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【原创】蚯蚓理论(解释注塑件的变形原因和对策)之三(连载)

我们了解了蚯蚓的特性,接下来我们用蚯蚓理论来描述一下成型的过程,这将会帮助我们很好理解蚯蚓发生了什么,因此我们就能够理解为什么塑胶会发生变形。

无数的小蚯蚓颗粒(每颗粒里面含有无数被冻结失去活性的蚯蚓)被放入注塑机的料斗,自重作用下进入料管。螺杆旋转吧颗粒向料管前端推送,由于剪切作用和料管加热管发热的作用,蚯蚓们在高温作用下逐渐恢复活性,慢慢舒展开了,这些舒展开的蚯蚓被螺杆输送到料管的前端。这些蚯蚓已经能够自由活动了。

能够活动的蚯蚓还在源源不断的被送到螺杆前端,直到足够数量能够满足充满模穴和流道,这时螺杆停止转动,等待射出(以上塑化阶段)。一切都准备好了,螺杆开始向前推动,蚯蚓们被挤出射嘴进入模具。射嘴是一个很狭窄的通道,蚯蚓们必须舒展开排列整齐才能顺利通过,因此蚯蚓们自动的排列整齐通过了射嘴,进入了模具。由于前端的通道一直都不是很宽敞,都很窄(注塑件一般都是壳件,壁厚一般不超过3 mm),所以蚯蚓们必须继续保持整齐的队列才能顺利前进。

由于模壁很冷,最先接触模壁的蚯蚓即刻被冻僵了,失去了活性,由于时间太短了,它们甚至来不及卷曲一下就被冻僵了。这些被冻僵的蚯蚓们形成一个很好的保温层,保护着后来的蚯蚓们能够顺利的前进,直到整个模穴被充满(充填阶段)。蚯蚓们终于把模穴充满了,蚯蚓在模穴内的快速移动停了下来,由于先行者蚯蚓牺牲形成的保温层,保护着中间的蚯蚓没有迅速的被冻僵,因此内部的蚯蚓们能够按照其天性互相缠绕,越缠越紧(非结晶性塑料)或者有序堆叠排列整齐(半结晶性塑料),直到被冻僵失去活性。

由于缠绕收缩或结晶收缩,一些空间释放出来了,螺杆这时还没有停止移动,浇口也还没有冻结,后面还有蚯蚓持续补充进来,填满这些空间(保压补缩阶段)。如果浇口在充分补缩前冻结,没有足够的新来的蚯蚓弥补收缩释放的空间,塑胶产品将收缩过大;如果浇口冻结之前保压就结束,意味之注塑机已经泄压,这是模穴内的压力将高于流道内的压力,这是浇口没有充分固化,模穴内的未固化的蚯蚓就会从浇口倒流回流道,从而导致浇口附近局部收缩过大,甚至整个产品收缩过大。

浇口冻结后,保压就失去了意义,因为融胶无法进入模穴。这是模穴的蚯蚓开始自由缠绕或者折叠有序排列,其程度决定于模具的热传导功能能够提供多少时间让其收缩(冷却阶段)。

图3.9 典型注塑机构造示意图

 

由于模穴结构的复杂性,各区域温度不均匀,各区域补进的蚯蚓量不同,所以各个地方的蚯蚓最终缠绕的紧密程度或者有序折叠排列程度(结晶程度)不一样。有的有足够的时间缠绕的很紧(融胶中心,壁厚较厚的地方,模具上积热的区域),有的缠绕到一半就失去了活性,有的地方缠绕后让出的空间后续的蚯蚓补不进来,等等。总之在模穴内部所有区域的蚯蚓缠绕的紧密程度都不同。即使在同一个区域,截面方向,先行者蚯蚓和内部蚯蚓缠绕也不一样。

因此,在这个过程中,蚯蚓们形成三种状态(为了形象描述,姑且称为三股势力):

一,一部分蚯蚓根本没来得及缠绕即被冻结了(凝固层);

二,一部分蚯蚓在缠绕的过程中被冻结,没有充分缠绕,虽然被冻结,但其趋向于缠绕的趋势仍然存在,缠绕或结晶倾向没有消失,只是被冻结于产品中;

