注塑论文曲翘变形.doc

塑料曲翘变形的研究分析 摘 要: 本文从注塑件的结构，模具的结构，注塑参数等几方面阐述了注塑制品翘曲变形机理，分析了注塑件收缩对曲翘变形的影响，研究分析了曲翘变形的几种方法和思路 ,并且比较、 以实例解决注塑件的曲翘变形。关键词:注塑制品; 翘曲变形，收缩，内应力一前言 影响注塑制品翘曲变形的因素很多，根据现代塑料制品翘曲理论，分为四大类，包括塑料材料、制品形状、模具结构和成型工艺条件。首先是塑料材料及添加剂。塑料取向能力和结晶性能显著影响翘曲变形，取向材料比未取向材料更容易翘曲，结晶型聚合物翘曲变形倾向比无定型聚合物的要大，如果聚合物中有添加剂(如色料)，则会加大注塑制品翘曲变形程度。其次，塑料制品形状尺寸也能影响翘曲变形。产品形状、壁厚、加强筋、表面装饰性浮雕等，能影响充模性能、冷却效果，导致制品取向、内应力、收缩等分布不均匀，翘曲变形也就无法避免。另外，模具结构对翘曲变形很有影响。浇注系统及冷却系统设置、排气性能好坏、模具顶出机构设计等都能影响制品取向与收缩，从而显著影响制品出模后的翘曲变形。最后一个能显著影响翘曲的因素是工艺条件。注塑熔体塑化质量、熔体温度、注塑压力、保压压力、保压时间、模具温度等许多工艺参数都影响制品翘曲变形。对于这些影响因素，设计人员很难予以全面考虑，因此，有必要对翘曲变形进行数值模拟，预测制件变形大小，以指导实际生产过程。自20世纪中叶以来，塑料流变学、材料学、数值计算方法和计算机技术的突飞猛进为塑料模CAE技术发展创造了有力条件。塑料模CAE研究经历了从初级到高级、从简单到复杂、从理论研究到实际应用的发展历程。流动过程的研究早在五十年代开始，至八十年代已经发展到实用化程度保压过程和冷却过程研究比流动过程研究要晚十年，直到九十年代才开始研制实用化软件，而纤维定向至今仍然集中于理论研究残余应力研究从七十年代开始，现正向实用化方向努力。相比之下，翘曲变形的研究工作远不及流动、保压、冷却、应力等模拟研究那么早，而且进展较慢。导致这种现象的原因有很多方面:(1)翘曲变形模拟与注塑流动、保压、冷却等阶段的研究发展状况有关。只有在完成了流动、保压、冷却及应力分析的基础上，才可能进行翘曲变形的数值模拟研究。(2)与注塑其他阶段不同，导致制品翘曲变形的因素太多，包括塑料材料、制品和模具结构、注塑成型工艺参数等，到目前为止，注塑成型翘曲变形机制仍然存有争议，有待进一步的深入研究。(3)翘曲变形数值模拟必须与精确的试验测试手段相结合，在这方面存在着较大的难度。纵观整个注塑成型研究历程，翘曲变形的研究己成为了注塑成型CAE技术发展的当务之急。从查阅大量文献可以看出，翘曲变形研究可归纳为三个方面:(1)从产品设计方法学角度研究翘曲变形，以优化注塑制品设计和成型工艺条件设置。(2)采用试验方法，分析翘曲变形与塑料材料、产品及模具结构、成型工艺参数等之间关系。(3)从理论上对翘曲变形进行定性和定量的研究。 二 引起塑件曲翘变形的机理和因素 翘曲主要与产品结构、模具设计以及成型工艺三方面关。由于塑料成型时流动方向的收缩率比垂直方向的大，使得制件各向收缩率不同而翘曲。注射冲模时在制件内部残留的内应力也会引起翘曲。这些都是高应力取向造成的翘曲。影响注塑制品翘曲的主要因素有以下几个方面: (1)塑料及模具材料; (2)制品结构、 模具结构、 模具强度、 加工精度和表面粗糙度; (3)注塑成型工艺条件。 由于翘曲变形是由多种因素造成 ,所以对注塑制品翘曲的研究起步较晚 ,并且进展较慢。 塑料行业中对注塑制品出模后发生翘曲的研究工作总结起来体现在以下三个方面: (1)实验研究塑料制品的翘曲与塑料材料、 模具材料、 产品结构、 模具结构、 成型工艺参数等之间的关系; (2)从产品设计方法学角度来研究减少注塑制品翘曲变形的方法 ,并进行产品和工艺条件的优化设计; (3)从理论上对翘曲进行定性和定量分析研究 ,并开发相应的软件。（1）翘曲分类稳定翘曲如图1（a）所示，翘曲变形与收缩应变成正比。非稳定翘曲如图2（b）所示，翘曲变形是由于塑件弯曲而产生的。在这种情况下，收缩应变表现为平面应变，由于平面应变过大导致塑件失稳而弯曲。一般这种翘曲变形很大。（2）塑件结构对塑件翘曲变形的影响 塑件的结构是决定其本身翘曲变形程度的关键。塑件的厚度、质量分布相差较大，局部贮热量差异大，冷却先后不一致等都会造成翘曲。而塑件形状不同，抵抗翘曲变形的能力也不同。一般带筋板的构件比平板类构件更能抵抗翘曲变形。