孫國棟 劉長(zhǎng)華

(九江學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院 江西九江 332005)

塑料蓋翹曲原因分析及玻纖含量對(duì)其翹曲變形的影響*

孫國棟 劉長(zhǎng)華

(九江學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院 江西九江 332005)

筆者利用Moldflow軟件，針對(duì)塑料蓋零件構(gòu)建澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，在流動(dòng)+冷卻+翹曲的模式下對(duì)塑料蓋零件翹曲變形的原因進(jìn)行分析，并研究不同玻纖含量對(duì)塑料蓋翹曲變形量的影響。結(jié)果表明：塑料蓋零件的翹曲變形主要來自于收縮不均。當(dāng)在塑料中添加不同百分含量的玻纖(8%，15%，30%)時(shí)，塑料蓋的翹曲變形量減小。對(duì)比不同玻纖含量下的翹曲變形量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加的玻纖含量為8%時(shí)，塑料蓋的翹曲變形量最小。

翹曲變形，Moldflow軟件，CAE模擬，玻纖含量

塑料零件的翹曲變形是影響塑料制品外觀和裝配的一個(gè)重要問題。研究者們一直在探索如何降低塑料制品在注塑成型過程中的翹曲變形。在以往的模具設(shè)計(jì)中，人們往往利用模具注塑出產(chǎn)品后，從產(chǎn)品的實(shí)際變形上找出其內(nèi)在原因。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，研究者們開始利用軟件模擬塑料熔體在模具型腔內(nèi)的流動(dòng)，從而在極大程度上加快了對(duì)翹曲變形的分析，且節(jié)約了成本。Moldflow是一款可以有效模擬熔融塑料在型腔中流動(dòng)的有效軟件，人們運(yùn)用Moldflow軟件進(jìn)行了諸如流動(dòng)、翹曲、充填等過程的模擬，并且得到了很準(zhǔn)確的結(jié)果。對(duì)于零件的翹曲變形，人們從模具結(jié)構(gòu)[1]、充填過程[2]、冷卻方式[3]、保壓方式[4]、模具溫度[5]、熔體溫度[6]等進(jìn)行了探究，力求減小零件的翹曲變形，且得到了一些有價(jià)值的結(jié)果。然而，影響塑料翹曲變形的原因是多方面的，只有找出塑件翹曲變形的真正原因才能夠有效的降低翹曲變形量。筆者采用Moldflow軟件對(duì)塑料蓋零件的翹曲變形原因進(jìn)行分析，找出影響該零件翹曲變形的主要原因，同時(shí)，從熔體自身成分出發(fā)，分析不同玻纖含量下該零件翹曲變形的大小，為模具設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 Moldflow分析前處理

1.1 建立有限元模型

首先，采用Pro/E wildfire4.0軟件構(gòu)建塑料蓋零件的三維模型，并在Pro/E wildfire4.0中將其轉(zhuǎn)化為STL(Stereo Lithography)格式。在Moldflow 6.1軟件中，利用fushion網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)該零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格平均邊長(zhǎng)為1.67mm。首次劃分的有限元網(wǎng)格最大縱橫比為39.988，不能夠達(dá)到翹曲變形的分析要求。為此，將劃分后的有限元網(wǎng)格先在Moldflow軟件下自動(dòng)修補(bǔ)，而后采用合并節(jié)點(diǎn)、交換邊等方式進(jìn)行手動(dòng)修改，最終得到如圖1所示的有限元模型，該有限元網(wǎng)格的匹配率為83.7%，最大縱橫比為9.970，可以滿足翹曲分析的要求。

圖1 塑料蓋修復(fù)后的有限元模型

1.2 建立澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)

對(duì)塑料蓋進(jìn)行翹曲變形分析前，應(yīng)構(gòu)建合理的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。澆口位置采用如圖2所示的由Moldflow軟件分析出的最佳澆口位置。

圖2 Moldflow軟件分析出的最佳澆口位置

根據(jù)塑料蓋的形狀和尺寸，在Moldflow軟件中建立如圖3所示的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。流道形狀采用圓形椎體，始端直徑是3mm，錐度是2°，冷卻系統(tǒng)中的管道直徑為5mm，水管與制品間距離為12.5mm，管道中心間距為15mm，制品之外距離為20mm，使用軟管連接管道。冷卻介質(zhì)為水，溫度為25℃。

圖3 塑料蓋澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)

1.3 選取試驗(yàn)材料及工藝參數(shù)

試驗(yàn)中所用材料為Moldflow軟件材料數(shù)據(jù)庫中提供的PBT(polybutylene terephthalate)材料。注塑工藝參數(shù)為：模具表面溫度80℃，熔體溫度190℃，開模時(shí)間為5s，其余參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置。

