薄殼注塑成型技術(shù)的研究

1、薄殼注塑成型技術(shù)的研究摘要：薄殼注塑成型技術(shù)是一種近些年發(fā)展的新興技術(shù)，理論體系尚未形成，缺少系統(tǒng)性的研究，還有許多理論上和實(shí)踐中的問題尚待解決。可是現(xiàn)代生活中，電子、電器產(chǎn)品廣泛應(yīng)用， 產(chǎn)品正朝著“小型、輕薄”的設(shè)計(jì)理念方向發(fā)展，同時(shí)人們對(duì)這些產(chǎn)品的需求也在快速增長(zhǎng)，于是在常規(guī)注塑成型技術(shù)的基礎(chǔ)上，薄壁注塑成型技術(shù)得到快速發(fā)展?，F(xiàn)在對(duì)薄殼注塑成型的產(chǎn)品缺陷、模具設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）(Moldflow)技術(shù)應(yīng)用展開研究。關(guān)鍵詞：薄殼注塑成型技術(shù)、產(chǎn)品缺陷、模具設(shè)計(jì)、CAE技術(shù)、流長(zhǎng)厚度比、冷凝層一、薄殼注塑成型技術(shù)的概念關(guān)于薄殼注塑成型還沒有定確的概念，一般定義為：流動(dòng)長(zhǎng)度/塑件厚度

2、的比（L/T）。L/T在100：1或者150：1以上的注塑為薄殼注塑；另有定義為：所成型塑件的厚度小于1.2mm，塑件的投影面積在50cm2以上的注塑成型。因此要給出一個(gè)定確的定義還是比較困難的；隨著成型設(shè)備及模具制造技術(shù)的發(fā)展，薄殼注塑成型定義也在發(fā)生變化。二、薄殼注塑件常見缺陷分析項(xiàng)次缺陷名稱缺陷成因模具修正成型改善1缺料成品的細(xì)小部位、角落處無法完全成型, 因模具加工不到位或是排氣不暢, 成型上由于注射劑量或壓力不夠等原因, 設(shè)計(jì)缺陷(肉厚不足)修正缺料處模具，采取或改良排氣措施, 加肉厚, 澆口改善(加大澆口, 增加澆口)加大注射劑量增加注射壓力等2縮水常發(fā)生于成形品壁厚或肉厚不均處,

3、 因熱熔塑料冷卻或固化收縮不同而致, 如肋的背面、有側(cè)壁的邊緣、BOSS柱的背面偷肉, 但至少保留2/3的肉厚；加粗鎏道、加大澆口; 加排氣升高料溫加大注射壓力延長(zhǎng)保壓時(shí)間等3表面影像常發(fā)生于經(jīng)過偷肉的BOSS柱、或筋的背面, 或是由于型芯、頂針設(shè)計(jì)過高造成應(yīng)力痕降低火山口；修正型芯、頂針; 母模面噴砂處理, 降低模面亮度降低注射速度減小注射壓力等4氣紋發(fā)生于進(jìn)澆口處, 多由于模溫不高, 注射速度、壓力過高, 進(jìn)澆口設(shè)置不當(dāng), 進(jìn)澆時(shí)塑料碰到擾流結(jié)構(gòu)變更進(jìn)澆口, 流道打光, 流道冷料區(qū)加大, 進(jìn)澆口加大, 表面加咬花（通過調(diào)機(jī)或修模趕結(jié)合線亦可)升高模溫降低注射速度減小注射壓力等5結(jié)合線發(fā)生于

