基于成形模拟的注塑件熔接缝确定与评价一周华民李德群 前沿与该节点的包容多边形存在4个交点/图1 Fs值愈小,熔接缝的性能愈差,对制品总体 中的P1、P2、P3、P4 性能的削弱程度愈大 定理三对于存在推论一所述交点的周边2.2熔接缝性能的影响因素 三角形(如图1中的阴影三角形Tu,它与初合点 针对熔接缝性能的影响因素,人们已经进行了 相连的两条边(如图1中的S1、S2)中的一条边应长期的实验研究-15这些研究主要是针对具体 与流动前沿还有一交点,而另一边一定没有交点。的塑料品种和模具结构。其影响因素可归纳如下 因为如果流动前沿穿过某三角形,应该有且仅有 (1)接缝类型并合缝的性能明显优于对 两个交点 接缝。 推论二由定理三可进一步得知,在与初合 (2)塑料材料无定型脆性材料的熔接缝使 点相连的两条边的两个节点中(图1中的C1、制品损害严重,无定型韧性材料的熔接缝对制品 C2),一点的流前时间要比初合点早,而另一点则损害较小,半结晶型材料的熔接缝也具有较高的 比初合点迟设C、C1、C2的流前时间分别为τ、接缝系数。无论哪种类型材料添加填料、增强剂 Tc、Tc,进一步应该有 之类虽然对塑料可以起到增强作用,但却会引起 Tc-Tc)(Tc·Tc)<0 接缝系数显著减小。 结论对于所有的有限元节点,若其周边的 (3)工艺条件一般而言,熔体温度越高、模 三角形中存在4个三角形满足式们1),则该节点为具温度越高、充填时间越短、保压压力越高,接缝 初合点。 系数也越高 制品与模具结构模具结构的可充填性 好,有利于顺利充模,熔接缝性能也较好,同时模 具的有效排气也有利于改善接缝系数 虽然现有的研究在熔接缝性能分析方面已经 积累了一定的实验数据,但是上述文献都没有得 出熔接缝性能的有效计算模型,也没有推导出 般性的评价准则。如果单从实验现象来看,成形 过程的每一个环节都对熔接缝有影响,有些甚至 得出了相反的结论6-18。但从微观的角度来 图1熔接缝确定示意图 看,熔接缝的性能下降是由下述的相互影响的环 通过上述分析可知,只要对所剖分的所有的节造成的(见图2):①熔接缝处的分子链没有充 有限元节点进行一次遍历,便可找出所有的初合分地熔合、缠结、扩散;②熔接缝处的分子链没有 点计算效率非常高。以初合点为起点熔接缝将形成平行于流动方向的分子取向(一般转向为平 沿着两个方向扩展如图1中的v1、V2因此,找行于接缝方向);③熔接缝处的流动应力没有获得 到初合点之后,以初合点为当前熔合点该熔合点充分的松弛;④熔接缝处的V形缺口引起了应力 的周边节点中沿扩展方向的流前时间最迟的两个集中。上述微观角度的影响因素实际上都直接或 节点即为下两个熔合点再以这两个熔合点为当间接地与形成熔接缝时的塑料分子流动性有关 前熔合点,依此扩展,就可生成整条熔接缝 (由粘度来表征),分子的流动性是影响熔接缝性 2熔接缝性能评价方法 能最根本的微观因素。当然,分子的流动性反过 来又依赖于塑料材料与成形工艺等宏观因素。 2.1熔接缝的性能评价指标 综上所述,可将影响熔接缝性能的主要因素 熔接缝是注塑件的薄弱环节不但影响制品归纳为以下三点 的外观,而且易于产生应力集中,影响制品的总体 (1)材料的取向性系数如前所述熔接缝处 强度接缝对制品的损害程度可定量地用接缝的分子取向由平行于流动方向转向为平行于接缝 系数Fk来表示10),其定义如下 方向,取向性强的材料(如含有填料、增强剂等) 2)其取向效应更明显,对制品的机械性能影响也更 式中,P、P分别为含熔接缝的试样的性能值和无熔接大。取向性系数由塑料内各种成分(含本料、填 缝的试样的性能值,其中试样性能是指拉伸强度、断裂伸料、增强剂等)所占的比例与各成分的短长径比乘 长率等参数 积之和来计算 c1994-2007ChinaAcademicournaleLectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:/hnww.cnki,net前沿与该节点的包容多边形存在 4 个交点 (图 1 中的 P1 、P2 、P3、P4 ) 。 定理三 对于存在推论一所述交点的周边 三角形(如图 1 中的阴影三角形 T1 ) ,它与初合点 相连的两条边(如图 1 中的 S 1 、S 2 ) 中的一条边应 与流动前沿还有一交点 ,而另一边一定没有交点。 