Как предотвратить и устранить деформацию коробления пластиковых деталей, обработанных на станках с ЧПУ?

 

При проектировании деталей из пластика для обработки на станках с ЧПУ мы неизбежно сталкиваемся с дефектами деформации коробления.

 

 

Как решить проблему деформации коробления?

 

 

Прежде всего, мы должны понять механизм деформации коробления, то есть, почему пластиковые детали, обработанные на станке с ЧПУ деформироваться и коробиться.

 

Поняв основы механизма, мы можем начать с четырех аспектов: пластмассовые материалы, конструкция пластмассовых деталей, структура пресс-формы и процесс формования, чтобы решить эту проблему системно, структурно и логично.

 

Конечно, когда дело касается коробления и деформации пластиковых деталей, профилактика важнее решения. Мы должны оптимизировать по четырем вышеуказанным аспектам до того, как деформация коробления действительно произойдет. Вместо того, чтобы ждать, пока деформация коробления действительно произойдет, затем решить ее; в это время ее будет очень сложно решить.

 

 

 

1. Деформация коробления видна повсюду.

 

Коробление и деформация пластиковых деталей являются одними из самых распространенных дефектов пластиковых деталей и могут возникнуть в любом изделии; в то же время это один из самых трудноустранимых дефектов.

 

 

2. Последствия деформации коробления

Общая деформация коробления приведет к появлению неравномерных зазоров и разрывов внешнего вида, что повлияет на внешний вид продукта. Потребители могут посчитать, что класс продукта слишком низкий, и отказаться от покупки.

 

Сильная деформация может повлиять на сборку изделия и даже на его функциональность, производительность и надежность.

 

 

1. Деформация приводит к появлению неоднородных зазоров, серьезно влияющих на внешний вид изделия.

2. Деформация приводит к тому, что захват стиральной машины и стеклянная крышка оказываются слабо соединенными.

3. Коробление влияет на качество сборки, снижает прочность и производительность изделия, а также несет потенциальный риск выхода из строя.

4. Головка переднего барабана стиральной машины барабанного типа деформирована и перекошена, в результате чего зазор между уплотнительным кольцом и внутренним барабаном из нержавеющей стали слишком мал, что приводит к износу уплотнительного кольца и внутреннего барабана из нержавеющей стали, что серьезно влияет на надежность изделия.

 

 

 

Основная причина деформации коробления — неравномерная усадка

 

 

3.1 Почему основной причиной деформации коробления является неравномерная усадка?

 

Основной причиной коробления пластиковых деталей является неравномерная усадка пластмассы.

 

 

Моделирование неравномерной усадки в программном обеспечении CAE

Если пластиковая деталь в процессе литья под давлением равномерно сжимается во всех направлениях, размер пластиковой детали одновременно уменьшится, но она сохранит правильную форму и не деформируется.

 

Однако, если усадка в каком-либо одном направлении не соответствует другим направлениям, это вызовет внутреннее напряжение. Когда внутреннее напряжение превышает прочность самой пластиковой детали, пластиковая деталь будет коробиться и деформироваться после выталкивания.

 

Левая сторона — внутреннее напряжение, вызванное неравномерной усадкой, а правая сторона — прочность.

 

 

3.2 Что такое усадка?

 

Прежде чем разобраться в неравномерной усадке, нам необходимо понять усадку пластиковых материалов.

 

Для этого нам необходимо начать с молекулярной структуры пластиковых материалов и рассмотреть различные изменения, которые происходят в пластиковых материалах в процессе плавления и охлаждения.

 

Как и в случае с большинством пластиковых материалов, поведение при плавлении и охлаждении зависит от типа пластикового материала и от того, были ли добавлены наполнители или стекловолокна.

 

1. Аморфный пластик

 

Аморфные пластики — это пластики, молекулы которых расположены в неупорядоченном состоянии, а не в кристаллической структуре.

 

Распространенные аморфные пластики включают ABS, PC, PMMA и PPO. Будь то в расплавленном или твердом состоянии, молекулярная структура аморфных пластиков неупорядочена.

