岳欽楊，謝春穩(wěn)

（1.泰瑞機(jī)器股份有限公司，浙江 杭州310018；2.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029）

0 前言

近年來(lái)，透明塑料制品得到了非常廣泛的應(yīng)用。在透明制品的注射成型過(guò)程中，聚合物熔體以高速、高壓的方式迅速充滿整個(gè)模腔，熔體層之間存在著很大的剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力，由于冷卻過(guò)程中溫度的迅速下降，當(dāng)溫度降到玻璃化溫度以下時(shí)，來(lái)不及松弛的應(yīng)力被“凍結(jié)”在制品中，形成流動(dòng)殘余應(yīng)力［1］。同時(shí)，由于成型過(guò)程中快速不均勻冷卻使得制品各個(gè)部位經(jīng)歷的收縮變形也不一樣，從而形成熱應(yīng)力，脫模時(shí)未松弛的熱應(yīng)力稱為熱殘余應(yīng)力。流動(dòng)殘余應(yīng)力和熱殘余應(yīng)力相互影響，在制品中形成復(fù)雜的應(yīng)力分布狀態(tài)。

制品內(nèi)部的殘余應(yīng)力會(huì)使制品產(chǎn)生一定程度的各向異性。當(dāng)一束偏振光透過(guò)含有殘余應(yīng)力的透明塑料制品時(shí)，會(huì)出現(xiàn)尋常光和非尋常光，兩種光在制品中傳播的速度有快慢差異，經(jīng)過(guò)傳播路徑上的積累，會(huì)產(chǎn)生光程差，出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。對(duì)于無(wú)定形透明聚合物來(lái)說(shuō)，雙折射是表征聚合物凍結(jié)分子取向和殘余應(yīng)力的有效方法，也可作為一種聚合物注塑制品的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，是制品各向異性的體現(xiàn)［2］。在工程實(shí)踐中，雙折射也是塑料光學(xué)元件面臨的主要成型問題之一。雙折射會(huì)使透過(guò)光學(xué)元件的光線產(chǎn)生相位差，在成像時(shí)出現(xiàn)雙重影像，且很難通過(guò)像差矯正來(lái)完全消除，嚴(yán)重影響塑料光學(xué)元件的成像品質(zhì)和光學(xué)性能［3］。許多學(xué)者采用了數(shù)值分析的方法分析了注射成型工藝參數(shù)對(duì)制品雙折射分布的影響［4-6］，但是這些研究大多是基于二維的分析模擬，無(wú)法反映聚合物熔體真實(shí)的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)雙折射的影響。Can Weng等［7-8］采用3D模擬的方法分析了成型工藝參數(shù)和制品的微結(jié)構(gòu)形狀對(duì)最大雙折射的影響，最大雙折射雖然在一定程度上可以反映制品的性能，但是并不能說(shuō)明制品整體的雙折射水平和分布狀況。

本文運(yùn)用Moldflow翹曲模塊中“3D網(wǎng)格雙折射分析”功能對(duì)透明塑料制品的成型過(guò)程進(jìn)行了模擬，研究了成型工藝參數(shù)對(duì)制品平均雙折射性能的影響。為光學(xué)塑料制品成型模具設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)設(shè)置提供參考，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和節(jié)約試制成本。

1 模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)制品模型

實(shí)驗(yàn)制件為正方形平板模型，模具采用一模兩腔，幾何尺寸為：長(zhǎng)×寬×厚＝60mm×60mm×2mm，本制品采用扇形澆口，為方便建模和分析，將澆口最為制品的一部分進(jìn)行模擬。實(shí)驗(yàn)采用四面體網(wǎng)格模型進(jìn)行3D模擬，劃分后的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為17998，網(wǎng)格單元總數(shù)為91617。幾何模型與網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 制品幾何模型和網(wǎng)格劃分Fig.1 Geometrical model and mesh of the part

1.2 材料選擇

本實(shí)驗(yàn)材料選擇Polystyrene Australia公司的聚苯乙烯（PS），牌號(hào)為Austrex 555。材料經(jīng)過(guò)光學(xué)性能測(cè)試，分析結(jié)果中包含偏振光通過(guò)制品時(shí)形成的光程差和相位差。

2 工藝條件

2.1 工藝參數(shù)以及正交實(shí)驗(yàn)的選擇

本實(shí)驗(yàn)采用6因子3水平的正交實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)因子分別為熔體溫度、模具溫度、充填速率、保壓壓力、保壓時(shí)間和冷卻時(shí)間，各因子分別適當(dāng)?shù)卮_定3個(gè)水平，因素水平的設(shè)置見表1。選用正交表L18（37）正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

