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产品变形分析 技术工艺部2011年05月 魏邦科 注塑件外观问题浇口晕 雾斑 银纹 喷流痕 波纹 缩痕 浮纤 虎皮纹 熔接痕 气孔 拉毛 顶伤 飞边 成形不足 烧糊等 注塑产品变形问题注塑产品尺寸精度 注塑产品常见问题 一 常见注塑件变形对洗衣机外观 装配的影响二 变形原因简介三 变形的预防及解决方案四 CAE分析 Moldflow 在解决产品变形中的运用1利用Moldflow分析预测抓手理论变形量2利用Moldflow分析预测13KG抓手理论变形量及变形改善3Moldflow模流分析辅助解决空气净化器前盖变形问题 目录 一变形对洗衣机外观 装配的影响 注塑件变形是塑料制品常见的缺陷之一 严重影响产品的外观和装配效果 翘曲变形导致产品外观不够挺拔 缺乏质感 影响产品装配视觉效果 空气净化器前盖翘曲变形导致产品装配间隙不均匀 部件与部件存在断差 抓手翘曲变形导致抓手和玻璃盖板粘接不牢 严重影响产品品质 滚筒前桶产品头部翘曲变形导致密封圈和不锈钢内桶间隙太小 密封圈和不锈钢内桶产生磨损 严重影响产品使用安全 二产品变形原因简介 变形 由于产品内部收缩不一致导致内应力不同引起变形 注塑制品的形状偏离了模具型腔的形状X y方向变形 收缩 Z方向变形 翘曲变形 1温度 压力 速度等因素的相互影响 注射速度恒定 充填压力随模具中的抗力的增大而增高 在充填结束时出现注塑压力的峰值 由于此高压在模具型腔内的作用 在塑件内部便产生了内应力 塑件在冷却过程中 残留的内应力就释放出来导致翘曲变形 2不平衡的温度分布和流动形式是导致制品残余应力的两个主要因素3对于薄壁制品 主要为流动残余应力 对于厚壁制品 主要为热残余应力 4热残余应力比流动残余应力大一个数量级 从热残余应力分布可以大致推算制品翘曲变形的程度 因此工程中主要考虑热残余应力对注塑件质量的影响 影响注塑残余应力的因素较为复杂 在不考虑流动残余应力的条件下 注塑件的残余应力主要由温度分布 固液界面位置和压力历史决定 残余应力 流动残余应力 热残余应力 流动残余应力 由于塑料熔体在模腔中做非等温流动形成的剪切应力 在快速冷却过程中来不及完全松弛不同流动造成局部结晶度高 与其他部位相比 分子排列更紧密 分子之间的相互作用力加大 致使这里的密度 刚性和强度都增加 而这种物理和机械性能的不均匀 导致制品在成型之后产生残余内应力 热残余应力 在冷却过程中 内部温度分布不均匀 冷却层由表层向内部逐步推进 在制品厚度方向上不可避免地产生不一致的应力 成为热残余应力 引起翘曲的根本原因 收缩不均 各向异性 冷却不均 收缩不均 引起翘曲的主要因素 模具 产品翘曲变形需要考虑的几个主要方面 材料 产品 注塑机 工艺 冷却水路的合理布局 合理设计浇口形状 运用产品预变形技术 三变形的预测及改善 利用CAE 模流分析 预测并改善产品变形 模具顶出平衡 合理调整温度 压力 速度等工艺参数 采用气辅等先进成型技术 利用Moldflow理论分析预测 结合实际经验不断优化产品结构 材料弹性模量 材料 产品 强度PP ABS PC 镁合金 塑料价格PP PS 材料选择 材料选择 塑料材料的热物理性能 不同材料翘曲趋势不同 三洋 洗涤剂抽屉由于结构设计比较单薄 存在一定的翘曲变形 影响产品装配视觉效果 松下 洗涤剂抽屉结构设计合理 不存在翘曲变形 产品比较挺拔 产品装配视觉效果好 产品设计 产品设计结构不合理 壁厚和结构形式等导致结构强度较弱 产品壁厚不均匀等造成产品收缩不均匀 残余应力大 残余应力大克服了零件的強度 就会发生翘曲 甚至开裂 产品设计 拔模斜度 Draft 太小拔模斜度太小 产品顶出不易 勉强顶出 就会发生翘曲 甚至开裂 嵌件有嵌件时 应充分预热后使用 或选择膨胀系数接近塑料的锌 铝以代替铜 铁 否则冷卻时 