CAE在塑料光學零件注射成型中的應用

1、CAE在塑料光學零件注射成型中的應用    摘要:目前光學塑料非球面零件在各種光電儀器中的應用越來越普遍。針對在注射成型光學塑料零件時對質(zhì)量的特殊要求,本文介紹了利用注射成型( )軟件,通過對塑料填充過程、保壓過程和冷卻過程的模擬分析,對在成型中各工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)影響光學塑料零件的殘余應力和收縮率等最終質(zhì)量問題進行了研究。從工藝參數(shù)的選取和模具結(jié)構(gòu)設計等方面,提出了如何改善成型光學塑料零件質(zhì)量的措施,給出了模具面形成型前補償?shù)姆椒āＭㄟ^采用最大實體原則,利用分析結(jié)果進行模具面形補償最優(yōu)化計算。     關鍵詞:注

2、射成型;光學塑料零件;最優(yōu)化;面形補償    一、引言隨著近代光學和光電子技術的飛速發(fā)展,光電儀器以及構(gòu)成這些光電儀器的零件發(fā)生了深刻而巨大的變化。由于模具材料、模具制造技術和精密模壓工藝的發(fā)展,所以可以采用模壓技術加工精密光學塑料零件,特別是非球面光學零件、透鏡陣列和其它一些難以加工的特殊形狀的零件。精密模壓成型技術適于大批量生產(chǎn),成本較低,它適宜制造各種復雜形狀的光學零件1。雖然塑料光學零件耐熱性差、線膨脹系數(shù)大、雙折射大等,但它卻具有制造成本低、易于制造復雜形狀及非球面、重量輕、抗沖擊性能好等優(yōu)點。隨著成型技術、新型塑料材料、鍍膜技術的發(fā)展,光學塑

3、料零件的應用越來越廣泛。目前,國外各種光學塑料零件加工工藝已經(jīng)比較成熟,可以經(jīng)濟地加工高精度的光學塑料零件。相比之下,國內(nèi)仍采用傳統(tǒng)的工藝進行加工,加工的零件也以玻璃產(chǎn)品為主,光學塑料的制造和應用還比較少。由于計算機硬件及( )軟件的發(fā)展,所以可以利用軟件來提高光學塑料零件的成型質(zhì)量并且縮短開發(fā)周期。二、光學塑料零件注射成型的特點工程塑料零件成型的精度一般在0 10 01級,而光學塑料零件成型的精度則在微米級,其面形精度在波長級,如在讀寫頭中的塑料非球面透鏡的形狀精度要求在0 1以內(nèi)。光學塑料成型的任何內(nèi)部和外部缺陷都是不允許的,例如熔接線在普通的塑料成型中只是降低了此處的機械強度,而在光學塑

4、料零件中,熔接線直接影響光學性能,象氣孔等內(nèi)部缺陷對工程塑料的應用影響并不大,而在光學塑料零件中,則是嚴重的缺陷。熱塑性塑料最常用的成型方法是注射成型法和注射壓縮成型法。注射壓縮成型法得到的產(chǎn)品面形精度最高,產(chǎn)品的面形幾乎可以和模具的面形完全一樣。但由于注射壓縮成型設備比普通注塑機貴得多,在我國使用得還不廣泛,大多數(shù)廠家只有普通的注塑機,所以如何用普通的注射成型法生產(chǎn)高精度的光學塑料零件有著很重要的現(xiàn)實意義。三、在注射成型中的作用目前,我國的注塑模具設計和注塑工藝的處理還主要依靠經(jīng)驗。模具加工出來后進行試模,如果產(chǎn)品不合格,再進行修?；蚋倪M注塑工藝,這樣可能需要反復多次,不僅造成模具設計周期延

5、長、模具費用和生產(chǎn)成本提高,更重要的是即使最有經(jīng)驗的設計人員也不可能把各種因素都非常準確地考慮進去,從而使模具設計質(zhì)量不高,不能模塑出高質(zhì)量的產(chǎn)品。利用技術可以設計出高質(zhì)量的模具,給出最佳的工藝參數(shù),減少試模和修模次數(shù),這將大大縮短設計周期,降低成本。簡單地說,就是在計算機上對產(chǎn)品進行模擬分析,以此來代替試制和試驗。塑料注射成型的主要是對塑料的流動狀態(tài)、壓力分布、冷卻過程等進行模擬分析。能模擬塑料注塑零件的工藝條件,以獲得最佳的模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù),預測制品的幾何尺寸、微觀結(jié)構(gòu)以及其最終性能。采用技術,可以使工程技術人員通過對塑料融料在型腔內(nèi)的流動、保壓及冷卻進行全面的分析,以此來改進模具的澆注

