（材料物理与化学专业论文）夹芯注射制品残余应力的计算机模拟研究.pdf

浙江工业大学毕业论文 夹芯注射残余应力的计算机模拟研究 摘要 夹芯注射成型是一种新型的注射成型技术 具有其它成型技术无 法比拟的优点 然而 残余应力的产生和遗留 是影响制品质量的重 要原因 直接导致开模后制品的收缩 翘曲等缺陷 因此 若能找出 残余应力的发展规律并建立科学的计算模型模拟这一过程 必将对本 领域的研究起到促进作用 极大提高注塑制品的产品质量 本研究采用m o l d f l o w 公司开发的m o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t m p i 软件 并利用该软件中的c o i n j e c t i o n 模块对夹芯注射成型过程进行可 视化动态模拟分析 研究讨论了不同材料的组合及黏度比 注射速度 保压压力 模温 料温等不同成型工艺参数对夹芯注射制品内应力的 影响规律 我们发现材料的种类和工艺参数对注射制品的残余应力有很大的 影响 模拟结果表明 夹芯注射体系中两种物料相容性的好坏决定着 芯 壳层界面处残余应力的分布 芯壳层黏度比也影响着残余应力的分 布 在工艺参数中 保压条件对残余应力影响较为突出 注射速率和料温 次之 模温的影响最小 最大残余应力主要分布在芯层最厚和芯层前 缘处 浇口位置及壳层最厚处则相对较小 关键词 夹芯注射成型 残余应力 计算机模拟 工艺参数 浙江工业大学毕业论文 c o l 旧u t e r b a s e ds 玎i 肌a t i o no fr e s u a l s t r e s si ns a n d w i c hd 门e c t l 0 nm o l d 矾g a b s t r a c t a san e wm j e c t i o nm o l d i n g t e c h n o l o g y a v o i d i n go rr e d u c i n gr e s i d u a l s t r e s so fc o i n j e c t i o np r o d u c t si sq u i t es i g n i f i c a n tf o ri t sa p p l i c a t i o na sw e l l a st h e o r e t i cs t u d yo fs a n d w i c hi n j e c t i o nm o l d i n g t h er e s i d u a ls t r e s si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e a s o l l s w h i c h d i r e c t l yr e s u l t si nt h es h r i n k a g ea n dw a r p a g e t h e r e f o r e i fw ec a nf i g u r e o u tt h ed e v e l o p m e n tl a wo ft h er e s i d u a ls t r e s sa n de s t a b l i s ha ne f f e c t i v e c a l c u l a t i n gm o d e l i tw i l lb o o s tt h er e s e a r c ho ft h i sf i e l d a n dh i g h l y i m p r o v e t h e p r o d u c t sq u a l i t i e s t h i st h e s i si sc o n c e n t r a t e d o nt h e e x p e r i m e n t a la n a l y s i so fa m o r p h o u sm a t e r i a l o nt h ec h a n c eo fu n d e r s t a n d i n gt h em e l tf l o wb e h a v i o ra n dt h e m e c h a n i s mo fs a n d w i c hi n j e c t i o nm o l d i n g w em a d ed y n a m i cs i m u l a t i o n r e s e a r c h e so i ls a n d w i c hi n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sb ye m p l o y i n gt h e c o 硒e e t i o nm o d u l ei nt h es o f t w a r eo f m o l d f l o wp l a s t i c sh 睡扯 i nt h i ss t u d y f a c t o r se f f e c t i n gr e s i d u a ls t r e s so fc 0 坷e c t i o np r o d u c t s w e r ei n v e s t i g a t e db yc h a n g