注塑产品变形分析

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模具设计工艺技术产品设计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选择材料弹性模量-材料(产品)强度PPABSPC镁合金塑料价格PP〈PS〈ＡＢＳ〈ＰＯＭ〈ＰＢＴ〈ＰＣ密度(g/cm3)热扩散率(cm2/s)抗拉强度(Mpa)比强度弹性模量(Mpa)钢7.860.11751780200,000镁合金1.810.28924015445,000PC1.230.00101041026,700ABS1.030.000735412,100PP0.90261,150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1保压压力对产品收缩影响.2保压时间对产品收缩影响.3模具温度对产品收缩影响.4注射温度对产品收缩影响.5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。固定移动固定固定(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)固定慢速移动低剪切速率固定快速移动高剪切速率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)固定慢速移动低剪切应力固定快速移动高剪切应力剪切流动剪切速率•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。高温低温高温低温上表面收缩大于下表面，产品中间下凹高温低温高温低温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。收缩较大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抓手总变形量0.4～1.8mm总变形量0.2～1.36mm520抓手总变形量0.24～1.58mm6KG抓手520抓手6KG抓手7KG抓手产品长度(mm)399420435总变形量(mm)0.2～1.36mm0.24～1.58mm0.4～1.8mm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X方向变形量-1.5～+1.5mm520抓手6KG抓手7KG抓手产品长度(mm)399420435X方向变形量(mm)-1.25～+1.27mm-1.37～+1.4mm-1.5～+1.5mm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）X方向变形量-1.25～+1.27mm520抓手7KG抓手X方向变形量-1.37～+1.4mm6KG抓手Y方向变形520抓手6