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。在傳動機構(gòu)及其它有尺寸配合要求的場合,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(yù)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。

1、收縮率預(yù)測的實驗數(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對收縮率所產(chǎn)生的影響上,進行大量的注塑實驗,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)者提出用實驗數(shù)據(jù)擬合的方法來預(yù)測實際生產(chǎn)條件下的注塑制品收縮率,其基本思想是通過多因素正交實驗測量某種塑料在不同的料筒溫度、注射壓力、注射時間、保壓壓力、保壓時間、模具溫度、模內(nèi)冷卻時間等工藝參數(shù)下的收縮率,根據(jù)實驗測得的樣點數(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)用時將實際注塑生產(chǎn)所采用的各工藝參數(shù)值代入對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式,得到各自對應(yīng)的收縮率數(shù)值,對其進行加權(quán)平均,便得到模具設(shè)計者所需要的“實際收縮率”。

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

2、收縮率預(yù)測的數(shù)值模擬方法

為了較準(zhǔn)確地預(yù)測收縮率,必須考慮模具成型結(jié)構(gòu)對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,無法用幾種典型結(jié)構(gòu)來代表,即不可能依靠實驗來確定模具成型結(jié)構(gòu)與制品收縮率之間的定量關(guān)系,于是用計算機對注塑成型過程進行數(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。

對注塑成型過程的數(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、保壓、冷卻分析的計算逐步成熟,許多學(xué)者在此基礎(chǔ)上開始預(yù)測注塑制品的形狀尺寸,即進行翹曲分析。

其計算過程為: 保壓過程結(jié)束后,根據(jù)塑料的可壓縮系數(shù)、熱膨脹系數(shù)與結(jié)晶動力學(xué)方程計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)力分布將不對稱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(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算注塑制品的殘余應(yīng)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(yīng)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(shù)值模擬主要分為兩類: 一類是將塑料固體作為彈性材料,以使計算得到簡化;另一類則考慮到塑料的粘彈特性,計算殘余應(yīng)力時采用了熱粘彈本構(gòu)模型。

當(dāng)高聚物處于玻璃態(tài)時,彈性對高聚物的行為起主導(dǎo)作用;而在高彈態(tài)時,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)固化過程則適宜用熱粘彈性模型來分析。

目前國內(nèi)外進行翹曲分析時所采用的熱粘彈本構(gòu)模型都是熱流變簡單材料模型,它屬于線性熱粘彈本構(gòu)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(rèn)為熱流變簡單材料本構(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定形塑料,因為在這種情況下溫度對大分子構(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)與極性基團對溫度改變所產(chǎn)生的反應(yīng)不同于非極性的無定形部分,這時就不滿足Boltzman 疊加原理所要求的線性條件。

也就是說,只有非極性的無定形塑料符合熱流變簡單材料模型所規(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單假設(shè)。

由于熱流變簡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)用熱流變簡單材料模型進行塑料制品成型過程的數(shù)值模擬存在理論誤差。

理論上多重積分表達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,不僅引起冗繁的計算,而且為確定其中包含的材料函數(shù)所需的實驗次數(shù)也是驚人的。

為了解決非線性粘彈本構(gòu)關(guān)系的建模問題,韓國學(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: 首先進行平板狀塑件的注塑實驗,并按照實驗時的注塑工藝條件對注塑制品進行流動、保壓、冷卻的數(shù)值模擬,將數(shù)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,將實測的塑件平面位移量轉(zhuǎn)化為計算單元的應(yīng)變后作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出,以此來完成自訓(xùn)練過程;

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

在未獲得實用的數(shù)學(xué)方程對非線性粘彈行為進行分析描述之前,借助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來確定其應(yīng)力———應(yīng)變的對應(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)練過程所要進行的工作過于繁瑣,很難應(yīng)用于實踐。

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)系來分析高聚物的非線性粘彈行為雖然會帶來理論誤差,不過在注塑材料性能數(shù)據(jù)充足的前提下,其計算精度能夠滿足工程上的需要,問題在于實際應(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)在測量國產(chǎn)注塑材料性能數(shù)據(jù)方面做了許多工作,建成我國第一個注塑材料性能數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)庫中包括102 中常用塑料的冪律參數(shù)、不流動溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、熱擴散系數(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)批號不同時,其性能也會有很大差異。由于注塑材料的各種材料常數(shù)的獲得需要昂貴的實驗設(shè)備、長時間的數(shù)據(jù)測量與大量的技術(shù)處理工作,所以要求塑料生產(chǎn)廠家對不同種塑料的不同批量都建立這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫是不現(xiàn)實的。目前我國注塑模具行業(yè)急需的是具有工程實用性的收縮率計算方法,要求能較簡便地求得與給定的實際問題精度相適應(yīng)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: 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,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確定制品各點的收縮率。

從而免去對注塑材料各種材料常數(shù)的測量求解工作。如果對注塑制品收縮率分布趨勢的預(yù)測符合實際,那么通過調(diào)整注塑成型工藝參數(shù)使注塑制品實際收縮率值向預(yù)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(jié)構(gòu)預(yù)測制品收縮率分布趨勢,必須采取數(shù)學(xué)模擬的方法。注塑制品的收縮是通過比容縮小實現(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。為了獲得制品各點的溫度變化歷程與壓力變化歷程,則需要進行流動、保壓、冷卻分析。

求解每一時刻注塑制品的溫度場與壓力場,涉及到粘度等物性參數(shù)的計算問題。既然數(shù)學(xué)模擬的目的是得到收縮率分布趨勢,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)測得材料性能數(shù)據(jù)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(jié)晶性塑料,以解決材料性能數(shù)據(jù)的輸入問題。

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

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,會大大簡化計算過程。為此需要先明確注塑制品的收縮方向,建立能夠?qū)嶋H收縮情況進行合理解釋的收縮規(guī)則。

曾通過理論分析與實驗驗證,根據(jù)注塑成型過程中高分子的運動特點,提出注塑制品是以澆口為收縮中心,注塑制品上的各點均受到來自其所屬流動區(qū)域澆口的收縮力,并在收縮過程中沿其流動路徑向澆口進行收縮。

比容的欲縮小程度反映為收縮路徑上網(wǎng)格步長的縮短程度。在模內(nèi)收縮過程中,制品各點沿流動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,制品各點的收縮不再受到阻礙。通過與實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,可以把計算得到的制品各點(模內(nèi)收縮過程受到阻礙的節(jié)點除外) 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(jié)點的計算收縮率乘以( Sa/ Sc) ,作為預(yù)測的收縮率值。

4、結(jié)束語

實驗方法可以用來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(shù)值模擬精度,但不能完全依靠實驗數(shù)據(jù)來預(yù)測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)。

對注塑成型過程的分析比較符合客觀規(guī)律,不過計算過程復(fù)雜、程序開發(fā)成本高,從而導(dǎo)致軟件價格不菲,再加上實際應(yīng)用時缺乏數(shù)值模擬所需的各種材料常數(shù),這兩點影響了國內(nèi)中、小型模具企業(yè)對注塑成型計算機輔助分析軟件的認(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與注塑材料平均收縮率相結(jié)合,以解決數(shù)值計算時材料性能數(shù)據(jù)不足的問題;通過疊加點源影響場來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路徑、令各點沿流動路徑向澆口收縮的做法,使計算過程得到極大簡化。

程序計算結(jié)果與實測結(jié)果的較好符合,表明這種計算方法能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測注塑制品各點的收縮率,為模具設(shè)計提供理論依據(jù)。