塑料翘曲变形分析及解决方案

塑料翘曲变形分析及解决方案内容摘要：

较 以上总结的三种研究翘曲变形的方法各有特点，各有优劣，并可互为补充 ，产 品 设 计 方 法 学 将 工 程 优 化 思 想用 于 产 品 设 计 、模 具 设 计 和 成 型 工 艺 参数 选 择 上 ，以 减 少 翘 曲 变 形。 其 核 心 是 把 影 响 制 品 翘 曲变 形 的 主 要 因 素 作 为设 计 变 量 ，以 最 小 变 形 作 为 设计 目 标 ，对 产 品 、模 具 和 工 艺 条 件 进 行 优 化 设计。 但 是 ，为 减 少 设 计 变 量 维 数 ，往 往 只 考 虑 最 重 要 的几 个 因 素 而 忽 略 其 他因 素 ，这 将 使 优 化 结 果 有 偏 差 ，更 为 重 要 的是 ，不 能 在 模 具 设 计 阶 段 预 测 翘曲变形。 试验方法则往往局限于某一特定几何形状、特定材料和工艺条件，不能全面考虑诸多因素对翘曲变形的影响，试验结果本身也很难大范围地推广 利 用。 但 是 试 验 方 法 能 研 究翘 曲 变 形 的 成 型 机 理 ，以 指 导 实 际 生 产 ，并 且是验证数值模拟软件可靠性的重要手段，以帮助提高模拟软件的分析精度。 与 此 同 时 ，由 于 注 塑 成 型 基 础 研 究 的进 步 和 相 关 学 科 的 迅 速 发 展 ，使 越 来 越多的学者开始从理论上研究翘曲变形机理，又因为收缩 /翘曲机理研究开展的 较 早 ，因 而 在 理 论 上 较 其 它机 理 成 熟 得 多 ，因 此 应 用 广 泛。 是 目 前 最 主 要的翘曲变形 理 论。 翘曲过程模拟基本原理 由于翘曲变形与模具塑件的结构、材料的特性及注射成型的工艺条件和过程参数均有较大的影响。 因此完整、严格的翘曲分析软件必须综合考虑上述各种因素及影响。 注塑模 CAE 技术的发展为严格的翘曲变形分析提供 了有力的工具 : ①利用 CAE 技 术 己实 现 了 注 塑 模 的 流 动 ，填 充 及 压 实 和冷 却 的 分 析 和 模拟。 ② 计 算 机 图 形 学 的 发 展 已 可 以 完 成 复 杂 塑 件 的 实 体 造 型 及 输 入 网 格 划分等。 ③翘曲变形 的 测 试手 段 和 技 术 得 到 了 较 大 的 发 展。 正 因 如 此 ，对 成型 塑 件 翘 曲 变 形 及 应 力 的 分 析 已 在 CAE领域引起了广泛的重视和研究热情。 美国 AC 公司 (2020 年 已被 MOLDFLOW 公司收购 )、澳大利亚 MOLDFLOW 公 司 以 及 日本 丰 田 Ramp。 D 实 验 中 心 等 越 来越 倾 向 于 采 用 对 注 射成型过程的 集 成 模拟 来 预 测 翘 曲 变 形。 由于注塑制品一般是薄壁板壳结构，考虑温度影响及材料各向异性， 其应力与应变 的 关 系可 表 示 为 }){}{}{}]({[}{  ipTeD  式中 — 应力矢量； ][D — 弹性矩阵，由弹性模量，剪切模量及泊松比组成 ； { e }弹性应变矩阵 ； {  }— 热传导系数 ； { T }— 温度差 ； {p }— 收缩引起的应 变 矩 阵 ； {i }— 由剪切流动引起的初始应力。 对热传导方程， 采用每个结点六个自由度的三角形板单元的有限元分析方 法 ，在 己 知 塑 件 上 、下 表 面 的 温 度 差 及 塑件 的 温 度 场 分 析 ，以 及 各 向 异 性的材料的力学性能，塑件的收缩率及由剪应力引起的初始应力的条件下，可通过求解上 述 方 程来 实 现 翘 曲 的 预 测 和 模 拟。 