对于大平面的制品必须增加加强筋。在制品上设计加强筋，主要是为了提高制品的强度和刚度，防止制品翘曲变形，另外，还能改善塑料熔体的流动性。但设计时加强筋的方向应尽量和注射充模时的熔体流动方向保持一致，以免出现成型缺陷或影响塑件的强度。如果制品上有许多加强筋，加强筋之间的中心距应大于两倍以上，并且各条筋的排列应互相错开。对于大型制品，应避免把加强筋设置在大块平面部位的中央，否则，平面部位容易因熔体流动集中而产生流纹或凹陷。当平面中央部位必须设置加强筋时，可在与筋对应的制品外壁处加设楞沟。同时注意筋条的厚度尺寸，加强筋形状尺寸的设计如图2所示 在注射成型非均匀壁厚的塑件时，注入型腔的熔料会产生流动不均匀和收缩不一致的现象，这是因为热塑料塑件的收缩率一般较大，且在一定范围内随加工过程参数如熔体温度、流动速率、保压压力及型腔表面的冷却速率的变化而变化。对均匀壁厚的薄壁塑件，由于它在模具内冷却较快且趋于同步冷却，因而塑件收缩率变化较小；而厚壁塑件或壁厚不均的塑件，不同区域温度、压力和流速的不同，会引起收缩率的差异，进而引起塑件的翘曲变形和残余内应力。（3）模具结构对注塑件翘曲变形的影响模具浇注系统和冷却系统的设计对收缩和翘曲有着很浇注系统设计不合理，将使走胶困难、各浇口进浇不平衡，造成注射成型时模具型腔内各点的压力差异很大。冷却系统设计不合理，使得模具各部分冷却不均匀。这些都会造成注塑件内应力大和各点收缩不均匀。另外，塑件脱模时顶出力不平衡或顶出面积不适当，都会引起塑件翘曲变形。 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在模具型腔内的填充状态，从而导致塑件产生变形。 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间越短，充模时冻结层厚度减薄，内应力降低，翘曲变形也会因此大为减少。大型平板形塑件，如果只使用一个中心浇口或一个侧浇口，因直径方向上的收缩率大于圆周方向上的收缩率，成型后的塑件会产生扭曲变形；若改用多个点浇口或薄膜型浇口，则可有效地防止翘曲变形。 当采用点浇进行成型时，同样由于塑料收缩的异向性，浇口的位置、数量都对塑件的变形程度有很大的影响 ; 实验表明，浇口位置具很重要，但并非浇口数目越多越好。 另外，多浇口的使用还能使塑料的流动比（ L t ）缩短，从而使模腔内物料密度更趋均匀，收缩更均匀。同时，整个塑件能在较小的注塑压力下充满。而较小的注射压力可减少塑料的分子取向倾向，降低其内应力，因而可减少塑件的变形。B冷却系统的设计 在注射过程中，塑件冷却速度的不均匀也将形成塑件收缩的不均匀，这种收缩差别导致弯曲力矩的产生而使塑件发生翘曲。 如果在注射成型平板形塑件时所用的模具型腔、型芯的温度相差过大，由于贴近冷模腔面的熔体很快冷却下来，而贴近热模腔面的料层则会继续收缩，收缩的不均匀将使塑件翘曲。因此，注塑模的冷却应当注意型腔、型芯的温度趋于平衡，两者的温差不能太大。 除了考虑塑件内外表面的温度趋于平衡外，还应考虑塑件各侧的温度一致，即模具冷却时要尽量保持型腔、型芯各处温度均匀一致，使塑件各处的冷却速度均衡，从而使各处的收缩更趋均匀，有效地防止变形的产生。因此，模具上冷却水孔的布置至关重要。在管壁至型腔表面距离确定后，应尽可能使冷却水孔之间的距离小，才能保证型腔壁的温度均匀一致。同时，由于冷却介质的温度随冷却水道长度的增加而上升，使模具的型腔、型芯沿水道产生温差。因此，要求每个冷却回路的水道长度小于 2m 。在大型模具中应设置数条冷却回路，一条回路的进口位于另一条回路的出口附近。对于长条形塑件，应采用均行冷却回路，减少冷却回路的长度，即减少模具的温差，从而保证塑件均匀冷却。 3 顶出系统的设计 顶出系统的设计也直接影响塑件的变形。如果顶出系统布置不平衡，将造成顶出力的不平衡而使塑件变形。因此，在设计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，以防塑件单位面积受力过大（尤其在脱模温度太高时）而使塑件产生变形。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，应尽可能多设顶杆以减少塑件的总体变形。 用软质塑料来生产大型深腔薄壁的塑件时，由于脱模阻力较大，而材料又较软，如果完全采用单一的机械式顶出方式，将使塑件产生变形，甚至顶穿或产生折叠而造成塑件报废，如改用多元件联合或气（液）压与机械式顶出相结合的方式效果会更好。