因为如果流动前沿穿过某三角形 , 应该有且仅有 两个交点。 推论二 由定理三可进一步得知 ,在与初合 点相连的两条边的两个节点中 (图 1 中的 C1 、 C2 ) ,一点的流前时间要比初合点早 ,而另一点则 比初合点迟。设 C、C1 、C2 的流前时间分别为 TC、 TC1 、TC2 ,进一步应该有 ( TC - TC1 ) ( TC - TC2 ) < 0 (1) 结论 对于所有的有限元节点 ,若其周边的 三角形中存在 4 个三角形满足式(1) ,则该节点为 初合点。 图 1 熔接缝确定示意图 通过上述分析可知 ,只要对所剖分的所有的 有限元节点进行一次遍历 , 便可找出所有的初合 点 ,计算效率非常高。以初合点为起点 ,熔接缝将 沿着两个方向扩展(如图1中的 V 1 、V 2 ) 。因此 ,找 到初合点之后 ,以初合点为当前熔合点 ,该熔合点 的周边节点中沿扩展方向的流前时间最迟的两个 节点即为下两个熔合点 , 再以这两个熔合点为当 前熔合点 ,依此扩展 ,就可生成整条熔接缝。 2 熔接缝性能评价方法 2. 1 熔接缝的性能评价指标 熔接缝是注塑件的薄弱环节 ,不但影响制品 的外观 ,而且易于产生应力集中 ,影响制品的总体 强度。熔接缝对制品的损害程度可定量地用接缝 系数 FKL 来表示[10 ] ,其定义如下 : FKL = PY PN (2) 式中 , PY、PN 分别为含熔接缝的试样的性能值和无熔接 缝的试样的性能值 ,其中试样性能是指拉伸强度、断裂伸 长率等参数。 FKL 值愈小 ,熔接缝的性能愈差 ,对制品总体 性能的削弱程度愈大。 2. 2 熔接缝性能的影响因素 针对熔接缝性能的影响因素 ,人们已经进行了 长期的实验研究[11～15 ] ,这些研究主要是针对具体 的塑料品种和模具结构。其影响因素可归纳如下: (1) 接缝类型 并合缝的性能明显优于对 接缝。 (2) 塑料材料 无定型脆性材料的熔接缝使 制品损害严重 ,无定型韧性材料的熔接缝对制品 损害较小 ,半结晶型材料的熔接缝也具有较高的 接缝系数。无论哪种类型材料 ,添加填料、增强剂 之类虽然对塑料可以起到增强作用 ,但却会引起 接缝系数显著减小。 (3) 工艺条件 一般而言 ,熔体温度越高、模 具温度越高、充填时间越短、保压压力越高 ,接缝 系数也越高。 (4) 制品与模具结构 模具结构的可充填性 好 ,有利于顺利充模 ,熔接缝性能也较好 ,同时模 具的有效排气也有利于改善接缝系数。 虽然现有的研究在熔接缝性能分析方面已经 积累了一定的实验数据 ,但是上述文献都没有得 出熔接缝性能的有效计算模型 ,也没有推导出一 般性的评价准则。如果单从实验现象来看 ,成形 过程的每一个环节都对熔接缝有影响 ,有些甚至 得出了相反的结论[16～18 ] 。但从微观的角度来 看 ,熔接缝的性能下降是由下述的相互影响的环 节造成的 (见图 2) : ①熔接缝处的分子链没有充 分地熔合、缠结、扩散 ; ②熔接缝处的分子链没有 形成平行于流动方向的分子取向 (一般转向为平 行于接缝方向) ; ③熔接缝处的流动应力没有获得 充分的松弛 ; ④熔接缝处的 V 形缺口引起了应力 集中。上述微观角度的影响因素实际上都直接或 间接地与形成熔接缝时的塑料分子流动性有关 (由粘度来表征) ,分子的流动性是影响熔接缝性 能最根本的微观因素。当然 ,分子的流动性反过 来又依赖于塑料材料与成形工艺等宏观因素。 综上所述 ,可将影响熔接缝性能的主要因素 归纳为以下三点 : (1) 材料的取向性系数 如前所述 ,熔接缝处 的分子取向由平行于流动方向转向为平行于接缝 方向 ,取向性强的材料 (如含有填料、增强剂等) , 其取向效应更明显 ,对制品的机械性能影响也更 大。取向性系数由塑料内各种成分 (含本料、填 料、增强剂等) 所占的比例与各成分的短长径比乘 积之和来计算 : · 3691 · 基于成形模拟的注塑件熔接缝确定与评价 ———周华民 李德群 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net