注塑制品翹曲變形的多因素耦合機(jī)制研究論文

1、上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 注塑制品翹曲變形的多因素耦合機(jī)制研究目 錄摘 要1ABSTRACT20 引言41 注塑制品翹曲變形的產(chǎn)生原因和影響因素51.1 注塑制品翹曲變形的產(chǎn)生原因51.2 減小翹曲變形的措施71.3 各因素對翹曲變形影響81.3.1 模具的結(jié)構(gòu)對翹曲變形的影響81.3.2 塑化階段對制品翹曲變形的影響91.3.3 充模及冷卻階段對制品翹曲變形的影響91.3.4 注射成型工藝參數(shù)對翹曲變形的影響101.3.5 脫模階段對制品翹曲變形的影響111.3.6 注塑制品的收縮對翹曲變形的影響111.3.7 殘余熱應(yīng)力對制品翹曲變形的影響121.4 翹曲變形研究方法131.4.1

2、 塑件翹曲度及其計算方法131.4.2 Taguchi DOE技術(shù)142 計算機(jī)模擬注射工藝參數(shù)對翹曲變形的影響152.1試樣幾何建模、網(wǎng)格劃分152.2 用moldex3D進(jìn)行CAE模流分析153 注射工藝參數(shù)對翹曲變形影響的實驗研究273.1 實驗樣品制備273.1.1 實驗原料：PP273.1.2 實驗儀器：273.1.3 實驗過程：283.1.4 注塑實驗工藝參數(shù)293.2 數(shù)顯高度卡尺測注塑制品翹曲度293.2.1 所測數(shù)值293.2.2 數(shù)顯高度卡尺使用說明293.2.3 測量過程323.2.4 測量結(jié)果344 各因素在影響翹曲變形時的耦合關(guān)系（田口法）344.1.1 熔體溫度37

3、4.1.2 注射時間384.1.3 保壓時間394.1.4 保壓壓力404.2 誤差分析414.3 減小翹曲變形的措施424.3.1 依據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出較小翹曲變形的結(jié)論424.3.2 依據(jù)模擬數(shù)據(jù)得出減小翹曲變形的結(jié)論425. 結(jié)論與展望435.1 結(jié)論435.2 展望43致 謝45參考文獻(xiàn)46譯 文49原文說明6567摘 要翹曲變形是指注塑制品的形狀偏離了模具型腔的形狀，它是塑料制品常見的缺陷之一。隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，人們對塑料制品的外觀和使用性能要求越來越高，翹曲變形程度作為評定產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一也越來越多地受到模具設(shè)計者的關(guān)注與重視。模具設(shè)計者希望在設(shè)計階段預(yù)測出塑料件可能產(chǎn)生翹曲的

4、原因，以便加以優(yōu)化設(shè)計，從而提高注塑生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，縮短模具設(shè)計周期，降低成本。本文通過啞鈴片注塑制品，使用田口試驗法設(shè)計工藝組合，對其翹曲度進(jìn)行實驗測量，使用計算機(jī)moldex3D模擬分析，比較實驗和模擬的結(jié)果，研究注塑制品翹曲變形的多因素耦合機(jī)制，得出熔體溫度，注射時間，保壓時間，保壓壓力等注塑工藝參數(shù)對制件翹曲變形影響的耦合關(guān)系，提出了減小翹曲變形的措施。研究表明，在正常的成型工藝范圍內(nèi)，注塑制品翹曲變形的多因素耦合機(jī)制為：熔體溫度和其他三因素耦合時，隨著熔體溫度變大，其翹曲趨勢逐漸變大。注射時間和其他三因素耦合時，在正常的成型工藝范圍內(nèi)，隨著注射時間變長，其翹曲趨勢逐漸變小。保壓時間

5、和其他三因素耦合時，在正常的成型工藝范圍內(nèi)，隨著保壓時間變長，其翹曲趨勢逐漸變小。保壓壓力和其他三因素耦合時，在正常的成型工藝范圍內(nèi)，隨著保壓壓力變長，其翹曲趨勢逐漸變大。關(guān)鍵詞：注塑制品，翹曲變形，多因素耦合，田口試驗，moldex3D,模流分析Coupling Mechanism of Multi-Factor on Warpage of Injection molded productABSTRACTWarpage is the deviation from the shape of injection products, the shape of the mold cavity, wh

6、ich is one of the common defects of plastic products. As the plastic industry, plastic products, people look and performance requirements are high, warping deformation as a measure of the important indicator of product quality are more and more attention by the mold designer and attention. Mold desi

7、gners hope at the design stage to predict the possible warping of plastic parts reasons to be optimized design, injection molding to improve the efficiency and quality, reduce mold design cycle and reduce costs. This dumbbell-piece injection molding products by the use of Taguchi test design process

8、 portfolio, its degree of warping of measurements, using a computer moldex3D simulation analysis to compare the results of experiment and simulation to study the warpage of injection molding products, multi-element coupling mechanism may be the melt temperature, injection time, packing time, packing

9、 pressure injection molding process parameters on the workpiece warpage effects of coupling, proposed measures to reduce warpage. Research suggests that in the normal range of molding process, injection Warpage of multi-factor coupling mechanism: the melt temperature and the other three factors coup

10、led with the melt temperature is larger, its tendency to warp become bigger. Injection time and the other three factors coupled, in the context of the normal molding process, with the injection time becomes longer, the warpage trend becomes weak. Holding time and the other three factors coupled, in

11、the context of the normal molding process, with the longer holding time, the warpage trend becomes weak. Holding pressure and the other three factors coupled, in the context of the normal molding process, with the packing pressure variable length, its tendency to warpage become bigger.Key words: inj

12、ection molding products, warpage, multi-factor coupling, Taguchi test, moldex3D, mold flow analysis.注塑制品翹曲變形的多因素耦合機(jī)制研究傅 誠 0511061060 引言隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，人們對塑料制品的外觀和使用性能要求越來越高，翹曲變形程度作為評定產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一也越來越多地受到模具設(shè)計者的關(guān)注與重視。模具設(shè)計者希望在設(shè)計階段預(yù)測出塑料件可能產(chǎn)生翹曲的原因，以便加以優(yōu)化設(shè)計，從而提高注塑生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，縮短模具設(shè)計周期，降低成本。翹曲變形是指注塑制品的形狀偏離了模具型腔的形狀，它是

