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1、塑胶产品翘曲变形的分析研究塑胶产品翘曲变形的分析研究 QSMCQSMC we,we,we,change!change!change! we,we,we,change!change!change! we,we,we,change!change!change! we,we,we,change!change!change! By: Nick 08.07.2013 Quanta Confidential Quanta Confidential 目录 1背景 2目的 3塑胶产品翘曲变形原因分析 4塑胶产品翘曲变形解决对策 5新项目开发check list Quanta Confidential Quan
2、ta Confidential 背景 翘曲变形是指注塑制品的形状偏离了模具型腔的形状，它是塑料制品常见的缺陷 之一。出现翘曲变形的原因很多，单靠工艺参数解决往往力不从心。结合相关资 料和实际工作经验，将对影响注塑制品翘曲变形的因素作简要分析 产品翘曲分析新机种参考借鉴 探讨和研究产品翘曲 变形所产生的原因， 进而分析并针对不同 原因，采取相应对策 在现有分析和探讨基 础上，为后续新机种 开发提供参考 通过对变形翘曲分析 及对策的理解，为后 续新机种开发提供借 鉴 Quanta Confidential Quanta Confidential 什么叫变形 物理学名词，物体受外力作用而产生体积或形
3、状的改变 从力学角度来讲，变形是指结构（或其一部分）形状的改变。任 何结构都是由可变形固体材料组成，在外力作用下将会产生变形 和位移。 Quanta Confidential Quanta Confidential 目的 1.整理出影响翘曲变形的 各种原因 2.针对每个原因进行细 部分析 5.制定后续新产品开发 中针对变形需考虑问题 list 3.在细部分析基础上提 出改善对策 4.对改善对策有效性进 行分析 针对公司产线组装过程中出现issue的分析，因产品翘曲变形所造成的gap，step， 占据很大比例，因此，对产品翘曲变形进行分析，在NPI阶段，将翘曲变形问题解 决掉，可以避免后续组装的
4、诸多不良。 步奏 Quanta Confidential Quanta Confidential 塑胶产品翘曲变形原因分析 v影响塑胶产品翘曲变形的因子 塑胶产品变形 金属镶件产品收缩模具结构成型阶段残余应力 1浇注系统 2冷却系统 3顶出系统 塑化阶段 充填及 4冷却阶段 5脱模阶段 计划按照以下顺序对1-5重点因子进行分析 1.模具结构中的1,2,3 2.成型阶段的4,5 Quanta Confidential Quanta Confidential 塑胶产品翘曲变形原因细部分析 v影响塑胶产品翘曲变形细部分析 浇注系统-注塑模具浇口的位置、形式和浇口的数量将影响塑料在模具型腔内的填充状态
5、，从而导致塑件 产生变形 冷却系统-在注射过程中，塑件冷却速度的不均匀也将形成塑件收缩的不均匀，这种收缩差别导致弯曲力 矩的产生而使塑件发生翘曲 顶出系统-顶出系统的设计也直接影响塑件的变形 充填及冷却阶段-在这个过程中，温度、压力、速度三者相互耦合作用，对塑件的质量和生产效率均有极 大的影响 脱模阶段-脱模力不平衡、推出机构运动不平稳或脱模顶出面积不当很容易使制品变形 Quanta Confidential Quanta Confidential 塑胶产品翘曲变形原因细部分析 分析这些 翘曲变形产生的原因，我们不禁会问： 为什么模具浇口的位置、形式和浇口的数量会影响产品变形？ 为什么塑件冷却