（4）塑化阶段对塑件曲翘变形的影响塑化阶段即玻璃态的料粒转化为粘流态，提供充模所需的熔体。在这个过程中，聚合物的温度在轴向、径向 ( 相对螺杆而言 ) 的温差会使塑料产生应力；另外，注射机的注射压力、速率等参数会极大地影响充填时分子的取向程度，进而引起翘曲变形。（5）冷却阶段对制品翘曲变形的影响 熔融态的塑料在注射压力的作用下，充入模具型腔并在型腔内冷却、凝固的过程是注射成型的关键 环节。在这个过程中，温度、压力、速度三者相互耦合作用，对塑件的质量和生产效率均有极大的影响。较高的压力和流速会产生高剪切速率，从而引起平行于流动方向和垂直于流动方向的分子取向的差异，同时产生 “ 冻结效应 ” 。 “ 冻结效应 ” 将产生冻结应力，形成塑件的内应力。温度对翘曲变形的影响体现在以下几个方面：a塑件上、下表面温差会引起热应力和热变形； b塑件不同区域之间的温度差将引起不同区域间的不均匀收缩； c同的温度状态会影响塑料件的收缩率。（6）脱模阶段对塑件曲翘变形的影响塑件在脱离型腔并冷却至室温的过程中多为玻璃态聚合物。脱模力不平衡、推出机构运动不平稳或脱模顶出面积不当很容易使制品变形。同时，在充模和冷却阶段冻结在塑件内的应力由于失去外界的约束，将会以变形的形式释放出来，从而导致翘曲变形。 （7）残余应力对塑件曲翘变形的影响在注射成型过程中，残余热应力是引起翘曲变形的一个重要因素，而且对注塑制品的质量有较大的影响。由于残余热应力对制品翘曲变形的影响非常复杂，模具设计者可以借助于注塑 CAE 软件进行分析和预测。在充模阶段，高聚物熔体通过注射机喷嘴，流道和浇口注入模具型腔， 熔体压力在入口处高，在充填末端低；熔体温度在靠近模具壁处低，中心部分高。由于温度、压力的不一致, 熔体在不同的流动层(即厚度方向)的流动速率不同而产生剪切速率，加上高聚物分子链在流动方向上和垂直于流动方向上的取向效应最终引起塑料制件的体收缩。对于充填过程的数值模拟国内外进行了大量的研究。在保压阶段，由于冷却效应，型腔内物料收缩，如果补料不充分，制品未得到充分压实，脱模后引起制品尺寸和形状的变化进而产生翘曲。在冷却过程中, 由于冷却管道分布不合理,制品未得到均匀冷却而产生局部热斑或厚度方向上的非均匀冷却，产生残余热应力，致使制品收缩不均匀进而产生翘曲。Jacques等分析了非均匀冷却的平板的热残应力引起的翘曲。通常，收缩翘曲的问题最终归结于残余应力的研究。注射成型过程中主要有流动残余应力和残余热应力。流动残余应力主要发生在充填过程，而残余热应力发生在温度和压力变化较大的保压和冷却阶段。大量实验研究表明，热残余应力对注射成型制品的收缩翘曲影响远大于流动残余应力。故本文所用到的残余应力是指热残余应力。国内外，对注射成型过程的热残应力的研究较多。江涛等根据样本的热力学分析，给出温度边界条件并建立非等温粘弹本构方程。李海梅等应用有限元方法研究了温度场、压力对注射件残余应力及翘曲变形的影响。张荣语等开发了结晶高聚物的收缩翘曲分析程序。A Kay和O Zend研究了温度对注射成型制件变形的影响并对残余热应力进行了测量。C. A.Hieber和S.F.Shen用有限单元/有限差分法求解了注射成型过程的残余应力并开发了注射成型的收缩翘曲软件。Mat suoka T.等系统研究了成型工艺条件, 如保压压力、注射速度、模具和熔体温度对收缩的影响。上述研究表明,在科学的数学模型下,针对注射薄壁成型过程的特点,对物理模型进行合理简化,利用有限元和有限差分的数值分析法,可求解出较为准确的结果,为指导实际应用提供科学准确的依据。（8）注塑工艺参数对注塑件翘曲变形的影响塑料在塑化过程中，聚合物的温度在轴向和径向（相对于螺杆而言 的差别，会引起塑件在不同方向上收缩的差异并产生温差应力。另外，注射机的注射压力和速率，也会影响充模时的分子取向，进而引起翘曲变形。塑料充入模具型腔，并在型腔内冷却、凝固的过程，是注射成型的关键，在这一过程中，温度、压力、速度三者相互耦合，对塑件的质量和生产效率均有极大影响。在不过量充填下应增大注射压力、时间，增大注射速度，在保持最低限度充料量下减小螺杆转速和背压，降低料的密度。料温是一个重要影响因素。如果料温不够，就聚丙烯而言，其成型温度应为200 300，温度太低则导致强行充模，这将引起分子取向程度增高，会导致制件翘曲变形。较高的压力和流速会产生高剪切速率，从而引起平行于流动方向和垂直于流动方向的分子取向的差异，同时产生“冻结效应” 。