洗衣机产品变形分析.ppt

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1、产品变形分析,技术工艺部 2011年05月,魏 邦 科,注塑件外观问题 浇口晕、雾斑 、银纹、喷流痕 、波纹 、缩痕、浮纤、虎皮纹、熔接痕、气孔、拉毛、顶伤、飞边、成形不足、烧糊等。 注塑产品变形问题 注塑产品尺寸精度,注塑产品常见问题,一、常见注塑件变形对洗衣机外观，装配的影响 二、变形原因简介 三、变形的预防及解决方案 四、CAE分析(Moldflow)在解决产品变形中的运用 1 利用Moldflow分析预测抓手理论变形量 2 利用Moldflow分析预测13KG抓手理论变形量及变形改善 3 Moldflow模流分析辅助解决空气净化器前盖变形问题,目 录,一 变形对洗衣机外观，装配的影响,

2、注塑件变形是塑料制品常见的缺陷之一，严重影响产品的外观和装配效果。,翘曲变形导致产品外观不够挺拔，缺乏质感，影响产品装配视觉效果。,空气净化器前盖翘曲变形导致产品装配间隙不均匀，部件与部件存在断差,抓手翘曲变形导致抓手和玻璃盖板粘接不牢，严重影响产品品质,滚筒前桶产品头部翘曲变形导致密封圈和不锈钢内桶间隙太小，密封圈和不锈钢内桶产生磨损，严重影响产品使用安全,二 产 品 变 形 原 因 简 介,变形: 由于产品内部收缩不一致导致内应力不同引起变形 , 注塑制品的形状偏离了模具型腔的形状 X,y方向变形(收缩) Z方向变形(翘曲变形),1 温度、压力,速度等因素的相互影响，注射速度恒定,充填压力

3、随模具中的抗力的增大而增高,在充填结束时出现注塑压力的峰值,由于此高压在模具型腔内的作用,在塑件内部便产生了内应力,塑件在冷却过程中,残留的内应力就释放出来导致翘曲变形。 2 不平衡的温度分布和流动形式是导致制品残余应力的两个主要因素 3 对于薄壁制品，主要为流动残余应力；对于厚壁制品，主要为热残余应力。 4 热残余应力比流动残余应力大一个数量级,从热残余应力分布可以大致推算制品翘曲变形的程度,因此工程中主要考虑热残余应力对注塑件质量的影响。影响注塑残余应力的因素较为复杂,在不考虑流动残余应力的条件下,注塑件的残余应力主要由温度分布、固液界面位置和压力历史决定,残余应力,流动残余应力,热残余应

4、力,流动残余应力,由于塑料熔体在模腔中做非等温流动形成的剪切应力,在快速冷却过程中来不及完全松弛 不同流动造成局部结晶度高，与其他部位相比，分子排列更紧密，分子之间的相互作用力加大，致使这里的密度、刚性和强度都增加。而这种物理和机械性能的不均匀，导致制品在成型之后产生残余内应力。,热残余应力,在冷却过程中，内部温度分布不均匀,冷却层由表层向内部逐步推进,在制品厚度方向上不可避免地产生不一致的应力，成为热残余应力,引起翘曲的根本原因： 收缩不均,各向异性,冷却不均,收缩不均,引起翘曲的主要因素：,模具,产品翘曲变形需要考虑的几个主要方面,材料,产品,注塑机,工艺,冷却水路的合理布局,合理设计浇口

5、形状,运用产品预变形技术,三 变形的预测及改善,利用CAE (模流分析) 预测并改善 产品变形,模具顶出平衡,合理调整温度、压力、速度等工艺参数,采用气辅等先进成型技术,利用Moldflow理论分析预测，结合实际经验不断优化产品结构,材料弹性模量-材料(产品)强度PPABSPC镁合金,塑料价格 PP PS ,材料选择,材料选择,塑料材料的热物理性能,不同材料翘曲趋势不同,三洋：洗涤剂抽屉由于结构设计比较单薄，存在一定的翘曲变形，影响产品装配视觉效果。,松下：洗涤剂抽屉结构设计合理，不存在翘曲变形，产品比较挺拔，产品装配视觉效果好。,产品设计,产品设计结构不合理: 壁厚和结构形式等 导致结构强度

