塑料翘曲变形分析及解决方案.docx

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塑料翘曲变形分析及解决方案

影响注塑制品翘曲变形的因素很多，根据现代塑料制品翘曲理论，分为四大类，包括塑料材料、制品形状、模具结构和成型工艺条件。

首先是塑料材料及添加剂。

塑料取向能力和结晶性能显著影响翘曲变形，取向材料比未取向材料更容易翘曲，结晶型聚合物翘曲变形倾向比无定型聚合物的要大，如果聚合物中有添加剂（如色料），则会加大注塑制品翘曲变形程度。

其次，塑料制品形状尺寸也能影响翘曲变形。

产品形状、壁厚、加强筋、表面装饰性浮雕等，能影响充模性能、冷却效果，导致制品取向、内应力、收缩等分布不均匀，翘曲变形也就无法避免。

另外，模具结构对翘曲变形很有影响。

浇注系统及冷却系统设置、排气性能好坏、模具顶出机构设计等都能影响制品取向与收缩，从而显著影响制品出模后的翘曲变形。

最后一个能显著影响翘曲的因素是工艺条件。

注塑熔体塑化质量、熔体温度、注塑压力、保压压力、保压时间、模具温度等许多工艺参数都影响制品翘曲变形。

对于这些影响因素，设计人员很难予以全面考虑，因此，有必要对翘曲变形进行数值模拟，预测制件变形大小，以指导实际生产过程。

自20世纪中叶以来，塑料流变学、材料学、数值计算方法和计算机技术的突飞猛进为塑料模CAE技术发展创造了有力条件。

塑料模CAE研究经历了从初级到高级、从简单到复杂、从理论研究到实际应用的发展历程。

流动过程的研究早在五十年代开始，至八十年代已经发展到实用化程度保压过程和冷却过程研究比流动过程研究要晚十年，直到九十年代才开始研制实用化软件，而纤维定向至今仍然集中于理论研究残余应力研究从七十年代开始，现正向实用化方向努力。

相比之下，翘曲变形的研究工作远不及流动、保压、冷却、应力等模拟研究那么早，而且进展较慢。

导致这种现象的原因有很多方面:

（1）翘曲变形模拟与注塑流动、保压、冷却等阶段的研究发展状况有关。

只有在完成了流动、保压、冷却及应力分析的基础上，才可能进行翘曲变形的数值模拟研究。

（2）与注塑其他阶段不同，导致制品翘曲变形的因素太多，包括塑料材料、制品和模具结构、注塑成型工艺参数等，到目前为止，注塑成型翘曲变形机制仍然存有争议，有待进一步的深入研究。

（3）翘曲变形数值模拟必须与精确的试验测试手段相结合，在这方面存在着较大的难度。

纵观整个注塑成型研究历程，翘曲变形的研究己成为了注塑成型CAE技术发展的当务之急。

从查阅大量文献可以看出，翘曲变形研究可归纳为三个方面:

（1）从产品设计方法学角度研究翘曲变形，以优化注塑制品设计和成型工艺条件设置。

（2）采用试验方法，分析翘曲变形与塑料材料、产品及模具结构、成型工艺参数等之间关系。

（3）从理论上对翘曲变形进行定性和定量的研究。

翘曲变形的产品设计方法学研究

翘曲变形的产品设计方法学研究，最开始是根据实际生产经验，从定性角度分析影响注塑制品翘曲变形的因素，探讨减少翘曲变形的方法。

后来才发展到将工程优化设计方法用于注塑成型工艺中，力图设计出优化的塑料产品和模具，选用合适的成型工艺条件，以达到最大程度减少翘曲变形的目的。

从七十年代开始，N.C.Baldwin从产品、模具设计及注塑成型工艺角度，定性探讨减少翘曲变形的方法。

他指出，不正确的产品设计所导致的翘曲是最严重的，几乎不可能通过成型工艺条件来修正，不均匀壁厚、筋板、浮雕等都能引起不均匀收缩，从而导致制品翘曲;在模具设计中，无论是对何种材料，最重要的影响因素是模具浇口大小和位置;在成型工艺条件选取方面，不均匀压力分布和温度分布也能导致翘曲变形。

八十年代中期，K.B.Spatola在实际生产中发现，塑料材料的结晶程度越高，越容易发生翘曲变形，而无定型塑料材料如PC等在成型过程中则不易发生翘曲;在流动过程中，平行于流动方向取向比垂直于流动方向的取向要大，从而导致各向异性收缩和翘曲变形，并根据这些原则对塑料进行改性，以减少翘曲变形程度。