分子取向上的差异会引起塑件在不同方向上弹性模量和刚度上的差异。“冻结效应”将产生冻结应力，形成塑件的内应力。该内应力在塑件脱模后将会进一步引起翘曲变形 。料温太高时模具的载热量增大，冷却系统负荷加重，使得制件出模时并未完全冷却，因而热的制件在出模后易受外力和自然冷却作用而变形。模具温度也是一个重要影响因素。制品必须冷却到模具温度以下出模，否则注塑件也会翘曲变形。（9）塑件的收缩机理对曲翘变形的影响注塑件翘曲变形的直接原因在于塑件的不均匀收缩。但有些塑件由于其刚度较大，阻止了变形，其收缩不均匀不以翘曲的形式表现出来，而是作为残余应力存在于塑件内部，这就会影响塑件的力学性能，产生另外一种失效。对翘曲分析而言，收缩本身不重要，重要的是收缩上的差异。注塑过程中，一般收缩只引起注塑件体积上的变化，只有以下情况的不均匀收缩才会引起翘曲变形：件厚度不均匀，造成不同部位冷却时间不一致引起翘曲；加强筋的位置沿塑件厚度方向收缩率不同；分子取向平行和垂直方向的收缩率不同，主要由位置和形状引起。塑件体积收缩、垂直于流动方向的收缩及塑件厚度方向的收缩随着与浇口距离的增加而增加。但平行于流动方向的收缩则随着与浇口距离的增加而减少。显然，体积平均收缩的潜在动力是由于冷却使塑件的温度下降，从而引起体积上的变化。保压压力对收缩也有直接的影响，不同的保压压力对体积收缩有不同的影响，一般随保压压力的增加，体积收缩率将减小。在注塑成型过程中，熔融塑料在注射充模阶段由于聚合物分子沿流动方向的排列使塑料在流动方向上的收缩率比垂直方向的收缩率大，而使注塑件产生翘曲变形。结晶型塑料在流动方向与垂直方向上的收缩率之差比非结晶型塑料大，而且其收缩率也比非结晶型塑料大，结晶型塑料大的收缩率与其收缩的异向性叠加后导致结晶型塑料件翘曲变形的倾向比非结晶型塑料大得多。三 曲翘变形的研究1翘曲变形的产品设计方法学研究翘曲变形的产品设计方法学研究，最开始是根据实际生产经验，从定性角度分析影响注塑制品翘曲变形的因素，探讨减少翘曲变形的方法。后来才发展到将工程优化设计方法用于注塑成型工艺中，力图设计出优化的塑料产品和模具，选用合适的成型工艺条件，以达到最大程度减少翘曲变形的目的。从七十年代开始，N.C.Baldwin从产品、模具设计及注塑成型工艺角度，定性探讨减少翘曲变形的方法。他指出，不正确的产品设计所导致的翘曲是最严重的，几乎不可能通过成型工艺条件来修正，不均匀壁厚、筋板、浮雕等都能引起不均匀收缩，从而导致制品翘曲;在模具设计中，无论是对何种材料，最重要的影响因素是模具浇口大小和位置;在成型工艺条件选取方面，不均匀压力分布和温度分布也能导致翘曲变形。八十年代中期，K.B. Spatola在实际生产中发现，塑料材料的结晶程度越高，越容易发生翘曲变形，而无定型塑料材料如PC等在成型过程中则不易发生翘曲;在流动过程中，平行于流动方向取向比垂直于流动方向的取向要大，从而导致各向异性收缩和翘曲变形，并根据这些原则对塑料进行改性，以减少翘曲变形程度。九十年代初，MOLDFLOW公司的C.Austin分析了注塑制品产生翘曲变形的原因，并从塑料材料选择(主要考虑结晶性能、取向性能、成型收缩性能)、注塑产品设计(主要指壁厚)、注塑模具设计(包括浇口位置和流道尺寸、冷却流道尺寸与布置)、注塑成型工艺条件选取等方面探讨减少翘曲变形的方法。九十年代末，有学者开始采用工程优化设计思想来设计塑料产品和选择成型工艺B.H.Lee在设计注塑制品时，首次打破制品壁厚应尽可能均匀的不成文规矩。他认为，在预定的尺寸误差范围内，有意改变壁厚，是减少翘曲的一种方法，并利用基于正交试验和信噪比分析原理TAGUCHI方法，将不同壁厚看作可控制的设计因素，而将注塑时间、熔体温度、冷却问题等工艺变量看成噪声因素，得到不同壁厚因子组合的制品壁厚，且对每种壁厚模型，采用差异分析法，获得最优壁厚和最佳工艺设置。在此基础上，R.Sahu, Dongang.Y和B.Kim突破了传统设计方法中先给定产品几何形状，通过反复试差，在一定范围内选择变量的定性思维。为了研究不均匀收缩而产生的翘曲变形，他们将壁厚、充模时间、保压时间、熔体温度、模具温度、保压压力作为优化设计的设计变量，采用基于优化的基因算法和TAGUCHI法求解减少翘曲变形的优化问题，并给出注塑制品的理想厚度和体积。2翘曲变形的试验研究与产品设计方法学研究不同，翘曲变形的试验研究是通过大量试验，获取原始试验数据，分析试验现象，从中挖掘试验规律，以了解塑料材料、产品和模具机构以及注塑成型工艺参数对翘曲变形的影响程度与趋势。