塑料注塑成型內(nèi)應(yīng)力影響分析與消除方法研究

1、塑料注塑成型內(nèi)應(yīng)力影響分析與消除方法研究1 引言注塑制品一個(gè)普遍存在的缺點(diǎn)是有內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力的存在不僅是制件在儲(chǔ) 存和使用中出現(xiàn)翹曲變形和開裂的重要原因, 也是影響制件光學(xué)性能、 電學(xué)性能、 物理力學(xué)性能和表觀質(zhì)量的重要因素。 因此找出各種成型因素對(duì)注塑制品內(nèi)應(yīng)力 影響的規(guī)律性, 以便采取有效措施減少制件的內(nèi)應(yīng)力, 并使其在制件斷面上盡可 能均勻地分布, 這對(duì)提高注塑制品的質(zhì)量具有重要意義。 特別是在制件使用條件 下要承受熱、 有機(jī)溶劑和其他能加速制件開裂的腐蝕介質(zhì)時(shí), 減少制件的內(nèi)應(yīng)力 對(duì)保證其正常工作具有更加重要的意義。 此外, 掌握注塑制品內(nèi)應(yīng)力的消除方法 和測(cè)試方法也很有必要。2 內(nèi)應(yīng)

2、力的種類高分子材料在成型過(guò)程中形成的不平衡構(gòu)象,在成型之后不能立即恢復(fù)到 與環(huán)境條件相適應(yīng)的平衡構(gòu)象, 是注塑制品存在內(nèi)應(yīng)力的主要原因。 另外, 外力 使制件產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變也會(huì)在其中形成內(nèi)應(yīng)力。 根據(jù)起因不同, 通常認(rèn)為熱塑 性塑料注塑制件中主要存在著四種不同形式的內(nèi)應(yīng)力。 對(duì)注塑制件力學(xué)性能影響 最大的是取向應(yīng)力和體積溫度應(yīng)力。2.1取向應(yīng)力高分子取向使制件內(nèi)存在著未松弛的高彈形變,主要集中在表層和澆口的 附近, 使這些地方存在著較大的取向應(yīng)力, 用退火的方法可以消除制件的取向應(yīng) 力。 試驗(yàn)表明, 提高加工溫度和模具溫度、 降低注射壓力和注射速度、 縮短注射 時(shí)間和保壓時(shí)間都能在不同程度上

3、使制件的取向應(yīng)力減小。2.2體積溫度應(yīng)力體積溫度應(yīng)力是制件冷卻時(shí)不均勻收縮引起的。因內(nèi)外收縮不均而產(chǎn)生的 體積溫度應(yīng)力主要靠減少制件內(nèi)外層冷卻降溫速率的差別來(lái)降低。 這可以通過(guò)提 高模具溫度、降低加工溫度來(lái)達(dá)到。加工結(jié)晶塑料制件時(shí),常常因各部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度不等而出現(xiàn)結(jié)晶應(yīng) 力。 模具溫度是影響結(jié)晶過(guò)程的最主要的工藝因素, 降低模具溫度可以降低結(jié)晶 應(yīng)力。帶金屬嵌件的塑件成型時(shí),嵌件周圍的料層由于兩種材料線膨脹系數(shù)不等 而出現(xiàn)收縮應(yīng)力,可通過(guò)預(yù)熱嵌件降低應(yīng)力。這兩種內(nèi)應(yīng)力主要是由于收縮不均而產(chǎn)生的,也屬于體積溫度應(yīng)力。 2.3與制件體積不平衡有關(guān)的應(yīng)力高分子在模腔內(nèi)凝固時(shí),甚至在極其緩慢的條

