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1、从注塑成型问题诊断探讨产品 模具与工艺设计的优化ReviewingPart MoldandProcessDesignOptimizationfromthePointofViewofTroubleshooting徐昌煜CharlesHsu2011年5月15和16日于广州骏星酒店 试模及量产时 经常遭遇的问题包括银纹 波纹 虎皮纹 流痕 气痕 缩痕 熔接痕 应力痕 黄化 脆裂 变形 周期时间长等 使得材料 能源 机器 设备 时间 人力及金钱浪费 良率偏低 甚至无法交货 若无正本清源之道 只有走上败亡之途 试模和量产中80 的问题源自设计不当 产品 模具与工艺设计是救亡图存 反败为胜的关键 强度 应
2、力 降解与污染 60分钟 对材料施加外力时 材料产生阻力而变形 换言之 材料受外力而在内部积蓄应变能 在变形的初期 以分子内原子间的距离变化或分子间距离的变化来应对 之后逐渐无法应对而发生各种构造变化 如部分分子向外力方向 或分子链从结晶中拉出等 这时 部分能量则因材料的粘性效应而变为热能逃出 若继续对材料做功 材料则形成新表面以便放掉能量 这就是破坏 而这时的材料的限界阻力就是强度 强度Strength 外力有 1 拉伸 2 压缩 3 剪 4 弯曲和 5 扭转 这些是由外力的方向差产生的 外力ExternalForce 拉伸 剪 弯曲 扭转 当外力施加于材料时 材料内部产生一种阻挡这外力的内
3、力 每单位面积的内力叫做应力 外力F 应力 时 A是内力作用面的截面积 材料的强度系以每单位面积可以承受的内力即应力表示 应力和强度StressandStrength 拉伸应力 拉伸应变和弹性模量 whereF tensileforce拉伸力A areawhereFapplies拉伸力所施之面积 紅色 tensilestress拉伸应力 tensilestrain拉伸应变E modulusofelasticity弹性模量 Poisson sratio泊松比 unitlateralcontraction unitaxialelongation whereF shearforce剪力Aa c m
4、n areawhereFapplies剪力所施之面积 shearstress剪切应力 shearstrain剪切应变G shearmodulus剪切模量 剪切应力 剪切应变和剪切模量 where x bendingstressinthexdirectionx方向弯曲应力M bendingmoment弯曲力矩I momentofinertiaofAwithrespecttozaxis惯性力矩A cross sectionalarea断面积 断面线处 whereE modulusofelasticity弹性模量EI flexuralrigidityofthebeam梁之弯曲刚性 弯曲应力 Tors
5、ionandTorque扭力与转矩 WhereG shearmodulus剪切模量 shearstrain剪切应变r0 outsidediameteroftheshaft轴外径r dA形心至轴之中心线之距离 theangleoftwistwhichisproportionaltothedistancexofthecross sectionfromthefixedend扭转角 与断面和固定端的距离x成正比 d dx theangleoftwistperunitlengthoftheshaft单位轴长之扭转角T torque appliedcouple 转矩 所施之力偶 shearstresson
6、dAdA上的剪切应力 shearstressattheoutersurfaceoftheshaft轴外径表面之剪切应力J polarmomentofinertia极惯性力矩 TorsionandTorque扭力与转矩 Residualstressisaprocess inducedstress frozeninamoldedpart Itcanbeeitherflow inducedorthermal induced Residualstressesaffectapartsimilarlytoexternallyappliedstresses Iftheyarestrongenoughtoov
7、ercomethestructuralintegrityofthepart thepartwillwarpuponejection orlatercrack whenexternalserviceloadisapplied Residualstressesarethemaincauseofpartshrinkageandwarpage 残余应力是制程中凝固在成型品中的应力 它可能是流动引起的或热引起的 残余应力对产品的影响与外力产生的应力相似 如果它们大到足以克服产品结构的完整性 产品在脱模时就会变形 而在之后受到外力时开裂 残余应力是收缩翘曲的主因 p 145 C MOLDDesignGui
8、de 残余应力ResidualStress Theprocessconditionsanddesignelementsthatreduceshearstressduringcavityfillingwillhelptoreduceflow inducedresidualstress Likewise thosethatpromotesufficientpackinganduniformmoldcoolingwillreducethermal inducedresidualstress Forfiber filledmaterials thoseprocessconditionsthatprom