i n gm a t e r i a l sa n dt h e i rv i s c o s i t yr a t i o p r o c e s s p a r a m e t e r ss u c ha si n j e c t i o nr a t e p a c k i n gp r e s s u r e m o l dt e m p e r a t u r ea n d m e l tt e m p e r a t u r ee t c i tw a sr e a l i z e dt h a tt h eb e h a v i o ro fr e s i d u a ls t r e s s e si ni n j e c t i o n m o l d i n gp a r t sw a sa f f e c t e db yt h ek i n do fm a t e r i a l sa n dd i f f e r e n tp r o c e s s c o n d i t i o n ss u c ha sm e l tt e m p e r a t u r e m o l dt e m p e r a t u r e p a c k i n gp r e s s u r e a n df i l l i n gt i m e i tw a sf o u n dt h a tt w om a t e r i a l s c o m p a t i b i l i t yd e t e r m i n e s t h ec o r e s k i nm e l t si n t e r f a c er e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n c o r e s k i nv i s c o s i t y n 浙江工业大学毕业论文 r a t i oa l s oi n f l u e n c e sr e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n t h ep a c k i n gc o n d i t i o ni s t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rt h a ta f f e c t st h er e s i d u a ls t r e s s e so fa l l p r o c e s s c o n d i t i o n s f o l l o w e db yi n j e c t i o nr a t ea n dm e l tt e m p e r a t u r e a n dm o l d t e m p e r a t u r ei st h el e a s t t h em o s tg r e a t l yr e s i d u a ls t r e s sm a i n l yd i s t r i b u t e s i nt h ep o s i t i o no fc o r ea n dc o r ef r o n t w h i l et h er e s i d u a ls t r e s so f s p u ra n d s k i ni ss m a l l e r k e yw o r d s s a n d w i c hi n j e c t i o nm o l d i n g c o m p u t e rs i m u l a t i o n r e s i d u a l s t r e s s p r o c e s sp a r a m e t e r s 浙江工业大学毕业论文 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所提交的学位论文是本人在导师的指导下 独立进行研究工 作所取得的研究成果 除文中已经加以标注引用的内容外 本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果 也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体 均 己在文中以明确方式标明 本人承担本声明的法律责任 作者签名 砚 响事 日期 谁f 月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在 年解密后适用本授权书 2 不保密e 莎 请在以上相应方框内打 黧 铲导师签名 缎 日期 砩f 月f 日 日期 7 肼日 浙江工业大学毕业论文 第一章文献综述 前言 随着科学技术的发展 塑料制品将向高性能 多功能复合结构和绿色环保方 向发展 而传统的注射成型技术难以适应这种新趋势 夹芯注射成型作为一种兴 起的新型成型技术 适应了这种新趋势1 1 夹芯注射成型技术由英国的i c i 公司于上世纪7 0 年代首先提出 并取得了包 括基础理论 生产产品及机器设备等几项专利 该技术的原理是同时或顺序将不 同的聚合物熔体注入模腔 在模腔内 聚合物熔体以分层多相流动充模成型 并 最终熔体固化成壳层 芯层复合注塑j 牛 2 