關(guān)于注塑加工成型制品收縮率，你知道多少？

隨著(zhù)塑料合成技術(shù)的發(fā)展,塑料的力學(xué)性能得到顯著(zhù)提高,在工程方面的應用日益廣泛。在傳動(dòng)機構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,要求達到精密甚至超精密級,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測的誤差,以縮短注塑模具制造周期和提高注塑制品合格率。下面由大型注塑加工廠(chǎng)家山東凱旋模塑小編帶大家一起來(lái)了解一下。

1、收縮率預測的實(shí)驗數據擬合方法

起初,人們把注意力集中在注塑工藝條件的波動(dòng)對收縮率所產(chǎn)生的影響上,進(jìn)行大量的注塑實(shí)驗,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)驗后,有學(xué)者提出用實(shí)驗數據擬合的方法來(lái)預測實(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)驗測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、模內冷卻時(shí)間等工藝參數下的收縮率,根據實(shí)驗測得的樣點(diǎn)數據擬合出收縮率與各工藝參數之間的函數關(guān)系。

在應用時(shí)將實(shí)際注塑生產(chǎn)所采用的各工藝參數值代入對應的函數關(guān)系式,得到各自對應的收縮率數值,對其進(jìn)行加權平均,便得到模具設計者所需要的“實(shí)際收縮率”。

但是一則當實(shí)際注塑制品的形狀尺寸以及澆口的數量、位置、大小與實(shí)驗情況不同時(shí),制品內部的壓力分布情況以及溫度分布情況會(huì )與實(shí)驗時(shí)不同,從而使實(shí)際注塑工藝條件與實(shí)驗時(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)程中的模內限定效應,所以用實(shí)驗數據擬合的方法預測收縮率難以推廣應用。

2、收縮率預測的數值模擬方法

為了較準確地預測收縮率,必須考慮模具成型結構對注塑制品收縮率的影響,而模具成型結構是千變萬(wàn)化的,無(wú)法用幾種典型結構來(lái)代表,即不可能依靠實(shí)驗來(lái)確定模具成型結構與制品收縮率之間的定量關(guān)系,于是用計算機對注塑成型過(guò)程進(jìn)行數學(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。

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

其計算過(guò)程為:保壓過(guò)程結束后,根據塑料的可壓縮系數、熱膨脹系數與結晶動(dòng)力學(xué)方程計算注塑制品的壓力變化與溫度變化所應產(chǎn)生的熱收縮與結晶收縮,但并不使收縮應變發(fā)生,而是把收縮應變轉化為等效的節點(diǎn)載荷,再應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。

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力分布將不對稱(chēng)于中間層而使注塑制品有彎曲變形的趨勢。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,于是將其轉化為殘余應力并作為脫模以后的初應力;制品脫模后,應用彈性模型或粘彈性模型求解在初應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算注塑制品的殘余應力與翹曲變形;美國ACTech公司的C-MOLD軟件、臺灣學(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算脫模前的殘余應力,再用熱彈性模型計算脫模后的翹曲變形。

可以看出,對翹曲變形的數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,以使計算得到簡(jiǎn)化;另一類(lèi)則考慮到塑料的粘彈特性,計算殘余應力時(shí)采用了熱粘彈本構模型。

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

目前國內外進(jìn)行翹曲分析時(shí)所采用的熱粘彈本構模型都是熱流變簡(jiǎn)單材料模型,它屬于線(xiàn)性熱粘彈本構模型。美國學(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,認為熱流變簡(jiǎn)單材料本構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,因為在這種情況下溫度對大分子構向變化的影響方式是相同的,而高聚物中的晶體結構與極性基團對溫度改變所產(chǎn)生的反應不同于非極性的無(wú)定形部分,這時(shí)就不滿(mǎn)足Boltzman疊加原理所要求的線(xiàn)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)單材料模型所規定的熱粘彈本構關(guān)系,其它材料尤其是結晶型塑料不服從熱流變性簡(jiǎn)單假設。

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

理論上多重表達式描述了非線(xiàn)性粘彈性行為,但它導致數學(xué)上很大的復雜性,即使只取到三重,本構關(guān)系仍相當復雜,不僅引起冗繁的計算,而且為確定其中包含的材料函數所需的實(shí)驗次數也是驚人的。

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

自訓練過(guò)程結束以后,在預測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 )輸入對此制品進(jìn)行流動(dòng)、保壓、冷卻模擬的分析結果,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )便會(huì )輸出各計算單元的應變,將各計算單元的應變進(jìn)行而得到注塑制品的變形量。

在未獲得實(shí)用的數學(xué)方程對非線(xiàn)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)確定其應力———應變的對應關(guān)系,這種想法值得借鑒,但為了完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )自訓練過(guò)程所要進(jìn)行的工作過(guò)于繁瑣,很難應用于實(shí)踐。

