注塑制品翹曲變形的影響因素及對(duì)策

任清海，翁楠，耿鐵

（1.安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南安陽，455000；2.河南機(jī)電高等專科學(xué)校機(jī)械工程系，河南鄭州， 453000；3.河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 河南鄭州，450007）

翹曲變形是指注塑制品的形狀偏離了模具型腔的形狀，是塑料制品常見的質(zhì)量缺陷之一，翹曲變形不僅影響塑件的裝配性能，同時(shí)對(duì)制品的外觀質(zhì)量和使用性能也有一定的影響[1]。翹曲變形作為衡量注塑制品質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，受到了越來越多的關(guān)注和重視[2]。因此，分析和研究導(dǎo)致翹曲變形的因素，研究減小或者消除翹曲變形的可行性措施，對(duì)提高注塑制品品質(zhì)具有重要意義。

1 注塑制品的翹曲變形理論

拱形和馬鞍形是注塑制品翹曲變形的基本形式，分別如圖1、圖2所示。然而在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，注塑制品的翹曲變形常常是這兩種基本形式的疊加。

圖1 拱形變形

圖2 馬鞍形變形

針對(duì)翹曲變形產(chǎn)生機(jī)理，目前業(yè)界存在兩種理論[3]：一種是收縮/翹曲變形理論，另一種是應(yīng)力/翹曲變形理論。

收縮/翹曲變形理論認(rèn)為注塑制品在成型過程中均勻的收縮僅僅會(huì)使其按比例縮小，并不會(huì)發(fā)生翹曲，而不均勻的收縮才會(huì)導(dǎo)致翹曲變形[4]。造成不均勻收縮的原因主要有：塑件內(nèi)部溫度變化的速率不協(xié)調(diào)、結(jié)晶型塑料相變過程中結(jié)晶度的高低不均、分子鏈及分子鏈段在取向方向上恢復(fù)蜷曲狀態(tài)的不一致、粘彈性熔體在壓力作用下發(fā)生的密度增加和彈性恢復(fù)不均等等，從而對(duì)應(yīng)地造成塑件不同部位的收縮不均、壁厚不同造成的收縮不均、與分子取向（或纖維取向）平行和垂直方向收縮不均。

而應(yīng)力/翹曲變形理論認(rèn)為塑件在成型過程中應(yīng)力和應(yīng)力松弛同時(shí)在塑件內(nèi)作用，由于受到模具的限制，塑件在取出前不會(huì)發(fā)生變形，而取出后，由于不再受到模具型腔的約束，此時(shí)若殘留在塑件內(nèi)的應(yīng)力的不均勻程度大于其剛度時(shí)，就會(huì)發(fā)生翹曲變形。也就是塑件的殘余應(yīng)力分布不均導(dǎo)致的翹曲變形。塑件的殘余應(yīng)力主要包括塑件內(nèi)未完全松弛而凍結(jié)在凝固層內(nèi)的流動(dòng)殘余應(yīng)力和塑件各部分壓力和溫度差異引起的熱殘余應(yīng)力。

2 注塑制品翹曲變形的影響因素

注塑制品的翹曲變形是非常復(fù)雜的，其影響因素是多種原因綜合的結(jié)果，主要包括塑料性能、塑件結(jié)構(gòu)、模具結(jié)構(gòu)、成型工藝參數(shù)、塑件脫模后處理情況等。

2.1 塑料性能

塑料材料的性能，諸如流動(dòng)、結(jié)晶、取向、收縮和熱性能等塑料性能是決定塑件成型的質(zhì)量根源之一，其中塑料的結(jié)晶、取向性能與塑件翹曲變形的相關(guān)性最大。研究發(fā)現(xiàn)，塑料的結(jié)晶程度越高，越容易發(fā)生翹曲變形，而無定型塑料材料如PC等在成型過程中則不易發(fā)生翹曲變形[5]。相關(guān)研究還指出，在流動(dòng)過程中，平行于流動(dòng)方向比垂直于流動(dòng)方向的取向大，從而容易導(dǎo)致各向異性收縮和翹曲變形[5]。另外，塑料中的填充物如纖維類填充物、形核劑、玻璃纖維等亦對(duì)塑件的翹曲變形有一定的影響。

2.2 塑件結(jié)構(gòu)

塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞，直接影響著翹曲量的大小。因?yàn)樗芗慕Y(jié)構(gòu)不符合成型要求時(shí)，其所導(dǎo)致的翹曲變形最為嚴(yán)重。有關(guān)研究結(jié)果指出塑件的劇烈壁厚變化對(duì)翹曲變形產(chǎn)生更為顯著的影響[6-7]。在實(shí)際的塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，合理的加強(qiáng)筋設(shè)置有助于抵抗翹曲變形，但不合理的設(shè)置反而會(huì)引起新的翹曲和縮痕。

2.3 模具結(jié)構(gòu)

模具結(jié)構(gòu)中的澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和頂出機(jī)構(gòu)對(duì)塑件翹曲變形的形成具有較大的影響。澆注系統(tǒng)中的澆口是充填時(shí)熔體流動(dòng)和保壓時(shí)壓力傳遞的必經(jīng)通道，直接影響著分子和纖維的取向、制品的收縮和尺寸穩(wěn)定性，對(duì)翹曲變形有很大的影響。冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不良會(huì)造成塑件的冷卻不均，在塑件上產(chǎn)生不均勻的收縮和殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致塑件的翹曲變形，這也是發(fā)生翹曲的主要因素。頂出時(shí)，如果頂針和斜銷的截面過小、布局不合理，使塑件受力不均勻，很容易使其發(fā)生變形，甚至出現(xiàn)頂白或頂穿。

