32-变形

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第46章:变形(Warpage)

⏹46.1 定义

变形是指产品的形状和需要的形状不符。图46.1是一把直尺放在变形的产品上,可以看到,直尺和产品之间存在明显的间隙。

⏹46.2 变形问题的可能原因4M表

⏹46.3 变形的问题解决

变形是一个棘手的注塑缺陷。因为塑料的天性,冷却的过程会产生收缩和应力,这都会导致变形。产品变形的最常见原因是,产品各部位的收缩不一致。

收缩不一致的原因可能是多方面的,包括:

✧模腔压力差异

✧冷却差异

✧取向差异----特别是结晶性材料

上面的这些因素,接下来都会有详细的说明。

在面对变形问题时,产品的设计是最大的原因,它的影响超过了注塑参数。要避免产品变形,一些关键的设计准则一定要遵从。四个最重要的设计准则是:

1.保持产品壁厚的均匀

塑料会根据产品壁厚的不同而有不同的收缩率。壁厚决定了塑料从浇口出发,能够充填的多远、保缩到怎样的长度;决定了冷却速率,以及取向。如果产品的壁厚有变化,收缩率也会随之变化,这会引起变形。要用工艺参数来弥补设计的基础缺陷,会导致成型窗口大为缩小,不能稳定的生产出高质量的产品。

2.避免从薄胶位打到厚胶位

如果产品的壁厚有变化,不要把浇口放在薄胶位的地方。浇口布置在薄胶位的地方会导致收缩率差异,因为厚壁区域的保缩受到了薄壁的钳制。一旦薄胶位冻结,厚胶位不再接收到保缩压力和保缩流动,这会导致厚壁区域保缩不足,收缩率加大。从薄壁进胶的另一个后果是,为了改善厚壁区域的缩水,薄胶位出会过保缩,这也会导致收缩差异和变形。

3.筋位壁厚和产品壁厚的比例

要避免筋位根部形成厚壁区域,筋位的壁厚设计标准要遵从。典型的筋位设计标准是,筋位壁厚是产品壁厚的40%~70%,具体数值取决于成型的材料。这可以帮助减小缩水印,也可以避免在筋位根部形成厚壁,产生过度收缩而导致产品变形。薄筋位会冷却冻结的更快,可能会导致产品反向变形。

4.运用圆角

产品上要尽可能的避免尖角。圆角设计,有合适的圆角半径,可以帮助产品更好的冷却和充填。同时尖角也会导致应力集中,导致产品在冷却的过程中变形。

很多变形问题,在产品的设计和模具的设计阶段,可以有效的改善。在产品的设计阶段遵从上面的四个准则,是确保产品不变形的基础。模流分析软件,可以预测产品变形,在模具的设计阶段,可以作为变形问题解决的开发工具。

另外要注意的一点是,即使产品的结构刚性足够,可以在产品脱模后抵抗住收缩差异等产生的变形动力;但是这个收缩差异产生的成型应力,也可能会导致产品最终失效,特别是产品会接触化学品,导致环境应力开裂的情况下;因为产品抵抗环境应力开裂的能力,取决于成型应力的大小。

译者注:注塑件变形的具体成因,请参考“Handbook of Molded Part Shrinkage and Warpage”,这里只是简单的讨论。

⏹46.3.1 注塑工艺问题引起的变形

注塑工艺方面会导致产品变形的有:

✧模温

✧料温

✧压力差异

✧浇口封闭

✧冷却时间

✧产品作业

⏹46.3.1.1 注塑工艺问题:模温

一个影响产品变形的重要因素,就是材料本身的热变形温度。当塑料的温度高于热变形温度时,它在受力时没办法维持原有的形状。如果产品是在高于热变形温度的情况下脱模的,那它就很容易变形。

塑料的冷却是注塑成型的一个关键变量。模具就像一个热交换器,带走熔融塑料的热能。要把产品的温度下降到可以顶出又不会轻易变形的温度,需要合适的模具温度。每种材料都有自己的推荐模具温度范围,是成型工艺的重要参考。如果原料厂家的模温推荐范围是50~70度,而产品的实际模温却设定在90度,一定要问:为什么要这样做?

