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注射压缩成型工艺参数对楔形导光板翘曲变形的

时间:2020-08-23 浏览:

  随着光学元件的发展,对透明件的外观质量和使用性能提出了更高的要求,而翘曲变形程度作为衡量 透明光学元件质量的重要指标,因此如何改善透明光 学元件的翘曲变形问题已成为行业研究的热点。注射 压缩成型技术比传统的注射成型技术在成型光学元件面更具有独特的优势,这主是由于注射压缩成型可以利用压缩机构自模壁全面施压,在整个型腔内获得较低且均匀的压力分布、较均匀的保压效果、较低的残余应力、降低不均匀的体积收缩及增加尺寸稳定性等好处,从而改善塑件的收缩不均、翘曲变形等质量缺陷(1-3]0Fan B F等运用注射压缩成型理论[4-7],研究了注射压缩工艺参数对塑件成型质量的影响。杜遥雪等采用实验设计的方法对发光二极管(LED)透镜进行了光学性能测试[8J,通过优化工艺参数提高了塑件的光学性能。王克俭等采用单一变量实验考察了不同注射工艺参数对光学制品双折射的分布规律[9-IO],通 过应力-光弹定律计算了对称轴上残余应力值,并对其进行了优化。

  本文以光学元件中的模形导光板为分析算例,利 用CAE数值模拟结合动态调整网格技术对导光板的注射压缩成型过程进行动态模拟,预测导光板在模腔 内的充填、保压、压缩及翘曲等状况,并通过正交试验设计方法获取了较小翘曲变形量的注射压缩成型工艺参数组合,研究了多个工艺参数及其交互作用对模 形导光板翘曲变形的影响规律。

  2 导光板的成型工艺分析

  以棋形导光板为实例进行分析,导光板的长为120111111,宽为80111111,厚度由 2111111线性降低至1111 111,如图1所示。由于扇形浇口便塑料熔体在宽度方向得到均匀分配,可降低塑件的内应力,排气良好,能有效消除浇口附近塑件的缺陷,故适用于成型宽度较大的板状塑件。另外,为使得数值模拟分析结果与实际扇形浇口相吻合,故将扇形浇口作为型腔的一部分进行建模,建立后的导光板的CAE数值分析模型如图1所示。塑件采用的成型材料选用Kuraray公司生产的聚甲基丙烯酸甲酣(PMMA),牌号为 Parapet GH-SlO,材料的主要性能参数如表1所示。


  3、 正交试验及分析

  注射压缩成型工艺过程所涉及到的主要工艺参

  数主要包括模具温度、熔体温度、压缩延迟时间、压缩速度等,而这些工艺参数对塑件翘曲变形的影响程度不同的[11] 正交试验是研究多因素多水平的一种试验设计方法,从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验,可以实现以最少的试验次数达到与大量全面试验等效的结果,因此应用正交试验的方法能高效、快速而经济地对塑件的注射压缩工艺参数进行优化,获得最优的工艺参数组合。

  3.1 正交试验参数设计

  选取模形导光板的翘曲变形量为实验指标,以获取导光板的最小翘曲变形量为优化目标,结合实 际生产经验,选取模具温度、熔体温度、压缩延迟时间、压缩距离及压缩速度5个注射压缩工艺参数为试验因素,分别以A、B、C 、D、E表示。根据注塑机参数以及原材料的推荐参数范围等因素,在取值范围内,均匀取4个水平,具体试验因素和水平参数如表2所示。

  3.2 正交试验结果

  根据表2中的试验因素及水平值,选用L16(45)正交表进行数值模拟,模拟后得到导光板的翘曲变形量,用W表示,正交试验结果如表3所示。

  3.3 翘曲变形影晌因素分析

  为了更好地观察各试验因素在不同水平下对质量指标的影响大小,研究导光板的翘曲量随各个注 射压缩工艺参数变化的规律,本试验对上述16 组数 值模拟结果进行均值和极差分析,结果如表4所示。其中,κ表示各因素在i水平下的翘曲变形量总和,k,为瓦的均值,极差R为同一因素各水平的最大均值和 最小均值之差,极差较大说明该试验因素对质量指标的影响程度较大,为 主要影响因素,反之为次要影响因素。