先注入的熔体为壳层 而后注入的熔体 为芯层 而在之后的数十年当中 一些研究者及生产厂家不断改进生产设备和成 型技术以改善原有技术所存在的不足 并不断发展成单流道成型 m o n o 夹芯注射 成型 双流道成型和三流道成型这四种主要的成型技术 夹芯注射成型技术摒弃了传统层压及膜成型工艺所要求的繁琐步骤 通过熔 融生产实现各组分的综合性能 具有许多其它塑料成型技术无法比拟的特殊功能 3 l 夹芯注射成型过程涉及多相分层流动 未知的移动边界和边界条件 复杂的几 何形状及界面不稳定性问题的偶合 其成型机理极为复杂1 4 w h i t e 和d e c 进行了矩形薄板型腔填充行为的实验研究 发现当先注射的聚合 物熔体具有较低的粘度时 就容易形成均匀的壳一芯层结构 之后 y o u n g 等建立 了壳层厚度分布与芯壳层熔体粘度比之间关系的经验公式 d o n a v a n 和他的同伴们 研究了成型参数对壳层厚度和所能注射芯层用量的影响 ktn g u y e n 等一些研究 者发现 在夹芯注射充模过程中 芯层熔体前缘往往呈蘑菇形或 v 字形流动 其 中 d a i s u k ew a t a n a b c 等人 5 认为对于顺序或同步夹芯注射成型 熔体的流动情况均 可界分为四个区域 如图卜1 1 初始注射区 仅壳层熔体注入模腔并在模腔内充 分扩展 2 芯层熔体增长区 芯层熔体注入模腔并在壳层物料上流动 3 芯层熔体 扩张区 芯层熔体前缘迅速扩张并追赶壳层料流前缘 4 芯层熔体冲破区 芯层熔 体前缘超过壳层熔体前缘 4 浙江工业大学毕业论文 c t l i a i i s a y e v u n i v e r s i t yo f a k r o n 根据运动界面的运动学和动力学 a 顺序夹芯注射成型 b 同步夹芯注射成型 图1 1 注射时间与熔体流程的关系旧 f i g 1 1r e l a t i o n s h i p b e t w e e n m e l t f l o w l e n g t h a n d i n j e c t i o n t i m e 结合h e l e s h a w 近似法 获得夹芯注射成型的物理模型 南昌大学机电工程学院 的周国发等应用聚合物加工流变学 流体动力学理论和计算机辅助模拟技术 建 立了夹芯注射成型多相分层流动充模成型机理模型 1 1 夹芯注射的成型工艺 一般而言 夹芯注射成型按其成型工艺的不同分为单流道成型 m o n o 夹芯注 射成型 双流道成型和三流道成型 a 单流道成型 单流道成型 s i n g l ec h a n n e lt e c h n i q u e 所采用的注射机一般由两个注射单元 组成 如图1 2 其具体工艺过程如下 首先 注射壳层材料局部填充模腔 其 中 壳层材料注射量取决于壳层与芯层的比例 而该比例由制品的工艺及所要求 的性能所决定 当壳层材料注射量达到要求后 转动熔料切换阀 开始注射芯层 材料 芯层熔体进入预先注入的壳层流体中心 迫使壳层材料进入模腔的空隙部 分 由于壳层材料的外层己固化 芯层熔体不能渗透 从而将芯层物料包覆了起 来 形成壳层 芯层结构 最后 熔料切换阀回到起始位置 继续注射壳层材料 将流道中的芯层材料推入注塑件中并封模1 7 9 浙江工业大学毕业论文 绷 图1 2 单流道成型技术 f i g 1 2s i n g l ec h a n n e lt e c h n i q u e 对于这种成型技术 生产者可以通过调节注射工艺参数如注射速度 物料熔融 温度等以获得具有不同壳层厚度的注望件 然而 在壳芯层熔体通过熔料切换阀 进行切换时 模型内压力下降 l o l 如图l 5 a 壳层熔体料流前缘出现短暂的滞流 现象 以致夹芯注塑件表面存在暗纹或晕纹等缺陷 b m o n o 夹芯注射成型 f e r r o m a f i km i l a k r o n 利用顺序注射成型工艺提出m o n o 夹芯注射成型 m o n o s a n d w i c ht e c h n i q u e 技术f 1 1 这种成型技术与单流道成型有所相似 其具体工艺 过程如下 首先 壳层物料经辅助的挤出设备熔融并通过一个特殊的热流道进入 芯层物料塑化及挤出注射料筒的螺秆前缘 如图1 3 a 在壳层料流的挤压作用下 主注射机的螺杆后移 如图1 3 b 而壳层熔体的送入量则由行程信号来确定 当 堆积在螺杆前缘的壳层熔体达到某一行程点之后 控制系统则从控制辅助挤出机 塑化转换到控制主塑化螺筒中的芯层材料的塑化 最后 螺杆推进壳芯层熔体依 次进入模腔 并最终形成壳层 芯层结构 如图1 3 c 6 浙江工业大学毕业论文 图1 3m o b o 夹芯注射成型技术 f i g 1 3m o n os a n d w i c h t e c h n i q u e 相比较单流道成型技术而言 m o n o 夹芯注射成型技术不仅设备结构和成型过 程较为简单 而且还可以杜绝注塑件表面暗纹缺陷的产生 获得具有高表面性能 的制品 与此同时 该技术还可以用于生产薄壁制品 尤其是对于简单的轴对称 制品 其芯层物料体积含量可达6 5 7 5 7 浙江工业大学毕业论文 然而 限于加工设备的简单 缺乏精准的注射工艺参数控制 m o n o 夹芯注射 成型技术很难用于生产形状复杂的夹芯注塑件 