沈忠良 1，2，3，張強(qiáng) 1，鄭子軍 3，歐長勁 3，孫圣 2，鄧益民 1
(1. 寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江寧波 315211 ; 2. 寧波歐琳廚具有限公司，浙江寧波 315000 ; 3. 浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波 315012)
摘要:以聚對苯二甲酸乙二酯 (PET) 薄膜為研究對象，自制了板式輻射加熱裝置輔助的模內(nèi)與模外裝飾一體的 超高壓成型機(jī)，采用控制變量法，在 6 種不同加熱溫度下進(jìn)行高壓成型實(shí)驗(yàn)，研究了 PET 薄膜對溫度變化的敏感性， 探討與分析了溫度對高壓成型件周向厚度分布和回彈的影響。結(jié)果表明，在拉伸作用下，材料沿拉伸方向流動(dòng)，高壓 薄膜厚度減薄明顯，溫度對薄膜的減薄有顯著影響。當(dāng)加熱成型溫度在 160°C時(shí)，周向厚度的減薄率出現(xiàn)最大值，為 47.6% ;當(dāng)溫度為 60°C時(shí)，出現(xiàn)最小值，為 29.6%，并且減薄率和溫度的升高成正比。回彈量在 160°C時(shí)出現(xiàn)最大值， 為 6.3 mm ;60°C時(shí)出現(xiàn)最小值，為 0.7 mm，且回彈量和溫度的升高成正比。另外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在溫度超過 100°C時(shí)， 回彈量的增長會驟然加快;在凹模圓角及其周邊厚度減薄較小，回彈也較小。
關(guān)鍵詞:聚對苯二甲酸乙二酯薄膜;厚度;回彈;溫度;高壓成型
高聚物薄膜的成型特性研究是模內(nèi)裝飾 (IMD) 技術(shù)的重要技術(shù)支撐 [1]，而在高聚物薄膜的成型特 性的影響因素中溫度是重要參數(shù) [2]，厚度變化與回 彈變化是僅次于成型過程中褶皺與破裂的關(guān)鍵實(shí)際問題 [3]，因此，開展溫度對高聚物薄膜成型過程厚度 變化與回彈變化的研究具有重要意義。
國內(nèi)外學(xué)者在高聚物薄膜成型特性方面開展 了各有特色的研究，主要的研究方法包括:基于厚 度測試儀 [4–5]、萬能拉伸機(jī) [6–8] 等實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)研 究;基于有限元軟件的數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究 [9] 和基于本構(gòu) 模型等原理的理論研究 [10] 等。 J. H. Yoon 等 [11] 探 討了由于注塑過程引起高溫而導(dǎo)致的高聚物薄膜變 形 ( 局部撕裂 ) 特性研究，采用單向耦合的方法對 聚合物膜的注射成型過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，給出了 一種分析與預(yù)測薄膜變形的有效方法，同時(shí)從機(jī)理 與微觀角度給出了研究高聚物薄膜受溫度變化影響 的實(shí)驗(yàn)手段 [12]。Y. H. Lin 等 [13] 整合了萬能拉伸機(jī) 測試獲得的塑料薄膜的力學(xué)特性，通過有限元數(shù)值 實(shí)驗(yàn)的方式探討了溫度變化、溫度的不對稱性對高 聚物塑料薄膜在 IMD 領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)成型特性的影響， 結(jié)果表明，薄膜在溫度不對稱情況下引起的結(jié)晶度 差異是導(dǎo)致薄膜變形與翹曲的主要原因。
C. O. Phillips 等 [14] 基于萬能拉伸機(jī)所獲得的 材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)與 ( 電子 ) 油墨印刷過程的相關(guān) 參數(shù)，分析和探討了適合油墨均勻印刷的關(guān)鍵技術(shù)、 油墨印刷過程對高聚物薄膜成型特性的影響，之前 他們 [15] 還基于有限元數(shù)值模擬的方法開展了 IMD 工藝下高聚物薄膜的成型特性研究，利用拉伸試驗(yàn) 數(shù)據(jù)建立的材料模型，對該鍵盤表面覆膜高壓成型 過程進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，模具和薄膜之間的摩 擦防止了薄膜的畸變，上述兩者的界面是有效控制 薄膜成型特性的關(guān)鍵界面。G. Kim 等 [16] 認(rèn)為，薄 膜插入成型 (FIM) 是提高產(chǎn)品表面功能或美學(xué)質(zhì)量 的方法之一，并采用黏彈性本構(gòu)關(guān)系描述了聚合物 膜的流變行為，采用恒速單軸高溫拉伸試驗(yàn)方法獲 得了流變學(xué)參數(shù)，提出了一種可視化的模式變化預(yù) 測方法，并與實(shí)際產(chǎn)品的分析結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證 了該方法的有效性。