4、件下要使制件在脫模后立即 達(dá)到其平衡體積, 在實(shí)際上是不可能的。 實(shí)驗(yàn)測(cè)定表明, 注塑制件中這種形式的 內(nèi)應(yīng)力一般很小。2.4與制件頂出變形有關(guān)的內(nèi)應(yīng)力這種內(nèi)應(yīng)力主要與開模條件和模具頂出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有關(guān)。正確選擇開模條 件使開模前的模腔壓力接近于零,根據(jù)制件的結(jié)構(gòu)和形狀設(shè)計(jì)合理的頂出機(jī)構(gòu), 使制件頂出時(shí)不致變形, 是可以將這種形式的內(nèi)應(yīng)力減少到不會(huì)影響制件力學(xué)性 能的限度以內(nèi)的。3 影響注塑制品內(nèi)應(yīng)力的因素分析注塑制品的造型設(shè)計(jì)不合理、模具設(shè)計(jì)不合理、成型工藝條件不正確、注 射機(jī)選用不當(dāng)?shù)榷紩?huì)使制品內(nèi)存在比較大的內(nèi)應(yīng)力。影響制品內(nèi)應(yīng)力的因素很 多,也很復(fù)雜。主要影響因素見下圖所示。 3.1造型設(shè)

5、計(jì)塑料制品除了使用上要求采用尖角外,各表面相交處應(yīng)盡可能采用圓弧過(guò) 渡。 由于制品形狀和截面的變化, 使注塑過(guò)程中熔料在尖角處的流態(tài)發(fā)生急劇變 化而產(chǎn)生大的應(yīng)力,而且殘留在尖角處。在有載荷或受沖擊振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生破裂, 甚至在脫模過(guò)程中即由于模塑內(nèi)應(yīng)力而開裂, 特別是制品的內(nèi)圓角。 一般, 即使 采用 R 為 0.5mm 的圓角就能使塑件強(qiáng)度大為增加。一般情況下,理想的內(nèi)圓角 半徑應(yīng)有壁厚的 1/4以上。外圓角半徑可取壁厚的 1.5倍。采用圓弧過(guò)渡既可以減少應(yīng)力集中,還可大大改善塑料的充模特性,避免 在轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生沖擊形成波紋或充不滿模腔。塑件設(shè)計(jì)成圓角,使模具型腔對(duì)應(yīng)部位也呈圓角,這樣增加了模具的

6、堅(jiān)固 性, 塑件的外圓角對(duì)應(yīng)著型腔的內(nèi)圓角, 它使模具在淬火或使用時(shí)不至于因應(yīng)力 集中而開裂, 提高了模具的使用壽命。 但是在塑件的某些部位如分型面、 型芯與 型腔配合處等不便做成圓角而只能采用尖角。除相交表面的尖角外,尖銳的螺紋牙也是嚴(yán)重的應(yīng)力集中源,采用倒圓角 的螺紋可減少應(yīng)力集中,提高螺紋強(qiáng)度。制品壁厚是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所需要考慮的重要因素。不合理的壁厚會(huì)給制品帶 來(lái)很多缺陷。 增加壁厚既可改善樹脂的充模特性, 又可降低取向應(yīng)力, 減少變形, 提高制品強(qiáng)度。 但同時(shí)收縮加大, 保壓和冷卻時(shí)間加長(zhǎng),生產(chǎn)效率降低, 消耗材 料多。 較大的收縮應(yīng)力還將造成制品表面產(chǎn)生凹陷或內(nèi)部出現(xiàn)縮孔與氣泡, 既影

7、 響外觀又降低了強(qiáng)度。 增加壁厚的同時(shí)也增加了制品的表面積, 表面積與體積之 比越大, 表面冷卻越快, 取向應(yīng)力和體積溫度應(yīng)力都隨之增大。 如果制品壁太薄, 會(huì)降低強(qiáng)度, 脫模時(shí)易破裂, 還有礙于樹脂的充模流動(dòng), 造成填充不足或出現(xiàn)明 顯的熔合紋, 嚴(yán)重影響制品質(zhì)量。 每種塑料根據(jù)充模能力都有一個(gè)最小壁厚。 確 定壁厚時(shí)在滿足強(qiáng)度要求的前提下, 壁厚盡量取薄些, 可節(jié)省材料, 減輕制品重 量, 降低成本, 但不能小于最小壁厚。 ABS 常用的標(biāo)準(zhǔn)壁厚為 1.23.5mm。 壁厚 設(shè)計(jì)還應(yīng)注意均勻一致, 否則將會(huì)由于收縮應(yīng)力引起制品的翹曲變形。 同一制品由于金屬嵌件冷卻時(shí)尺寸變化與塑料的熱收縮值