13、塑料制品常見的缺陷之一 1,2。塑料的成型方法很多，其中塑料的注射成型又稱注塑成型。該方法采用注射成型機(jī)將粒狀的塑料連續(xù)輸入到注射成型機(jī)料筒中受熱并逐漸熔融，使其成黏性流動狀態(tài)，由料筒中的螺桿或柱塞推至料筒端部。通過料筒端部的噴嘴和模具的澆注系統(tǒng)將熔體注入閉合的模具中，充滿后經(jīng)過保壓和冷卻，使制件固化成型，然后開啟模具取出制件。注塑制品主要用于熱塑性塑料，現(xiàn)在也用于熱固性塑料。注射成型的生產(chǎn)是周期性的。注塑成型在塑料制件成型中占有很大比例，世界上塑料成型模具產(chǎn)量中半數(shù)以上是注射模具3。注塑制品翹曲變形的成因復(fù)雜，受多種因素綜合影響，因此，研究注塑制品翹曲變形的多因素耦合機(jī)制，優(yōu)化注塑工藝，提高

14、注塑制品的質(zhì)量，具有重要的理論價值和實際意義，對全世界塑料工業(yè)的發(fā)展有著積極意義。1 注塑制品翹曲變形的產(chǎn)生原因和影響因素1.1 注塑制品翹曲變形的產(chǎn)生原因注塑制品翹曲及成型尺寸的影響因素很多，幾乎與整個成型加工過程有關(guān)。在國外一些文獻(xiàn)中，認(rèn)為翹曲是由不均勻收縮產(chǎn)生的殘余應(yīng)力造成的,而對不均勻收縮的成因的看法目前尚不統(tǒng)一。在國內(nèi)一些文獻(xiàn)中，認(rèn)為引起注塑件翹曲變形的殘余應(yīng)力是由不均勻的溫差、不均勻的溫度分布引起的，其他諸多因素是通過影響溫度、壓力分布而間接影響注塑件的殘余應(yīng)力和成型尺寸的4。周標(biāo),鄧小雷5認(rèn)為尺寸較大的塑料制品，由于各部分的收縮不一致，易產(chǎn)生翹曲變形。如果再加上冷卻時間不足，使得

15、塑料制品中心沒有完全冷卻，就更容易產(chǎn)生翹曲了?？悼∵h(yuǎn)等 6認(rèn)為在適當(dāng)?shù)膲毫Ψ秶鷥?nèi)，注塑件的曲率因壓力的增加而有所降低；模壁溫差的影響大于壓力的影響，不均勻的模壁溫度是注塑件厚度方向翹曲變形的主要原因。周大路等7認(rèn)為所謂翹曲，就是不均勻的內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致的制件形狀、尺寸的缺陷，其產(chǎn)生的原因為收縮不均勻。制件上不同區(qū)域的收縮不均勻、厚度方向上的收縮不均勻或者在與材料分子取向平行和垂直的方向上收縮不均勻都會導(dǎo)致翹曲的產(chǎn)生。周應(yīng)國等8認(rèn)為保壓壓力的影響最為顯著，冷卻時間、保壓時間、熔體溫度等的影響較為顯著，模具溫度也有一定的影響，同時熔體溫度與模具溫度交互作用的影響也很顯著。而注射時間(注射速率)對制品翹

16、曲的影響不大。俞華英等9認(rèn)為注塑過程中樹脂要經(jīng)過受熱軟化、熔融、注塑、保壓和冷卻定型等五個階段的物理變化過程，樹脂內(nèi)部將會產(chǎn)生大分子定向、結(jié)晶以及殘余應(yīng)力等。由于制品或模具本身問題、樹脂材料和成型工藝(如注塑壓力、塑化壓力、注塑速度、注塑量、鎖模力、料筒溫度及模具溫度)的選擇不當(dāng)，會使注塑制品出現(xiàn)許多不良現(xiàn)象和缺陷，其中翹曲變形就是一個很棘手的問題。朱俊杰10認(rèn)為制件翹曲的基本原因是由于制件里面各方向收縮的不均，收縮不均使制件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)該內(nèi)應(yīng)力超過材料的剛度時就會發(fā)生翹曲現(xiàn)象。高月華和王希誠11認(rèn)為影響薄殼制件的主要因素為模具溫度、熔體溫度、注射速率和保壓壓力。曾亞森和何和智12認(rèn)為與翹曲

17、有關(guān)的工藝過程參數(shù)分別為：(1) 充模過程參數(shù)：模具溫度、注射時間、熔體溫度、注射速度； (2) 保持過程參數(shù)：保壓壓力、保壓時間、V / P 轉(zhuǎn)換； (3) 冷卻過程參數(shù)：冷卻時間、熔膠背壓、螺桿轉(zhuǎn)速等。根據(jù)已有的研究選用影響翹曲較大的因素熔體溫度、保壓壓力、注射時間、保壓時間、冷卻時間進(jìn)行最優(yōu)水平配置實驗，其中以注射時間+ 保壓時間+冷卻時間作為成型周期時間。馬浩軍等13認(rèn)為在Moldflow軟件中，軟件將引起翹曲的原因主要分為以下三點：（1）取向取向會導(dǎo)致平行流動方向和垂直流動方向的收縮不一致，便會導(dǎo)致翹曲。對纖維增強(qiáng)的塑料制品，取向效應(yīng)是導(dǎo)致制品翹曲的主要原因之一。（2）區(qū)域收縮區(qū)域收

