ABS電鍍件彈性模量CAE確定方法研究 ①

陳麗軍， 邱智學(xué)

(1.武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300；2.農(nóng)機(jī)智能控制與制造技術(shù)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 武夷山 354300；3.敏實(shí)集團(tuán)，浙江 寧波 315800)

0 引 言

ABS塑料易于加工成型，其制品具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、表面光潔、抗蠕變能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。塑料電鍍的目的是將塑料表面披覆上金屬，不但增加美觀，且能補(bǔ)償塑料的缺點(diǎn)，賦予金屬的質(zhì)感，在有效改善塑料外觀及裝飾性的同時(shí)，也改善了其在電、熱及耐蝕等方面的性能，特別適用于汽車、儀器儀表、電子電器等領(lǐng)域配件的裝飾性與功能性需求[1-4]。

由于塑料電鍍后材料力學(xué)性能發(fā)生改變，剛性大大增加，為了找出材料性能改變的合理數(shù)值，本文針對(duì)ABS電鍍件進(jìn)行CAE建模分析，并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核和匹配，找出較為理想的電鍍件CAE模型。

1 ABS電鍍件CAE建模

電鍍件CAE建?？梢苑譃?種方式進(jìn)行：(1)鍍層和基層都采用復(fù)合殼單元；(2)鍍層和基層分別采用復(fù)合殼單元和實(shí)體單元，殼單元和實(shí)體單元表面共節(jié)點(diǎn)；(3)鍍層和基層都采用實(shí)體單元。理論上應(yīng)該是第(3)種建模方式結(jié)構(gòu)最為準(zhǔn)確，因?yàn)槟Ｐ椭袥]有進(jìn)行各種簡化。

按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)試片的尺寸進(jìn)行建模，基層材料長度為80mm、寬度為10mm、厚度為3.2mm。按照電鍍的最低要求Ni+Cu≥15μm，即取正面鍍層分布為Ni、Cu層厚度為12μm，背面鍍層分布為3μm。在跨距為50mm的試片中間施加向下55N的力，取基材ABS彈性模量為2500MPa，Ni彈性模量為200GPa，Cu彈性模量117GPa。表1為三種建模方式的CAE解析比較。

表1 3種建模方式的CAE解析比較

從表1的CAE解析結(jié)果可知：3種建模方式所得到的最大位移結(jié)果差異很小基本可以忽略不計(jì)，即可以認(rèn)為3種模型可以等效。但考慮到模型建立的難易程度，以下采用復(fù)合殼單元、復(fù)合殼單元和實(shí)體單元2中建模方式進(jìn)行CAE解析。

2 CAE解析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)

為了獲取電鍍件的性能，一般需要進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，來對(duì)其彈性模量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。從上面的分析可知，利用CAE解析可以得到電鍍件在彎曲時(shí)的最大位移，即最大撓度。通過彎曲變形時(shí)的撓曲線微分方程可以推導(dǎo)出彈性模量值的計(jì)算公式。

E=5.24457/ωMPa

(1)

式中：E為彈性模量(MPa)；ω為彎曲時(shí)的最大撓度(mm)。

2.1 復(fù)合殼單元模型CAE結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)

取7組Ni、Cu鍍層厚度不同的電鍍件，分別用CAE的方法和試驗(yàn)的方法得到其彈性模量值，所得結(jié)果如表2所示。

表2 復(fù)合殼單元CAE結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果

2.2 復(fù)合殼單元和實(shí)體單元模型CAE結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)2.3 結(jié)果分析

從表2、表3可以看出：(1)兩種模型的CAE解析結(jié)果差別很小，可以忽略不計(jì)。(2)通過CAE解析計(jì)算得到的彈性模量值比試驗(yàn)的彈性模量值平均偏大40%左右，但結(jié)果對(duì)比波動(dòng)相對(duì)較小，可以通過上述試驗(yàn)值和CAE模擬值總結(jié)出一定的規(guī)律。

由于在電鍍過程中，Cu層和Ni層性質(zhì)相對(duì)比較穩(wěn)定，不容易發(fā)生較大變化，但是基材ABS需要經(jīng)過許多破壞性的步驟，如：粗化、中和、解膠等工藝過程，即基材ABS的性質(zhì)已經(jīng)發(fā)生了一些改變，故基材ABS的彈性模量在CAE解析過程中要進(jìn)行調(diào)整。

表3 復(fù)合殼單元和實(shí)體單元CAE結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果

2.4 CAE模型調(diào)整后解析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)

經(jīng)過多次調(diào)試，當(dāng)基材ABS的彈性模量為1000MPa時(shí)，CAE解析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好。表4為基材ABS彈性模量=1000MPa時(shí)，模擬值與試驗(yàn)值的對(duì)比。

表4 模型調(diào)整后CAE結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果

從表4可以看出，經(jīng)過模型調(diào)整后，在不同的膜厚組合下，CAE解析彈性模量值與實(shí)驗(yàn)彈性模量值平均吻合度為97%左右。因此，可以通過上述模型對(duì)ABS電鍍件進(jìn)行數(shù)值模擬。

3 結(jié) 論

(1)在對(duì)ABS電鍍件進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，采用最小膜厚計(jì)算產(chǎn)品剛性的彈性模量增加較小，結(jié)果偏安全，電鍍后基材ABS的彈性模量值的確定關(guān)系到最終電鍍件的解析結(jié)果。

(2)通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，文中找到較為理想的ABS電鍍件CAE解析模型，該方法可為其它基材的電鍍件數(shù)值模擬提供借鑒。