PET材料實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度分析方法

王峰

摘? 要：在注塑成型領(lǐng)域，有一些特殊注塑材料在生產(chǎn)過程中對生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝、材料管控等方面有著特殊要求，該文涉及的材料為杜邦PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）RE19051，它在生產(chǎn)過程中，水分含量對其強(qiáng)度有較大影響。該文尋求一種驗(yàn)證方法，計(jì)算注塑材料零件的理論設(shè)計(jì)強(qiáng)度，計(jì)算實(shí)際強(qiáng)度，研究其與實(shí)測強(qiáng)度之間的關(guān)系，結(jié)合材料自身的特性，驗(yàn)證這種特殊注塑材料零件在生產(chǎn)過程中的控制情況，判斷在其生產(chǎn)過程中是否嚴(yán)格按照要求對材料進(jìn)行烘干，對含水率進(jìn)行管控等。

關(guān)鍵詞：PET材料;建模過程;強(qiáng)度計(jì)算

中圖分類號：TQ342? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 問題分析過程

注塑零件的斷裂，在某種情況下可視為零件以懸臂梁形狀或者以獨(dú)立卡扣形狀，在外力的作用下發(fā)生斷裂的情況。但是往往問題發(fā)生后，要確認(rèn)包括設(shè)計(jì)強(qiáng)度、實(shí)際零件計(jì)算強(qiáng)度和實(shí)際測量強(qiáng)度等多方面因素，然后確定其發(fā)生的原因，該文主要驗(yàn)證零件實(shí)測強(qiáng)度與零件實(shí)際計(jì)算強(qiáng)度之間的關(guān)系，判斷特殊材料杜邦材料PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）RE19051水分含量（水分的占比嚴(yán)重影響PET材料的強(qiáng)度）及生產(chǎn)過程中的影響因素。

在分析材料斷裂的時(shí)候，首先要將斷裂部位形狀模擬成懸臂梁或者卡扣形狀進(jìn)行計(jì)算，在模擬的過程中，盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)的形狀，例如斷裂部位的形狀盡量模擬成矩形以便于簡化計(jì)算。對材料強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算，可按照以下流程進(jìn)行，如圖1所示。

對于以上的分析方法，需要有3個(gè)前提條件。1）選擇材料斷裂的形狀要盡可能的規(guī)則，要有可模擬性能。2）該文涉及的材料的受力情況，均是在集中荷載的作用下，如果是非集中荷載，需要查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，重新選擇公式。3）該文涉及的材料強(qiáng)度計(jì)算，只適用于注塑材料（杜邦PET RE19051），其他材料未進(jìn)行驗(yàn)證。

2 建模過程

實(shí)際材料斷裂形狀：截取斷裂位置的材料或模擬位置的材料，使其斷裂的零件形狀盡可能地像懸臂梁或卡扣形狀，模擬的目標(biāo)形狀如圖2所示。不難看出，對材料的實(shí)際斷裂情況進(jìn)行近似模擬后，材料強(qiáng)度可以通過理論計(jì)算得出。

3 強(qiáng)度計(jì)算過程

參考常量：根據(jù)杜邦PET RE19051材料物性，查表得出E彎曲彈性模量 9 700 MPa;σmax彎曲強(qiáng)度 170 MPa。

將材料模擬為卡扣形狀，在柔性平面的受力示意圖如圖3所示，參考公式如下。

安全系數(shù)：

式中：σ表示矩形截面梁的應(yīng)力;σmax表示材料彎曲強(qiáng)度。

截面梁的應(yīng)力：

式中：Fp為偏斜力，N（集中荷載）;Lb為卡爪的長度;Z為卡扣的截面模量，mm3。

截面模量：

式中：Wb為卡扣寬度;Tb為卡扣厚度。

偏斜力N（集中荷載）：

，此公式最終反映的是材料在斷裂時(shí)所受的最大力，在實(shí)際計(jì)算中，也近似默認(rèn)為零件受到集中荷載而斷裂。如果在分布荷載的情況下，需查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，重新選擇公式。

最大裝配應(yīng)變：

式中：Q為柔性平面的偏斜放大系數(shù)通過查表所得;δ為末端偏斜量，mm。

末端偏斜量：

，此公式可視為材料在斷裂的同時(shí)，末端最大的形變量，其中E為彈性模量，為材料自身物性;I為卡扣轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，mm4。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

根據(jù)卡扣卡扣所在位置，選擇Q偏斜放大系數(shù)。

將材料模擬為懸臂梁（剛性平面）的形狀，其受力示意圖如圖4所示，參考公式如下：

安全系數(shù)：

截面梁的應(yīng)力：

截面模量：

偏斜力N（集中荷載）：

式中：Y為末端偏斜量，mm。此公式最終反映的是材料在斷裂時(shí)所受的最大力，在實(shí)際計(jì)算中，也近似默認(rèn)為零件受到集中荷載而斷裂。如果是在分布荷載的情況下，需查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，重新選擇公式