 

Когда аморфный пластик плавится, силы между молекулами ослабевают, позволяя молекулам двигаться навстречу друг другу. Кроме того, сила сдвига (похожая на силу трения) на этапе заполнения заставляет молекулы разворачиваться и ориентироваться в направлении потока раствора.

 

Когда поток раствора прекращает течь, молекулы расслабляются и возвращаются в свое первоначальное неупорядоченное состояние. Силы между молекулами толкают молекулы ближе друг к другу, пока температура не станет достаточно низкой для того, чтобы они затвердели.

 

Эти силы вызывают равномерную усадку, но эффекты релаксации вызывают большую усадку в направлении потока раствора.

 

2. Полукристаллический пластик

 

Полукристаллические пластики относятся к пластикам, в которых некоторые молекулы расположены в регулярной кристаллической структуре в твердом состоянии. Эта часть кристаллической структуры является относительно плотной и густой. Распространенные полукристаллические пластики включают PBT, PA, POM, PPS и PEEK.

При плавлении полукристаллического пластика кристаллическая часть разрыхляется, а молекулярная ориентация соответствует направлению потока раствора, что примерно соответствует направлению аморфного пластика. Но при охлаждении эта часть не разрыхляется.

 

Вместо этого они остаются выровненными с направлением потока раствора и начинают кристаллизоваться, что значительно увеличивает усадку. Эффект релаксации делает скорость усадки в направлении потока раствора намного больше, чем скорость усадки в вертикальном направлении.

 

Полукристаллические пластики имеют более высокую скорость усадки, а полукристаллические пластики имеют разные скорости усадки параллельно и перпендикулярно направлению течения расплава, что усложняет проблему. Эта проблема еще больше усложняется изменениями кристалличности, вызванными изменениями условий процесса литья под давлением. Если пластик остывает медленно, то и кристалличность, и усадка увеличиваются.

 

 

3. Стеклопластик, армированный стекловолокном

 

Стекловолокно часто добавляют в пластмассы для повышения механической прочности или других свойств. Когда стекловолокно добавляют в пластмассы, оно может противодействовать усадке, вызванной молекулярной ориентацией.

 

При изменении температуры стекловолокно не будет расширяться или сжиматься. Поэтому в направлении течения раствора стекловолокно значительно уменьшит усадку пластмасс.

 

 

 

3.2 Почему усадка неравномерна?

 

 

Что вызывает неравномерную усадку? Существует пять основных причин этого.

 

 

1. Влияние ориентации молекул при заполнении

 

В начале заполнения сдвиговое давление ориентирует молекулы пластика. Когда заполнение прекращается, расплав пластика все еще находится при высокой температуре, сдвиговое усилие исчезает, и ориентация ослабевает (ориентация будет сохраняться только тогда, когда сдвиг и затвердевание происходят одновременно).

 

Для аморфных пластмасс при ослабленной ориентации усадка больше параллельно направлению течения раствора.

 

Для стеклопластиков усадка больше в направлении, перпендикулярном направлению потока растворенного материала. Это происходит потому, что молекулярная ориентация кристаллизованной части соответствует направлению потока растворенного материала, и кристаллизация происходит в направлении, перпендикулярном направлению потока растворенного материала.

 

2. Ограничения структуры пресс-формы

 

Когда пластиковая деталь находится в форме, из-за ограничений структуры формы пластиковая деталь не может сжиматься в направлении плоскости, но может сжиматься в направлении толщины.

 

Это имеет два эффекта: во-первых, усадка больше в направлении толщины; во-вторых, остаточное внутреннее напряжение концентрируется в направлении плоскости.

 

После выталкивания, поскольку структура формы не ограничивает пластиковую деталь, по мере ее дальнейшего остывания напряжение снимается, что приводит к деформации коробления.

 

Чем выше температура формы, тем медленнее скорость охлаждения и тем больше снятие напряжений.

 

Влияние ограничений структуры пресс-формы зависит от пластиковых материалов. Пластиковые материалы с более медленным снятием напряжения имеют большую линейную усадку; пластиковые материалы с более быстрым снятием напряжения имеют меньшую линейную усадку.

 

 

3. Разница температур по толщине стенки

 

Если температуры пресс-формы с обеих сторон пластиковой детали неравномерны по толщине, усадка с обеих сторон будет неравномерной.