18、縮是指不同區(qū)域之間的收縮不同而導(dǎo)致制品翹曲。通常，可以利用區(qū)域收縮來衡量制品不同區(qū)域收縮的差別。而用分子取向來衡量制品不同方向上的收縮變化。（3）不均勻冷卻不均勻冷卻導(dǎo)致制品的溫差很大，使制品在頂出后的二次收縮值相差變得很大。這種收縮差別導(dǎo)致彎曲力矩的產(chǎn)生而使制品發(fā)生翹曲。不均勻收縮導(dǎo)致制品的翹曲，而制品剛度同樣影響制品的翹曲。同樣的收縮差，剛度高的塑件可能不會引起翹曲，但制品會存在較高的內(nèi)應(yīng)力，反之，剛度低的制品會有較低的內(nèi)應(yīng)力，但容易產(chǎn)生翹曲變形。1.2 減小翹曲變形的措施目前國內(nèi)外主要采用綜合有限元分析法、反應(yīng)曲面法、遺傳算法、自適應(yīng)優(yōu)化算法、模擬退火法、模擬實驗以定量統(tǒng)計分析法和通過正

19、交試驗等優(yōu)化方法來研究尋找最優(yōu)參數(shù)。這些研究是以某種算法為理論基礎(chǔ),然后通過模擬實驗例證,說明注塑過程工藝參數(shù)對翹曲有必然的影響與交聯(lián)關(guān)系，但在工程實踐中未見規(guī)模應(yīng)用12。Lee和Kim14對給定的工藝條件采用復(fù)合形法，以塑件的壁厚、注射時間、保壓和冷卻時間、熔體溫度、冷卻介質(zhì)溫度為設(shè)計變量減小了翹曲變形。Subremanian等15以光盤盒為例，采用復(fù)合形法優(yōu)化了壁厚，減小了翹曲變形，同時分析了壁厚的改變對部件各部分翹曲變形的影響，并且給出了成型參數(shù)對翹曲的影響。Rakesh等16以充填時間、保壓時間、后充填時間、熔體溫度、模具溫度和保壓壓力為設(shè)計變量，以翹曲為目標(biāo)函數(shù)，分別采用遺傳算法、田

20、口( Taguchi) 方法和復(fù)合形法3 種不同的優(yōu)化方法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。這種直接的優(yōu)化設(shè)計有效的減小了翹曲變形，但是在優(yōu)化過程中,要進(jìn)行多次數(shù)值分析、迭代優(yōu)化,計算量大。很多學(xué)者采用Taguchi 實驗設(shè)計方法來得到工藝參數(shù)的最優(yōu)組合,而沒有在可行設(shè)計空間中尋找最優(yōu)工藝參數(shù)。這種方法計算量小，但是沒有對工藝參數(shù)進(jìn)行全面的優(yōu)化設(shè)計。翹曲變形的影響因素很多，與整個注射成型的加工過程及模具結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且這些影響是很復(fù)雜的。減小翹曲變形的主要措施有（1）修改制件的幾何形狀；（2）修改模具結(jié)構(gòu)包括澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和頂出系統(tǒng)的設(shè)計；（3）調(diào)整工藝參數(shù)。在實際生產(chǎn)中，制件的幾何形狀和模具結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定，所

21、以調(diào)整工藝參數(shù)來減小翹曲變形更為實際。早期基于減少翹曲變形的設(shè)計修正一般都以翹曲分析為基礎(chǔ)，根據(jù)經(jīng)驗人為地反復(fù)修正設(shè)計以期得到比較理想的結(jié)果。這種方法難以給工程設(shè)計人員一個明確的修改方向和修改尺度,費(fèi)時費(fèi)力、隨意性大，并且難以得到最優(yōu)化的設(shè)計。而優(yōu)化理論和方法的應(yīng)用卻可以克服這個問題，所以在翹曲模擬分析相對成熟后,翹曲的影響因素分析和優(yōu)化設(shè)計成為了很多學(xué)者關(guān)注的焦點17。1.3 各因素對翹曲變形影響影響翹曲變形的因素有：模具的結(jié)構(gòu)、塑化階段、充模及冷卻階段、脫模階段、注塑制品的收縮、殘余熱應(yīng)力等18-20。1.3.1 模具的結(jié)構(gòu)對翹曲變形的影響（1）澆注系統(tǒng)對翹曲變形的影響流道長度對翹曲變形的

22、影響：流動距離越長，內(nèi)應(yīng)力越大，翹曲變形越大；流動距離越短，內(nèi)應(yīng)力越小，翹曲變形越小。澆口形式對翹曲變形的影響：對于大的平板件，多澆口比中心澆口和側(cè)澆口更能減小翹曲變形21。（2）冷卻系統(tǒng)對翹曲變形的影響：塑件冷卻速度的不均勻也將形成塑件收縮的不均勻，這種收縮差別導(dǎo)致彎曲力矩的產(chǎn)生而使塑件發(fā)生翹曲。如果在注射成型平板形塑件時所用的模具型腔、型芯的溫度相差過大，貼近冷模腔面的熔體很快冷卻下來，而貼近熱模腔面的料層則會繼續(xù)收縮，收縮的不均勻?qū)⑹顾芗N曲。因此，注塑模的冷卻應(yīng)當(dāng)注意型腔、型芯的溫度趨于平衡，兩者的溫差不能太大22。（3）頂出系統(tǒng)對翹曲變形的影響：如果頂出系統(tǒng)布置不平衡，將造成頂出力的

23、不平衡而使塑件變形。因此，在設(shè)計頂出系統(tǒng)時應(yīng)力求與脫模阻力相平衡。頂出桿的截面積不能太小，以防塑件單位面積受力過大（尤其在脫模溫度太高時）而使塑件產(chǎn)生變形。頂桿的布置應(yīng)盡量靠近脫模阻力大的部位，減小力矩。應(yīng)盡可能多設(shè)頂桿以減少塑件的總體變形23,24。1.3.2 塑化階段對制品翹曲變形的影響塑化階段即玻璃態(tài)的料粒轉(zhuǎn)化為粘流態(tài)，提供充模所需的熔體。在這個過程中，聚合物的溫度在軸向、徑向(相對螺桿而言)的溫差會使塑料產(chǎn)生應(yīng)力；另外，注射機(jī)的注射壓力、速率等參數(shù)會極大地影響充填時分子的取向程度，進(jìn)而引起翹曲變形。分子取向影響翹曲變形，取向會導(dǎo)致平行流動方向和垂直流動方向的收縮不一致，便會導(dǎo)致翹曲。1