c 双流道成型 双流道成型技术 t w oc h a n n e lt e c h n i q u e 是由b a t t e n f e l d 和其他一些研究者 嘛1 3 于上世纪7 0 年代中期所提出的 该技术一般是将两个独立的注射单元通过一 个特殊的喷嘴而连接起来 而喷嘴的设计往往依据不同的需求而设定 b a t t e n f e l d 所采用的是一种特殊的环形浇口 如图1 4 壳层熔体与芯层熔体 分别通过外围环形喷嘴与中心喷嘴注入模腔 该成型技术的具体工艺过程如下 首先 在型腔内注入一定量的壳层材料局部填充模腔 当壳层材料注射量达到要 求后 同时注射壳层与芯层材料 最后 顺序切断芯层与壳层熔体料流 利用壳 图1 qb a r e n f e l d 双流道成型技术 f i g 1 4t w oc h a n n e l t e c h n i q u e a t t e n f e l d 层熔体封模 双流道成型技术具有较高的灵活性 它可以在充模过程中独立控制壳层和芯 层熔体的注射速度 以此避免壳层熔体料流前缘出现短暂的滞流现象 如图1 s b 杜绝夹芯注塑件表面暗纹或晕纹等缺陷的产生 此外 这种独立的注射单元操作 可以更好地控制壳层厚度 该成型技术的主要缺点在于芯壳层物料分布不均 在近浇口区域 由于熔体 流动所产生的摩擦热致使壳层物料再次熔融而被刮带向前运动 以致壳层厚度在 该区域往往过薄 而对于远离浇口的区域 情况则刚刚相反 s 浙江工业大学毕业论文 a 顺序注射壳芯层熔体 b 同步注射壳芯层熔体 圈l 巧夹芯注射成型中注射速度和注射压力分布图 f i g 1 5s p e e da n dp r e s s u r ep r o f i l e si nc o i n j e c t i o nm o l c t m g d 三流道成型 鉴于双流道成型技术所存在的弊端 三流道成型技术应运而生 1 4 l 如图1 6 所示 三流道成型技术 t h r e ec h a n n e lt e c h n i q u e 是指在浇口中心处增设一个流 道以注射壳层熔体 而这一流道可以使壳层熔体充分注入模腔末端 但这种技术 只限予中心浇口制品 对于其它浇口形式制件或一模多腔的情况 选择双流道或 单流道成型技术更为可取 图1 6 三流道成型技术 f i g 1 6t h r e ec h a a n e lt e c h n i q u e 浙江工业大学毕业论文 1 2 夹芯注射成型的优越性能 夹芯注射成型技术摒弃了传统层压及膜成型工艺所要求的繁琐步骤 通过熔 融生产实现各组分的综合性能 具有许多其它塑料成型技术无法比拟的特殊功能 i 废旧塑料的回收利用是我国塑料工业目前重点优先鼓励和资助的研究领 域之一 夹芯注射成型技术可将废旧塑料作为芯层材料 将优质塑料作为壳层材 料 在满足表面质量要求的前提下 既降低产品的生产成本 又解决废旧塑料的 回收利用问题 实现可持续发展 2 工程上往往需要塑料制品具有高强度 耐热 耐腐和耐磨等优良的物理 化学性能 或表面装饰美观和软接触的感观性能 而满足这些性能的工程树脂其 材料价格高 如用传统的单相注塑成型技术 其产品价格昂贵 使其应用受到限 制 而夹芯注塑成型可将具有高表面性能的工程树脂作壳层材料 用普通聚合物 材料作芯层 获取高表面性能的低成本注塑件 拓宽普通塑料的应用范围 3 可综合利用壳层 芯层复合结构的各层特殊性能以实现塑料制品多功能 性 如生产具有电磁屏蔽功能的制品 以及同时具有隔光 隔氧 隔水蒸汽等多 功能的制品 还可以这是传统的单相注塑成型技术和气辅注射成型技术所不能实 现的 例如具有自润滑的高性能p a 齿轮 其中齿轮的壳层是具有耐磨高润滑性能 的非填充p a 而齿轮的芯层是热变形小 具有高强度特性的玻璃珠料填充p a 由 于玻璃珠料具有收缩率小 尺寸稳定性高的特点 而p a 具有良好的润滑性能 可 以避免玻璃珠料产生磨蚀 4 以发泡材料或流动性能好的材料为芯层材料 可以减少制件总质量 降低 注射压力的要求 从而减少残余应力 消除或减小翘曲 5 利用壳芯层的包覆结构 将其应用于医药 化妆品等特殊行业 如生产 缓释药片或胶囊 由此可见 夹芯注射成型技术是最有希望成为解决未来重大工程材料问题的 聚合物成型方法之一 1 3 注塑制品残余应力的研究现状 所谓残余应力 是指出模后未松弛而残余在制品中的各种应力之和 1 5 内应力 1 0 浙江工业大学毕业论文 从热力学方面讲是成型过程中形成的不平衡结构 在成型之后不能恢复到与环境条 件相适应的平衡结构 从而产生一种趋向平衡的作用 1 3 1 注塑制品残余应力的产生以及对注塑制品的影响 注塑制品残余应力的成因主要有三个方面 微结构 如结晶 取向 形态变 化引起的结构残余应力 成型加工过程形成的宏观意义上的残余应力 脱 模时因顶杆作用形成的机械残余应力 通常意义下 塑件残余应力指的是第二种 而这类成型过程中引入的残余应力又被分为两类 流动残余应力和热残余应力 1 6 一是在注塑成型的充模 保压过程中 塑料熔体在模腔中做非等温流动形成 的剪切应力和法向应力 由于冷却过程中温度的迅速下降而不能完全松弛 当温 度降到玻璃化转变温度以下时 来不及松弛的应力被 冻结 在固体中 这部分 应力称为流动残余应力 f l o w i n d u c