關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:互聯網

引言

隨著塑料合成技術的發展,塑料的力學性能得到顯著提高,在工程方面的應用日益廣泛。在傳動機構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。

1、收縮率預測的實驗數據擬合方法

起初,人們把注意力集中在注塑工藝條件的波動對收縮率所產生的影響上,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系。

在積累了一定的經驗后,有學者提出用實驗數據擬合的方法來預測實際生產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、模內冷卻時間等工藝參數下的收縮率,根據實驗測得的樣點數據擬合出收縮率與各工藝參數之間的函數關系。

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

但是一則當實際注塑制品的形狀尺寸以及澆口的數量、位置、大小與實驗情況不同時,制品內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限定效應,所以用實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化的,無法用幾種典型結構來代表,即不可能依靠實驗來確定模具成型結構與制品收縮率之間的定量關系,于是用計算機對注塑成型過程進行數學模擬的研究工作日益增多,成為聚合物加工科學中發展很快的前沿研究領域。

對注塑成型過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、保壓、冷卻分析的計算逐步成熟,許多學者在此基礎上開始預測注塑制品的形狀尺寸,即進行翹曲分析。

其計算過程為: 保壓過程結束后,根據塑料的可壓縮系數、熱膨脹系數與結晶動力學方程計算注塑制品的壓力變化與溫度變化所應產生的熱收縮與結晶收縮,但并不使收縮應變發生,而是把收縮應變轉化為等效的節點載荷,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、臺灣學者Chang 等人以及大連理工大學的李海梅博士[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: 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,計算殘余應力時采用了熱粘彈本構模型。

當高聚物處于玻璃態時,彈性對高聚物的行為起主導作用;而在高彈態時,其粘彈性質表現得較為明顯。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程則適宜用熱粘彈性模型來分析。

目前國內外進行翹曲分析時所采用的熱粘彈本構模型都是熱流變簡單材料模型,它屬于線性熱粘彈本構模型。美國學者Bushko與Stokes從粘彈性力學的角度討論了各種粘彈性理論的適用范圍,認為熱流變簡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生的反應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定的熱粘彈本構關系,其它材料尤其是結晶型塑料不服從熱流變性簡單假設。

由于熱流變簡單材料模型只適用于小應變條件下的各向同性線性熱粘彈體,并不能反映小應變范圍內的非線性粘彈性行為(物理非線性) 以及大應變所引起的非線性行為(幾何非線性) ,所以應用熱流變簡單材料模型進行塑料制品成型過程的數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,但它導致數學上很大的復雜性,即使只取到三重積分,本構關系仍相當復雜,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驗次數也是驚人的。

為了解決非線性粘彈本構關系的建模問題,韓國學者Lee 與Youn提出將神經網絡應用于注塑成型的數值模擬: 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網絡的輸入,將實測的塑件平面位移量轉化為計算單元的應變后作為神經網絡的輸出,以此來完成自訓練過程;

自訓練過程結束以后,在預測同一種塑料的其它注塑制品收縮情況時,向神經網絡輸入對此制品進行流動、保壓、冷卻模擬的分析結果,神經網絡便會輸出各計算單元的應變,將各計算單元的應變進行積分而得到注塑制品的變形量。

在未獲得實用的數學方程對非線性粘彈行為進行分析描述之前,借助于神經網絡來確定其應力———應變的對應關系,這種想法值得借鑒,但為了完成神經網絡自訓練過程所要進行的工作過于繁瑣,很難應用于實踐。

3、收縮率數值模擬方法的工程化研究

以線性粘彈本構關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據充足的前提下,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。

四川大學在測量國產注塑材料性能數據方面做了許多工作,建成我國第一個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。

但即使是同一廠家生產的同一種塑料,當批號不同時,其性能也會有很大差異。由于注塑材料的各種材料常數的獲得需要昂貴的實驗設備、長時間的數據測量與大量的技術處理工作,所以要求塑料生產廠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的。目前我國注塑模具行業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收縮率的具體數值。

塑料生產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際,那么通過調整注塑成型工藝參數使注塑制品實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,必須采取數學模擬的方法。注塑制品的收縮是通過比容縮小實現的,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的計算問題。既然數學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、型腔內各點熱源與冷卻系統內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,都將其轉化為等效的節點載荷,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,建立能夠對實際收縮情況進行合理解釋的收縮規則。

曾通過理論分析與實驗驗證,根據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格步長的縮短程度。在模內收縮過程中,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 聯系起來,可以把計算得到的制品各點(模內收縮過程受到阻礙的節點除外) 相對于澆口的收縮率求和平均,其平均值以Sc 表示,然后將所有節點的計算收縮率乘以( Sa/ Sc) ,作為預測的收縮率值。

4、結束語

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值模擬精度,但不能完全依靠實驗數據來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、流體力學、傳熱學、粘彈性力學為理論基礎。

對注塑成型過程的分析比較符合客觀規律,不過計算過程復雜、程序開發成本高,從而導致軟件價格不菲,再加上實際應用時缺乏數值模擬所需的各種材料常數,這兩點影響了國內中、小型模具企業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,以解決數值計算時材料性能數據不足的問題;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。

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