24、.3.3 充模及冷卻階段對制品翹曲變形的影響熔融態(tài)的塑料在注射壓力的作用下，充入模具型腔并在型腔內(nèi)冷卻、凝固的過程是注射成型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在這個過程中，溫度、壓力、速度三者相互耦合作用，對塑件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率均有極大的影響。較高的壓力和流速會產(chǎn)生高剪切速率，從而引起平行于流動方向和垂直于流動方向的分子取向的差異，同時產(chǎn)生“凍結(jié)效應(yīng)”?！皟鼋Y(jié)效應(yīng)”將產(chǎn)生凍結(jié)應(yīng)力，形成塑件的內(nèi)應(yīng)力。溫度對翹曲變形的影響體現(xiàn)在以下幾個方面。(1) 塑件上、下表面溫差會引起熱應(yīng)力和熱變形；(2) 塑件不同區(qū)域之間的溫度差將引起不同區(qū)域間的不均勻收縮；(3) 不同的溫度狀態(tài)會影響塑料件的收縮率25。1.3.4 注射成型工

25、藝參數(shù)對翹曲變形的影響注塑全過程所涉及到的主要工藝參數(shù)有熔體溫度、模具溫度、注射速度、注射壓力、保壓壓力、保壓時間和冷卻時間。這些參數(shù)都影響著制品的質(zhì)量。（1）模具溫度：模具溫度設(shè)置過低,則部件的冷卻速率高，導(dǎo)致制品內(nèi)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力,容易產(chǎn)生翹曲。較高的模具溫度能夠減小注塑過程中冷凝層的厚度,減小模內(nèi)壓力損失，提高產(chǎn)品質(zhì)量。然而，由于出模溫度的限制,模具溫度不能太高。（2）熔體溫度：熔體溫度是對翹曲影響較大的參數(shù)。溫度過低，熔體的流動性則較差，在流動過程中受到較大的應(yīng)力，由于沒有足夠的時間釋放,則會產(chǎn)生翹曲，另外還容易發(fā)生短射現(xiàn)象。熔體溫度過高，容易使材料降解,而且制件冷卻到室溫后收縮也大

26、。（3）注射速度：熔體注射速度越高,型腔內(nèi)的熔體流動速度越高,殘余應(yīng)力、表面應(yīng)力和分子取向差異就越大,從而導(dǎo)致塑件的翹曲變形。另一方面，高的注射速度可減小充填過程中的冷凝層厚度,有利于壓力的傳遞。針對于熔體流動前沿面面積不同的部件，恒定的注射速率能夠?qū)е氯垠w流動前沿面速度差異很大，從而分子取向差異大,進(jìn)而導(dǎo)致翹曲變形。（4）注射壓力：注射壓力過低會導(dǎo)致短射現(xiàn)象，提高注射壓力可增加熔體流動長度，有利于成型薄壁制品，但同時會導(dǎo)致制品產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力。（5）保壓壓力：保壓壓力過低可能出現(xiàn)熔體回流現(xiàn)象，或者型腔內(nèi)的熔體沒有被壓實而形成較大的體積收縮率，導(dǎo)致翹曲。過高的保壓壓力雖然可以使補(bǔ)料充足從而減

27、小收縮和翹曲，但是也可能因此而引起較高的流動殘余應(yīng)力和熔體的壓應(yīng)力，導(dǎo)致翹曲。（6）保壓時間：保壓時間過短,澆口沒有冷凝而導(dǎo)致熔體回流，或者因為補(bǔ)料不足而產(chǎn)生較大的收縮。保壓時間過長，則會延長生產(chǎn)周期，浪費(fèi)能源。（7）冷卻時間：冷卻時間過短，型腔內(nèi)熔體沒有達(dá)到出模溫度，出模后產(chǎn)生較大的變形。冷卻時間過長，則會延長生產(chǎn)周期。以上僅僅是定性地對每個工藝參數(shù)單獨進(jìn)行分析，在實際的成型過程中，各參數(shù)耦合作用與翹曲變形的關(guān)系是很復(fù)雜的26。1.3.5 脫模階段對制品翹曲變形的影響塑件在脫離型腔并冷卻至室溫的過程中多為玻璃態(tài)聚合物。脫模力不平衡、推出機(jī)構(gòu)運(yùn)動不平穩(wěn)或脫模頂出面積不當(dāng)很容易使制品變形。同時，

28、在充模和冷卻階段凍結(jié)在塑件內(nèi)的應(yīng)力由于失去外界的約束，將會以變形的形式釋放出來，從而導(dǎo)致翹曲變形27。1.3.6 注塑制品的收縮對翹曲變形的影響注塑制品翹曲變形的直接原因在于塑件的不均勻收縮。如果在模具設(shè)計階段不考慮填充過程中收縮的影響，則制品的幾何形狀會與設(shè)計要求相差很大，嚴(yán)重的變形會致使制品報廢。除填充階段會引起變形外，模具上下壁面的溫度差也將引起塑件上下表面收縮的差異，從而產(chǎn)生翹曲變形。從分析翹曲而言，收縮本身并不重要,重要的是收縮上的差異。在注塑成形過程中，熔融塑料在注射充模階段，由于聚合物分子沿流動方向的排列使塑料在流動方向上的收縮率比垂直方向的收縮率大，兩者收縮的差異是注塑件產(chǎn)生翹