6、较弱,产品壁厚不均匀等造成产品收缩不均匀，残余应力大。残余应力大克服了零件的強度，就会发生翘曲，甚至开裂。,产品设计,拔模斜度(Draft)太小 拔模斜度太小，产品顶出不易。 勉强顶出，就会发生翘曲，甚至开裂。 嵌件 有嵌件时，应充分预热后使用，或选择膨胀系数接近塑料的锌、铝以代替铜、铁； 否则冷卻时，会因为塑料收缩大、金属收缩小而使得塑料开裂。,制品含锐角 锐角使得应力集中，,产品设计,模具设计,模具冷却设计。 动、定模温差大，因冷却产生的热残余应力在制品厚度方向上不对称，会导致制品翘曲 利用CAE分析,. 模温太低 模温太低，残余剪切应力大，又沒有足够的时间将残余剪切应力释放，容易翘曲，

7、模温可从材料厂商的建议值开始设定。 每次调整的增量可为6C， CAE应用。,模具设计,流道,浇口设计 浇口的数目或位置设计不合适， 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，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， 流阻太大、提高注塑压力，残余剪切应力大，容易翘曲. 浇口附近压力高，塑胶体积收缩率小，流长太大，上下游体积收缩率差异大，残余剪切应力大，容易翘曲. 参考材料厂商的建议，采用适当的流长对厚度比. 利用CAE分析。 。,模具设计,顶出设计 如果顶出系统布置不平衡，将造成顶出力的不平衡而使

8、塑件变形。因此，在设计顶出系统时应力求与脱模阻力相平衡。 顶出杆的截面积不能太小，以防塑件单位面积受力过大（尤其在脱模温度太高时）而使塑件产生变形。 顶杆的布置应尽量靠近脱模阻力大的部位。在不影响塑件质量（包括使用要求、尺寸精度与外观等）的前提下，应尽可能多设顶杆以减少塑件的总体变形（换顶杆为顶块就是这个道理）。,模具设计,预变形处理 预变形处理应用背景 变形数据的测量 变形数据来源，既可以对注射样件进行测量，也可以借助有限元软件分析计算。前者数据可靠，但成本较高;后者成本低，但数据的可靠性取决于有限元软件的分析精度。变形预测是用来定性的，而非定量的 在成型物料与注射工艺条件都确定的情况下，变

9、形预补偿不失为改善注射制品质量的一种有效方法。,模具设计,注塑成型过程简单描述,成型工艺对变形影响,工艺参数对制品收缩的影响,保压压力对产品收缩影响. 保压时间对产品收缩影响. 模具温度对产品收缩影响. 注射温度对产品收缩影响. 注射压力对产品收缩影响.,剪切流动是熔融流体在外力下的相对滑动。,(1) 剪切流动(Shear Flow),剪切率是熔融流体剪切流动的速率。,(2) 剪切率(Shear Rate),剪切应力是熔融流体剪切流动的抵抗力，高粘度造成高剪切应力。,(3) 剪切应力(Shear Stress),剪切流动,剪切速率,剪切速率分布不均匀会使熔体各处分子产生不同程度的取向，因而收缩

10、不同，导致制品翘曲。,剪 切 应 力 shear Stress 黏 度 viscosity 剪 切 速 率 shear rate,剪切应力,料管温度,喷嘴温度,熔胶温度 温度太低，成型困难，加大压力,残余剪切应力大，又没有足够的时间将残余剪切应力释放，容易翘曲， 料温的设定可参考材料厂商的资料 分段设计。 可用MOLDFLOW模拟分析,注射温度对变形影响,较高的压力和流速会产生高剪切速率，产生高的残余应力,容易翘曲。 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. 注射机的注射压力会极大地影响充填时分子的取向程度，进而引起翘曲变形。 减少翘曲,注射压力在可行范围内调到最低, 分段设计