从九十年代开始，许多学者陆续采用试验方法研究结晶型和无定型塑料、注塑成型工艺条件与翘曲变形之间的关系。W.Discipio, A.Wagle, S.P.Mccarthy研究了塑料冷却、分子取向松弛和结晶性能(对结晶材料)所造成的收缩，将收缩/翘曲特性与材料热膨胀系数联系起来，并认为收缩/翘曲结果依赖于分子和纤维取向、压力和温度分布、残余应力等的正确预测。C.S.Lee, A.Dubin, K. Sarkar等试验研究了不同材料和壁厚平板的收缩和翘曲特征。试验表明,无论采用何种材料，薄板的翘曲比厚板要大得多，而厚板的翘曲相对较小;并且玻璃增强塑料薄板的翘曲比各向同性塑料薄板的翘曲大。D. W.Radford和R.J.Diefendort研究了复合材料在成型和使用过程中的变形，发现了结晶型复合材料薄板，在成型过程中会发生翘曲变形，在使用过程中随着环境温度变化，将会继续变形;并提出基于层状薄板理论预测制品形状变化的数学模型。V.Leo和C.Curelliez试验研究了浇口几何形状、保压参数和模具弹性对制品最终尺寸的影响。后来，试验研究拓宽到研究材料的纤维定向对制品翘曲的影响。H. Kikuchi和K.Koyama重点研究了33%玻璃增强纤维PA“注塑磁盘增强比率、线性然膨胀系数各向异性、制品厚度与翘曲之间关系，并发现:(1)线性热膨胀系数各向异性决定了注塑磁盘翘曲模式，也是控制翘曲变形的重要参数。(2)薄壁磁盘翘曲明显而厚壁磁盘不易翘曲，且翘曲大小与测量翘曲时的温度有关。同时，还提出了材料力学参数与各向异性之间的线性关系经验公式。E.J.Fahy则基于相似理论，构造相似试验模型，研究增强塑料圆形翘曲变形机理，他们认为磁盘发生拱形或马鞍形变形的原因是由于平面内热膨胀系数的各向异性(由磁盘在径向和切向上纤维不同取向程度所引起的)，并提出相应的试验公式。3翘曲变形的理论研究随着注塑成型工艺基础研究的不断发展，研究人员开始注意从理论上来研究翘曲变形机理及预测方法。从现有己发表的文献来看，比较成熟的理论是:翘曲变形与不均匀的收缩有关，由于收缩的不均匀而导致应力分布的不均匀，从而导致翘曲的发生。因而许多学者从研究不同塑料在不同工艺条件下的收缩行为入手，分析收缩与制品翘曲之间的关系。早期的研究工作主要集中于研究各种工艺条件与注塑制品收缩之间的关系。七十年代后期，W.G.Haisitend, J.R.Rinderie和N.P.Suhf33在注塑模具设计中仅考虑压力、温度、体积三者关系，根据塑料P-V-T试验图分析可能产生的体积收缩，并采用变体积法对收缩量进行补偿。R.G.Egbers和K.G.Johnson首次对不同牌号HDPE在不同冷却时间、模具温度、熔体温度和注射压力下，采用不同浇口尺寸测试其收缩情况，得出80%收缩与制品厚度和浇口尺寸有关，20%收缩与成型条件有关的结论。GP.Hebert和L.P.Salloum通过试验测量PMP在充填30%纤维是温度变化对收缩的影响，并用统计法总结出收缩与制品及模具温度之间的关系。八十年代中期，收缩研究已经由定性分析发展到提出简单经验模型的阶段。W.B.H.Nievelstein和Gmenges着重研究保压压力、模具温度、制品厚度、熔体流动方向对收缩的影响，并采用线性叠加原理获得预测收缩的经验模型。G.Salloum,D.Charland和B.Sanachgrin通过大量试验，发现影响收缩大小的工艺参数依次是保压压力、冷却时间、模具温度、最大注塑压力、熔体温度、收缩与成型参数呈线性关系，建立了磁盘和平板的收缩模型。J. Shoemaker,R.Allan和P.Engelmann研究了均匀壁厚制品和变壁厚制品的收缩均匀性，并通过优化保压过程来减少收缩量。B. Sanschagrin, S.Rivard, L.P.Hebert和P. Girard39着重研究纤维增强材料的收缩性能，提出了预测纤维增强材料的收缩模型。试验表明:影响增强纤维材料轴向收缩和横向收缩的因素有保压压力、注塑速度、熔体温度、模具温度及增强比例，其中最重要的是增强比例，其次是保压压力和模具温度。E.C.Bemhardt介绍了Tmconcept公司收缩评估软件，该软件考虑了成型工艺条件、流动取向、模具外形等影响收缩的主要因素，并认为仅用P-V-T数据的简化收缩模型计算涉及诸如取向、各向异性等影响因素的复制品的收缩是不正确的。