表1 工藝參數(shù)及水平Tab.1 Processing parameters and their levers

2.2 雙折射值計(jì)算方法

表2 正交實(shí)驗(yàn)表Tab.2 Orthogonal experiment table

在正方形制品上均勻標(biāo)示9個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)的位置如圖2所示。分別計(jì)算每組工藝條件下制品待測(cè)點(diǎn)上的雙折射值，并對(duì)9個(gè)測(cè)量點(diǎn)的雙折射求平均值。需要說(shuō)明的是由軟件直接得到的計(jì)算結(jié)果是透過(guò)制品厚度方向的光程差，光程差除以厚度便可得出雙折射值。

圖2 選取的測(cè)量點(diǎn)位置Fig.2 The selected measurement position

3 結(jié)果與討論

3.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由模擬得出的制品平均雙折射數(shù)據(jù)計(jì)算均值，所得結(jié)果如表3所示。由表3可繪制出工藝參數(shù)對(duì)制品平均雙折射的影響曲線圖，如圖3所示。

由圖3可以看出保壓時(shí)間和熔體溫度對(duì)制品的平均雙折射性能影響最為明顯，制品的平均雙折射隨保壓時(shí)間的增加而增大，隨熔體溫度的升高而減?。荒＞邷囟群屠鋮s時(shí)間對(duì)制品平均雙折射也有一定程度的影響，提高模具溫度和延長(zhǎng)冷卻時(shí)間都會(huì)促進(jìn)制品中應(yīng)力松弛，從而降低雙折射；保壓壓力和充填速率對(duì)制品平均雙折射的性能影響不明顯。

表3 平均雙折射值的均值分析×10-6Tab.3 The average value of birefringence ×10-6

圖3 工藝參數(shù)對(duì)平均雙折射的影響趨勢(shì)Fig.3 Effect of processing parameters on average birefringence

為了進(jìn)一步考察各因素對(duì)平均雙折射的影響程度，文章對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了方差分析，分析結(jié)果如表4所示。由表4可知，保壓時(shí)間和熔體溫度對(duì)制品平均雙折射的貢獻(xiàn)率分別為66.46%和23.36%，冷卻時(shí)間的貢獻(xiàn)率為5.14%，而模具溫度、填充速率以及保壓壓力對(duì)制品平均雙折射的貢獻(xiàn)率很小，均在5%以下。由方差分析得出各因素對(duì)制品平均雙折射影響程度由強(qiáng)到弱排列為：保壓時(shí)間＞熔體溫度＞冷卻時(shí)間＞模具溫度＞填充速率＞保壓壓力。

按照制品平均雙折射越小越好的原則，最佳工藝組合是：A3／B3／C3／D3／E1／F3，即熔體溫度215℃、模具溫度70℃、填充速率60cm3／s、保壓壓力為注射壓力的90%、保壓時(shí)間3s以及冷卻時(shí)間25s。按照最佳工藝組合進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出的制品平均雙折射值為50.5×10-6，低于其他各組試驗(yàn)結(jié)果。偏振光垂直透過(guò)制品形成的光程差分布如圖4所示，由圖4可以看出，最佳工藝條件成型的制品整體雙折射水平較低，僅在澆口附近區(qū)域出現(xiàn)較大的雙折射值。

表4 方差分析表Tab.4 Square error analysis table

3.2 單因素實(shí)驗(yàn)

由方差分析得到保壓時(shí)間與熔體溫度對(duì)制品的平均雙折射水品影響最為明顯，本文采用單因素實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)其具體影響規(guī)律進(jìn)行探討。單個(gè)工藝參數(shù)取值如表5所示，其中保壓時(shí)間設(shè)定6組實(shí)驗(yàn)，熔體溫度設(shè)定5組實(shí)驗(yàn)。單個(gè)因素變化時(shí)，其他工藝參數(shù)設(shè)定為已得出的最佳工藝組合中的值。

圖4 最佳工藝的制品光程差分布Fig.4 The distribution of retardation with the optimized processing parameters

表5 單因素工藝參數(shù)設(shè)定Tab.5 Variations of signal processing parameters

圖5 保壓時(shí)間對(duì)制品平均雙折射的影響Fig.5 Influence of holding time on average birefringence of the part