九十年代初，MOLDFLOW

公司的C.Austin分析了注塑制品产生翘曲变形的原因，并从塑料材料选择（主要考虑结晶性能、取向性能、成型收缩性能）、注塑产品设计（主要指壁厚）、注塑模具设计（包括浇口位置和流道尺寸、冷却流道尺寸与布置）、注塑成型工艺条件选取等方面探讨减少翘曲变形的方法。

九十年代末，有学者开始采用工程优化设计思想来设计塑料产品和选择成型工艺B.H.Lee在设计注塑制品时，首次打破制品壁厚应尽可能均匀的不成文规矩。

他认为，在预定的尺寸误差范围内，有意改变壁厚，是减少翘曲的一种方法，并利用基于正交试验和信噪比分析原理TAGUCHI方法，将不同壁厚看作可控制的设计因素，而将注塑时间、熔体温度、冷却问题等工艺变

量看成噪声因素，得到不同壁厚因子组合的制品壁厚，且对每种壁厚模型，采用差异分析法，获得最优壁厚和最佳工艺设置。

在此基础上，R.Sahu,Dongang.Y和B.Kim突破了传统设计方法中先给定产品几何形状，通过反复试差，在一定范围内选择变量的定性思维。

为了研究不均匀收缩而产生的翘曲变形，他们将壁厚、充模时间、保压时间、熔体温度、模具温度、保压压力作为优化设计的设计变量，采用基于优化的基因算法和TAGUCHI法求解减少翘曲变形的优化问题，并给出注塑制品的理想厚度和体积。

翘曲变形的试验研究

与产品设计方法学研究不同，翘曲变形的试验研究是通过大量试验，获取原始试验数据，分析试验现象，从中挖掘试验规律，以了解塑料材料、产品和模具机构以及注塑成型工艺参数对翘曲变形的影响程度与趋势。

从九十年代开始，许多学者陆续采用试验方法研究结晶型和无定型塑料、注塑成型工艺条件与翘曲变形之间的关系。

W.Discipio,A.Wagle,S.P.Mccarthy研究了塑料冷却、分子取向松弛和结晶性能（对结晶材料）所造成的收缩，将收缩/翘曲特性与材料热膨胀系数联系起来，并认为收缩/翘曲结果依赖于分子和纤维取向、压力和温度分布、残余应力等的正确预测。

C.S.Lee,A.Dubin,K.Sarkar等试验研究了不同材料和壁厚平板的收缩和翘曲特征。

试验表明,无论采用何种材料，薄板的翘曲比厚板要大得多，而厚板的翘曲相对较小;并且玻璃增强塑料薄板的翘曲比各向同性塑料薄板的翘曲大。

D.W.Radford和R.J.Diefendort研究了复合材料在成型和使用过程中的变形，发现了结晶型复合材料薄板，在成型过程中会发生翘曲变形，在使用过程中随着环境温度变化，将会继续变形;并提出基于层状薄板理论预测制品形状变化的数学模型。

V.Leo和C.Curelliez试验研究了浇口几何形状、保压参数和模具弹性对制品最终尺寸的影响。

后来，试验研究拓宽到研究材料的纤维定向对制品翘曲的影响。

H.Kikuchi和K.Koyama重点研究了33%玻璃增强纤维PA“注塑磁盘增强比率、线性然膨胀系数各向异性、制品厚度与翘曲之间关系，并发现:

（1）线性热膨胀系数各向异性决定了注塑磁盘翘曲模式，也是控制翘曲变形的重要参数。

（2）薄壁磁盘翘曲明显而厚壁磁盘不易翘曲，且翘曲大小与测量翘曲时的温度有关。

同时，还提出了材料力学参数与各向异性之间的线性关系经验公式。

E.J.Fahy则基于相似理论，构造相似试验模型，研究增强塑料圆形翘曲变形机理，他们认为磁盘发生拱形或马鞍形变形的原因是由于平面内热膨胀系数的各向异性（由磁盘在径向和切向上纤维不同取向程度所引起的），并提出相应的试验公式。

翘曲变形的理论研究

随着注塑成型工艺基础研究的不断发展，研究人员开始注意从理论上来研究翘曲变形机理及预测方法。

从现有己发表的文献来看，比较成熟的理论是:

翘曲变形与不均匀的收缩有关，由于收缩的不均匀而导致应力分布的不均匀，从而导致翘曲的发生。

因而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，分析收缩与制品翘曲之间的关系。

早期的研究工作主要集中于研究各种工艺条件与注塑制品收缩之间的关系。

七十年代后期，W.G.Haisitend,J.R.Rinderie和N.P.Suhf33]在注塑模具设计中仅考虑压力、温度、体积三者关系，根据塑料P-V-T试验图分析可能产生的体积收缩，并采用变体积法对收缩量进行补偿。