29、曲變形的主要原因。一般均勻收縮只引起塑料件體積上的變化,只有不均勻收縮才會引起翹曲變形。結(jié)晶型塑料在流動方向與垂直方向上的收縮率之差較非結(jié)晶型塑料大，且其收縮率也較非結(jié)晶型塑料大，結(jié)晶型塑料大的收縮率與其收縮的異向性疊加后，導(dǎo)致結(jié)晶型塑料件翹曲變形的傾向較非結(jié)晶型塑料大得多28。1.3.7 殘余熱應(yīng)力對制品翹曲變形的影響在注射成型過程中，殘余熱應(yīng)力是引起翹曲變形的一個重要因素，而且對注塑制品的質(zhì)量有較大的影響。由于殘余熱應(yīng)力對制品翹曲變形的影響非常復(fù)雜，模具設(shè)計者可以借助于注塑CAE軟件進(jìn)行分析和預(yù)測29。周應(yīng)國等認(rèn)為殘余應(yīng)力理論一般基于高聚物的粘彈性理論，它直接進(jìn)行殘余應(yīng)力的計算，通過對注塑

30、過程進(jìn)行模擬，分析塑料制品在流動、保壓及冷卻過程中的應(yīng)力積累，預(yù)測其翹曲變形?，F(xiàn)通常認(rèn)為，注塑制品的殘余應(yīng)力主要有殘余熱應(yīng)力和殘余流動應(yīng)力兩個來源?；跉堄鄳?yīng)力理論的殘余應(yīng)力計算按照是否考慮收縮率因素又分為兩種：一種未考慮收縮率因素；另一種考慮收縮率因素，對殘余應(yīng)力計算結(jié)果進(jìn)行修正，其理論模型描述為：（1.1）式中：應(yīng)力張量；表示材料力學(xué)性能的張量；材料溫度的時間等效值；應(yīng)變張量；表示材料熱性能的張量。1.4 翹曲變形研究方法通過注塑試驗，改變注塑的工藝參數(shù)，得到不同位置的不同實驗組別的翹曲度，進(jìn)行各工藝參數(shù)的多因素耦合機(jī)制研究。通過模流分析實驗，改變工藝參數(shù)，得到不同位置的不同實驗組別的翹曲

31、度，進(jìn)行各工藝參數(shù)的多因素耦合機(jī)制研究。1.4.1 塑件翹曲度及其計算方法翹曲變形是評定產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。在現(xiàn)有評價體系中，對于翹曲變形評價都是用翹曲量來進(jìn)行的，一般用最大翹曲變形量或特定部分的翹曲變形量來評價?，F(xiàn)在采用注塑CAE進(jìn)行設(shè)計質(zhì)量預(yù)測時，對翹曲變形模擬結(jié)果的評價一般直接用最大翹曲變形量來進(jìn)行，有時也將總平均翹曲變形量、10最大翹曲變形節(jié)點的平均翹曲量等統(tǒng)計量作為評價翹曲變形的指標(biāo)。對于相同翹曲影響模式的同一產(chǎn)品時，這些指標(biāo)可以描述不同設(shè)計的翹曲變形的大小程度。但對于不同材料、模具結(jié)構(gòu)等造成翹曲變形的影響模式改變的因素，不同設(shè)計下各部分的翹曲變形嚴(yán)重程度也隨之改變。此時用最大翹

32、曲變形量或其它相對統(tǒng)計量來評價翹曲變形存在較大的局限性，不能較好體現(xiàn)不同設(shè)計時產(chǎn)品翹曲變形的用戶滿意度。特別是對于復(fù)雜零件，用最大翹曲變形或其它統(tǒng)計量表征制品的翹曲變形存在很大的局限性。李吉泉等25參考其它行業(yè)中的翹曲度的概念，定義了塑件的翹曲度，以提高塑件翹曲變形的標(biāo)準(zhǔn)化和自動化程度。具體定義公式如下：y=hL（1.2）式中：y塑件特定部分的翹曲度；h翹曲量，即制品評價目標(biāo)與參考對象之間的最大距離；L評價目標(biāo)在特定方向的投影長度。1.4.2 Taguchi DOE技術(shù)Taguchi DOE技術(shù)是一種應(yīng)用正交矩陣以執(zhí)行最少的實驗次數(shù)而獲得足夠?qū)嶒炐畔⒌慕y(tǒng)計學(xué)工具。傳統(tǒng)的方法是設(shè)置各個影響因子的

33、水平組合，進(jìn)行真實的實驗并研究實驗結(jié)果。然而多數(shù)情況下真實實驗難以進(jìn)行且有些質(zhì)量指標(biāo)很難測量。所以很多學(xué)者利用注射成型充填/后充填的流動模擬代替真實實驗進(jìn)行模擬實驗30,31。Taguchi DOE參數(shù)設(shè)計主要有兩部分內(nèi)容：其一是產(chǎn)品實驗設(shè)計，利用正交技術(shù)確定各因子取值水平與質(zhì)量性能之間的數(shù)量關(guān)系；其二是對實驗結(jié)果優(yōu)選分析，利用信噪比(S /N )衡量和確定各因子在不同水平情況下的產(chǎn)品質(zhì)量水平，從而確定優(yōu)選方案。運(yùn)用CAE分析與DOE技術(shù)相結(jié)合方法對工藝過程進(jìn)行模擬分析，通過研究模具溫度、熔體溫度、注射速率、保壓壓力等工藝參數(shù)對制品翹曲變形的影響，從而提高制品的質(zhì)量。用信噪比函數(shù)來計算信噪比，

34、它主要適用于質(zhì)量性能目標(biāo)越小越好的場合，其表達(dá)式為：（1.3）式中:Yi 每次實驗的翹曲變形值；n 每個方案實驗的次數(shù)；S /N 越大，則表明翹曲變形越小。2 計算機(jī)模擬注射工藝參數(shù)對翹曲變形的影響2.1試樣幾何建模、網(wǎng)格劃分根據(jù)實驗室內(nèi)啞鈴片標(biāo)準(zhǔn)件注塑模的實際情況，對模腔進(jìn)行測量，繪制草圖，在UG軟件中建立幾何模型。2.2 用moldex3D進(jìn)行CAE模流分析根據(jù)測量和查ASTM D639標(biāo)準(zhǔn)得到圖2.1所示尺寸，厚度為3.2mm。利用UG軟件建立幾何模型，其立體圖如圖2.2所示。圖2.1 啞鈴片標(biāo)準(zhǔn)件幾何模型平面圖圖2.2 啞鈴片注塑件幾何模型立體圖使用Rhinoceros 4.0軟件對幾

