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薄壁件翘曲变形国内外研究现状 |
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作者：武汉理工大学 付永锋 |
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翘曲变形是薄壳塑料件注塑成型中的常见缺陷之一，因为涉及到对翘曲变形量的准确预测，而不同材料、不同形状的注塑件的翘曲变形规律差别很大。翘曲变形问题的存在会影响注塑件的形状精度和表面质量，当翘曲变形量超过允许误差后，就成为成形缺陷，进而影响产品装配。对各类大量日益增加的薄壁件(壁厚小于2mm)翘曲变形做出准确预测是有效控制翘曲缺陷的前提，长期以来，人们在翘曲预测方面做了大量的工作，常见的研究方法有实验法和理论分析法。
实验法研究现状
用实验方法研究塑料制品的翘曲变形主要体现在研究材料性质、产品的几何形状和大小、注塑成型工艺条件等对制品翘曲变形的影响。早在六十年代， VLeo和Ch.Curelliez通过设计大量的实验，获取浇口几何形状、保压参数(保压压力和保压时间)和模具的弹性对制品最终尺寸的影响。C.S.Lec和A.Dusin等用Nylon6和PET作为聚合物基，研究了不同材料和不同壁厚平板的翘曲特性。 HiroyukiKikuehi和 KiyohitoKoyama等实验研究了33%玻璃增强纤维PA66注塑磁盘的增强比率、线性热膨胀系数的各向异性、制品厚度和翘曲之间的关系，首次提出了翘曲指数概念，采用翘曲指数研究PA66塑料制品的翘曲特性，并研究了翘曲指数、翘曲和纤维定向状态之间的关系和屈服与翘曲指数的关系。
图 1: 手机外壳是一种典型的薄壁注塑件
E.J.Fahy等采用磁盘来测试增强塑料制品出模后发生翘曲变形的机制，并提出磁盘呈拱形或马鞍形变形的实验公式。M.Akay和S.Ozden等在大量实验数据的基础上，建立残余应力和翘曲之间的实验关系，这样就无需考虑忽略塑料的粘弹行为和假设塑料固化时材料性质与温度无关给翘曲预测带来误差。Radford和 Diefendorf等实验研究了复合材料在成型和使用过程中的变形。他们提出了基于经典层状薄板理论的预测制品形状变化的数学模型。
实验方法研究翘曲变形，往往局限于某一特定的几何形状、特定的材料和工艺条件，并不能全面考虑诸多因素对翘曲变形的影响，而且也不能在产品设计阶段预测可能发生的翘曲变形的大小。在实际使用中，经验公式的局限性也显而易见，不仅受实验条件的影响，还与实验数据的处理方法、经验公式的应用条件等许多因素有关，并且一种经验公式只适用于与实验状况相当接近的生产过程。
理论分析法研究现状
七十年代以前，翘曲变形分析大都采用定性分析，根据实际经验从制品设计、模具设计及注塑工艺条件等方面采取措施，尽量避免发生大的翘曲变形。固体力学、计算机科学、数值技术、材料科学等学科的发展，使得越来越多的学者开始对注塑制品的翘曲进行理论上的研究。
收缩/翘曲的研究
由于翘曲变形与不均匀收缩有关，许多学者从研究不同塑料在不同工艺条件下的收缩行为入手，来分析收缩与制品翘曲的关系。Thomas，N.Mccffery在注塑流动、保压、冷却模拟的基础上，通过实验和线性回归方法，提出了预测注塑制品收缩的模型，在收缩预测的基础上，通过结构分析模拟程序计算出制品的变形。
HaroldF.Giles等对GMT材料的收缩和翘曲行为进行了详细的研究，他们认为，GMT材料在成型过程中会发生纤维取向，树脂和纤维之间不同的收缩特性与纤维取向后形成的各向异性共同作用是导致制品翘曲变形的主要原因，他们通过改变具有不同纤维取向原料的布料方式，对纤维取向的影响程度进行了验证，并且发现制品的收缩和翘曲之间具有一定的相关性。Semmer建立一种塑料制品收缩和翘曲的数学模型时，将纤维取向、工艺温度、物料P一VT特性和两个可导致收缩和翘曲的特殊效应(即热岛效应和回弹效应)作为计算依据。
Rich Saile认为用高收缩率的材料很难获得尺寸精度高的制品，力求高精度，应尽量应用非晶态树脂和各方向收缩一致的树脂。MOLDFLOW公司对很多材料在改变流动速度、保压压力、保压时间、模具温度、充模时间、制品厚度等参数的条件下，测出制品的收缩。根据测试结果，将制品的收缩分为三个部分:体积收缩、分子取向引起的不均匀收缩、不平衡冷却引起的不均匀收缩。在此基础上，Walsh提出了能考虑更多基本变量(体积收缩、结晶含量、模具限制、塑料取向等)的收缩预测方法，利用流动和冷却分析结果来预测收缩应变。Walsh，Peter等在收缩预测基础上，计算制品翘曲。利用己求出的收缩应变，将收缩应变输入结果分析程序，等效成节点载荷后，通过线性或非线性分析可得到制品的翘曲变形，同时可以分离出影响特定塑料制品翘曲变形的主要因素和次要因素，对实际有很大的指导意义。