R.G.Egbers和K.G.Johnson首次对不同牌号HDPE在不同冷却时间、模具温度、熔体温度和注射压力下，采用不同浇口尺寸测试其收缩情况，得出80%收缩与制品厚度和浇口尺寸有关，20%收缩与成型条件有关的结论。

GP.Hebert和L.P.Salloum通过试验测量PMP在充填30%纤维是温度变化对收缩的影响，并用统计法总结出收缩与制品及模具温度之间的关系。

八十年代中期，收缩研究已经由定性分析发展到提出简单经验模型的阶段。

W.B.H.Nievelstein和Gmenges着重研究保压压力、模具温度、制品厚度、熔体流动方向对收缩的影响，并采用线性叠加原理获得预测收缩的经验模型。

G.Salloum,D.Charland和B.Sanachgrin通过大量试验，发现影响收缩大小的工艺参数依次是保压压力、冷却时间、模具温度、最大注塑压力、熔体温度、收缩与成型参数呈线性关系，建立了磁盘和平板的收缩模型。

J.Shoemaker,R.Allan和P.Engelmann研究了均匀壁厚制品和变壁厚制品的收缩均匀性，并通过优化保压过程来减少收缩量。

B.Sanschagrin,S.Rivard,L.P.Hebert和P.Girard[39]着重研究纤维增强材料的收缩性能，提出了预测纤维增强材料的收缩模型。

试验表明:

影响增强纤维材料轴向收缩和横向收缩的因素有保压压力、注塑速度、熔体温度、模具温度及增强比例，其中最重要的是增强比例，其次是保压压力和模具温度。

E.C.Bemhardt介绍了Tmconcept公司收缩评估软件，该软件考虑了成型工艺条件、流动取向、模具外形等影响收缩的主要因素，并认为仅用P-V-T数据的简化收缩模型计算涉及诸如取向、各向异性等影响因素的复制品的收缩是不正确的。

BoudreauxE和FordA.G[41.421分别研究了不同注塑温度、模具温度条件下PMP和增强型PMP制品的收缩，并采用统计方法提出了与材料特性、模具结构、制品几何形状、工艺条件有关的收缩试验模型。

到八十年代末期，许多学者开始利用收缩研究成果分析注塑制品翘曲变形。

Thomas和Mccfery最先在注塑流动、保压、冷却模型基础上提出了预测翘曲变形的模型。

该模型考虑到材料体积收缩、应力松弛和取向，通过试验和线性回归方法获得制品收缩与这些影响因素之间的关系。

然后在收缩预测的基础上，通过结构分析程序计算翘曲变形。

九十年代初，澳大利亚MOLDFLOW公司对许多材料在改变流动速度、保压压力、保压时间、模具温度、塑料充填时间、制品厚度等参数条件下，测量制品收缩大小，并根据测试结果，归纳了影响制品收缩的因素，包括体积收缩、结晶程度、应力松弛和取向效应。

在此基础上，Walsh提出了能考虑更多基本变量（体积收缩、结晶性能、模具限制、塑料取向等）的收缩预测方法，并利用流动和冷却分析结果预测收缩应变。

S.F.Walsh和P.Kenndday等在收缩预测基础上，将收缩应变输入通用结构分析程序，通过线性或非线性分析计算翘曲变形。

与MOLDFLOW公司不同，美国AC-tech公司主要从四各方面分析收缩/翘曲成因，包括不均匀冷却、不均匀面内密度分布、取向效应和角隅/边缘效应，并在流动、保压、冷却分析基础上，利用有限元分析软件计算翘曲变形。

由于其产品C-MOLD是基于P-V-T图计算体积收缩，为了提高精度，后来采用了“等效P-V-T”数据和结晶动力学来测量塑料材料特性，该方法能大大提高收缩预测和翘曲变形模拟精度。

如今，绝大多数商用化注塑分析软件采用收缩/翘曲分析模型。

翘曲变形研究方法的比较

以上总结的三种研究翘曲变形的方法各有特点，各有优劣，并可互为补充，产品设计方法学将工程优化思想用于产品设计、模具设计和成型工艺参数选择上，以减少翘曲变形。

其核心是把影响制品翘曲变形的主要因素作为设计变量，以最小变形作为设计目标，对产品、模具和工艺条件进行优化设