Boudreaux E和Ford A.G41.421分别研究了不同注塑温度、模具温度条件下PMP和增强型PMP制品的收缩，并采用统计方法提出了与材料特性、模具结构、制品几何形状、工艺条件有关的收缩试验模型。到八十年代末期，许多学者开始利用收缩研究成果分析注塑制品翘曲变形。Thomas和Mccfery最先在注塑流动、保压、冷却模型基础上提出了预测翘曲变形的模型。该模型考虑到材料体积收缩、应力松弛和取向，通过试验和线性回归方法获得制品收缩与这些影响因素之间的关系。然后在收缩预测的基础上，通过结构分析程序计算翘曲变形。九十年代初，澳大利亚MOLDFLOW公司对许多材料在改变流动速度、保压压力、保压时间、模具温度、塑料充填时间、制品厚度等参数条件下，测量制品收缩大小，并根据测试结果，归纳了影响制品收缩的因素，包括体积收缩、结晶程度、应力松弛和取向效应。在此基础上， Walsh提出了能考虑更多基本变量(体积收缩、结晶性能、模具限制、塑料取向等)的收缩预测方法，并利用流动和冷却分析结果预测收缩应变。S.F. Walsh和P.Kenndday等在收缩预测基础上，将收缩应变输入通用结构分析程序，通过线性或非线性分析计算翘曲变形。与MOLDFLOW公司不同，美国AC-tech公司主要从四各方面分析收缩/翘曲成因，包括不均匀冷却、不均匀面内密度分布、取向效应和角隅/边缘效应，并在流动、保压、冷却分析基础上，利用有限元分析软件计算翘曲变形。由于其产品C-MOLD是基于P-V-T图计算体积收缩，为了提高精度，后来采用了“等效P-V-T”数据和结晶动力学来测量塑料材料特性，该方法能大大提高收缩预测和翘曲变形模拟精度。如今，绝大多数商用化注塑分析软件采用收缩/翘曲分析模型。4翘曲变形研究方法的比较以上总结的三种研究翘曲变形的方法各有特点，各有优劣，并可互为补充，产品设计方法学将工程优化思想用于产品设计、模具设计和成型工艺参数选择上，以减少翘曲变形。其核心是把影响制品翘曲变形的主要因素作为设计变量，以最小变形作为设计目标，对产品、模具和工艺条件进行优化设计。但是，为减少设计变量维数，往往只考虑最重要的几个因素而忽略其他因素，这将使优化结果有偏差，更为重要的是，不能在模具设计阶段预测翘曲变形。试验方法则往往局限于某一特定几何形状、特定材料和工艺条件，不能全面考虑诸多因素对翘曲变形的影响，试验结果本身也很难大范围地推广利用。但是试验方法能研究翘曲变形的成型机理，以指导实际生产，并且是验证数值模拟软件可靠性的重要手段，以帮助提高模拟软件的分析精度。与此同时，由于注塑成型基础研究的进步和相关学科的迅速发展，使越来越多的学者开始从理论上研究翘曲变形机理，又因为收缩/翘曲机理研究开展的较早，因而在理论上较其它机理成熟得多，因此应用广泛。是目前最主要的翘曲变形理论。5翘曲过程模拟基本原理由于翘曲变形与模具塑件的结构、材料的特性及注射成型的工艺条件和过程参数均有较大的影响。因此完整、严格的翘曲分析软件必须综合考虑上述各种因素及影响。注塑模CAE技术的发展为严格的翘曲变形分析提供了有力的工具:利用CAE技术己实现了注塑模的流动，填充及压实和冷却的分析和模拟;计算机图形学的发展已可以完成复杂塑件的实体造型及输入网格划分等;翘曲变形的测试手段和技术得到了较大的发展。正因如此，对成型塑件翘曲变形及应力的分析已在CAE领域引起了广泛的重视和研究热情。美国AC公司(2000年已被MOLDFLOW公司收购)、澳大利亚MOLDFLOW公司以及日本丰田R&D实验中心等越来越倾向于采用对注射成型过程的集成模拟来预测翘曲变形。由于注塑制品一般是薄壁板壳结构，考虑温度影响及材料各向异性，其应力与应变的关系可表示为式中应力矢量；弹性矩阵，由弹性模量，剪切模量及泊松比组成；弹性应变矩阵；热传导系数；温度差；收缩引起的应变矩阵；由剪切流动引起的初始应力。对热传导方程，采用每个结点六个自由度的三角形板单元的有限元分析方法，在己知塑件上、下表面的温度差及塑件的温度场分析，以及各向异性的材料的力学性能，塑件的收缩率及由剪应力引起的初始应力的条件下，可通过求解上述方程来实现翘曲的预测和模拟。由热传导方程可见，要实现翘曲分析，需要完成下列准备工作:对模具和塑件进行温度场分析，计算模具型腔表面和塑件上、下表面的温度及温度差。在这里可采用二维、三维有限元或边界技术对模具温度场进行计算和分析，塑件的温度场计算只需通过一维瞬态热传导方程的有限差分计算就能实现;对注射成型的流动及填充过程进行分析，计算出熔体的温度、型腔的压力熔体的流动速率、剪切速率及应力分布，以及分子的取向。