11、。 可用MOLDFLOW模拟分析,注射压力,速度对变形影响,当熔胶前沿速度在型腔内的变化大，产品表皮层的分子和纤维取向以及残余应力的变化也大，容易翘曲。 分段设计。调整螺杆速度行程(Stroke)曲线， 熔胶前沿在型腔內以等速推进，直到型腔填满。 可用MOLDFLOW模拟分析,螺杆速度,充填时间或射出时间太短或太长，都需要较高的射压完成型腔的充填。射压高，产生高的残余应力,容易翘曲。 可用MOLDFLOW模拟分析,找出最佳的充填时间,射出时间,保压压力和保压时间,保压压力过高,因补料而固化的流动残余应力高,同时塑料的压应力也高,应力易于释放,形成制品翘曲变形; 保压压力太低,浇口附近会发生回流

12、,不仅形成流动残余剪切应力,而且会形成大的体积收缩率差异而产生高的残余拉、压应力,使制品翘曲变形。 保压时间短,螺杆回退时浇口附近会发生回流,形成大的残余应力。 因此,保压压力要适中,保压时间延长至浇口凝固为止,可使产生的残余应力较小。 可用MOLDFLOW模拟分析,保压时间设置,最简单的获得最短保压时间是开始设置一个较长的保压时间，然后，逐步减少直到出现缩痕的现象 可以利用下图获得更精确的保压时间，根据图中制品重量和保压时间关系曲线，得到浇口或制品凝固的时间 在9秒之后，保压时间对于零件的重量没有影响，这就是最短的保压时间,停留时间不当 停留时间太短，熔胶温度低，即使勉強将型腔填满，保压时还

13、是无法将塑胶压实，冷卻时回旋空间太大，容易翘曲。 射料对料管料之比应在1/1.5和1/4之间。 冷却时间不当 当冷却时间太短，塑料尚软，若被顶出，在沒有约束的狀況下收缩，容易翘曲。 合适的冷却时间,型腔是最好的治具(Fixture)，提供最合身的约束。,缓充不够 缓充不够时，型腔內的塑胶填压不足。 塑胶在相对疏散的情況下冷却，冷卻时回旋空间太大，容易翘曲。 螺杆推到底后，至少停留原处2秒，以保持缓充。 缓充最少要有3mm长。,Moldflow在解决产品变形中的运用,变形翘曲的原因主要有三个方面： 冷却不均 收缩不均 纤维取向,每种因素所产生的翘曲方向及大小都是不一样的，按照分析结果有针对性的进

14、行优化调整。,冷 却 不 均,产品内外表面的冷却不均，导致产品产生翘曲，减小此翘曲的方法是使公母模的冷却均匀，解决方法： 调整冷却水管排布 调整冷却液温度 在积热的地方加强冷却,塑料在冷却过程中的收缩比率跟材料的冷却速度相关：冷却速度快，材料收缩率较小；冷却速度慢，材料收缩大。此处冷却不均是指产品厚度方向上不同层之间的温度差。,上表面收缩大于下表面，产品中间下凹,下表面收缩大于上表面，产品中间上凸,收 缩 不 均,产品各区域收缩不均导致变形，解决方法： 调整保压曲线 修改产品设计 改变冷却也影响收缩,产品不同区域的收缩大小不一，所以不同区域之间产生内应力，致使产品产生翘曲。,中间收缩大于四周，

15、产生马鞍形翘曲。,四周收缩大于中间，中间下凹或凸起。,纤 维 因 素,由于在塑料中加入纤维，使材料的收缩特性发生改变，纤维的取向对产品的翘曲影响很大，纤维一般按流动方向取向，解决方法(改变纤维的取向)： 更换浇口位置 修改产品设计,塑料分子为长链状，在高温状态下，沿分子链方向可以弹性收缩，所以沿分子链方向比垂直方向收缩要大；,玻纤是刚性的无机物，在纤维方向几乎是不可收缩的，纤维和纤维之间的收缩较大。,塑料分子,纤维,波轮伊莱克斯系列产品盖板抓手变形预测,盖板抓手为ABS注塑成型, 有三个型号：520，6KG，7KG。 产品结构完全一样，长度有所变化，模具结构（进胶方式和冷却）一样,模具充填时间

