薄殼注塑成型技術的研究

1、薄殼注塑成型技術的研究摘要：薄殼注塑成型技術是一種近些年發(fā)展的新興技術，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踐中的問題尚待解決。可是現代生活中，電子、電器產品廣泛應用， 產品正朝著“小型、輕薄”的設計理念方向發(fā)展，同時人們對這些產品的需求也在快速增長，于是在常規(guī)注塑成型技術的基礎上，薄壁注塑成型技術得到快速發(fā)展?，F在對薄殼注塑成型的產品缺陷、模具設計、計算機輔助工程（CAE）(Moldflow)技術應用展開研究。關鍵詞：薄殼注塑成型技術、產品缺陷、模具設計、CAE技術、流長厚度比、冷凝層一、薄殼注塑成型技術的概念關于薄殼注塑成型還沒有定確的概念，一般定義為：流動長度/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。因此要給出一個定確的定義還是比較困難的；隨著成型設備及模具制造技術的發(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次缺陷名稱缺陷成因模具修正成型改善1缺料成品的細小部位、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, 設計缺陷(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保壓時間等3表面影像常發(fā)生于經過偷肉的BOSS柱、或筋的背面, 或是由于型芯、頂針設計過高造成應力痕降低火山口；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)生于進澆口處, 多由于模溫不高, 注射速度、壓力過高, 進澆口設置不當, 進澆時塑料碰到擾流結構變更進澆口, 流道打光, 流道冷料區(qū)加大, 進澆口加大, 表面加咬花（通過調機或修模趕結合線亦可)升高模溫降低注射速度減小注射壓力等5結合線發(fā)生于

4、兩股料流匯合處, 如兩個進澆口的料流交合, 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)生公母模的結合處, 由于合模不良所致, 或是模面邊角加工不當, 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射出機臺噸位是否足夠)降低料溫減小注射壓力減少保壓時間 降低保壓壓力等7變形細長件、面積大的薄壁件、或是結構不對稱的較大成品由于成型時冷卻應力不均或頂出受力不一所致修正頂針；設置起張緊作用的拉料銷等; 必要時公模加咬花調節(jié)變形調整公母模模溫降低保壓等(小件變形的調節(jié)主要靠壓力大小及時

5、間大件變形的調節(jié)一般靠模溫)8表面不潔模具表面粗糙, 對于PC料, 有時由于模溫過高, 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)生于成形品薄壁轉角處或是薄壁RIB根部, 由于脫模時受力不良造成, 頂針設置不當或是拔模斜度不夠。加大轉角處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間等10拉模表現為脫模不良或模傷、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；粘母模面時可以增加/變更拉料銷, 牛角進料時注意牛角徑, 公模加咬花減小注射壓力降低保壓及時間等11氣孔透明成品PC料成形時容

6、易出現, 由于注塑過程中氣體未排盡, 模具設計不當或是成型條件不當都有影響增加排氣變更澆口(進澆口增大), PC料流道必須打光嚴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, 表現為結合面的層次不齊等, 由于合模不當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、銀條等缺限也會發(fā)生14尺寸超公差模具本身的問題, 或是成型條件不當造成成型收縮率不合適通常改變保壓時間、注射壓力(第二段）對尺寸的影響最大, 例如提高射壓、提高保壓補縮作用可明顯加大尺寸, 降低模溫亦可, 加大進澆口或增加進澆口可以改善調節(jié)效果三.薄殼注塑成型制品的模具設計分析常規(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，在很短的時間內就會固化，這使得成型過程變得復雜，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)制品的標準化模具相比，薄壁制品的模具從模具結構、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。作下幾個方面分析：(1)模具結構：高速射出的塑料增加模具損耗，并承受成型時的高壓，薄壁成型模具的剛度要大、強度要高。因此模具的動、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、腔處應預負荷0.1mm.模具內可能要多設置內鎖，以保證精確定位和良好的側支撐，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）硬度應大于HRC55（如H13和D2）。H13鋼的屈服強度較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，要使用大澆口，而且澆口應該大于壁厚。如：直澆口應設置冷料井，以減少澆口應力，協助填充，減少制品去除澆口時的損壞。為保證有足夠的壓力充填薄的模腔，流道系統(tǒng)中應盡可能減少壓力降。為此，流道設計要比傳統(tǒng)的大一些，同時要限制熔體的駐留時間，以防止樹脂降解劣化。當是一模多腔時，澆注系統(tǒng)的平衡性要

