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 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降低。 這可以通過提 高模具溫度、降低加工溫度來達(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怪破穬?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 渡。 由于制品形狀和截面的變化, 使注塑過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時(shí)會發(fā)生破裂, 甚至在脫模過程中即由于模塑內(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。不合理的壁厚會給制品帶 來很多缺陷。 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,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, 會降低強(qiáng)度, 脫模時(shí)易破裂, 還有礙于樹脂的充模流動, 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。 對某些高剛性的工程塑料更甚, 如聚碳酸 酯; 但對于彈性和冷流動性大的塑料則應(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 的制品會減少內(nèi)應(yīng)力的說法不正確。 有時(shí)會因?yàn)閴毫^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、主流動太長、澆 口位置不合理都會造成內(nèi)應(yīng)力:(1 澆 口尺寸太大, 補(bǔ)料時(shí)間就會延長, 會增大大分子的凍結(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,過小的澆口會造成太大的流動阻力,產(chǎn)生取向應(yīng)力。(2 主 流道太長、流道太窄、流道的急劇轉(zhuǎn)折都會使流動阻力加大,延長 進(jìn)料時(shí)間或需增大注射壓力和保壓壓力, 會使制品產(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程中形成真空或 施加過大的脫模力, 都會造成塑件產(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)過加熱又能恢復(fù)到無龜裂的狀態(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法通過模具設(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), 制件就會存在很大的內(nèi)應(yīng)力, 不僅使制件強(qiáng)度下降, 而且在儲存和使 用過程中出現(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。會產(chǎn)生很大的應(yīng)力，以至制件可能被劃傷，嚴(yán)重時(shí)會出現(xiàn)破裂。但冷卻時(shí)間也不 宜過長，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)的一個有效措施。對于要求強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn) 定性好的制件，往往在加工過程中進(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，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，溫度過高容易 引起制件在熱處理過程中發(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。 正確選用加熱介質(zhì)對熱處理效果也很重要。用空氣作為加熱介質(zhì)，有操作 簡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