4、兩股料流匯合處, 如兩個(gè)進(jìn)澆口的料流交合, 繞過型芯的料流交合, 由于料溫下降、排氣不良所致變更進(jìn)澆口, 加冷料井 , 開排氣槽或公模面咬花等升高料溫；升高模溫等6毛邊常發(fā)生公母模的結(jié)合處, 由于合模不良所致, 或是模面邊角加工不當(dāng), 成型上常由于鎖模力不夠, 料溫、壓力過高等修正模具重新合模增加鎖模力(CHECK射出機(jī)臺(tái)噸位是否足夠)降低料溫減小注射壓力減少保壓時(shí)間 降低保壓壓力等7變形細(xì)長(zhǎng)件、面積大的薄壁件、或是結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的較大成品由于成型時(shí)冷卻應(yīng)力不均或頂出受力不一所致修正頂針；設(shè)置起張緊作用的拉料銷等; 必要時(shí)公模加咬花調(diào)節(jié)變形調(diào)整公母模模溫降低保壓等(小件變形的調(diào)節(jié)主要靠壓力大小及時(shí)

5、間大件變形的調(diào)節(jié)一般靠模溫)8表面不潔模具表面粗糙, 對(duì)于PC料, 有時(shí)由于模溫過高, 模面有殘膠, 油漬清理模面, 打光處理降低模溫等9拉白易發(fā)生于成形品薄壁轉(zhuǎn)角處或是薄壁RIB根部, 由于脫模時(shí)受力不良造成, 頂針設(shè)置不當(dāng)或是拔模斜度不夠。加大轉(zhuǎn)角處R角；增大脫模角度；增加頂針或是加大其截面積；模面打光; 頂針或斜銷打光降低射速減小注射壓力降低保壓及時(shí)間等10拉模表現(xiàn)為脫模不良或模傷、拉花, 主要由于拔模斜度不夠或模面粗糙, 成型條件也有影響增大拔模角度；模面打光；粘母模面時(shí)可以增加/變更拉料銷, 牛角進(jìn)料時(shí)注意牛角徑, 公模加咬花減小注射壓力降低保壓及時(shí)間等11氣孔透明成品PC料成形時(shí)容

6、易出現(xiàn), 由于注塑過程中氣體未排盡, 模具設(shè)計(jì)不當(dāng)或是成型條件不當(dāng)都有影響增加排氣變更澆口(進(jìn)澆口增大), PC料流道必須打光嚴(yán)格烘料條件增加注射壓力降低注射速度等12斷差發(fā)生于公母模塊/滑塊/斜銷等的接合處, 表現(xiàn)為結(jié)合面的層次不齊等, 由于合模不當(dāng)或是模具本身的問題修正模具重新合模13其它如頂針頂黑、燒焦、流痕、銀條等缺限也會(huì)發(fā)生14尺寸超公差模具本身的問題, 或是成型條件不當(dāng)造成成型收縮率不合適通常改變保壓時(shí)間、注射壓力(第二段）對(duì)尺寸的影響最大, 例如提高射壓、提高保壓補(bǔ)縮作用可明顯加大尺寸, 降低模溫亦可, 加大進(jìn)澆口或增加進(jìn)澆口可以改善調(diào)節(jié)效果三.薄殼注塑成型制品的模具設(shè)計(jì)分析常規(guī)

7、注塑成型是填充過程和冷卻過程往往是交織在一起的，塑件的尺寸比較大，成型過程影響不大 而薄殼注塑成型隨著壁厚的減薄，聚合物熔體在型腔中的冷卻速度加劇，在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)固化，這使得成型過程變得復(fù)雜，成型難度加大;成為薄壁注塑成型中的致命問題。所以需要專用薄殼制品模具。與常規(guī)制品的標(biāo)準(zhǔn)化模具相比，薄壁制品的模具從模具結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和脫模系統(tǒng)等都發(fā)生了重大變化。作下幾個(gè)方面分析：(1)模具結(jié)構(gòu)：高速射出的塑料增加模具損耗，并承受成型時(shí)的高壓，薄壁成型模具的剛度要大、強(qiáng)度要高。因此模具的動(dòng)、定模板及其支承板重量較大，厚度通常比傳統(tǒng)模具的范本要厚(2倍)。支撐柱要多，在近澆道中心和型