35、何模型劃分網(wǎng)格，如圖2.3.所示，網(wǎng)格數(shù)量為85598。圖2.3 幾何模型網(wǎng)格劃分設(shè)置模流分析參數(shù)（1）網(wǎng)格如圖2.3所示。（2）材料為PP C715-12NHP-1 DOW，為美國陶氏供應(yīng)的PP，其基本屬性如圖2.4-圖2.7。圖2.4 粘度圖2.5 PVT特性圖2.6 熱容圖2.7 熱導(dǎo)率（3）注塑工藝參數(shù)不變的參數(shù)有：模具溫度：50；注射壓力：40MPa；冷卻時間：20s。被研究的注塑工藝參數(shù)有熔體溫度，注射時間，保壓時間，保壓壓力。將這四個工藝參數(shù)劃分為3個等級，建立表2.1。表2.1 工藝參數(shù)及等級參數(shù)等級123熔體溫度/（A）190200210注射時間/s(B)258保壓時間/s(

36、C)258保壓壓力/MPa(D)242832參考田口試驗，設(shè)計表2.2。表2.2 參數(shù)等級表試驗序號ABCD111112122231333421235223162312731328321393321模流分析，參數(shù)設(shè)置方法如圖2.8所示圖2.8 Moldex3D中注塑工藝參數(shù)設(shè)置充填過程如下圖2.9圖2.12所示圖2.9 進(jìn)澆時圖2.10 進(jìn)入模腔前圖2.11 進(jìn)入模腔后圖2.12 填充完成模擬結(jié)果：表2.3 模擬結(jié)果序號總翹曲Z方向翹曲123456789模擬中翹曲度的測量方法：以啞鈴片中間段的上表面的翹曲度作為式樣的翹曲度，9組試驗取同一點的翹曲度，作為評價啞鈴片翹曲程度的標(biāo)準(zhǔn)。計算方法如下所

37、示：圖2.13 測量方法示意圖中點的翹曲度為：兩端點Z方向位移平均值+中點Z方向位移+3.2=試樣中點翹曲度（1）試驗1的翹曲度：根據(jù)軟件中取點測量，記錄啞鈴片兩端厚度方向位移量分別為-0.70和0.10，啞鈴片中間厚度方向位移量為-0.70。所以計算其翹曲量為：|（0.10-0.70）/2+0.70|+3.2=4.2mm所以試驗1的翹曲度為4.2mm。（2）試驗2的翹曲度：啞鈴片兩端厚度方向位移量分別為-0.95和0.13。啞鈴片中間厚度方向位移量為0.64。所以其計算其翹曲量為：|（0.13-0.95）/2-0.64|+3.2=4.25mm所以試驗2的翹曲度為4.25mm。（3）試驗3的翹

38、曲度：啞鈴片兩端厚度方向位移量分別為-0.92和2.97。如圖19.所示，啞鈴片中間厚度方向位移量為-0.53。所以其計算其翹曲量為：|（2.97-0.92）/2+0.53|+3.2=4.75mm所以試驗3的翹曲度為4.75mm。（4）試驗4的翹曲度：啞鈴片兩端厚度方向位移量分別為-1.04和0.11。啞鈴片中間厚度方向位移量為0.80。所以其計算其翹曲量為：|（0.11-1.04/2-0.80|+3.2=4.465mm所以試驗4的翹曲度為4.465mm。（5）試驗5的翹曲度：啞鈴片兩端厚度方向位移量分別為-0.87和0.09。啞鈴片中間厚度方向位移量為0.53。所以其計算其翹曲量為：|（0.

39、09-0.87）/2-0.53|+3.2=4.12mm所以試驗5的翹曲度為4.12mm。（6）試驗6的翹曲度：啞鈴片兩端厚度方向位移量分別為-0.23和0.15。啞鈴片中間厚度方向位移量為0.69。所以其計算其翹曲量為：|（0.15-0.23）/2-0.69|+3.2=3.93mm所以試驗6的翹曲度為3.93mm。（7）試驗7的翹曲度：啞鈴片兩端厚度方向位移量分別為-1.25和0.11。啞鈴片中間厚度方向位移量為0.81。所以其計算其翹曲量為：|（0.11-1.25）/2-0.81|+3.2=4.58mm所以試驗7的翹曲度為4.58mm。（8）試驗8的翹曲度：啞鈴片兩端厚度方向位移量分別為0.

40、83和2.51.啞鈴片中間厚度方向位移量為-0.95。所以其計算其翹曲量為：|（0.83+2.51）/2+0.95|+3.2=5.82mm所以試驗8的翹曲度為5.82mm。（9）試驗9的翹曲度：啞鈴片兩端厚度方向位移量分別為-0.95和0.13.啞鈴片中間厚度方向位移量為0.70。所以其計算其翹曲量為：|（0.13-0.95）/2-0.70|+3.2=4.31mm所以試驗8的翹曲度為4.31mm。2.3 數(shù)據(jù)整理表2.4 各試驗的翹曲量試驗序號ABCD翹曲量/mm111114.2212224.25313334.75421234.465522314.12623123.93731324.58832

41、135.82933214.313 注射工藝參數(shù)對翹曲變形影響的實驗研究3.1 實驗樣品制備3.1.1 實驗原料：PP 3.1.2 實驗儀器：圖3.1 本次實驗的注塑機(jī)注塑機(jī)型號為HTB100X/1，由中國寧波海天機(jī)械有限公司生產(chǎn)技術(shù)規(guī)格：螺桿直徑/長徑比：38mm/20螺桿轉(zhuǎn)速：0-220rpm理論容量/注射重量：184cm3/167g注射壓力/合模力：165MPa/1100KN馬達(dá)/電熱功率：13/5.7KW主要用途：塑料及其合金的注射成型機(jī)械用于注射樣條及小型塑料制品的成型加工。3.1.3 實驗過程：(1) 開總電源空氣開關(guān)，開主機(jī)電源開關(guān)，開冷卻水總閥門。(2) 熟悉控制面板上的畫面選擇