 

Как правило, сторона с более высокой температурой пресс-формы усаживается больше, а сторона с более низкой температурой пресс-формы усаживается меньше, что создает изгибающий момент, который приводит к короблению и деформации пластиковой детали.

 

 

4. Неравномерная толщина стенки

 

Если пластиковые детали имеют неравномерную толщину стенок, более толстые участки требуют более длительного охлаждения, что приводит к большей усадке.

 

 

5. Неравномерное удержание давления

 

Каждая область внутри пластиковой детали испытывает неравномерное давление, удерживающее давление.

 

Область вблизи литника находится под высоким давлением, а область, удаленная от литника, будет охлаждаться с другой скоростью, что приведет к неравномерной усадке.

 

 

 

3.3 Четыре проявления неравномерной усадки

 

 

В целом неравномерная усадка проявляется в основном в четырех аспектах:

 

 

1. Различные части изделия усаживаются неравномерно.

 

Пластиковые детали неравномерно усаживаются в области, близкой к литнику и последней заполненной области. Область, близкая к литнику, имеет небольшую усадку, а область, заполненная последней, имеет большую усадку.

 

 

2. Неравномерная усадка по толщине изделия.

 

Если посмотреть на профиль толщины пластиковой детали, усадка верхней и нижней частей профиля неравномерна. Эта неравномерная усадка может привести к деформации пластиковой детали, поскольку одна сторона усаживается больше, а другая меньше.

 

 

3. Молекулярная ориентация неравномерно сокращается в параллельном и перпендикулярном направлениях.

 

Из-за молекулярной ориентации или направления волокон неравномерность усадки существует параллельно и перпендикулярно направлению течения расплава пластмассовой детали.

 

Как упоминалось ранее, ненаполненные пластики больше усаживаются в направлении течения расплава, тогда как пластики, армированные стекловолокном, больше усаживаются в вертикальном направлении.

 

 

4. Неравномерная усадка в направлении плоскости и толщины.

 

Пластиковые детали обычно сжимаются больше в направлении толщины, чем в направлении плоскости. Это происходит в основном из-за ограничений структуры пресс-формы в направлении плоскости, но не в направлении толщины.

 

Такая неравномерная усадка может привести к короблению, особенно в углах пластиковых деталей, где толщина стенки детали часто превышает основную толщину стенки детали.

 

 

 

 

Структурированные идеи по предотвращению и решению проблемы коробления

 

 

 

4.1 Профилактика важнее решения

 

 

Деформация коробления пластиковых деталей должна быть предотвращена заранее на этапе проектирования изделия из пластиковых деталей. Нельзя ждать, пока обработка пресс-формы будет завершена и проблема деформации коробления будет обнаружена во время испытания пресс-формы. Решать проблему будет слишком поздно.

 

Как только происходит деформация коробления пластиковых деталей, ее очень трудно решить. Методы, которые можно применить, часто немногочисленны и бесполезны:

 

Особые или даже экстремальные условия процесса литья под давлением (особая температура формы, большая разница температур формы, длительный цикл литья под давлением и т. д.);

 

Модифицировать пресс-форму (изменить конструкцию изделия, изменить литники, компенсацию литья или использовать горячеканальную систему) или даже перепроектировать пресс-форму;

 

приспособление для пластической хирургии;

 

Вышеуказанные методы часто требуют многократных испытаний и отладки пресс-форм для достижения заранее определенных целей. В то же время они также снижают эффективность производства литья под давлением, задерживают время запуска продукта и увеличивают себестоимость продукта.

 

 

 

4.2 Структурированные идеи по предотвращению и решению проблемы коробления

 

Предотвращение и решение проблем, связанных с деформацией коробления, требует рассмотрения четырех аспектов: выбора материала, проектирования пластиковых деталей, конструкции пресс-формы и процесса литья под давлением.

 

 

 

4.3 Используйте программное обеспечение для анализа течения пресс-формы, чтобы предотвратить деформацию коробления

 

Это очень продуманный и эффективный метод использования программного обеспечения для анализа течения литья, позволяющий точно прогнозировать тенденцию деформации коробления изделия перед открытием формы и проводить целенаправленную оптимизацию проектирования для снижения деформации коробления.