e dr e s i d u a ls t r e s s e s 一般认为 冻结的分子取向 是流动残余应力产生的主要原因 聚合物在熔融状态下 在没有外力的作用时 内部达到平衡状态 即分子链 链段呈自由的蜷曲或伸展状态 由于快速的冷却 过程 熔体以很高的速率和压力充满模腔 因此必然引起分子链 链段在流动方 向上的重新取向 由于快速的冷却过程 熔体在模腔壁附近的分子取向来不及重 新达到平衡状态而被 冻结 模腔内部由于冷却较慢 流动方向的分子取向可以 部分达到平衡 因此产生了剪切应力 导致制品脱模后的残余应力存在 二是制品在快速冷却过程中内部温度分布不均匀 冷却层由模腔表面向内部 逐渐推进 制品中各点在不同时间从较高温度降到玻璃化转变温度以下 所经历 的收缩变形不一样 从而产生应力 这部分应力称为热应力 由于聚合物材料的 热粘弹性 制品在模腔内以及脱模之后热应力发生部分松弛 未松弛的热应力称 为熟残余应力 t h c r m a m n d u o e ar e s i d u a ls t r e s s e s 于同敏 1 7 1 则将残余应力的来源更加细化具体化 他认为根据不同因素对制品 成型作用的程度与效果 热塑性塑料注射制品的内应力有以下几种 由熔体流 变性能引起的应力 凝结取向应力 湿度应力 构形体积应力 由制品 脱模引起的应力 注塑制品的残余应力通常会导致注塑制品翘曲变形 l 玎 引起形状和尺寸误 差 同时 带有较大残余应力的制品经常会在不大的外力或溶剂作用下脆化开裂 即应力开裂 应力开裂是在注塑生产中常出现的问题之一 尤其是在气候温差变 化较大的北方地区 应力开裂现象更为突出 都会促使构件在使用过程中过早地 浙江工业大学毕业论文 失效 严重影响其使用性 1 1 3 2 对注塑制品残余应力影响因素的研究 从流动残余应力的产生过程可知 如果熔体在被 冻结 分子取向之前 由 于流动引起的分子取向能够达到新的平衡状态 就不会产生流动应力 因此 对 于注塑成型工艺而言 融体的注射温度 模壁温度 熔体充填时间和充模速度 保压压力以及流道的长短都会对流动应力产生影响 从热残余应力的产生过程可知 模腔内注塑件各部分如果能达到均匀的冷却 过程 就不会产生热应力 在实际注塑成型加工中 由于制品的形状复杂性 模 据制造工艺的限制 完全避免热应力的产生是不可能的 科学合理的设计保压压 力和保压时间 冷却管道的布置尽量使制件的表面部分以均匀的速度冷却固化 模腔厚度均匀 避免出现大的变化 这些对于减少残余应力都是有效的措施 吴利英 1 9 j 对影响注塑制品残余应力的因素做了很多研究 她认为影响制品内 应力的因素很多 也很复杂 主要影响因素如图1 7 所示 丁玉兴和温守东 2 0 1 分 析了高聚物结构和成型条件对注塑制品内应力的影响 于同敏从高聚物流变学的 角度 深入分析了引起注射制品内应力的各种因素及其内在联系 并从制品设计 模具设计 塑料材料与成型工艺条件等方面给出了避免或减少制品内应力的相应 对策 圈1 7 影响注塑制品内应力的主要因素 f i g 1 7p f 岫f a c t o ro f i n f l u e n c eo l lr e s i d u a ls t i c s s c s 浙江工业大学毕业论文 1 3 2 1 造型设计 1 圆角 塑料制品除了使用上要求采用尖角外 各表面相交处应尽可能采用圆弧过渡 由于制品形状和截面的变化 使注塑过程中熔料在尖角处的流态发生急剧变化而 产生大的应力 而且残留在尖角处 在有载荷或受冲击振动时会发生破裂 甚至 在脱摸过程中即由于模塑内应力而开裂 特别是制品的内圆角 一般 即使采用 r 0 5 m m 的圆角就能使塑件强度大为增加 采用圆弧过渡既可以减少应力集中 还可大大改善塑料的充模特性 2 避免在 转角处产生冲击形成波纹或充不满模腔 2 制品壁厚 制品壁厚是结构设计时所要考虑的重要因素 不合理的壁厚会给制品带来很 多缺陷 增加壁厚既可改善树脂的充模特性 又可降低取向应力 减少变形 提 高制品强度 但同时收缩加大 保压和冷却时间加长 生产效率降低 消耗材料 多 较大的收缩应力还将造成制品表面产生凹陷或内部出现缩孔与气泡 既影响 外观又降低了强度 增加壁厚的同时也增加了制品的表面积 表面积与体积之比 越大 表面冷却越快 取向应力和体积温度应力都随之增大 如果制品壁太薄 会降低强度 脱模时易破裂 还有碍予树脂的充模流动 造成填充不足或出现明 显的熔合纹 严重影响制品质量 每种塑料根据充模能力都有一个最小壁厚 确 定壁厚时在满足强度要求的前提下 壁厚尽量取薄些 可节省材料 减轻制品重 量 降低成本 但不能小于最小壁厚 常用热塑性塑料的标准壁厚见表l 壁厚设计还应注意均匀一致 否则将会由 于收缩应力引起制品的翘曲变形 同一制品中 若必须存在壁厚相差较大的情况 时 连接处应逐渐过渡 避免截面的突变 1 3 浙江工业大学毕业论文 表1 1 常用热塑性塑料的标准壁厚 t a b 1t h es t a n d a r dw a l lt h i c k n e s so f t h e r m o p l a s t i c 3 金属嵌件 由于金属嵌件冷却时尺寸变化与塑料的热收缩值相差很大 使嵌件周围产生 很大的内应力 而造成塑件的开裂 对某些高刚性的工程塑料更甚 如聚碳酸酯 但对于弹性和冷流动性大的塑料则应力值较低 