三,一部分蚯蚓充分缠绕,其致密程度最高。另外,产品达到顶出强度时被顶出后(产品并不是100%固化后才顶出的),并不意味这内部的蚯蚓已经完全失去了活性,内部的蚯蚓们还能够有微小的动作,可以运动,直到完全固化,这就是产品出现后收缩的原因。

由于有这三股势力的蚯蚓分布产产品的内部,而且分布的情况非常复杂,好像交战三方势力犬牙交错,他们之间有矛盾,冲突,(应力)。当产品脱离模具后,失去了模具的限制,这三股势力互相作用,就好像外力施加于产品上一样。

如果产品本身结构刚性较强,三股势力互相作用产生的应力不足以克服产品的刚性,产品不会变形或变形很小;如果产品本身结构刚性较差,不足以抵抗内应力,那么变形产生。即使产品整体不变形或变形很小,内因力也会以其他的形式表现出来,如应力痕,受外力时开裂,等等

(任何一个注塑件内部都天然地存在着三种不同类型的收缩不均匀:壁厚截面方面的收缩不均匀;区域间的收缩不均匀;融胶流动方向和垂直流动方向的收缩不均匀。

这三种不均匀是客观存在的,无法避免的,减少变形的所有的对策即是采取一切措施来减少这三种不均匀收缩的程度。壁厚方向收缩不均匀基本上对产品的变形的影响很小。对于无填充塑料来说,非结晶性塑料基本呈现各向同性的收缩,结晶性塑料呈现一定程度的各向异性收缩,但也不太大,因此影响无填充塑胶产品变形的最大的因素为区域间的收缩不均。

但对于纤维填充的塑料来说,融胶流动方向和垂直流动方向的收缩差异非常大,因此对产品变形的影响非常大,这也是添加纤维塑胶产品变形更加难以控制的一个原因。)

(所谓区域间收缩不均匀是由于产品和模具结构的复杂性造成的。对于产品结构来说,由于需要满足各种不同的功能,产品必须设计不同的特征:主体、侧壁、碰穿孔、筋位、柱子、凸缘,甚至不均匀的主体壁厚,等等。

这些不同的特征必须要设计成不同的厚度,而且其几何形状的变化使得其在模具中经历的热传导过程绝不相同,这就决定了产品区域间收缩不均匀绝对存在。从模具方面来说,一个是冷却设计的影响。通常前模设计水路有很大的自由度,而且前模对于产品来说通常是钢材包裹塑胶,融胶热量相对比较容易传导出去;而后模通常是塑胶包裹钢材,钢材相对体积小,吸收热量的能力通常不如前模,而且后模通常有顶出结构的限制,布置水路的自由度远不如前模,这样造成后模的传热能力通常不如前模。

另一个是浇注系统的影响,靠近浇口的区域无疑更有机会获得更好的保压补缩效果,而远离浇口的区域相对来说能够获得保压补缩就自然地比靠近浇口区域差。如果融胶流长很长的话,这种差异将越大。)

(产品和模具结构的复杂性导致了区域间的收缩不均。一个优秀的模具设计师能够巧妙的利用模具设计来弥补产品设计的不足,以模具的不均弥补产品的不均,即通过适当的化产品结构,合理设计浇注系统和冷却系统来弥补,以最大程度降低这种收缩不均。而一个拙劣的模具设计却会把它放大,即产品不均+模具的不均,变成更大的收缩不均。)

上述的三种情况,在任何一个注塑模制品内都是存在的,因此可以说产品不可能达到一个理想的绝对均匀的收缩的状态。变形是绝对的,不变形是相对的。

结论:产品不均匀收缩产生内应力,内应力的作用是变形的本质,而内应力产生的原因是收缩不均匀,这是变形的根本原因。

四,   影响变形的因素

通过前模的叙述我们知道变形的根本原因,接下来我们探讨一下影响变形的因素有哪些,我们将从下面五个方面来探讨

1,塑胶原料方面

2,产品结构方面

3,模具设计方面

4,模具加工方面

5,成型工艺方面。

……未完待续

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