8、腔處應(yīng)預(yù)負(fù)荷0.1mm.模具內(nèi)可能要多設(shè)置內(nèi)鎖，以保證精確定位和良好的側(cè)支撐，防止彎曲和偏移。因此模具要采用較高硬度的工具鋼，高磨損、高沖蝕區(qū)（如澆口處）硬度應(yīng)大于HRC55（如H13和D2）。H13鋼的屈服強(qiáng)度較NAK55或p20高15%到25%,值得選用。(2)澆注系統(tǒng)：成型薄殼制品，特別是制品厚度非常小時(shí)，要使用大澆口，而且澆口應(yīng)該大于壁厚。如：直澆口應(yīng)設(shè)置冷料井，以減少澆口應(yīng)力，協(xié)助填充，減少制品去除澆口時(shí)的損壞。為保證有足夠的壓力充填薄的模腔，流道系統(tǒng)中應(yīng)盡可能減少壓力降。為此，流道設(shè)計(jì)要比傳統(tǒng)的大一些，同時(shí)要限制熔體的駐留時(shí)間，以防止樹脂降解劣化。當(dāng)是一模多腔時(shí)，澆注系統(tǒng)的平衡性要

9、求遠(yuǎn)高于常規(guī)模具的要求。值得注意的是薄壁制品模具的澆注系統(tǒng)中還引入了兩項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，即熱流道技術(shù)和順序閥式澆口技術(shù)。(3)冷卻系統(tǒng)：薄殼制品不像傳統(tǒng)壁厚件那樣可以承受較大的因傳熱不均而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。為保證制品的尺寸穩(wěn)定性，把收縮和翹曲控制在可以接受的范圍內(nèi)，就必須加強(qiáng)模具的冷卻，確保冷卻均衡。較好的冷卻措施有在型芯及模腔模塊內(nèi)采用不閉合冷卻線，加大冷卻長(zhǎng)度，均可增強(qiáng)冷卻效果，必要的地方加入高傳導(dǎo)率金屬鑲塊，以加快熱傳導(dǎo)。(4)排氣系統(tǒng)：薄殼注塑成型模具一般需要有良好的排氣性，最好可以進(jìn)行抽真空操作。由于填充時(shí)間短，注射速度高，模具的充分排氣尤其是流動(dòng)前沿聚集區(qū)的充分排氣非常重要，以防困氣引燃。

10、氣體通常通過型芯、頂桿、加強(qiáng)筋、螺柱及分型面等處排出。流道的末端也要充分排氣。日本Sumitomo公司用多孔工具鋼做小嵌件來解決小件制品的排氣問題。(5)脫模系統(tǒng)：因?yàn)楸ぶ破返谋诤徒疃己鼙。浅Ｈ菀讚p壞，而且沿厚度方向收縮很小，使得加強(qiáng)筋和其它小結(jié)構(gòu)很容易粘合，同時(shí)高保壓壓力使收縮更小。為避免頂穿和粘模，薄壁注塑成型應(yīng)使用比常規(guī)注塑成型數(shù)量更多、尺寸更大的頂出銷。四CAE技術(shù)在薄殼注塑成型制品中的應(yīng)用及反思（一）薄殼注塑成型中CAE技術(shù)在制品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和注塑成型三個(gè)方面的應(yīng)用。(1). 制品設(shè)計(jì) 制品設(shè)計(jì)者能用流動(dòng)分析解決下列問題。 1制品能否全部注滿這一古老的問題仍為許多制品設(shè)計(jì)人員所

11、注目，尤其薄殼制品的轉(zhuǎn)角、邊角、加強(qiáng)筋等。 2獲取制件實(shí)際最小壁厚僅量使用薄殼制件，就能大大降低制件的材料成本。減小壁厚還可大大降低制件的循環(huán)時(shí)間，從而提高生產(chǎn)效率，降低塑件成本。 3澆口位置是否合適采用CAE分析可使產(chǎn)品設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)具有充分的選擇澆口位置的余地，確保設(shè)計(jì)的審美特性。 (2). 模具設(shè)計(jì) CAE分析可在以下諸方面輔助設(shè)計(jì)者和制造者，以得到良好的模具設(shè)計(jì)。 1良好的充填形式對(duì)薄殼注塑成型來說，最重要的是控制充填的方式，以使塑件的成型可靠、經(jīng)濟(jì)。單向充填是一種好的注塑方式，它可以提高塑件內(nèi)部分子單向和穩(wěn)定的取向性。這種填充形式有助于避免因不同的分子取向所導(dǎo)致的翹曲變形。 2最佳澆