9、oteuniformmechanicalpropertieswillreducethermal inducedresidualstress 在型腔充填期间能够减少剪切应力的工艺条件和设计要素可以减少流动引起的残余应力 同样地 举凡促进充分保压和均匀冷却者可以减少热引起的残余应力 至于添加纤维的材料 举凡增进机械性均布者可以减少热引起的残余应力 p 145 C MOLDDesignGuide 残余应力ResidualStress 流动引起的残余应力Flow inducedResidualStress Unstressedlong chainpolymermoleculestendtoconfor
10、mtoarandom coilstateofequilibriumattemperatureshigherthanthemelttemperature i e inamoltenstate Duringprocessingthemoleculesorientinthedirectionofflow asthepolymerisshearedandelongated Ifsolidificationoccursbeforethepolymermoleculesarefullyrelaxedtotheirstateofequilibrium molecularorientationislocked
11、withinthemoldedpart Thistypeoffrozen instressedstateisoftenreferredtoasflow inducedresidualstress 无应力的长链高分子在熔点以上倾向于任意卷曲的平衡状态 制程中被剪切和拉伸的高分子依流向排列 如果高分子在充分松弛前被凝固 分子排列便被锁在成型品中 此一凝入的应力就是流动引起的残余应力 p 145 C MOLDDesignGuide Becauseofthestretchedmolecularorientationinthedirectionofflow itintroducesanisotropic
12、 non uniformshrinkageandmechanicalpropertiesinthedirectionsparallelandperpendiculartothedirectionofflow 因为伸张的高分子沿流向排列 所以流向和垂直流向的机械性质不同而收缩率也不同 p 145 C MOLDDesignGuide 流动引起的残余应力Flow inducedResidualStress 热引起的残余应力Thermal inducedResidualStress Thermal inducedresidualstressoccursduetothefollowingreasons
13、Materialshrinksasthetemperaturedropsfromtheprocesssettingstotheambientconditionsreachedwhentheprocessiscomplete Thematerialelementsexperiencedifferentthermal mechanicalhistories e g differentcoolingratesandpackingpressures asthematerialsolidifiesfromthemoldwalltothecenter 热引起的残余应力的起因如下 制程从设定温度降到室温时材
14、料收缩 当材料从模壁向型腔中心固化时 材料单元经历了不同的热力过程 如不同的冷却率和保压 p 147 C MOLDDesignGuide Changingpressure temperature andmolecularandfiberorientationresultinvariabledensityandmechanicalproperties Certainmoldconstraintspreventthemoldedpartfromshrinkingintheplanardirections 改变压力 温度和分子 纤维排列产生不同的密度和机械性质 某些模具的拘束阻止了成型品在面向的收缩
15、p 147 C MOLDDesignGuide 热引起的残余应力Thermal inducedResidualStress Thesinglebiggestcontributortothepoorperformanceofthemoldedpartisanexcessivelossofmolecularweight Thesecondlargestcontributoriscontamination 成型品功能不足的单一最大原因是分子量过度减损 第二大原因是污染 TheMaterialsAnalyst Part27 ContaminationspringsfromcostpressuresIM
16、M December1999 成型品功能不足的原因ContributorstothePoorPerformanceofTheMoldedPart Longerpolymerchainsmeanhighermolecularweight increasedchainentanglement andimprovedproperties Thepropertythatbenefitsthemostfromhighermolecularweightisimpactstrength Anytimeapolymerisheatedorsubjectedtothestressesofmeltprocessing thereisthepotentialforthesepolymerchainstobreak 长的高分子链意味着高分子量 增加的高分子链纠缠和改善的物性 受益最大者是冲击强度 无论何时 高分子在熔胶过程中受热或遭到应力 都有断链的倾向 TheMaterialsAnalyst Part1 Brittlepolycarbonate IMM September1997 分子量与熔融指数Molec
