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1、,塑胶产品翘曲变形的分析研究,QSMC,we,we,we,change!change!change!,By:Nick,目录,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,什么叫变形,物理学名词，物体受外力作用而产生体积或形状的改变,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。,目的,针对公司产线组装过程中出现issue的分析，因产品
2、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诸多不良。,步奏,塑胶产品翘曲变形原因分析,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重点因子进行分析模具结构中的1,2,3成型阶段的4,5,塑胶产品翘曲变形原因细部分析,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，从而导致塑件产生变形,冷却系统-在注
3、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,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？
4、,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？,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，
5、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,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
6、少塑件的变形。,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,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
7、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,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,熔胶流动在薄壳模穴之带状管道内所需的射出压
8、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,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
9、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,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,针对影响射出压力的设计与成形参数进行比较,注射温度、压力、速度分析,针对影响射出压力的设计与成
10、形参数进行比较,注射温度、压力、速度分析,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
11、,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
12、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。,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
13、与不平衡流动；及(b)其对应的充填模式。,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。（1）塑件上、下表面温差会引起热应力和热变形；（2）塑件不同区域之间的温度差将引起不同区域间的不均匀收缩；（3）不同的温度状态会影响塑料件的收缩率。,（1）塑件上、下表面温差会引起热应力和热变形；当塑料接触到模具时，一边是冷的，另一边是热的，不同的冷却便发生了。热的一边要比较长的时间冷却和收缩（收缩大），而导致热的一边象弓一样弯曲。,（2）塑件不同区域之间的温度差将引起不同区域间的不均匀收缩；不平均的壁厚将导致不同的冷却速率。需更长时间冷却的区域将有更高的结晶度，这叫做差动结晶(Differential Crystallinity)。,冷却系统,