 

 

 

 

 

Выбор пластикового материала

 

 

Усадка, текучесть, содержание стекловолокна, термостойкость и т. д. пластиковых материалов влияют на деформацию коробления изделия. При одинаковых прочих условиях деформация коробления различных пластиковых материалов различна.

 

Полукристаллические пластики более подвержены деформации, чем аморфные пластики.

 

Пластики, армированные стекловолокном, имеют меньшую деформацию коробления в направлении течения расплава, чем пластики, не армированные стекловолокном.

 

В соответствии с требованиями сценариев применения пластиковых деталей старайтесь использовать пластиковые материалы с низким потенциалом коробления в ситуациях, когда требуется высокая точность размеров.

 

 

 

 

Проектирование деталей для обработки пластика на станках с ЧПУ

 

 

 

6.1 Равномерная толщина стенки

 

Неравномерная толщина стенок является основной причиной коробления и деформации пластиковых деталей. Поэтому при проектировании пластиковых деталей необходимо следовать принципу равномерной толщины стенок, изложенному в книге «Руководство по проектированию изделий для производства и сборки».

 

По возможности старайтесь, чтобы толщина стенок пластиковых деталей была одинаковой.

 

 

 

6.2 Плавный переход при неравномерной толщине стенки

 

Неравномерная толщина стенок требует плавных переходов.

 

 

6.3 Используйте конструкции с выемками, если толщина стенок слишком велика

 

В любом месте пластиковой детали, где толщина стенки слишком велика, необходимо использовать полую конструкцию, чтобы сделать толщину стенки равномерной.

 

6.4 Попробуйте спроектировать больший угол наклона

 

Постарайтесь спроектировать больший угол извлечения из формы, чтобы избежать деформации из-за прилипания формы во время извлечения.

 

Общий угол наклона: 1~2 градуса или более

 

Минимальный угол наклона: 0.5 градуса

 

Функциональный предел угла наклона: 0.25 градуса

 

Внешний вид: Увеличить угол наклона

 

Поверхность кусания: Зависит от размера поверхности кусания

 

6.5 Повышение прочности деталей из пластика, обработанных на станках с ЧПУ

 

Для пластиковых деталей с недостаточной прочностью конструкции прочность следует увеличить путем добавления ребер жесткости, чтобы избежать деформации под действием силы при выталкивании.

 

 

6.6 Рациональное проектирование структуры деталей из пластика, обработанных с помощью ЧПУ

 

 

1. L-образная структура изменена на T-образную

 

 

2. Измените форму буквы Т на форму креста.

 

 

3. Если толщина стенки неравномерна, толщину можно оставить неизменной и изменить на симметричный тип.

 

 

6.7 Исправление коробления пластиковых деталей, обработанных на станках с ЧПУ, посредством проектирования сборки

 

Когда деформация коробления пластиковых деталей неизбежна или когда стоимость различных методов снижения деформации коробления слишком высока, пластиковые детали с ЧПУ можно включить в структуру изделия, а деформацию пластиковых деталей, обработанных на станке с ЧПУ, можно исправить путем проектирования других деталей.

 

 

6.8 Добавьте металлические детали для исправления коробления

 

Деформацию можно устранить, добавив металлические листы к пластиковым деталям, обработанным на станке с ЧПУ, однако этот метод является дорогостоящим, является крайней мерой и не рекомендуется к применению.

 

 

 

 

Структура пресс-формы

 

 

Три основные части конструкции пресс-формы включают систему заливки, систему охлаждения и систему выталкивания, которые оказывают большое влияние на коробление и деформацию пластиковых деталей.

 

 

7.1 Разумная система заливки

 

Расположение, структура и количество литников литьевой формы влияют на степень заполнения полости формы пластмассой, что приводит к деформации пластмассовых деталей.

 

 

1. Соотношение между отношением длины потока и короблением

 

При заполнении расплавленным материалом расплав течет в полости формы. Как правило, температура стенки полости формы ниже температуры плавления пластика, поэтому расплавленный материал начинает охлаждаться с момента попадания в полость формы. Твердое тело образует неподвижную внешнюю оболочку (конденсационный слой), в то время как внутри остается более горячий расплав (текучий слой).

