沈忠良 1，2，3，张强 1，郑子军 3，欧长劲 3，孙圣 2，邓益民 1
(1. 宁波大学机械工程与力学学院，浙江宁波 315211 ; 2. 宁波欧琳厨具有限公司，浙江宁波 315000 ; 3. 浙江工商职业技术学院，浙江宁波 315012)
摘要:以聚对苯二甲酸乙二酯 (PET) 薄膜为研究对象，自制了板式辐射加热装置辅助的模内与模外装饰一体的 超高压成型机，采用控制变量法，在 6 种不同加热温度下进行高压成型实验，研究了 PET 薄膜对温度变化的敏感性， 探讨与分析了温度对高压成型件周向厚度分布和回弹的影响。结果表明，在拉伸作用下，材料沿拉伸方向流动，高压 薄膜厚度减薄明显，温度对薄膜的减薄有显著影响。当加热成型温度在 160°C时，周向厚度的减薄率出现最大值，为 47.6% ;当温度为 60°C时，出现最小值，为 29.6%，并且减薄率和温度的升高成正比。回弹量在 160°C时出现最大值， 为 6.3 mm ;60°C时出现最小值，为 0.7 mm，且回弹量和温度的升高成正比。另外，实验发现，在温度超过 100°C时， 回弹量的增长会骤然加快;在凹模圆角及其周边厚度减薄较小，回弹也较小。
关键词:聚对苯二甲酸乙二酯薄膜;厚度;回弹;温度;高压成型
高聚物薄膜的成型特性研究是模内装饰 (IMD) 技术的重要技术支撑 [1]，而在高聚物薄膜的成型特 性的影响因素中温度是重要参数 [2]，厚度变化与回 弹变化是仅次于成型过程中褶皱与破裂的关键实际问题 [3]，因此，开展温度对高聚物薄膜成型过程厚度 变化与回弹变化的研究具有重要意义。
国内外学者在高聚物薄膜成型特性方面开展 了各有特色的研究，主要的研究方法包括:基于厚 度测试仪 [4–5]、万能拉伸机 [6–8] 等实验设备的实验研 究;基于有限元软件的数值实验研究 [9] 和基于本构 模型等原理的理论研究 [10] 等。 J. H. Yoon 等 [11] 探 讨了由于注塑过程引起高温而导致的高聚物薄膜变 形 ( 局部撕裂 ) 特性研究，采用单向耦合的方法对 聚合物膜的注射成型过程进行了数值模拟，给出了 一种分析与预测薄膜变形的有效方法，同时从机理 与微观角度给出了研究高聚物薄膜受温度变化影响 的实验手段 [12]。Y. H. Lin 等 [13] 整合了万能拉伸机 测试获得的塑料薄膜的力学特性，通过有限元数值 实验的方式探讨了温度变化、温度的不对称性对高 聚物塑料薄膜在 IMD 领域应用时成型特性的影响， 结果表明，薄膜在温度不对称情况下引起的结晶度 差异是导致薄膜变形与翘曲的主要原因。
C. O. Phillips 等 [14] 基于万能拉伸机所获得的 材料力学性能数据与 ( 电子 ) 油墨印刷过程的相关 参数，分析和探讨了适合油墨均匀印刷的关键技术、 油墨印刷过程对高聚物薄膜成型特性的影响，之前 他们 [15] 还基于有限元数值模拟的方法开展了 IMD 工艺下高聚物薄膜的成型特性研究，利用拉伸试验 数据建立的材料模型，对该键盘表面覆膜高压成型 过程进行了仿真。结果表明，模具和薄膜之间的摩 擦防止了薄膜的畸变，上述两者的界面是有效控制 薄膜成型特性的关键界面。G. Kim 等 [16] 认为，薄 膜插入成型 (FIM) 是提高产品表面功能或美学质量 的方法之一，并采用黏弹性本构关系描述了聚合物 膜的流变行为，采用恒速单轴高温拉伸试验方法获 得了流变学参数，提出了一种可视化的模式变化预 测方法，并与实际产品的分析结果进行了比较，验证 了该方法的有效性。
T. Azdast 等 [17] 以聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 片材作为研究对象，通过有限元数值模拟方法，利用 自由成型和插塞辅助成型进行了高聚物变形过程中 材料厚度的变化研究，研究了不同温度下自由成型 和插塞辅助成型方法的不同组合，并根据每种方法 在最终成型件总高度中所占的比例进行了最优化研 究。 S. C. Chen 等 [18] 探讨了 0.125~0.2 mm 厚度 的 IMD 成型用高聚物薄膜深拉伸成型与模具温度、 预涂膜加热温度、插塞速度、插塞保温时间、插塞热 成型深度等的影响关系，研究了薄膜的壁厚变化规 律和壁厚分布规律，结果表明，结晶温度对膜的拉伸 比和膜厚变化率影响最大。