3、收縮率數值模擬方法的工程化研究

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

四川大學(xué)在測量國產(chǎn)注塑材料性能數據方面做了許多工作,建成我國個(gè)注塑材料性能數據庫,數據庫中包括102中常用塑料的冪律參數、不流動(dòng)溫度、導熱系數、比熱、熱擴散系數、比容等性能數據。

但即使是同一廠(chǎng)家生產(chǎn)的同一種塑料,當批號不同時(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的獲得需要昂貴的實(shí)驗設備、長(cháng)時(shí)間的數據測量與大量的技術(shù)處理工作,所以要求塑料生產(chǎn)廠(chǎng)家對不同種塑料的不同批量都建立這些基礎數據庫是不現實(shí)的。

目前我國注塑模具行業(yè)急需的是具有工程實(shí)用性的收縮率計算方法,要求能較簡(jiǎn)便地求得與給定的實(shí)際問(wèn)題精度相適應的解。

對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構。注塑材料特性表現為粘度、導熱系數、比熱、比容、松弛模量、彈性模量、泊松比等物理性能數據;注塑工藝條件指注射機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;

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

塑料生產(chǎn)廠(chǎng)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,所以在根據模具成型結構得出制品收縮率分布趨勢后,可以結合塑料生產(chǎn)廠(chǎng)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。

從而免去對注塑材料各種材料常數的測量求解工作。如果對注塑制品收縮率分布趨勢的預測符合實(shí)際,那么通過(guò)調整注塑成型工藝參數使注塑制品實(shí)際收縮率值向預測收縮率值靠攏,就能夠得到合格的塑料制品。

由模具成型結構預測制品收縮率分布趨勢,必須采取數學(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的計算問(wèn)題。既然數學(xué)模擬的目的是得到收縮率分布趨勢,要的是定性結論而非定量結論,因此可以選擇兩種已經(jīng)測得材料性能數據的塑料(例如文獻[11]提供的聚苯乙烯與聚丙烯)分別代表非晶型塑料與結晶性塑料,以解決材料性能數據的輸入問(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、型腔內各點(diǎn)熱源與冷卻系統內各點(diǎn)冷源對模壁的影響,獲得模壁溫度的分布趨勢,這與以往通過(guò)迭代計算模具溫度場(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,節約了大量的計算時(shí)間。

通常在獲得塑料比容的欲縮小程度后,都將其轉化為等效的節點(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化為注塑制品的收縮位移,會(huì )大大簡(jiǎn)化計算過(guò)程。為此需要先明確注塑制品的收縮方向,建立能夠對實(shí)際收縮情況進(jìn)行合理解釋的收縮規則。

曾通過(guò)理論分析與實(shí)驗驗證,根據注塑成型過(guò)程中高分子的運動(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(cháng)的縮短程度。在模內收縮過(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)測的注塑制品收縮率相比較,驗證了所計算出的制品收縮率分布趨勢符合實(shí)際情況。為使收縮率分布趨勢與塑料的收縮率平均值Sa聯(lián)系起來(lái),可以把計算得到的制品各點(diǎn)(模內收縮過(guò)程受到阻礙的節點(diǎn)除外)相對于澆口的收縮率求和平均,其平均值以Sc表示,然后將所有節點(diǎn)的計算收縮率乘以(Sa/Sc),作為預測的收縮率值。

4、結束語(yǔ)

實(shí)驗方法可以用來(lái)研究某種因素對注塑制品收縮的影響方式,以及檢驗理論推斷與數值模擬精度,但不能完全依靠實(shí)驗數據來(lái)預測各種形狀制品的收縮率;數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。

對注塑成型過(guò)程的分析比較符合客觀(guān)規律,不過(guò)計算過(guò)程復雜、程序開(kāi)發(fā)成本高,從而導致軟件價(jià)格不菲,再加上實(shí)際應用時(shí)缺乏數值模擬所需的各種材料常數,這兩點(diǎn)影響了國內中、小型模具企業(yè)對注塑成型計算機輔助分析軟件的認可程度。

現提出把由模具成型結構決定的注塑制品收縮率分布趨勢與注塑材料平均收縮率相結合,以解決數值計算時(shí)材料性能數據不足的問(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,使計算過(guò)程得到極大簡(jiǎn)化。

程序計算結果與實(shí)測結果的較好符合,表明這種計算方法能夠較準確地預測注塑制品各點(diǎn)的收縮率,為模具設計提供理論依據。

山東凱旋模塑專(zhuān)注塑料注塑加工、塑料模具加工、塑料制品加工、塑料件加工等，可承接大型注塑產(chǎn)品外協(xié)加工，具有模具制造能力，可制造汽車(chē)、洗衣機等大型模具，主營(yíng)業(yè)務(wù)有塑料模板、塑料托盤(pán)、污水處理設備、洗衣機配件、養殖設備地板、塑料模殼、壓塑成型托盤(pán)等塑料制品的注塑加工、壓塑加工。