42、鍵、數(shù)字光標(biāo)鍵、操作模式鍵、馬達(dá)鍵、電熱鍵和急停鍵的位置和功能。(3) 進(jìn)入手動模式，依物料的性質(zhì)，按溫度鍵進(jìn)入溫度設(shè)定界面設(shè)定料筒各加熱段溫度，然后按電熱開關(guān)鍵加溫。(4) 選擇樣條模具，安裝到模具座上，注意輕拿輕放。(5) 需要用到模溫機(jī)時，接通模溫機(jī)電源打開冷卻水進(jìn)/出閥門打開導(dǎo)熱油進(jìn)/出閥門按Run/Stop鍵啟動設(shè)定模溫（140）按Heat鍵加熱。(6) 根據(jù)不同的模具及物料性質(zhì)，按射出鍵進(jìn)入射出設(shè)定界面，設(shè)定射出和保壓參數(shù)，再按射出鍵進(jìn)入儲料/射退/冷卻界面設(shè)定各參數(shù)（可先用默認(rèn)值或根據(jù)已有經(jīng)驗設(shè)定）。開關(guān)模等其它設(shè)定的參數(shù)已優(yōu)化，請勿隨意改動。(7) 當(dāng)料筒溫度達(dá)到設(shè)定值時，打開

43、料筒冷卻水進(jìn)/出閥門合上噴嘴安全罩向料斗內(nèi)加料啟動馬達(dá)按座臺退鍵點擊儲料鍵按射出操作鍵不妨，讓物料充滿料筒并清洗螺桿。(8) 從手動切換到半自動模式注射樣品：關(guān)安全門主畫面上顯示機(jī)器的操作狀態(tài)待樣條頂出后，開安全門。(9) 檢查注射制品外觀，根據(jù)充模情況修改射出參數(shù)。(10) 開合安全門一次，自動進(jìn)行下一輪注射操作。(11) 實驗完畢，向模具表面噴一薄層防銹油保護(hù)模具；手動合模并留約10mm的間隙，按(7)的次序用LDPE或PP清洗螺桿。(12) 20min后關(guān)閉料筒冷卻水閥門和總閥門。3.1.4 注塑實驗工藝參數(shù)注塑工藝參數(shù)設(shè)置與模擬參數(shù)一致，見表1和表2每組做2個樣品。3.2 數(shù)顯高度卡尺

44、測注塑制品翹曲度3.2.1 所測數(shù)值圖3.2 翹曲示意圖如圖3.2所示，h為數(shù)顯高度卡尺所要測的值，即式（1.2）中的h。3.2.2 數(shù)顯高度卡尺使用說明圖3.3 數(shù)顯高度卡尺圖3.3為本次實驗所以用的數(shù)顯高度卡尺1°注意事項(1)開始使用前，用干燥清潔的布（可沾少許清潔油）反復(fù)擦拭保護(hù)膜表面。(2)工作環(huán)境：溫度5-40，相對濕度80%以下，防止含水份的液體物質(zhì)沾濕保護(hù)膜表面。(3)不準(zhǔn)在任何部位上施加電壓（如用電筆刻字），以免損壞電路。(4)正確設(shè)置測量起點（見使用方法），除非更改設(shè)置，否則不要隨便按ON/O鍵，以免發(fā)生測量錯誤。(5)測量爪尖端鋒利，防止碰傷。2°按鍵

45、功能OFF/ON/ZERO開關(guān)和清零鍵HOLD保持鍵ABS相對和絕對測量轉(zhuǎn)換鍵mm /in公英制轉(zhuǎn)換鍵TOL公差帶鍵SET置數(shù)鍵3°輸出插口使用專用導(dǎo)線，可將測量結(jié)果輸入電腦或?qū)Ｓ么蛴C(jī)。接口工作方式：同步串行。數(shù)據(jù)：二進(jìn)制編碼，寬度24位，每數(shù)據(jù)發(fā)送二次，周期300ms（快顯狀態(tài)20ms），傳輸時間0.5ms。引線：數(shù)據(jù)D、時鐘CP、電源+。數(shù)據(jù)脈沖幅度：0電平0.2V，1電平1.3V時鐘CP：90KHz，高電平有效。4°主要技術(shù)參數(shù)(1)分辨力：0.01mm(2)重復(fù)性：0.01mm(3)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：JB5609-91(4)最大響應(yīng)速度：1m/s(5)電源：扣式電池，電壓

46、1.55V5°使用方法(1)擦干保護(hù)膜表面（見注意事項），清凈底座和測量爪的工作表面，按結(jié)構(gòu)示意圖安裝測量爪并鎖緊。(2)清凈平臺工作面，將高度尺置于其上，松開鎖緊螺釘，移動尺框，檢查顯示屏和各按鍵工作是否正常。(3)設(shè)置測量起點一般情況下，以平臺表面為測量零點進(jìn)行測量。步驟如下： 移動測量爪與平臺表面輕微接觸（測力約3-5N，以保證測量準(zhǔn)確性），顯示值應(yīng)為零，否則按ON/O鍵使顯示為零。特殊情況下，如用高度尺測量較大的工件而測量范圍不夠時，可用墊塊將高度尺底座升高，此時的測量零點仍為平臺表面，測量起點可選墊塊的表面或工件的某表面。如以前者為測量起點，應(yīng)預(yù)置墊塊的高度值（應(yīng)使用更精確

