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  • ASU/MOLD翘曲变形及补偿解析

    概要

    注塑成型过程中,制品的形状在制品脱模后或稍后一段时间内产生旋转或扭曲现象,称为翘曲【Warpage】(或变形、弯曲、扭曲)。如下图1所示,翘曲变形的典型表现为制品平坦部分有起伏,直边朝里或朝外弯曲或扭曲。


    图1 注塑件的翘曲变形

    一、翘曲成型缺陷分析

    1.物理原因

    制品因其特性,冻结的分子链在应力作用下发生内部移位。在脱模时,按不同的制品形状,应力往往会造成不同程度的变形。内应力使制品收缩不均,小颗粒移位,颗粒内冷却不平衡或颗粒内产生过量的压力。特别是用部分结晶材料制成的制品,如PE、PP、POM比非晶体材料如PS、ABS、PMMAPC更容易产生缩壁,更易于翘曲。注塑成型是把粘流态的高聚物挤压到模腔中成型的一种方法,所以不可避免在成型制件内部残留有内部应力,此应力也将引起制件的变形。

    2.收缩率各向异性

    注射成型时塑料的成型收缩率随流动方向的不同而不同,就是说流动方向的收缩率远比垂直方向大【即收缩率各向异性】,有时收缩率在方向上的差值达1%以上;成型收缩率还受成型制件壁厚和温度的影响,由于收缩率不同,致使制件产生变形。

    3.其他原因

    此外还有一些原因也往往引起变形,如制件未完全硬化就顶出的变形,还有顶杆推力造成的变形。由于上述原因,将成型制件从模腔顶出后,就达不到内部应变最小的理想形状,而出现翘曲、弯曲和扭曲等现象。

    二、翘曲成型缺陷的具体原因及防止办法

    引起制件翘曲、弯曲和扭曲的具体原因及防止办法如下:

    1.结晶性塑料

    收缩率较大的树脂,一般是结晶性树脂(如聚甲醛、尼龙、聚丙烯、聚乙烯及 PET 树脂等)比非结晶性树脂(如 PMMA 树脂、聚苯乙烯、ABS树脂及AS 树脂等)的变形大。另外,由于玻璃纤维增强树脂具有纤维配向性,变形也大。由于融点温度范围狭窄多数产生变形,并且往往是难以修正的结晶性塑料的结晶温度随冷却速度的不同而变化,即急剧冷却结晶度降低、成型收缩率减小,而缓慢冷却结晶度升高、成型收缩率增大。结晶性塑料变形的特殊矫正法就是利用这一性质。实际上使用的矫正法是使动、静模有一定的温差,就是采取使翘曲的另一面产生应变的温度,即可矫正变形。有时这个温度高达20°C以上,但必须十分均匀地分布。必须指出,在设计结晶性塑料成型制件及模具时,如不预先采取特别的防止变形手段,制件会因变形而无法使用,仅使成型条件达到上述各项要求,大多数情况仍然不能矫正变形。

    2.由成型应变引起

    成型应变造成的变形主要是由成型收缩在方向上的差异、壁厚的变化所产生的。因此,提高模具温度、提高熔料温度、降低注射压力、改善浇注系统的流动条件等均可减小收缩率在方向上的差值??墒?,只变更成型条件大多难以矫正过来,这时就需改变浇口的位置和数目,例如成型长杆件时要从一端注入等,有时必需改变冷却水道的配置;较长薄片类制件更容易变形,有时需要变更制件的局部设计在其上翘一侧的背面设计加强筋等。利用辅助工具冷却来矫正这种变形大多是有效的,不能矫正时,就必须修正模具的设计了。其中,最重要的是应注意使制品壁厚一致,在不得已的情况下,只好通过测量制品的变形,按相反的方向修正模具,加以矫正。

    3.冷却不充分或不均匀

    在未完全冷却时顶出,顶杆的顶推力往往使成型制件变形,所以未充分冷却就勉强脱?;岵湫?。对策是在模腔内充分冷却,等完全硬化后方可顶出。也可以降低模具温度、延长冷却时间。然而,有的模具的局部冷却不充分,在通常成型条件下还有时不能防止变形。这种情况应考虑变更冷却水的路径、冷却水道的位置或追加冷却销孔,尤其应考虑不用水冷,采用空气冷却等方式。

    4.顶杆造成

    有的制件的脱模性不良,采用顶杆强行脱模而造成的变形。对不易变形的塑料制件,这时不是产生变形而是产生裂纹。对于 ABS 和聚苯乙烯制件,这种变形是以被推顶部位的发白表现出来。其消除方法是改善模具的抛光,使其易于脱模,有时使用脱模剂也可改善脱模。最根本的改进方法是研磨型芯、减小脱模阻力,或增大拔模斜度,在不易顶出部位增设顶杆等,而变更顶出方式则更重要。

    5.采用辅助工具来矫正制品翘曲

    一方面对制品内部尚柔软的成型件而言,把从模腔内顶出的成型制件放在辅助工具中,随着辅助工具一起冷却,从原始状态限定变形。根据冷却方式来确定冷却时间,一般需冷却10min以上,能稍微防止变形,但不能抱有太大的期望。另一方面从模具中取出的制品如果要矫正,简单的办法就把要矫正的制品放在矫正的工具上,在翘曲的地方加上重物,但必须明确决定同重量的重物所放的位置?;虬亚糖闹破贩旁诮弥逼魃?,一同放入制品热变形温度附近的热水中,简单地用手矫直,但要注意热水的温度不能太高,否则会使制品的变形更加厉害。需要注意翘曲矫正后不可在制品的表面留有斑痕。

    6.采用CAE工具预测翘曲变形及补偿模具

    由于冷却时的收缩而产生翘曲,从而导致成型后的形状偏离图纸设计形状。因此,在进行模具设计时,需要对翘曲所产生的变形量加以考虑。在此,为实现模具的翘曲补偿设计,采用注塑成型仿真工具实施解析。注塑成型仿真软件如ASU/MOLD精确预测制品翘曲并对其进行可视化。这样,可以通过在与翘曲相反的方向上使注塑模具变形相应距离,创建翘曲变形补偿形状模型指导模具的设计及加工,从而有效地减少试做次数及降低成本。


    2 某汽车车门后视镜底座翘曲解析及其翘曲变形补偿结果

    解析实例

    在此,给出注塑成型时的翘曲计算实例。如图3所示,所采用的测试件为某汽车的车门后视镜底座。


    3 测试件形状

    成型条件

    树脂

    RENY N252

    树脂温度

    280

    模具温度

    120

    注射时间

    3.0s(95%进行保压切换)

    保压

    10 MPa

    冷却时间

    30 s

    为了对翘曲变形进行补偿,首先精确预测出其翘曲变形量,计算结果如图4所示。


    4翘曲解析结果

    通过解析结果可以看到,注射过程中的溶胶前沿的状态也与实际成型件具有良好的一致性,并且翘曲解析结果显示该车门后视镜底座在前端部位产生 3.5mm 的位移。



    5翘曲变形补偿前后形状及其翘曲分析结果


    6翘曲补偿形状指导加工模具及其结果对比

    根据翘曲分析结果,在制作模具时,使前端部位逆向变形 -3.5mm,并加工成补偿预判形状。由上图56可知,通过在 ASU/MOLD 软件中仿真,可以精确地预测翘曲变形量,然后对翘曲变形进行逆向补偿进而指导模具的设计加工可以抑制翘曲,在图6所示的46个测量点位置测量变形量,有翘曲补偿形状的成型后的状态与试模测量值几乎完全一致,能够完全按照图纸尺寸进行成型。

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