8、相差很大,使嵌件周圍產(chǎn) 生很大的內(nèi)應(yīng)力, 而造成塑件的開裂。 對(duì)某些高剛性的工程塑料更甚, 如聚碳酸 酯; 但對(duì)于彈性和冷流動(dòng)性大的塑料則應(yīng)力值較低。 當(dāng)有金屬嵌件存在時(shí), 應(yīng)盡 量避免制件開裂:(1如能選用與塑料線膨脹系數(shù)相近的金屬作嵌件,內(nèi)應(yīng)力值可以降低;(2嵌件周圍的塑料應(yīng)有足夠的厚度,否則會(huì)由于存在收縮應(yīng)力而開裂;(3嵌件的頂部也應(yīng)有足夠厚的塑料層, 否則嵌件頂部塑件表面會(huì)出現(xiàn)鼓 包或裂紋;(4嵌件不應(yīng)帶尖角、銳邊,以減少應(yīng)力集中;(5熱塑性塑料注射成型時(shí),將金屬嵌件預(yù)熱到接近物料溫度,可減少由 于金屬與塑料熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的收縮應(yīng)力;(6對(duì)于內(nèi)應(yīng)力難以自消的塑料, 可先在嵌件周圍

9、被覆一層高分子彈性體 或在成型后進(jìn)行退火處理來(lái)降低內(nèi)應(yīng)力;(7在塑件成型后再裝配或壓入嵌件, 可調(diào)節(jié)因嵌入嵌件而造成的內(nèi)應(yīng)力 值,使制件不致破裂。3.2 注塑機(jī)選用注射機(jī)選用不當(dāng),也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。那種認(rèn)為大容量注射機(jī)注射小模具中 的制品會(huì)減少內(nèi)應(yīng)力的說(shuō)法不正確。 有時(shí)會(huì)因?yàn)閴毫^(guò)高、 噴嘴結(jié)構(gòu)不合適或混 料造成較大的內(nèi)應(yīng)力。3.3 模具設(shè)計(jì)模具澆注系統(tǒng)和頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)都會(huì)使制件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。模具澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理如澆口大小不合適、澆道太窄、主流動(dòng)太長(zhǎng)、澆 口位置不合理都會(huì)造成內(nèi)應(yīng)力:(1 澆 口尺寸太大, 補(bǔ)料時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng), 會(huì)增大大分子的凍結(jié)取向和凍結(jié) 應(yīng)變,造成很大的補(bǔ)料內(nèi)應(yīng)力,特別在澆口

10、附近內(nèi)應(yīng)力更大。小澆口 的適時(shí)封閉,能適當(dāng)?shù)乜刂蒲a(bǔ)料時(shí)間。但澆口尺寸也不宜太小,過(guò)小的澆口會(huì)造成太大的流動(dòng)阻力,產(chǎn)生取向應(yīng)力。(2 主 流道太長(zhǎng)、流道太窄、流道的急劇轉(zhuǎn)折都會(huì)使流動(dòng)阻力加大,延長(zhǎng) 進(jìn)料時(shí)間或需增大注射壓力和保壓壓力, 會(huì)使制品產(chǎn)生更高的取向應(yīng) 力。(3 澆 口位置的選取除考慮制品外觀和熔接縫外, 還應(yīng)盡量減少在流動(dòng)方 向上由于充模和補(bǔ)料而造成的定向作用。頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng),使脫模力不均衡或型芯表面在脫模過(guò)程中形成真空或 施加過(guò)大的脫模力, 都會(huì)造成塑件產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變形成內(nèi)應(yīng)力, 甚至龜裂, 嚴(yán) 重時(shí)發(fā)生開裂。 龜裂和開裂看上去相似, 本質(zhì)上有區(qū)別。 龜裂不是空隙狀的缺陷, 是高