16、为2.1S。充填顺畅。蓝色为先充填,红色为后充填.,模具采用一模两腔，1点大水口潜伏式进胶。,冷卻水入口与出口溫度之間的差异在2以內,无过载现象。,总变形量分析预测,7KG抓手,520抓手,6KG抓手,利用Moldflow分析可以发现总变形量随着产品长度增加而加大（见下表）,X方向变形,利用Moldflow分析可以发现产品长度和X方向变形量的变化情况（见下表）,520抓手,7KG抓手,6KG抓手,Y方向变形,利用Moldflow分析可以发现产品长度和Y方向变形量的变化情况（见下表）,7KG抓手,520抓手,6KG抓手,Z方向变形,利用Moldflow分析可以发现产品长度和Z方向变形量的变化情况

17、（见下表）,520抓手,7KG抓手,6KG抓手,冷却引起变形,因不均匀冷却导致的产品最大变形量为0.9mm。,不均匀冷却导致的产品最大变形量为0.7mm。,520抓手,因不均匀冷却导致的产品最大变形量为0.9mm。,6KG抓手,7KG抓手,利用Moldflow分析可以发现三个产品因不均匀冷却导致的产品最大变形量（见下表）,收缩变形,利用Moldflow分析可以发现三个产品因不均匀收缩导致的产品最大变形量（见下表）,因不均匀收缩导致的产品最大变形量为1.4mm。,520抓手,7KG抓手,因不均匀收缩导致的产品最大变形量为2.0mm。,因不均匀收缩导致的产品最大变形量为1.6mm。,6KG抓手,伊

18、莱克斯系列产品抓手变形分析结论,通过以上分析可知：在产品结构完全相同的情况下，随着产品长度的增加，产品的变形也相应有所增大。 该产品在生产中实际变形量1-2mm，和理论分析基本吻合 该系列机型盖板也是ABS注塑成型, 连接方式：螺钉连接， 由于二者均为塑料件且采用螺钉连接，对变形的技术要求低，产品虽然变形较大，但不影响正常装配，所以生产时不需要过多关注变形问题，便于生产控制，降低生产成本。,通过模流分析可以预测伊莱克斯系列三个产品抓手最大变形量（如下）,模流分析预测13KG抓手理论变形量及变形改善,模具采用一模两腔，单点大水口转冷流道进胶 V/P转换时间2.37S,产品填充填至99%.V/P切

19、换压力为30.12MPa。,冷卻水入口与出口溫度之間的差异在2以內,无过载现象。,13KG抓手流道，冷却设计,模流分析预测13KG抓手理论变形量及变形改善,充填条件：,模具温度:50 熔体温度:230 注射时间:2.42S 保压时间：8 S 注射所需最大压力:30.12MPa 充填过程中最大锁模力：198.5T,边界条件,保压曲线,13KG抓手Moldflow模流分析,Moldflow分析预测13KG抓手产品理论变形量,冷却引起变形,上图显示为产品不均匀冷却原因导致的产品变形情况。分析结果显示,因不均匀冷却导致的产品最大变形量为0.37mm。,收缩变形,上图显示为产品因不均匀收缩原因导致的产品

20、变形情况。分析结果显示,因不均匀收缩导致的产品最大变形量为2.69mm。,分子配向变形,上图显示为产品因分子配向原因导致的产品变形情况.分析结果显示,因分子配向原因导致的产品最大变形量为0.00mm。,13KG抓手变形,通过上述模流分析可以知道：产品理论总变形量为 0.172.78mm。因不均匀收缩导致的产品最大变形量为2.69mm；因不均匀冷却导致的产品最大变形量为0.37mm；因分子配向原因导致的产品最大变形量为0.00mm。 可见产品变形主要是由于产品各方向收缩不均匀引起的.,产品各区域收缩不均导致变形，解决方法： 修改产品设计(壁厚差异,熔胶流动是否平衡等) 模具浇注系统设计 模具冷却