1 3 2 2 注塑机选用 注射机选用不当 也会产生内应力 那种认为大容量注射机注射小模具中的 制品会减小内应力的说法不正确 有时会因为压力过高 喷嘴结构不合适或混料 造成较大的内应力 1 3 2 3 模具设计 1 浇注系统 模具浇注系统设计不合理 如浇1 2 1 大小不合适 浇道太窄 主流道太长 浇 口位置不合理都会造成内应力 浇口尺寸太大 补料时间就会延长 会增大大 分子的冻结取向和冻结应变 造成很大的补料内应力 特别在浇口附近内应力更 大 小浇口的适时封闭 能适当地控制补料时间 但浇口尺寸也不宜太小 过小 的浇口会造成太大的流动阻力 产生取向应力 主浇道太长 浇道太窄 浇道 槽方向的急剧转折都会使流动阻力加大 延长了进料时间或需增大注射压力和保 压压力 会使制品产生更高的取向应力 浇口位置的选取除考虑制品外观和熔 接缝外 还应尽量减少在流动方向上由于充模和补料而造成的定向作用 2 顶出机构 1 4 浙江工业大学毕业论文 模具顶出系统的设计也直接影响注塑件的变形 项出机构设计不当 使脱模 力不均衡或型芯表面在脱模过程中形成真空或旌加过大的脱模力 都会造成塑件 产生强迫高弹形变形成内应力 甚至龟裂 严重时发生开裂 因此在设计模具顶 出系统时应力求与脱模阻力相平衡 另外 顶出杆的截面积不能太小 以防注塑件 单位面积受力过大 尤其在脱模温度太高时 而产生变形 顶杆的布置应尽量靠 近脱模阻力大的部位 在不影响注塑件质量 包括使用要求 尺寸精度与外观等 的前提下 应尽可能多设置顶杆以减少注塑件的总体变形 防止项出产生内应力需改善脱模条件 如仔细磨光型芯侧面 增加出模斜度 平衡顶出力 顶杆应布置在脱模阻力最大的部位如型芯凸台附近及能承受较大顶 出力的部位 如加强筋 凸缘 塑件端面等部位1 2 2 3 机械加工 热塑性塑料注塑件 除为切除大浇口冷凝料而进行锯 车和铣等机械加工外 当制件尺寸精度和形位公差要求很高而无法通过模具设计与调整工艺条件得到保 证 或零件上有难以一次成型出的形状 如小而深的孔和螺纹等 时 成型之后 就需要进行机械加工 常用的机械加工工艺有车 铣 刨 钻 锯 铰孔和攻螺 纹等 但机械加工会使塑件内部产生内应力 因此加工时应用专用刀具 较低的 切削速度 小切削量和低进给速度 7 还应保证充分冷却 夹持时夹紧力不可过大 对于易产生内应力的注塑制品应进行不只一次的热处理 1 3 2 4 注塑成型工艺条件 温度 压力 时间是塑料成型工艺条件中队制品内应力的主要影响因素 如 图1 8 所示 瓤 捏 崔 注射 t 图1 8 注射参数对取向应力的影响 f 皓1 8i n f l u e n c o f p r o c e s s0 1 1r e s i d u a ls t r e s s e s 1 熔体温度2 模具温度3 注射压力4 保压时间 浙江工业大学毕业论文 a 温度对制品内应力的影响 i 料温的影响 料温对注塑制品的质量至关重要 通常科筒末端的最高温度应高于碱t m 但 必须低于高聚物分解温度t d 在较高温度下物料塑化均匀 熔体粘度下降 流动 性增加 物料充满型腔 熔体在进入型腔过程中分子取向作用小 因而取向应力 也就小 对于结晶高聚物料温较高易使制品各部位结晶一致 可避免由于结晶收 缩不均匀而产生内应力 若注塑温度过低 高聚物熔体粘度高 流动性差 充模 过程中分子取向较多 冷却定型后残余应力较大 但是料温过高 由于冷却不充 分 脱模困难 也会产生内应力 确定料温时 还要考虑制品和模具的结构特点 成型薄壁容器时 塑料的流 动阻力很大 且极易因冷却而失去流动能力 在这种情况下不使用较高温度来提 高熔体的流动性而对于厚壁制品 熔体流动的阻力较小 且因厚壁制品的冷却时 间延长而使注射成型周期增加 因此可选较低的料温注塑机喷嘴温度过低 则注 塑成型时高聚物分子会产生过多的取向作用 产生内应力 但温度过高 会产生 流涎现象 模温的影响 当模温较低时 物料熔体进入模具后 物料冷却过急 聚合物分子取向作用大 制品内应力高 或者模具各部位温度不同 当与物料接触后各部分冷却速度不均 匀 也会导致不均匀收缩 产生内应力 特别是厚壁注塑制品充模时间和冷却时 间较长 温度过低会引起内部形成真空泡和收缩 并因而引起内应力 故厚壁制 品不宜用低的模温来冷却 而模温较高则有利于聚合物分子链活动 对于结晶高 聚物而言 模温对其结晶有很大影响 通常认为高聚物的结晶有主期结晶和次级 结晶两个过程 模温对于次级结晶影响较大 次级结晶是主期结晶完成后 在一 些残留的非晶部分和晶体结构不完整的部分继续进行结晶和使球晶中晶粒的堆砌 更紧密 晶体内部的缺陷减少或消除 结晶过程迸一步完善 模温较高有利于次 级结晶过程和大分子的松弛 使熔体解取向重结晶进行得比较完全 残余应力也 就较低 当然 模温太高 冷却时间过长 注射周期延长 生产率下降 b 注射压力 注射速度和注射时间对制品内应力的影响 增大注射压力使取向应力和结晶塑料的结晶应力增加 同时使封口压力增大 必须延长冷却时间才能顺利脱模 否则会造成脱模应力 注射速度增加也会使取向 1 6 浙江工业大学毕业论文 应力和结晶应力增加 但对聚苯乙烯和其他一些冷凝快的塑料还是用高的注射速 度充模较为有利 因为冷凝快的塑料慢速注射需要更高的注射压力来维持熔体的 流动 注射时间不宜太长 模腔充满以后就相当于在注射压力下保压了 