  从表4 可以看出,极差R最大(0.2026)对应的因素是压缩延迟时间,即压缩延迟时间对导光板的翘

  曲变形影响程度最大。对不同因素下的极差R值扛行排序,可以得出各注射压缩工艺参数对导光板的翘曲变形影响程度由大到小的顺序为:压缩延迟时间C>熔体温度B>模具温度A>压缩速度E>压缩距离D。

  另外,将各因素下的翘曲均值进行比较,可以得出,当模具温度A 在1水平(45℃)、熔体温度B 在1水平(245℃)、压缩延迟时间C在4水平(2s)、压缩距离D在37.K平(5mm)、压缩速度E 在2水平(0.2mm/s)时,导光板的翘曲量最小,这表明工艺参数组合A晶C4D3E2是最优工艺参数组合,由于最佳工艺参数组合A晶C4D3E2并不在正交试验方案之内,故利用CAE 数值模拟仿真平台对最佳工艺参数组合方案再次进行试验,得到的翘曲变形量为0.4056mm,相对于 正交试验方案,翘曲变形量小于试验方案中(第13组试验方案)的最小值 (0.4612mm),降低了12.06%,如图 2所示。从图2可以看出,从塑件的厚壁侧进胶,最小翘曲变形发生在中心,且呈环状往外增加,尤其塑件的四个角落区域更为明显。这主要是由于导光板的壁厚不均匀所引起的角落效应,在塑件的拐角区域热量散失较难,从而产生热应力;另外,由于模具抑制条件,塑料件在厚度方向上的收缩要大于塑料件拐角区域的平面收缩,这会导角落区域的翘曲变形相对明显。

  4 工艺参数对导光板翘曲变形的影晌

  4.1 单因素对翘曲变形的影晌

  为了更直观地确定各注射压缩工艺参数对导光

  板翘曲变形的影响,根据表4中的数据作出了各单因 卉素对导光板翘曲变形影响的关系响应曲线。1-

  图3表示不同模具温度下导光板的翘曲变形量。

  如图3可知,随着模具温度的升高,导光板的翘曲变形量呈逐渐上升的趋势。当模具温度从 45℃升至75℃时,翘曲量从0.5 508mm增至0.6020mmo 这主要是由于高温熔体进人低 温模具型腔后发生冷凝硬化,模具温度越高,冷凝层越薄,脱模后热缩量越高,开模后塑件的收缩增大[13],内应力也增大, 从而增大了塑件的翘曲变形量,所以适当降低模具温度有利于降低塑件的翘曲变形量。

  图4表示不同熔体温度下导光板的翘曲变形量。由图4可知,随着熔体温度的升高,导光板的翘曲变形 量呈逐渐上升的趋势。当熔体温度从245℃升至275℃ 时,翘曲量从0.539lmm增至0.6117mm,涨幅为11.87%。这主要是由于熔体温度升高加强了熔体的流动性,导致浇口不能完全冷凝,熔体在压缩过程中 产生熔体从浇口回流的现象,造成塑件内部密度分布不均,塑件的残余应力增大, 加大了塑件的翘曲变形闷。因此,在导光板的注射压缩过程中,不宜采用过高的熔体温度。

  图5 表示为不同压缩延迟时间下导光板的翘曲变形 量。由图5 可知,随着压缩延迟时间的增加,导光板的翘曲量呈逐渐下降的趋势,由0.5s时的0.6687mm 下降到2.0s的0.466lmm,这玉要由于随着压缩延迟时间的延长,聚合物分子的取向度减弱,塑件的体积收缩减小,更加充分地释放塑件表面的内应力,降低残余应力, 从而降低导光板的翘曲变形量。此外,当压缩延迟时间过长时,由于熔体逐渐冷凝,会造成短射等质量缺陷[I飞故适 当增加压缩延迟时间有利于改善导光板的翘曲。

  图6表示为不同压缩距离下导光板的翘曲变形 量。由图6可知,随着压缩距离的增加,导光板的翘曲变形量呈先减小后增大的趋势,并在压缩距离Smm 时达到最小值(0.5 695 m时,这主要是由于在压缩过程中,随着压缩距离的增加,聚合物熔体的流动阻力减小,剪切作用减弱口5];当压缩距离继续加大时,因 温度降低而使熔体的流动性变差,造成成 型困难,压缩不均匀等缺陷,塑件的体积收缩率随之增大,导光板的翘曲变形也会 有所增加[14]0 因此,在导光板的注射压缩过程中,不宜采用过大的压缩距离。