图 2: 一些医疗产品也需要透明的薄壁功能
由于影响收缩的因素很多，理论上很难预测收缩，所以大部分工作都是基于试验研究，根据试验结果提出试验收缩模型，然后计算翘曲变形。
应力/翘曲的研究
塑料熔体在成型过程中，由于取向、收缩的不均匀，导致内应力的不均匀，所以制品出模后，在不均匀内应力的作用下，发生翘曲变形。因此，许多学者从力学角度分析、计算制品的内应力和翘曲。在国外一些文献中，翘曲被看成是不均匀收缩产生的残余应力造成的。
在注塑成型冷却阶段，当温度高于玻璃化转变温度时，塑料是粘弹性流体，并伴有应力松弛现象：当温度低于玻璃化转变温度时，塑料变成固态。塑料在冷却过程中的这种液一固相转变和应力松弛，对准确预测制品残余应力和残余变形很有影响。Osswald在预测压塑模零件的翘曲时，提出了3-D弹性相转换模型。Matsuo-ka等采用了简单弹性模型，结合对注塑成型过程的集成分析，预测了增强型纤维塑料制品的翘曲。Chiang等既采用了基于LRW模型，又采用了纯流体弹性模型，预测注塑制品的收缩和翘曲。Kabanami和Crochet采用了3-D粘弹模型来预测注塑制品的残余应力和最终形状。Shih-JungLiu考虑了冷却阶段塑料由液态变为固态的相转换和应力松弛行为。对未固化的区域，塑料呈现粘性行为，用粘性流体模型描述，对己固化的区域，塑料呈粘弹行为，用标准线性固体模型来描述，采用粘-弹相转换模型和二维有限单元法来预测热残余应力和相应的翘曲变形。
塑料的结晶性能对制品的残余应力、翘曲变形也有影响。其中较为成熟的方法是R.Y.Chang和B.D.Tsaur所采用的，他们用改进的TAIT方程来描述结晶塑料的压力-体积-温度关系，用MALKIN结晶动力学描述塑料的结晶行为，用线性热粘弹模型计算流动残余应力和热残余应力，计算出的残余应力作为固体力学分析的初始条件，用三维有限元法来计算出翘曲。并用上述方法对结晶型塑料POLYPROPYLENE和无定形ABS平板的收缩、翘曲进行预测，且对其结果进行了比较。
Bushiro和Stokes以名义变量的方法来研究自材料参数到工艺参数等一系列广泛的参数对扁状制品翘曲的影响。假设材料是热流变学上简单的热粘弹材料，且忽略流动影响，用无定形热塑性塑料熔体层在平行冷板间的固化来构造注塑成型中制品翘曲的机理。
Jacques模拟了汽车无定形塑料平板由于不均匀冷却而造成的热翘曲。在采用一维有限差分分析注塑成型的传热过程后，将制品分为多层，根据各层的温度不同，计算经过玻璃化转变后的应力，通过采用纯弯曲理论计算出翘曲。这种方法可以分析简单制品受到热应力作用下的翘曲变形。Tamma等人分别采用传统有限元法和无限单元法分析制品的传热，并用梁的弯曲理论计算由温度变化而导致的热残余应力和翘曲变形。 TakaakiMatsuoka等通过采用三维薄壁注塑件的几何模型，将模具冷却、塑料充模－保压－冷却、纤维定向、材料特性和应力分析集成，预测翘曲。 
图 3: 笔记本的薄壁塑料外壳
Hiroyuki Kikuchi和Kiyohito koyama采用有限单元法来计算翘曲，首先求出熔体的流动场和纤维定向后，再求出热应力，最后利用非线性结构分析软件MARC来计算翘曲。郑州工学院的申长雨等几位学者提出了翘曲变形系数的概念，主要考虑温度不均匀分布引起翘曲变形，并采用数值计算方法计算出了翘曲变形系数。而后，采用弹性不变形理论、有限单元法计算温度应力，利用大连理工大学的结构分析程序来计算出翘曲大小。西北工业大学的吴建军等人用一维粘弹性本构方程求解了塑件的残余应力，用悬臂梁理论求解了用品的变形。华中理工大学的卢义强博士用薄板理论分析制品的翘曲变形，将制品的面内变形看作平面应力问题，将面向变形看作薄板弯曲问题，两类变形叠加后，采用平面问题及薄板弯曲问题的有限元法计算制品在三维空间坐标内的变形。
也有学者同时考虑了保压过程中保压压力对塑料的取向、残余应力的分布、制品最终变形的影响。Kabanemi，Crochet等，提出了真三维方法来计算残余应力和最终形状(收缩和翘曲)。他们考虑了保压阶段的影响，将制品分成三层，由三维网格来分析残余应力和变形。在此方法的基础上，Kabanemi，Vaitancourt等作了改进，提出了在保压阶段以后所引起的残余应力和变形的数值模拟模型。计算残余应力时，采用了热粘弹模型(包含体积松弛)。其采用的有限单元法是基于由平面单元集合而成的壳层理论，该理论正适用于形状复杂的薄壁注塑制品。
应力/翘曲变形的研究以其比较完善的力学理论背景，在近几年得到了迅速发展，开发基于制品内应力的三维翘曲变形分析软件是目前许多科研机构的重点研究方向。(end)
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(3/16/2008) |
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