 

 

Чем больше расстояние потока, тем больше внутреннее напряжение, вызванное потоком и подачей между замороженным слоем и центральным слоем потока; и наоборот, чем короче расстояние потока, тем короче время потока от литника до конца потока детали, а толщина замороженного слоя во время заполнения уменьшается, внутреннее напряжение уменьшается, а деформация коробления значительно уменьшается.

 

Чем больше расстояние течения расплава в полости формы, тем больше вероятность возникновения ориентационного напряжения. По этой причине для пластиковых деталей с толстыми стенками, длинными процессами и большими площадями следует соответствующим образом распределить несколько дополнительных литников, что может эффективно снизить ориентационное напряжение и предотвратить деформацию коробления. Однако многие литники склонны к появлению следов сварки.

 

 

2. Связь между балансом потока и короблением

 

Под моделью заполнения понимается состояние потока расплавленного материала, которое со временем изменяется в системе транспортировки и полости формы.

 

Режим заполнения оказывает решающее влияние на коробление пластиковых деталей. Идеальный режим заполнения заключается в том, что в течение всего процесса заполнения расплав достигает каждого угла полости формы одновременно с фиксированной скоростью фронта расплава (MFV); в противном случае, область в полости формы, которая заполняется первой, будет переполняться и переполняться. Если полость формы заполняется с изменяющейся скоростью фронта волны расплава, это приведет к изменениям в молекулярной цепи или ориентации волокон.

 

 

3. Правильно спроектируйте систему розлива.

 

Правильная конструкция литниковой системы может помочь уменьшить коробление и деформацию пластиковых деталей.

 

1) Литник должен быть спроектирован, когда толщина стенки пластиковой детали является наибольшей, что может соответствующим образом уменьшить давление впрыска, давление выдержки и время выдержки, что полезно для снижения ориентационного напряжения. Когда литник спроектирован в тонкостенной области, толщина стенки у литника должна быть соответствующим образом увеличена, чтобы уменьшить ориентационное напряжение вблизи литника.

 

2) Чем больше расстояние течения расплава в полости формы, тем больше вероятность возникновения ориентационного напряжения. По этой причине для пластиковых деталей с толстыми стенками, длинными процессами и большими площадями следует соответствующим образом распределить несколько дополнительных литников, что может эффективно снизить ориентационное напряжение и предотвратить деформацию коробления.

 

3) Проектирование короткого и толстого канала потока может уменьшить потерю давления и падение температуры расплава, соответственно уменьшить давление впрыска и скорость охлаждения, тем самым уменьшая ориентационное напряжение и давление охлаждения.

 

4) Конструкция литника должна быть сбалансированной, чтобы обеспечить сбалансированную подачу клея в каждый затвор. Нерациональная конструкция канала потока приведет к несбалансированному заполнению потока материала, и локальные места могут быть переполнены, что приведет к большому напряжению сдвига экструзии, вызывая напряжение, подобное напряжению, вызванному чрезмерным давлением выдержки.

 

 

 

7.2 Правильная система охлаждения

 

Распределение каналов охлаждающей воды должно быть равномерным, чтобы области вблизи литника, вдали от литника, толстые стенки и тонкие стенки могли охлаждаться равномерно и медленно, тем самым снижая внутреннее напряжение.

 

1. Различные температуры пресс-формы вызывают различные деформации коробления.

 

Если температура пресс-формы с обеих сторон пластиковой детали не одинакова, могут возникнуть коробление и деформация.

 

 

2. Оптимизация пути охлаждающей воды

 

Благодаря оптимизации пути охлаждающей воды все части пластиковых деталей могут охлаждаться одновременно, что снижает коробление и деформацию.

 

Оригинальная конструкция контура охлаждающей воды и разница температур пресс-формы

Оригинальная конструкция охлаждающего водовода и обработка реальных объектов и моделирования

 

 

 

7.3 Разумная система выброса

 

Конструкция системы выталкивания также напрямую влияет на деформацию коробления пластиковых деталей. Несбалансированное усилие выталкивания, нестабильное движение механизма выталкивания или неправильная область выталкивания выталкивания могут легко привести к короблению и деформации пластиковых деталей.