12、口位置與澆口數(shù)量為了對(duì)充填方式進(jìn)行控制，模具設(shè)計(jì)者必須選擇能夠?qū)崿F(xiàn)這種控制的澆口位置和數(shù)量，CAE分析可使設(shè)計(jì)者有多種澆口位置的選擇方案并對(duì)其影響作出評(píng)價(jià)。 3流道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)際的模具設(shè)計(jì)往往要反復(fù)權(quán)衡各種因素，盡量使設(shè)計(jì)方案盡善盡美。通過流動(dòng)分析，可以幫助設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出壓力平衡、溫度平衡或者壓力、溫度均平衡的流道系統(tǒng)，還可對(duì)流道內(nèi)剪切速率和摩擦熱進(jìn)行評(píng)估，如此，便可避免材料的降解和型腔內(nèi)過高的熔體溫度。 4冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)通過分析冷卻系統(tǒng)對(duì)流動(dòng)過程的影響，優(yōu)化冷卻管路的布局和工作條件，從而產(chǎn)生均勻的冷卻，并由此縮短成型周期，減少產(chǎn)品成型后的內(nèi)應(yīng)力。 5減小反修成本提高模具一次試模成功的可

13、能性是CAE分析的一大優(yōu)點(diǎn)。反復(fù)地試模、修模要耗損大量的時(shí)間和金錢。此外，未經(jīng)反復(fù)修模的模具，其壽命也較長(zhǎng)。 (3)注塑成型 注塑者可望在制件成本、質(zhì)量和可加工性方面得到CAE技術(shù)的幫助。 1 由于薄殼制件成型經(jīng)驗(yàn)的局限性，工程技術(shù)人員很難精確地設(shè)置制品最合理的加工參數(shù)，選擇合適的塑料材料和確定最優(yōu)的工藝方案。Moldflow軟件可以幫助工程技術(shù)人員確定的注射壓力、鎖模力、模具溫度、熔體溫度、注射時(shí)間、保壓壓力和保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間等，比如CMOLD射出成型模擬采用CrossWLF黏度模式如下:此一模式可以在寬廣的成型條件范圍內(nèi)實(shí)切的描述黏度,能較好的處理黏度對(duì)溫度和壓力的敏感性(注：黏度對(duì)壓力

14、的敏感性隨溫度降低而增加)。在CrossWLF黏度模式中，壓力對(duì)黏度的影響以D3顯示。在傳統(tǒng)的成型條件下，壓力對(duì)黏度的影響不明顯，D3可設(shè)為0。在高壓下，壓力對(duì)黏度的影響變得重要，D3必須確定，使得模擬的結(jié)果可以捕捉壓力的效應(yīng)。要獲得D3的合理值。特殊的黏度測(cè)試程序以及數(shù)據(jù)分析是必要的。如果沒有考慮壓力對(duì)黏度的影響，當(dāng)系統(tǒng)壓力增加時(shí)，預(yù)測(cè)壓力的誤差會(huì)愈來愈大。如冰箱蔬果盤模具為例，說明非零的壓力對(duì)黏度的影響項(xiàng)D3可以改進(jìn)充填和后充填模具的壓力預(yù)測(cè)。冰箱蔬果盤采用聚碳酸酯（PC）材料，平均壁厚是1mm，流長(zhǎng)是170mm。壓力對(duì)黏度的影響項(xiàng)D3并入計(jì)算后，預(yù)測(cè)的壓力明顯提高，并和實(shí)測(cè)壓力相當(dāng)吻合。