  图7表示为不同压缩速度下导光板的翘曲变形量。由图7可知,随着压缩速度的增加,导光板的翘曲变形量皇先减小后增大再减小的趋势。这主要是因为压缩速度主要影响塑料熔体在模具型腔中二次流动的速度和时间,压缩速度较低,近浇口端熔体相对较多,熔体较为密实,导光板的内应力较小,翘曲 量也较小[!4];随着压缩速度的加大,型腔内压缩机构接近冷凝熔体的挤压影响了应力的平衡分布,残余应力也相应增大[l习,故塑件的翘曲量有了增大的趋势,但随着压缩速度的进一步加大,塑料熔体从浇口 流人末端的量变化不大,受压相对均匀,内应力降低,因此在导光板的注射压缩成型过程中,应适当降低压缩的速度。

  4.2 因素间交互作用对翘曲变形的影晌

  注射压缩成型过程是一个非线性,多变量相互榈合的过程,所以注射压缩成型工艺参数的交互作用对导光板的翘曲变形有一定的影响。为确定模具温度、熔体温度、压缩延迟时间、压缩距离及压缩速度这几个工艺参数交互作用的大小,在交互作用试验中,根据表2中的因素水平设计参数进行取值,以两个参与交互作用的注射压缩工艺参数为变量,未参与交互试验的三个工艺参数以最佳工艺参数组合(A晶C4D3E2)为基准, 通过数值分析得到的翘曲变形量设为目标函数。

  表5表示模具温度和压缩延迟时间的交互作用对导光板翘曲变形的影响。从表5可以看出,在相同的 模具温度下,导光板的翘曲变形量随着压缩延迟时间 的延长而降低。当压缩延迟时间为O.Ss时,塑件的翘曲量均大于0.6mm,而模具温度为45℃,压缩延迟时间为2s时,翘曲量达到最小值。因此在注射压缩成型过程中,为改善导光板的翘曲变形,宜选择较低的t具温度和适当增加压缩延迟时间。

  表6表示熔体温度和压缩速度的交互作用对导光板翘曲变形的影响。从表6可以看出,在熔体温度范围(245℃~275℃)和压缩速度范围(O.lcm/s 0.4cml~s),导光板的翘曲变形量控制在0.4-0.Smm;在相同的熔体温度下,无论压缩速度的大小,导光板的翘曲变形量比较接近,变化不大;在相同的压缩速度下,翘曲量随着熔体温度的升高而增大;当熔体温度在245℃, 压缩速度为 0.4cm/s时,翘曲 量达到 最小(0.404lmm)。由此可以推断,熔体温度和压缩速度作用于塑件时,不宜采用过高的熔体温度,并适当减大压缩速度。

  表7表示压缩距离和压缩速度的交互作用对导光板翘曲变形的影响。可以看出,当压缩速度为0.4cr旷s时,塑件的翘曲量最小;在相同的压缩速度下,压缩距离的大小对导光板的翘曲变形并没有影响,因此,压缩距离和压缩速度对翘曲变形没有明显的交互作用。

  结论

  ( 1)通过数值模拟分析,结合正交试验的方法获得了模形导光板注射压缩成型的最优工艺参数组合A1B1C4D3E2:即模具温度的℃、熔体温度245℃、压缩延迟时间2s、压缩距离Smm,压缩速度0.2cm/s。注射压 缩工艺参数对导光板的翘曲变形影响程度由大到小的顺序为:压缩延迟时间C>熔体温度B>模具温度A>压缩速度E>压缩距离D。

  (2)在单因素情况下,随着模具温度和熔体温度的升高,导光板的翘曲变形量均逐渐上升;随着压缩 延迟时间的增加,翘曲变形量降低;随着压缩距离的增加,翘曲变形量先减小后增大;随着压缩速度的增加,翘曲变形量先减小后增大再减小。

  (3)在两个因素间交互作用的情况下,模具温度和压缩延迟时间的交互作用对翘曲变形有显著的影 响,熔体温度和压缩速度的交互作用对翘曲变形也有一定影响,而压缩距离和压缩速度对翘曲变形没有明显的交互作用。