21、系统(改变冷却) 注塑工艺(调整保压曲线等),13KG抓手变形改善方案,可见产品变形主要是由于产品各方向收缩不均匀引起的，而影响注塑件收缩的因素很多,车间通过工艺调整批量生产后验证变形可以控制在0.3-0.8mm,较高的压力和流速会产生高剪切速率，形成塑件的内应力。产生高的残余应力,容易翘曲。 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. 减少翘曲,注射压力在可行范围内调到最低,降低注射压力和速度,调整保压压力,时间,保压压力过高,因补料而固化的流动残余应力高,同时塑料的压应力也高,应力易于释放,形成制品翘曲变形; 保压压力太低,浇口附近会发生回流,不仅形成流动残余剪切应力,而且会

22、形成大的体积收缩率差异而产生高的残余拉、压应力,使制品翘曲变形。 保压时间短,螺杆回退时浇口附近会发生回流,形成大的残余应力。 因此,保压压力要适中,保压时间延长至浇口凝固为止,可使产生的残余应力较小。,其他,模具温度低,残余剪切应力大,若没有足够的时间释放残余应力,容易翘曲。提高模温,可以减少翘曲。 注塑机,熔体温度对变形影响 冷却时间对变形影响,Moldflow模流分析辅助解决空气净化器前盖变形问题,空气净化器前盖，材料为ABS TR557。 产品在试模过程中变形比较大，约为5.5MM左右，变形方向是产品中间往后模方向拱，严重影响产品装配外观，为了解决变形问题，提出四种解决方案，利用Mol

23、dflow模流分析对比变形情况： 方案一：产品采用较高保压 。 方案二：产品采用较低保压 。 方案三：产品筋加高。 方案四：与方案三同种参数下，原始产品的变形。,产品充填过程,产品左右上下流动不平衡,从产品流动过程来看，流动非常不平衡， 这会导致后续的保压不平衡，最终 导致产品产生扭曲。,Moldflow辅助解决空气净化器前盖变形问题,产品冻结过程,V/P切换时的冻结状态,产品在9.4S时的冻结状态,产品在15.8S时的冻结状态,产品在17.8S时的冻结状态,产品在19.8S时的冻结状态,从上图得知，产品保压时间需要 29-5.5(射出时间）=23.5S,否则 胶口处会有缩痕出现。,下图红色代

24、表完全冻结到 顶出温度，而蓝色为没有冻结，冻结过程表示产品在注射过 程中凝固层厚度的变化，假如产品肉厚是3MM，而冻结层因子为0.5， 我们可以理解为产品厚度冻结了一半，也就是熔融层只有1.5MM了。,两侧已经完全冻结,Moldflow辅助解决空气净化器前盖变形问题,方案一,保壓曲線:,产品设三段保压持续18秒,方案二,保壓曲線:,产品设三段保压持续18秒,方案三，产品筋加高,保壓曲線:,产品设三段保压持续22秒,方案四,保壓曲線:,产品设两段保压持续22秒,Moldflow辅助解决空气净化器前盖变形问题,Moldflow辅助解决空气净化器前盖变形问题,顶出时的體積收縮率,方案四,方案一,方案

25、三,方案二,从左边结果来看， 方案二收缩最均匀。,Z方向的變形情況（产品往箭头方向翘曲）,方案一,翘曲量：15.7MM,翘曲量：2.8MM,方案三,方案四,翘曲量：4.8MM,方案二,翘曲量：3.07MM,从左图看来，保压曲线对产品变形有决定性的作用，其中方案三（加筋）变形最小，方案二次之，而方案一的先小保压后大保压是根本行不通的，因为流动末端在保压8秒后完全冻结了， 而中间区域保压时间比较长，所以应该要先大后小才能真正有效控制收缩而改善变形。,Moldflow辅助解决空气净化器前盖变形问题,调整保压曲线可有效调整变形，实际产品变形约5.5MM左右，而分析变形约为3MM左右，而变形主要在中间的局部，对产品装配和外观没有影响。,总结,对正在设计产品生产可能出现翘曲变形的进行有效预测，并作出相应的调整，将会大大缩短开发进度， 降低开发费用，提高产品品质；,