6、速度快慢会导致产品变形？怎样才能使冷却符合我们的要求？ 为什么脱模力，推出机构和顶出面积会影响变形？如何才能得到我们想要的？ 为什么顶出系统的设计会影响变形度？什么样的设计才会使这种影响最小化？ 为什么注射温度、压力、速度会影响变形度？如何才能达到三者平衡？ 其他一些因素是如何影响到产品翘曲变形的？ Quanta Confidential Quanta Confidential 注塑充模时，塑料熔体在模腔中的流动，一般模腔壁面的温度都比塑料的熔点低， 所以熔体从进入模腔的时刻起便开始冷却，在与模壁接触的一层熔体构成了不移动的 外壳（冻结层）,而其内部则仍然是较热的熔体（流动层）。 塑料的成型收
7、缩率随流动方向的不同而不同，流动方向的收缩率远比垂直方向大（ 收缩率各向异性） 红色代表熔融塑料,蓝色 代表凝 固层而红色箭头代表热传方 向。 流动距离越长，由冻结层与中心流动层之间流动和补缩引起的内应力越大；反之， 流动距离越短，从浇口到制件流动末端的流动时间越短，充模时冻结层厚度减薄，内 应力降低，翘曲变形也会因此大为减少。 塑胶流动分析 浇注系统 Quanta Confidential Quanta Confidential 塑胶流动分析 以B77 MID FRAME为例 第一版设计浇口位置和数量如图A所示，由于流长及结构薄弱，在试模后发现长边变形度过大， 达不到客户需求，后经更改进点数
8、量及位置如图B所示，有效的改善了变形问题 B 1,2,3,4四支流长较其他长增加两支进点后，流长更为均衡 另外，多浇口的使用还能使塑料的流动比（Lt）缩短，从而使模腔内物料密度更趋 均匀，收缩更均匀。同时，整个塑件能在较小的注塑压力下充满。而较小的注射压力 可减少塑料的分子取向倾向，降低其内应力，因而可减少塑件的变形。 Quanta Confidential Quanta Confidential 由之前塑胶流动分析，我们得知压力对材料填充，收缩及应力变形有很大影响 那么什么样的射出压力才是合适的？ 注射温度、压力、速度分析 图示 压力与熔胶输送系统和模穴的关系 由图示可以看出，模穴入口的 压
9、力愈高，导致愈高的压力梯 度（单位流动长度之压力降 ）。熔胶流动长度加长，就必 须提高入口压力以产生相同的 压力梯度，以维持聚合物熔胶 速度 Quanta Confidential Quanta Confidential 那么，进点压力与熔胶流动速度和流长之间关系是否有逻辑可循？ 熔胶速度与压力梯度的关系 由图示可以看出： （1）：高的压力梯度会带来高的熔胶 流动速度 （2）：同样的压力梯度下，进点压力 增加，流长会随之增加 （3）：低压力梯度会产生低的熔胶流 动速度及低流长 （4）： 同样的压力梯度下，进点压 力增加，流长也随之增加 提问：这种关系是否可以量化？ 注射温度、压力、速度分析 Q
10、uanta Confidential Quanta Confidential 根据古典流体力学的简化理论，充填熔胶输送系统（竖浇道、流道和浇口）和模穴所 需的射出压力与使用材料、设计、制程参数等有关系。下图显示射出压力与各参数的 函数关系。使用P表示射出压力，n 表示材料常数，大多数聚合物的n值介于 0.150.36 之间，0.3是一个适当的近似值，则熔胶流动在竖浇道、流道和圆柱形浇 口等圆形管道内所需的射出压力为： 下面，我们来讨论他们之间的关系 射出压力与使用材料知黏滞性、流动长度、容积流率和肉厚的函数关系 注射温度、压力、速度分析 Quanta Confidential Quanta C
11、onfidential 熔胶流动在薄壳模穴之带状管道内所需的射出压力为： 熔胶的流动速度与流动指数(Melt Index, MI) 有关，流动指数也称为流导flow conductance），流动指数是熔胶流动难易的指标。实际上，流动指数是塑件几何 形状（例如壁厚，表面特征）及熔胶黏度的函数。流动指数随着肉厚增加而降低， 但是随着熔胶黏度增加而降低，参阅图示 流动指数相对于壁厚与黏度关系 注射温度、压力、速度分析 Quanta Confidential Quanta Confidential 熔胶流动长度决定于塑件厚度和温度 射出成形时，在特定的成形条件及塑件肉厚下，熔胶可以流动的长度将根据材