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

采取以上2種方式，均可計(jì)算出F偏斜力，N（集中荷載）的理論值。根據(jù)零件的實(shí)際情況選擇。

4 數(shù)據(jù)分析方法

通過以上的計(jì)算方法，首先要得出以下數(shù)據(jù)：3D模型理論計(jì)算最大偏斜力Fp，理論計(jì)算最大末端偏斜量δ，實(shí)際零件理論計(jì)算最大偏斜力Fp，實(shí)測零件理論最大末端偏斜量δ，實(shí)測最大偏斜力Fp，實(shí)測最大末端偏斜量δ（根據(jù)實(shí)測力推算）。

其次對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，該文分析的主要內(nèi)容為實(shí)測破壞力與實(shí)際零件理論計(jì)算的占比，即實(shí)測破壞偏斜力/實(shí)際零件理論計(jì)算破壞偏斜力得出比值。比值體現(xiàn)出實(shí)測材料強(qiáng)度是否與實(shí)際零件強(qiáng)度保持一致，如果低于實(shí)際零件的理論計(jì)算值，需要深究零件是否在成型過程中出現(xiàn)塑化、原材料水分含量過高（材料降解）等問題。

5 實(shí)際應(yīng)用

5.1 背景

激光打印機(jī)定影部分工作環(huán)境溫度高，需要耐高溫材料，實(shí)際生產(chǎn)中通常添加玻璃纖維來增強(qiáng)其耐高溫性能，材料使用的為該文中的材料杜邦PET RE19051，同時(shí)也會(huì)帶來一些弊端，導(dǎo)致材料成型難度大，易脆。

5.2 問題描述

定影組件PET材料零件出現(xiàn)螺絲滑牙，易斷裂等問題多發(fā)，因?yàn)槭锹萁z孔破裂，無法從螺絲孔下手進(jìn)行分析，但是螺絲孔的斷裂反應(yīng)出材料的輕度已經(jīng)出現(xiàn)問題，因此采用卡扣強(qiáng)度的驗(yàn)證方法，來驗(yàn)證此款PET材料的強(qiáng)度是否存在問題。

5.3 分析問題

5.3.1 數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用以及含水率計(jì)算

通過綜合分析，將螺絲孔滑牙、零件斷裂等問題的原因定位為零件塑性太差，抗沖擊強(qiáng)度弱。應(yīng)用上述理論進(jìn)行計(jì)算，得出的數(shù)據(jù)見表1（計(jì)算傾斜力Fp）。

該機(jī)器試產(chǎn)階段未發(fā)生螺絲滑牙等，因此確認(rèn)歷史數(shù)據(jù)見表2。

其中：Wb，Tb，Lb為卡扣的寬度，厚度和長度，單位為mm;F，F(xiàn)p為理論計(jì)算與實(shí)際測量的偏斜力，單位為N。

圖5為材料供應(yīng)商（杜邦公司）提供的含水量-機(jī)械性能對照圖，根據(jù)圖示大致推斷出零件含水量略大于0.05%，明顯不滿足要求0.02%（杜邦公司要求，在材料成型前，需要測量原材料干燥后的含水量，達(dá)到0.02%以下，才能滿足材料的強(qiáng)度要求）。

5.3.2 廠家解析不良品

杜邦公司對不良零件分析結(jié)果見表3（#1和#3為原材料，#2和#4為零件），推斷出成型率=（零件熔體黏度）/（原材料熔體黏度）。

NG零件=（零件熔體黏度）/（原材料熔體黏度）=#1/#2=0.54。

OK零件=（零件熔體黏度）/（原材料熔體黏度）=#4/#3=0.64。

對照杜邦公司提供的成型率與零件黏性關(guān)系表。表格為杜邦公司提供的Development of Viscosity Retention Guidelines for Parts Molded from Rynite PET（PET注塑零件黏度開發(fā)指南）中的Summary of General Rynite PET Viscosity Molding Ratios（一般PET黏度成型比的總結(jié)），通過查詢表格，成型率在0.65以上才能保證零件沖擊強(qiáng)度滿足材料強(qiáng)度規(guī)格，不良品不滿足。

6 結(jié)論

該文構(gòu)造的簡易模型以及沖擊強(qiáng)度算法符合實(shí)際要求，可以作為一種經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式來計(jì)算零件的沖擊強(qiáng)度及其相關(guān)數(shù)據(jù)，如含水量等。

參考文獻(xiàn)

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