也会使 制件的取向应力增加 c 保压压力和保压时间 冷却中的熔体在外压作用下产生的总形变中 有相当大一部分是弹性的 故 使熔体在高压下冷凝会在制件中产生较大的内应力和大分子取向 压实后立即降 压或补料过程中分步降压有利于大分子解取向 所以降低保压压力和缩短保压时 间有利于取向应力的降低 延长保压时间仅在一定范围内取向度增大 浇口封闭 之后再延长保压时间对取向度的变化就不再影响 虽然大分子的取向在充模和补 料的时间内都能进行 但实验表明 非晶态塑料注塑制品内的取向主要是在充模 时间内产生的 补料时产生的附加取向在总取向度所占的比例较小 而结晶塑料 如聚乙烯 聚丙烯 聚酰胺和聚甲醛等情况有所不同 制品内总取向度中补料时 产生的附加取向所占比例较大 d 冷却时间 当注射压力 保压压力 熔体温度升高 浇口尺寸较大时都会使封口压力升 高 这时必须延长冷却时间才能使启模前模腔内的残余压力降到很低或接近于零 否则要将制件顺利地从模具内顶出是很困难的 若强制脱模 制件在顶出时会产 生很大的应力 以至制件可能被划伤 严重时会出现破裂 但冷却时间也不宜过 长 否则不但生产效率低 而且制件内部压力降到零以后进一步冷却可能在制件 内部形成负压 即由于冷却收缩使制件内外层之间产生拉应力 合适的开模条件主要由模腔内的压力和温度来决定 必须将制件冷却到塑料 的热变形温度以下 使其在启模之前有足够的强度和刚度 另外在启模之前还必 须使模腔内的压力降至某个极限值之下 这个极限值一般由实验确定 就可以避 免制件在顶出过程中发生划伤或破裂 1 3 2 5 注射制品的材料 制品内应力与高聚物材料的性能和分子量大小及其分布有关 通常在相同温 度下 平均分子量越大 大分子链的缠结数目就越多 熔体粘性就越大 而充模 流动时在有限的温度 压力 剪切速率和成型时间内 不可能完全解开相互缠结 的大分子链 因此造成流动困难 由此产生的熔体弹性则可引起制品成型后收缩 1 7 浙江工业大学毕业论文 翘曲及应力开裂等质量问题 分子量相同时 支链越短 越多 流动时的空间位 阻越小 越不易产生应力 分子量分布宽的材料比分布窄的粘流温度低 对降低制 品内应力有利 但分布过宽 其中的小分子易迁移 会引起制品形状不稳定 分子量分布对不同的材料影响不同 如增宽分子量分布可减小p e 和抗冲p s 的熔体粘性 但对a b s 和p v c 材料 增宽分子量分布 熔体粘性反而增加 易产 生成型应力 分子结构对称性高 分子链支化程度低的材料 成型中易形成结晶 结构 结晶度愈高 制品收缩应力就愈大 同时晶体中的缺陷以及大个球晶与非 晶界面之间都易产生应力 从而引起制品变形 极性高分子间的内聚力较大 粘 流活化能较高 粘度大 如p v c 的粘流活化能为3 5 而h d p e 为1 1 因此p v c 流动性差 易产生成型应力 另外 构成材料的组成成分分散不均匀 填料颗粒 不规整 以及材料中杂质异物等都是造成制品应力集中的根源 应力集中区域的 制品强度比无应力区域要低2 0 左右 1 3 3 对减少注塑制品内应力的研究 在了解了影响注塑制品残余应力的因素之后 于同敏 吴利英等人又对如何 避免和减少制品内应力进行了研究 由于影响制品内应力的因素很多 相互关系 复杂 要彻底消除内应力十分困难 但可采取如下对策使其降至最小 1 3 3 1 合理的制品设计 合理的制品设计是从根本上避免制品产生内应力的重要措施之一 制品设计 时应在满足使用功能要求的前提下 尽量避免出现产生内应力的各种结构要素 诸 如尖角 圆孔 方槽 缺口 多边形孔槽以及壁厚的突变等 必需的功能孔 槽 位置应合理 壁厚差应小于3 0 壁厚连接与过渡处应用圆角 可减少涡流 避 免应力集中 还可延长模具寿命 制品尽量不用嵌件 螺纹牙尖应成圆角 总体 结构应简单匀称 截面形状合理 易于熔体流动 1 3 3 2 正确的模具设计 在模具结构设计方面 影响注塑制品应力变形的外在因素主要有浇注系统 冷却系统与顶出系统等 a 浇注系统的设计 注塑模具浇口的位置 形式和浇口的数量将影响塑料熔体在模具型腔内的填 1 丘 浙江工业大学毕业论文 充状态 从而导致注塑件由于内应力不平衡而产生变形 流动距离越长 由冻结 层与中心流动层之间流动和补缩引起的内应力越大 反之 流动距离越短 从浇 口到制件流动末端的流动时问越短 充模时冻结层厚度减薄 内应力越小 翘曲 变形也会大为减少 b 冷却系统的设计 在注射过程中注塑件冷却速度的不均匀也将造成收缩的不均匀 这种收缩差 别导致弯曲力矩产生内应力而使注塑件产生翘曲 c 顶出系统的设计 模具顶出系统的设计也直接影响注塑件的变形 如果顶出系统布置不平衡 将造成顶出力的不平衡而产生内应力 使注塑件变形 因此在设计模具顶出系统 时应力求与脱模阻力相平衡 另外 顶出杆的截面积不能太小 以防注塑件单位面 积受力过大 尤其在脱模温度太高时 而产生变形 顶杆的布置应尽量靠近脱模阻 力大的部位 在不影响注塑件质量 包括使用要求 尺寸精度与外观等 的前提 下 应尽可能多设置顶杆以减少注塑件的总体变形 如h p v c 等粘度高的材料 应取粗而短的流道 浇口尺寸应偏大些 浇口位 置应选在制品壁厚较大且不易产生喷射流动处 多型腔模具的浇注系统应采取平 衡式设计 单腔多浇口模具也应使浇口平衡 模具冷却系统设计应据不同的制品 形状尽量使模温分布均匀 