论文部分内容阅读
模内镶件注塑(In—mould decoration，以下简称IMD)是近几年来兴起的一种塑胶产品成型和装饰技术，应用领域涉及到家电、电子产品、汽车、数码设备、医疗器械等许多行业，具有广阔的市场前景。IMD膜片的热压成形是IMD技术关键的一环，直接影响产品的最终成形质量。目前，IMD技术缺乏理论性指导，尤其是IMD膜片的热压成形，基本上是依靠反复试模、修模的方法来确定热压成形参数，导致研发成本很高；此外，运用传统的热压成形方法，已经很难实现尺寸较大、型腔较深IMD产品其膜片的凹腔成形，也难于解决膜片图案变形量大、扭曲错位、膜片厚度分布不均等问题，致使产品报废率高达30～40％。因此，深入研究IMD膜片的力学性能以及新的热压成形工艺方法，具有十分重要的意义。本文的研究课题正是在此背景下提出来的，主要的研究内容及成果包括：
(1)系统地回顾了IMD技术、热压成形及其影响因素、聚合物材料力学性能和本构模型、以及热压成形数值模拟的研究进展，指出目前IMD膜片热压成形研究存在的困难和不足，提出本课题的研究目的、意义、思路及主要内容。
(2)详细介绍了本研究创新性提出的拉胀复合热压成形工艺(PDAB—IMD工艺)的基本原理和成形机理。根据塑性成形原理和连续介质力学理论，对PDAB—IMD工艺的基本过程、IMD膜片的热交换原理、以及膜片在不同成形阶段的受力分析等进行了论述，指出：PDAB—IMD工艺相对传统热压成形工艺，在顺利实现IMD膜片的热压成形，特别是尺寸较大、型腔较深IMD产品其膜片的热压成形，解决膜片图案或文字变形偏移、扭曲错位和定位不准等问题，以及改善零件厚度分布的均匀性、减少破裂、翘曲、回弹等方面上具有显著的优势。
(3)以三种型号的IMD膜片材料为例，分别进行动态力学性能实验、常温单向拉伸和单向压缩实验、以及高温单向拉伸实验，详细研究了IMD膜片在不同温度、应变速率下的力学反应。研究发现，IMD膜片材料的力学性能均十分敏感于温度和应变速率：当在玻璃化温度以下时，材料具有比较明显的屈服和应变软化、应变硬化特性，弹性性质占据主导地位；但当温度升高到玻璃化温度及以上时，材料的屈服和应变软化、应变硬化特性逐渐减弱直至消失，粘性性质慢慢地占据主导地位。在同一应变速率下，随着温度的升高，真实应力逐渐下降；在相同温度下，随着应变速率增加，真实应力以较小的幅度递增。此外还发现，IMD膜片材料具有比较强烈的静水压应力效应。
(4)在IMD膜片力学性能实验和以往Duan等人提出的DSGZ粘弹性本构模型的基础上，根据G’Sell理论，构造了一个称为CF—DSGZ的IMD膜片粘弹性本构模型及其广义式。CF—DSGZ模型纠正了DSGZ模型系数恒定不变的错误，不仅能反映IMD膜片材料的屈服和应变软化、应变硬化特性，还充分考虑了静水压应力效应，更能准确地反映IMD膜片复杂的粘弹性力学性能。另外，相对DSGZ模型，CF—DSGZ模型结构简单，待定系数较少。应用CF—DSGZ模型预测两种IMD膜片材料在不同温度和拉伸速度下的真实应力—真实应变曲线，发现预测曲线与实验数据吻合得比较好，由此证明了CF—DSGZ模型是比较准确的，可以用于较真实地描述IMD膜片在热压成形时的力学性能。
(5)在CF—DSGZ模型和弹性预测—塑性校正显式积分计算策略的基础上，设计编写了一个称为CF—IMD的材料子程序，作为有限元软件ABAQUS/Explicit的一个外部求解模块，用于模拟IMD膜片的热压成形过程。详细阐述CF—IMD的显式积分计算过程、基本结构及流程，并将CF—IMD应用在IMD膜片材料单向拉伸的数值模拟，验证了该材料子程序的可行性和准确性。
(6)运用材料子程序CF—IMD和ABAQUS/Explicit软件，对型腔较深的IMD盒形零件的膜片进行近似参数条件下的PDAB—IMD工艺的数值模拟、PDAB—IMD工艺的成形试验以及THP工艺的成形试验，验证了数值模拟的准确性和PDAB—IMD工艺的优越性。最后，以三种典型的尺寸较大、型腔较深IMD产品膜片的PDAB—IMD成形为例，借助数值模拟方法获得相应较佳的工艺参数，并应用在实际生产中指导膜片的成形，取得了令人较为满意的效果。