6、系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng),調(diào)整成型工藝條件,可以預測填充的剪切應力、熔接線等,提高試模的一次成功率,提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率。注塑軟件是澳大利亞公司開發(fā)的,對熱塑性塑料熔體進入模具的流動過程的模擬分析是非常成功的,特別是在復雜情況下的分析,是世界公認的注塑工業(yè)標準,它精確高效的模擬注塑工藝全過程,能使生產(chǎn)廠家實現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、短周期的目標?，F(xiàn)在,在世界上已得到了廣泛的應用,有許多公司應用來改善其產(chǎn)品質(zhì)量,縮短開發(fā)周期2。對于采用普通注射成型法制造光學塑料透鏡來說,由于透鏡的厚度較厚,且厚度變化大,收縮系數(shù)變化大,所以很難憑經(jīng)驗預測模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對制品質(zhì)量的影響。對于光學塑料零件來說,有更大的作用,使得

7、能夠利用普通的注塑機生產(chǎn)較高質(zhì)量的光學塑料零件。四、工藝參數(shù)的優(yōu)化在塑料注射成型過程中,工藝參數(shù)很多,對收縮及殘余應力影響較大的主要有:注射壓力、注射溫度、填充速度及速度曲線類型、保壓壓力大小及時間、保壓壓力曲線類型、模具溫度以及冷卻系統(tǒng)的溫度等。由于在注射過程中過大的剪切應力會導致過大的殘余應力,并可能引起塑料的分解等缺陷;又由于塑件的收縮直接影響幾何尺寸和面形,所以在注射過程中的剪切應力應當控制在合理的范圍內(nèi),并且盡量減小塑件的收縮。由于澆道系統(tǒng)及各部位幾何形狀不同,不同部位對充模熔體的流動(速度、壓力)提出不同的要求,否則就要影響熔體在這一部位的流變性能或高分子的結(jié)晶定向作用,以及制品的

8、表面質(zhì)量,所以這就要求采用多級注射工藝。填充速度曲線類型如圖1所示。圖1填充速度曲線類型圖2是填充速度曲線類型對剪切應力的影響。圖2填充速度曲線類型對剪切應力的影響由圖2可以看出,填充速度曲線()和曲線()的剪切應力差別極小,而填充速度曲線()比曲線()和曲線()的剪切應力小得多,這是因為在填充的最后階段,邊緣的厚度較薄,如果還以高的填充速度注射,必然產(chǎn)生較大的剪切應力。填充速度曲線()在注射結(jié)束階段降低了速度,這樣既可以減低剪切應力,又可以避免產(chǎn)生溢邊的現(xiàn)象。所以在注射過程中,應當采用多級注射。通過模擬分析和理論分析可知,填充速度越大剪切應力越大,所以填充速度不宜過大,且過大的填充速度可能引

9、起噴射等缺陷。模具溫度等參數(shù)對剪切應力的影響較小。保壓流動和充模時的壓實流動都是在高壓下的熔體致密流動。這時的流動特點是熔體流速很小,不起主導作用,而壓力卻是影響過程的主導因素。在保壓階段,模內(nèi)壓力和比容不斷變化。產(chǎn)生保壓流動的原因是因為型腔壁附近的熔體受冷卻后收縮,熔體比容發(fā)生變化,在流入口凝固前,熔體在注射壓力作用下繼續(xù)向型腔補充熔體,產(chǎn)生保壓流動。保壓壓力曲線類型如圖3所示。從模擬分析中可以得出對塑件收縮影響最顯著的因素是:保壓壓力大小、保壓壓力曲線、保壓時間,而其它因素的影響較小。收縮率隨著保壓壓力的增大而減小。保壓壓力曲線類型對塑件收縮影響如圖4所示。圖4保壓壓力曲線類型對塑件體積收