47、的儀器和測量方法確定該值）。如以工件某表面為測量起點，則應(yīng)預(yù)置該工件表面的高度值（設(shè)計值或?qū)嶋H值，依實際需要而定）。6°更換電池當(dāng)顯示不正常（不顯或閃爍），應(yīng)更換電池。按箭頭方向取下電池蓋，更換新電池。3.2.3 測量過程(1) 將數(shù)顯高度卡尺的底部直角邊與桌子的直角邊線對齊并固定，如圖3.4和圖3.5。圖3.4 Y方向?qū)R桌線圖3.5 X方向?qū)R桌線(2) 將數(shù)顯高度卡尺尺端降到最低，清零。(3) 粗調(diào)圖3.6中右邊的螺母，使尺端高度適合，顯示4mm左右。圖3.6 調(diào)節(jié)螺母(4) 微調(diào)圖3.6中左邊螺母，使尺端與試件最大變形處接觸，但不受力，如圖3.7所示圖3.7 卡尺(5) 讀出

48、顯示器中的數(shù)據(jù)，并記錄。(6) 實驗完畢后，清理桌面，包裝并收好器材。3.2.4 測量結(jié)果按照實驗序號，將測量結(jié)果分別填入表3.1，并計算平均值。表3.1實驗測得的翹曲值（單位：mm）序號翹曲量1翹曲量2平均值14.164.094.12524.173.884.02534.213.974.0944.574.524.52453.984.594.28564.164.494.32574.654.814.7384.785.014.89594.434.294.264 各因素在影響翹曲變形時的耦合關(guān)系（田口法）按照實驗序號，將實驗測得的翹曲值和模擬的翹曲值分別填入表4.1。表4.1 實驗測得的翹曲值和模擬的

49、翹曲值對比（單位：mm）序號翹曲量1翹曲量2平均值模擬值14.164.094.1254.224.173.884.0254.2534.213.974.094.7544.574.524.5244.46553.984.594.2854.1264.164.494.3253.9374.654.814.734.5884.785.014.8955.8294.434.294.264.31圖4.1 測得的翹曲值和模擬的翹曲值對比擬合曲線圖按照式（1.3）計算信實驗測得的翹曲值和模擬的翹曲值的信噪比，填入表4.2。表4.2 實驗測得的翹曲值和模擬的翹曲值的信噪比對比序號實驗信噪比模擬信噪比1-12.31-12.4

50、62-11.99-12.583-12.24-13.534-13.15-12.995-12.66-12.36-12.73-11.897-13.5-13.228-13.8-15.39-12.8-12.69考慮實驗過程中落料不規(guī)則沖擊，操作誤差等因素，對表格4.1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，得表4.3。表4.3 篩選后的翹曲度（單位：mm）序號翹曲量1翹曲量2平均值模擬值14.164.094.1254.224.174.174.2534.214.214.7544.574.524.5244.46553.983.984.1264.164.163.9374.654.654.5885.015.015.8294.434.

51、294.264.31圖4.2 篩選后實驗測得的翹曲值和模擬的翹曲值對比擬合曲線圖4.1.1 熔體溫度表4.4 有關(guān)熔體溫度的實驗測得的翹曲值和模擬的翹曲值的信噪比對比A實驗信噪比模擬信噪比1-12.4-12.882-12.52-12.583-13.35-13.89圖4.3 有關(guān)熔體溫度的實驗測得的翹曲值和模擬的翹曲值的信噪比對比曲線圖由圖4.3所示，有關(guān)熔體溫度的翹曲變形多因素耦合機(jī)制如下：熔體溫度規(guī)則變化，其他三個注塑因素隨機(jī)變化時，信噪比折線如圖4.3所示，按照實驗數(shù)據(jù)分析，溫度等級為1時，翹曲最小，溫度等級為3時，翹曲最大；按照模擬數(shù)據(jù)分析，溫度等級為2時，翹曲最小，溫度等級為3時，翹曲

52、最大。實驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)稍有偏差。4.1.2 注射時間表4.5 有關(guān)注射時間的實驗測得的翹曲值和模擬的翹曲值的信噪比對比B實驗信噪比模擬信噪比1-12.95-12.92-12.89-13.613-12.49-12.76圖4.4 有關(guān)注射時間的實驗測得的翹曲值和模擬的翹曲值的信噪比對比曲線圖由圖24所示，有關(guān)注射時間的翹曲變形多因素耦合機(jī)制如下：注射時間規(guī)則變化，其他三個注塑因素隨機(jī)變化時，信噪比折線如圖4.4所示，按照實驗數(shù)據(jù)分析，注射時間等級為3時，翹曲最小，注射時間等級為1時，翹曲最大；按照模擬數(shù)據(jù)分析，注射時間等級為3時，翹曲最小，注射時間等級為2時，翹曲最大。實驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)稍有偏差

53、。4.1.3 保壓時間表4.6 有關(guān)保壓時間的實驗測得的翹曲值和模擬的翹曲值的信噪比對比C實驗信噪比模擬信噪比1-12.97-13.392-12.71-12.763-12.65-13.05圖4.5 有關(guān)保壓時間的實驗測得的翹曲值和模擬的翹曲值的信噪比對比曲線圖由圖4.5所示，有關(guān)保壓時間的翹曲變形多因素耦合機(jī)制如下：保壓時間規(guī)則變化，其他三個注塑因素隨機(jī)變化時，信噪比折線如圖4.5所示，按照實驗數(shù)據(jù)分析，保壓時間等級為3時，翹曲最小，保壓時間等級為1時，翹曲最大；按照模擬數(shù)據(jù)分析，保壓時間等級為2時，翹曲最小，保壓時間等級為1時，翹曲最大。實驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)稍有誤差。4.1.4 保壓壓力表4.7 有關(guān)保壓時間的實驗測得的翹曲值和模擬的翹曲值的信噪比對比D實驗信噪比模擬信噪比1-12.30-12.492-12.74-12.63-13.24-14.06圖4.6 有關(guān)保壓時間的實驗測得的翹曲值和模擬的翹曲值的信噪比對比曲線圖由圖4.6所示，有關(guān)保壓壓力的翹曲變形多因素耦合機(jī)制如下：保壓壓力規(guī)則變化，其他三個注塑因素隨機(jī)變化時，信噪比折線如圖4.6所示，按照實驗數(shù)據(jù)分析，保壓