塑料盖翘曲原因分析及玻纤含量对其翘曲变形的影响*

2014-09-05孙国栋刘长华

九江学院学报(自然科学版) 2014年4期

关键词：玻纤塑件熔体

孙国栋刘长华

(九江学院机械与材料工程学院江西九江 332005)

塑料盖翘曲原因分析及玻纤含量对其翘曲变形的影响*

孙国栋刘长华

(九江学院机械与材料工程学院江西九江 332005)

笔者利用Moldflow软件，针对塑料盖零件构建浇注系统和冷却系统，在流动+冷却+翘曲的模式下对塑料盖零件翘曲变形的原因进行分析，并研究不同玻纤含量对塑料盖翘曲变形量的影响。结果表明：塑料盖零件的翘曲变形主要来自于收缩不均。当在塑料中添加不同百分含量的玻纤(8%，15%，30%)时，塑料盖的翘曲变形量减小。对比不同玻纤含量下的翘曲变形量发现，当添加的玻纤含量为8%时，塑料盖的翘曲变形量最小。

翘曲变形，Moldflow软件，CAE模拟，玻纤含量

塑料零件的翘曲变形是影响塑料制品外观和装配的一个重要问题。研究者们一直在探索如何降低塑料制品在注塑成型过程中的翘曲变形。在以往的模具设计中，人们往往利用模具注塑出产品后，从产品的实际变形上找出其内在原因。随着CAE技术的发展，研究者们开始利用软件模拟塑料熔体在模具型腔内的流动，从而在极大程度上加快了对翘曲变形的分析，且节约了成本。Moldflow是一款可以有效模拟熔融塑料在型腔中流动的有效软件，人们运用Moldflow软件进行了诸如流动、翘曲、充填等过程的模拟，并且得到了很准确的结果。对于零件的翘曲变形，人们从模具结构[1]、充填过程[2]、冷却方式[3]、保压方式[4]、模具温度[5]、熔体温度[6]等进行了探究，力求减小零件的翘曲变形，且得到了一些有价值的结果。然而，影响塑料翘曲变形的原因是多方面的，只有找出塑件翘曲变形的真正原因才能够有效的降低翘曲变形量。笔者采用Moldflow软件对塑料盖零件的翘曲变形原因进行分析，找出影响该零件翘曲变形的主要原因，同时，从熔体自身成分出发，分析不同玻纤含量下该零件翘曲变形的大小，为模具设计提供理论依据。

1 Moldflow分析前处理

1.1 建立有限元模型

首先，采用Pro/E wildfire4.0软件构建塑料盖零件的三维模型，并在Pro/E wildfire4.0中将其转化为STL(Stereo Lithography)格式。在Moldflow 6.1软件中，利用fushion网络模型对该零件进行网格划分，网格平均边长为1.67mm。首次划分的有限元网格最大纵横比为39.988，不能够达到翘曲变形的分析要求。为此，将划分后的有限元网格先在Moldflow软件下自动修补，而后采用合并节点、交换边等方式进行手动修改，最终得到如图1所示的有限元模型，该有限元网格的匹配率为83.7%，最大纵横比为9.970，可以满足翘曲分析的要求。

图1 塑料盖修复后的有限元模型

1.2 建立浇注系统及冷却系统

对塑料盖进行翘曲变形分析前，应构建合理的浇注系统和冷却系统。浇口位置采用如图2所示的由Moldflow软件分析出的最佳浇口位置。

图2 Moldflow软件分析出的最佳浇口位置

根据塑料盖的形状和尺寸，在Moldflow软件中建立如图3所示的浇注系统和冷却系统。流道形状采用圆形椎体，始端直径是3mm，锥度是2°，冷却系统中的管道直径为5mm，水管与制品间距离为12.5mm，管道中心间距为15mm，制品之外距离为20mm，使用软管连接管道。冷却介质为水，温度为25℃。

图3 塑料盖浇注系统和冷却系统

1.3 选取试验材料及工艺参数

试验中所用材料为Moldflow软件材料数据库中提供的PBT(polybutylene terephthalate)材料。注塑工艺参数为：模具表面温度80℃，熔体温度190℃，开模时间为5s，其余参数采用系统默认设置。

2 结果与分析

2.1 塑料件翘曲变形原因分析

Moldflow软件在进行零件的翘曲变形分析时可以采用两种分析流程，分别为Cool-Flow-Warp (简称CFW)和Flow-Cool-Flow-Warp (简称FCFW)。CFW在进行冷却分析时是假设熔体的前沿温度不变，先对塑件做Cool分析，将温度差值减到最低，并以Cool的结果作为Flow的输入，而FCFW在进行流动分析时是假设模具温度不变。试验发现，模具温度对零件的翘曲变形影响较大[5]，而塑料熔体前沿流动温度往往变化很小[6]。因此，本试验中翘曲变形分析采用的分析流程为Cool-Flow-Warp，对于翘曲分析，在假设熔体前沿温度不变的前提下，此时的计算结果更精确。

塑料盖在注塑过程中产生的翘曲变形量如表1所示。MF/ Warp模块把翘曲变形产生的原因归结为冷却不均匀、收缩不均匀和分子取向不一致[7]。表1显示，塑料盒零件收缩不均引起的变形量和塑料盒件的总变形量相当，而冷却不均和分子取向不一致引起的变形量很小，因此塑料盒的翘曲变形主要由塑件自身的收缩不均引起的。

表1 塑料盖零件翘曲变形量模拟结果(mm)

2.2 玻纤含量对塑料盒零件翘曲变形的影响

塑件自身的收缩引起的翘曲变形受到包括模具温度、熔体温度、保压方式等诸多原因的影响，研究们往往结合正交试验来找到影响翘曲变形的最主要的因素。从试验结果看，塑件的翘曲变形主要受到熔体温度的影响，而其他如模具温度和保压方式等因素对零件翘曲变形影响不显著。熔体温度即受到材料加热温度的影响，又受到塑料熔体自身成分的影响。研究者们往往考虑外部因素导致的熔体温度变化，而很少考虑从塑料熔体成分的改变上降低塑件的翘曲变形。玻璃纤维添加到熔体中可以改变熔体的流动性质已经被试验所证实[8～9]。本试验中，添加玻纤含量分别为8%、15%和30%的PBT材料时引起的翘曲变形量(如图4所示)。从试验结果发现，添加玻纤后的塑料盒件的翘曲变形量相对于未加玻璃纤维时有所降低。这与熔体中添加玻璃纤维后引起的塑料制品在横向和纵向上的收缩量降低有关[10]。玻璃纤维加入熔体中，熔体在收缩时的阻碍增加，从而导致收缩受阻而降低翘曲变形量。从3种玻纤添加量引起的翘曲变形量看，当添加的玻纤含量为8%时，塑料盒零件的翘曲变形量最小，这可能与玻璃纤维的取向不同有关[11]，需要进一步的试验验证。

图4 添加不同含量玻璃纤维时塑料盖零件的翘曲变形量：(a)8% (b)15% (c)30%

3 结论

本文利用Moldflow软件对塑料盒零件的翘曲变形进行了模拟，试验发现引起塑料盖零件翘曲变形的主要原因在于塑料盖零件的收缩不均。当在塑料中分别添加8%、15%，30%的玻璃纤维时，该塑件的翘曲变形量相对于未加玻璃纤维时有所降低。当添加的玻纤含量为8%时，塑料盖的翘曲变形量最小，这可能是玻璃纤维的不同取向造成的。

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(责任编辑李平)