bǔ)償方法是成型后測量變形的補(bǔ)償方法,這一方法中的評價(jià)技術(shù)、補(bǔ)償技術(shù)以及連續(xù)成型的穩(wěn)定性是決定性因素,其過程如下:用形狀和設(shè)計(jì)值接近的模具進(jìn)行實(shí)際的成型,評價(jià)在最合適的工藝條件下成型的模壓零件,并與模具形狀相比較,計(jì)算模具的補(bǔ)償量,修正模具面形,再進(jìn)行成型,直到成型的零件合格為止。
對于透鏡來說,形狀誤差不僅僅是由于樹脂收縮而造成的,彎曲和脫模時(shí)的變形也起重要的作用。由于塑料的成型是一個(gè)復(fù)雜的過程,成型品各個(gè)部位的變形及收縮是不同的,隨成型品的形狀和工藝條件的變化而不同。這就決定了補(bǔ)償過程是一個(gè)費(fèi)用高、時(shí)間長的反復(fù)過程。
另一種對模具面形的補(bǔ)償方法是成型前預(yù)測變形的補(bǔ)償方法,它是根據(jù)CAE軟件對復(fù)雜的零件模擬分析,不用制造模具就可以確定零件各部位的收縮率及變形,然后修改模具面形的幾何尺寸,再進(jìn)行模擬分析,使得可以加工出滿足要求的零件形狀。這種方法節(jié)約了模具的制造試制費(fèi)用,縮短模具開發(fā)時(shí)間,提高了塑件成型的精度。
因?yàn)樵谀＞呒庸ね旰筮M(jìn)行試模,模具可能不完全合適,還需要修模,所以在一般模具制造中,把型腔做的稍微小一些,以便在修模的過程中模具可以直接在模具上加工,否則如果模具型腔太大,則需要對模具進(jìn)行補(bǔ)焊或鍍膜,這將大大增加加工的難度和成本。
在進(jìn)行模具面形補(bǔ)償時(shí),為了便于模具的修模,補(bǔ)償?shù)拿嫘螒?yīng)當(dāng)使模具的型腔也小一些,即模具型腔保持最大的實(shí)體,如圖7所示。在圖7中,曲面A為補(bǔ)償后的模具面形,曲面B為根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬分析的結(jié)果或所要求的模具面形,用此模具面形在設(shè)定的工藝條件下可以產(chǎn)生所設(shè)計(jì)的透鏡形狀。但是由于直接加工曲面B是不可能的,所以要用可加工的曲面來近似,這可以選用球面或回轉(zhuǎn)非球面。所以在曲面擬合時(shí)使負(fù)誤差比正誤差小,使負(fù)誤差與正誤差的比值為一個(gè)小數(shù),用此條件作為優(yōu)化函數(shù)的約束條件。在此約束條件下使補(bǔ)償?shù)拿嫘闻c模擬分析所要求的面形的誤差加權(quán)平方和最小,求得此時(shí)的面形參數(shù),這樣就有利于模具的修復(fù)。
圖7 模具球面的補(bǔ)償
A-補(bǔ)償?shù)拿嫘?/P>
B-要求的面積
光學(xué)透鏡的面形是對稱旋轉(zhuǎn)曲面,為了便于加工,模具的面形選用旋轉(zhuǎn)曲面。高精度的型腔面形可以采用單點(diǎn)金剛石加工的方法,它的加工精度很高,可以直接加工出高精度非球面的面形。設(shè)模具補(bǔ)償?shù)拿嫘畏匠虨閆=φ(x,y)。如果根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果計(jì)算的理想模具面形為Z=Φ(x,y),則補(bǔ)償曲面與理想模具面形的誤差為ΔZ=φ(x,y)-Φ(x,y)。
根據(jù)最大實(shí)體原則得到:
其目標(biāo)函數(shù)為
約束條件為F-(X)=ηF (X),η為一個(gè)正小數(shù),即h(X)=ηF (X)-F-(X)=0
利用罰函數(shù)法求函數(shù)F(X)的最優(yōu)解X ,就得到了模具面形曲面方程的參數(shù)。根據(jù)以上的目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化方法,可以求得模具面形,使它成型出的零件最終尺寸接近零件面形幾何尺寸的要求。
六、結(jié)論
本文介紹了利用先進(jìn)的塑料模擬分析軟件Moldflow對光學(xué)塑料透鏡進(jìn)行了模擬分析,可以對各種工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以取得最佳的成型結(jié)果。采用優(yōu)化技術(shù)等計(jì)算方法在成型前對其進(jìn)行了模具型腔的面型補(bǔ)償。采用成型前補(bǔ)償模具的方法可以大大減少模具的試模和修模次數(shù),能夠提高成型的面型精度,這將減少開發(fā)費(fèi)用、開發(fā)時(shí)間,并提高了制品的質(zhì)量。
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