 

Для предотвращения деформации при выталкивании необходимо улучшить условия выталкивания: например, сбалансировать силу выталкивания, тщательно отполировать новую сторону, увеличить угол выталкивания, расположить выталкиватель в местах с большим сопротивлением выталкиванию, например, усилить ребра и стойки.

 

 

7.4 Предварительная компенсация деформации

 

Предварительная компенсация деформации заключается в применении определенной предварительной деформации (обратной деформации) к структуре и размеру соответствующих деталей пресс-формы на основе деформации изделия, прогнозируемой программным обеспечением для анализа течения пресс-формы, или фактической деформации пластмассовой детали во время формования для компенсации деформации во время формования. деформации, тем самым достигая цели уменьшения деформации коробления и повышения точности размеров.

 

 

 

 

Процесс литья под давлением

 

 

Для уменьшения деформации коробления пластиковых деталей, исходя из параметров процесса литья под давлением, можно учитывать следующие четыре аспекта:

 

 

8.1 Уменьшите давление и скорость впрыска

 

Более высокое давление впрыска и скорость потока приведут к высоким скоростям сдвига, что приведет к возникновению внутренних напряжений в пластиковых деталях, что приведет к их короблению и деформации.

 

Меньшее давление впрыска может снизить тенденцию пластмасс к молекулярной ориентации и снизить их внутреннее напряжение.

 

Для уменьшения коробления давление и скорость впрыска регулируются до минимально возможного диапазона.

 

 

 

8.2 Отрегулируйте давление и время выдержки

 

Если удерживающее давление слишком велико, остаточное напряжение течения, затвердевшее из-за пополнения материала, будет высоким, и напряжение будет легко сниматься, вызывая коробление и деформацию пластиковых деталей.

 

Если давление выдержки слишком низкое, вблизи литника возникнет обратный поток, который не только сформирует остаточное напряжение сдвига потока, но и создаст большую разницу в объемной усадке, что приведет к высокому остаточному напряжению растяжения и сжатия, вызывая коробление и деформацию пластиковых деталей.

 

Если время выдержки короткое, при отходе шнека вблизи затвора возникнет обратный поток, что приведет к возникновению большого остаточного напряжения.

 

Поэтому давление выдержки должно быть умеренным, а время выдержки должно быть увеличено до тех пор, пока литник не затвердеет, чтобы остаточное напряжение могло быть меньше.

 

 

 

8.3 Регулировка температуры формы

 

Температура формы низкая, а остаточное напряжение сдвига большое. Если нет достаточно времени для снятия остаточного напряжения, легко деформироваться. Повышение температуры формы может уменьшить коробление.

 

Но это не обязательно должна быть низкая температура. Для некоторых форм низкая температура приведет к увеличению разницы температур между полостью формы и сердечником формы, что облегчит деформацию. Более того, когда температура формы ниже температуры окружающей среды пластиковых деталей, могут возникнуть такие проблемы, как деформация или изменение размеров из-за пост-усадки.

 

Поэтому самое важное в температуре формы — это не сама температура, а равномерность (баланс) температуры, включая охлаждение стержня для достижения равномерной усадки.

 

 

 

8.4 Отрегулируйте время охлаждения

 

Поскольку пластиковые детали сохраняют свою форму в полости формы в течение длительного периода времени, увеличение времени охлаждения во многих случаях позволяет снизить деформацию.

 

Но для некоторых форм верно обратное. Из-за таких причин, как герметичность формы (сердечника формы), увеличение времени охлаждения может привести к плохому извлечению из формы и деформации, что не может быть обобщено.

 

 

 

 

Суммировать

 

Коробление и деформация пластиковых деталей, обработанных на станках с ЧПУ, всегда были серьезной проблемой.

 

На основе понимания неравномерной усадки и применения структурированного мышления, то есть предотвращения и решения проблем, связанных с пластиковыми материалами, проектирования деталей для обработки пластика на станках с ЧПУ, конструкции пресс-формы и процесса литья под давлением, деформация коробления больше не будет проблемой.