12、料的 热卡性质与剪切性质而决定，此性质可以表示为熔胶流动长度，如图所示 将射出成形充填模穴的射出压力相对于充填时间画图，通常可以获得U形曲线，如 下图，其最低射出压力发生在曲线的中段时间。要采用更短的充填时间，则需要高 熔胶速度和高射出压力来充填模穴。要采用较长的充填时间，可以提供塑料较长的 冷却时间，导致熔胶黏度提高，也需要较高的射出压力来充填模穴。 注射温度、压力、速度分析 Quanta Confidential Quanta Confidential 射出压力相对于充填时间之U形曲线 理想的填充时间范围 最低压力出现在填充开始段 填充时间越长，所需要射出压力越高 反之亦然 射出压力相对于
13、充填时间的曲线形 状与所使用材料、模穴几何形状和 模具设计有很大的关系。 可不可以建立一个更直观的各种影 响元素与射出压力的比较？ 注射温度、压力、速度分析 Quanta Confidential Quanta Confidential 针对影响射出压力的设计与成形参数进行比较 参数需要高射出压力可用低射出压力 塑件设计 肉厚 塑件表面 浇口设计 浇口尺寸 流动长度 注射温度、压力、速度分析 Quanta Confidential Quanta Confidential 参数需要高射出压力可用低射出压力 成形条件 熔胶温度 模壁（冷却剂）温度 螺杆速度 选择材料 熔胶流动指数 针对影响射出压力
14、的设计与成形参数进行比较 注射温度、压力、速度分析 Quanta Confidential Quanta Confidential 填充模式 填充模式(Filling Pattern)-是熔胶在输送系统与模穴内，随着时间而变化的流动 情形，如图下图所示。 充填模式对于塑件质量有决定性的影响，理想的充填模式是在整个制程中，熔胶以 一固定熔胶波前速度(melt front velocity, MFV)同时到达模穴内的每一角落；否则 ，模穴内先填饱的区域会因过度充填而溢料。以变化之熔胶波前速度充填模穴，将 导致分子链或纤维配向性的改变。 计算机仿真之熔胶充填模式的影像 此熔胶流动波前推进图可以发现
15、此产品在流动大至平衡，流动平 衡产品保压才能够一致性到达模 穴各处，这样才能有效的降低产 品收缩翘曲变形的问题 Quanta Confidential Quanta Confidential 熔胶波前速度与熔胶波前面积 填充模式 熔胶波前的前进速度简称为MFV，推进熔胶波前的剖面面积简称为 MFA，MFA可以取熔胶波前横向长度乘上 塑件肉厚而得到，或是取流道剖面面积，或者视情况需要而取两者之和。在任何时间， 容积流动率 = 熔胶波前速度(MFV) 熔胶波前面积(MFA) 对于形状复杂的塑件，使用固定的螺杆速率并不能保证有固定的熔胶波前速度。当模穴剖面面积发生变化，纵 使射出机维持了固定的射出速
16、度，变化之熔胶波前速度仍可能先填饱模穴的部份区域。下图 显示在镶件(insert) 周围熔胶波前速度增加，使镶埋件两侧产生高压力和高配向性，造成塑件潜在的不均匀收缩和翘曲。 熔胶波前速度(MFV)和熔胶波前面积(MFA)。MFV之差异会 使得塑料分子(以点表示)以不同方式伸展，导致分子与纤维 配向性的差异，造成收缩量差异或翘曲。 Quanta Confidential Quanta Confidential 塑件成形之MFV愈高，其表面压力愈高，分子链配向性的程度也愈高。充填时的MFV差异会使得塑 件内的配向性差异，导致收缩不同而翘曲，所以充填时应尽量维持固定的MFV，使整个塑件有均匀的分子 链配向性。 MFV和MFA是流动平衡的重要设计参数。不平衡流动的MFA会有突然的变化，当部分的模穴角落已 经充饱，部分的熔胶仍在流动。对于任何复杂的几何形状，应该将模穴内的MFA变化最小化，以决定最佳 的浇口位置。流动平衡时，熔胶波前面积有最小的变化，如下图所示 填充模式 (a) MFA变化导致的平衡与不平衡流动；及(b)其对应的充填模式