综上所述，温度对高聚物薄膜成型特性的影响是塑料件 IMD/模外装饰 (OMD) 成型的关键问题， 且影响成型特性的因素较多，存在一定的相互作用 关系。上述研究已给出了温度对高聚物薄膜成型影 响的基本研究方法，但是，研究尚未明确给出温度对 高聚物薄膜成型特性影响的作用关系。同时，表征 高聚物薄膜的本构模型所采用的参数多数为常温下 获取，并不能准确表征随着温度变化引起的高聚物 薄膜力学参数变化对成型特性带来的影响。
笔者在上述研究的基础上，以聚对苯二甲酸乙二酯 (PET) 薄膜为研究对象，通过自主研制的超高 压 IMD/OMD 一体高压成型机进行成型实验，开展了高聚物薄膜的厚度与回弹性对温度变化敏感 性的研究，探讨了温度变化对薄膜厚度、回弹量的影响，同时探讨了薄膜成型结构对薄膜温度敏感性的影响。
1 实验方法
1.1 主要原材料
单 面 加 硬 防 刮 花 PET 薄 膜:T60，厚 度 为250 μm，表面无明显彩虹纹，拉伸强度 ≥ 160 MPa，标称加热收缩率≤ 1%，日本东丽株式会社。
1.2 主要仪器与设备
高压 IMD/OMD 气体成型一体机:HPFM– 350C 型，自制; 千分尺:103–137型，精度为±2 μm，日本 Mitutoyo 公司。
1.3 实验方法
通过进行不同温度下的高压成型实验研究高聚物薄膜热成型的规律。超高压 IMD/OMD 气体 成型一体机的红外辐射加热部件的工作原理如下: 以高熔点的合金材料作为辐射体，通电后由电阻发 热而产生热辐射作为辐射源 [13]。与传统的加热方 式相比，红外辐射加热可以透入薄膜表面一定深度， 在薄膜厚度只有 0.25 mm 的情况下，具有非常好的 加热效果。此外，红外辐射加热装置结构简单，设备 维护方便，加热方式易于控制，并且加热的速度快、 热量散失小，因此具有很高的加热效率。
膜片的加热需要一定的加热面积，因此在设计 加热装置时，选用板式加热方式，将辐射元件按一定 的秩序排列在一块方形板上，板式辐射使得膜片受 热均匀，且结构简单，具体的结构简图如图 1 所示， 加热装置共有 6 排辐射元件，每排 5 个，共 30 个，每 个辐射元件的温度都可以单独控制，在实验时，通过不断调整各区域的温度，以达到膜片最好的成型状 态。
实验采用的 PET 薄膜的玻璃化转变温度为 79°C，而热成型工艺温度通常控制在 100~150°C 之间 [14]，因此在进行高压成型实验时，选择的膜片 加热温度分别为:60，80，100，120，140，160°C，实验 过程中，上、下模的温度分别始终控制在 140°C和 130°C。
图 2 是高压成型实验的流程图，具体的实验步 骤如下:
(1) 放膜。首先将膜片放置在型腔中，并用夹边 模具固定，利用夹边模具上的定位销定位，利用 Y 型密封圈实现装置的密封;
(2) 加热膜片。弹出加热板，所有温度均采用红 外辐射的方式来控制，同时可以实现分区控制;
(3) 合模。利用液压缸控制开模、合模，并提供 所需要的合模力;
(4) 吹高压。合模完成后，通过气压泵向模具内 吹高压，高压吹气压力为 30 MPa ;
(5) 保压。高压保压时间为 4 s ;
(6) 泄压开模。达到保压时间后，泄压 5 s，之 后开模取件，更换膜片。保持其它工艺参数不变，仅 改变加热温度，继续进行实验。
图 2 高压成型实验流程图
2 结果与讨论
2.1 温度对厚度的影响
为了研究温度对高压成型件厚度的影响，定义 减薄率 (m) 为:
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 产 品 成 型 件 为 例 ，将 其 沿 周 向 切 开 ，选 取 40 个测量点，如图 3 所示，分别测量这 40 个点所在位置的壁厚。成型件薄膜的原始厚度为 0.25 mm，选用千分尺作为测量工具。为了减小误差，每个点 需要进行两次测量然后取平均值，记录并统计各个 温度下壁厚的测量值。不同加热温度下高压成型件 壁厚的分布如图 4 所示，其减薄率数据列于表 1。
图 3 成型产品与测量点分布
图 4 不同加热温度下高压成型件壁厚的分布
表 1 不同加热温度下高压成型件壁厚减薄率数据
由图 4 和表 1 可以看出，随着加热温度的升 高，高压成型件壁厚的减薄率越来越大，最小减薄 率发生在 60°C时，最小减薄率为 29.6% ;最大减薄 率发生在 160°C时，最大减薄率为 47.6%。在高压 成型件的成型高度最高处，60°C下成型后的厚度为 0.151 mm，160°C下的厚度为 0.131 mm，由此可见， 温度对高压成型件壁厚的影响较大。
