注塑件变形分析
加工工艺
注塑件变形分析
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注塑件变形始于塑料的收缩 ,型腔中压力梯度、温度梯度以及剪切应力的客观存在导致了注
塑件各部位收缩的不均一。本文分析了注塑成型过程中简单收缩、冷却、分子取向等因素对注塑件变形
的影响。通过对实际零件的分析 ,阐述了模具设计中通过优化型腔设计、冷却系统设计、浇口设计来减
小零件变形的具体方法。
关键词 :注塑成型 ;变形 ;收缩 ;冷却 ;分子取向
前言
注塑成型有三个关键的环节 :产品设计、模具设计、注塑工艺设计。较前的环节直接影响较后的环节 ; 较后的环节往往只能在一定程度上优化前面环节的不足 ,而不能彻底消除前面环节所固有的缺陷。注塑件 变形是实际生产中常常遇到的一个问题。产品设计结构不合理造成壁厚不均匀 ;注塑工艺选择不恰当 ,如温度、压力时间等参数设置不合理 ,都可能造成注塑件明显的变形 ,模具设计作为中间环节 ,为兼顾两头 ,要考虑的因素往往最多。注塑件由于其本身在各个尺寸方向上的收缩不均匀而产生翘曲变形 ,收缩不均匀表现在 :制件不同部位的收缩不均匀 ;制件壁厚方向的收缩不均匀 ;材料取向不同造成的收缩不均匀。影响注塑件收缩的因素本质上可以归结为三个[1 ] :注塑件残余应力 ;注塑件冷却过程 ;材料的取向。从模具设计的角度 ,则要考虑模具型腔的预变形、模具冷却系统的设计以及浇口的数量和位置的安排。 注塑件收缩不均对变形的影响注塑件收缩不均匀是注塑成型过程不可避免的问题。型腔内塑料熔体 PV T 特性(P 为压力 ,V 为体积 ,
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塑 料
T 为温度) 的不均匀决定了这一点。一个典型的塑料PV T 特性曲线如图 1 所示。图中拐点对应塑料在相应压力下的玻璃化温度。注塑过程中 ,型腔内各部位不同的压力和温度变化使塑料在不同部位的收缩各不相同。增加浇口的数量可以使型腔内温度、压力相对均匀。一些要求精密的圆盘或圆柱形零件 ,比如齿轮 ,往往采用三个浇口从端面进料 ,这样可以使型腔内温度、压力比一个浇口时更均匀。当然 ,由于熔接线的增多 ,浇口并不是越多越好。
另一方面 ,当注塑件在模具型腔内冷却成型过程中发生收缩时 ,由于受模具型腔的限制 ,它并不能完全自由均一地收缩。如图 2 所示的产品 ,它在壁厚方向不受限制 ,可以自由收缩 ;在 y 方向 ,它受到型腔壁的摩擦作用 ,可以看作半自由的收缩 ;在 x 方向 ,则由于凸模的作用 ,不能收缩。这种不均一的收缩在塑件内形成残余应力 ,塑件顶出以后将在残余应力的作用下进一步收缩 ,残余应力分布不均匀的时候便发生变形。
在尺寸变化不均匀的情况下 ,可以通过在模具设计时对 x、y 方向取不同的收缩率来达到产品的尺寸要求。更为复杂的情况是产品的形状发生了改变 ,如直边或直面变成了弧形。这时 ,增加一些辅助的筋或将模具型芯型腔相应的边或面作成反方向的弧形可以起到补偿的作用。