10、縮的影響在圖4中,曲線()是常壓方式,它不僅一直以較高的壓力補充熔體,又可以使塑件在澆口凝固時產(chǎn)生高的“封口壓力”,根據(jù)方程得,封口壓力越高則收縮率越小。而曲線()由于從開始就隨時間下降,所以保壓效果不如曲線()。曲線的保壓效果和曲線()相近,這種方式比較合理,因為可以使塑件在較高的壓力下凝固,減小了塑件的收縮。而在澆道系統(tǒng)凝固后,再施加保壓壓力已經(jīng)不能傳遞到型腔內(nèi),這時的保壓已經(jīng)沒有作用,而只能使能量白白地浪費。最合理的保壓方式應該選擇曲線(),既可以減少收縮,又可以避免過保壓,并且能夠節(jié)約能量。根據(jù)模擬分析所選擇的最佳工藝參數(shù)的剪切應力和體積收縮如圖5和圖6所示。五、模具面形的補償模具面形

11、補償有兩種方法:成型后測量變形的補償方法和成型前預測變形的補償方法34。目前普遍采用的模具面形補償方法是成型后測量變形的補償方法,這一方法中的評價技術、補償技術以及連續(xù)成型的穩(wěn)定性是決定性因素,其過程如下:用形狀和設計值接近的模具進行實際的成型,評價在最合適的工藝條件下成型的模壓零件,并與模具形狀相比較,計算模具的補償量,修正模具面形,再進行成型,直到成型的零件合格為止。對于透鏡來說,形狀誤差不僅僅是由于樹脂收縮而造成的,彎曲和脫模時的變形也起重要的作用。由于塑料的成型是一個復雜的過程,成型品各個部位的變形及收縮是不同的,隨成型品的形狀和工藝條件的變化而不同。這就決定了補償過程是一個費用高、時

12、間長的反復過程。另一種對模具面形的補償方法是成型前預測變形的補償方法,它是根據(jù)軟件對復雜的零件模擬分析,不用制造模具就可以確定零件各部位的收縮率及變形,然后修改模具面形的幾何尺寸,再進行模擬分析,使得可以加工出滿足要求的零件形狀。這種方法節(jié)約了模具的制造試制費用,縮短模具開發(fā)時間,提高了塑件成型的精度。因為在模具加工完后進行試模,模具可能不完全合適,還需要修模,所以在一般模具制造中,把型腔做的稍微小一些,以便在修模的過程中模具可以直接在模具上加工,否則如果模具型腔太大,則需要對模具進行補焊或鍍膜,這將大大增加加工的難度和成本。在進行模具面形補償時,為了便于模具的修模,補償?shù)拿嫘螒斒鼓＞叩男颓?/p>

13、也小一些,即模具型腔保持最大的實體,如圖7所示。在圖7中,曲面為補償后的模具面形,曲面為根據(jù)計算機模擬分析的結(jié)果或所要求的模具面形,用此模具面形在設定的工藝條件下可以產(chǎn)生所設計的透鏡形狀。但是由于直接加工曲面是不可能的,所以要用可加工的曲面來近似,這可以選用球面或回轉(zhuǎn)非球面。所以在曲面擬合時使負誤差比正誤差小,使負誤差與正誤差的比值為一個小數(shù),用此條件作為優(yōu)化函數(shù)的約束條件。在此約束條件下使補償?shù)拿嫘闻c模擬分析所要求的面形的誤差加權平方和最小,求得此時的面形參數(shù),這樣就有利于模具的修復。光學透鏡的面形是對稱旋轉(zhuǎn)曲面,為了便于加工,模具的面形選用旋轉(zhuǎn)曲面。高精度的型腔面形可以采用單點金剛石加工的方法,它的加工精度很高,可以直接加工出高精度非球面的面形。設模具補償?shù)拿嫘畏匠虨?(,)。如果根據(jù)計算機模擬的結(jié)果計算的理想模具面形為=(,),則補償曲面與理想模具面形的誤差為=(,)-(,)。根據(jù)最大實體原則得到其目標函數(shù)為約束條件為-()= (),為一個正小數(shù),即()= ()-()=0利用罰函數(shù)法求函數(shù)()的最優(yōu)解 ,就得到了模具面形曲面方程的參數(shù)。根據(jù)以上的目標函數(shù)和優(yōu)化方法,可