15、2減小塑薄殼件應(yīng)力和翹曲選擇最好的加工參數(shù)使塑件殘余應(yīng)力最小。殘余應(yīng)力通常使塑件在成型后出現(xiàn)翹曲變形，甚至發(fā)生失效。 3省料和減少過量充模流道和型腔的設(shè)計(jì)采用平衡流動(dòng)，有助于減少材料的使用和消除因局部過量注射所造成的翹曲變形。 4.最小的流道尺寸和回用料成本流動(dòng)分析有助于選定最佳的流道尺寸。以減少澆道部分塑料的冷卻時(shí)間，從而縮短整個(gè)注射成型的時(shí)間，以及減少變成回收料或者廢料的澆道部分塑料的體積。（二）CAE技術(shù)在薄殼注塑成型制品中的應(yīng)用反思 常規(guī)注塑的填充過程和冷卻過程是交織在一起的，當(dāng)聚合物熔體流動(dòng)時(shí)，熔體前沿遇到相對(duì)溫度較低的型芯表面或型腔壁，就會(huì)在其表面形成一層冷凝層，熔體在冷凝層內(nèi)繼續(xù)

16、向前流動(dòng)，冷凝層厚度對(duì)聚合物的流動(dòng)有著顯著地影響。因?yàn)槌Ｒ?guī)注塑成型時(shí)塑件的厚度較厚，所以此時(shí)冷凝層對(duì)注塑的影響還不是很大。但在薄壁注塑成型中，由于冷凝層的厚度與塑件厚度之比隨著塑件厚度的變薄逐漸增加，所以此時(shí)這個(gè)影響就很大，特別是二者的尺寸可以相互比較時(shí)。研究表明當(dāng)塑件的厚度減小時(shí)，冷凝層對(duì)流動(dòng)的影響將會(huì)以指數(shù)形式增加，這也更說明了冷凝層在薄壁注塑成型中的影響之大，所以需要對(duì)薄壁注塑成型中的冷凝層的性質(zhì)進(jìn)行更深入、更全面的研究。因此有關(guān)薄壁注塑成型的數(shù)值模擬還需在以下幾方面做很多工作。（1）充分考慮薄壁注塑成型中增加的因素。一些在常規(guī)注塑中可以忽略的因素，往往會(huì)對(duì)薄壁成型熔體流動(dòng)產(chǎn)生較大的影響

17、。比如，熔接線強(qiáng)度對(duì)塑件性能影響很大，尤其是薄壁塑件，熔接線強(qiáng)度與溫度和壓力有關(guān)，但常規(guī)數(shù)值模擬時(shí)沒有考慮壓力的影響；材料的比熱、傳熱系數(shù)和壓力損失等。現(xiàn)有的商品化數(shù)值模擬軟件由于忽略了這些影響因素，因而在預(yù)測(cè)薄壁注塑成型填充時(shí)會(huì)出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象。（2）加深薄殼注塑成型理論研究。尤其是冷凝層的性質(zhì)，以便提出更加合理的假設(shè)條件和邊界條件。由上述分析可知，在薄殼注塑成型過程中，其很多條件和常規(guī)注塑成型有很大不同。模擬時(shí)，熔體流動(dòng)數(shù)學(xué)模型的許多假設(shè)和邊界條件在薄殼注塑成型中需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。（3）注塑成型全過程模擬。目前的模擬軟件主要包括填充、流動(dòng)、保壓、冷卻、和翹曲分析等模塊，各模塊的開發(fā)是基于各自獨(dú)立的數(shù)學(xué)模型，忽略了相互之間的影響。但是，從注塑成型工藝過程來看，塑料熔體的充模流動(dòng)、保壓和冷卻等是交織在一起并相互影響的，這在薄殼注塑成型中尤為明顯。因此，充模流動(dòng)、保壓與冷卻分析和翹曲模塊必須有機(jī)地結(jié)合起來，進(jìn)行耦合分析，才能綜合反映實(shí)際的