模具温度的最大管控因素是模温机的设定温度。测量实际水温可以帮助确定实际的模具温度,实际的模具温度通常会比水温更高。在模具的工艺开发阶段,实际的模具温度就应该测量并记录下来,作为后续问题处理的参考。在检测实际模具温度时,要确保模具已经连续生产了足够长的时间,达到了热平衡的状态。研究表明,这经常需要一个小时或更长的时间,取决于模具的尺寸大小和冷却水路的布局。图46.2是模具温度在成型周期中怎样升温的案例。两个温度曲线都是模具温度传感器的温度记录,曲线最左边的水平部分是模具的基础温度,然后模面温度随着熔融塑料的注入而升高。

要把熔融塑料的温度下降到低于热变形温度,一个关键的影响是模具的冷却效率。要确保冷却最大化,模具里的冷却水必须要达到紊流状态。要使冷却水路里有合适的水流量,模温机要有足够的泵排水量,来提供足够的水流量到各个冷却水路。水流量是另一个需要在工艺开发阶段就记录下来的工艺参数,在后续的问题处理时,可以方便的对比现在的水流量和最初的水流量。

另一件重要的事情,是检查对比模具冷却水路的进水温度和出水温度。取决于水路的接法,进水温度和出水温度的温差应该不超过2度,或者控制在1度以内。这个温度测试,可以用表面测温计,测量快接头的表面温度。如果出水温度的温升太大,就要检讨有无可能把水路分成更多的回路,减少串接。

产品脱模时的温度,应该在工艺开发阶段就测量并记录下来。最好的办法是用红外相机,这样可以记录下整个产品上的温度分布(参考图46.3)。另一种办法是用表面测温计测量产品的表面温度;如果使用的是表面测温计,工艺文件上要标注好,测量的是产品的哪个具体位置。

在处理冷却相关引起的变形问题时,检查以下项目:

✧水温

✧水流量

✧进水温度对比出水温度

✧检查模温机是否一致(泵流量,功率,水阀尺寸)

✧检查水路接法是否一致

注意,注塑件会朝向温度高的一侧弯曲变形,典型的例子经常叫做“垃圾盘效应”。想象一下PP材质的长方盒形的垃圾盘,垃圾盘的边沿很容易往里弯曲变形。“垃圾盘效应”说明产品会朝向温度更高的模芯侧弯曲变形,这个情景在盒形的截面上是非常典型的,因为盒子内侧的模芯更难冷却,通常温度会更高。模具温度高的一侧,塑料收缩的更多,把产品胶位往高温侧拉扯。在设计盒形产品的模具时,一定要多花些精力,来优化模芯侧的冷却。

塑料会朝温度高的一侧弯曲变形,对有的产品来说,是个薅羊毛的好机会。比如通过故意升高模腔侧的温度,可以让产品朝着反方向变形-----本来是朝模芯侧变形的。故意把模具前后模的模温设置成不一样,要特别的小心,因为这会导致前后模的钢材不在相同的程度膨胀;取决于模具分型面的结构,温差太大会导致模具咬伤和咬坏,损坏模具。如果没有把握的话,先联系模具设计人员或模具工程师,这付模具可以容许的温差是多少。

案例分析:冷却变形

这个案例里,产品使用的是滑石粉填充的PP材料,产品结构是长方盒形的,4个边会往里弯曲变形。如果产品往里弯曲变形,会和与之装配的零件产生干涉,导致装配问题。模具的前模有环绕形的水路设计,前模的模温设置成48度,后模芯的温度设置成27度。通过这种模温的偏差设计,生产出的产品实际上会略往外变形,而不是往里,这样就解决了产品的装配问题。

⏹46.3.1.2 注塑工艺问题:料温

料温高,产品脱模时的温度也高。在注塑成型中,管理熔融塑料输入的热能以及如何移除它,是非常重要的。如果塑料变得更热,而其他的工艺条件保持不变,那产品在脱模时的温度也就越高,这可能会加大产品变形。

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