9、求遠高于常規(guī)模具的要求。值得注意的是薄壁制品模具的澆注系統(tǒng)中還引入了兩項先進技術，即熱流道技術和順序閥式澆口技術。(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生的殘余應力。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，就必須加強模具的冷卻，確保冷卻均衡。較好的冷卻措施有在型芯及模腔模塊內采用不閉合冷卻線，加大冷卻長度，均可增強冷卻效果，必要的地方加入高傳導率金屬鑲塊，以加快熱傳導。(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，最好可以進行抽真空操作。由于填充時間短，注射速度高，模具的充分排氣尤其是流動前沿聚集區(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)：因為薄殼制品的壁和筋都很薄，非常容易損壞，而且沿厚度方向收縮很小，使得加強筋和其它小結構很容易粘合，同時高保壓壓力使收縮更小。為避免頂穿和粘模，薄壁注塑成型應使用比常規(guī)注塑成型數量更多、尺寸更大的頂出銷。四CAE技術在薄殼注塑成型制品中的應用及反思（一）薄殼注塑成型中CAE技術在制品設計、模具設計和注塑成型三個方面的應用。(1). 制品設計 制品設計者能用流動分析解決下列問題。 1制品能否全部注滿這一古老的問題仍為許多制品設計人員所

11、注目，尤其薄殼制品的轉角、邊角、加強筋等。 2獲取制件實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)時間，從而提高生產效率，降低塑件成本。 3澆口位置是否合適采用CAE分析可使產品設計者在設計時具有充分的選擇澆口位置的余地，確保設計的審美特性。 (2). 模具設計 CAE分析可在以下諸方面輔助設計者和制造者，以得到良好的模具設計。 1良好的充填形式對薄殼注塑成型來說，最重要的是控制充填的方式，以使塑件的成型可靠、經濟。單向充填是一種好的注塑方式，它可以提高塑件內部分子單向和穩(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致的翹曲變形。 2最佳澆

12、口位置與澆口數量為了對充填方式進行控制，模具設計者必須選擇能夠實現這種控制的澆口位置和數量，CAE分析可使設計者有多種澆口位置的選擇方案并對其影響作出評價。 3流道系統(tǒng)的優(yōu)化設計實際的模具設計往往要反復權衡各種因素，盡量使設計方案盡善盡美。通過流動分析，可以幫助設計者設計出壓力平衡、溫度平衡或者壓力、溫度均平衡的流道系統(tǒng)，還可對流道內剪切速率和摩擦熱進行評估，如此，便可避免材料的降解和型腔內過高的熔體溫度。 4冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設計通過分析冷卻系統(tǒng)對流動過程的影響，優(yōu)化冷卻管路的布局和工作條件，從而產生均勻的冷卻，并由此縮短成型周期，減少產品成型后的內應力。 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。反復地試模、修模要耗損大量的時間和金錢。此外，未經反復修模的模具，其壽命也較長。 (3)注塑成型 注塑者可望在制件成本、質量和可加工性方面得到CAE技術的幫助。 1 由于薄殼制件成型經驗的局限性，工程技術人員很難精確地設置制品最合理的加工參數，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人員確定的注射壓力、鎖模力、模具溫度、熔體溫度、注射時間、保壓壓力和保壓時間、冷卻時間等，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實切的描述黏度,能較好的處理黏度對溫度和壓力的敏感性(注：黏度對壓力

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

15、2減小塑薄殼件應力和翹曲選擇最好的加工參數使塑件殘余應力最小。殘余應力通常使塑件在成型后出現翹曲變形，甚至發(fā)生失效。 3省料和減少過量充模流道和型腔的設計采用平衡流動，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間，從而縮短整個注射成型的時間，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技術在薄殼注塑成型制品中的應用反思 常規(guī)注塑的填充過程和冷卻過程是交織在一起的，當聚合物熔體流動時，熔體前沿遇到相對溫度較低的型芯表面或型腔壁，就會在其表面形成一層冷凝層，熔體在冷凝層內繼續(xù)

16、向前流動，冷凝層厚度對聚合物的流動有著顯著地影響。因為常規(guī)注塑成型時塑件的厚度較厚，所以此時冷凝層對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，所以此時這個影響就很大，特別是二者的尺寸可以相互比較時。研究表明當塑件的厚度減小時，冷凝層對流動的影響將會以指數形式增加，這也更說明了冷凝層在薄壁注塑成型中的影響之大，所以需要對薄壁注塑成型中的冷凝層的性質進行更深入、更全面的研究。因此有關薄壁注塑成型的數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，往往會對薄壁成型熔體流動產生較大的影響

17、。比如，熔接線強度對塑件性能影響很大，尤其是薄壁塑件，熔接線強度與溫度和壓力有關，但常規(guī)數值模擬時沒有考慮壓力的影響；材料的比熱、傳熱系數和壓力損失等?，F有的商品化數值模擬軟件由于忽略了這些影響因素，因而在預測薄壁注塑成型填充時會出現不一致的現象。（2）加深薄殼注塑成型理論研究。尤其是冷凝層的性質，以便提出更加合理的假設條件和邊界條件。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，熔體流動數學模型的許多假設和邊界條件在薄殼注塑成型中需要進行適當的調整。（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、保壓、冷卻、和翹曲分析等模塊，各模塊的開發(fā)是基于各自獨立的數學模型，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、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、保壓與冷卻分析和翹曲模塊必須有機地結合起來，進行耦合分析，才能綜合反映實際的