冷却水路避免死角 出入水的温差小于2 c 顶出机构 应平衡可靠 顶出力分布均匀 不产生制品变形 模具整体强度与刚度要足够 1 3 3 3 选择最佳的注射工艺条件 工艺条件对制品内应力的影响占有较大的比重 通常结构形状复杂的制品 充模流动阻力较大 若材料流动性较差 不易过于提高注射压力 可适当提高熔 体与模具温度 过高的注射压力会加剧大分子取向 而提高熔体与模具温度既可 降低熔体粘度 又可增加大分子的解取向能力 尤其对薄壁长流程的制品 更需 较高的熔体和模具温度与适当注射压力的密切配合 才能使制品内应力最小 注 射压力高和保压时间长都会增大对熔体的剪切作用 产生更大的弹性变形 冻结 更多的取向应力 因此应适当降低注射压力 控制较短的保压时间 注射速度要 适中 通常由低压慢速开始注射 再适当调整 但快速注射可减少制品的取向程 度 降低取向应力 浙江工业大学毕业论文 1 3 3 4 合理选择成型材料 从降低制品内应力的角度考虑 应选择抗应力开裂能力强的材料 通常平均 分子量较高 分子量分布窄和含杂质低的聚合物抗应力开裂能力较强 分子量高 的材料 其大分子链间的作用和缠结数目都增加 分子量分布窄的材料 可在制 品中产生较大的刚性 玻璃纤维增强材料 因大分子链与玻璃纤维的相互缠结 如同增大分子量 其制品的抗应力开裂能力也较高 对结晶型材料 适当加入成 核剂 可使球晶体积小 数量多 从而使内应力较小且分布均匀 1 3 3 5 热处理 在注塑成型或机械加工之后及时将注塑制件进行热处理 是降低或消除其内 应力 使其内部结构加速达到稳定状态的一个有效措施嘲 对于要求强度高 尺 寸稳定性好的工程塑料制件 往往在加工过程中进行不只一次的热处理 热处理的方法是 在加热介质中先将温度从室温升到一定温度 这个温度常 称为热处理温度或退火温度 使制件在此温度下保持一定的时间 然后缓慢地冷 却到室温 影响热处理效果最重要的工艺因素是热处理温度和热处理时间 在理 论上热处理温度越高 热处理时间越长 制件的内应力就能在更大程度上被消除 其内部结构也就愈趋于稳定 但实际使用的温度却不能太高 温度过高容易引起 制件在热处理过程中发生翘曲变形 一般认为 热塑性塑料注塑件的热处理温度 以稍低于热变形温度 约低5 c 1 0 c 为宜 热处理时间则主要与塑料的性质与 制件壁厚有关 高聚物大分子链的刚性愈大 制件的壁愈厚 需要进行热处理的 时间就愈长 1 3 3 6 采用先进技术 计算机辅助技术在注射模设计上的应用 为降低制品内应力提供了有效的手 段 利用注射模的流动和冷却分析软件 在制品与模具设计时即可模拟制品成型 时的充模流动行为和模具温度分布状况 由此获知制品不同部位的应力水平与变 形 适时修改制品或模具设计 调整成型工艺参数 从而避免因不恰当的充模流 动与不合理的温度设计而引起的制品内应力造成的翘曲变形或开裂 浙江工业大学毕业论文 1 4 注塑制品内应力的测试方法 1 4 1 实验方法 残余应力实验测试方法可分为有损测试和无损测试两大类 有损测试是利用 机械加工或其他加工方法将残余应力释放 测量残余应力释放产生的释放应变 无损测试是利用材料物理性质的变化或晶体结构参数的变化测量残余应力 1 4 1 1 双折射法 当一种材料在光学上表现出各向异性 即各个方向的折射率不同 就产生双 折射现象 分子取向是引起制品力学 热学和光学各向异性的主要因素 并且影 响制品最终的尺寸稳定性 双折射是测定无定形聚合物分子取向和残余应力的有 效方法 需要注意的是 流动应力和热应力对双折射都有影响 i s a y c v 刚同时测量 了自由淬火和注塑无定形聚合物的各个双折射量 发现虽然热应力比流动应力大 一个数量级 但淬火试样的双折射比注塑试样的双折射小一个数量级 也就是说 流动应力对分子取向的贡献占主导因素 无定形的透明高分子材料 当受到应力时 由原先光学各向同性变成各向异 性 且呈现出类似于晶体的光学特性 材料的这种物理性质 成为光测弹性力学 的基础 平面偏振光垂直射入一受力平板样品后 产生双折射沿受力点主应力方 向分成两柬平面偏振光 这两束光的折射率之差与光通过处主应力差成正比 即 或光程差 n 1 一n 2 c o l a 2 1 万 c d v r l a 2 2 上式称为应力 光学定律 式中g l 如为平面内主应力 l 飓为主应力方向上的 折射率 c 称为应力 光学系数 对于聚合物而言 c 随温度而变 2 5 1 当聚合物是 熔融态时 c 取值较大 与之对应的是流动应力 当聚合物的玻璃态时 c 取值较 小 与之对应的是热应力 只有在较小的温度范围内 c 才是一个常数 固体双 折射反映的主要是被 冻结 的残余流动应力 流动方向与厚度方向的双折射既 有剪切应力的贡献 又有法向应力的贡献 2 6 2 7 a n c t 4 r 2 孵 2 3 式中7 1 2 是前切应力 l 是第一法向应力差 c d 是光弹性系数 它与温度有关 2 i 浙江工业大学毕业论文 w 蛐b 铭e r f r i e d 瞄 9 同时测量了淬火和注塑p c 制品的双折射 发现冷却过程 中产生的热应力对分子取向也有影响 流动双折射测量的对象是聚合物熔体 能记录暂态消光角 从而得到流动应 力虽时间的变化趋势 l a u n 等 3 0 3 1 1 用这种方法来检测理论本构模型的有效性 对 于粘弹性的熔体的应力松弛 流