会因为塑料收缩大 金属收缩小而使得塑料开裂 制品含锐角锐角使得应力集中 产品设计 模具设计 模具冷却设计 动 定模温差大 因冷却产生的热残余应力在制品厚度方向上不对称 会导致制品翘曲利用CAE分析 模温太低模温太低 残余剪切应力大 又沒有足够的时间将残余剪切应力释放 容易翘曲 模温可从材料厂商的建议值开始设定 每次调整的增量可为6 C CAE应用 模具设计 流道 浇口设计浇口的数目或位置设计不合适 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 流阻太大 提高注塑压力 残余剪切应力大 容易翘曲 浇口附近压力高 塑胶体积收缩率小 流长太大 上下游体积收缩率差异大 残余剪切应力大 容易翘曲 参考材料厂商的建议 采用适当的流长对厚度比 利用CAE分析 模具设计 顶出设计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 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 换顶杆为顶块就是这个道理 模具设计 预变形处理预变形处理应用背景变形数据的测量变形数据来源 既可以对注射样件进行测量 也可以借助有限元软件分析计算 前者数据可靠 但成本较高 后者成本低 但数据的可靠性取决于有限元软件的分析精度 变形预测是用来定性的 而非定量的在成型物料与注射工艺条件都确定的情况下 变形预补偿不失为改善注射制品质量的一种有效方法 模具设计 注塑成型过程简单描述 成型工艺对变形影响 工艺参数对制品收缩的影响 保压压力对产品收缩影响 保压时间对产品收缩影响 模具温度对产品收缩影响 注射温度对产品收缩影响 注射压力对产品收缩影响 剪切流动是熔融流体在外力下的相对滑动 1 剪切流动 ShearFlow 剪切率是熔融流体剪切流动的速率 2 剪切率 ShearRate 剪切应力是熔融流体剪切流动的抵抗力 高粘度造成高剪切应力 3 剪切应力 ShearStress 剪切流动 剪切速率 剪切速率分布不均匀会使熔体各处分子产生不同程度的取向 因而收缩不同 导致制品翘曲 剪切应力shearStress黏度viscosity剪切速率shearrate 剪切应力 料管温度 喷嘴温度 熔胶温度温度太低 成型困难 加大压力 残余剪切应力大 又没有足够的时间将残余剪切应力释放 容易翘曲 料温的设定可参考材料厂商的资料分段设计 可用MOLDFLOW模拟分析 注射温度对变形影响 较高的压力和流速会产生高剪切速率 产生高的残余应力 容易翘曲 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 注射机的注射压力会极大地影响充填时分子的取向程度 进而引起翘曲变形 减少翘曲 注射压力在可行范围内调到最低 分段设计 可用MOLDFLOW模拟分析 注射压力 速度对变形影响 当熔胶前沿速度在型腔内的变化大 产品表皮层的分子和纤维取向以及残余应力的变化也大 容易翘曲 分段设计 调整螺杆速度行程 Stroke 曲线 熔胶前沿在型腔內以等速推进 直到型腔填满 可用MOLDFLOW模拟分析 螺杆速度 充填时间或射出时间太短或太长 都需要较高的射压完成型腔的充填 射压高 产生高的残余应力 容易翘曲 可用MOLDFLOW模拟分析 找出最佳的充填时间 射出时间 保压压力和保压时间 保压压力过高 因补料而固化的流动残余应力高 同时塑料的压应力也高 应力易于释放 形成制品翘曲变形 保压压力太低 浇口附近会发生回流 不仅形成流动残余剪切应力 而且会形成大的体积收缩率差异而产生高的残余拉 压应力 使制品翘曲变形 保压时间短 螺杆回退时浇口附近会发生回流 形成大的残余应力 因此 保压压力要适中 保压时间延长至浇口凝固为止 可使产生的残余应力较小 可用MOLDFLOW模拟分析 保压时间设置 最简单的获得最短保压时间是开始设置一个较长的保压时间 