2.4 成型參數(shù)

注射成型的過程中的熔體溫度、模具溫度、注射壓力、保壓壓力、保壓時(shí)間和冷卻時(shí)間等都對(duì)塑件翹曲變形有一定的影響。研究表明，保壓壓力和熔體溫度對(duì)翹曲變形的影響最大。

在成型過程中，增加保壓壓力不但可以壓實(shí)塑件提高其密度，而且可以加強(qiáng)熔體的結(jié)晶和取向作用。而熔體溫度的高低決定了熔體的流動(dòng)性，對(duì)分子取向和結(jié)晶產(chǎn)生重要影響。

2.5 其他

塑件脫模以后，在室溫或使用環(huán)境中，由于發(fā)生二次結(jié)晶和后結(jié)晶，引起應(yīng)力不均，從而會(huì)導(dǎo)致塑件的翹曲變形。

3 翹曲變形的對(duì)策方法

根據(jù)產(chǎn)生翹曲變形的原因，可以對(duì)應(yīng)的從以下幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)策。

3.1 塑件材料

對(duì)于結(jié)晶性塑料，影響其結(jié)晶和取向的因素都將影響塑件的翹曲變形，因此，可以通過選用對(duì)稱性好、無支鏈或少支鏈的高分子的塑料或者適當(dāng)添加形核劑來減小翹曲變形。另外，可以通過對(duì)塑料進(jìn)行改性，來減少翹曲變形程度。

由于結(jié)晶性塑料很容易產(chǎn)生翹曲變形，因此對(duì)于精度要求比較高的塑件，優(yōu)先選用收縮率小的無定形塑料。

3.2 塑件結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)塑件時(shí)，盡量保證壁厚的均勻，這樣可以有效地減小或避免翹曲變形。如果塑件的壁厚不能保證均勻，可以在塑件的公差范圍內(nèi)，有針對(duì)性的改變壁厚，也可以有效地減少翹曲變形[8-10]。

合理的設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋的厚度、高度、拔模斜度、間距等，不僅可以提高塑件的強(qiáng)度，減小壁厚，減少用料，縮短成型周期，還可以有效的減小或避免翹曲變形。

另外，可以采用氣體輔助成型的方法，在壁厚的部位形成中空，從而減小或避免翹曲變形。

3.3 模具結(jié)構(gòu)

優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)中的澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效地減小或消除翹曲變形。

合理的設(shè)計(jì)澆口的位置、形狀、大小和數(shù)量可以降低流動(dòng)長(zhǎng)度，優(yōu)化填充速度，有利于充填平衡，從而可效控制收縮和翹曲。比如，當(dāng)流動(dòng)距離過長(zhǎng)，壁厚較小時(shí)，可以適當(dāng)增加澆口數(shù)量來平衡填充，降低翹曲變形。

在模具結(jié)構(gòu)中合理的設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)可以獲得均勻的冷卻時(shí)間，使塑件冷卻均勻，從而減小翹曲變形。優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的方法有：減小冷卻管道之間的間距、采用噴泉式或倒“U”形水路、采用隨形冷卻等。

針對(duì)由于頂出時(shí)受力不均造成的翹曲變形，通常使用橫截面積大的頂桿或者使用頂塊、頂板，也可以適當(dāng)延長(zhǎng)冷卻時(shí)間、降低頂出溫度，使塑件頂出時(shí)有足夠的剛度等方法來降低或避免翹曲變形的產(chǎn)生。

最近相關(guān)學(xué)者/工程技術(shù)人員提出了反變形設(shè)計(jì)方法來對(duì)策翹曲變形。反變形設(shè)計(jì)就是針對(duì)塑件的翹曲變形，在模具結(jié)構(gòu)上以相反的變形設(shè)計(jì)成型部件，從而成型出沒有翹曲的塑件。

3.4 成型參數(shù)

通過優(yōu)化成型工藝參數(shù)來降低翹曲，此方法成本比較低，方便可行，應(yīng)用比較廣泛。

成型過程中，出現(xiàn)翹曲變形后，首先調(diào)整保壓壓力大小，通過調(diào)整保壓壓力來改善熔體的結(jié)晶和取向，從而對(duì)策翹曲變形。次之調(diào)整熔體的溫度大小，因?yàn)槿垠w溫度的高低決定了熔體的流動(dòng)性，對(duì)分子取向和結(jié)晶有重要影響，從而也可以有效地改善塑件的翹曲變形。再次之可以增加保壓時(shí)間，對(duì)改善翹曲也有很大的作用。

3.5 后處理

整形處理、退火、調(diào)濕等后處理方法也經(jīng)常用來對(duì)策塑件的翹曲變形。

整形處理就是使塑件在根據(jù)塑件幾何形狀特制的治具中強(qiáng)制定型。退火就是使塑件加熱到一定溫度后再緩慢冷卻至室溫，這樣可加速聚合物二次結(jié)晶和后結(jié)晶的過程，消除產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力，防止翹曲變形[11]。調(diào)濕就是將剛脫模的產(chǎn)品放入沸水或醋酸鉀溶液中，在隔絕空氣防止氧化的條件下，加速吸濕，從而消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少翹曲。

4 結(jié)論

前面所述的對(duì)策方法都是在塑件出現(xiàn)翹曲變形后采取的減小或消除翹曲的因?qū)Υ胧?，但隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，在塑件設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)制造、實(shí)際成型之前，可以運(yùn)用CAE軟件對(duì)產(chǎn)品、模具和成型工藝進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致塑件翹曲的因素，從而及時(shí)的對(duì)產(chǎn)品、模具和成型工藝進(jìn)行優(yōu)化，減少成型不良的發(fā)生，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

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