由圖5可以看出，隨著保壓時(shí)間的增長(zhǎng)，制品的平均雙折射迅速增大，但是當(dāng)保壓時(shí)間大于7s時(shí)，保壓時(shí)間對(duì)平均雙折射的影響已經(jīng)十分微弱。這是因?yàn)樾颓怀錆M后冷卻收縮為新的熔體流入提供了空間，保壓時(shí)間的延長(zhǎng)增加了高分子熔體變形取向的時(shí)間，殘余分子取向和和流動(dòng)應(yīng)力也會(huì)隨之增大。當(dāng)保壓時(shí)間大于7s時(shí)，澆口已接近凝固，延長(zhǎng)保壓時(shí)間不再引起模腔內(nèi)熔體的流動(dòng)和剪切，因此澆口冷卻后的保壓時(shí)間對(duì)雙折射的影響也較小。為了更加清楚保壓時(shí)間對(duì)制品雙折射的影響機(jī)理，以測(cè)量點(diǎn)的編號(hào)為橫坐標(biāo)，測(cè)量點(diǎn)的雙折射值為縱坐標(biāo)作圖，考慮保壓時(shí)間對(duì)各測(cè)量點(diǎn)雙折射值的影響，如圖6所示。由圖6可以看出，保壓時(shí)間對(duì)距澆口距離較近的點(diǎn)1、點(diǎn)2以及點(diǎn)3的雙折射值影響十分明顯，不同的保壓時(shí)間甚至?xí)闺p折射值發(fā)生十多倍的變化，而對(duì)距澆口距離較遠(yuǎn)的點(diǎn)7、點(diǎn)8和點(diǎn)9，改變保壓時(shí)間基本上不會(huì)引起雙折射值的變化。由此可以看出，保壓時(shí)間主要是通過(guò)影響近澆口區(qū)域的雙折射值來(lái)影響制品整體雙折射水平。

圖6 保壓時(shí)間對(duì)各測(cè)量點(diǎn)雙折射的影響Fig.6 Influence of holding time on birefringence of the measured points

圖7 熔體溫度對(duì)制品平均雙折射的影響Fig.7 Influence of melt temperature on average birefringence of part

圖7是不同的熔體溫度對(duì)制品平均雙折射值的影響曲線，可以看到隨著熔體溫度升高，制品平均雙折射值明顯變小。這是因?yàn)殡S著熔體溫度的升高，熔體的黏度減小，充模時(shí)熔體的剪切作用減弱，另外高的熔體溫度使熔體的有效松弛時(shí)間降低，在充模過(guò)程中形成的取向及應(yīng)力可以在熔體固化前有較大程度松弛［9］。圖8是熔體溫度對(duì)各測(cè)量點(diǎn)雙折射的影響曲線，由圖8可以看出，在流動(dòng)方向上，雙折射值呈逐漸減小的趨勢(shì)，這和一些實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的結(jié)果［10-11］也是相符的。熔體溫度不但對(duì)距澆口較近的點(diǎn)1、點(diǎn)2以及點(diǎn)3的雙折射值影響顯著，對(duì)距澆口較遠(yuǎn)的點(diǎn)7、點(diǎn)8以及點(diǎn)9的雙折射值影響也十分明顯。因此，熔體溫度是通過(guò)影響制品整個(gè)區(qū)域的雙折射值來(lái)影響制品平均雙折射水平的。

圖8 熔體溫度對(duì)各測(cè)量點(diǎn)雙折射的影響Fig.8 Influence of melt temperature on birefringence of the measured points

4 結(jié)論

（1）本文采用正交實(shí)驗(yàn)法得到透明聚苯乙烯平板的成型最佳工藝參數(shù)為熔體溫度215℃，模具溫度70℃，填充速率60cm3／s，保壓壓力為注射壓力的90%，保壓時(shí)間3s，冷卻時(shí)間25s。方差分析表明，保壓時(shí)間是影響制品平均雙折射的最重要因子，它對(duì)平均雙折射值的貢獻(xiàn)率為66.46%；其次為熔體溫度，貢獻(xiàn)率為23.36%；模具溫度、保壓壓力和冷卻時(shí)間對(duì)平均雙折射值的影響較小。

（2）對(duì)于制品的平均雙折射值，各因素影響的排列順序?yàn)椋罕簳r(shí)間＞熔體溫度＞冷卻時(shí)間＞模具溫度＞填充速率＞保壓壓力。

（3）保壓時(shí)間僅對(duì)近澆口區(qū)域的雙折射值影響顯著，熔體溫度則對(duì)制品整個(gè)區(qū)域的雙折射值有較大影響。在制品的各項(xiàng)性能滿足要求的情況下，應(yīng)采用盡可能采用高的熔體溫度和短的保壓時(shí)間。

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