T. Azdast 等 [17] 以聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 片材作為研究對象，通過有限元數(shù)值模擬方法，利用 自由成型和插塞輔助成型進(jìn)行了高聚物變形過程中 材料厚度的變化研究，研究了不同溫度下自由成型 和插塞輔助成型方法的不同組合，并根據(jù)每種方法 在最終成型件總高度中所占的比例進(jìn)行了最優(yōu)化研 究。 S. C. Chen 等 [18] 探討了 0.125~0.2 mm 厚度 的 IMD 成型用高聚物薄膜深拉伸成型與模具溫度、 預(yù)涂膜加熱溫度、插塞速度、插塞保溫時(shí)間、插塞熱 成型深度等的影響關(guān)系，研究了薄膜的壁厚變化規(guī) 律和壁厚分布規(guī)律，結(jié)果表明，結(jié)晶溫度對膜的拉伸 比和膜厚變化率影響最大。
綜上所述，溫度對高聚物薄膜成型特性的影響是塑料件 IMD/模外裝飾 (OMD) 成型的關(guān)鍵問題， 且影響成型特性的因素較多，存在一定的相互作用 關(guān)系。上述研究已給出了溫度對高聚物薄膜成型影 響的基本研究方法，但是，研究尚未明確給出溫度對 高聚物薄膜成型特性影響的作用關(guān)系。同時(shí)，表征 高聚物薄膜的本構(gòu)模型所采用的參數(shù)多數(shù)為常溫下 獲取，并不能準(zhǔn)確表征隨著溫度變化引起的高聚物 薄膜力學(xué)參數(shù)變化對成型特性帶來的影響。
筆者在上述研究的基礎(chǔ)上，以聚對苯二甲酸乙二酯 (PET) 薄膜為研究對象，通過自主研制的超高 壓 IMD/OMD 一體高壓成型機(jī)進(jìn)行成型實(shí)驗(yàn)，開展了高聚物薄膜的厚度與回彈性對溫度變化敏感 性的研究，探討了溫度變化對薄膜厚度、回彈量的影響，同時(shí)探討了薄膜成型結(jié)構(gòu)對薄膜溫度敏感性的影響。
1 實(shí)驗(yàn)方法
1.1 主要原材料
單 面 加 硬 防 刮 花 PET 薄 膜:T60，厚 度 為250 μm，表面無明顯彩虹紋，拉伸強(qiáng)度 ≥ 160 MPa，標(biāo)稱加熱收縮率≤ 1%，日本東麗株式會社。
1.2 主要儀器與設(shè)備
高壓 IMD/OMD 氣體成型一體機(jī):HPFM– 350C 型，自制; 千分尺:103–137型，精度為±2 μm，日本 Mitutoyo 公司。
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
通過進(jìn)行不同溫度下的高壓成型實(shí)驗(yàn)研究高聚物薄膜熱成型的規(guī)律。超高壓 IMD/OMD 氣體 成型一體機(jī)的紅外輻射加熱部件的工作原理如下: 以高熔點(diǎn)的合金材料作為輻射體，通電后由電阻發(fā) 熱而產(chǎn)生熱輻射作為輻射源 [13]。與傳統(tǒng)的加熱方 式相比，紅外輻射加熱可以透入薄膜表面一定深度， 在薄膜厚度只有 0.25 mm 的情況下，具有非常好的 加熱效果。此外，紅外輻射加熱裝置結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備 維護(hù)方便，加熱方式易于控制，并且加熱的速度快、 熱量散失小，因此具有很高的加熱效率。
膜片的加熱需要一定的加熱面積，因此在設(shè)計(jì) 加熱裝置時(shí)，選用板式加熱方式，將輻射元件按一定 的秩序排列在一塊方形板上，板式輻射使得膜片受 熱均勻，且結(jié)構(gòu)簡單，具體的結(jié)構(gòu)簡圖如圖 1 所示， 加熱裝置共有 6 排輻射元件，每排 5 個(gè)，共 30 個(gè)，每 個(gè)輻射元件的溫度都可以單獨(dú)控制，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過不斷調(diào)整各區(qū)域的溫度，以達(dá)到膜片最好的成型狀 態(tài)。