2 結(jié)果與分析

2.1 塑料件翹曲變形原因分析

Moldflow軟件在進(jìn)行零件的翹曲變形分析時(shí)可以采用兩種分析流程，分別為Cool-Flow-Warp (簡(jiǎn)稱CFW)和Flow-Cool-Flow-Warp (簡(jiǎn)稱FCFW)。CFW在進(jìn)行冷卻分析時(shí)是假設(shè)熔體的前沿溫度不變，先對(duì)塑件做Cool分析，將溫度差值減到最低，并以Cool的結(jié)果作為Flow的輸入，而FCFW在進(jìn)行流動(dòng)分析時(shí)是假設(shè)模具溫度不變。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模具溫度對(duì)零件的翹曲變形影響較大[5]，而塑料熔體前沿流動(dòng)溫度往往變化很小[6]。因此，本試驗(yàn)中翹曲變形分析采用的分析流程為Cool-Flow-Warp，對(duì)于翹曲分析， 在假設(shè)熔體前沿溫度不變的前提下，此時(shí)的計(jì)算結(jié)果更精確。

塑料蓋在注塑過程中產(chǎn)生的翹曲變形量如表1所示。MF/ Warp模塊把翹曲變形產(chǎn)生的原因歸結(jié)為冷卻不均勻、收縮不均勻和分子取向不一致[7]。表1顯示，塑料盒零件收縮不均引起的變形量和塑料盒件的總變形量相當(dāng)，而冷卻不均和分子取向不一致引起的變形量很小，因此塑料盒的翹曲變形主要由塑件自身的收縮不均引起的。

表1 塑料蓋零件翹曲變形量模擬結(jié)果(mm)

2.2 玻纖含量對(duì)塑料盒零件翹曲變形的影響

塑件自身的收縮引起的翹曲變形受到包括模具溫度、熔體溫度、保壓方式等諸多原因的影響，研究們往往結(jié)合正交試驗(yàn)來找到影響翹曲變形的最主要的因素。從試驗(yàn)結(jié)果看，塑件的翹曲變形主要受到熔體溫度的影響，而其他如模具溫度和保壓方式等因素對(duì)零件翹曲變形影響不顯著。熔體溫度即受到材料加熱溫度的影響，又受到塑料熔體自身成分的影響。研究者們往往考慮外部因素導(dǎo)致的熔體溫度變化，而很少考慮從塑料熔體成分的改變上降低塑件的翹曲變形。玻璃纖維添加到熔體中可以改變?nèi)垠w的流動(dòng)性質(zhì)已經(jīng)被試驗(yàn)所證實(shí)[8～9]。本試驗(yàn)中，添加玻纖含量分別為8%、15%和30%的PBT材料時(shí)引起的翹曲變形量(如圖4所示)。從試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加玻纖后的塑料盒件的翹曲變形量相對(duì)于未加玻璃纖維時(shí)有所降低。這與熔體中添加玻璃纖維后引起的塑料制品在橫向和縱向上的收縮量降低有關(guān)[10]。玻璃纖維加入熔體中，熔體在收縮時(shí)的阻礙增加，從而導(dǎo)致收縮受阻而降低翹曲變形量。從3種玻纖添加量引起的翹曲變形量看，當(dāng)添加的玻纖含量為8%時(shí)，塑料盒零件的翹曲變形量最小，這可能與玻璃纖維的取向不同有關(guān)[11]，需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖4 添加不同含量玻璃纖維時(shí)塑料蓋零件的翹曲變形量：(a)8% (b)15% (c)30%

3 結(jié)論

本文利用Moldflow軟件對(duì)塑料盒零件的翹曲變形進(jìn)行了模擬，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)引起塑料蓋零件翹曲變形的主要原因在于塑料蓋零件的收縮不均。當(dāng)在塑料中分別添加8%、15%，30%的玻璃纖維時(shí)，該塑件的翹曲變形量相對(duì)于未加玻璃纖維時(shí)有所降低。當(dāng)添加的玻纖含量為8%時(shí)，塑料蓋的翹曲變形量最小，這可能是玻璃纖維的不同取向造成的。

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(責(zé)任編輯李平)

九江學(xué)院校級(jí)科研課題(編號(hào)2013KJ20)的成果之一。

2014-8-6

孫國棟(1981-)，男，河北承德人，講師，主要研究方向?yàn)槟＞逤AD/CAE。Email：sunguodong1981@163.com。

TQ 320.662

A

1674-9545(2014)04-0034-(03)