然后 逐步减少直到出现缩痕的现象可以利用下图获得更精确的保压时间 根据图中制品重量和保压时间关系曲线 得到浇口或制品凝固的时间在9秒之后 保压时间对于零件的重量没有影响 这就是最短的保压时间 停留时间不当停留时间太短 熔胶温度低 即使勉強将型腔填满 保压时还是无法将塑胶压实 冷卻时回旋空间太大 容易翘曲 射料对料管料之比应在1 1 5和1 4之间 冷却时间不当当冷却时间太短 塑料尚软 若被顶出 在沒有约束的狀況下收缩 容易翘曲 合适的冷却时间 型腔是最好的治具 Fixture 提供最合身的约束 缓充不够缓充不够时 型腔內的塑胶填压不足 塑胶在相对疏散的情況下冷却 冷卻时回旋空间太大 容易翘曲 螺杆推到底后 至少停留原处2秒 以保持缓充 缓充最少要有3mm长 Moldflow在解决产品变形中的运用 变形翘曲的原因主要有三个方面 冷却不均收缩不均纤维取向 每种因素所产生的翘曲方向及大小都是不一样的 按照分析结果有针对性的进行优化调整 冷却不均 产品内外表面的冷却不均 导致产品产生翘曲 减小此翘曲的方法是使公母模的冷却均匀 解决方法 调整冷却水管排布调整冷却液温度在积热的地方加强冷却 塑料在冷却过程中的收缩比率跟材料的冷却速度相关 冷却速度快 材料收缩率较小 冷却速度慢 材料收缩大 此处冷却不均是指产品厚度方向上不同层之间的温度差 上表面收缩大于下表面 产品中间下凹 下表面收缩大于上表面 产品中间上凸 收缩不均 产品各区域收缩不均导致变形 解决方法 调整保压曲线修改产品设计改变冷却也影响收缩 产品不同区域的收缩大小不一 所以不同区域之间产生内应力 致使产品产生翘曲 中间收缩大于四周 产生马鞍形翘曲 四周收缩大于中间 中间下凹或凸起 纤维因素 由于在塑料中加入纤维 使材料的收缩特性发生改变 纤维的取向对产品的翘曲影响很大 纤维一般按流动方向取向 解决方法 改变纤维的取向 更换浇口位置修改产品设计 塑料分子为长链状 在高温状态下 沿分子链方向可以弹性收缩 所以沿分子链方向比垂直方向收缩要大 玻纤是刚性的无机物 在纤维方向几乎是不可收缩的 纤维和纤维之间的收缩较大 塑料分子 纤维 波轮伊莱克斯系列产品盖板抓手变形预测 盖板抓手为ABS注塑成型 有三个型号 520 6KG 7KG 产品结构完全一样 长度有所变化 模具结构 进胶方式和冷却 一样 模具充填时间为2 1S 充填顺畅 蓝色为先充填 红色为后充填 模具采用一模两腔 1点大水口潜伏式进胶 冷卻水入口与出口溫度之間的差异在2 以內 无过载现象 总变形量分析预测 7KG抓手 520抓手 6KG抓手 利用Moldflow分析可以发现总变形量随着产品长度增加而加大 见下表 X方向变形 利用Moldflow分析可以发现产品长度和X方向变形量的变化情况 见下表 520抓手 7KG抓手 6KG抓手 Y方向变形 利用Moldflow分析可以发现产品长度和Y方向变形量的变化情况 见下表 7KG抓手 520抓手 6KG抓手 Z方向变形 利用Moldflow分析可以发现产品长度和Z方向变形量的变化情况 见下表 520抓手 7KG抓手 6KG抓手 冷却引起变形 因不均匀冷却导致的产品最大变形量为0 9mm 不均匀冷却导致的产品最大变形量为0 7mm 520抓手 因不均匀冷却导致的产品最大变形量为0 9mm 6KG抓手 7KG抓手 利用Moldflow分析可以发现三个产品因不均匀冷却导致的产品最大变形量 见下表 收缩变形 利用Moldflow分析可以发现三个产品因不均匀收缩导致的产品最大变形量 见下表 因不均匀收缩导致的产品最大变形量为1 4mm 520抓手 7KG抓手 因不均匀收缩导致的产品最大变形量为2 0mm 因不均匀收缩导致的产品最大变形量为1 6mm 6KG抓手 伊莱克斯系列产品抓手变形分析结论 通过以上分析可知 在产品结构完全相同的情况下 随着产品长度的增加 产品的变形也相应有所增大 