實(shí)驗(yàn)采用的 PET 薄膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為 79°C，而熱成型工藝溫度通常控制在 100~150°C 之間 [14]，因此在進(jìn)行高壓成型實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇的膜片 加熱溫度分別為:60，80，100，120，140，160°C，實(shí)驗(yàn) 過程中，上、下模的溫度分別始終控制在 140°C和 130°C。
圖 2 是高壓成型實(shí)驗(yàn)的流程圖，具體的實(shí)驗(yàn)步 驟如下:
(1) 放膜。首先將膜片放置在型腔中，并用夾邊 模具固定，利用夾邊模具上的定位銷定位，利用 Y 型密封圈實(shí)現(xiàn)裝置的密封;
(2) 加熱膜片。彈出加熱板，所有溫度均采用紅 外輻射的方式來控制，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)分區(qū)控制;
(3) 合模。利用液壓缸控制開模、合模，并提供 所需要的合模力;
(4) 吹高壓。合模完成后，通過氣壓泵向模具內(nèi) 吹高壓，高壓吹氣壓力為 30 MPa ;
(5) 保壓。高壓保壓時(shí)間為 4 s ;
(6) 泄壓開模。達(dá)到保壓時(shí)間后，泄壓 5 s，之 后開模取件，更換膜片。保持其它工藝參數(shù)不變，僅 改變加熱溫度，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
圖 2 高壓成型實(shí)驗(yàn)流程圖
2 結(jié)果與討論
2.1 溫度對厚度的影響
為了研究溫度對高壓成型件厚度的影響，定義 減薄率 (m) 為:
式中:d0——高聚物薄膜的原始厚度;
d——高聚物薄膜成型后的厚度。
以 某 產(chǎn) 品 成 型 件 為 例 ，將 其 沿 周 向 切 開 ，選 取 40 個(gè)測量點(diǎn)，如圖 3 所示，分別測量這 40 個(gè)點(diǎn)所在位置的壁厚。成型件薄膜的原始厚度為 0.25 mm，選用千分尺作為測量工具。為了減小誤差，每個(gè)點(diǎn) 需要進(jìn)行兩次測量然后取平均值，記錄并統(tǒng)計(jì)各個(gè) 溫度下壁厚的測量值。不同加熱溫度下高壓成型件 壁厚的分布如圖 4 所示，其減薄率數(shù)據(jù)列于表 1。
圖 3 成型產(chǎn)品與測量點(diǎn)分布
圖 4 不同加熱溫度下高壓成型件壁厚的分布
表 1 不同加熱溫度下高壓成型件壁厚減薄率數(shù)據(jù)
由圖 4 和表 1 可以看出，隨著加熱溫度的升 高，高壓成型件壁厚的減薄率越來越大，最小減薄 率發(fā)生在 60°C時(shí)，最小減薄率為 29.6% ;最大減薄 率發(fā)生在 160°C時(shí)，最大減薄率為 47.6%。在高壓 成型件的成型高度最高處，60°C下成型后的厚度為 0.151 mm，160°C下的厚度為 0.131 mm，由此可見， 溫度對高壓成型件壁厚的影響較大。
通過對 6 種不同加熱溫度下高壓成型件壁厚分 布曲線進(jìn)行對比分析，可以得到如下結(jié)論:
(1) 溫度越高，高壓成型件的厚度越來越薄，因 此，最大減薄率和最小減薄率都隨之升高;
(2) 材料在成型時(shí)受到來自各個(gè)方向上的拉應(yīng) 力，通過厚度分布可以得出最容易產(chǎn)生破裂的區(qū)域， 在工業(yè)生產(chǎn)中，該區(qū)域是需要重要關(guān)注的位置;
(3) 分析高壓成型件壁厚最薄處的成型情況，發(fā) 現(xiàn)該區(qū)域材料的成型高度最高，由于拉伸作用，沿拉 伸方向流動(dòng)，在材料一定的情況下，該區(qū)域的厚度也就變得薄。
2.2 溫度對回彈性的影響
高壓成型后部分產(chǎn)品會出現(xiàn)起皺，這是由于材料的回彈造成的，因此在研究薄膜的起皺現(xiàn)象時(shí)，實(shí) 際上是在研究材料的回彈現(xiàn)象。材料的回彈性是一 個(gè)相對復(fù)雜的過程，受到各種因素的影響，例如模具 的形狀、材料的厚度以及性能、摩擦力等眾多因素。 在成型完成后，當(dāng)壓力被卸載，累積在薄膜材料中的 彈性能都會釋放出來，使得零件的尺寸發(fā)生變化。 在高壓成型時(shí)，薄膜會發(fā)生彎曲作用，根據(jù)彎曲性能 原理 [15]，一定會產(chǎn)生回彈現(xiàn)象，只是回彈的程度有 高有低。因此，如何預(yù)測回彈是控制高壓成型件質(zhì) 量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