11、分子本身同所加應(yīng)力成平行方向排列,經(jīng)過(guò)加熱又能恢復(fù)到無(wú)龜裂的狀態(tài), 所以能用熱處理方法解決。 注塑成型后立即熱處理效果較好。 防止頂出產(chǎn)生內(nèi)應(yīng) 力需改善脫模條件, 如仔細(xì)磨光型芯側(cè)面; 增加脫模斜度; 平衡頂出力; 頂桿應(yīng) 布置在脫模阻力最大的部位如型芯凸臺(tái)附近及能承受較大頂出力的部位, 如加強(qiáng) 筋、凸緣、塑件端面等部位。3.4 機(jī)械加工注塑制品除為切除大澆口冷凝料而進(jìn)行機(jī)械加工外,當(dāng)制件尺寸精度和形 位公差要求很高而無(wú)法通過(guò)模具設(shè)計(jì)與調(diào)整工藝條件得到保證, 或零件上有難以 一次成型出的形狀 (如小而深的孔或螺紋等 時(shí), 成型之后就需要進(jìn)行機(jī)械加工。 常用的機(jī)械加工工藝有車、銑、刨、鉆、鋸、鉸

12、孔和拱螺紋等。但機(jī)械加工會(huì)使 塑件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力, 因此加工時(shí)應(yīng)用專用刀具、 宜采用較低的切削速度、 小切 削量和低速度, 還應(yīng)保證充分冷卻。 對(duì)于易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的制品應(yīng)進(jìn)行多次熱處理。 3.5 注塑成型工藝條件注塑制品由于成型工藝特點(diǎn)不可避免的存在內(nèi)應(yīng)力,但工藝條件控制得當(dāng) 就會(huì)使塑件內(nèi)應(yīng)力降低到最小程度, 能夠保證制件的正常使用。 相反, 如果工藝 控制不當(dāng), 制件就會(huì)存在很大的內(nèi)應(yīng)力, 不僅使制件強(qiáng)度下降, 而且在儲(chǔ)存和使 用過(guò)程中出現(xiàn)翹曲變形甚至開裂。需要控制的工藝條件如嵌件預(yù)熱、模具溫度、 加工溫度、 注射速度、 注射壓力、 保壓壓力、 注射時(shí)間、 保壓時(shí)間、 冷卻時(shí)間等。 溫度、壓力

13、、時(shí)間是塑料成型工藝的主要因素。會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，以至制件可能被劃傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)破裂。但冷卻時(shí)間也不 宜過(guò)長(zhǎng)，否則不但生產(chǎn)效率低，而且制件內(nèi)部壓力降到零以后進(jìn)一步冷卻可能在 制件內(nèi)部形成負(fù)壓，即由于冷卻收縮使制件內(nèi)外層之間產(chǎn)生拉應(yīng)力。 4 注塑制品內(nèi)應(yīng)力的消除方法 在注塑成型或機(jī)械加工之后及時(shí)對(duì)制件進(jìn)行熱處理是降低或消除其內(nèi)應(yīng) 力，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)加速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的一個(gè)有效措施。對(duì)于要求強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn) 定性好的制件，往往在加工過(guò)程中進(jìn)行不只一次的熱處理。 熱處理的方法是：在加熱介質(zhì)中先將溫度從室溫升到一定溫度（這個(gè)溫度 常稱為熱處理溫度或退火溫度） ，使制件在此溫度下保持一定的時(shí)間，然后緩慢 地

14、冷卻到室溫。影響熱處理效果最重要的工藝因素是熱處理溫度和熱處理時(shí)間。 在理論上熱處理溫度越高，熱處理時(shí)間越長(zhǎng)，制件的內(nèi)應(yīng)力就能在更大程度上被 消除，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)就越趨于穩(wěn)定。但實(shí)際使用的溫度卻不能太高，溫度過(guò)高容易 引起制件在熱處理過(guò)程中發(fā)生翹曲變形。一般認(rèn)為，熱塑性塑料注塑件的熱處理 溫度以稍低于熱變形溫度（約低 510）為宜。熱處理時(shí)間則主要與塑料的 性質(zhì)與制件壁厚有關(guān)，高分子鏈的剛性越大，制件的壁越厚，需要進(jìn)行熱處理的 時(shí)間就越長(zhǎng)。 正確選用加熱介質(zhì)對(duì)熱處理效果也很重要。用空氣作為加熱介質(zhì)，有操作 簡(jiǎn)便和處理后不需要清洗等優(yōu)點(diǎn)。 ABS 塑料在 6575空氣中處理 24 小時(shí)效 果良好。但空氣熱傳導(dǎo)效率低，容易引起尼龍類和聚甲醛等塑料氧化變色。高沸 點(diǎn)油作為熱處理介