这一阶段分析常采用不可压缩的非等温牛顿流体流动的He 1 e-Shaw模型，其控制方程为:对注射成型的压实过程进行分析，计算出型腔内的压力和温度的分布，以及塑件熔体的密度、流动速率、壁剪切应力和体积收缩的分布情况。在压实分析中，通常采用的数学模型是可压缩的非牛顿流体流动的He 1 e-Shaw模型。这一模型与填充过程不同之处在于此时熔体是可压缩的，其密度是温度和压力的函数，此时控制方程可表示为:对纤维取向的分析:注射成型的制品的纤维取向对制品的力学特性有较大的影响。分子取向的不同导致了塑件力学特性上的差异。塑件的纤维取向与注射成型过程及保压密切相关。对取向的分析，目前广泛采用Jeffery模型、Folgar模型和Tucker模型，控制方程可表示为：利用填充和压实分析结果，用有限元求解的控制方程，即可得到纤维取向的分布。考虑到沿塑件壁厚方向层与层之间的取向是不同的，对纤维取向的计算往往分为塑件表面的取向、中间层的取向和中心层的取向;力学特性分析:塑件的力学特性如弹性模量、剪切模量、热传导系数等，可通过纤维分布函数来计算，弹性模量E,剪切模量G的计算可分为三步:首先计算单层单向纤维的力学特性，然后计算表层、中层及两中心的力学特性，最后利用层状薄板理论计算制品的力学特性。在完成以上五个方面的准备工作后，有机地把这几个方面结合起来，通过对注射成型过程集成分析的方法，就可以实现对注塑过程的翘曲分析。整个翘曲分析过程可用下图表示。前置处理:材料与工艺参数选择;浇注系统选择;冷却系统选择;注塑全过程模拟:填充分析;保压分析;冷却分析;纤维取向分析;应力/翘曲分析:应力计算;翘曲量计算;6收缩/翘曲的研究由于翘曲变形与不均匀收缩有关 ,许多学者从研究不同塑料在不同工艺条件下的收缩行为入手 ,来分析收缩与制品翘曲的关系。Thomas , N. Mccffery 在注塑流动、 保压、 冷却模拟的基础上 ,通过实验和线性回归方法 ,提出了预测注塑制品收缩的模型 ,在收缩预测的基础上 ,通过结构分析模拟程序计算出制品的变形。澳大利亚 MOLDF LOW公司对很多材料在改变流动速度、 保压压力、 保压时间、 模具温度、 塑料充模时间、 制品厚度等参数的条件下 ,测出制品的收缩。 根据测试结果 ,将制品的收缩分为四个部分:体积收缩、 定向引起的不均匀收缩、 不平衡冷却引起的不均匀收缩。在此基础上 ,Walsh提出了能考虑更多基本变量(体积收缩、 结晶含量、 模具限制、 塑料取向等)的收缩预测方法 ,利用流动和冷却分析结果来预测收缩应变。 Walsh、Peter等在收缩预测基础上 ,计算制品翘曲。 利用已求出的收缩应变 ,将收缩应变输入结果分析程序 ,等效成节点载荷后 ,通过线性或非线性分析可得到制品的翘曲变形 ,同时可以分离出影响特定塑料制品翘曲变形的主要因素和次要因素 ,对实际有很大的指导意义。由于影响收缩的因素很多 ,理论上很难预测收缩 ,所以大部分工作都是基于实验研究 ,根据实验结果提出实验收缩模型 ,然后计算翘曲变形。7 应力/翘曲的研究 塑料熔体在成型过程中 ,由于取向、 收缩的不均匀 ,导致内应力的不均匀 ,所以制品出模后 ,在不均匀内应力的作用下 ,发生翘曲变形。 因此 ,许多学者从力学角度分析、 计算制品的内应力和翘曲。在注塑成型冷却阶段 ,当温度高于玻璃化转变温度时 ,塑料是粘弹性流体 ,并伴有应力松弛现象;当温度低于玻璃化转变温度时 ,塑料变成固态。 塑料在冷却过程中的这种液2固相转变和应力松弛 ,对准确预测制品残余应力和残余变形很有影响。 Osswald 在预测压塑模零件的翘曲时 ,提出了32D弹性相转换模型。 Matsuo2ka 等采用了一简单弹性模型 ,结合对注塑成型过程的集成分析 ,预测了增强型纤维塑料制品的翘曲。 Chiang等既采用了基于 LRW 模型 ,又采用了纯流体弹性模型 ,预测注塑制品的收缩和翘曲。 K abanami 和 Crochet ,采用了32D粘弹模型来预测注塑制品的残余应力和最终形状。 Shih2 Jung Liu ,考虑了冷却阶段塑料由液态变为固态的相转换和应力松弛行为。 对未固化的区域 ,塑料呈现粘性行为 ,用粘性流体模型描述 ,对以固化的区域 ,塑料呈粘弹行为 ,用标准线性固体模型来描述。 文中采用粘2弹相转换模型和二维有限单元法来预测热残余应力和相应的翘曲变形。