通过对 6 种不同加热温度下高压成型件壁厚分 布曲线进行对比分析，可以得到如下结论:
(1) 温度越高，高压成型件的厚度越来越薄，因 此，最大减薄率和最小减薄率都随之升高;
(2) 材料在成型时受到来自各个方向上的拉应 力，通过厚度分布可以得出最容易产生破裂的区域， 在工业生产中，该区域是需要重要关注的位置;
(3) 分析高压成型件壁厚最薄处的成型情况，发 现该区域材料的成型高度最高，由于拉伸作用，沿拉 伸方向流动，在材料一定的情况下，该区域的厚度也就变得薄。
2.2 温度对回弹性的影响
高压成型后部分产品会出现起皱，这是由于材料的回弹造成的，因此在研究薄膜的起皱现象时，实 际上是在研究材料的回弹现象。材料的回弹性是一 个相对复杂的过程，受到各种因素的影响，例如模具 的形状、材料的厚度以及性能、摩擦力等众多因素。 在成型完成后，当压力被卸载，累积在薄膜材料中的 弹性能都会释放出来，使得零件的尺寸发生变化。 在高压成型时，薄膜会发生弯曲作用，根据弯曲性能 原理 [15]，一定会产生回弹现象，只是回弹的程度有 高有低。因此，如何预测回弹是控制高压成型件质 量的关键环节。
在预测和控制回弹方面，常用的方法有解析 法、数值模拟法以及实验法。在运用解析法时，首先 通过理论分析研究材料成型的过程，然后依靠数学 模型揭示回弹产生的机理，但解析法在应用时有很 大的局限性，只能适用于简单的冲压成型，对于复杂 的成型，数学模型难以建立，计算太庞大，对技术人 员的要求过高，且不适用于生产实际。数值模拟法 通过建立模型进行计算机仿真研究，本质上也是从 理论上研究问题，加工的环境过于理想化，经常与生 产实际不符合。而实验法与前二者不同，实验法立 足于生产实际，理论结合实践，通过在实验中获取不 同的工艺参数对回弹的影响，分析实验数据来研究 回弹的规律。综上所述，实验法是研究回弹基本规 律的可靠手段。
不同加热温度下高压成型件壁厚的回弹性如 图 5 所示。
由图 5a 可以看出，随着加热温度的升高，高压 成型件壁厚的回弹量增大。当加热温度低于 100°C 时，回弹量的增长较为缓慢，当加热温度超过 100°C 后，回弹量的增长会骤然加快。60°C时的回弹量为 0.7 mm，160°C时上升到 6.3 mm，表明加热温度对 高压成型件壁厚的回弹量有显著的影响。
回弹百分比按式 (2) 计算 :
式中:w——回弹百分比;
h——回弹量;
h0——高压成型件设计高度。
由图 5b 可以看出，高压成型件壁厚的回弹百分比与加热温度成正比，加热温度越高，回弹越严重。
a—回弹量;b—回弹百分比
图 5 不同加热温度下高压成型件壁厚的回弹性
高压成型件壁厚回弹的本质是:高压成型件成 型后，卸载高压空气，在成型过程中储存的弹性变形 能需要释放，从而引起内应力的重新分布，导致高压 成型件的外形尺寸发生了相应的改变，如图 6 所示。
图 6 高压成型件壁厚回弹示意图
随着高压成型过程中腔内的压力越来越大，在成型高度越高的位置，薄膜的减薄越严重，该位置也 是变形最大的位置。高聚物薄膜的成型方式是高压 吹气成型，现有的技术基本能保证厚度的均匀分布， 但在变形区域较大、成型高度较高的位置，成型完成 后残余的内应力越大，当高压卸载完成后，该区域的 应力得到释放，导致在变形较大的区域回弹越明显。 但在凹模圆角及其周边的厚度减薄和变形程度则没 有那么严重，卸载后，产生的回弹量较小。
3 结论
通过实验研究温度对高聚物薄膜成型件厚度分布和回弹的影响。设计了膜片加热装置，使用自 制超高压 IMD/OMD 气体成型一体机，对 6 种不 同加热温度下的高压成型进行实验，得到如下结论:
(1) 在拉伸作用下，材料需要不断沿拉伸方向补 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，随着温度的升高，高压成型件的厚度 变薄，在 160°C下具有最大减薄率，在 60°C时具有最 小减薄率，通过分析厚度的分布情况，得到薄膜最易 产生破裂的危险区域。
(2) 保压 4 s 后泄压，由于腔内持续高压，产生 的内应力需要释放，因此成型件厚度出现回弹，在成 型高度越高的位置，成型件厚度的变形量越大，产生 的内应力越大，回弹量也越大，在凹模圆角及其周边 厚度减薄较小，卸载后，回弹也较小。
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