该产品在生产中实际变形量1 2mm 和理论分析基本吻合该系列机型盖板也是ABS注塑成型 连接方式 螺钉连接 由于二者均为塑料件且采用螺钉连接 对变形的技术要求低 产品虽然变形较大 但不影响正常装配 所以生产时不需要过多关注变形问题 便于生产控制 降低生产成本 通过模流分析可以预测伊莱克斯系列三个产品抓手最大变形量 如下 模流分析预测13KG抓手理论变形量及变形改善 模具采用一模两腔 单点大水口转冷流道进胶V P转换时间2 37S 产品填充填至99 V P切换压力为30 12MPa 冷卻水入口与出口溫度之間的差异在2 以內 无过载现象 13KG抓手流道 冷却设计 模流分析预测13KG抓手理论变形量及变形改善 充填条件 模具温度 50 熔体温度 230 注射时间 2 42S保压时间 8S注射所需最大压力 30 12MPa充填过程中最大锁模力 198 5T 边界条件 保压曲线 13KG抓手Moldflow模流分析 Moldflow分析预测13KG抓手产品理论变形量 冷却引起变形 上图显示为产品不均匀冷却原因导致的产品变形情况 分析结果显示 因不均匀冷却导致的产品最大变形量为0 37mm 收缩变形 上图显示为产品因不均匀收缩原因导致的产品变形情况 分析结果显示 因不均匀收缩导致的产品最大变形量为2 69mm 分子配向变形 上图显示为产品因分子配向原因导致的产品变形情况 分析结果显示 因分子配向原因导致的产品最大变形量为0 00mm 13KG抓手变形 通过上述模流分析可以知道 产品理论总变形量为0 17 2 78mm 因不均匀收缩导致的产品最大变形量为2 69mm 因不均匀冷却导致的产品最大变形量为0 37mm 因分子配向原因导致的产品最大变形量为0 00mm 可见产品变形主要是由于产品各方向收缩不均匀引起的 产品各区域收缩不均导致变形 解决方法 修改产品设计 壁厚差异 熔胶流动是否平衡等 模具浇注系统设计模具冷却系统 改变冷却 注塑工艺 调整保压曲线等 13KG抓手变形改善方案 可见产品变形主要是由于产品各方向收缩不均匀引起的 而影响注塑件收缩的因素很多 车间通过工艺调整批量生产后验证变形可以控制在0 3 0 8mm 较高的压力和流速会产生高剪切速率 形成塑件的内应力 产生高的残余应力 容易翘曲 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 减少翘曲 注射压力在可行范围内调到最低 降低注射压力和速度 调整保压压力 时间 保压压力过高 因补料而固化的流动残余应力高 同时塑料的压应力也高 应力易于释放 形成制品翘曲变形 保压压力太低 浇口附近会发生回流 不仅形成流动残余剪切应力 而且会形成大的体积收缩率差异而产生高的残余拉 压应力 使制品翘曲变形 保压时间短 螺杆回退时浇口附近会发生回流 形成大的残余应力 因此 保压压力要适中 保压时间延长至浇口凝固为止 可使产生的残余应力较小 其他 模具温度低 残余剪切应力大 若没有足够的时间释放残余应力 容易翘曲 提高模温 可以减少翘曲 注塑机 熔体温度对变形影响冷却时间对变形影响 Moldflow模流分析辅助解决空气净化器前盖变形问题 空气净化器前盖 材料为ABSTR557 产品在试模过程中变形比较大 约为5 5MM左右 变形方向是产品中间往后模方向拱 严重影响产品装配外观 为了解决变形问题 提出四种解决方案 利用Moldflow模流分析对比变形情况 方案一 产品采用较高保压 方案二 产品采用较低保压 方案三 产品筋加高 方案四 与方案三同种参数下 原始产品的变形 产品充填过程 产品左右上下流动不平衡 从产品流动过程来看 流动非常不平衡 这会导致后续的保压不平衡 最终导致产品产生扭曲 Moldflow辅助解决空气净化器前盖变形问题 产品冻结过程 V P切换时的冻结状态 产品在9 4S时的冻结状态 产品在15 8S时的冻结状态 产品在17 8S时的冻结