2 冷却过程对注塑件变形的影响注塑件冷却不均匀是其翘曲变形的一个重要原因。产品结构变化 ,如局部结构复杂导致局部冷却困难 ,将造成产品各部位的温度差异。动定模两侧也往往由于产品的壁厚不均匀或模具冷却系统设计得不完美而温度不一致。注塑件冷却到室温的过程中 ,由于温度的差异，温度高的部位会有相对更大的收缩。在动定模两侧温度不一致的情况下 ,产品变形会凸向温度较低的一侧。这里有两个因素促成这样的变形 :材料的热胀冷缩和结晶。要冷却到室温 ,通常是温度高的部位收缩大。对于结晶的材料来说 。其结晶度随温度历史的差异而不同[2 ] 。缓慢的冷却为高分子链的应力松弛提供了更为充足的时间 ,有益于分子链的晶相排列 ,使其具有更高的结晶度。急速的冷却则使杂乱的分子链较早固定下来 ,因而使其结晶度较低。结晶过程使分子链规整排列 ,也是体积收缩的过程。结晶度的不同也就造成了制品收缩的不同 ,从而导致变形。是实际生产中遇到的一个产品及其注塑成型的变形状况。该产品周边较薄 ,中央较厚 ,由此造成冷却不均匀。该产品厚的部位集中在定模侧 ,其冷却速度相对较慢 ,顶出制件后 ,定模侧在冷却过程中将会有更大的收缩 ,从而导致变形。考虑到定模侧模板与料嘴接触 ,温度较高 ,加剧了产品冷却的不均匀性 ,于是的动定模侧交换 ,产品变形大大减小。一个产品及其变形状况
3 材料取向对注塑件变形的影响塑料熔体在流动过程中受剪切力的作用发生分子和纤维取向。冷却过程中 ,制件在取向方向和非取向方向表现各向异性 ,其收缩是不同的。纤维填充的材料虽然整体收缩较小 ,但在纤维取向的情况下 ,纤维非取向方向的收缩率可以达到取向方向收缩率的 3～6倍[3 ] 。非填充材料收缩率较大 ,但其各向异性收缩却没有这么明显。材料的取向度受产品结构、注塑工艺等因素的影响。产品壁越薄 ,冷却速度越快 ,注塑速度
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塑 料
材料的取向度越高。这里并不是说材料的取向度越高 ,产品变形越大。很多情况下 ,产品的变形是由于分子取向不均一而造成的。此时 ,浇口位置的选择尤为重要。图 4 是采用 MOLDFLOW 分析不同浇口所形成的分子取向结果。分子取向显然段对比的杂乱。实际的生产中 ,当把浇口位置改下浇口位置时 ,制件变形大大减小。
浇口位置分子的取向状况
4 其他变形情况实际的生产中 ,分析塑料件的使用受力对模具的设计也有一定的指导意义。这里要关心的往往不是塑料件的强度 ,而是塑料件在使用过程中受力而导致的变形。对大型零件 ,以及与其他零件有配合要求的零件 ,这一点尤为重要。此时 ,往往有必要在设计模具时给塑料件加上一定的预变形。使用时 ,塑料件在外力作用下的变形正好抵消掉预变形。如在设计电视机面壳模具时 ,塑料面壳四角和显象管四角有螺钉紧固 ,如果不考虑预变形 ,最终面壳和显象管由于螺钉的紧固 ,将导致中间部位面壳和显象管不能贴紧 , 产生缝隙。 此时 ,有必要将塑料面壳的半径做得比显象管相应位置的半径略大 ,以确保面壳与显象管在四角贴紧的情况下 ,其余的贴合面同样贴紧 ,没有缝隙 产生。
面壳与显象管的贴合面产生了缝隙
5 结论
模具设计作为注塑件从产品设计到注塑生产的中间环节不但要考虑产品的实用性 ,而且要考虑产品的工艺性。当零件的变形成为不可忽视的问题时 ,必须考虑模具型腔的设计 ,模具冷却系统的设计和浇口位置的安排 ,从中选出最优化的组合 ,将产品的变形减到最小。在产品要求高 ,而产品结构又容易导致变形的情况下 ,综合考虑这三方面的因素往往有助于减小产品变形。
;玻纤复合可以较好地从原料角度解决线性膨胀问题 ,只是加工过程污染较大、机器磨损大 ,成本高 ;纳米
复合改性方法是利用纳米复合改性新方法从根本上解决 PP2R 线性膨胀问题 ,降低幅度达 7119 % ,同时也有
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