PET材料实际强度与理论强度分析方法

    王峰

    

    

    

    摘? 要：在注塑成型领域，有一些特殊注塑材料在生产过程中对生产设备、生产工艺、材料管控等方面有着特殊要求，该文涉及的材料为杜邦PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）RE19051，它在生产过程中，水分含量对其强度有较大影响。该文寻求一种验证方法，计算注塑材料零件的理论设计强度，计算实际强度，研究其与实测强度之间的关系，结合材料自身的特性，验证这种特殊注塑材料零件在生产过程中的控制情况，判断在其生产过程中是否严格按照要求对材料进行烘干，对含水率进行管控等。

    关键词：PET材料;建模过程;强度计算

    中图分类号：TQ342? ? ? ? ? ? 文献标志码：A

    1 问题分析过程

    注塑零件的断裂，在某种情况下可视为零件以悬臂梁形状或者以独立卡扣形状，在外力的作用下发生断裂的情况。但是往往问题发生后，要确认包括设计强度、实际零件计算强度和实际测量强度等多方面因素，然后确定其发生的原因，该文主要验证零件实测强度与零件实际计算强度之间的关系，判断特殊材料杜邦材料PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）RE19051水分含量（水分的占比严重影响PET材料的强度）及生产过程中的影响因素。

    在分析材料断裂的时候，首先要将断裂部位形状模拟成悬臂梁或者卡扣形状进行计算，在模拟的过程中，尽量选择标准的形状，例如断裂部位的形状尽量模拟成矩形以便于简化计算。对材料强度进行分析计算，可按照以下流程进行，如图1所示。

    对于以上的分析方法，需要有3个前提条件。1）选择材料断裂的形状要尽可能的规则，要有可模拟性能。2）该文涉及的材料的受力情况，均是在集中荷载的作用下，如果是非集中荷载，需要查阅《机械设计手册》，重新选择公式。3）该文涉及的材料强度计算，只适用于注塑材料（杜邦PET RE19051），其他材料未进行验证。

    2 建模过程

    实际材料断裂形状：截取断裂位置的材料或模拟位置的材料，使其断裂的零件形状尽可能地像悬臂梁或卡扣形状，模拟的目标形状如图2所示。不难看出，对材料的实际断裂情况进行近似模拟后，材料强度可以通过理论计算得出。

    3 强度计算过程

    参考常量：根据杜邦PET RE19051材料物性，查表得出E弯曲弹性模量 9 700 MPa;σmax弯曲强度 170 MPa。

    将材料模拟为卡扣形状，在柔性平面的受力示意图如图3所示，参考公式如下。

    安全系数：

    式中：σ表示矩形截面梁的应力;σmax表示材料弯曲强度。

    截面梁的应力：

    式中：Fp为偏斜力，N（集中荷载）;Lb为卡爪的长度;Z为卡扣的截面模量，mm3。

    截面模量：

    式中：Wb为卡扣宽度;Tb为卡扣厚度。

    偏斜力N（集中荷载）：

    ，此公式最终反映的是材料在断裂时所受的最大力，在实际计算中，也近似默认为零件受到集中荷载而断裂。如果在分布荷载的情况下，需查阅机械设计手册，重新选择公式。

    最大装配应变：

    式中：Q为柔性平面的偏斜放大系数通过查表所得;δ为末端偏斜量，mm。

    末端偏斜量：

    ，此公式可视为材料在断裂的同时，末端最大的形变量，其中E为弹性模量，为材料自身物性;I为卡扣转动惯量，mm4。

    转动惯量：

    根据卡扣卡扣所在位置，选择Q偏斜放大系数。

    将材料模拟为悬臂梁（刚性平面）的形状，其受力示意图如图4所示，参考公式如下：

    安全系数：

    截面梁的应力：

    截面模量：

    偏斜力N（集中荷载）：

    式中：Y为末端偏斜量，mm。此公式最终反映的是材料在断裂时所受的最大力，在实际计算中，也近似默认为零件受到集中荷载而断裂。如果是在分布荷载的情况下，需查阅机械设计手册，重新选择公式

    转动惯量：

    采取以上2种方式，均可计算出F偏斜力，N（集中荷载）的理论值。根据零件的实际情况选择。

    4 数据分析方法

    通过以上的计算方法，首先要得出以下数据：3D模型理论计算最大偏斜力Fp，理论计算最大末端偏斜量δ，实际零件理论计算最大偏斜力Fp，实测零件理论最大末端偏斜量δ，实测最大偏斜力Fp，实测最大末端偏斜量δ（根据实测力推算）。

    其次对数据进行分析对比，该文分析的主要内容为实测破坏力与实际零件理论计算的占比，即实测破坏偏斜力/实际零件理论计算破坏偏斜力得出比值。比值体现出实测材料强度是否与实际零件强度保持一致，如果低于实际零件的理论计算值，需要深究零件是否在成型过程中出现塑化、原材料水分含量过高（材料降解）等问题。

    5 实际应用

    5.1 背景

    激光打印机定影部分工作环境温度高，需要耐高温材料，实际生产中通常添加玻璃纤维来增强其耐高温性能，材料使用的为该文中的材料杜邦PET RE19051，同時也会带来一些弊端，导致材料成型难度大，易脆。

    5.2 问题描述

    定影组件PET材料零件出现螺丝滑牙，易断裂等问题多发，因为是螺丝孔破裂，无法从螺丝孔下手进行分析，但是螺丝孔的断裂反应出材料的轻度已经出现问题，因此采用卡扣强度的验证方法，来验证此款PET材料的强度是否存在问题。

    5.3 分析问题

    5.3.1 数学模型的应用以及含水率计算

    通过综合分析，将螺丝孔滑牙、零件断裂等问题的原因定位为零件塑性太差，抗冲击强度弱。应用上述理论进行计算，得出的数据见表1（计算倾斜力Fp）。

    该机器试产阶段未发生螺丝滑牙等，因此确认历史数据见表2。

    其中：Wb，Tb，Lb为卡扣的宽度，厚度和长度，单位为mm;F，Fp为理论计算与实际测量的偏斜力，单位为N。

    图5为材料供应商（杜邦公司）提供的含水量-机械性能对照图，根据图示大致推断出零件含水量略大于0.05%，明显不满足要求0.02%（杜邦公司要求，在材料成型前，需要测量原材料干燥后的含水量，达到0.02%以下，才能满足材料的强度要求）。

    5.3.2 厂家解析不良品

    杜邦公司对不良零件分析结果见表3（#1和#3为原材料，#2和#4为零件），推断出成型率=（零件熔体黏度）/（原材料熔体黏度）。

    NG零件=（零件熔体黏度）/（原材料熔体黏度）=#1/#2=0.54。

    OK零件=（零件熔体黏度）/（原材料熔体黏度）=#4/#3=0.64。

    对照杜邦公司提供的成型率与零件黏性关系表。表格为杜邦公司提供的Development of Viscosity Retention Guidelines for Parts Molded from Rynite PET（PET注塑零件黏度开发指南）中的Summary of General Rynite PET Viscosity Molding Ratios（一般PET黏度成型比的总结），通过查询表格，成型率在0.65以上才能保证零件冲击强度满足材料强度规格，不良品不满足。

    6 结论

    该文构造的简易模型以及冲击强度算法符合实际要求，可以作为一种经验计算公式来计算零件的冲击强度及其相关数据，如含水量等。

    参考文献

    [1]机械设计手册编委会.机械设计手册（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2004（4）：4-78.

    [2]保罗 R. 博登伯杰.塑料卡扣连接技术[M].北京：化工工业出版社，2004：175.