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工程塑料应用2006年,第34卷,第11期

工艺参数对注塑制品翘曲影响的CAE分析

周应国 申长雨 陈静波 董斌斌

(郑州大学橡塑模具国家工程研究中心,郑州 450002)

*

摘要 通过对注塑制品翘曲原因的深入分析,得出注射成型中制品翘曲模拟的主要方法,为优化注塑制品的翘曲提供了前提。结合实验设计方法,通过CAE对具体的注塑制品进行翘曲分析,得出最佳的工艺条件设置,得知影响翘曲的显著因素有保压压力、冷却时间、保压时间、熔体温度及其与模具温度的交互作用等,并分析了各单一因素对翘曲的影响趋势及其原因。

关键词 注射成型 CAE 翘曲 实验设计

由于周期短、生产率高、适应性强和易于自动化操作等特点,注射成型现已成为主要的塑料材料成型方法之一。随着对注塑制品质量要求的不断提高,翘曲越来越多地受到了关注,现已成为衡量制品质量的指标之一。塑料材料从熔融态到冷却凝固过程中都会有较大的体积收缩,在注射成型的充填阶段结束后继续施加压力可减小材料的体积收缩,但无法完全消除。各向均匀收缩只会使体积变小,而当制品发生不均匀收缩时就会产生内应力,当该内应力超过材料的刚度时就会发生翘曲现象。故翘曲主要是由于制品收缩不均造成的,而长时间翘曲则可能造成制品变形,甚至产生裂缝等。

通常翘曲变形会受到多种工艺因素的影响,在对塑料制品进行翘曲分析之前,必须先进行流动、保压和冷却分析,这些分析的精确性是翘曲分析的前提。实验设计是以概率论与数理统计为理论基础,经济、科学地安排试验的一项科学技术,通过实验设计可知如何合理地安排试验和正确地分析试验数据,从而尽快获得优化方案。笔者现采用实验设计的方法,针对具体的实例采用CAE技术进行翘曲分析,以探讨各种注塑工艺条件对制品翘曲的影响情况,并进一步进行了单因素分析。1 制品翘曲变形分析的基本理论

[1~3]

Mv)))体积收缩率;Mc)))结晶度;

Mo)))平行于流动方向的分子定向度;Mo)))垂直于流动方向的分子定向度;Mr)))体现模具对翘曲变形约束的量。这些参数可分别通过流动分析和冷却分析后得到。另外a1~a10是与收缩性有关的材料常数。该模型考虑了模具温差引起的弯曲弹性模量的影响,故由该理论易知从收缩角度分析翘曲时的影响因素在于体积收缩率、结晶度、取向度及模具约束等,进一步分析体积收缩率等即可得知制品翘曲情况。1.2 残余应力理论

残余应力理论一般基于高聚物的粘弹性理论,它直接进行残余应力的计算,通过对注塑过程进行模拟,分析塑料制品在流动、保压及冷却过程中的应力积累,预测其翘曲变形。现通常认为,注塑制品的残余应力主要有残余热应力和残余流动应力两个来源。基于残余应力理论的残余应力计算按照是否考虑收缩率因素又分为两种:一种未考虑收缩率因素;另一种考虑收缩率因素,对残余应力计算结果进行修正,其理论模型描述为:

Rij=-LM

目前制品翘曲变形计算所采用的数学模型主要基于残余应变理论和残余应力理论两类。1.1 残余应变理论

残余应变理论基本上是经验性的,它主要考虑的是收缩率因素,表述如下:

SS

M

-]

Q

QB[N(t)-N(tc)]dT(tc)

-]

t

Cijkl[N(t)-N(tc)]

ij

5Ekl

dtc5tc

t

式中:Rij)))应力张量;

Cijkl)))表示材料力学性能的张量;

N(t))))材料温度的时间等效值;Ekl)))应变张量;

*国家自然科学基金重大项目(10590352)、国家杰出青年科学基金项目(10225211)

收稿日期:=a1Mv+a2Mc+a3Mo+a4Mr+a5=a6Mv+a7Mc+a8Mo+a9Mr+a10

L

M

LML

式中:S)))平行于流动方向的线性收缩率;

))