塑料的结晶性能对制品的残余应力、 翘曲变形也有影响。 其中较为成熟的方法是 R. Y. Chang 和 B. D.Tsaur所采用的 ,他们用改进的 TAIT方程来描述结晶塑料的压力 体积 温度关系 ,用 MALKIN 结晶动力学描述塑料的结晶行为 ,用线性热粘弹模型计算流动残余应力和热残余应力 ,计算出的残余应力作为固体力学分析的初始条件 ,用三维有限元法来计算出翘曲。并用上述方法对结晶型塑料 POLYPROPY LENE和无定形ABS平板的收缩、 翘曲和沉点进行预测 ,且对其结果进行了比较。 许多学者研究了因不良模具设计或工艺成型而导致的不均匀冷却所产生的热翘曲变形。Bushiro 和 Stokes以名义变量的方法来研究自材料参数到工艺参数等一系列广泛的参数对匾状制品翘曲的影响。 假设材料是热流变学上简单的热粘弹材料 ,且忽略流动影响 ,用无定形热塑性塑料熔体层在平行冷板间的固化来构造注塑成型中制品翘曲的机理。Jacques模拟了无定形塑料平板由于不均匀冷却而造成的热翘曲。 在采用一维有限差分分析注塑成型的传热过程后 ,将制品分为多层 ,根据各层的温度不同 ,计算经过玻璃化转变后的应力 ,通过采用纯弯曲理论计算出翘曲。 这种方法可以分析简单制品受到热应力作用下的翘曲变形。Tamma 等人分别采用传统有限元法和无限单元法分析制品的传热 ,并用梁的弯曲理论计算由温度变化而导致的热残余应力和翘曲变形。 Bushro 和 Stokes 假设塑料为热粘弹性材料 ,用无定形热塑性塑料熔体层在平行冷板间的固化来构造制品的收缩和翘曲机制 ,并由此计算注塑成型的热残余应力。 Takaaki Matsuoka等通过采用三维薄壁注塑件的几何模型 ,将模具冷却、塑料充模 保压 冷却、 纤维定向、 材料特性和应力分析集成后 ,预测翘曲。 Hiroyuki K ikuchi 和 K iy ohito K oya2ma 采用有限单元法来计算翘曲 ,首先求出熔体的流动场和纤维定向后 ,再求出热应力 ,最后利用非线性结构分析软件MARC来计算翘曲。郑州工学院的申长雨等几位学者提出了翘曲变形系数的概述 ,主要考虑温度不均匀分布引起翘曲变形 ,并采用数值计算方法计算出了翘曲变形系数。 而后 ,采用弹性小变形理论、 有限单元法计算温度应力 ,利用大连理工大学的结构分析程序来计算出翘曲大小。 西北工业大学的吴建军等人用一维粘弹性本构方程求解了塑件的残余应力 ,用悬臂梁理论求解了制品的变形。 华中理工大学的卢义强博士用薄板理论分析制品的翘曲变形 ,将制品的面内变形看作平面应力问题 ,将侧向变形看作薄板弯曲问题 ,两类变形叠加后 ,采用平面问题及薄板弯曲问题的有限元法计算制品在三维空间坐标内的变形。也有学者同时考虑了保压过程中保压压力对塑料的取向、 歼余应力的分布、 制品最终变形的影响。 K a2banemi、Crochet 等 ,提出了一真三维方法来计算残余应力和最终形状(收缩和翘曲) 。 他们考虑了保压阶段的影响 ,将制品分成三层 ,由三维网格来分析残余应力和变形。 在此方法的基础上 ,K abanemi、 Vailancourt 等作了改进 ,提出了在保压阶段以后所引起的残余应力和变形的数值模拟模型。 计算残余应力时 ,采用了热粘弹模型(包含体积松弛) 。 其采用的有限单元法是基于由平面单元集合而成的壳层理论 ,该理论正适用于形状复杂的薄壁注塑制品。应力/翘曲变形的研究以其比较完善的力学理论背景 ,在近几年得到了迅速发展 ,开发基于制品内应力的三维翘曲变形分析软件是目前许多科研机构的重点研究方向。四 翘曲变形的解决方法从以上分析可以看出，注塑件的翘曲变形与注射成型过程的诸多因素有关，而且主要是由收缩不均匀和内应力释放这两个因素产生的。因此要解决注塑件的翘曲变形问题，应综合考虑上述各种因素，并根据每个塑胶件的自身特点，找出其中的主要因素，以此来寻找解决的途径。下面以新60 柜机面板为例来探讨注塑件翘曲变形的解决途径。面板变形如图3 所示。从塑件的变形情况分析，其变形是由于产品结构和内应力造成收缩不均匀引起的。在对注塑工艺参数进行反复调试时可以看出，工艺参数对其变形程度影响不大，如更改产品结构，由于模具已经成型，难以找到好的方案，并且费用高。同时结构更改不可以引起外观和装配的变化。开始是采用整形处理，但由于变形太大，整形效果不理想，难以满足生产要求。对于像进风面板这样的大型零件，浇口的位置、数量是影响零件质量的关键，此时要设计出满意的浇注系统，单以人的