在預(yù)測和控制回彈方面，常用的方法有解析 法、數(shù)值模擬法以及實(shí)驗(yàn)法。在運(yùn)用解析法時(shí)，首先 通過理論分析研究材料成型的過程，然后依靠數(shù)學(xué) 模型揭示回彈產(chǎn)生的機(jī)理，但解析法在應(yīng)用時(shí)有很 大的局限性，只能適用于簡單的沖壓成型，對于復(fù)雜 的成型，數(shù)學(xué)模型難以建立，計(jì)算太龐大，對技術(shù)人 員的要求過高，且不適用于生產(chǎn)實(shí)際。數(shù)值模擬法 通過建立模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究，本質(zhì)上也是從 理論上研究問題，加工的環(huán)境過于理想化，經(jīng)常與生 產(chǎn)實(shí)際不符合。而實(shí)驗(yàn)法與前二者不同，實(shí)驗(yàn)法立 足于生產(chǎn)實(shí)際，理論結(jié)合實(shí)踐，通過在實(shí)驗(yàn)中獲取不 同的工藝參數(shù)對回彈的影響，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來研究 回彈的規(guī)律。綜上所述，實(shí)驗(yàn)法是研究回彈基本規(guī) 律的可靠手段。
不同加熱溫度下高壓成型件壁厚的回彈性如 圖 5 所示。
由圖 5a 可以看出，隨著加熱溫度的升高，高壓 成型件壁厚的回彈量增大。當(dāng)加熱溫度低于 100°C 時(shí)，回彈量的增長較為緩慢，當(dāng)加熱溫度超過 100°C 后，回彈量的增長會驟然加快。60°C時(shí)的回彈量為 0.7 mm，160°C時(shí)上升到 6.3 mm，表明加熱溫度對 高壓成型件壁厚的回彈量有顯著的影響。
回彈百分比按式 (2) 計(jì)算 :
式中:w——回彈百分比;
h——回彈量;
h0——高壓成型件設(shè)計(jì)高度。
由圖 5b 可以看出，高壓成型件壁厚的回彈百分比與加熱溫度成正比，加熱溫度越高，回彈越嚴(yán)重。
a—回彈量;b—回彈百分比
圖 5 不同加熱溫度下高壓成型件壁厚的回彈性
高壓成型件壁厚回彈的本質(zhì)是:高壓成型件成 型后，卸載高壓空氣，在成型過程中儲存的彈性變形 能需要釋放，從而引起內(nèi)應(yīng)力的重新分布，導(dǎo)致高壓 成型件的外形尺寸發(fā)生了相應(yīng)的改變，如圖 6 所示。
圖 6 高壓成型件壁厚回彈示意圖
隨著高壓成型過程中腔內(nèi)的壓力越來越大，在成型高度越高的位置，薄膜的減薄越嚴(yán)重，該位置也 是變形最大的位置。高聚物薄膜的成型方式是高壓 吹氣成型，現(xiàn)有的技術(shù)基本能保證厚度的均勻分布， 但在變形區(qū)域較大、成型高度較高的位置，成型完成 后殘余的內(nèi)應(yīng)力越大，當(dāng)高壓卸載完成后，該區(qū)域的 應(yīng)力得到釋放，導(dǎo)致在變形較大的區(qū)域回彈越明顯。 但在凹模圓角及其周邊的厚度減薄和變形程度則沒 有那么嚴(yán)重，卸載后，產(chǎn)生的回彈量較小。
3 結(jié)論
通過實(shí)驗(yàn)研究溫度對高聚物薄膜成型件厚度分布和回彈的影響。設(shè)計(jì)了膜片加熱裝置，使用自 制超高壓 IMD/OMD 氣體成型一體機(jī)，對 6 種不 同加熱溫度下的高壓成型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論:
(1) 在拉伸作用下，材料需要不斷沿拉伸方向補(bǔ) 足，并且材料是定量的，因此在成型高度越高的位置，厚度越薄，隨著溫度的升高，高壓成型件的厚度 變薄，在 160°C下具有最大減薄率，在 60°C時(shí)具有最 小減薄率，通過分析厚度的分布情況，得到薄膜最易 產(chǎn)生破裂的危險(xiǎn)區(qū)域。
(2) 保壓 4 s 后泄壓，由于腔內(nèi)持續(xù)高壓，產(chǎn)生 的內(nèi)應(yīng)力需要釋放，因此成型件厚度出現(xiàn)回彈，在成 型高度越高的位置，成型件厚度的變形量越大，產(chǎn)生 的內(nèi)應(yīng)力越大，回彈量也越大，在凹模圓角及其周邊 厚度減薄較小，卸載后，回彈也較小。
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