由热传导方 程 可 见， 要实现翘曲分析，需要完成下列准备工作 : ①对模具和塑件进行温度场分析，计算模具型腔表面和塑件上、下表面的温度及温度差。 在这里可采用二维、三维有限元或边界技术对模具温度场进 行 计 算 和 分 析，塑 件 的 温 度 场 计 算 只需通过一维瞬态热传导方程的有限差分计算就能 实 现。 ②对注射成型的流动及填充过程进行分析，计算出熔体的温度、型腔的压力熔体的流动速率、剪切速率及应力分布，以及分子的取向。 这一阶段分析常采用不可压缩的非等温牛顿流体流动的 He 1 eShaw 模型，其控制方程为 : ③ 对 注 射 成 型 的 压 实 过 程 进 行 分 析 ， 计 算 出 型 腔 内 的 压 力 和 温 度 的 分布，以及塑件熔体的密度、流动速率、壁剪切应力和体积收缩的分布情况。 在 压 实 分 析 中 ， 通 常 采 用 的 数 学 模 型 是 可 压 缩 的 非 牛 顿 流 体 流 动 的 He 1 eShaw 模型。 这一模型与填充过程不同之处在于此时熔 体是可压缩的，其密度是温度 和 压 力的 函 数 ， 此 时 控 制 方 程 可 表 示 为 : ④对纤维取向的分析 :注射成型的制品的纤维取向对制品的力学特性有较 大 的 影 响。 分 子 取 向 的 不 同 导 致 了塑 件 力 学 特 性 上 的 差 异。 塑 件 的 纤 维 取向与注射成型过程及保压密切相关。 对取向的分析，目前广泛采用 Jeffery模型、 Folgar 模型和 Tucker 模型，控制方程可表示为 ： 利用填充和压实分析结果，用有限元求解④ 的控制 方 程 ，即 可 得 到 纤 维取 向 的 分 布。 考 虑 到 沿 塑 件 壁 厚 方 向层 与 层 之 间 的 取 向 是 不 同 的 ，对 纤 维 取向的计算往 往 分 为塑 件 表 面 的 取 向 、 中 间 层 的 取 向 和 中 心层 的 取向。 ⑤力学特性分析 :塑件的力学特性如弹性模量、剪切模量、热传导系数等，可通过纤维分布函数来计算，弹性模量 E,剪切 模 量 G 的计算可分为三步 :首先计算单层单向纤维的力学特性，然后计算表层、中层及两中心的力学特性，最 后 利 用层 状 薄 板 理 论 计 算 制 品 的 力 学 特 性。 在完成以上五个方面的准备工作后，有机地把这几个方面结合起来，通过对注射成型过程集成分析的方法，就可以实现对注塑过程的翘曲分析。 整个翘曲分析 过 程 可用 下图 表示。 论文摘要： 《注塑件翘曲变形分析及 其解决途径》 摘 要 ：文 章 从 注 塑 件 的 结 构 、模 具 机 构 、注 塑 工 艺 参 数等 几 方 面 阐 述 了翘曲变形的机理，分析了注塑件收缩对翘曲变形的影响，并以实例分析如何解决注塑件 的 翘 曲变 形。 翘曲变形是指注塑件的形状偏离了模具型腔的形状。 由于 翘 曲 变 形 不 仅影响产品装配和使用性能，而且影响产品外观质量。 翘曲变形程度已成为评定产品质量 的 重 要指 标 之 一。 引起塑件翘 曲 变 形的 机 理 和 要 素 前置处理 : 材料与工艺参数选择。 浇注系统选择。 冷却系统选择。 注塑全过程模拟 : 填充分析。 保压分析。 冷却分析。 纤维取向分析。 应力 /翘曲分析 : 应力计算。 翘曲量计算。 翘曲主要与 产 品 结构 、 模 具 设 计 以 及 成 型 工 艺 三 方 面 有关。 由于 塑 料 成型 时 流 动 方 向 的 收 缩 率 比。